namai › Atsiliepimai › Organinių junginių sandaros pagrindai. Organinių junginių sandaros teorija

Organinių junginių sandaros pagrindai. Organinių junginių sandaros teorija

15 paskaita

Struktūros teorija organinės medžiagos. Pagrindinės organinių junginių klasės.

Organinė chemija - mokslas, tiriantis organines medžiagas. Priešingu atveju jis gali būti apibrėžtas kaip anglies junginių chemija. Pastarasis periodinėje D.I.Mendelejevo sistemoje užima ypatingą vietą pagal junginių įvairovę, iš kurių žinoma apie 15 milijonų, o neorganinių junginių – penki šimtai tūkstančių. Organinės medžiagos žmonijai nuo seno žinomos kaip cukrus, augaliniai ir gyvuliniai riebalai, dažikliai, kvapiosios ir gydomosios medžiagos. Pamažu žmonės išmoko apdoroti šias medžiagas, kad gautų įvairius vertingus ekologiškus produktus: vyną, actą, muilą ir kt. Organinės chemijos pažanga grindžiama pasiekimais baltymų chemijos srityje, nukleino rūgštys, vitaminai ir kt. Organinė chemija turi didelę reikšmę medicinos vystymuisi, nes didžioji dauguma vaistai yra ne tik natūralios kilmės organiniai junginiai, bet ir gaunami daugiausia sintezės būdu. Išskirtinė vertė klajojo stambiamolekulinė organiniai junginiai (sintetinės dervos, plastikai, pluoštai, sintetiniai kaučiukai, dažikliai, herbicidai, insekticidai, fungicidai, defoliantai ir kt.). Organinės chemijos svarba maisto ir pramonės prekių gamyboje yra didžiulė.

Šiuolaikinė organinė chemija giliai įsiskverbė į cheminius procesus, vykstančius sandėliuojant ir apdorojant. maisto produktai: aliejaus džiovinimo, apkartimo ir muilinimo procesai, fermentacija, kepimas, fermentacija, gėrimų gavimas, pieno produktų gamyba ir kt. Svarbų vaidmenį atliko ir fermentų, kvepalų bei kosmetikos atradimas ir tyrimas.

Viena iš priežasčių didelė įvairovė Organiniai junginiai yra jų struktūros originalumas, pasireiškiantis kovalentinių ryšių ir grandinių susidarymu anglies atomais, skirtingo tipo ir ilgio. Juose susijungusių anglies atomų skaičius gali siekti dešimtis tūkstančių, o anglies grandinių konfigūracija gali būti linijinė arba ciklinė. Be anglies atomų, grandinėje gali būti deguonies, azoto, sieros, fosforo, arseno, silicio, alavo, švino, titano, geležies ir kt.

Šių savybių pasireiškimas anglimi siejamas su keliomis priežastimis. Patvirtinta, kad C – C ir C – O ryšių energijos yra panašios. Anglis turi galimybę sudaryti trijų tipų orbitalių hibridizaciją: keturias sp 3 – hibridines orbitales, jų orientacija erdvėje yra tetraedrinė ir atitinka paprastas kovalentiniai ryšiai; trys hibridiniai sp 2 - orbitos, esančios toje pačioje plokštumoje, kartu su nehibridine orbitos forma dvigubi kartotiniai jungtys (─С = С─); taip pat su sp pagalba atsiranda linijinės orientacijos hibridinės orbitalės ir nehibridinės orbitalės tarp anglies atomų trigubai kartotiniai ryšiai (─ C ≡ C ─).Tuo pačiu metu tokio tipo ryšiai sudaro anglies atomus ne tik tarpusavyje, bet ir su kitais elementais. Taigi šiuolaikinė materijos sandaros teorija paaiškina ne tik nemažai organinių junginių, bet ir jų cheminės struktūros įtaką savybėms.

Tai taip pat visiškai patvirtina pagrindus cheminės struktūros teorijos, kurį sukūrė didysis rusų mokslininkas A.M. Butlerovas. Pagrindinės JTS nuostatos:

1) organinėse molekulėse atomai yra sujungti vienas su kitu tam tikra tvarka pagal jų valentingumą, kuris lemia molekulių struktūrą;

2) organinių junginių savybės priklauso nuo juos sudarančių atomų prigimties ir skaičiaus, taip pat nuo molekulių cheminės sandaros;

3) kiekvienas cheminė formulė atitinka tam tikrą skaičių galimų izomerų struktūrų;

4) kiekvienas organinis junginys turi vieną formulę ir turi tam tikrų savybių;

5) molekulėse vyksta abipusė atomų įtaka vienas kitam.

Organinių junginių klasės

Pagal teoriją organiniai junginiai skirstomi į dvi eiles – aciklinius ir ciklinius junginius.

1. Acikliniai junginiai.(alkanai, alkenai) turi atvirą, atvirą anglies grandinę – tiesią arba šakotą:

N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N N─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N N │ N

Įprastas butano izobutanas (metilpropanas)

2. a) Alicikliniai junginiai- junginiai, kurių molekulėse yra uždaros (ciklinės) anglies grandinės:

ciklobutanas cikloheksanas

b) Aromatiniai junginiai, Molekulėse, kurių molekulėse yra benzeno skeletas - šešių narių ciklas su kintamomis viengubomis ir dvigubomis jungtimis (arenais):

c) Heterocikliniai junginiai- cikliniai junginiai, kuriuose, be anglies atomų, yra azoto, sieros, deguonies, fosforo ir kai kurių mikroelementų, kurie vadinami heteroatomais.

furano pirolio piridinas

Kiekvienoje eilutėje organinės medžiagos skirstomos į klases - angliavandenilius, alkoholius, aldehidus, ketonus, rūgštis, esterius, atsižvelgiant į jų molekulių funkcinių grupių pobūdį.

Taip pat yra klasifikacija pagal prisotinimo laipsnį ir funkcines grupes. Pagal prisotinimo laipsnį jie išskiria:

1. Riba prisotinta Anglies skelete yra tik pavienės jungtys.

─С─С─С─

2. Nesočiųjų nesočiųjų– anglies skelete yra daugybinių (=, ≡) ryšių.

─С=С─ ─С≡С─

3. aromatingas– neriboti ciklai su (4n + 2) π-elektronų žiedo konjugacija.

Pagal funkcines grupes

1. Alkoholiai R-CH 2 OH

2. Fenoliai

3. Aldehidai R─COH Ketonai R─C─R

4. Karboksirūgštys R─COOH O

5. Esteriai R─COOR 1

Sukūrė A.M. Butlerovas XIX amžiaus šeštajame dešimtmetyje organinių junginių cheminės struktūros teorija suteikė reikiamo aiškumo organinių junginių įvairovės priežastims, atskleidė ryšį tarp šių medžiagų struktūros ir savybių, leido paaiškinti jau žinomų savybių ir numatyti dar neatrastų organinių junginių savybes.

Atradimai organinės chemijos srityje (keturiavalentė anglis, gebėjimas sudaryti ilgas grandines) leido Butlerovui 1861 m. suformuluoti pagrindines teorijos kartas:

1) Atomai molekulėse jungiasi pagal jų valentingumą (anglis-IV, deguonis-II, vandenilis-I), atomų jungimosi seką atspindi struktūrinės formulės.

2) Medžiagų savybės priklauso ne tik nuo cheminės sudėties, bet ir nuo atomų jungimosi eilės molekulėje (cheminės struktūros). Egzistuoti izomerai, tai yra, medžiagos, kurių kiekybinė ir kokybinė sudėtis yra tokia pati, bet skirtinga struktūra ir, atitinkamai, skirtingos savybės.

C 2 H 6 O: CH 3 CH 2 OH - etilo alkoholis ir CH 3 OCH 3 - dimetilo eteris

C 3 H 6 - propenas ir ciklopropanas - CH 2 \u003d CH-CH 3

3) Atomai tarpusavyje veikia vienas kitą, tai yra skirtingo molekules formuojančių atomų elektronegatyvumo pasekmė (O>N>C>H), o šie elementai skirtingai veikia bendrų elektronų porų poslinkį.

4) Pagal organinės medžiagos molekulės struktūrą galima numatyti jos savybes, o iš savybių nustatyti struktūrą.

Tolimesnis vystymas TSOS gautas nustačius atomo struktūrą, priėmus cheminių jungčių tipų sampratą, hibridizacijos tipus, atradus erdvinės izomerijos reiškinį (stereochemiją).

Bilieto numeris 7 (2)

Elektrolizė kaip redokso procesas. Lydalų ir tirpalų elektrolizė natrio chlorido pavyzdžiu. Praktinis naudojimas elektrolizė.

Elektrolizė- tai redokso procesas, vykstantis ant elektrodų, kai per lydalą arba elektrolito tirpalą teka pastovi elektros srovė

Elektrolizės esmė – cheminės energijos panaudojimas elektros energijos sąskaita. Reakcijos – redukcija prie katodo ir oksidacija prie anodo.

Katodas (-) atiduoda elektronus katijonams, o anodas (+) priima elektronus iš anijonų.

NaCl lydalo elektrolizė

NaCl-―> Na + +Cl -

K(-): Na + +1e-―>Na 0 | 2 proc atsigavimas

A(+) :2Cl-2e-―>Cl 2 0 | 1 proc oksidacija

2Na + +2Cl - -―>2Na + Cl 2

Vandeninio NaCl tirpalo elektrolizė

NaC| elektrolizėje Vandenyje dalyvauja Na + ir Cl - jonai, taip pat vandens molekulės. Kai srovė praeina, Na + katijonai juda link katodo, o Cl - anijonai – link anodo. Bet prie katodo Vietoj Na jonų sumažinamos vandens molekulės:

2H 2 O + 2e-―> H2 + 2OH -

o chlorido jonai oksiduojasi prie anodo:

2Cl - -2e-―>Cl 2

Dėl to ant katodo yra vandenilis, ant anodo – chloras, o tirpale kaupiasi NaOH.

Joninėje formoje: 2H 2 O+2e-―>H2 +2OH-

2Cl - -2e-―>Cl 2

elektrolizė

2H 2 O+2Cl - -―>H2 +Cl2 +2OH -

elektrolizė

Molekulinė forma: 2H 2 O+2NaCl-―> 2NaOH+H 2 +Cl 2

Elektrolizės taikymas:

1) Metalų apsauga nuo korozijos

2) Aktyvių metalų (natrio, kalio, šarminių žemių ir kt.) gavimas.

3) Kai kurių metalų valymas nuo priemaišų (elektrinis rafinavimas)

Bilieto numeris 8 (1)

Susijusi informacija:

A) Žinių teorija – mokslas, tiriantis žinių atsiradimo ir vystymosi formas, metodus ir būdus, jų santykį su tikrove, jų tiesos kriterijus.

Cheminė organinių junginių prigimtis, savybės, skiriančios juos nuo neorganinių junginių, taip pat jų įvairovė buvo paaiškinta 1861 metais Butlerovo suformuluotoje cheminės struktūros teorijoje (žr. § 38).

Pagal šią teoriją junginių savybes lemia jų kokybinė ir kiekybinė sudėtis, cheminė sandara, t.y., molekulę sudarančių atomų jungimosi eilės tvarka ir jų tarpusavio įtaka. Organinių junginių sandaros teorija, sukurta ir papildyta naujausiomis pažiūromis atomų ir molekulių chemijos ir fizikos srityse, ypač idėjomis apie erdvinę molekulių sandarą, apie cheminių ryšių prigimtį ir apie tarpusavio tarpusavio ryšį. atomų įtaka, yra teorinis pagrindas organinė chemija.

IN šiuolaikinė teorija organinių junginių struktūra yra šios nuostatos.

1. Visas organinių junginių savybes pirmiausia lemia elemento anglies savybės.

Pagal vietą, kurią anglis užima periodinėje sistemoje, jos atomo (-apvalkalo) išoriniame elektronų sluoksnyje yra keturi elektronai. Jis nerodo ryškios tendencijos paaukoti ar pridėti elektronų, šiuo atžvilgiu jis užima tarpinę padėtį tarp metalų ir nemetalų ir pasižymi ryškiu gebėjimu sudaryti kovalentinius ryšius. Anglies atomo išorinio elektroninio sluoksnio struktūra gali būti pavaizduota tokiomis diagramomis:

Sužadintas anglies atomas gali dalyvauti formuojant keturias kovalentines jungtis. Todėl daugumoje jo junginių anglies kovalentiškumas yra lygus keturiems.

Taigi, paprasčiausias organinis junginys angliavandenilis metanas turi sudėtį. Jo struktūra gali būti pavaizduota struktūros (a) arba elektroninėmis struktūrinėmis (arba elektroninėmis) (b) formulėmis:

Elektroninė formulė rodo, kad metano molekulėje esantis anglies atomas turi stabilų aštuonių elektronų išorinį apvalkalą (elektronų oktetą), o vandenilio atomai – stabilų dviejų elektronų apvalkalą (elektronų dubletą).

Visi keturi kovalentiniai anglies ryšiai metane (ir kituose panašiuose junginiuose) yra lygiaverčiai ir simetriškai nukreipti erdvėje. Anglies atomas yra tarsi tetraedro centre (taisyklinga tetraedrinė piramidė), o su juo sujungti keturi atomai (metano atveju keturi atomai yra tetraedro viršūnėse (120 pav.). Kampai tarp bet kurios jungčių poros krypčių (anglies valentiniai kampai) yra vienodi ir sudaro 109 °28".

Tai paaiškinama tuo, kad anglies atome, kai jis sudaro kovalentinius ryšius su kitais keturiais atomais, iš vienos s- ir trijų p-orbitalių dėl -hibridizacijos susidaro keturios hibridinės -orbitalės, simetriškai išsidėsčiusios erdvėje, pailgi link tetraedro viršūnių.

Ryžiai. 120. Metano molekulės tetraedrinis modelis.

Ryžiai. 121. -ryšių susidarymo metano molekulėje schema.

Dėl persidengimo - hibridiniai anglies elektronų debesys su kitų atomų elektronų debesimis (metane su sferiniais debesimis - vandenilio atomų elektronais) susidaro keturi tetraedriškai nukreipti kovalentiniai ryšiai (121 pav.; dar žr. p. 131).

Tetraedrinę metano molekulės struktūrą aiškiai išreiškia jos erdviniai modeliai – sferiniai (122 pav.) arba segmentiniai (123 pav.). Balti rutuliukai (segmentai) žymi vandenilio atomus, juodi – anglies atomus. Rutulinis modelis apibūdina tik abipusį erdvinį atomų išsidėstymą, segmentas taip pat leidžia suprasti santykinius tarpatominius atstumus (atstumai tarp branduolių. Kaip parodyta 122 pav., metano struktūrinė formulė gali būti laikoma projekcija jo erdvinį modelį į piešinio plokštumą.

2. Išskirtinė anglies savybė, lemianti organinių junginių įvairovę, yra jos atomų gebėjimas tarpusavyje jungtis stipriais kovalentiniais ryšiais, suformuojant beveik neriboto ilgio anglies grandines.

Tarpusavyje nesusijungusių anglies atomų valentai naudojami kitiems atomams ar grupėms pridėti (angliavandeniliuose – vandeniliui).

Taigi angliavandeniliai etanas ir propanas turi atitinkamai dviejų ir trijų anglies atomų grandines.

Ryžiai. 122. Metano molekulės rutulinis modelis.

Ryžiai. 123. Metano molekulės segmentinis modelis.

Jų struktūra išreiškiama šiomis struktūrinėmis ir elektroninėmis formulėmis:

Yra žinomi junginiai, kuriuose yra šimtai ar daugiau anglies atomų.

Anglies grandinės augimas vienu anglies atomu padidina grupės sudėtį. Toks kiekybinis pokytis kompozicija sukuria naują junginį, kurio savybės šiek tiek skiriasi, t. y. jau kokybiškai skiriasi nuo pradinio junginio; tačiau bendras junginių charakteris išlaikomas. Taigi, be metano, etano, propano angliavandenilių, yra butanas, pentanas ir kt. Taigi, didžiulėje organinių medžiagų įvairovėje galima išskirti serijas to paties tipo junginių, kurių kiekvienas paskesnis narys skiriasi nuo ankstesnį grupės. Tokios serijos vadinamos homologinėmis serijomis, jų nariai yra homologai vienas kito atžvilgiu, o tokių serijų egzistavimas vadinamas homologijos fenomenu.

Vadinasi, angliavandeniliai metanas, stadija, propanas, butanas ir kt. yra homologai tos pačios serijos, kuri vadinama ribojančių, arba sočiųjų, angliavandenilių (alkanų) seka arba, pagal pirmąjį atstovą, metano serija.

Dėl tetraedrinės anglies jungčių orientacijos jos atomai, įtraukti į grandinę, yra išsidėstę ne tiesia linija, o zigzago būdu, o dėl galimybės atomams suktis aplink jungties ašį grandinė erdvėje gali užimti įvairių formų(konformacijos):

Tokia grandinių struktūra leidžia priartėti prie galinio (b) arba kitų negretimų anglies atomų (c); dėl jungties tarp šių atomų atsiradimo anglies grandinės gali būti uždarytos į žiedus (ciklus), pavyzdžiui:

Taigi organinių junginių įvairovę lemia ir tai, kad esant vienodam anglies atomų skaičiui molekulėje, galimi junginiai su atvira, atvira anglies atomų grandine, taip pat medžiagos, kurių molekulėse yra ciklai (cikliniai junginiai) .

3. Kovalentiniai ryšiai tarp anglies atomų, sudaryti iš vienos apibendrintų elektronų poros, vadinami paprastaisiais (arba įprastais) ryšiais.

Ryšį tarp anglies atomų gali atlikti ne vienas, o dvi ar trys bendros elektronų poros. Tada gaunamos grandinės su daugybinėmis – dvigubomis arba trigubomis jungtimis; šiuos santykius galima pavaizduoti taip:

Paprasčiausi junginiai, turintys daug jungčių, yra angliavandeniliai etilenas (su dviguba jungtimi) ir acetilenas (su triguba jungtimi):

Angliavandeniliai su daugybe jungčių vadinami nesočiaisiais arba nesočiaisiais. Etilenas ir acetilenas yra pirmieji dviejų homologinių serijų – etileno ir acetileno angliavandenilių – atstovai.

Ryžiai. 124. Etano molekulėje -ryšių susidarymo schema.

Paprasta kovalentinė jungtis (arba C:C), susidaranti dviem hibridiniams elektronų debesims persidengus išilgai linijos, jungiančios atomų centrus (išilgai ryšio ašies), kaip, pavyzdžiui, etane (124 pav.), yra -obligacija (žr. § 42). Ryšiai taip pat yra -ryšiai - jie susidaro persidengiant išilgai C atomo -hibridinio debesies ir H atomo sferinio debesies -elektrono ryšio ašies.

Daugelio anglies ir anglies jungčių pobūdis yra šiek tiek kitoks. Taigi, etileno molekulėje, susidarant dvigubam kovalentiniam ryšiui (arba) kiekviename anglies atome, hibridizacijoje dalyvauja viena -orbitalė ir tik dvi p-orbitalės (-hibridizacija); viena iš kiekvieno C atomo p-orbitalių nehibridizuojasi. Dėl to susidaro trys -hibridiniai elektronų debesys, kurie dalyvauja formuojant tris -ryšius. Iš viso etileno molekulėje yra penkios jungtys (keturios ir viena); visi jie yra vienoje plokštumoje maždaug 120° kampu vienas kito atžvilgiu (125 pav.).

Taigi viena iš elektronų porų ryšyje atlieka -jungtį, o antrąją sudaro p-elektronai, kurie nedalyvauja hibridizacijoje; jų debesys išlaiko aštuonių tūrio formą, yra orientuoti statmenai plokštumai, kurioje yra -ryšiai, ir persidengia aukščiau ir žemiau šios plokštumos (126 pav.), sudarydami -jungtį (žr. § 42).

Ryžiai. 125. -ryšių susidarymo etileno molekulėje schema.

Ryžiai. 126. -ryšio susidarymo etileno molekulėje schema.

Todėl C=C dviguba jungtis yra vienos ir vienos jungties derinys.

Triguba jungtis (arba ) yra vienos jungties ir dviejų jungčių derinys. Pavyzdžiui, susidarant acetileno molekulei kiekviename anglies atome, hibridizacijoje dalyvauja viena -orbitalė ir tik viena p-orbitalė (-hibridizacija); dėl to susidaro du -hibridiniai elektronų debesys, dalyvaujantys dviejų -ryšių susidaryme. Kiekvieno C atomo dviejų p-elektronų debesys nehibridizuojasi, išlaiko savo konfigūraciją ir dalyvauja formuojant dvi -jungtis. Taigi acetilene yra tik trys -ryšiai (vienas ir du), nukreipti išilgai vienos tiesės, ir du -ryšiai, orientuoti į dvi viena kitai statmenas plokštumas (127 pav.).

Daugybiniai (t. y. dvigubi ir trigubi) ryšiai reakcijų metu lengvai virsta paprastaisiais; trigubas pirmiausia virsta dvigubu, o paskutinis – paprastu. Taip yra dėl jų didelio reaktyvumo ir įvyksta, kai bet kurie atomai yra prijungti prie anglies atomų poros, sujungtos daugybine jungtimi.

Daugybinių jungčių perėjimas prie paprastų paaiškinamas tuo, kad, kaip taisyklė, -ryšiai turi mažesnį stiprumą ir dėl to didesnį labilumą, palyginti su -ryšiais. Kai susidaro -ryšiai, p-elektronų debesys su lygiagrečiomis ašimis persidengia daug mažiau nei elektronų debesys, persidengiantys išilgai ryšio ašies (t. y. hibridiniai, -elektronų arba p-elektronų debesys, orientuoti išilgai ryšio ašies).

Ryžiai. 127. -ryšių susidarymo acetileno molekulėje schema.

Ryžiai. 128. Etileno molekulės modeliai: a - rutulys; b - segmentuotas.

Keli ryšiai yra stipresni už paprastus ryšius. Taigi, ryšio nutraukimo energija yra , obligacijos ir tik ryšiai.

Iš to, kas pasakyta, išplaukia, kad formulėse dvi eilutės iš trijų jungtyje ir viena eilutė iš dviejų ryšyje išreiškia ryšius, kurie yra ne tokie stiprūs nei paprastas ryšys.

Ant pav. 128 ir 129 yra rutuliniai ir segmentiniai junginių su dvigubomis (etileno) ir trigubomis (acetileno) jungtimis erdviniai modeliai.

4. Struktūros teorija paaiškino daugybę organinių junginių izomerijos atvejų.

Anglies atomų grandinės gali būti tiesios arba šakotos:

Taigi, kompozicijoje yra trys sočiųjų angliavandenilių (pentanas) su skirtingomis grandinės struktūromis - vienas su nešakota grandine (normali struktūra) ir du su šakota (izostruktūra):

Kompozicijoje yra trys nesotieji angliavandeniliai, dvi normalios struktūros, bet izomerinės dvigubos jungties padėtyje, ir viena izostruktūra:

Ryžiai. 129. Acetileno molekulės modeliai: rutulys; b - segmentuotas.

Du cikliniai angliavandeniliai yra izomeriniai šiems nesotiesiems junginiams, kurie taip pat turi sudėtį ir yra izomeriniai vienas kitam pagal ciklo dydį:

Tą pačią sudėtį turintys junginiai gali skirtis dėl skirtingų anglies grandinės ir kitų ne anglies atomų padėties, pavyzdžiui:

Izomerija gali atsirasti ne tik dėl skirtingos atomų jungimosi tvarkos. Yra keletas erdvinės izomerijos (stereoizometrijos) tipų, kurie susideda iš to, kad atitinkami izomerai (stereoizomerai), turintys tą pačią sudėtį ir atomų prijungimo tvarką, skiriasi skirtingu atomų (arba atomų grupių) išdėstymu erdvėje.

Taigi, jei junginyje yra anglies atomas, prijungtas prie keturių skirtingų atomų arba atomų grupių (asimetrinis atomas), galimos dvi tokio junginio erdvinės izomerinės formos. Ant pav. 130 pavaizduoti du tetraedriniai pieno rūgšties modeliai, kuriuose asimetrinis anglies atomas (formulėje pažymėtas žvaigždute) yra tetraedro centre. Nesunku pastebėti, kad šių modelių negalima derinti erdvėje: jie yra veidrodiniai ir atspindi dviejų skirtingų medžiagų molekulių erdvinę konfigūraciją. šis pavyzdys pieno rūgštys), kurios skiriasi kai kuriomis fizinėmis ir daugiausia biologinėmis savybėmis. Tokia izomerija vadinama veidrodine stereoizomerija, o atitinkami izomerai – veidrodiniais izomerais.

Ryžiai. 130. Pieno rūgšties veidrodinių izomerų molekulių tetraedriniai modeliai.

Veidrodinių izomerų erdvinės struktūros skirtumą taip pat galima pavaizduoti naudojant struktūrines formules, kurios parodo skirtingą atominių grupių išsidėstymą ties asimetriniu atomu; pavyzdžiui, tiems, kurie pavaizduoti Fig. 130 veidrodinių pieno rūgšties izomerų:

Kaip jau minėta, anglies atomai; sujungti dviguba jungtimi, yra toje pačioje plokštumoje su keturiomis jungtimis, jungiančiomis juos su kitais atomais; kampai tarp šių ryšių krypčių yra maždaug vienodi (126 pav.). Kai prie kiekvieno dvigubos jungties anglies atomo yra prijungti skirtingi atomai arba grupės, galima vadinamoji geometrinė stereoizomerija arba cis-trans izomerija. Pavyzdys yra erdviniai geometriniai dichloretileno izomerai

Vieno izomero molekulėse chloro atomai yra vienoje dvigubos jungties pusėje, o kitos molekulėse – priešingose pusėse. Pirmoji konfigūracija vadinama cis-, antroji - trans-konfigūracija. Geometriniai izomerai skiriasi vienas nuo kito fizinėmis ir cheminėmis savybėmis.

Jų egzistavimą lemia tai, kad dviguba jungtis atmeta galimybę laisvai susijungusiems atomams suktis apie ryšio ašį (tokiam sukimuisi reikia ryšį nutraukti; žr. 126 pav.).

5. Abipusė įtaka organinių medžiagų molekulėse pirmiausia pasireiškia atomais, tiesiogiai sujungtais vienas su kitu. Šiuo atveju tai lemia cheminio ryšio tarp jų pobūdis, jų santykinio elektronegatyvumo skirtumo laipsnis ir, atitinkamai, jungties poliškumo laipsnis.

Pavyzdžiui, sprendžiant iš apibendrintų formulių, tada metano molekulėje ir metilo alkoholio molekulėje visi keturi vandenilio atomai turi turėti tas pačias savybes. Tačiau, kaip bus parodyta vėliau, metilo alkoholyje vienas iš vandenilio atomų gali būti pakeistas šarminiu metalu, o metane vandenilio atomai neturi tokio gebėjimo. Taip yra dėl to, kad alkoholyje vandenilio atomas yra tiesiogiai sujungtas ne su anglimi, o su deguonimi.

Aukščiau pateiktose struktūrinėse formulėse rodyklės ant ryšių linijų sąlyginai rodo kovalentinį ryšį sudarančių elektronų porų poslinkį dėl skirtingo atomų elektronegatyvumo. Metane toks jungties poslinkis mažas, nes anglies elektronegatyvumas (2.5) tik nežymiai viršija vandenilio elektronegatyvumą 1 lentelėje. 6, p. 118). Šiuo atveju metano molekulė yra simetriška. Alkoholio molekulėje ryšys yra žymiai poliarizuotas, nes deguonis (elektronegatyvumas 3,5) daug labiau traukia į save elektronų porą; todėl vandenilio atomas, susijungęs su deguonies atomu, įgyja didesnį mobilumą, t.y., lengviau atsiskiria protono pavidalu.

Organinėse molekulėse svarbi ir tarpusavyje tiesiogiai nesusijusių atomų tarpusavio įtaka. Taigi metilo alkoholyje, veikiant deguoniui, padidėja ne tik vandenilio atomo, susieto su deguonimi, bet ir vandenilio atomų, kurie nėra tiesiogiai susiję su deguonimi, bet yra susiję su anglimi, reaktyvumas. Dėl šios priežasties metilo alkoholis gana lengvai oksiduojasi, o metanas yra santykinai atsparus oksiduojančių medžiagų poveikiui. Taip yra dėl to, kad hidroksilo grupės deguonis žymiai traukia elektronų porą į save jungtyje, jungiančioje ją su anglimi, kurios elektronegatyvumas yra mažesnis.

Dėl to efektyvusis anglies atomo krūvis tampa teigiamesnis, o tai sukelia papildomą elektronų porų poslinkį taip pat ir metilo alkoholio ryšiuose, palyginti su tomis pačiomis jungtimis metano molekulėje. Veikiant oksiduojantiems agentams, H atomai, prijungti prie to paties anglies atomo, prie kurio yra prijungta OH grupė, daug lengviau atsiskiria nei angliavandeniliuose ir susijungia su deguonimi, kad susidarytų vanduo. Šiuo atveju anglies atomas, susijęs su OH grupe, toliau oksiduojasi (žr. § 171).

Abipusė atomų, kurie nėra tiesiogiai sujungti vienas su kitu, įtaka gali būti perduodama dideliu atstumu išilgai anglies atomų grandinės ir paaiškinama elektronų debesų tankio pasikeitimu visoje molekulėje, veikiant atomams ar jų grupėms. joje esantis skirtingas elektronegatyvumas. Abipusė įtaka taip pat gali būti perduodama per molekulę supančią erdvę – dėl besiartinančių atomų elektronų debesų persidengimo.

Kaip susiformavo mokslas pradžios XIX amžiuje, kai švedų mokslininkas J. Ya. Berzelius pirmą kartą pristatė organinių medžiagų ir organinės chemijos sąvoką. Pirmoji organinės chemijos teorija yra radikalų teorija. Chemikai išsiaiškino, kad cheminių transformacijų metu kelių atomų grupės nepakitusios pereina iš vienos medžiagos molekulės į kitos medžiagos molekulę, lygiai taip pat, kaip elementų atomai pereina iš molekulės į molekulę. Tokios „nekintamos“ atomų grupės vadinamos radikalais.

Tačiau ne visi mokslininkai sutiko su radikalų teorija. Daugelis apskritai atmetė atomizmo idėją - idėją apie sudėtingą molekulės struktūrą ir atomo, kaip jos sudedamosios dalies, egzistavimą. Kas neabejotinai pasitvirtina mūsų dienomis ir nekelia nė menkiausios abejonės, XIX a. buvo aršių ginčų objektas.

Pamokos turinys pamokos santrauka paramos rėmo pamokos pristatymo pagreitinimo metodai interaktyvios technologijos Praktika užduotys ir pratimai savianalizės seminarai, mokymai, atvejai, užduotys namų darbai diskusija klausimai retoriniai mokinių klausimai Iliustracijos garso, vaizdo klipai ir multimedija nuotraukos, paveikslėliai grafika, lentelės, schemos humoras, anekdotai, anekdotai, komiksai, palyginimai, posakiai, kryžiažodžiai, citatos Priedai tezės straipsniai lustai smalsiems cheat sheets vadovėliai pagrindinis ir papildomas terminų žodynas kita Vadovėlių ir pamokų tobulinimasklaidų taisymas vadovėlyje vadovėlio fragmento atnaujinimas naujovių elementų pamokoje pasenusių žinių pakeitimas naujomis Tik mokytojams tobulos pamokos kalendorinis planas metams Gairės diskusijų programos Integruotos pamokos

Organinių junginių cheminės struktūros teorijos sukūrimo pagrindas A.M. Butlerovas buvo atomų ir molekulių teorija (A. Avagadro ir S. Cannizzaro darbai). Būtų klaidinga manyti, kad iki susikūrimo pasaulis nieko nežinojo apie organines medžiagas ir nebuvo bandoma pagrįsti organinių junginių sandaros. Iki 1861 m. (A. M. Butlerovas sukūrė organinių junginių cheminės struktūros teoriją) žinomų organinių junginių skaičius pasiekė šimtus tūkstančių, o organinės chemijos atskyrimas nepriklausomas mokslas atsitiko dar 1807 metais (J. Berzelius).

Organinių junginių sandaros teorijos pagrindai

Platus organinių junginių tyrimas prasidėjo XVIII amžiuje A. Lavoisier darbais, kurie parodė, kad iš gyvų organizmų gaunamos medžiagos susideda iš kelių elementų – anglies, vandenilio, deguonies, azoto, sieros ir fosforo. Didelę reikšmę turėjo terminų „radikalas“ ir „izomerizmas“ įvedimas, radikalų teorijos formavimas (L. Giton de Morvo, A. Lavoisier, J. Liebig, J. Dumas, J. Berzelius) , sėkmė organinių junginių (karbamido, anilino, acto rūgšties, riebalų, į cukrų panašių medžiagų ir kt.) sintezėje.

Terminą „cheminė struktūra“, kaip ir klasikinės cheminės struktūros teorijos pagrindus, pirmą kartą paskelbė A.M. Butlerovas 1861 m. rugsėjo 19 d. savo pranešime Vokietijos gamtininkų ir gydytojų kongrese Speyeryje.

Pagrindinės organinių junginių sandaros teorijos nuostatos A.M. Butlerovas

1. Atomai, sudarantys organinės medžiagos molekulę, yra tarpusavyje sujungti tam tikra tvarka, o vienas ar keli valentai iš kiekvieno atomo išleidžiami ryšiams vienas su kitu. Laisvų valentų nėra.

Butlerovas pavadino atomų sujungimo seką „chemine struktūra“. Grafiškai ryšiai tarp atomų žymimi linija arba tašku (1 pav.).

Ryžiai. 1. Cheminė metano molekulės struktūra: A - struktūrinė formulė, B - elektroninė formulė

2. Organinių junginių savybės priklauso nuo molekulių cheminės sandaros, t.y. organinių junginių savybės priklauso nuo atomų susijungimo molekulėje tvarkos. Išstudijavę savybes, galite pavaizduoti medžiagą.

Apsvarstykite pavyzdį: medžiagos bendroji formulė C 2 H 6 O. Yra žinoma, kad šiai medžiagai sąveikaujant su natriu išsiskiria vandenilis, o veikiant rūgščiai susidaro vanduo.

C 2 H 6 O + Na = C 2 H 5 ONa + H 2

C 2 H 6 O + HCl \u003d C 2 H 5 Cl + H 2 O

Ši medžiaga gali atitikti dvi struktūrines formules:

CH 3 -O-CH 3 - acetonas (dimetilketonas) ir CH 3 -CH 2 -OH - etilo alkoholis (etanolis),

remiantis šiai medžiagai būdingomis cheminėmis savybėmis, darome išvadą, kad tai yra etanolis.

Izomerai yra medžiagos, kurių kokybinė ir kiekybinė sudėtis yra tokia pati, bet skirtinga cheminė struktūra. Yra keli izomerijos tipai: struktūrinė (linijinė, šakota, anglies karkasas), geometrinė (cis- ir trans-izomerija, būdinga junginiams su daugybine dviguba jungtimi (2 pav.)), optinė (veidrodinė), stereo (erdvinė, būdingas medžiagoms , galinčios įvairiai išsidėstyti erdvėje (3 pav.)).

Ryžiai. 2. Geometrinės izomerijos pavyzdys

3. Įjungta Cheminės savybės organiniams junginiams įtakos turi kiti molekulėje esantys atomai. Tokios atomų grupės vadinamos funkcinėmis grupėmis dėl to, kad jų buvimas medžiagos molekulėje suteikia jai ypatingų cheminių savybių. Pavyzdžiui: -OH (hidrokso grupė), -SH (tio grupė), -CO (karbonilo grupė), -COOH (karboksilo grupė). Be to, organinių medžiagų cheminės savybės mažiau priklauso nuo angliavandenilių skeleto nei nuo funkcinės grupės. Būtent funkcinės grupės suteikia organinių junginių įvairovę, dėl kurios jie klasifikuojami (alkoholiai, aldehidai, karboksirūgštys ir kt. Funkcinės grupės kartais apima anglies-anglies ryšius (daugkartinis dvigubas ir trigubas). Jei yra keli vienodi funkcinės grupės, tai vadinama homopolifunkcine (CH 2 (OH) -CH (OH) -CH 2 (OH) - glicerolis), jei kelios, bet skirtingos - heteropolifunkcinės (NH 2 -CH (R) -COOH - aminorūgštys) .