Основные положения теории химического строения органических соединений. Классификация органических соединений

Теория химического строения объясняет многообразие органических соединений. Оно обусловлено способностью четырехвалентного углерода образовывать углеродные цепи и кольца, соединяться с атомами других элементов и наличием изомерии химического строения органических соединений. Эта теория заложила научные основы органической химии и объяснила ее важнейшие закономерности.1)Атомы в молекулах орган. в-в соединены друг с другом в опред. последовательности, затрачивая на образ. химической связи определённую долю химического сродства.Первичные атомы связаны с 1-м атомом С, вторичные с 2-мя. В зависимости от природы хим. связи между атомами С цепи м.б. насыщенные (одинарные связи) и ненасыщенные (неодинарные связи).2)Различное хим. строение при одном и том же элементном составе и молек. массе в-ва обуславливает явление изомерии.Изомеры-в-ва, имеющие одинаковый кач. и колич. Состав, но разную последовательность связи атомов в мол-лах и в связи с этим облад. различн. св-вами.

3)Св-ва в-ва опред. не только составом и строением их мол-л, а также взаимным влиянием атомов, как связан. между собой хим. связями, так непосредствен. не связан.

4)Строение мол-л м.б. установлено на основании изучения их св-в. В теории химического строения большое внимание уделяется взаимному влиянию атомов и групп атомов в молекуле. Значение теории химического строения А.М. Бутлерова: 1) является важнейшей частью теоретического фундамента органической химии; 2) по значимости ее можно сопоставить с Периодической системой элементов Д.И. Менделеева; 3) она дала возможность систематизировать огромный практический материал; 4) дала возможность заранее предсказать существование новых веществ, а также указать пути их получения.

Теория химического строения служит руководящей основой во всех исследованиях по органической химии. В зависимости от строения углеродных цепей среди органических соединений выделяются следующие три ряда: 1) соединения с открытой цепью атомов углерода, которые также называются ациклическими, или соединения жирного ряда (это название возникло исторически: к первым соединениям с длинными незамкнутыми углеродными цепями принадлежали кислоты). В зависимости от характера связей между атомами углерода эти соединения подразделяются на: а) предельные (или насыщенные), которые содержат в молекулах только простые (ординарные) связи; б) непредельные (или ненасыщенные), в молекулах которых имеются кратные (двойные или тройные) связи между атомами углерода; 2) соединения с замкнутой цепью атомов углерода, или карбоциклические. Эти соединения, в свою очередь, подразделяются: а) на соединения ароматического ряда. Они характеризуются наличием в молекулах особой циклической группировки из шести атомов углерода – бензольного ароматического ряда. Эта группировка отличается характером связей между атомами углерода и придает содержащим ее соединениям особые химические свойства, которые называются ароматическими свойствами; б) алициклические соединения – это все остальные карбоциклические соединения.

Они различаются по числу атомов углерода в цикле и в зависимости от характера связей между этими атомами могут быть предельными и непредельными; 3) гетероциклические соединения. В молекулах этих соединений имеются циклы, которые включают, кроме атомов углерода, также гетероатомы . В рядах ациклических (жирных) и карбоциклических соединений простейшими являются углеводороды. Все остальные соединения этих рядов рассматриваются как производные углеводородов, которые образованы замещением одного, двух или нескольких атомов водорода в углеводородной молекуле другими атомами или группами атомов.

Остатки углеводородов, которые образуются при отнятии от их молекул одного, двух или нескольких атомов водорода, называются углеводородными радикалами. Атомы или группы атомов, которые замещают водород в углеводородной основе, образуют функциональные или характеристические (этот термин разработан Международным союзом теоретической и прикладной химии) группы, обусловливающие общие химические свойства веществ, которые принадлежат к одному и тому же классу производных углеводородов. Виды органических соединений: 1) галогенопроизводные углеводороды: а) фторпроизводные; б) хлорпроизводные; в)бромопроизводные, г) йодопроизводные;

2) кислородосодержащие соединения: а) спирты и фенолы; б) простые эфиры; в) альдегиды; г) кетоны.

Изомерия органических соединений. Изомеры. Структурная изомерия. Пространственная изомерия. Диостереомерия. Энантиомерия. Хиральность и ахиральность, их связь с симетрией молекулы.

Как отмечалось ранее, замечательным достижением теории химического строения А. М. Бутлерова явилось предсказание явления изомерии, которое чрезвычайно характерно для органических соединений и оказывает существенное влияние на их физические и химические свойства. Изомеры — вещества, имеющие одну и ту же брутто-формулу, но отличающиеся между собой строением и свойствами. Известны два основных класса — структурные и пространственные изомеры, которые, в свою очередь, могут подразделяться на различные типы (табл. 3-1). Изомеры по своему поведению в нормальных условиях относятся к статическому или к динамическому ряду. Первые в «нормальных» условиях устойчивы, могут быть выделены и существуют в индивидуальном виде, что обусловлено значительным энергетическим барьером между ними. Взаимопереход связан с разрывом ковалентной связи, прочность которой значительно превосходит возможность «теплового» движения атомов в молекуле. Вторые находятся в «нормальных» условиях в динамическом равновесии, скорость взаимоперехода изомеров такова, что их невозможно выделить в индивидуальном виде, Энергетические барьеры между динамическими изомерами столь малы, что легко преодолеваются тепловым движением атомов в молекуле. Структурная изомерия

Соединения(бутан, изобутан) являются структурными изомерами, то есть отличаются друг от друга химическим строением — последовательностью связей атомов в молекулах. Первые три отличаются, соответственно, скелетом, функциональной группой, положением функциональной группы. Вариантом структурных изомеров, отличающихся скелетом, являются топологические изомеры, о которых уже говорилось ранее. Они могут отличаться размерами, количеством колец в катенанах, колец и гантелей в ротаксанах, элементов узлов и относятся к статическому ряду, являются таутомерами и относятся к динамическому ряду. Таутометрия — достаточно распространенное явление в органической химии. Она возможна при переносе подвижного водорода (карбонильные соединения, амины, амиды и др.), внутримолекулярных взаимодействиях (углеводы и др.), валентных превращениях и т. д. Структурные изомеры отличаются друг от друга химическими и физическими свойствами и могут быть разделены на этой основе обычными методами. Пространственная изомерия. Изомеры, отличающиеся друг от друга пространственным расположением атомов в молекуле, называются пространственными. Раздел химии, изучающий пространственное строение молекул и его влияние на физические и химические свойства, называется стереохимией. Известны три типа пространственных изомеров, два из которых устойчивы в «нормальных» условиях — геометрические и оптические.

1. Геометрическая {цис-, транс-) изомерия. Геометрическая изомерия характерна для соединений, имеющих двойную связь. В таких соединениях, как отмечалось ранее, невозможно свободное вращение вокруг двойной связи в «нормальных» условиях, для этого необходим разрыв пи-связи. Изомер, у которого заместители находятся по обе стороны от плоскости двойной связи, называется транс-изомером, если по одну сторону — цис-. Цис- и транс-изомеры отличаются по химическим и физическим свойствам и легко разделяются обычными методами. Обычно транс-изомеры более стабильны по сравнению с цuc-изомерами, хотя известны и обратные случаи. Геометрическая изомерия наблюдается и в случае двойных связей C=N и N=N. Однако у таких связей изомеризация, то есть взаимопревращение изомеров, происходит значительно легче, чем у двойной связи С=С, поскольку такая изомеризация может осуществляться путем инверсии ; электронной пары, а не вращения вокруг двойной связи. 2. Оптическая изомерия. В 1815 г. французский физик Ж.-Б. Био открыл явление оптической активности — способности жидкостей вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света. Оптические изомеры — пространственные изомеры, имеющие одинаковый количественный и качественный состав, одинаковое химическое строение, идентичные по всем физическим и химическим свойствам, но отличающиеся способностью вращения плоскополяризованного света, способностью образовывать при кристаллизации кристаллы, являющиеся зеркальными отражениями друг друга. Оптическая изомерия является важным свойством органических соединений, которое оказывает существенное влияние на их свойства. Например, такие важные природные соединения, как углеводы, белки, оптически активны. Оптическая изомерия в химии является частным случаем проявления общего свойства природы — симметрии. Правая и левая руки, перчатки для правой и левой руки, правая и левая половины листа, тела и др. характерны тем, что пары — объект и его зеркальное отражение — не совместимы друг с другом.

Конфигурация — расположение атомов или групп атомов заместителей в пространстве без учета ориентации заместителей, связанной с поворотом вокруг ординарной связи. Плоскость симметрии — плоскость, которая рассекает объекты таким образом, что обе части относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение (они могут быть совместимыми и несовместимыми друг с другом). В зависимости от строения молекулы ей может соответствовать одна или несколько плоскостей симметрии. Вода имеет две плоскости симметрии, хлористый метил— три. Все плоские молекулы имеют по крайней мере одну плоскость симметрии, линейные — бесконечное множество. Ось симметрии — линия, вращение молекулы вокруг которой на угол 2пи/n = 360°/n приводит к структуре, идентичной исходной, называют осью симметрии n-го порядка С_n. Естественно, условию n = 1, то есть когда угол вращения равен 360°, удовлетворяют любые молекулы. Молекула воды имеет ось симметрии второго порядка C₂, хлорметана— третьего порядка С3, бензола — шестого порядка С6 и второго порядка С2, ацетилена — бесконечного порядка Соо. Ось симметрии самого высокого порядка называют главной, или осью сравнения. Центр симметрии. Точка в центре молекулы, относительно которой каждому атому в молекуле соответствует эквивалентный атом по линии, проходящей через эти атомы и центр молекулы, называется центром симметрии. Бензол и этилен— примеры молекул с центрами симметрии. Хиральность — способность соединений существовать в виде пары несовместимых между собой зеркальных изображений. Если молекула не имеет ни центра, ни плоскости симметрии, то она хиральна, если имеет, то она ахиральна, не имеет энантиомеров. Хиральный центр — обычно атом с четырьмя различными заместителями (асимметрический). Энантиомеры — любые пары объекта и его изображения, несовместимые друг с другом. Соединение называется хиральным, если оно существует в виде пары энантиомеров, таким образом, хиральность — необходимое и достаточное условие для существования энантиомеров.

Диастереомеры—стерео (пространственные)изомеры, не являющиеся энантиомерами, то есть зеркальными изображениями друг друга, отличаются друг от друга физическими и химическими свойствами.