Основные положения теории строения органических соединений А.М. Бутлерова

Классификация органических соединений
Классификация по строению углеродной цепи

Ациклические (алифатические) – вещества с незамкнутой (открытой) цепью:
предельные (насыщенные) – содержат только простые углерод-углеродные связи:
непредельные (ненасыщенные) – имеют кратные (двойные или тройные) связи.
Циклические имеют в своей структуре замкнутые в цикл атомы.
карбоциклические содержат цикл, состоящий только из атомов углерода
гетероциклические содержат цикл, включающий помимо атомоа углерода гетероатомы (O, N, S).

Карбоциклические:
ароматические - содержат один или несколько шестичленных ароматических циклов
алициклические к которым относят все остальные карбоциклические соединения и насыщенные и ненасыщенные.

Классификация по природе функциональной группы
Функциональная группа – это атом или группа атомов, наличие которых в молекуле придает ей характерные химические свойства. Наличие тех или иных функциональных групп определяет принадлежность соединения к определенному классу.
Наиболее распространённые функциональные группы и классы органических соединений

Соединения определенного класса объединяются в гомологические ряды в которых каждый последующий представитель отличается от предыдущего на группу –CH2–, называемую гомологической разностью.

Номенклатура органических соединений
Тривиальная номенклатура – это исторически сложившиеся названия, которые никак не отражают структуру соединения. Они появились в ранний период развития химии, но прочно укоренились и используются до сих пор, особо это касается природных и гетероциклических соединений.
H2NCONH2 – мочевина
HCOOH – муравьиная кислота
НООССООН – щавелевая кислота
СН3СН(ОН)СООН – молочная кислота
НООССН(ОН)СН2СООН – яблочная кислота
НОСН2СН(ОН)СН2ОН – глицерин
НОСН2СН2ОН – этиленгликоль
H2NCH2COOH – глицин

Рациональная номенклатура учитывает строение вещества. За основу названия берут название наиболее простого члена гомологического ряда, а все остальные соединения рассматриваются как его производные.
СН3СН2СН3 – диметилметан,
СН3С(СН3)2СН2СН(СН3)СН3 – триметилизобутилметан,
СН3СН2СН=СН2 –этилэтилен,
СН3С≡СН – метилацетилен.
Систематическая номенклатура IUPAC является наиболее общепризнанной и универсальной. Систематические названия соединений отражают структурную особенность соединений. Название соединения строится как сложное слово, состоящее из корня (родоначальное название), префиксов и суффикса, характеризующих число и характер заместителей, степень насыщенности; положение заместителей и кратных связей.

Химическая связь
Параметры ковалентной связи
ковалентная:
неполярная С–С в H3C–CH3
полярная
ионная:
соли RCOO–Na+, RO–K+, R4N+Cl–
основаниях R4N+OH–.
Типы ковалентной связи:
σ (сигма)- ковалентная связь, образованная при перекрывании атомных орбиталей по прямой, соединяющей ядра двух связываемых атомов
π (пи)-связь, образованная при боковом перекрывании негибридизованных p-орбиталей по обе стороны от прямой, соединяющей ядра атомов. Кратные связи являются сочетанием σ- и π-связей: двойная - одной σ- и одной π-, тройная - одной σ- и двух π-связей.

Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений
Отрицательный (–I) заместитель оттягивает электроны на себя (акцепторный заместитель), атомы углерода в цепи оказываются заряженными положительно, его проявляютатомы или группы с более высокой электроотрицательностью, чем атом С:
галогены: F > Cl > Br > I
кислород, серу- и азотсодержащие группы: –OH > –OR >
–NH2 > –SH
группы с δ+ на ключевом атоме : – SO3H, – NO2, – CN
Положительный (+I) заместитель отдает электронную плотность углеродной цепи атомов(донорный заместитель), его проявляют группы с низкой электроотрицательностью центрального атома:
алкильные группы, причем чем длиннее, и чем разветвленнее радикал, тем больше его индуктивный эффект:
отрицательно заряженные атомы или группы: O– , –COO– и др.
Характерные черты индуктивного эффекта
Индуктивный эффект передаётся по цепи атомов в одном направлении
Индуктивный эффект быстро затухает по цепи
Сила индуктивного эффекта зависит от природы заместителя. Для электроотрицательных заместителей I возрастает с ростом ЭО атома и увеличением их числа в молекуле. Алкильные радикалы вызывают слабый (+I)
Индуктивные эффекты – аддитивны (могут суммироваться).

Направление мезомерного эффекта определяется по знаку дробного заряда, проявляющегося на заместителе, ответственном за данный эффект:
-М: =O, =S, -NO2, -C≡N, =NR
+М: :NR2, :OR, :SR, :Hal
π,π-сопряжение
Сопряжение полярной и неполярной ненасыщенных групп:
Сопряжение неполярных ненасыщенных групп:
Виды мезомерного эффекта (сопряжения):
Сопряжение группы, имеющей НЭП и неполярной ненасыщенной группы:
Сопряжение карбокатионного или карбоанионного центра и кратной связи:
Сопряжение радикального центра и кратной связи:
р,π-сопряжение

При одновременном проявлении индуктивного и мезомерного эффектов, последний (М) по абсолютной величине, как правило, больше и является решающим:

Классификация органических реакций
Разрыв ковалентной связи:
Гомолитический – каждый атом получает по одному электрону из общей пары (образуются свободные радикалы):
ионные:
нуклеофильные
электрофильные
радикальные
В зависимости от способа разрыва ковалентной связи в реагирующей молекуле
Радикалы – частицы с нечётным числом электронов (наличием неспаренного электрона): H–, H3C–·, CH3–CH2–.
Очень реакционноспособны и атакуют молекулы с высокой электронной плотностью. Основой их реакционной способности является тенденция к спариванию электрона, возникает новая электронная пара и, как правило, ковалентная связь.

Гетеролитический (ионный) – общая электронная пара остается у одного атома:
В результате образуются разноименно заряженные ионы.
Электрофилы – частицы (катионы или молекулы), имеющие свободную орбиталь на внешнем уровне или центры с пониженной электронной плотностью:
H+, H3O+, CH3+, Br+, NO2+, AlCl3, ZnCl2, BF3, SO3, TiCl4, SnCl4.
Нуклеофилы – это частицы (анионы или молекулы), имеющие неподеленную электронную пару на внешнем уровне или содержащие центры с повышенной электронной плотностью:
OH−, I−, Cl−, Br−, RO−, H2O, карбанионы, амины, NH3, алкены, ароматические углеводороды.

Классификация по типу реакции:
Присоединения (A) включает разрыв связей в молекулах и присоединение по месту разрыва других молекул или частиц:
CH2=CH-CH3 + Br2 →CH2Br-CHBr-CH3 бромирование пропена
CH2=CH2 + H2O→CH3CH2OH гидратация этилена
Полимеризация – реакции образования высокомолекулярных соединений (полимеров) из низкомолекулярных (мономеров):
n CH2=CH2→(-CH2-CH2-) n образование полиэтилена
Поликонденсации – реакции образования полимеров, в результате которых выделяются низкомолекулярные вещества (H2O, NH3, HCl)

Замещения (S) один или несколько атомов или групп атомов в молекуле замещаются на один или несколько иных атомов или групп атомов:
C2H6 + Cl2 (на свету)→CH3CH2Cl + HCl хлорирование этана
CH3CH2Cl + KOH → CH3CH2OH + KCl щелочной гидролиз хлорэтана
Элиминирования (отщепления) (E) происходит отрыв атомов или групп атомов от молекулы исходного вещества при сохранении ее углеродного скелета
CH3-CH2Cl →CH2=CH2 + HCl дегидрогалогенирование хлорэтана
CH3-CH2OH→CH2=CH2 + H2O дегидратация этанола
CH3-CH3 →CH2=CH2 + H2 дегидрирование этана

Разложения – в результате реакции из молекулы сложного органического вещества образуется несколько менее сложных или простых веществ:
CnH2n+2→ CmH2m+2 + CpH2p (n = m + p) крекинг алканов
Перегруппировки сопровождаются изменением порядка связывания в молекуле. В частном случае перегруппировок (таутомерия, изомерия) брутто-формула и углеродный скелет не меняются:
А→В

Реакции окисления и восстановления связываются с изменением степени окисления углерода, являющегося реакционным центром молекулы.
Вещество окисляется, если оно теряет атомы H и (или) приобретает атомы O. Кислородсодержащий окислитель обозначают символом [O]:
Вещество восстанавливается, если оно приобретает атомы H и (или) теряет атомы O. Восстановитель обозначают символом [H]:
Нуклеофильное присоединение AN:
Нуклеофильное замещение SN:

Изомерия – явление существования соединений одинаковых по качественному и количественному составу, но различающихся порядком связывания атомов в молекуле или расположением их пространстве, а вследствие этого имеющих различные физические и химические свойства.

Структурная изомерия
Изомеры различаются последовательностью связывания атомов в молекуле.
Изомерия цепи обусловлена разным порядком связывания атомов углерода:
Изомерия положения обусловлена различным положением функциональных групп или кратных связей при одинаковом углеродном скелете молекулы:
Изомерия функциональной группы обусловлена различным строением функциональной группы:

Пространственная изомерия
Стереоизомеры имеют одинаковый порядок соединения атомов, но различное их расположение в пространстве.
Конфигурация – относительное расположение атомов молекулы в пространстве.
Конформация – пространственное расположение атомов в молекуле, возникающее при вращении вокруг σ-связи.
Проекционные формулы Ньюмена: молекулу рассматривают вдоль связи С – С таким образом, чтобы атомы, образующие данную связь заслоняли друг друга. Ближний к наблюдателю атом изображают точкой, а дальний – окружностью:
Стереохимические формулы: связи, расположенные в плоскости, рисуют обычной чертой, над плоскостью – жирным клином (чертой), а под плоскостью – штриховым клином (пунктирной чертой):

Оптическая изомерия
Условие: наличие ассиметрического атома углерода, т.е. такого, который связан с четырьмя разными заместителями.
Оптические изомеры – вещества , способные вращать плоскость поляризации света. Правовращающие (+) отклоняют плоскость поляризации вправо; левовращающие (–) – влево.
Рацемат (±) – смесь содержащая равное количество веществ с противоположным углом вращения, не обладает оптической активностью.

проекционные формулы Фишера
Ассиметрический атом углерода изображают пересечением вертикальной и горизонтальной линии и не обозначают символом
Молекулу ориентируют так, чтобы главная углеродная цепь располагалась вертикально, причем вверху находится группа, имеющая меньший номер в названии по номенклатуре IUPAC.
Заместители, связанные с хиральным центром вертикальными линиями, находятся за плоскостью чертежа, а заместители, связанные с хиральным центром горизонтальными линиями, находятся перед плоскостью чертежа

Энантиомеры – стереоизомеры, являющиеся зеркальными отображениями друг друга и не могут быть совмещены.
Диастереомеры — стереоизомеры, не являющиеся зеркальными отражениями друг друга. Диастереомерия возникает, когда соединение имеет несколько хиральных центров.
эритро-изомерами называют те, у которых два одинаковых боковых заместителя стоят в стандартной проекционной формуле на одной стороне (справа или слева); трео-изомеры имеют одинаковые боковые заместители на разных сторонах проекционной формулы

Мезо-форма - оптически неактивная модификация стереоизомера.
Мезо-формы имеются у всех оптически активных веществ с несколькими одинаковыми (т.е. связанными с одинаковыми заместителями) асимметрическими центрами. Проекционные формулы мезо-форм всегда можно узнать по тому, что их всегда можно разделить горизонтальной линией на две зеркальные половины.

Номенклатура оптических изомеров
D,L-номенклатура
Для углеводов:
Для α-оксикислот и α –аминокислот:
L-оксикислоты (Х = ОН)
D-оксикислоты (Х = ОН)
L-аминокислоты (Х = NH2)
D-аминокислоты (Х = NH2)

Преобразование проекционных формул Фишера
Конфигурация сохраняется при повороте формулы Фишера на 180º в плоскости чертежа, а при повороте на 90º конфигурация меняется на противоположную

Конфигурация сохраняется, если делать четное число перестановок
R,S-номенклатура основана на определении старшинства заместителей
Атом с большим атомным номером старше атома с меньшим атомным номером.
Если первый атом у заместителей одинаков, сравнение проводят по атомам второго (следующего) ряда.

Атом второго (или последующего) слоя, связанный двойной связью учитывается дважды.
Если старшинство заместителей не удаётся определить по атомам второго слоя, сравнение проводят по атомам третьего слоя и т. д. до первого различия.

Геометрическая изомерия обусловлена различным положением заместителей в пространстве относительно плоскости двойной связи или плоскости цикла.
Цис- транс-номенклатура: при двойной связи (или в цикле) имеется, по меньшей мере, два одинаковых заместителя:
Z-, E-номенклатура - все заместители при двойной связи различны:

Основана на определении старшинства заместителей. Молекулу мысленно разделяют пополам перпендикулярно плоскости двойной связи связи:
Определяют старшинство заместителей справа и слева:
Сравнивают расположение одинаковых по старшинству заместителей относительно плоскости двойной связи:
Изомер, у которого одинаковые заместители находятся по одну сторону, называется Z-изомером, изомер, у которого по разные стороны – E-изомером.
Правила Z-, E-номенклатуры:

Наиболле устойчивые конформации - конформеры.
Угол поворота вокруг σ-связи - торсионный, за минимальный отсчет торсионного угла принимают 60º.
Конформации в которых заместители расположены близко друг к другу энергетически менее выгодны и называются заслоненными
конформации, в которых заместители удалены друг от друга называются заторможенными и являются более энергетически выгодными.
Разница между энергиями заслоненной и заторможенной конформаций называется энергетическим барьером вращения.
Конформационная изомерия
а – заслоненные конформации,
б – заторможенные

Торсионное напряжение обусловлено отталкиванием противостоящих связей. В заслоненной конформации противостоящие связи максимально сближены, поэтому взаимодействие между ними наибольшее.
Напряжение Ван-дер-Ваальса возникает при наличии у атомов объемных заместителей, обусловленно взаимным отталкиванием заместителей. Так, при вращении вокруг связи С2 – С3 в молекуле бутана, возникают возникать заслоненные и заторможенные конформации различающиеся по энергии.
Заслонённая конформация с торсионным углом 180º называется анти-, а с торсионным углом 60º - гош-конформацией.