Теория строения органических соединений

Для приготовления  пищи, красителей, одежды, лекарств человек издавна научился применять различные вещества. С течением времени накопилось достаточное количество сведений о свойствах тех или иных веществ, что позволило усовершенствовать способы их получения, переработки и т.д. И оказалось, что многие минеральные (неорганические вещества) можно получить непосредственно.

Но некоторые используемые человеком вещества не были им синтезированы, потому что их получали из живых организмов или растений. Эти вещества назвали органическими.  Органические вещества не удавалось синтезировать в лаборатории. В начале ХIХ века активно развивалось такое учение как витализм (vita – жизнь), согласно которому органические вещества возникают только благодаря «жизненной силе» и создать их «искусственным путём» невозможно.

Но шло время и наука развивалась, появились новые факты об органических веществах, которые шли вразрез с существовавшей теорией виталистов.

В 1824 году немецкий учёный Ф. Вёлер впервые в истории химической науки синтезировал щавелевую кислоту – органическое вещество  из неорганических веществ (дициана и воды):

(CN)₂ + 4H₂O  → COOH — COOH + 2NH₃  

В 1828 Вёллер нагрел циановокислый натрий с серлым аммонием и синтезировал мочевину – продукт жизнедеятельности животных организмов:

NaOCN + (NH₄)₂SO₄  →  NH₄OCN → NH₂OCNH₂

Эти открытия сыграли важную роль в развитии науки вообще, а химии в особенности. Учёные-химики стали постепенно отходить от виталистического учения, а принцип деления веществ на органические и неорганические обнаружил свою несостоятельность.

В настоящее время вещества

по-прежнему делят на органические и неорганические, но критерий разделения уже немного другой.

Органическими называют вещества, содержащие в своём составе углерод, их ещё называют соединениями углерода. Таких соединений около 3 миллионов, остальных же соединений около 300 тысяч.

Вещества, в состав которых углерод не входит, называют неорганическими. Но есть исключения из общей классификации: существует ряд соединений, в состав которых входит углерод ,  но они относятся к неорганическим веществам (окись и двуокись углерода, сероуглерод, угольная кислота и её соли). Все они по составу и свойствам они сходны с неорганическими соединениями.

В ходе изучения органических веществ появились новые сложности: на основании теорий о неорганических веществах нельзя раскрыть закономерности строения органических соединений, объяснить валентность углерода. Углерод в разных соединениях имел различную валентность.

В 1861 году русский ученый А.М. Бутлеров впервые синтезом получил сахаристое вещество.

При изучении углеводородов, А.М. Бутлеров понял, что они представляют собой совершенно особый класс химических веществ. Анализируя их строение и свойства, ученый выявил несколько закономерностей. Они и легла в основу созданной им теории химического строения.

1. Молекула любого органического вещества не является беспорядочной, атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Углерод в органических соединениях всегда четырёхвалентен.

2. Последовательность межатомных связей в молекуле называется еехимическим строениеми отражается одной структурной формулой (формулой строения).

3. Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).

4. Свойства веществ зависят не только от состава молекул вещества, но от их химического строения (последовательности соединения атомов элементов).

5. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы – предвидеть свойства.

6. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.

Данная теория стала научным фундаментом органической химии и ускорила её развитие. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров описал и объяснил явление изомерии, предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.

Рассмотрим химическое строение этана – C₂H₆. Обозначив валентность элементов чёрточками, изобразим молекулу этана в порядке соединения атомов, то есть напишем нё структурную формулу. Согласно теории А.М. Бутлерова, она будет иметь следующий вид:

                         

Атомы водорода и углерода связаны в одну частицу, валентность водорода равна единице, а углерода – четырём. Два атома углерода соединены между собой связью углерод – углерод (С – С). Способность углерода образовывать С – С-связь понятна, исходя из химических свойств углерода. На внешнем электронном слое у атома углерода четыре электрона, способность отдавать электроны такая же, как и присоединять недостающие. Поэтому углерод чаще всего образует соединения с ковалентной связью, то есть за счёт образования электронных пар с другими атомами, в том числе и атомов углерода друг с другом.

Это одна из причин многообразия органических соединений.

Соединения, которые имеют один и тот же состав, но различное строение, называются изомерами. Явление изомерии – одна из причин многообразия органических соединений

Остались вопросы? Хотите знать больше о теории строения органических соединений?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

blog.tutoronline.ru

Основные положения теории химического строения органических веществ а.М. Бутлерова

1) Атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями согласно их валентности; углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.

2) Свойства вещества определяются не только качественным составом, но и его строением, взаимным влиянием атомов, как связанных между собой химическими связями, так и непосредственно не связанных.

3) Строение молекул может быть установлено на основе изучения их химических свойств.

Классификация органических соединений

I. Классификация по наличию функциональных групп

Функциональная группа			Название класса соединений		Примеры
Формула	Название
-OH	Гидроксильная группа	Спирты		Предельные CH3-CH2OH Непредельные CH2=CH-CH2OH Многоатомные CH2OH-CHOH-CH2OH Ароматические
		Фенолы
-С=ОН	Карбонильная группа	Кетоны
	Альдегидная группа	Альдегиды		Предельные Непредельные Ароматические
	Карбоксильная группа	Карбоновые кислоты		Одноосновные предельные Двухосновные предельные Ароматические
-NO2	Нитрогруппа	Нитросоединения		CH3-NO2
-NH2	Аминогруппа	Амины		CH3-NH2
-NH2, -COOH	Аминогруппа и карбоксильная группа	Аминокислоты
CnH2n+2	—	Алканы		CH3-CH3
CnH2n	—	Алкены		CH2=CH2
CnH2n-2	—	Алкины		HC=CH
CnH2n-2	—	Алкадиены		CH2=CH-CH=CH2
CnH2n	—	Циклоалканы
CnH2n-6	—	Арены (ароматические соединения)

II. Типы изомерии

1) Структурная изомерия

а) Изомерия углеродной цепи

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ и

б) Изомерия положения кратной связи

CH₂=CH-CH₂-CH₃ и CH₃-CH=CH=CH₃

в) Изомерия положения функциональной группы

CH₃-CH₂-CH₂OH и CH₃-CHOH-CH₃

2) Межклассовая изомерия

а) CH₂=CH-CH₂-CH₃ и

б) иCH₂=C=CH₂ (обратите внимание на формулу пропина!)

в) CH₃-CH₂OH и CH₃-O-CH₃

г) и

д) СH₃-CH₂-CO(OH) и CH₃-CO(O-CH₃)

3) Пространственная изомерия (цис-, транс-изомерия)

III. Типы химических реакций в органической химии

Реакции органических веществ можно формально разделить на четыре основных типа: замещения, присоединения, отщепления (элиминирования) и перегруппировки (изомеризации).

Как правило, основное органическое соединение, участвующее в реакции, называют субстратом, а другой компонент реакции условно рассматривают как реагент.

1) Реакции замещения.

Реакции, в результате которых осуществляется замена одного атома или группы атомов в исходной молекуле (субстрате) на другие атомы или группы атомов, называются реакциями замещения. В реакции замещения вступают предельные и ароматические соединения, такие, как, например, алканы, циклоалканы или арены.

СН₄ + Сl₂ → СН₃Сl + НСl

2) Реакции присоединения.

Реакции, в результате которых две или более молекул реагирующих веществ соединяются в одну, называют реакциями присоединения. В реакции присоединения вступают ненасыщенные соединения, такие, как, например, алкены или алкины.

СН₃—СН=СН₂ + Н₂ → СН₃—СН₂—СН₃

СН₂=СН₂ + НСl → СН₃—СН₂—Сl СН₂=СН₂ + Сl₂ → СН₂Сl—СН₂Сl

3) Реакции отщепления (элиминирования).

Реакции, в результате которых из молекулы исходного соединения образуются молекулы нескольких новых веществ, называют реакциями отщепления или элиминирования.

4) Реакции изомеризации.

Реакции, в результате которых из молекул одного вещества образуются молекулы, других веществ того же качественного и количественного состава, т. е. с той же молекулярной формулой, называют реакциями изомеризации.

В общем, рассматривая основные принципы реагирования органических соединений, можно выделить следующие конкретные типы химических реакций:

1) Реакции замещения: галогенирование, нитрование.

2) Реакции присоединения: гидрирование, галогенирование, гидратация, гидрогалогенирование.

3) Реакции отщепления: дегидрирование, дегалогенирование, дегидратация, дегидрогалогенирование.

4) Реакции изомеризации.

Также выделяют:

5) Реакции разложения: крекинг, гидролиз, брожение.

6) Реакции полимеризации.

7) Реакции поликонденсации.

8) Реакции окисления: полное окисление (горение), неполное окисление (на катализаторе).

studfile.net

Теория Бутлерова

 
Французский химик, чл.-корр. Парижской АН. Родился в Страсбурге. Учился в Высшей технической школе в Карлсруэ (1831-1833), Высшей коммерческой школе в Лейпциге (1833-1834), Гисенском университете у Ю. Либиха (1836-1837), Сорбонне (1839-1841). В 1841-1848 профессор университета в Монпелье. В 1848-1855 жил в Париже, где с 1851 работал в собственной лаборатории. В 1855-1856 профессор Страсбургского университета и одновременно Фармацевтического института.

Научная деятельность посвящена преимущественно развитию атомно-молекулярного учения.

• Предложил (1839) теорию остатков.
• Опубликовал (1842) работу «Опыт химической классификации органических веществ», в которой:
  — независимо от А. Авогадро развивал сходные идеи и методы;
  — предложил использовать значения молекулярного объема веществ в газообразном состоянии в качестве основного критерия установления формул химических соединений;
  — ввел новую систему эквивалентов (H = 1, O = 16, C = 12, N = 14, S = 32, Cl = 35,5).
• Установил (1843) правильные формулы воды, серной, азотной и уксусной кислот, оксида, хлорида и сульфата калия.
• В двухтомном труде «Очерки органической химии» (1844-1845):
— предложил классификацию органических соединений;
— построил «лестницу сгорания» как аналитический прием установления общности в рядах органических соединений;
— установил гомологию как общую закономерность, связывающую органические соединения в ряды;
— впервые установил правильную гомологическую разницу — CH₂;
— указал на роль химических функций в оценке реакционной способности соединений.
• В учебнике «Введение к изучению химии по унитарной системе» (1848):
— обосновал принципиально новое учение о молекуле как единой целостной системе атомов — «унитарной системе»;
— провел четкое разграничение понятий атома, молекулы и эквивалента;
— впервые указал на взаимное влияние атомов в молекуле как главном принципе системности.
• Вопреки теории радикалов Берцелиуса установил, что радикалы не существуют самостоятельно, а представляют собой атомные группы — «остатки», комбинация которых образует молекулу.
• В работе «Об основности кислот» (1851) развил теорию типов, согласно которой все химические соединения можно классифицировать как производные четырех типов — водорода, хлороводорода, воды и аммиака.

Первые системные представления Жерара нашли развитие в работах Д.И. Менделеева, связанных с упорядочением взглядов на химические элементы, и А.М. Бутлерова, который исходил из этих представлений при объяснении особенностей химического строения молекул. У Жерара работали многие русские химики.

orgchem.ru

Теория строения органических соединений Бутлерова

Основой создания теории химического строения органических соединений А.М. Бутлеровым послужило атомно-молекулярное учение (работы А.Авагадро и С.Канниццаро). Будет неправильным предполагать, что до ее создания в мире ничего не было известно об органических веществах и не предпринимались попытки обоснования строения органических соединений. К 1861 году (год создания А.М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений) число известных органических соединений достигало сотен тысяч, а выделение органической химии как самостоятельной науки произошло еще в 1807 году (Й. Берцелиус).

Предпосылки теории строения органических соединений

Широкое изучение органических соединений началось в XVIII веке с работ А.Лавуазье, который показал, что вещества, получаемые из живых организмов, состоят из нескольких элементов – углерода, водорода, кислорода, азота, серы и фосфора. Огромное значение имело введение терминов «радикал» и «изомерия», а также формирование теории радикалов (Л. Гитон де Морво, А. Лавуазье, Ю. Либих, Ж. Дюма, Й. Берцелиус), успехи в синтезе органических соединений (мочевина, анилин, уксусная кислота, жиры, сахароподобные вещества и др.).

Термин «химическое строение», а также основы классической теории химического строения были впервые обнародованы А.М. Бутлеровым 19 сентября 1861 года в его докладе на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере.

Основные положения теории строения органических соединений А.М. Бутлерова

1. Атомы, образующие молекулу органического вещества связаны между собой в определенном порядке, причем на связь с друг другом затрачивается по одной или несколько валентностей от каждого атома. Свободных валентностей нет.

Последовательность соединения атомов Бутлеров назвал «химическим строением». Графически связи между атомами обозначаются чертой или точкой (рис. 1).

Рис. 1. Химическое строение молекулы метана: А – структурная формула, Б – электронная формула

2. Свойства органических соединений зависят от химического строения молекул, т.е. свойства органических соединений зависят от порядка соединения атомов в молекуле. Изучив свойства можно изобразить вещество.

Рассмотрим пример: вещество имеют брутто-формулу C₂H₆O. Известно, что при взаимодействии этого вещества с натрием выделяется водород, а при действии на него кислоты образуется вода.

C₂H₆O + Na = C₂H₅ONa + H₂ ↑

C₂H₆O + HCl = C₂H₅Cl + H₂O

Данному веществу может соответствовать две структурные формулы:

CH₃-O-CH₃ – ацетон (диметилкетон) и CH₃-CH₂-OH – этиловый спирт (этанол),

исходя из химических свойств, характерных для этого вещества делаем вывод, что это этанол.

Изомеры – это вещества, обладающие одинаковым качественным и количественным составом, но различным химическим строением. Выделяют несколько типов изомерии: структурная (линейная, разветвленная, углеродного скелета), геометрическая (цис- и транс- изомерия, характерная для соединений с кратной двойной связью (рис. 2)), оптическая (зеркальная), стерео (пространственная, характерна для веществ, способных по разному располагаться в пространстве (рис. 3)).

Рис. 2. Пример геометрической изомерии

3. На химические свойства органических соединений оказывают влияние и другие атомы, присутствующие в молекуле. Такие группы атомов получили название функциональных групп, за счет того, что их наличие в молекуле вещества придает ему особые химические свойства. Например: -OH (гидроксо-группа), -SH (тио-группа), -CO (карбонильная группа), -COOH (карбоксильная группа). Причем химические свойства органического вещества в меньшей степени зависят от углеводородного скелета, чем от функциональной группы. Именно функциональные группы обеспечивают многообразие органических соединений, за счет чего их классифицируют (спирты, альдегиды, карбоновые кислоты и т.д. К числу функциональных групп иногда относят и углерод-углеродные связи (кратные двойные и тройные). Если в молекуле органического вещества несколько одинаковых функциональных групп, то его называют гомополифунцкиональным (CH₂ (OH)-CH(OH)-CH₂(OH) – глицерин), если несколько, но разных – гетерополифункциональным (NH₂-CH(R)-COOH – аминокислоты).

Рис.3. Пример стерео изомерии: а – циклогексан, форма «кресла», б – циклогексан, форма «ванна»

4. Валентность углерода в органических соединениях всегда равна четырем.

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

«Основные положения теории строения органических соединений А. М. Бутлерова.»

Тема: Основные положения теории строения органических соединений А. М. Бутлерова.

Теория химического строения органических соединений, выдвинутая А. М. Бутлеровым во второй половине прошлого века (1861 г.), была подтверждена работами многих ученых, в том числе учениками Бутлерова и им самим. Оказалось возможным на ее основе объяснить многие явления, до той поры не имевшие толкования: изомерию, гомологию, проявление атомами углерода четырехвалентности в органических веществах. Теория выполнила и свою прогностическую функцию: на ее основе ученые предсказывали существование неизвестных еще соединений, описывали свойства и открывали их. Так, в 1862–1864 гг. А. М. Бутлеров рассмотрел изомерию пропиловых, бутиловых и амиловых спиртов, определил число возможных изомеров и вывел формулы этих веществ. Существование их позднее было экспериментально доказано, причем некоторые из изомеров синтезировал сам Бутлеров.

В течение XX в. положения теории химического строения химических соединений были развиты на основе новых воззрений, распространившихся в науке: теории строения атома, теории химической связи, представлений о механизмах химических реакций. В настоящее время эта теория имеет универсальный характер, то есть справедлива не только для органических веществ, но и для неорганических.

Первое положение. Атомы в молекулах соединяются в определенном порядке в соответствии с их валентностью. Углерод во всех органических и в большинстве неорганических соединений четырехвалентен.

Очевидно, что последнюю часть первого положения теории легко объяснить тем, что в соединениях атомы углерода находятся в возбужденном состоянии:

атомы четырехвалентного углерода могут соединяться друг с другом, образуя различные цепи:

Порядок соединения атомов углерода в молекулах может быть различным и зависит от вида ковалентной химической связи между атомами углерода — одинарной или кратной (двойной и тройной):

Второе положение. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул.

Это положение объясняет явление изомерии.

Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое или пространственное строение, а следовательно, и разные свойства, называют изомерами.

Основные виды изомерии:

Структурная изомерия, при которой вещества различаются порядком связи атомов в молекулах: изомерия углеродного скелета

изомерия положения кратных связей:

заместителей

изомерия положения функциональных групп

Третье положение. Свойства веществ зависят от взаимного влияния атомов в молекулах.

Например, в уксусной кислоте в реакцию со щелочью вступает только один из четырех атомов водорода. На основании этого можно предположить, что только один атом водорода связан с кислородом:

С другой стороны, из структурной формулы уксусной кислоты можно сделать вывод о наличии в ней одного подвижного атома водорода, то есть о ее одноосновности.

Основные направления развития теории строения химических соединений и ее значение.

Во времена А. М. Бутлерова в органической химии широко использовали

эмпирические (молекулярные) и структурные формулы. Последние отражают порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности, которая обозначается черточками.

Для простоты записи часто используют сокращенные структурные формулы, в которых черточками обозначают только связи между атомами углерода или углерода и кислорода.

пластмассы и волокна, изделия из которых используют в технике, быту, медицине, сельском хозяйстве. Значение теории химического строения А. М. Бутлерова для органической химии можно сравнить со значением Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева для неорганической химии. Недаром в обеих теориях так много общего в путях их становления, направлениях развития и общенаучном значении.

infourok.ru

Теория строения А.М. Бутлерова

Понятие химической структуры

Химическая структура молекулы представляет собой наиболее характерную и уникальную ее сторону, поскольку она определяет ее общие свойства (механические, физические, химические и биохимические). Любое изменение в  химической структуре молекулы влечет за собой изменение ее свойств. В случае незначительных структурных изменений, внесенных в одну молекулу, следуют небольшие изменения ее свойств (обычно затрагивает физические свойства), если же молекула испытала глубокие структурные изменения, то и ее свойства (особенно химические) будут глубоко изменены.

Например, Альфа-аминопропионовая кислота (Альфа-аланин) имеет следующую структуру:

Альфа-аланин

 

 

 

 

Что мы видим:

1. Наличие определенных атомов (С, Н, О, N),
2. определенное количество атомов, принадлежащих каждому классу, которые связаны в определенном порядке;

Все эти конструктивные особенности определяют целый ряд свойств Альфа-аланина, таких как: твердое агрегатное состояние, температура кипения  295° С, растворимость в воде, оптическая активность, химические свойства аминокислот и т. д.

При наличии связи аминогруппы с другим атомом углерода (т.е. произошло незначительное структурное изменение), что соответствует бета-аланину:

Бета-аланин

Общие химические свойства по-прежнему остаются характерными для аминокислот, но температура кипения составляет уже 200° C и отсутствует оптическая активность.

Если же, например, два атомы в этой молекуле соединены атомом N в следующем порядке (глубокое структурное изменение):

1- нитропропан

тогда образованное вещество — 1-нитропропан по своим физическим и химическим свойствам совершенно не похож на аминокислоты: 1-нитро-пропан — это желтая жидкость, с температурой кипения 131°С, нерастворим в воде.

Таким образом, взаимосвязь «структура-свойства» позволяет описывать общие свойства вещества с известной структурой и, наоборот, позволяет найти химическую структуру вещества, зная его общие свойства.

Общие принципы теории строения органических соединений

В сущности определения структуры органического соединения, лежат следующие принципы, которые вытекают из связи между их структурой и свойствами:

а) органические вещества, в аналитически чистом состоянии, имеют один и тот же состав, независимо от способа их получения;

б) органические вещества, в аналитически чистом состоянии, обладает постоянными физико-химическими свойствами;

в) органические вещества с постоянным составом и свойствами, имеет только одну уникальную структуру.

В 1861 г. великий русский ученый А. М. Бутлеров в своей статье «О химическом строении вещества» раскрыл основную идею теории химического строения, заключающуюся во влиянии способа связи атомов в органическом веществе на его свойства. Он обобщил все имеющиеся к тому времени знания и представления о строении химических соединений в теории строения органических соединений.

Основные положения теории А. М. Бутлерова

кратко могут быть изложены следующим образом:

1. В молекуле органического соединения атомы связаны в определенной последовательности, что и определяет его строение.
2. Атом углерода в составе органических соединений имеет валентность равную четырем.
3. При одинаковом составе молекулы возможно несколько вариантов соединения атомов этой молекулы между собой. Такие соединения, имеющие один состав, но различное строение были названы изомерами, а подобное явление – изомерией.
4. Зная строение органического соединения можно предсказать его свойства; зная свойства органического соединения можно предсказать его строение.
5. Атомы, образующие молекулу подвержены взаимному влиянию, что определяет их реакционную способность. Непосредственно связанные атомы оказывают большее влияние друг на друга, влияние не связанных непосредственно атомов значительно слабее.

Ученик А.М. Бутлерова  — В. В. Марковников продолжил изучение  вопроса взаимного влияния атомов, что нашло свое отражение в 1869 году в его диссертационной работе «Материалы по вопросу о взаимном влиянии атомов в химических соединениях».

Заслуга А.М. Бутлерова и значение теории химического строения исключительно велико ля химического синтеза. Открылась возможность предсказать основные свойства органических соединений, предвидеть пути их синтеза. Благодаря теории химического строения химики впервые оценили молекулу как упорядоченную систему со строгим порядком связи между атомами. И в настоящее время основные положения теории Бутлерова, несмотря на изменения и уточнения, лежат в основе современных теоретических представлений органической химии.

zadachi-po-khimii.ru

гомология и изомерия (структурная и пространственная). Взаимное влияние атомов в молекулах

Видеоурок 1: Индуктивный эффект. Строение молекул. Органическая химия

Видеоурок 2: Мезомерный эффект (эффект сопряжения). Часть 1

Видеоурок 3: Мезомерный эффект (эффект сопряжения). Часть 2

Лекция: Теория строения органических соединений: гомология и изомерия (структурная и пространственная). Взаимное влияние атомов в молекулах

Органическая химия

Органическая химия — раздел химии, изучающий соединения углерода, а также их строения, свойства, взаимопревращения. 

К органическим веществам относятся оксиды углерода, угольная кислота, карбонаты, гидрокарбонаты. На данный момент известно около 30-ти миллионов органических веществ и это количество продолжает расти. Огромное количество соединений связано со специфическими свойствами углерода. Во — первых, атомы данного элемента способны соединяться друг с другом в цепи произвольной длины. Это соединение может быть не только последовательным, но и разветвленным, циклическим. Между атомами углерода возникают разные связи: одинарные, двойные и тройные. Во — вторых, валентность углерода в органических соединениях равна IV. Это значит, что во всех органических соединениях, атомы углерода находятся в возбужденном состоянии, имея 4 неспаренных электрона, активно ищущих свою пару. Поэтому атомы углерода имеют возможность образовывать 4 связи с атомами других элементов. К таким элементам относятся: водород, кислород, азот, фосфор, сера, галоген. Из названных, наиболее часто углерод связывается с водородом, кислородом и азотом. 

Теория строения органических соединений

Российский ученый А.М Бутлеров разработал теорию строения органических соединений, ставшую основой органической химии и актуальную в настоящее время. 

Основные положения данной теории: 

1. Атомы молекул органических веществ сплетены друг с другом в последовательности, соответствующей их валентности. Так, как атом углерода четырехвалентен, он образует цепи различного химического строения.

2. Последовательность соединения атомов молекул органических веществ определяет характер их физических и химических свойств. 

3. Изменение последовательности соединения атомов ведет и к изменению свойств вещества.

4. Атомы молекул органических веществ влияют друг на друга, что сказывается на изменении их химического поведения.

Таким образом, зная строение молекулы органического вещества можно спрогнозировать его свойства и наоборот, знание свойств вещества поможет установить его строение. 

Гомология и изомерия  Из второго положения теории Бутлерова нам стало ясно, что свойства органических веществ зависят не только от состава молекул, но и от порядка соединения атомов их молекул. Поэтому среди органических веществ распространены гомологи и изомеры. 

Гомологи — это вещества, схожие по строению и химическим свойствам, но различные по составу.

Изомеры — это вещества, схожие по количественному и качественному составу, но различные по строению и химическим свойствам.  

Гомологи отличаются по составу на одну или несколько групп CH₂​.​​​ Эта разница называется гомологической. Существуют гомологичные ряды алканов, алкенов, алкинов, аренов. О них скажем на последующих уроках.

Рассмотрим типы изомерии: 

1. Структурная изомерия

1.1. Изомерия углеродного скелета:

1.2. Изомерия положения:

1.2.1. Изомерия кратной связи

1.2.2. Изомерия заместителей

1.2.3. Изомерия функциональных групп 

1.3. Межклассовая изомерия: 

2. Пространственная изомерия

Это такое химическое явление, при котором разные вещества, имеющие одинаковый порядок присоединения атомов друг к другу, отличаются фиксировано-различным положением атомов или групп атомов в пространстве. Данный вид изомерии бывает геометрическим и оптическим. 

2.1. Геометрическая изомерия. Если в молекуле какого-либо химического соединения присутствует двойная C=C связь или цикл, то в данных случаях возможна геометрическая или цис — транс — изомерия.

В случае, когда одинаковые заместители располагаются по одну сторону плоскости, можно сказать, что это цис-изомер. Когда замесители располагаются по разные стороны — то это транс-изомер. Данный тип изомерии невозможен в случае, когда хотя бы у одного атома углерода при двойной связи имеются два одинаковых заместителя. Например, цис-транс-изомерия является невозможной для пропена.    

2.2. Оптическая изомерия. Вы знаете, что возможно соединение атома углерода с четырьмя атомами/группами атомов. К примеру:

В подобный случаях образуется оптическая изомерия, два соединения — антипода, как левая и правая рука человека:

Взаимное влияние атомов в молекулах 

Понятие о химической структуре, как о последовательности связанных друг с другом атомов, было дополнено с появлением электронной теории. Различают два возможных способа влияния одних участков молекулы на другие: 

Индуктивный эффект (I). В качестве примера можно взять молекулу 1-хлорпропана (CH₃CH₂CH₂Cl). Связь между атомами углерода и хлора здесь полярная, так как последний более электроотрицателен. В результате сдвига электронной плотности от атома углерода к атому хлора, на атоме углерода начинает образовываться частичный положительный заряд (δ+), а на атоме хлора — частичный отрицательный (δ-). Сдвиг электронной плотности обозначают стрелкой, направленной к более электроотрицательному атому. 

Помимо сдвига электронной плотности возможно и её смещение, но в меньшей степени. Смещение происходит от второго атома углерода к первому, от третьего ко второму. Такое смещение плотности по цепи σ-связей именуют индуктивным эффектом (I). Он затухает при удалении от влияющей группы. А после 3 σ-связей практически не проявляется. Наиболее отрицательный индуктивный эффект (-I) содержат такие заместители: –F, –Cl, –Br, –I, –OH, –NH₂, –CN, –NO₂, –COH, –COOH. Отрицательный, потому что они обладают большей электроотрицательностью, чем углерод.

Когда электроотрицательность атома меньше электроотрицательности атома углерода, начинается передача электронной плотности от данных заместителей к углеродным атомам. Это значит, что замеситель содержит положительный индуктивный эффект (+I). Заместителями с +I-эффектом считаются предельные углеводородные радикалы. При этом, +I-эффект возрастает при удлинении углеводородного радикала: –CH₃, –C₂H₅, –C₃H₇, –C₄H₉. 

Важно помнить, что атомы углерода, которые находятся в разных валентных состояниях, обладают различной электроотрицательностью. Атомы углерода, пребывая в состоянии sp-гибридизации, содержат достаточно большую электроотрицательность по сравнению с атомами углерода в состоянии sp2-гибридизации. Данные атомы, в свою очередь, более электроотрицательны, по сравнению с атомами углерода в состоянии sp3-гибридизации. 

Мезомерный эффект (М), эффект сопряжения — это определенное влияние заместителя, которое передается по системе сопряженных π-связей. Знак данного эффекта определяется по тому же принципу, что и знак индуктивного эффекта. В случае, когда заместитель начинает увеличивать электронную плотность в сопряженной системе, он будет содержать положительный мезомерный эффект (+М). Также он будет донором электронов. Положительным мезомерным эффектом могут обладать только двойные углерод-углеродные связи, заместители. Они, в свою очередь, должны содержать неподеленную электронную пару: -NH₂, -OН, галогены. Отрицательным мезомерным эффектом (–М) обладают заместители, которые способны оттягивать электронную плотность от сопряженной системы. Также следует отметить, что электронная плотность в системе будет уменьшаться. Отрицательным мезомерным эффектом обладают следующие группы: –NO₂, –COOH, –SO₃H, -COH, >C=O. 

При перераспределении электронной плотности, а также за счет протекания мезомерного и индуктивного эффектов, на атомах образуются положительные или отрицательные заряды. Данное образование отражается в химических свойствах вещества. Графически мезомерный эффект часто изображают изогнутой стрелкой. Данная стрелка берет начало в центре электронной плотности. Завершается при этом там, куда сдвигается электронная плотность. 

Пример: в молекуле хлористого винила, мезомерный эффект образуется при сопряжении неподеленной электронной пары атома хлора, с электронами π-связи между углеродными атомами. В результате данного сопряжения, на атоме хлора образуется частичный положительный заряд. 

Обладающее подвижностью π-электронное облако, в результате воздействия электронной пары, начинает сдвигаться в сторону крайнего атома углерода. 

Если молекула содержит чередующиеся одинарные и двойные связи, то молекула содержит сопряженную π-электронную систему. 

Мезомерный эффект в данной молекуле не затухает.

cknow.ru