3. Особенности органических соединений

Органическая химия

3. Особенности органических соединений

ЛЕКЦИЯ1

1.      Предметорганической химии.

1.     ПРЕДМЕТОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

1.1.ПОНЯТИЕОБ ОРГАНИЧЕСКОМ ВЕЩЕСТВЕ И ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ.

Органическиевещества — класс химических соединений, в состав которых входит углерод

Органические соединения — самый обширный класс химическихсоединений. Многообразие органических соединений связано с уникальным свойствомуглерода образовывать цепочки из атомов, что в свою очередь обусловлено высокойстабильностью (то есть энергией) углерод-углеродной связи.

Связь углерод-углерод может быть как одинарной, так и кратной —двойной, тройной.При увеличениикратности углерод-углеродной связи возрастает её энергия, то есть стабильность, а длина уменьшается.

Высокая валентность углерода — 4, а также возможность образовывать кратныесвязи, позволяет образовывать структуры различной размерности (линейные,плоские, объёмные).

1.2.ВИТАЛИЗМИ ЕГО КРУШЕНИЕ.

Название органическиевещества появилось на ранней стадии развития химии во время господствавиталистических воззрений, продолжавших традицию Аристотеля и Плиния Старшего оразделении мира на живое и неживое.

Вещества при этом разделялись наминеральные — принадлежащие царству минералов, и органические — принадлежащиецарствам животных и растений. Считалось, что для синтеза органических веществнеобходима особая «жизненная сила» (лат.

vis vitalis), присущая только живому,и поэтому синтез органических веществ из неорганических невозможен.

Витали́зм(от лат. vitalis — «жизненный») — учениео наличии в живых организмах нематериальной сверхъестественной силы,управляющей жизненными явлениями — «жизненной силы» (лат.  vis vitalis) («души», «энтелехии», «археи» ипроч.).

Это представление былоопровергнуто Фридрихом Вёлером в 1828году путём синтеза «органической»мочевины из «минерального» цианата аммония, однако деление веществ наорганические и неорганические сохранилось в химической терминологии и по сейдень.

Количество известныхорганических соединений составляет почти 27 млн.

1.3.ОСОБЕННОСТИСТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

Существует несколько важных свойств, которые выделяют органическиесоединения в отдельный, ни на что не похожий класс химических соединений.

1.     Различная топология образованиясвязей между атомами, образующими органические соединения(прежде всего, атомами углерода), приводитк появлению изомеров — соединений, имеющих один и тот же состав и молекулярнуюмассу, но обладающих различными физико-химическими свойствами. Данноеявление носит название изомерии.

2.     Явление гомологии — существованиерядов органических соединений, в которых формула любых двух соседей ряда(гомологов) отличается на одну и ту же группу — гомологическую разницу CH2.

Целый ряд физико-химических свойств в первом приближении изменяетсясимбатно[неизвестный термин] по ходу гомологического ряда.

Это важное свойствоиспользуется в материаловедении при поиске веществ с заранее заданнымисвойствами.

1.4.КРУГОВОРОТУГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ.

Глобальный углеродный круговорот являет собойперемещение углерода между различными «резервуарами», и происходит благодарямножеству различных химических, физических, геологических и биологическихпроцессов. Поверхность современного океана является наиболее активным буферомобмена углерода на Земле, однако на больших глубинах такого быстрого обмена сатмосферой происходить не может.

2ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ А.М. БУТЛЕРОВА

А. М. Бутлерова отличали энциклопедичностьхимических знаний, умение анализировать и обобщать факты, прогнозировать. Онпредсказал существование изомера бутана, а затем получил его, равно как изомербутилена — изобутилен.

Русский химик, академик Петербургской АН (с 1874г.). Окончил Казанский университет (1849 г.). Работал там же (с 1857 г. —профессор, в 1860 и 1863 гг. — ректор). Создатель теории химического строенияорганических соединений, лежащей в основе современной химии.

Обосновал идею овзаимном влиянии атомов в молекуле. Предсказал и объяснил изомерию многихорганических соединений. Написал «Введение к полному изучению органическойхимии» (1864 г.) — первое в истории науки руководство, основанное на теории химическогостроения.

Председатель Отделения химии Русского физико-химического общества(1878—1882).

А. М. Бутлеров создал первую в России школухимиков-органиков, из которой вышли блестящие ученые: В. В. Марковников, Д. П.Коновалов, А. Е. Фаворский и др.

Недаром Д. И. Менделеев писал: «А. М. Бутлеров —один из величайших русских ученых, он русский и по ученому образованию, и пооригинальности трудов».

2.1.  ПРЕДПОСЫЛКИСОЗДАНИЯ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ.

Теория химическогостроения возникла не на пустом месте. Объективными предпосылками ее появления явились:

а). Введение в химию понятий о валентности и особенно, о четырехвалентности атома углерода,

б)Введение понятия об углерод-углеродной связи.

 в). Выработка правильного представления обатомах и молекулах.

2.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИСТРОЕНИЯ А.М.БУТЛЕРОВА.

Стр 99 теория химического строения органическихсоединений

2.3. ЗНАЧЕНИЕ ТЕОРИИ А.М. БУТЛЕРОВАДЛЯ РАЗВИТИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКИХ ПРОГНОЗОВ.

Теория химического строения позволила объяснитьмногие факты, накопившиеся в органической химии в начале второй половины ХIХв., 1.доказала, что с помощью химическихметодов (синтеза, разложения и других реакций) можно установить порядок соединения атомов в молекулах (этимсамым была доказана возможность познания строения вещества);

2.Внеслановое в атомно-молекулярное учение (порядок расположенияатомов в молекулах, взаимное влияние атомов, зависимость свойств от строениямолекул вещества).

Теория рассматривала молекулы вещества как упорядоченнуюсистему, наделенную динамикой взаимодействующих атомов.

В связи с этиматомно-молекулярное учение получило свое дальнейшее развитие, что имело большоезначение для науки химии;

3.Далавозможность предвидеть свойства органических соединений на основании строения,синтезировать новые вещества, придерживаясь плана;

4.Позволилаобъяснить многообразие органических соединений;

5. Послужиларазвитию промышленности органическогосинтеза (синтез спиртов, эфиров, красителей, лекарственных веществ и др.).

Отметим некоторые аспекты мировоззренческогозначения теории химического строения, важное для диалектико-материалистическоговоспитания учащихся.

По своему содержанию теория химического строения –материалистическая.

В ней утверждаются материальность мира и возможность егопознания, которые проявляются в признании реально существующих атомов имолекул, в возможности познания их строения ( химического и пространственного)и свойств. Химическая формула молекулывещества, следовательно, отражает реально существующую молекулу, связь в ней атомов.

Разработав теорию и подтвердив правильность еесинтезом новых соединений А.М. Бутлеров не считал теорию абсолютной инеизменной. Он утверждал, что она должна развиваться, и предвидел, что эторазвитие пойдет путем разрешения противоречий между теоретическими знаниями ивозникающими новыми фактами.

Теория химического строения, как и предвидел А.М.Бутлеров, не осталась неизменной. Дальнейшее ее развитие шло главным образом в двух взаимосвязанных направлениях

Первоеиз них было предсказано самим А.М.Бутлеровым Он считал, что наука в будущемсможет устанавливать не только порядоксоединения атомов в молекуле, но и их пространственное расположение.

Учение о пространственном строении молекул,называемое стереохимией ( греч. «стереос» – пространственный), вошло внауку в 80-х годах прошлого столетия.

Оно позволило объяснять и предсказыватьновые факты, не вмещавшиеся в рамки прежних теоретических представлений.

Второенаправление связано с применением в органической химии учения об электронномстроении атомов, развитого в физике ХХ века. Это учение позволило понять природухимической связи атомов, выяснить сущность их взаимного влияния, объяснитьпричину проявления веществом тех или иных химических свойств.

2.4. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВАОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ.

Для того что бы лучше понимать органическуюхимию  вспомним электронографическуюформулу углеода:

1 человек кдоске пишет со стр 78

Дляорганических соединений характерны неполярные ковалентные связи С—Си полярные ковалентные связи С—О, С—N,С—Hal, С—металл и т.д. Образование ковалентных связей было объяснено наосновании развитых Г.Льюисом и В.Косселем (1916) предположений о важной ролиэлектронных образований – октетов и дублетов.

Молекула устойчива, если валентная оболочка таких элементов, как С,N, О, Hal, содержит 8 электронов(правило октета), а валентная оболочка водорода – 2 электрона. Химическая связь образуется обобществленнойпарой электронов различных атомов (простая связь). Двойные и тройные связиобразуются соответственно двумя и тремя такими парами.

Электроотрицательныеатомы (F, О, N) используют для связи с углеродом не все свои валентныеэлектроны; “неиспользованные” электроны образуют неподеленные(свободные) электронные пары.

Полярностьи поляризуемость ковалентных связей в органических соединений в электроннойтеории Льюиса-Косселя объясняется смещением электронных пар от менееэлектроотрицательного к более электроотрицательному атому, что находитвыражение в индуктивном эффекте и мезомерном эффекте.

Мезомерный эффект(эффект сопряжения, резонансный эффект), видвзаимного влияния атомов в молекуле или ионе. заключающийся в статическойполяризации сопряженной системы связей. Обусловлен смещением π-электроновнеподеленной пар в сторону атомов снедостроенной до октета электронной оболочкой.

Положительныммезомерным эффектом (+ М) обладают электронодонорные группы,способные к частичной или полнойпередаче пары электронов в общую сопряженную систему. Электроноакцепторныегруппы, поляризующие сопряженную систему в противоположном направлении,характеризуются отрицательным мезомернымэффектом (—М)

Индуктивный эффект (индукционный эффект) (позднелат.inductivus, от лат. inductio – наведение, побуждение), вид взаимного влияния атомов в молекулах. заключается в электростатич.воздействии зарядов на атомах или электрич.

диполей связей на реакц. центрили к.-л. рассматриваемый атом (индикаторный атом). Наиб. сильное и медленнозатухающее влияние (напряженность электрич.

поля обратно пропорциональнаквадрату расстояния) оказывают заряженные заместители, например NR3+, SO3-, O-.

Индуктивноевлияние заместителей на константы равновесия или скорости реакций выражаетсяизменением разностей своб. энергий dDG продуктов (илипереходного состояния) и исходных веществ для замещенного соед. по сравнению состандартным.

Источник: https://www.sites.google.com/site/organiceskaahimia10082013/

Конспект лекции по теме

3. Особенности органических соединений

ЛЕКЦИЯ

Тема: Особенности органических веществ

Несмотря на отсутствие принципиальной разницы между неорганическими и органическими веществами (законы химии едины в отношении любых химических объектов), последние обладают некоторыми особенностями, которые послужили причиной выделения органической химии в отдельную область химической науки.

вещества

Органические вещества

Нет ни одного химического элемента, который входил бы в состав всех неорганических веществ.

Составной частью всех органических веществ является углерод.

В образовании неорганических веществ участвуют практически все элементы периодической системы. Так, глина и вода, питьевая сода и поваренная соль, сульфиды и нитраты и т. д. образованы атомами разных элементов.

В образовании органических веществ, кроме углерода, принимают участие небольшое число элементов; в их состав всегда входит водород, часто кислород и азот, реже сера, фосфор, галогены. Например, многие известные вам вещества состоят всего лишь из двух элементов —

углерода и водорода (метан, пропан, бензин, нефть, парафин и др.); из трех элементов — углерода, водорода и кислорода (спирты, органические кислоты, углеводы, жиры и др.).

Количество неорганических соединений исчисляется тысячами (около 500 тысяч).

Число органических соединений исчисляется миллионами (известно более 20 млн.).

Основой развития неорганической химии является периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.

Для органической химии основополагающей является теория химического строения А. М. Бутлерова, которая объясняет многообразие органических веществ, их свойства и превращения.

Некоторые элементы (сера, фосфор, кремний) способны образовывать недлинные (4— 8 атомов) цепи из одинаковых атомов.

Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи практически неограниченной длины и разного строения — прямые, разветвленные, циклические. Это одна из причин многообразия органических веществ.

В неорганических веществах проявляются ионные или полярные ковалентные связи. Поэтому неорганические вещества:

  • преимущественно имеют немолекулярное строение;
  • твердые, с высокой температурой плавления;
  • растворимы в воде;
  • электролиты.

В молекулах органических веществ связь атомов углерода с атомами других элементов слабополярная, а между атомами углерода — неполярная. Поэтому органические вещества:

  1. преимущественно имеют молекулярное строение;

  2. газы, жидкости, твердые вещества с низкой температурой плавления;

  3. нерастворимы или плохо растворимы в воде;

  4. в большинстве своем — неэлектролиты.

Большинство неорганических веществ негорючи (не горят на воздухе).

Большинство органических веществ горючи (горят на воздухе).

Эффективные (частичные) заряды в неорганической химии обозначают целыми числами и называют степенями окисления:

+1 -1

H Cl

В органической химии эффективные (частичные) заряды, как правило, обозначают греческой буквой (дельта):

В неорганических соединениях (за некоторыми исключениями) валентность элемента равна его степени окисления. Например:

валентность магния II, степень окисления +2; валентность кислорода II, степень окисления —2; валентность серы VI, степень окисления +6.

В молекулах органических соединений валентность углерода часто не равна его степени окисления, последняя может принимать значения от —4 до +4. Например, в развернутой структурной формуле молекулы пропана:

-3СН3+ – -2СН2+ – -3СН3+

Из примера следует: валентность всех трех атомов углерода IV, а степень окисления крайних атомов —3, среднего равна —2.

Неорганические соединения являются основным материалом неживой природы.

Органические соединения являются основным материалом, из которого построены организмы растений и животных (живая природа).

Задания:

1. Перечислите особенности органических веществ в сравнении с неорганическими веществами.

2. Объясните, почему органическую химию выделили в отдельный раздел химии.

3. В отличие от неорганических веществ органические:

а) хорошо растворяются в воде; в) разлагаются на свету;

б) легче воздуха; г) почти все горят.

4. Молекулярное строение имеют вещества набора:

а) СаС12, S02, СН4, С2Н5ОН; в) СН4, НС1, NaCl, С02;

б) С2Н6, NH3, СН3СООН, С02; г) С2Н5ОН, Са(ОН)2, NH3, S02.

5. Немолекулярное строение имеют вещества набора:

а) CH3COONa, Са(ОН)2, NaCl, MgO; в) Са(ОН)2, СН3СООН, СН4, КС1;

б) MgO, С2Н5ОН, Na2S04, С3Н8; г) С2Н6, С02, KCl, CH3COONa.

6. Наибольшее количество вещества (моль) содержат 200 г соединения:

а) СО; б) H2S; в) СН4; г) С2Н6.

Источник: https://infourok.ru/konspekt-lekcii-po-teme-osobennosti-organicheskih-soedineniy-3049075.html

3. Особенности органических соединений

3. Особенности органических соединений

Вотличие от неорганических веществорганическиевещества имеют ряд характерныхособенностей:

1) атомыуглерода способны соединяться друг сдругом;

2) образуютцепи и кольца, что не так типично длянеорганических соединений. Это одна изпричин многообразия органическихсоединений;

3) однойиз важных особенностей органическихсоединений, которая накладывает отпечатокна все их химические свойства, являетсяхарактер связей между атомами в ихмолекулах.

Этисвязи имеют ярко выраженный ковалентныйхарактер. Органические вещества вбольшинстве неэлектролиты, не диссоциируютв растворах на ионы и сравнительномедленно взаимодействуют друг с другом.

Время,необходимое для завершения реакциймежду органическими веществами,измеряется часами, а иногда и днями.

Еслиионные(неорганические)соединения легко диссоциируют в водена ионы и реакции между ними протекаютвесьма быстро, то органические вещества,содержащие простые(одинарные)С – С и С – Н связи, взаимодействуютмежду собой с большим трудом.

Принагревании в пределах 400–600 °Cорганические соединения полностьюразлагаются и обугливаются, а в присутствиикислорода сгорают. Это объясняетсясравнительно небольшой прочностьюсвязи между атомами углерода (355,6кДж/моль);

4) важнойособенностью органических соединенийявляется и то, что среди них широкораспространено явление изомерии;

5) имеетсямножество соединений углерода, которыеобладают одинаковым качественным иколичественным составом и одинаковоймолекулярной массой, но совершенноразличными физическими и даже химическимисвойствами;

6) многиеорганические соединения являютсянепосредственными носителями, участникамиили продуктами процессов, которыепротекают в живых организмах, –ферменты, гормоны, витамины.

Особенностиатома углерода объясняются его строением:

1) онимеет четыре валентных электрона;

2) атомыуглерода образуют с другими атомами, атакже друг с другом общие электронныепары. При этом на внешнем уровне каждогоатома углерода будет восемь электронов(октет), четыре из которых одновременнопринадлежат другим атомам.

Ворганической химии обычно пользуютсяструктурными формулами, поскольку атомыимеют пространственное расположениев молекуле.

Структурныеформулы –это язык органической химии.

Вструктурных формулах ковалентная связьобозначается черточкой. Как и в структурныхформулах неорганических веществ, каждаячерточка означает общую электроннуюпару, связывающую атомы в молекуле.Используются также эмпирическиеиэлектронныеформулы.

4. Теория химического строения органических соединений а.М. Бутлерова

Крупнейшимсобытием в развитии органической химиибыло создание в 1961 г. великим русскимученым А.М.Бутлеровым теориихимического строения органическихсоединений.

ДоА.М. Бутлерова считалось невозможнымпознать строение молекулы, т. е.порядок химической связи между атомами.Многие ученые даже отрицали реальностьатомов и молекул.

А.М.Бутлеров опроверг это мнение. Он исходилиз правильных материалистическихифилософских представлений о реальностисуществования атомов и молекул, овозможности познания химической связиатомов в молекуле. Он показал, чтостроение молекулы можно установитьопытным путем, изучая химическиепревращения вещества. И наоборот, знаястроение молекулы, можно вывестихимические свойства соединения.

Теорияхимического строения объясняетмногообразие органических соединений.

Оно обусловлено способностьючетырехвалентного углерода образовыватьуглеродные цепи и кольца, соединятьсяс атомами других элементов и наличиемизомерии химического строения органическихсоединений.

Эта теория заложила научныеосновы органической химии и объяснилаее важнейшие закономерности. Основныепринципы своей теории А.М. Бутлеровизложил в докладе «О теории химическогостроения».

Основныеположения теории строения сводятся кследующему:

1) вмолекулах атомы соединены друг с другомв определенной последовательности всоответствии с их валентностью. Порядоксвязи атомов называется химическимстроением;

2) свойствавещества зависят не только от того,какие атомы и в каком количестве входятв состав его молекулы, но и от того, вкаком порядке они соединены между собой,т. е. от химического строения молекулы;

3) атомыили группы атомов, образовавшие молекулу,взаимно влияют друг на друга.

Втеории химического строения большоевнимание уделяется взаимному влияниюатомов и групп атомов в молекуле.

Химическиеформулы, в которых изображен порядоксоединения атомов в молекулах, называютсяструктурнымиформулами илиформуламистроения.

Значениетеории химического строения А.М.Бутлерова:

1) являетсяважнейшей частью теоретическогофундамента органической химии;

2) позначимости ее можно сопоставить сПериодической системой элементов Д.И.Менделеева;

3) онадала возможность систематизироватьогромный практический материал;

4) далавозможность заранее предсказатьсуществование новых веществ, а такжеуказать пути их получения.

Теорияхимического строения служит руководящейосновой во всех исследованиях поорганической химии.

Источник: https://studfile.net/preview/4237890/page:2/

Отличительные свойства органических соединений и особенности органических реакций

3. Особенности органических соединений

Многообразие органических соединений обусловлено специфическими особенностями углерода сравнительно с другими химическими элементами:

1. Углерод способен соединяться с большинством других элементов. Это свойство углерода, связанное с его положением в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, обусловлено его почти электронейтральным характером и способностью образовывать ковалентные связи.

2. Атомы углерода способны также соединяться друг с другом, образуя углеродные цепи различного вида (прямые, разветвленные, замкнутые в цикл). Таким же свойством обладают некоторые другие элементы, однако все они образуют цепи лишь с небольшим числом звеньев.

Так, для кислорода известны цепи максимально из трех атомов, для азота — из четырех, для кремния — из шести атомов. Для углерода, в отличие от всех остальных элементов, способность атомов соединяться друг с другом, по-видимому, совершенно не ограничена.

В настоящее время получены высокомолекулярные продукты углеводородного характера, углеродная цепь которых состоит из сотен и тысяч углеродных атомов (полиэтилен, полиизобутилен и др.).

3. На определенной стадии усложнения органических веществ появляется возможность изомерии; вследствие этого одному и тому же составу соответствует не одно, а несколько веществ, отличающихся друг от друга только химическим строением.

Хотя число органических соединений чрезвычайно велико иони весьма разнообразны, можно выделить ряд общих характерных свойств, отличающих органические соединения от неорганических.

Почти все органические соединения, за исключением сравнительно немногих (например, четыреххлористого углерода, фторуглеродов), горючи. Большинство неорганических соединений не горит.

Органические соединения обычно представляют собой газы, жидкости или низкоплавкие твердые вещества. Огромное большинство твердых органических веществ плавится в интервале сравнительно невысоких температур (от комнатной до 400 °С). Большая часть неорганических соединений представляет собой твердые вещества, плавящиеся при весьма высоких температурах.

В качестве примеров типично неорганического и типично органического вещества можно взять хлористый натрий и хлористый этил, молекулярные веса которых примерно одинаковы (58,44 и 64,51):

Такие резкие отличия в физических свойствах типично органических и типично неорганических соединений обусловлены отличием в их строении, а именно: неорганические соединения большей частью построены ионно, а органические соединения — ковалентно.

Особенности строения органических соединений как соединений с ковалентными связями находят свое отражение не только в физических, но и в химических свойствах. Так, реакции неорганических соединений (электролитов) в водных растворах, например

NaCl + AgNO3 —–> AgCl + NaNO3

протекают с большой скоростью, практически мгновенно, в то время как реакции органических соединений, например

С2Н5Cl + NaOH ——> NaCl + С2Н5ОН

идут значительно медленнее. Другой отличительной особенностью органических реакций является то, что они редко протекают количественно. Если реакции нейтрализации, осаждения, окисления и восстановления неорганических веществ протекают с количественным выходом, то при органических реакциях очень хорошим считается выход 85—90% от теоретического.

Типично неорганические соединения реагируют в виде ионов, которые образуются вследствие электролитической диссоциации. Это обусловливает большую скорость неорганических реакций, так как время реакции определяется только числом столкновений противоположно заряженных ионов в единицу времени, а это число составляет примерно 1011 в секунду.

Для того чтобы понять причины медленного протекания реакций ковалентно построенных органических соединений, необходимо выяснить механизм этих реакций.

Течение химических реакций в общем случае определяется двумя факторами: изменением свободной энергии системы и скоростью превращения. Первый фактор — термодинамический, второй — кинетический.

Для практически необратимых реакций решающее значение имеет скорость превращения; поэтому термодинамически менее выгодное, но все же возможное направление часто доминирует вследствие его большей скорости.

При достаточно быстро протекающих обратимых реакциях главным фактором является термодинамический, так как положение равновесия не зависит от скорости его установления, а определяется лишь отношением констант скорости прямого и обратного процесса.

В случае медленно протекающих обратимых реакций играют роль оба фактора.

Органические реакции лишь в сравнительно редких случаях протекают до стадии установления равновесия; вследствие этого результаты сложных процессов чаще определяются кинетикой составляющих реакций, чем термодинамикой. Однако в общем случае заметное влияние оказывают оба фактора, что в большой мере затрудняет изучение и трактовку течения химических реакций.

Согласно основному уравнению кинетики химических реакций

константа скорости k является функцией температуры T, числа столкновений Z между реагирующими молекулами, вероятностного фактора Р и энергии активации Е (R — газовая постоянная, е — основание натуральных логарифмов).

Термохимические исследования показывают, что энергии активации реакций органических соединений в большинстве случаев меньше энергий их диссоциации на ионы.

Таким образом, органические реакции обычно протекают не через стадию образования ионов, а иными путями.

Представление о причинах характерных особенностей органических реакций дает теория переходного состояния, или активного комплекса.

Теория переходного состояния может быть уяснена, например, из рассмотрения бимолекулярной реакции замещения:

При взаимодействии реагента Z с молекулой XY возможны самые различные столкновения этих двух частиц. Однако в простейшем случае химическая реакция происходит легче всего, если Z приближается к молекуле XY вдоль ее оси (или под небольшим углом к этой оси) с той стороны, где расположен X:

В определенный момент сближения этих двух частиц между Z и X образуется слабая связь при одновременном ослаблении связи X—Y:

В этом состоянии X уже в известной мере связан с Z и в то же время еще не потерял связи с Y. Такое состояние и носит название переходного состояния, или активного комплекса.

Так как для достижения такого состояния при сближении частиц Z и XY необходима затрата энергии, в частности, на растягивание связи X—Y и на преодоление отталкивания атома Z молекулой XY, то переходное состояние соответствует максимуму на кривой, изображающей энергетическое состояние реагирующей системы (рис. 14). При дальнейшем сближении Z и X между ними образуется ковалентная связь, а связь X с Y окончательно разрывается:

Этот процесс сопровождается понижением энергии реагирующей системы. Точка R на кривой (рис. 14) соответствует энергии системы, когда Z и XY удалены друг от друга (I), точка Р — аналогичной системе ZX и Y (III), точка Т — энергии переходного состояния (II).

Разность между энергией переходного состояния Т и энергией первоначальной системы R составляет энергию активации Е данной реакции.

Таким образом, энергия активации представляет собой энергию, необходимую для приведения двух реагирующих частиц в состояние активного комплекса.

С точки зрения изложенных представлений, органическая реакция, например действие щелочи на хлористый этил, протекает следующим образом:

Следует отметить, что переходное состояние является принципиально неустойчивой системой. Оно соответствует максимуму на энергетической кривой, и поэтому такую систему нельзя рассматривать как какое-то промежуточное соединение.

Всякое промежуточное химическое соединение, пусть малоустойчивое, соответствует относительному минимуму энергии, для перехода из которого в конечное состояние необходимо вновь преодолеть некоторый энергетический барьер (второй максимум — второе переходное состояние).

Промежуточные соединения являются настоящими химическими соединениями, переходное же состояние не является химическим соединением в обычном смысле слова, поэтому к нему неприменимы такие понятия и закономерности, связанные с настоящими химическими соединениями, как валентность, постоянство атомных расстояний и углов валентностей и т. д.

За исключением ряда специальных случаев, первостепенное значение в органических реакциях играет энергия активации Е. Входя в показатель степени основного кинетического уравнения, Е самым существенным образом определяет скорость реакции, причем сравнительно небольшие изменения Е изменяют скорость реакции в десятки раз.

Необходимо, однако, указать, что расчетный аппарат теории переходного состояния в настоящее время находится на низком уровне, и в большинстве случаев невозможно вычисление энергии активации с такой степенью точности, чтобы можно было объяснить (не говоря уже о предсказании) преобладающее протекание одних органических реакций сравнительно с другими возможными. В связи с этим в настоящее время единственным способом составить суждение о факторах, определяющих энергию активации, например конкурирующих органических реакций, являются чисто качественные сопоставления строения активных комплексов конкурирующих реакций и сравнительная оценка их энергии.

В развитие основных положений теории химического строения о связи реакционной способности органических веществ с их химическим строением в органической химии были созданы представления о гетеролитических и гомолитических реакциях.

Для гетеролитических реакций характерен такой разрыв химических связей у реагирующих веществ, при котором электронная пара, осуществляющая ковалентную связь, целиком остается у одного из двух ранее связанных атомов, например:

Частным случаем гетеролитических реакций являются ион-ные реакции, протекающие не через активный комплекс, а с образованием свободных ионов как кинетически независимых частиц.

Для гомолитических реакций характерен разрыв химических связей с разделением электронной пары, осуществлявшей ковалентную связь, например:

Частным случаем гомолитических реакций являются свобод-норадикальные реакции, протекающие с образованием свободных радикалов как кинетически независимых частиц.

Гетеролитические реакции, в том числе и протекающие через стадию образования свободных органических ионов, весьма многочисленны.

К ним, по-видимому, относится большая часть известных в настоящее время органических реакций, например реакции этерификации и гидролиза, протекающие в присутствии кислотных и основных катализаторов, присоединение галоидов к олефинам в полярных растворителях, присоединение синильной кислоты и ряда других реагентов к альдегидам и кетонам, разнообразные прототропные таутомерные превращения и многие другие реакции.

Следует отметить, что огромное большинство органических гетеролитических реакций, в том числе и ионных, протекает значительно медленнее ионных неорганических реакций. Причина этого явления становится понятной, например, при рассмотрении взаимодействия альдегидов с синильной кислотой:

Как установлено, первая стадия этой реакции заключается в присоединении аниона CN- к карбонильному углеродному атому альдегида:

Эта стадия реакции представляет собой процесс взаимодействия не аниона с катионом, а аниона с нейтральной молекулой; следовательно, она будет протекать медленнее тех процессов, в которых участвуют только ионы.

Таким образом, несмотря на то, что вторая стадия циангид-ринной реакции, представляющая собой взаимодействие аниона с протоном

протекает практически мгновенно, в целом присоединение HCN к альдегидам или к кетонам протекает сравнительно медленно. Наличием стадии взаимодействия иона с нейтральной молекулой и объясняется медленность большинства ионных органических реакций сравнительно с ионными неорганическими реакциями.

Открытие гомолитических и, в частности, свободнорадикаль-ных реакций сыграло важную роль в развитии теории химического строения.

Оказалось, что многие органические реакции, в частности распад диазосоединений, распад перекисей, реакции галоидирования, нитрования и окисления парафинов и алицик-лических углеводородов, протекают с образованием свободных радикалов.

Свободные радикалы, как правило, более активны, чем молекулы с четным числом валентных электронов.

Они легко взаимодействуют не только друг с другом (рекомбинация и диспропорционирование), но и главным образом с недиссо-циированными молекулами, образуя при этом новый свободный радикал, который в свою очередь реагирует с молекулой и т. д. Таким образом, свободный радикал, возникнув однажды, вызывает цепь превращений, которая обрывается рекомбинацией радикалов или каким-либо другим способом.

Простым примером цепной органической реакции может служить хлорирование метана, происходящее на свету

Развитие учения о цепных реакциях является крупным достижением современной химической науки. В настоящее время это учение развивается главным образом школами Н. Н. Семенова в СССР и Хиншельвуда в Англии. Н, Н. Семеновым, в частности, создана теория разветвленных цепных реакций.

Теория цепных реакций способствовала устранению упрощенных представлений о многих органических реакциях как о более или менее легко происходящих непосредственных перегруппировках связей при встрече двух молекул и дала ключ к выяснению механизма большого числа органических реакций.

Предыдущая страница | Сдедующая страница

СОДЕРЖАНИЕ

Источник: http://www.xumuk.ru/organika/35.html

3.3. Классификация органических веществ. Номенклатура органических веществ (тривиальная и международная)

3. Особенности органических соединений

Классификация органических веществ

В зависимости от типа строения углеродной цепи органические вещества подразделяют на:

  • ациклические и циклические.
  • предельные (насыщенные) и непредельные (ненасыщенные).
  • карбоциклические и гетероциклические.
  • алициклические и ароматические.

Ациклические соединения — органические соединения, в молекулах которых отсутствуют циклы и все атомы углерода соединены друг с другом в прямые или разветвленные открытые цепи.

В свою очередь среди ациклических соединений выделяют предельные (или насыщенные), которые содержат в углеродном скелете только одинарные углерод-углеродные (С-С) связи и непредельные (или ненасыщенные), содержащие кратные — двойные (С=С) или тройные (С≡С) связи.

Циклические соединения — химические соединения, в которых присутствует три или более связанных атомов, образующие кольцо.

В зависимости от того, какими атомами образованы циклы различают карбоциклические соединения и гетероциклические соединения.

Карбоциклические соединения (или изоциклические) содержат в своих циклах только атомы углерода. Эти соединения в свою очередь делятся на алициклические соединения (алифатические циклические) и ароматические соединения.

Гетероциклические соединения содержат в составе углеводородного цикла один или несколько гетероатомов, чаще всего которыми являются атомы кислорода, азота или серы.

Простейшим классом органических веществ являются углеводороды – соединения, которые образованы исключительно атомами углерода и водорода, т.е. формально не имеют функциональных групп.

Поскольку углеводороды, не имеют функциональных групп для них возможна только классификация по типу углеродного скелета. Углеводороды в зависимости от типа их углеродного скелета делят на подклассы:

1) Предельные ациклические углеводороды носят название алканы. Общая молекулярная формула алканов записывается как CnH2n+2, где n — количество атомов углерода в молекуле углеводорода. Данные соединения не имеют межклассовых изомеров.

2) Ациклические непредельные углеводороды делятся на:

а) алкены — в них присутствует только одна кратная, а именно одна двойная C=C связь, общая формула алкенов CnH2n,

б) алкины – в молекулах алкинов также присутствует только одна кратная, а именно тройная С≡С связь. Общая молекулярная формула алкинов CnH2n-2

в) алкадиены – в молекулах алкадиенов присутствуют две двойные С=С связи. Общая молекулярная формула алкадиенов CnH2n-2

3) Циклические предельные углеводороды называются циклоалканы и имеют общую молекулярную формулу CnH2n.

Остальные органические вещества в органической химии рассматривают как производные углеводородов, образуемые при введении в молекулы углеводородов так называемых функциональных групп, которые содержат другие химические элементы.

Таким образом, формулу соединений с одной функциональной группой можно записать как R-X, где R – углеводородный радикал, а Х – функциональная группа. Углеводородным радикалом называют фрагмент молекулы какого-либо углеводорода без одного или нескольких атомов водорода.

По наличию тех или иных функциональных групп соединения подразделяют на классы. Основные функциональные группы и классы соединений, в состав которых они входят, представлены в таблице:

Таким образом, различные комбинации типов углеродных скелетов с разными функциональными группами дают большое разнообразие вариантов органических соединений.

Галогенпроизводные углеводородов

Галогенпроизводными углеводородов называют соединения, получаемые при замене одного или нескольких атомов водорода в молекуле какого-либо исходного углеводорода на один или несколько атомов какого-либо галогена соответственно.

Пусть некоторый углеводород имеет формулу CnHm, тогда при замене в его молекуле X атомов водорода на X атомов галогена формула галогенпроизводного будет иметь вид CnHm-XHalX. Таким образом, монохлорпроизводные алканов имеют формулу CnH2n+1Cl, дихлорпроизводные CnH2nCl2 и т.д.

Спирты и фенолы

Спирты – производные углеводородов, один или несколько атомов водорода в которых заменены на гидроксильную группу -OH. Спирты с одной гидроксильной группой называют одноатомными, с двумя – двухатомными, с тремя трехатомными и т.д. Например:

Спирты с двумя и более гидроксильными группами называют также многоатомными спиртами. Общая формула предельных одноатомных спиртов CnH2n+1OH или CnH2n+2O. Общая формула предельных многоатомных спиртов CnH2n+2Ox , где x – атомность спирта.

Спирты могут быть и ароматическими. Например:

бензиловый спирт

Общая формула таких одноатомных ароматических спиртов CnH2n-6O.

Однако, следует четко понимать, что производные ароматических углеводородов, в которых на гидроксильные группы заменены один или несколько атомов водорода при ароматическом ядре не относятся к спиртам. Их относят к классу фенолы. Например,  это данное соединение является спиртом:

А это представляет собой фенол:

Причина, по которой фенолы не относят к спиртам,  кроется в их специфических химических свойствах, сильно отличающих их от спиртов. Как легко заметить, однотомные фенолы изомерны одноатомным ароматическим спиртам, т.е. тоже имеют общую молекулярную формулу CnH2n-6O.

Амины

Аминами называют производные аммиака, в которых один, два или все три атома водорода замещены на углеводородный радикал.

Амины, в которых только один атом водорода замещен на углеводородный радикал, т.е. имеющие общую формулу R-NH2, называют первичными аминами.

Амины, в которых два атома водорода замещены на углеводородные радикалы, называют вторичными аминами. Формулу вторичного амина можно записать как R-NH-R’. При этом радикалы R и R’ могут быть как одинаковые, так и разные. Например:

СH3-NH-CH3СH3-NH-CH2-CH3
диметиламинметилэтиламин

Если в аминах отсутствуют атомы водорода при атоме азота, т.е. все три атома водорода молекулы аммиака замещены на углеводородный радикал, то такие амины называют третичными аминами. В общем виде формулу третичного амина можно записать как:

При этом радикалы R, R’, R’’ могут быть как полностью одинаковыми, так и все три разные.

Общая молекулярная формула первичных, вторичных и третичных предельных аминов имеет вид CnH2n+3N.

Ароматические амины с только одним  непредельным заместителем имеют общую формулу CnH2n-5N

Альдегиды и кетоны

Альдегидами называют производные углеводородов, у которых при первичном атоме углерода два атома водорода заменены на один атом кислорода, т.е. производные углеводородов в структуре которых имеется альдегидная группа –СН=О. Общую формулу альдегидов можно записать как  R-CH=O. Например:

этанальметаналь

Кетонами называют производные углеводородов, у которых при вторичном атоме углерода два атома водорода заменены на атом кислорода, т.е. соединения, в структуре которых есть карбонильная группа –C(O)-.

Общая формула кетонов может быть записана как R-C(O)-R’. При этом радикалы R, R’ могут быть как одинаковыми, так и разными.

Например:

пропанонбутанон

Как можно заметить, альдегиды и кетоны весьма схожи по строению, однако их все-таки их различают как классы, поскольку они имеют существенные различия в химических свойствах.

Общая молекулярная формула предельных кетонов и альдегидов одинакова и имеет вид CnH2nO

Карбоновые кислоты

Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, в которых есть карбоксильная группа –COOH.

Если кислота имеет две карбоксильные группы, такую кислоту называют дикарбоновой кислотой.

Предельные монокарбоновые кислоты (с одной группой  -COOH) имеют общую молекулярную формулу вида CnH2nO2

Ароматические монокарбоновые кислоты имеют общую формулу CnH2n-8O2

Простые эфиры

Простые эфиры – органические соединения, в которых два углеводородных радикала опосредованно соединены через атом кислорода, т.е. имеют формулу вида R-O-R’. При этом радикалы R и R’ могут быть как одинаковыми, так и разными.

Например:

CH3-O-CH3CH3-O-C2H5
диметиловый эфирметилэтиловый эфир

Общая формула предельных простых эфиров такая же, как у предельных одноатомных спиртов, т.е. CnH2n+1OH или CnH2n+2О.

Сложные эфиры

Сложные эфиры – класс соединений на основе органических карбоновых кислот, у которых атом водорода в гидроксильной группе замещен на углеводородный радикал R. Фомулу сложных эфиров в общем виде можно записать как:

Например:

метилацетатметилформиат

Нитросоединения

Нитросоединения – производные углеводородов, у которых один или несколько атомов водорода заменены на нитрогруппу –NO2.

Предельные нитросоединения с одной нитрогруппой  имеют общую молекулярную формулу CnH2n+1NO2

Аминокислоты

Соединения, имеющие в своей структуре одновременно две функциональные группы – амино NH2 и карбоксильную – COOH. Например,

NH2-CH2-COOH

Предельные аминокислоты с одной карбоксильной и одной аминогруппой изомерны соответствующим предельными нитросоединениям т.е. как и они имеют общую молекулярную формулу CnH2n+1NO2

В заданиях ЕГЭ на классификацию органических веществ важно уметь записывать общие молекулярные формулы гомологических рядов разных типов соединений, зная особенности строения углеродного скелета и наличия тех или иных функциональных групп. Для того, чтобы научиться определять общие молекулярные формулы органических соединений разных классов, будет полезен материал по этой теме.

Номенклатура органических соединений

Особенности строения и химических свойств соединений находят отражение в номенклатуре. Основными типами номенклатуры считаются систематическая и тривиальная.

Систематическая номенклатура фактически прописывает алгоритмы, в соответствии с которыми то или иное название составляется в строгом соответствии с особенностями строения молекулы органического вещества или, грубо говоря, его структурной формулы.

Рассмотрим правила составления названий органических соединений по систематической номенклатуре.

При составлении названий органических веществ по систематической номенклатуре наиболее важным является правильно определить число атомов углерода в наиболее длинной углеродной цепи или посчитать число атомов углерода в цикле.

В зависимости от количества атомов углерода в основной углеродной цепи, соединения, будут иметь в своем названии различный корень:

Количество атомов С в главной углеродной цепи

Корень названия

1

мет-

2

эт-

3

проп-

4

бут-

5

пент-

6

гекс-

7

гепт-

8

окт-

9

нон-

10

дек(ц)-

Вторая важная составляющая, учитываемая при составлении названий, — наличие/отсутствие кратных связей или функциональной группы, которые перечислены в таблице выше.

Попробуем дать название веществу, имеющему структурную формулу:

1. В главной (и единственной) углеродной цепи данной молекулы содержится 4 атома углерода, поэтому название будет содержать корень бут-;

2. В углеродном скелете отсутствуют кратные связи, следовательно, суффикс, который нужно использовать после корня слова будет -ан, как и у соответствующих предельных ациклических углеводородов (алканов);

3. Наличие функциональной группы –OH при условии, что нет более старших функциональных групп добавляет после корня и суффикса из п.2. еще один суффикс – «ол»;

4. В молекулах содержащих кратные связи или функциональные группы, нумерация атомов углерода главной цепи начинается с той стороны молекулы, к которой они ближе.

Рассмотрим еще один пример:

Наличие в главной углеродной цепи четырех атомов углерода говорит нам о том, что основой названия является корень «бут-», а отсутствие кратных связей говорит о суффиксе «-ан», который будет следовать сразу после корня. Старшая группа в данном соединении – карбоксильная, она и определяет принадлежность этого вещества к классу карбоновых кислот.

Следовательно, окончание у названия будет «-овая кислота». При втором атоме углерода находится аминогруппа NH2—, поэтому данное вещество относится к аминокислотам. Также при третьем атоме углерода мы видим углеводородный радикал метил (CH3—).

Поэтому по систематической номенклатуре данное соединение называется 2-амино-3-метилбутановая кислота.

Тривиальная номенклатура, в отличие от систематической, как правило, не имеет связи со строением вещества, а обусловлена по большей части его происхождением, а также химическими или физическими свойствами.

ФормулаНазвание по систематической номенклатуреТривиальное название
Углеводороды
CH4метанболотный газ
CH2=CH2этенэтилен
CH2=CH-CH3пропенпропилен
CH≡CHэтинацетилен
CH2=CH-CH= CH2бутадиен-1,3дивинил
2-метилбутадиен-1,3изопрен
метилбензолтолуол
1,2-диметилбензол орто-ксилол
(о-ксилол)
1,3-диметилбензол мета-ксилол
(м-ксилол)
1,4-диметилбензол пара-ксилол
(п-ксилол)
винилбензолстирол
Спирты
CH3OHметанол метиловый спирт,
древесный спирт
CH3CH2OHэтанолэтиловый спирт
CH2=CH-CH2-OHпропен-2-ол-1аллиловый спирт
этандиол-1,2этиленгликоль
пропантриол-1,2,3глицерин
фенол
(гидроксибензол)
карболовая кислота
1-гидрокси-2-метилбензол орто-крезол
(о-крезол)
1-гидрокси-3-метилбензол мета-крезол
(м-крезол)
1-гидрокси-4-метилбензол пара-крезол
(п-крезол)
фенилметанолбензиловый спирт
Альдегиды и кетоны
метанальформальдегид
этанальуксусный альдегид, ацетальдегид
пропенальакриловый альдегид, акролеин
бензальдегидбензойный альдегид
пропанонацетон
Карбоновые кислоты
(HCOOH)метановая кислота муравьиная кислота
(соли и сложные эфиры — формиаты)
(CH3COOH)этановая кислотауксусная кислота

(соли и сложные эфиры — ацетаты)

(CH3CH2COOH)пропановая кислота пропионовая кислота
(соли и сложные эфиры — пропионаты)
C15H31COOHгексадекановая кислота пальмитиновая кислота
(соли и сложные эфиры — пальмитаты)
C17H35COOHоктадекановая кислота стеариновая кислота
(соли и сложные эфиры — стеараты)
пропеновая кислота акриловая кислота
(соли и сложные эфиры — акрилаты)
HOOC-COOHэтандиовая кислота щавелевая кислота
(соли и сложные эфиры — оксалаты)
1,4-бензолдикарбоновая кислотатерефталевая кислота
Сложные эфиры
HCOOCH3метилметаноат метилформиат,
метиловый эфир мурвьиной кислоты
CH3COOCH3метилэтаноат метилацетат,
метиловый эфир уксусной кислоты
CH3COOC2H5этилэтаноат этилацетат,
этиловый эфир уксусной кислоты
CH2=CH-COOCH3метилпропеноат метилакрилат,
метиловый эфир акриловый кислоты
Азотсодержащие соединения
аминобензол,
фениламин
анилин
NH2-CH2-COOHаминоэтановая кислота глицин,
аминоуксусная кислота
2-аминопропионовая кислотааланин

Источник: https://scienceforyou.ru/teorija-dlja-podgotovki-k-egje/klassifikacija-organicheskih-veshhestv

Book for ucheba
Добавить комментарий