Теорія будови органічних сполук гомология і ізомерія (структурна і просторова)
Головна / Теорія для підготовки до ЄДІ / 3.1. Теорія будови органічних сполук: гомологія і ізомерія (структурна і просторова). Взаємний вплив атомів в молекулах.
Органічна хімія - розділ хімії, в якому вивчають сполуки вуглецю, їх будова, властивості, взаємоперетворення.
Сама назва дисципліни - «органічна хімія» - виникло досить давно. Причина його криється в тому, що більшість сполук вуглецю, з якими стикалися дослідники на початковому етапі становлення хімічної науки, мали рослинне або тваринне походження. Проте, як виняток, окремі сполуки вуглецю відносять до неорганічних. Так, наприклад, неорганічними речовинами прийнято вважати оксиди вуглецю, вугільну кислоту, карбонати, гідрокарбонати, ціановодород і деякі інші.
В даний час відомо трохи менше 30-ти мільйонів різноманітних органічних речовин і цей список постійно поповнюється. Така величезна кількість органічних сполук пов'язано, перш за все, з наступними специфічними властивостями вуглецю:
1) атоми вуглецю можуть з'єднуватися один з одним в ланцюзі довільної довжини;
2) можливо не тільки послідовне (лінійне) з'єднання атомів вуглецю між собою, але також розгалужене і навіть циклічне;
3) можливі різні види зв'язків між атомами вуглецю, а саме одинарні, подвійні і потрійні. При цьому валентність вуглецю в органічних сполуках завжди дорівнює чотирьом.
Крім цього, великій різноманітності органічних сполук сприяє також і те, що атоми вуглецю здатні утворювати зв'язку і з атомами багатьох інших хімічних елементів, наприклад, воднем, киснем, азотом, фосфором, сіркою, галогенами. При цьому водень, кисень і азот зустрічаються найбільш часто.
Слід зазначити, що досить довго органічна хімія представляла для вчених «темний ліс». Якийсь час в науці навіть була популярна теорія віталізму, згідно з якою органічні речовини не можуть бути отримані «штучним» способом, тобто поза живої матерії. Однак теорія віталізму проіснувала не дуже довго, з огляду на те що одне за одним з'явилися речовини, синтез яких можливий поза живих організмів.
У дослідників викликало подив те, що багато органічних речовин мають однаковий якісний і кількісний склад, проте часто мають зовсім несхожими один на одного фізичними і хімічними властивостями. Так, наприклад, диметиловий ефір і етиловий спирт мають абсолютно однаковий елементний склад, проте диметиловий ефір в звичайних умовах являє собою газ, а етиловий спирт - рідина. Крім того, диметиловий ефір з натрієм не реагує, а етиловий спирт взаємодіє з ним, виділяючи газоподібний водень.
Дослідниками XIX століття було висунуто безліч припущень щодо того, як все-таки влаштовані органічні речовини. Істотно важливі припущення були висунуті німецьким вченим Ф.А.Кекуле, який перший висловив ідею про те, що атоми різних хімічних елементів мають конкретні значення валентностей, а атоми вуглецю в органічних сполуках чотирьохвалентного і здатні об'єднуватися один з одним, утворюючи ланцюги. Пізніше, відштовхуючись від припущень Кекуле, український вчений Олексій Михайлович Бутлеров розробив теорію будови органічних сполук, яка не втратила своєї актуальності і в наш час. Розглянемо основні положення цієї теорії:
1) всі атоми в молекулах органічних речовин з'єднані один з одним в певній послідовності відповідно до їх валентності. Атоми вуглецю мають постійну валентність, рівну чотирьом, і можуть утворювати один з одним ланцюга різної будови;
2) фізичні і хімічні властивості будь-якого органічного речовини залежать не тільки від складу його молекул, але також і від порядку з'єднання атомів в цій молекулі між собою;
3) окремі атоми, а також групи атомів в молекулі впливають один на одного. Таке взаємний вплив відбивається в фізичні і хімічні властивості сполук;
4) досліджуючи фізичні і хімічні властивості органічної сполуки можна встановити його будова. Вірно також зворотне - знаючи будову молекули того чи іншого речовини, можна спрогнозувати його властивості.
Аналогічно тому, як періодичний закон Д.И.Менделева став науковим фундаментом неорганічної хімії, теорія будови органічних речовин А.М. Бутлерова фактично стала відправною точкою в становленні органічної хімії як науки. Слід зазначити, що після створення теорії будови Бутлерова органічна хімія почала свій розвиток дуже швидкими темпами.
Ізомерія і гомологія
Згідно з другим положенням теорії Бутлерова, властивості органічних речовин залежать не тільки від якісного і кількісного складу молекул, але і від порядку з'єднання атомів в цих молекулах між собою.
У зв'язку з цим, серед органічних речовин широко поширене таке явище як ізомерія.
Ізомерія - явище, коли різні речовини мають абсолютно однаковий склад молекул, тобто однакову молекулярну формулу.
Дуже часто ізомери сильно відрізняються за фізичними і хімічними властивостями. наприклад:
типи ізомерії
структурна ізомерія
а) Ізомерія вуглецевого скелета
в) Міжкласова ізомерія:
Міжкласова ізомерія має місце, коли сполуки, що є ізомерами, належать до різних класів органічних сполук.
просторова ізомерія
Просторова ізомерія - явище, коли різні речовини при однаковому порядку приєднання атомів один до одного відрізняються один від одного фіксоване-різним становищем атомів або груп атомів в просторі.
Існує два типи просторової ізомерії - геометрична і оптична. Завдання на оптичну изомерию на ЄДІ не зустрічаються, тому розглянемо тільки геометричну.
Якщо в молекулі якого-небудь з'єднання є подвійна C = C зв'язок або цикл, іноді в таких випадках можливе явище геометричній або цис-транс -ізомер.
Наприклад, такий вид ізомерії можливий для бутена-2. Сенс її полягає в тому, що подвійний зв'язок між атомами вуглецю фактично має плоске будова, а заступники при цих атомах вуглецю можуть фіксовано розташовуватися або над, або під цією площиною:
Коли однакові заступники перебувають по одну сторону площині кажуть, що це цис -ізомер, а коли по різні - транс -ізомер.
На у вигляді структурних формул цис- і транс -ізомер (на прикладі бутена-2) зображують наступним чином:
Відзначимо, що геометрична ізомерія неможлива в разі, якщо хоча б у одного атома вуглецю при подвійному зв'язку буде два однакових заступника. Так, наприклад, цис-транс- ізомерія неможлива для пропена:
Як можна бачити з ілюстрації вище, якщо поміняти місцями радикал і атом водню, що знаходяться при другому вуглецевому атомі, по різні боки площини, ми отримаємо ту ж саму молекулу, на яку просто подивилися з іншого боку.
Вплив атомів і груп атомів один на одного в молекулах органічних сполук
Поняття про хімічну структуру як про послідовність пов'язаних один з одним атомів було істотно розширено з появою електронної теорії. З позицій цієї теорії можна пояснити, яким чином атоми і групи атомів в молекулі впливають один на одного.
Розрізняють два можливих способу впливу одних ділянок молекули на інші:
1) Індуктивний ефект
2) Мезомерний ефект
індуктивний ефект
Для демонстрації цього явища візьмемо для прикладу молекулу 1-хлорпропан (CH3 CH2 CH2 Cl). Зв'язок між атомами вуглецю і хлору є полярною, оскільки хлор має набагато більш високу електронегативність в порівнянні з вуглецем. В результаті зсуву електронної щільності від атома вуглецю до атому хлору на атомі вуглецю формується частковий позитивний заряд (δ +), а на атомі хлору - частковий негативний (δ-):
Зсув електронної щільності від одного атома до іншого часто позначають стрілкою, спрямованої до більш електронегативного атома:
Однак, цікавим є такий момент, що, крім зміщення електронної густини від першого атома вуглецю до атому хлору, також має місце зміщення, але в дещо меншій мірі від другого атома вуглецю до першого, а також від третього до другого:
Таке зміщення електронної густини по ланцюгу σ-зв'язків називають індуктивним ефектом (I). Даний ефект загасає в міру віддалення від впливає групи і вже практично не проявляється після 3 σ-зв'язків.
У разі, коли атом або група атомів мають більшу електронегативність в порівнянні з атомами вуглецю, кажуть, що такі заступники мають негативним індуктивним ефектом (-I). Таким чином, в розглянутому вище прикладі негативним індуктивним ефектом володіє атом хлору. Крім хлору, негативним індуктивним ефектом володіють такі заступники:
Якщо електронний торгівельний атома або групи атомів менше електронегативності атома вуглецю, фактично відбувається передача електронної щільності від таких заступників до вуглецевим атомам. У такому випадку говорять, що заступник володіє позитивним індуктивним ефектом (+ I) (є електронодонорності).
Так, заступниками з + I-ефект є граничні вуглеводневі радикали. При цьому вираженість + I -ефекту зростає з подовженням вуглеводневого радикала:
Слід зазначити, що атоми вуглецю, що знаходяться в різних валентних станах, мають також і різної електронегативність. Атоми вуглецю в стані sp-гібридизації мають велику електронегативність в порівнянні з атомами вуглецю в стані sp 2-гібридизації, які, в свою чергу, більш електронегативні, ніж атоми вуглецю в стані sp 3-гібридизації.
Мезомерний ефект (М). або ефект сполучення, - вплив заступника, передане по системі сполучених π-зв'язків.
Знак мезомерного ефекту визначається за тим же принципом, що і знак індуктивного ефекту. Якщо заступник збільшує електронну щільність в сполученої системі, він володіє позитивним мезомерним ефектом (+ М) і є електронодонорності. Позитивним мезомерним ефектом володіють подвійні вуглець-вуглецеві зв'язки, заступники, які містять неподеленную електронну пару: -NH2. -OН, галогени.
Негативним мезомерним ефектом (-М) мають заступники, що віддаляють електронну щільність від поєднаної системи, при цьому електронна щільність в системі зменшується.
Негативним мезомерним ефектом володіють групи:
За рахунок перерозподілу електронної щільності за рахунок мезомерного і індуктивного ефектів в молекулі на деяких атомах з'являються часткові позитивні або негативні заряди, що має відображення в хімічних властивостях речовини.
Графічно мезомерний ефект показують зігнутої стрілкою, яка починається в центрі електронної щільності і завершується там, куди зміщується електронна щільність. Так, наприклад, в молекулі хлористого вінілу мезомерний ефект виникає при сполученні неподіленої електронної пари атома хлору, з електронами π-зв'язку між вуглецевими атомами. Таким чином, в результаті цього на атомі хлору з'являється частковий позитивний заряд, а що володіє рухливістю π-електронна хмара під впливом електронної пари зміщується в бік крайнього атома вуглецю, на якому виникає внаслідок цього частковий негативний заряд:
Якщо в молекулі є чергуються одинарні та подвійні зв'язку, то кажуть, що молекула містить пов'язану π-електронну систему. Цікавою властивістю такої системи є те, що мезомерний ефект в ній не згасає.