1 ТЕОРИЯ ХИМ. СТРОЕНИЯ.

Формат документа: docx
Размер документа: 0.23 Мб





Прямая ссылка будет доступна
примерно через: 45 сек.



  • Сообщить о нарушении / Abuse
    Все документы на сайте взяты из открытых источников, которые размещаются пользователями. Приносим свои глубочайшие извинения, если Ваш документ был опубликован без Вашего на то согласия.


Тема1.1: «Введение. Теоретические основы органической химии»
План:
1.Введение. Определение органической химии как науки. Значение органической химии.
2. Теория химического строения А.М, Бутлерова.
3. Электронные эффекты. Взаимное влияние атомов в молекулах органических веществ.
4.Классификация органических соединений.
Органическая химия занимает важное место в подготовке фармацевтов, являясь основой профессиональных знаний. О.Х. тесно связана с технологией лекарственных форм, контролем качества Л.П., фармакологией, фармакогнозией, и др.
1. Органическая химия - это химия углеводородов и их функциональных производных, изучает строение, способы получения, химические свойства и применение этих веществ. Это обширная область знаний. Из органической химии образовалась наука биоорганическая химия – это химия органических соединений, влияющих на обмен веществ, участвующих в обмене веществ.
В состав органических веществ наряду с углеродом входят такие элементы: водород, кислород, азот, сера, фосфор - их называют органогены. Они сгорают в кислороде, не оставляя золы. Деление веществ на органические и неорганические относительно, нет границ между органическими и неорганическими вещевствами, в состав тех и других могут входить атомы углерода. Понятие «органические вещества» относится не только к соединениям, присутствующим в живых организмах. Например, алканы, алкены - органические вещества, но в живых организмах не присутствуют.
В природе все явления взаимосвязаны, между науками существует взаимосвязь.
До начала ХIX века все известные вещества делили по их происхождению на 2 группы: минеральные и органические. Многие ученые тех времен считали, что органические вещества могут образовываться только в живых организмах при помощи «жизненной силы». Такие взгляды назывались виталистическими. Большой удар взглядам «виталистов» нанес немецкий химик Ф. Вёлер. Он впервые получил органическое вещество из неорганического: 1824г - щавелевую кислоту (из дициана NC-CN + H2O). 1828г - мочевину. Дальнейшие синтезы - 1845 Кольбе - уксусную кислоту, используя древесный уголь, серу, хлор и воду; 1854 - француз Бертлоо синтезировал жиры, Бутлеров 1861 – сахаристое вещество - полностью опровергли утверждения виталистов.
Важнейшие причины выделения органической химии в отдельную науку:
- многообразие органических веществ (>19 млн. и их число продолжает расти, неорганических примерно 700 тыс)
- органические вещества легко подвергаются окислению: горению, гниению, обугливанию.
- существует особая классификация органических веществ: АЛКАНЫ, АРЕНЫ, АМИНЫ и т.д.
- органические вещества имеют преимущественно молекулярное строение, ковалентные связи, низкие температуры кипения.
- имеют специфические закономерности протекания реакций: замещения (S), присоединения (A), отщепления (E)
- имеют огромное значение для жизнедеятельности организмов животных, растений и человека.
2.Основные положения теории химического строения (ТХС) органических соединений А.П. Бутлерова.
В химии возникло множество проблем, требовавших научного объяснения:
А) причина многообразия органических веществ, возможно ли такое множество веществ систематизировать и классифицировать?
Б) противоречие в понятии валентность: C2H6 , C3H8 , C6H6
В) соответствие одной молекулярной формулы нескольким органическим веществам.
Г) существовали большие сложности с описанием формул, не было единого принципа написания.
Научные предпосылки создания ТХС:
- было известно о валентности элементов (Эдуард Франкленд- теория валентности).
- Кекуле предположил, что углерод 4-х валентен.
- Купер, Кекуле высказали предположение о возможности образования углерод - углеродной связи, о способности атомов углерода образовывать цепи.
- 1860- сформулированы основные понятия «атом», «молекула» (Международный конгресс химиков)
А.М. Бутлеров пошел по пути атомистических представлений, считая молекулы и атомы реально существующими, ввел понятие о химическом строении, установил, что химическое строение определяет свойства вещества, объяснил явление изомерии.
1. Атомы в молекулах соединены друг с другом химическими связями в определенной последовательности согласно их валентности.
Порядок соединения атомов в молекуле и характер их связей Бутлеров назвал химическим строением. Валентность элементов условно изображают черточками (валентными штрихами). Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи, которые могут быть: открытыми С-С-С-С-С- разветвленными, циклическими.
Вывод: многообразие веществ объясняется способностью атомов углерода по-разному соединяться друг с другом.
2. Свойства органических соединений зависят не только от числа и природы входящих в их состав атомов, но и от химического строения молекул.
Изомеры – соединения, имеющие одинаковый количественный и качественный состав, разное химическое строение или расположение атомов в пространстве, обладающие разными физическими и химическими свойствами. В органической химии молекулярная формула отражает множество веществ, и только структурная формула показывает одно вещество. С4Н10 (бутан) имеет 2 изомера, С6Н14 (гексан) – 5; С9Н20 (нонан) – 35. Проблема изомерии была серьезным испытанием ТХС: Бутлеровым и его учениками получены изомеры состава С5Н12, С8Н18, С9Н20. Изомерия доказала объективность этой теории. Различают структурную и пространственную изомерию (стереоизомерия).
Структурная изомерия обусловлена различным расположением атомов в молекуле. Возможны следующие виды структурной изомерии.
1. Изомерия углеродного скелета или изомерия цепи обусловлена различным порядком связи атомов, образующих скелет молекулы органических соединений. В структурной формуле признаком изменения углеродной цепи является соединение одного из атомов углерода с различным числом других углеродных атомов.Атом углерода, связанный сигма-связью только с одним атомом углерода, называется первичным, с двумя — вторичным, с тремя — третичным и тд.
  СН3 – СН2 – СН2  - СН3                         СН3 – СН – СН3
   н-бутан                                              │
СН3       изобутан
2. Изомерия положения обусловлена различным расположением функциональных групп или кратных связей.
СН3 – СН2 – СН2 – Cl                      СН3 – СН (Cl) – СН3
   1-хлорпропан                                   2- хлорпропан  НС  ≡  С  - СН2 –СН3                             Н3 С – С ≡ С –СН3
  бутин-1                                              бутин –2
3. Изомерия функциональных групп (межклассовая изомерия)
С3Н8О –  общая формула, которой соответствуют два соединения:
СН3 –СН2 – СН2 - ОН               СН3 – О – СН2 – СН3
   пропанол-1                              метилэтиловый эфир 
С3Н6О – общая формула, которой соответствуют два соединения:
                          O
                         //
СН3 –СН2 – С                                   СН3 –С – СН3
                         \                                            ║   
                           H                                         О
        пропаналь                                    пропанон
4. Таутомерия – изомеры отличаются функциональными группами, легко переходящими друг в друга:
а) кето-енольная таутомерия
  - СН2 – С -                 - СН = С -        
                ║            │
O                       ОН       
   кето-форма                 енольная–форма
   б) лактам-лактимная таутомерия
    - NH  - C -           - N = C –
              ║                      │                                              
O OH 
Пространственная изомерия (стереоизомерия) обусловлена различным пространственным расположением атомов при одинаковом порядке их связывания. Она может быть геометрической, оптической, поворотной.
Геометричекая (цис-, транс-изомерия) зависит от числа заместителей.
Малеиновая кислота (цис-форма), фумаровая кислота (бутендиовая)  транс-форма:
цис-форма – два заместителя расположены по одну сторону плоскости двойной связи.
транс-форма – два заместителя расположены по разные стороны плоскости двойнойсвязи.
Оптическая изомерия-связана с различным расположением в пространстве атомов или групп атомов вокруг ассиметрического углеродного атома- хирального центра. (подробно при изучении гидроксикислот)

Поворотная изомерия обусловлена ограниченным вращением в молекуле атомов или групп атомов вокруг углерод-углеродной связи. Для описания пространственных различий используют два важнейших понятия: конфигурация и конформация молекул. Конфигурация – определенное пространственное расположение атомов в молекуле, без учета различий, возникающих вследствие вращения вокруг одинарных связей. Конформации молекулы представляют различные ее геометрические формы, возникающие в результате вращения вокруг одинарных связей. При этом возникают конформации: заслоненная, скошенная, заторможенная.

                                     I                                        II
1- заслоненная,2-заторможенная
3.Атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность.
При химических реакциях изменяются только некоторые части молекулы. Реакционная способность атомов, входящих в молекулу, меняется в зависимости от того, с какими атомами они связаны в данной молекуле. Между атомами с одинаковой электроотрицательностью, пара электронов связи в равной мере принадлежит обоим, электронная плотность распределена равномерно. Электроотрицательность атомов углерода и водорода примерно равна, связь не полярна. При соединении атомов с различной электроотрицательностью, электронная плотность смещается в сторону более электроотрицательного, происходит поляризация связи. Полярные связи – связи между атомами с разной электроотрицательностью, электронная плотность смещается в строну более электроотрицательного атома.
Индуктивный эффект (действие)– смещение электронной плотности за счет различия Э.О. связанных атомов Графически индуктивный эффект ( + I, - I) изображается стрелкой, совпадающей с положением валентного штриха, ее острие направлено в сторону более электроотрицательного атома.
Если заместитель (по сравнению с водородом) увеличивает электронную плотность ( -) в углеродной цепи атомов, эффект называют положительным и обозначают +I (донорный заместитель). Если заместитель оттягивает электроны на себя (акцепторный заместитель), атомы углерода в цепи оказываются заряженными положительно (+), эффект называют отрицательным и обозначают -I. То есть знак эффекта совпадает со знаком заряда, возникающим на атоме в результате поляризации связи. Электроноакцепторными заместителями являются:
-F, – Cl, – Br, –I, – OH, –NH2, –NR2 , =C=O, -COOH, –NO2,–SO3H.
Положительный индуктивный эффект проявляют все алкильные радикалы, +I усиливается с увеличением числа атомов углерода и с разветвленностью.

I- эффект проявляется между атомами углерода с различной степенью гибридизации. S > SP > SP2 > SP3
I- эффектраспространяется по цепи всех сигма -связей, ведет к появлению на атомах частичных зарядов. Уменьшение электронной плотности на С1 ведет к тому, что он смещает на себя электроны сигма связи от соседнего С2, происходит поляризация связи С1-С2.

Поляризуемость - способность связи приобретать полярность под действием внешних э/м полей, т.е. происходит смещение электронной плотности. Например, молекула брома становится полярной под действием катализаторов FeBr3 или AlCl3. Поляризуемость связи возрастает с уменьшением электроотрицательностью атомов. Поляризуемость возрастает с увеличением размеров электронной оболочки атомов. По величине поляризуемости пи-связь превосходит сигма (максимальное перекрывание электронной плотности).
Сопряженные системы: молекулы с чередующимися двойными и простыми связями, или система, в которой при атоме углерода с кратной связью находится атом, имеющий неподеленная электронная пара (НЭП). Например, бутадиен-1,3; бензол; анилин. Сопряжение – перераспределение электронной плотности в системе пи-связей, приводящее к стабилизации молекулы. (Делокализация означает, что пи- электронная плотность не сосредоточена между двумя соседними р- орбиталями, а распределена по всей пи-орбитальной системе). При введении заместителя в сопряженную систему происходит перераспределение электронной плотности, вызванное взаимным влиянием атомов. Мезомерный эффект (+М, -М) - это смещение электронов -связей или неподелѐнных электронных пар отдельных атомов сопряженной системы (О, S, N). Мезомерный эффект проявляется в тех случаях, когда в молекуле имеется система сопряжѐнных связей (, или р,), т.е. в алкеновых, полиеновых, алкиновых, ароматических и гетероциклических соединениях: в молекуле бензола есть сопряжение, нет заместителя, М- отстствует. В молекуле анилина р-пи сопряженная система. Заместитель подает электронную плотность в сопряженную систему, в результате чего на нем возникает положительный заряд. Заместитель, отдающий свою электронную пару в общее сопряжение, проявляет +М.

В случае пи-пи сопряжения на концах сопряженной системы находятся атомы разной с электроотрицательностью, пи-электронная плотность смещена в сторону более электроотрицательного элемента, и на нем возникает частично отрицательный заряд. Заместитель, оттягивающий электронную плотность с двойной связи, с которой он сопряжен проявляет –М. Графически перераспределение электронной плотности по системе пи-связей обозначается изогнутыми стрелками, начало которой показывает какие р- пи- электроны смещаются, а конец показывает атом, к которому они смещаются. М - эффект передается через всю систему и не затухает, в отличие от I –эффекта
По химическим свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы и наоборот. (Например, органическое соединение с характерным запахом, хорошо смешивается с водой, при окислении образуется вещество, изменяющее окраску синего лакмуса и вступающее в реакцию «серебряного зеркала». Назовите это соединение и напишите перечисленные уравнения реакций - метанол).
Классификация органических соединений необходима, т.к. облегчает изучение свойств и позволяет связать сходное строение соединений определенных классов веществ и их свойства. В основу классификации положено два принципа: строение углеродного скелета и природа функциональных групп.
Алифатические (от греч. aleiphar - жир) углеводороды - простейшие представители ациклических соединений - содержат только атомы углерода и водорода и могут быть насыщенными (алканы) и ненасыщенными (алкены, алкадиены, алкины).
Углеродная цепь может быть неразветвленной (например, в н-пентане) и разветвленной (например, в 2,3-диметилбутане и изопрене).
Циклические соединения - это соединения с замкнутой цепью атомов. В зависимости от природы атомов, составляющих цикл, различают карбоциклические и гетероциклические соединения.

Разнообразие углеводородов можно рассматривать как следствие замены атомов водорода в углеводородах на функциональные группы (ФГ), т.е. на группу атомов или атомы, отвечающие за характерные химические свойства вещества и принадлежность его к определенному классу соединений. В зависимости от природы функциональных групп производные углеводородов делят на классы.
Название класса Формула класса ФГ Название ФГ Пример
Галоген-
Производные
УВ R-Hal -Hal (F,
C1, Br, I) галогены CHC13
трихлорметан (хлороформ)
спирты R-ОH -ОH Спиртовый гидроксил C2H5ОН
этанол (этиловый спирт)
фенолы R-ОH -ОH Фенольный гидроксил
резорцинол (резорцин)
Простые эфиры R - О - R - О - R Алкоксигруппа,
арилоксигруппа
этоксиэтан (диэтиловый эфир)
Альдегиды R-C=O
\
H -C=O
\
H Карбонильная,
оксогруппа,
альдегидная Н-С=О
\
Н
метаналь (формальдегид)
Кетоны R-C=O
\
R - C=O
\
R Карбонильная,
оксогруппа,
кетогруппаСН3 – С = О
\
СН3
пропанон (ацетон)
Карбоновые кислоты R-C=O
\
ОН - C=O
\
ОН Карбоксильная СН3 – С = О
\
ОН
этановая кислота (уксусная)
Сложные эфиры R-C=O
\
О-R -C=O
\
О-R Сложноэфирная СН3 – С = О
\
ОC2H5
этилацетат (этиловый эфир уксусной кислоты)
Амины R-NH2 - NH2 Аминогруппа C2H5 NH2
этанамин (этиламин)
Нитросоединения R-NО2 -NО2 Нитрогруппа
нитробензол
Сульфокислота R-OSО3Н -OSО3Н Сульфогруппа
бензолсульфокислота
Если органическое соединение имеет несколько функциональных групп, то это гетерофункциональное соединение. Мы изучаем несколько классов:
- гидроксикислоты (спиртовая группа и карбоксильная группа)
2-гидроксипропановая кислота, или молочная
- фенолокислоты (фенольная гидроксогруппа и карбоксильная группа)
2-гидроксибензойная кислота, или салициловая
- аминокислоты (аминогруппа и карбоксильная группа)
2-аминопропановая кислота, или аланин
- углеводы (спиртовая группа и карбонильная группа)

2,3,4,5,6-пентагидроксигексаналь, или декстроза (глюкоза).
Виды номенклатуры, используемой в органической химии:
Тривиальная (историческая) номенклатура — первая номенклатура, возникшая в начале развития органической химии, когда не существовало классификации и теории строения органических соединений. Органическим соединениям давали случайные названия по источнику получения (винный спирт, щавелевая кислота, яблочная кислота, уксусная кислота, ванилин, мочевина), цвету или запаху (ароматические соединения), реже — по химическим свойствам (парафины). Многие такие названия часто применяются до сих пор. Тривиальные названия носят простейшие предельные углеводороды, и они лежат в основе названий всех других классов ациклических соединений, а названия радикалов применяются в номенклатурах ИЮПАК и рациональной номенклатуре.
За основу рационального названия органического соединения берется название прототипа, атомы водорода которого замещены радикалами. В качестве прототипа выступает, как правило, простейший член гомологического ряда.
МетилэтилизопропилметанПравила построения названия по радикально-функциональной номенклатуре:
выбирают старшую характеристическую группу (обозначается названием функционального класса), затем добавляют название органического радикала
название функционального класса определяется старшей характеристической группой, другие группы обозначаются приставками
в соединениях с многовалентными характеристическими группами различные радикалы перечисляются в алфавитном порядке
одинаковые радикалы обозначаются умножающими приставками (ди-, три-).
Заместительная номенклатура
1.Строится на принципе замещения в структуре, служащей основой названия, атомов водорода различными заместителями
2.Название строится как сложное слово, состоящее из корня (название главной цепи), суффиксов, отражающих степень его ненасыщенности (ен, ин), приставок и окончаний, характеризующих число и характер заместителей, с указанием цифрами (локантами) их местонахождения. Мы будем пользоваться заместительной номенклатурой, и в каждом отдельном классе органических соединений будем прописывать правила заместительной номенклатуры.