Типы связей в органической химии. Электронное строение органических соединений Как считать связи в органической химии

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

1. Гибридизация атомных орбиталей углерода

Атомная орбиталь - это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра атома. Электронное облако - это область пространства, в которой с высокой вероятностью может быть обнаружен электрон.

Для согласования электронного строения атома углерода и валентности этого элемента пользуются представлениями о возбуждении атома углерода. В нормальном (невозбужденном) состоянии атом углерода имеет два неспаренных 2р 2 -электрона.

В возбужденном состоянии (при поглощении энергии) один из 2s 2 -электронов может переходить на свободную р -орбиталь. Тогда в атоме углерода появляется четыре неспаренных электрона. На втором энергетическом уровне кроме 2s -орбитали имеются три 2р -орбитали. Эти 2р -орбитали имеют эллипсоидную форму, похожую на гантели, и ориентированы в пространстве под углом 90° друг к другу. 2р -Орбитали обозначают 2р х , 2р y и 2р z в соответствии с осями, вдоль которых эти орбитали расположены.

При образовании химических связей электронные орбитали приобретают одинаковую форму.

Так, в предельных углеводородах смешиваются одна s -орбиталь и три р -орбитали атома углерода с образованием четырех одинаковых (гибридных) s р 3 -орбиталей:

Это - s р 3 -гибридизация.

Гибридизация - выравнивание (смешивание) атомных орбиталей (s и р ) с образованием новых атомных орбиталей, называемых гибридными орбиталями .

ТЕТРАЭДР (углы = 109°28?

s р 2 -Гибридизация - смешивание одной s - и двух р -орбиталей. В результате образуются три гибридные s р 2 -орбитали.

Эти s р 2 -орбитали расположены в одной плоскости (с осями х , у ) и направлены к вершинам треугольника с углом между орбиталями 120°.

Негибридизованная р -орбиталь перпендикулярна к плоскости трех гибридных s р 2 -орбиталей (ориентирована вдоль осиz ).

Верхняя половина р -орбитали находится над плоскостью, нижняя половина - под плоскостью.

Тип s р 2 -гибридизации углерода бывает у соединений с двойной связью:

С=С, С=О, С=N.

Причем только одна из связей между двумя атомами (например, С=С) может быть -связью. (Другие связывающие орбитали атома направлены в противоположные стороны.)

Вторая связь образуется в результате перекрывания негибридных р -орбиталей по обе стороны от линии, соединяющей ядра атомов.

Ковалентная связь, образующаяся путем бокового перекрывания р -орбиталей соседних углеродных атомов, называется пи(р )-связью.

s р -Гибридизация s - и одной р s р -орбиталей. s р -Орбитали расположены на одной линии (под углом 180°) и направлены в противоположные стороны от ядра атома углерода. Две р у -связей. На рисунке s р -орбитали показаны вдоль оси y , а негибридизованные две р -орбитали- вдоль осей х и z .

Тройная углерод-углеродная связь С?С состоит из у-связи, возникающей при перекрывании sp -гибридных орбиталей, и двух р-связей.

2. Реакции электрофильного замещения атомов водорода в ряду бензола

1. Реакция галогенирования . Реакция галогенирования бензольного кольца осуществляется в присутствии катализаторов (чаще всего галогенидов железа или алюминия). Роль катализатора состоит в образовании сильнополяризованного комплекса с галогеном: ФОРМУЛА. Крайний слева атом хлора в комплексе становится электрононенасыщенным в результате поляризации связи Cl - Cl и способным к взаимодействию с нуклеофильными реагентами (в данном случае с бензолом):

д - комплекс отщепляет протон и превращается в продукт замещения (хлорбензол). Протон взаимодействует с - с регенерацией хлорида алюминия, образуя при этом хлористый водород:

В случае избытка галогена могут быть получены ди- и полигалогензамещенные, вплоть до полного замещения всех атомов водорода в бензоле.

Прямое йодирование в ароматическом ядре не удается провести вследствие малой реакционной способности йода. Прямое фторирование ароматических углеводородов протекает настолько энергично, что образуется сложная смесь продуктов, в которой целевые фторпроизводные содержатся в небольших количествах. В зависимости от условий проведения реакции галогенирования алкилбензолов галоген может замещать атомы водорода в бензольном кольце («на холоду» в присутствии кислот Льюиса) или в боковой цепи (при нагревании или на свету). В последнем случае реакция идет по свободнорадикальному механизму, подобно механизму замещения в алканах.

2. Реакция нитрования . Бензол медленно реагирует с концентрированной азотной кислотой. Скорость нитрования значительно возрастает, если реакцию нитрования проводить смесью концентрированных азотной и серной кислот (обычно в соотношении 1:2); эту смесь называют нитрующей.

Процесс происходит благодаря тому, что серная кислота, как более сильная, протонирует азотную кислоту, а образовавшаяся протонированная частица разлагается на воду и активный электрофильный реагент - нитроний-катион (катион нитрония).

Реакция нитрования бензола является реакцией электрофильного замещения и носит ионный характер. Вначале происходит образование р -комплекса в результате взаимодействия электронов бензольного кольца с положительно заряженной частицей нитроний-катиона.

Затем происходит переход р-комплекса в у-комплекс. При этом два р -электрона из шести идут на образование ковалентной связи С-NO2+. Оставшиеся четыре -электрона распределяются между пятью углеродными атомами бензольного кольца. Образуется у -комплекс в виде неустойчивого карбкатиона.

Неустойчивый у -комплекс под воздействием иона HSO4- теряет протон с формированием ароматической структуры нитробензола.

3. Реакция сульфирования . Для введения сульфогруппы в бензольное кольцо используют дымящуюся серную кислоту, т. е. содержащую избыток серного ангидрида (SO3). Электрофильной частицей является SO3. Механизм сульфирования ароматических соединений включает следующие стадии:

4. Реакция алкилирования по Фриделю-Крафтсу. Роль катализатора (обычно AlCl3) в этом процессе заключается в усилении поляризации галогеналкила с образованием положительно заряженной частицы, которая вступает в реакцию электрофильного замещения: ФОРМУЛА

3. Антрацен: строение и основные химические свойства

Антрацен - соединение, молекула которого состоит из трех ароматических колец, лежащих в одной плоскости. Его получают из антраценовой фракции каменноугольной смолы, кипящей при 300…350 °С. В лабораторной практике антрацен можно получить

а) по реакции Фриделя-Крафтса:

б) по реакции Фиттига:

В молекуле антрацена наиболее активны девятое и десятое положения, находящиеся под влиянием двух крайних колец. Антрацен легко вступает в реакции присоединения по этим положениям:

При действии окислителей антрацен легко образует антрахинон, который широко используется для синтеза красителей:

4. Сопряженные диены и способы их синтеза

Диеновыми углеводородами (диенами) называют ненасыщенные углеводороды, имеющие две двойные связи, общей формулы СnH2n-2.

Две двойные связи в молекуле углеводорода могут быть расположены различным образом. Если они сосредоточены у одного углеродного атома, их называют кумулированными:-C=C=C- Если две двойные связи разделены одной простой связью, их называют сопряженными:-C=C - C=C- Если же двойные связи разделены двумя и более простыми связями, то их называют изолированными: -C=C- (CH2)n - C=C-

5. Правила ориентации в бензольном кольце

При изучении реакций замещения в бензольном кольце было обнаружено, что если в нем уже содержится какой-либо заместитель, то в зависимости от его характера второй вступает в определенное положение. Таким образом, каждый заместитель в бензольном кольце проявляет определенный направляющий или ориентирующий эффект. На положение вновь вводимого заместителя также оказывает влияние природа самого заместителя, т. е. имеет ли действующий реагент электрофильную или нуклеофильную природу. Все заместители по характеру своего направляющего действия в делятся на две группы.

Заместители первого рода направляют вводимую группу в орто- и пара - положения:

К заместителям этого рода относятся следующие группы, расположенные в порядке убывания своей ориентирующей силы: N(CH3)2,NH2, OH, CH3 и другие алкилы, а также Cl, Br, I.

Заместители второго рода в реакциях электрофильного замещения направляют вводимые группы в мета-положение. К заместителям этого рода относятся следующие группы: - NO2,- C N, - SO3H, - CHO, - COOH.

6. Природа двойной связи и химические свойства этиленовых соединений

По современным представлениям две связи, соединяющие два ненасыщенных углеродных атома, не одинаковы: одна из них является у-связью, а другая р-связью. Последняя связь менее прочна и «разрывается» при реакциях присоединения.

О неравноценности двух связей в непредельных соединениях говорит, в частности, сравнение энергии образования простой и двойной связей. Энергия образования простой связи равна 340 кДж/моль (примерно 82 ккал/моль), а двойной - 615 кДж/моль (примерно 147 ккал/моль). Естественно, что для разрыва р -связи затрачивается меньше энергии, чем для разрыва у-связи. Таким образом, непрочность двойной связи объясняется тем, что одна из двух связей, образующих двойную связь, имеет иное электронное строение, чем обычные -связи, и обладает меньшей прочностью.

Названия олефинов обычно производят от названия соответствующих предельных углеводородов, но окончание -ан заменяется окончанием -илен. По международной номенклатуре вместо окончания -илен олефинам придают более краткое окончание -ен .

Изомерия олефинов зависит от изомерии цепи атомов углерода, т. е. от того, является ли цепь неразветвленной или разветвленной, и о тположения двойной связи в цепи. Существует еще и третья причина изомерии олефинов: различное расположение атомов и атомных групп в пространстве, т. е. стереоизомерия. Изомерия, зависящая от различного расположения в пространстве атомов и атомных групп, получила название пространственной изомерии , или стереоизомерии .

Геометрическая , или цис- и транс-изомерия , - это вид пространственной изомерии, зависящей от различного расположения атомов по отношению к плоскости двойной связи.

Для обозначения места двойной связи (а также ответвлений в цепи) согласно международной номенклатуре ИЮПАК нумеруют атомы углерода самой длинной цепи, начиная с того конца, к которому ближе стоит двойная связь. Таким образом, два изомера бутилена, обладающие неразветвленной цепью, будут называться бутен-1 и бутен-2:

1. Реакция гидрирования . Непредельные углеводороды легко присоединяют водород по двойной связи в присутствии катализаторов 67 (Pt, Pd, Ni). С Pt или Pd катализатором реакция идет при 20…100 °С, с Ni - при более высоких температурах:

2. Реакция галогенирования . Алкены при обычных условиях присоединяют галогены, особенно легко хлор и бром. В результате образуются дигалогенопроизводные алканов, содержащие галогены у соседних атомов углерода, так называемые вицинальные дигалогеналканы: CH

3CH=CH2 + Cl2> CH3CHClCH2Cl

3. Реакция присоединения галогенводородов. Гидрогалогенирование

4. Реакция гидратации алкенов. В обычных условиях алкены не реагируют с водой. Но в присутствии катализаторов при нагревании и давлении они присоединяют воду и образуют спирты:

5. Реакция присоединения серной кислоты. Взаимодействие алкенов с серной кислотой протекает аналогично присоединению галогенводородов. В результате образуются кислые эфиры серной кислоты:

6. Реакция алкилирования алкенов . Возможно каталитическое присоединение к алкенам алканов с третичным атомом углерода (катализаторы - H2SO4, HF, AlCl3 и BF3):

7. Реакция окисления алкенов . Алкены легко окисляются. В зависимости от условий окисления образуются различные продукты.При сжигании на воздухе алкены превращаются в диоксид углерода и воду: CH2=CH2 + 3O2> 2CO2 + 2H2O.

При взаимодействии алкенов с кислородом воздуха в присутствии серебряного катализатора образуются органические окиси:

Аналогично действуют на этилен гидропероксиды ацилов (реак- ция Прилежаева):

Одна из наиболее характерных реакций окисления - взаимодействие алкенов со слабощелочным раствором перманганата калия KMnO4 c образованием двухатомных спиртов - гликолей (реакция Вагнера). Реакция протекает на холоду следующим образом:

Концентрированнные растворы окислителей (перманганат калия в кислой среде, хромовая кислота, азотная кислота) разрывают молекулу алкена по двойной связи с образованием кетонов и кислот:

8. Реакция озонирования алкенов. Она также широко используется для установления структуры алкенов:

9. Реакции замещения. Алкены в определенных условиях способны и к реакциям замещения. Так, при высокотемпературном (500…550 °С) хлорировании алкенов происходит замещение водорода в аллильном положении:

10. Реакция полимеризации алкенов

СН2 = СН2 > (-СН2 - СН2 -)n получается полиэтилен

11. Реакция изомеризации . При высоких температурах или в присутствии катализаторов алкены способны изомеризоваться, при этом происходит либо изменение строения углеродного скелета, либо перемещение двойной связи:

7. Нафталин и его строение. Правило Хюккеля

Углеводороды нафталинового ряда являются основным ароматическим углеводородом каменноугольной смолы. Существует большое число полициклических ароматических соединений, в которых бензольные кольца имеют общие орторасположенные атомы углерода. Наиболее важные из них - нафталин, антрацен и фенантрен. В антрацене кольца соединены линейно, тогда как в фенантрене - под углом в отличие от молекулы бензола не все связи в ядре нафталина имеют одинаковую длину:

Правило Хюккеля : ароматической является плоская моноциклическая сопряженная система, содержащая (4n + 2) p-электронов (где n = 0,1,2...).

Таким образом, ароматическими будут плоские циклические сопряженные системы, содержащие 2, 6,10, 14 и т.д. p-электронов.

8. Алкины и sp-гибридизация атома углерода. Способы получения алкинов

Углеводороды ряда ацетилена имеют общую формулу

Сn H2n -2

Первый простейший углеводород этого ряда - ацетилен С2Н2. В структурной формуле ацетилена, как и у других углеводородов этогоряда, содержится тройная связь:

Н - С? С - Н.

s р -Гибридизация - это смешивание (выравнивание по форме и энергии) одной s - и одной р -орбиталей с образованием двух гибридных s р -орбиталей. s р -Орбитали расположены на одной линии (под углом 180°) и направлены в противоположные стороны от ядра атома углерода.

Две р -орбитали остаются негибридизованными. Они размещены взаимно перпендикулярно направлениям у -связей.

На рисунке s р -орбитали показаны вдоль оси y , а негибридизованные две р -орбитали- вдоль осей х и z .

Тройная углерод-углеродная связь С?С состоит из у-связи, возникающей при перекрывании sp-гибридных орбиталей, и двух р-связей.

Карбид кальция производят в промышленном масштабе нагреванием угля в электрических печах с негашеной известью при температуре около 2500 °С по реакции

CaO + 3C> CaC2 + CO.

Если на карбид кальция подействовать водой, то он бурно разлагается с выделением газа - ацетилена:

Более новый промышленный метод получения ацетилена - пиролиз углеводородов, в частности, метана, который при 1400 °С дает смесь ацетилена с водородом:

2CH4> H-C=C-H + 3H2.

1. Дегидрогалогенирование вицинальных дигалогеналканов

2. Реакция ацетиленидов натрия с первичными алкилгалогенидами:

3. Дегалогенирование вицинальных тетрагалогеналканов:

9. Методы получения и химические свойства спиртов

Спирты - это производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на соответствующее число гидроксильных групп (-ОН).

Общая формула спиртов

где R - алкильная или замещенная алкильная группа.

Характер радикала R, с которым связана гидроксильная группа, определяет предельность или непредельность спиртов, а количество гидроксильных групп определяет его атомность: спирты бывают одноатомные, двухатомные, трехатомные и многоатомные.

Получение: 1. Гидратация алкенов

2. Ферментативный гидролиз углеводов . Ферментативный гидролиз сахаров под действием дрожжей - наиболее древний синтетический химический процесс - до сих пор имеет огромное значение для получения этилового спирта.

При использовании крахмала в качестве исходного материала, кроме этилового спирта, образуется еще (в меньших количествах) сивушное масло, представляющее собой смесь первичных спиртов, главным образом изопентилового, изопропилового и изобутилового.

3. Синтез метилового спирта:

4. Реакция гидроборирования-окисления алкенов :

5. Синтезы спиртов с помощью реактива Гриньяра :

Свойства: Химические свойства спиртов определяются как строением алкильного радикала, так и реакционноспособной гидроксильной группой. Реакции, идущие с участием гидроксильной группы, могут протекать либо с разрывом связи С-ОН (360 кДж/моль), либо с разрывом связи О-Н (429 кДж/моль) А. Разрыв связи С-ОН

1. Реакция с галогенводородами:

ROH + HX >RX + H2O.

Реакционная способность уменьшается в ряду: HI > HBr > HCl

2. Реакция с тригалогенидами фосфора:

3. Дегидратация спиртов в присутствии водоотнимающих агентов:

Б. Разрыв связи О-Н

4. Реакция спиртов с металлами (Na, K, Mg, Al)

5. Образование эфиров :

Реакция этерефикации

6. Реакции окисления При окислении спиртов хромовой смесью или KMnO4 в растворе серной кислоты состав продуктов зависит от характера углеродного атома (первичный, вторичный или третичный), с которым связана гидроксильная группа: первичные спирты образуют альдегиды, вторичные спирты - кетоны.

9. Алкадиены и способы их получения

Диеновыми углеводородами (диенами) называют ненасыщенные углеводороды, имеющие две двойные связи, общей формулы

Две двойные связи в молекуле углеводорода могут быть расположены различным образом.

Если они сосредоточены у одного углеродного атома, их называют кумулированными:

Если две двойные связи разделены одной простой связью, их называют сопряженными:

Если же двойные связи разделены двумя и более простыми связями, то их называют изолированными:-C=C- (CH2)n - C=C-

Диены обычно получают теми же методами, что и простые алкены. Например, наиболее важный диен, бутадиен-1,3 (используемый для получения синтетического каучука), получают в США при дегидрировании бутана:

В СССР применялся промышленный синтез бутадиена-1,3 по методу С.В. Лебедева (1933) из этилового спирта при 400…500 °С над катализатором MgO-ZnO:

Реакция включает следующие стадии: дегидрирование спирта до альдегида, альдольную конденсацию ацетальдегида, восстановление альдоля до бутандиола-1,3 и наконец дегидратацию спирта:

10. Электроотрицательность элементов и типы химических связей

Элемктроотрицамтельность (ч) (относительная электроотрицательность) -- фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика способности атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары, то есть способность атомов оттягивать к себе электроны других атомов.

Самая высокая степень электроотрицательности у галогенов и сильных окислителей (p-элементов VII-группы, O, Kr, Xe), а низкая -- у активных металлов (s-элементов I группы).

Ионная. Электронная конфигурация инертного газа для любого атома может образоваться благодаря переносу электронов: атомы одного из элементов отдают электроны, которые переходят к атомам другого элемента.

В данном случае между этими атомами образуется так называемая ионная (электровалентная, гетерополярная) связь.

Такого типа связь возникает между атомами элементов, обладающих существенно различной электроотрицательностью (например, между типичным металлом и типичным неметаллом).

Ковалентная связь. При взаимодействии атомов, равных (атомы одного и того же элемента) или близких по электроотрицательности, переноса электронов не происходит. Электронная конфигурация инертного газа для таких атомов образуется вследствие обобщения двух, четырех или шести электронов взаимодействующими атомами. Каждая из обобществленных пар электронов образует одну ковалентную (гомеополярную) связь:

Ковалентная связь - наиболее распространенный в органической химии тип связи. Она достаточно прочная.

Ковалентная связь и соответственно молекула могут быть неполярными, когда оба связанных атома обладают одинаковым сродством к электрону (например, Н:Н). Она может быть полярной, когда электронная пара вследствие большего сродства к электрону одного из атомов оттянута в его сторону:

При таком способе обозначения + и - означают, что на атоме со значком - избыточная электронная плотность, а на атоме со значком + электронная плотность несколько понижена по сравнению с изолированными атомами.

Донорно-акцепторная связь. При взаимодействии атомов, имеющих неподеленные электронные пары с протоном или другим атомом, у которого не хватает до образования октета (дублета) двух электронов, неподеленная электронная пара становится общей и образует между этими атомами новую ковалентную связь.

При этом атом, отдающий электроны, называется донором, а атом, принимающий электроны, называется акцептором:

химический ковалентный бензольный нафталин

В возникающем ионе аммония образовавшаяся ковалентная связь отличается от связей, существовавших в молекуле аммиака, только способом образования, по физическим и химическим свойствам все четыре связи N-H абсолютно идентичны.

Семиполярная связь. Эта разновидность донорно-акцепторной связи часто встречается в молекулах органических соединений (например, в нитросоединениях, в сульфоксидах и др.).

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Развитие модельных представлений в квантовой химии. Метод валентных связей. Основные положения данного метода. Гибридизация атомных орбиталей и условия их образования. Правила выбора канонических форм. Гибридизация атома углерода и гибридных орбиталей.

презентация , добавлен 15.10.2013


Характеристика ковалентной связи, понятия насыщаемости, направленности и полярности. Гибридизация атомных орбиталей и ионная связь. Межмолекулярные химические связи (вандерваальсовы силы). Типы кристаллических решеток. Молекулярная структура льда.

презентация , добавлен 11.08.2013


Гибридизация – квантово-химический способ описания перестройки орбиталей атома в молекуле по сравнению со свободным атомом. Изменение формы и энергии орбиталей атома при образовании ковалентной связи и достижения более эффективного перекрывания орбиталей.

презентация , добавлен 22.11.2013


Характеристика ковалентной связи: насыщаемость, направленность, полярность. Гибридизация атомных орбиталей. Ионная, молекулярная, водородная и металлическая химические связи. Вандерваальсовы силы, межмолекулярное взаимодействие; кристаллические решетки.

презентация , добавлен 22.04.2013


Общая характеристика углерода как химического элемента, его основные свойства, особенности строения. Типы химических связей: ковалентная, ионная и водородная. Способы разрыва химической связи. Электронные эффекты. Кислоты и основания, их сравнение.

контрольная работа , добавлен 05.08.2013


Виды спиртов, их применение, физические свойства (кипение и растворимость в воде). Ассоциаты спиртов и их строение. Способы получения спиртов: гидрогенизация окиси углерода, ферментация, брожение, гидратация алкенов, оксимеркурирование-демеркурирование.

реферат , добавлен 04.02.2009


Электронное строение и физико-химические свойства спиртов. Химические свойства спиртов. Область применения. Пространственное и электронное строение, длины связей и валентные углы. Взаимодействие спиртов с щелочными металлами. Дегидратация спиртов.

курсовая работа , добавлен 02.11.2008


Развитие модельных представлений в квантовой химии. Метод валентных связей. Особенности описания гибридизации атомных орбиталей. Концепция резонанса. Правила выбора канонических форм. Условия образования молекулярных орбиталей и заполнение их электронами.

презентация , добавлен 22.10.2013


Химические свойства: реакции электрофильного замещения, присоединения, гидрирование и галогенирования. Алкилирование по Фриделю-Крафтсу. Правила ориентации в бензольном кольце. Влияние заместителей в ядре на и распределение изомеров при нитровании.

реферат , добавлен 21.02.2009


Определение спиртов, общая формула, классификация, номенклатура, изомерия, физические свойства. Способы получения спиртов, их химические свойства и применение. Получение этилового спирта путем каталитической гидратации этилена и брожения глюкозы.

Для молекул органических соединений наиболее характерны ковалентные связи. Как известно, атом углерода имеет четыре валентных электрона. В соответствии с его положением в периодической системе элементов (2 период, I группа, порядковый номер 6) углерод прочно удерживает электроны в своем внешнем слое и в то же время не склонен отнимать электроны у других атомов. Поэтому связь атомов углерода с атомами различных элементов и друг с другом осуществляется путем образования обобщенных пар, т.е. при помощи ковалентных связей. Электронные структурные формулы, например, простейших углеводородов – метана и этана – имеют следующий вид (для сравнения рядом с ними приведены обычные структурные формулы):

Н Н Н Н Н Н

. . ½ . . . . ½ ½

Н: C: Н Н¾C¾Н Н: C: C: Н Н¾C¾C¾Н

. . ½ . . . . ½ ½

Н Н Н Н Н Н

Рис. 1 Электронная и обычная структурные формулы метана и этана.

Атом углерода, как правило, образует четыре ковалентные связи, т.к. только в этом случае у него создается устойчивый восьмиэлектронный внешний слой. Этим объясняется то, что в большинстве случаев валентность углерода равна четырем. В молекуле метана углерод образует ковалентные связи с четырьмя атомами водорода, у каждого из которых создается устойчивый двухэлектронный слой. В молекуле этана одна из электронных пар осуществляет ковалентную связь между двумя углеродными атомами.

Из сопоставления электронных формул метан и этана с обычными структурными формулами следует, что каждая простая связь между атомами осуществляется одной обобщенной электронной парой. Соответственно в веществах с кратными связями двойная связь возникает вследствие образования соединяющимися атомами двух, а тройная – трех обобщенных электронных пар. Электронные структуры и обычные структурные формулы, например, этилена и ацетилена имеют вид.

Многообразие неорганических и органических веществ

Органическая химия - это химия соединений угле­рода . К неорганическим со­единениям углерода относят: оксиды углерода, угольную кислоту, карбонаты и гидро­карбонаты, карбиды. Органи­ческие вещества, кроме угле­рода, содержат водород, кислород, азот, фосфор, серу и др. элементы . Атомы углерода могут образо­вывать длинные неразветвленные и разветвленные цепи, кольца, присоединять другие элементы, по­этому число органических соединений приблизи­лось к 20 млн, тогда как неорганических веществ насчитывается немногим более 100 тысяч.

Основой развития органической химии явля­ется теория строения органических соединений А. М. Бутлерова. Важная роль в описании стро­ения органических соединений принадлежит по­нятию валентности, которая характеризует спо­собность атомов к образованию химических связей и определяет их число. Углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен . Основным постулатом теории А. М. Бутлерова является по­ложение о химическом строении вещества, т. е. химическая связь. Этот порядок отображают при помощи структурных формул. Теория Бутлерова утверждает идею о том, что каждое вещество име­ет определенное химическое строение исвойства веществ зависят от строения .

Теория химического строения органических соединений А. М. Бутлерова

Подобно тому, как для неорганической химии основой развития являются Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, для органической химии осно­вополагающей стала .

Теория химического строения органических соединений А. М. Бутлерова

Основным постулатом теории Бутлерова явля­ется положение о химическом строении вещества, под которым понимается порядок, последователь­ность взаимного соединения атомов в молекулы, т. е. химическая связь .

Химическое строение - порядок соединения атомов химических элементов в мо­лекуле согласно их валент­ности.

Этот порядок может быть отображен при помощи структурных формул, в кото­рых валентности атомов обозначаются черточка­ми: одна черточка соответствует единице валент­ности атома химического элемента . Например, для органического вещества метана, имеющего моле­кулярную формулу СН 4 , структурная формула вы­глядит так:

Основные положения теории А. М. Бутлерова:

· Атомы в молекулах органических веществ связаны друг с другом согласно их валентности . Углерод в органических со­единениях всегда четырехва­лентен, а его атомы способны соединяться друг с другом, образуя различные цепи.

· Свойства веществ опре­деляются не только их каче­ственным и количественным составом, но и порядком со­единения атомов в молекуле, т. е. химическим строением вещества .

· Свойства органических соединений зависят не только от состава вещества и поряд­ка соединения атомов в его молекуле, но и от взаимного влияния атомов и групп ато­мов друг на друга.

Теория строения органи­ческих соединений является динамичным и развиваю­щимся учением. По мере развития знаний о при­роде химической связи, о влиянии электронного строения молекул органических веществ стали пользоваться, кроме эмпирических и структур­ных, электронными формулами. В таких форму­лах показывают направление смещения электрон­ных пар в молекуле .

Квантовая химия и химия строения органи­ческих соединений подтвердили учение о про­странственном направлении химических связей (цис- и транс изомерия), изучили энергетические характеристики взаимных переходов у изомеров, позволили судить о взаимном влиянии атомов в мо­лекулах различных веществ, создали предпосылки для прогнозирования видов изомерии и направле­ний и механизмов протекания химических реак­ций.

Органические вещества имеют ряд особенно­стей.

· В состав всех органических веществ входят углерод и водород, поэтому при горении они обра­зуют углекислый газ и воду .

· Органические вещества построены сложно и могут иметь огромную молекулярную массу (бел­ки, жиры, углеводы).

· Органические вещества можно расположить в ряды сходных по составу, строению и свойствам гомологов .

· Для органических веществ характерной яв­ляется изомерия .

Изомерия и гомология органических веществ

Свойства органических веществ зависят не толь­ко от их состава, но и от порядка соединения ато­мов в молекуле .

Изомерия - это явление существования разных веществ - изомеров с одинаковым качественным и количественным составом, т. е. с одинаковой молекуляр­ной формулой.

Различают два вида изо­мерии: структурную и про­странственную (стереоизо­мерию). Структурные изомеры отличаются друг от друга по­рядком связи атомов в молекуле; стереоизомеры - расположением атомов в пространстве при одинако­вом порядке связей между ними.

Основные виды изомерии:

· Структурная изомерия - вещества разли­чаются порядком связи атомов в молекулах:

1) изомерия углеродного скелета;

2) изомерия положения:

• кратных связей;
• заместителей;
• функциональных групп;

3) изомерия гомологических рядов (межклассо­вая).

· Пространственная изомерия - молекулы ве­ществ отличаются не порядком связи атомов, а по­ложением их в пространстве: цис-, транс-изомерия (геометрическая).

Классификация органических веществ

Известно, что свойства органических веществ определяются их составом и химическим строени­ем. Поэтому неудивительно, что в основе класси­фикации органических соединений лежит именно теория строения - теория А. М. Бутлерова. Классифицируют органические вещества по наличию и по­рядку соединения атомов в их молекулах. Наиболее прочной и малоизменяемой частью молекулы органиче­ского вещества является ее скелет - цепь атомов угле­рода . В зависимости от по­рядка соединения атомов углерода в этой цепи ве­щества делятся на ациклические , не содержащие замкнутых цепей атомов углерода в молекулах, и карбоциклические , содержащие такие цепи (ци­клы) в молекулах.

Помимо атомов углерода и водорода молеку­лы органических веществ могут содержать атомы и других химических элементов. Вещества, в мо­лекулах которых эти так называемые гетероатомы включены в замкнутую цепь, относят к гетероци­клическим соединениям.

Гетероатомы (кислород, азот и др.) могут вхо­дить в состав молекул и ациклических соединений, образуя в них функциональные группы, например,

гидроксильную

карбонильную

,

кар­боксильную

,

аминогруппу

.

Функциональная группа - группа атомов, которая определяет наиболее характерные хими­ческие свойства вещества и его принадлежность к определенному классу соединений.

Номенклатура органических соединений

В начале развития орга­нической химии открывае­мым соединениям присваи­вались тривиальные назва­ния , часто связанные с исто­рией их получения: уксусная кислота (являющаяся осно­вой винного уксуса), масля­ная кислота (образующаяся в сливочном масле), гликоль (т. е. «сладкий») и т. д. По мере увеличения числа новых открытых веществ возникла необходимость связывать названия с их строением. Так появи­лись рациональные названия: метиламин, диэти­ламин, этиловый спирт, метилэтилкетон, в основе которых лежит название простейшего соединения. Для более сложных соединений рациональная но­менклатура непригодна.

Теория строения А. М. Бутлерова дала основу для классификации и номенклатуры органических соединений по структурным элементам и по распо­ложению атомов углерода в молекуле. В настоящее время наиболее употребляемой является номен­клатура, разработанная Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) , кото­рая называется номенклатурой ИЮПАК . Правила ИЮПАК рекомендуют для образования названий несколько принципов, один из них - принцип замещения. На основе этого разработана замести­тельная номенклатура, которая является наиболее универсальной. Приведем несколько основных правил заместительной номенклатуры и рассмо­трим их применение на примере гетерофункцио­нального соединения, содержащего две функцио­нальные группы, - аминокислоты лейцина:

1. В основе названия соединений лежит родо­начальная структура (главная цепь ациклической молекулы, карбоциклическая или гетероцикличес­кая система). Название родоначальной структуры составляет основу названия, корень слова.

В данном случае родоначальной структурой яв­ляется цепь из пяти атомов углерода, связанных одинарными связями. Таким образом, коренная часть названия - пентан.

2. Характеристические группы и заместители (структурные элементы) обозначаются префикса­ми и суффиксами. Характеристические группы подразделяются по старшинству. Порядок стар­шинства основных групп:

Выявляют старшую характеристическую груп­пу, которую обозначают в суффиксе. Все остальные заместители называют в префиксе в алфавитном по­рядке.

В данном случае старшей характеристической группой является карбоксильная, т. е. это соеди­нение относится к классу карбоновых кислот, по­этому к коренной части названия добавляем -овая кислота. Второй по старшинству группой являет­ся аминогруппа, которая обозначается префиксом амино-. Кроме этого, молекула содержит углево­дородный заместитель метил-. Таким образом, ос­новой названия является аминометилпентановая кислота.

3. В название включают обозначение двойной и тройной связи, которое идет сразу после корня.

Рассматриваемое соединение не содержит крат­ных связей.

4. Атомы родоначальной структуры нумеруют. Нумерацию начинают с того конца углеродной це­пи, к которому ближе расположена старшая ха­рактеристическая группа:

Нумерацию цепи начинают с атома углерода, входящего в состав карбоксильной группы, ему присваивается номер 1. В этом случае аминогруп­па окажется при углероде 2, а метил - при угле­роде 4.

Таким образом, природная аминокислота лей­цин по правилам номенклатуры ИЮПАК называ­ется 2-амино-4-метилпентановая кислота.

Углеводороды. Классификация углеводородов

Углеводороды - это соединения, состоящие только из атомов водорода и углерода.

В зависимости от строения углеродной цепи ор­ганические соединения разделяют на соединения с открытой цепью - ациклические (алифатичес­кие) и циклические - с замкнутой цепью атомов.

Циклические делятся на две группы: карбоциклические соединения (циклы образованы только атома­ми углерода) и гетероциклические (в циклы входят и другие атомы, такие как кислород, азот, сера).

Карбоциклические соединения, в свою очередь, включают два ряда соединений: алицикличвские и ароматические .

Ароматические соединения в основе строения молекул имеют плоские углеродсодержащие ци­клы с особой замкнутой системой р-электронов , об­разующих общую π-систему (единое π-электронноеоблако). Ароматичность характерна и для многих гетероциклических соединений.

Все остальные карбоциклические соединения относятся к алициклическому ряду.

Как ациклические (алифатические), так и ци­клические углеводороды могут содержать кратные (двойные или тройные) связи. Такие углеводороды называют непредельными (ненасыщенными) в от­личие от предельных (насыщенных), содержащих только одинарные связи.

Предельные алифатические углеводороды на­зывают алканами , они имеют общую формулу С n Н 2n+2 , где n - число атомов углерода. Старое их название часто употребляется и в настоящее вре­мя - парафины:

Непредельные алифатические углеводороды, содержащие одну двойную связь, получили назва­ние алкены . Они имеют общую формулу C n H 2n:

Непредельные алифатические углеводороды с двумя двойными связями называют алкадиена­ми . Их общая формула C n H 2n-2:

Непредельные алифатические углеводороды с одной тройной связью называют алкинами . Их общая формула C n H 2n — 2:

Предельные алициклические углеводороды - циклоалканы , их общая формула С n Н 2n:

Особая группа углеводородов, ароматических, или аренов (с замкнутой общей л-электронной си­стемой), известна из примера углеводородов с об­щей формулой С n Н 2n — 6:

Таким образом, если в их молекулах один или большее число атомов водорода заменить на дру­гие атомы или группы атомов (галогены, гидрок­сильные группы, аминогруппы и др.), образуются производные углеводородов: галогенопроизводные, кислородсодержащие, азотсодержащие и другие ор­ганические соединения.

Гомологический ряд углеводородов

Углеводороды и их производные с одной и той же функциональной группой образуют гомологи­ческие ряды.

Гомологическим рядом называют ряд соедине­ний, принадлежащих к одному классу (гомологов), рас­положенных в порядке воз­растания их относительных молекулярных масс, сход­ных по строению и химиче­ским свойствам, где каждый член отличается от предыду­щего на гомологическую разность CH 2 . Например: CH 4 - метан, C 2 H 6 - этан, C 3 H 8 - пропан, C 4 H 10 - бутан и т. д. Сходство хи­мических свойств гомологов значительно упрощает изуче­ние органических соединений.

Изомеры углеводородов

Те атомы или группы атомов, которые опреде­ляют самые характерные свойства данного класса веществ, называются функциональными груп­пами .

Галогенопроизводные углеводородов можно рас­сматривать как продукты за­мещения в углеводородах од­ного или нескольких атомов водорода атомами галогенов. В соответствии с этим могут существовать предель­ные и непредельные моно-, ди-, три- (в общем случае поли-) галогенопроизводные .

Общая формула моногалогенопроизводных пре­дельных углеводородов:

а состав выражается формулой

где R - остаток от предельного углеводорода (алка­на), углеводородный радикал (это обозначение исполь­зуется и далее при рассмотрении других классов ор­ганических веществ), Г - атом галогена (F, Cl, Br, I).

Например:

Приведем один пример дигалогенопроизводного:

К кислородсодержащим органическим веще­ствам относят спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры. Спирты - производные углеводородов, в кото­рых один или несколько атомов водорода замеще­ны на гидроксильные группы.

Спирты называют одноатомными, если они имеют одну гидроксильную группу, и предельны­ми, если они являются производными алканов.

Общая формула предельных одноатомных спир­тов :

а их состав выражается общей формулой:

Например:

Известны примеры многоатомных спиртов , т. е. имеющих несколько гидроксильных групп:

Фенолы - производные ароматических углево­дородов (ряда бензола), в которых один или не­сколько атомов водорода в бензольном кольце за­мещены на гидроксильные группы.

Простейший представитель с формулой C 6 H 5 OH или

называется фенолом.

Альдегиды и кетоны - производные углеводо­родов, содержащие карбонильную группу атомов

(карбонил).

В молекулах альдегидов одна связь карбонила идет на соединение с атомом водорода, другая - с углево­дородным радикалом. Общая формула альдегидов:

Например:

В случае кетонов карбонильная группа связана с двумя (в общем случае разными) радикалами, об­щая формула кетонов:

Например:

Состав предельных альдегидов и кетонов выра­жается формулой С 2n Н 2n О.

Карбоновые кислоты - производные углеводо­родов, содержащие карбоксильные группы

(или -СООН).

Если в молекуле кислоты одна карбоксильная группа, то карбоновая кислота является одноосновной. Общая формула предельных однооснов­ных кислот:

Их состав выражается формулой С n Н 2n О 2 .

Например:

Простые эфиры представляют собой органиче­ские вещества, содержащие два углеводородных радикала, соединенных атомом кислорода: R-O-R или R 1 -O-R 2 .

Радикалы могут быть одинаковыми или разны­ми. Состав простых эфиров выражается формулой C n H 2n+2 O.

Например:

Сложные эфиры - соединения, образованные замещением атома водорода карбоксильной груп­пы в карбоновых кислотах на углеводородный ра­дикал.

Общая формула сложных эфиров:

Например:

Нитросоединения - производные углеводоро­дов, в которых один или несколько атомов водо­рода замещены на нитрогруппу -NO 2 .

Общая формула предельных мононитросоедине­ний:

а состав выражается общей формулой C n H 2n+1 NO 2 .

Например:

Нитропроизводные аренов:

Амины - соединения, которые рассматривают как производные аммиака (NH 3), в котором атомы водорода замещены на углеводородные радикалы. В зависимости от природы радикала амины мо­гут быть алифатическими, например:

и ароматическими, например:

В зависимости от числа замещенных на радика­лы атомов водорода различают:

первичные амины с общей формулой:

вторичные - с общей формулой:

третичные - с общей формулой:

В частном случае у вторичных, а также третич­ных аминов радикалы могут быть и одинаковыми.

Первичные амины можно также рассматривать как производные углеводородов (алканов), в кото­рых один атом водорода замещен на аминогруп­пу -NH 2 . Состав предельных первичных аминов выражается формулой C n H 2n + 3 N.

Например:

Аминокислоты содержат две функциональные группы, соединенные с углеводородным радика­лом: аминогруппу -NH 2 и карбоксил -COOH.

Общая формула α-аминокислот (они наиболее важны для построения белков, из которых состоят живые организмы):

Состав предельных аминокислот, содержащих одну аминогруппу и один карбоксил, выражается формулой C n H 2n+1 NO 2.

Например:

Известны и другие важные органические соеди­нения, которые имеют несколько разных или одинаковых функциональных групп, длинные линей­ные цепи, связанные с бензольными кольцами. В таких случаях строгое определение принадлеж­ности вещества к какому-то определенному классу невозможно. Эти соединения часто выделяют в специфические группы ве­ществ: углеводы, белки, ну­клеиновые кислоты, антибио­тики, алкалоиды и др.

В настоящее время из­вестно также много соедине­ний, которые можно отнести и к органическим, и к неорганическим. х назы­вают элементоорганическими соединениями. Некоторые из них можно рассматривать как производные углеводородов.

Например:

Существуют соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, выражающую состав ве­ществ.

Явление изомерии состо­ит в том, что могут существо­вать несколько разных по свойствам веществ, имеющих одинаковый состав молекул, но разное строение. Эти ве­щества называют изомерами.

В нашем случае это меж­классовые изомеры: цикло­алканы и алканы, алкадиены и алкины, предельные одно­атомные спирты и простые эфиры, альдегиды и кетоны, предельные одноос­новные карбоновые кислоты и сложные эфиры.

Структурная изомерия

Выделяют следующие разновидности струк­турной изомерии : изомерию углеродного скелета, изомерию положения, изомерию различных клас­сов органических соединений (межклассовую изо­мерию).

Изомерия углеродного скелета обусловлена раз­личным порядком связи между атомами углерода , образующими скелет молекулы. Как уже было показано, молекулярной формуле С 4 Н 10 соответ­ствуют два углеводорода: н-бутан и изобутан. Для углеводорода С 5 Н 12 возможны три изомера: пентан, изопентан и неопентан.

C увеличением числа атомов углерода в молеку­ле число изомеров быстро растет. Для углеводоро­да С 10 Н 22 их уже 75, а для углеводорода С 20 Н 44 - 366 319.

Изомерия положения обусловлена различным положением кратной связи, заместителя, функциональной группы при одинаковом углеродном скелете молекулы:

Изомерия различных классов органических соединений (межклассовая изомерия) обусловле­на различным положением и сочетанием атомов в молекулах веществ, имеющих одинаковую мо­лекулярную формулу, но принадлежащих к раз­ным классам. Так, молекулярной формуле С 6 Н 12 соответствует ненасыщенный углеводород гексен-1 и циклический углеводород циклогексан.

Изомерами являются углеводород, относящий­ся к алкинам, - бутин-1 и углеводород с двумя двойными связями в цепи бутадиен-1,3:

Диэтиловый эфир и бутиловый спирт имеют одинаковую молекулярную формулу С 4 Н 10 O:

Структурными изомерами являются аминоук­сусная кислота и нитроэтан, отвечающие молекулярной формуле С 2 Н 5 NO 2:

Изомеры этого типа содержат различные функ­циональные группы и относятся к разным классам веществ. Поэтому они отличаются по физическим и химическим свойствам значительно больше, чем изомеры углеродного скелета или изомеры поло­жения.

Пространственная изомерия

Пространственная изомерия подразделяется на два вида: геометрическую и оптическую.

Геометрическая изомерия характерна для со­единений, содержащих двойные связи, и цикли­ческих соединений . Так как свободное вращение атомов вокруг двойной связи или в цикле невоз­можно, заместители могут располагаться либо по одну сторону плоскости двойной связи или цикла (цис-положение), либо по разные стороны (транс­положение). Обозначения цис- и транс- обычно от­носят к паре одинаковых заместителей.

Геометрические изомеры различаются по физи­ческим и химическим свойствам .

Оптическая изомерия возникает, если молеку­ла несовместима со своим изображением в зеркале . Это возможно, когда у атома углерода в молекуле четыре различных заместителя. Этот атом называ­ют асимметрическим. Примером такой молекулы является молекула α-аминопропионовой кислоты (α-аланина) CH 3 CH(NH 2)OH.

Молекула α-аланина ни при каком перемеще­нии не может совпасть со своим зеркальным отра­жением. Такие пространственные изомеры называ­ются зеркальными, оптическими антиподами, или энантиомерами. Все физические и практически все химические свойства таких изомеров идентичны.

Изучение оптической изомерии необходимо при рассмотрении многих реакций, протекающих в организме. Большинство этих реакций идет под действием ферментов - биологических катали­заторов. Молекулы данных веществ должны под­ходить к молекулам соединений, на которые они действуют, как ключ к замку, следовательно, пространственное строение, взаимное расположе­ние участков молекул и другие пространственные факторы имеют для течения этих реакций боль­шое значение. Такие реакции называются стерео­селективными.

Большинство природных соединений являются индивидуальными энантиомерами, и их биологиче­ское действие (начиная от вкуса и запаха и закан­чивая лекарственным действием) резко отличается от свойств их оптических антиподов, полученных в лаборатории. Подобное различие в биологичес­кой активности имеет огромное значение, так как лежит в основе важнейшего свойства всех живых организмов - обмена веществ.

Изомерия

Электронное строение атома углерода

Углерод, входящий в состав органических соединений проявляет постоянную валентность. На последнем энергетическом уровне атома углерода содержится 4 электрона , два из которых занимают 2s-орбиталь, имеющую сферическую форму, а два электрона занимают 2р-орбитали, имеющие гантелеподобную форму. При возбуждении один электрон из 2s-орбитали может переходить на одну из вакантных 2р-орбиталей. Этот переход требует некоторых энергетических затрат (403 кДж/моль). В результате возбужденный атом углерода имеет 4 неспаренных электрона и его электронная конфигурация выражается формулой 2s 1 2p 3 .. Так, в случае углеводорода метана (СН 4) атом углерода образует 4 связи с s-электронами атомов водорода. При этом должны были бы образовываться 1 связь типа s-s (между s-электроном атома углерода и s-электроном атома водорода) и 3 p-s-связи (между 3 р-электронами атома углерода и 3 s-электронами 3-х атомов водорода). Отсюда вытекает вывод о неравноценности четырех ковалентных связей, образуемых атомом углерода. Однако, практический опыт химии свидетельствует о том, что все 4 связи в молекуле метана абсолютно равноценны, а молекула метана имеет тетраэдрическое строение с валентными углами 109,5 0 , чего не могло бы быть при неравноценности связей. Ведь только орбитали р-электронов ориентированы в пространстве по взаимно перпендикулярным осям x, y, z, а орбиталь s-электрона имеет сферическую форму, поэтому направление образования связи с этим электроном было бы произвольным. Объяснить это противоречие смогла теория гибридизации. Л.Поллинг высказал предположение, что в любых молекулах не существует изолированных друг от друга связей. При образовании связей орбитали всех валентных электронов перекрываются. Известно несколько типов гибридизации электронных орбиталей . Предполагается, что в молекуле метана и других алканов в гибридизацию вступает 4 электрона.

Гибридизация орбиталей атома углерода

Гибридизация орбиталей — это изменение формы и энергии некоторых электронов при образовании ковалентной связи, приводящее к более эффективному перекрыванию орбиталей и повышению прочности связей. Гибридизация орбиталей происходит всегда, когда в образовании связей участвуют электроны, принадлежащие к различным типам орбиталей.

1. sp 3 -гибридизация (первое валентное состояние углерода). При sp 3 -гибридизации 3 р-орбитали и одна s-орбиталь возбужденного атома углерода взаимодействуют таким образом, что получаются орбитали абсолютно одинаковые по энергии и симметрично расположенные в пространстве. Это преобразование можно записать так:

При гибридизации общее число орбиталей не изменяется, а изменяется только их энергия и форма. Показано, что sр 3 -гибридизация орбитали напоминают объемную восьмерку, одна из лопастей которой значительно больше другой. Четыре гибридных орбитали вытянуты от центра к вершинам правильного тетраэдра под углами 109,5 0 . Связи образованные гибридными электронами (например связь s-sp 3) более прочные, чем связи, осуществляемые негибридизованными р-электронами (например, связь-s-p). Поскольку гибридная sp 3 -орбиталь обеспечивает большую площадь перекрывания электронных орбиталей, чем негибридизованная р-орбиталь. Молекулы, в которых осуществляется sp 3 — гибридизация имеют тетраэдрическое строение. К ним, кроме метана, относятся гомологи метана, неорганические молекулы типа аммиака. На рисунках показана гибридизованная орбиталь и тетраэдрическая молекула метана.

Химические связи, возникающие в метане между атомами углерода и водорода относятся к типу σ-связей (sp 3 -s-связь). Вообще говоря любая сигма-связь характеризуется тем, что электронная плотность двух связанных между собой атомов, перекрывается по линии, соединяющей центры (ядра) атомов. σ-Связи отвечают максимально возможной степени перекрывания атомных орбиталей, поэтому они достаточно прочны.

2. sp 2 -гибридизация (второе валентное состояние углерода). Возникает в результате перекрывания одной 2s и двух 2р орбиталей. Образовавшиеся sp 2 -гибридные орбитали располагаются в одной плоскости под углом 120 0 друг к другу, а негибридизованная р-орбиталь перпендикулярно к ней. Общее число орбиталей не меняется — их четыре.

Состояние sp 2 -гибридизации встречается в молекулах алкенов, в карбонильной и карбоксильной группах, т.е. у соединений, имеющих в своем составе двойную связь. Так, в молекуле этилена гибридизованные электроны атома углерода образуют 3 σ-связи (две связи типа sp 2 -s между атомом углерода и атомами водорода и одна связь типа sp 2 -sp 2 между атомами углерода). Оставшийся негибридизованным р-электрон одного атома углерода образует π-связь с негибридизованным р-электроном второго атома углерода. Характерной особенностью π-связи является то, что перекрывание орбиталей электронов идет вне линии, соединяющей два атома. Перекрывание орбиталей идет выше и ниже σ-связи, соединющей оба атома углерода. Таким образом двойная связь является комбинацией σ- и π-связей. На первых двух рисунках показано, что в молекуле этилена валентные углы между атомами, образующими молекулу этилена, составляют 120 0 (соответственно ориентации с пространстве трех sp 2 -гибридных орбиталей). На рисунках показано образование π-связи.

Поскольку площадь перекрывания негибридизованных р-орбиталей в π-связях меньше, чем площадь перекрывания орбиталей в σ-связях, то π-связь менее прочна, чем σ-связь и легче разрывается в химических реакциях.

3. sp-гибридизация (третье валентное состояние углерода). В состоянии sр-гибридизации атом углерода имеет две sр-гибридные орбитали, расположенные линейно под углом 180 0 друг к другу и две негибридизованные р-орбитали расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. sр-гибридизация характерна для алкинов и нитрилов, т.е. для соединений, имеющих в своем составе тройную связь.

Так, в молекуле ацетилена валентные углы между атомами составляют 180 o . Гибридизованные электроны атома углерода образуют 2 σ-связи (одна связь sp-s между атомом углерода и атомом водорода и другая связь типа sp-sp между атомами углерода. Два негибридизованных р-электрона одного атома углерода образуют две π-связи с негибридизованными р электронами второго атома углерода. Перекрывание орбиталей р-электронов идет не только выше и ниже σ-связи, но и спереди и сзади, а суммарное облако р-электронов имеет цилиндрическую форму. Таким образом тройная связь является комбинацией одной σ-связи и двух π-связей. Наличие в молекуле ацетилена менее прочных двух π-связей, обеспечивает способность этого вещества вступать в реакции присоединения с разрывом тройной связи.

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева

Таблица растворимости

1. Электронное строение атома углерода;

2. Гибридизация атомных орбиталей;

3. Природа химической связи;

4. Типы химической связи.

При образовании химической связи выделяется энергия, поэтому появление двух новых валентных возможностей приводит к выделению дополнительной энергии (1053,4 кДж/моль), которая превосходит энергию, затраченную на распаривание 2s электронов (401 кДж/моль).

Различные по форме орбитали (s, p) при образовании связи смешиваются, давая новые равноценные гибридизованные орбитали (теория гибридизации, Л.Полинг, Д.Слэтер, 1928-1931 гг.). Понятие гибридизации относится только к молекулам, но не к атомам, и в гибридизацию вступают только орбитали, а не электроны на них.

В отличие от негибридизованных s- и p- орбиталей гибридная орбиталь полярна (электронная плотность смещена) и способна образовывать более прочные связи.

Валентные состояния атома углерода

Вал. сост.	Взаимодействующие орбитали	Простр. стр-ра	Тип связи	Вал. угол
		тетраэдрич.
		линейная

С изменением типа гибридизации углеродного атома меняются и его свойства. При переходе от sp 3 к sp- возрастает доля s- орбитали в составе гибридизованного облака, что влечет за собой изменение его формы. Границы электронного облака приближаются к ядру в случае sp 2 и sp- орбиталей, по сравнению с sp 3 - облаком. Это отражается на увеличении электроотрицательности атома углерода в ряду: sp 3 < sp 2 < sp. В связи с этим, уменьшается ковалентный радиус, увеличивается полярность связи.

Виды химической связи

Ионная связь

Возникает в случае полной отдачи электронов одними атомами и приобретением их другими. При этом атомы превращаются в ионы.

Ковалентная связь

Образуется путем обобществления электронов. Связывание атомов в молекуле осуществляется электронной парой, принадлежащей одновременно двум атомам. Обобществление электронов возможно двумя способами:

1) коллигация (обменный механизм);

2) координация (донорно-акцепторный механизм).

Существует два типа ковалентной связи: σ (сигма)- и π (пи)- связи.

σ-связью называется одинарная ковалентная связь, образованная при перекрывании атомных орбиталей по прямой (оси), соединяющей ядра двух связанных атомов с максимумом перекрывания на этой прямой.

π-связью называется связь, образованная при боковом перекрывании негибридизованных p z -атомных орбиталей с максимумом перекрывания по обе стороны от прямой, соединяющих ядра атомов.

Количественные характеристики ковалентной связи

1. Энергия связи – это энергия, выделяющаяся при образовании связи или необходимая для её разрыва.

2. Длина связи – это расстояние между центрами связанных атомов.

3. Полярность связи – неравномерность распределения электронной плотности.

4. Поляризуемость связи – смещение электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы.

Межмолекулярные взаимодействия

Задание №1

Пояснение:

1) Дегидрогалогенирование хлорбутана при действии спиртового раствора щелочи:

2) Окисление двойной связи бутена-1 подкисленным раствором перманганата калия (разрыв двойной связи):

3) Реакция этерификации – образование сложного эфира из спирта и карбоновой кислоты:

4) Щелочной гидролиз изопропилпропионата с образованием пропионата натрия и изопропилового спирта:

5) Сплавление соли пропионовой кислоты с щелочью с образованием этана и карбоната натрия:

Задание №2

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Пояснение:

1) Из ацетата натрия метан получают по реакции декарбоксилирования, которая протекает при его сплавлении со щелочью, например, гидроксидом натрия:

2) При взаимодействии метана с хлором в мольном соотношении один к одному образуются преимущественно монохлорметан (Х 1) и хлороводород:

3) При обработке монохлорметана водным раствором щелочи протекает нуклеофильное замещение атома хлора на гидроксильную группу с образованием метилового спирта (Х 2):

4) Получить метаналь (формальдегид) из метилового спирта можно, действуя слабым окислителем – оксидом меди (II) при нагревании:

5) Перманганат калия, подкисленный серной кислотой, окисляет метаналь до углекислого газа и воды. При этом, так как среда раствора кислая, перманганат-ион восстанавливается до двухвалентного марганца:

Задание №3

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

При написании уравнений реакций используйте структурные формулы органических веществ.

Пояснение:

1) При действии на пропанол-1 бромоводорода происходит реакция замещения гидроксильной группы в спирте на атом брома с образованием 1-бромпропана (Х 1)

2) Получить пропен из 1-бромпропана можно по реакции дегидробромирования со спиртовым раствором щелочи, например, гидроксидом натрия:

3) В кислой среде пропен может вступить в реакцию с водой в соответствии с правилом Марковникова – водород идет к наиболее гидрогенизированному атому, а гидроксильная группа к наименее гидрогенизированному. При этом образуется изопропиловый спирт:

4) Изопропиловый спирт (Х 2) при окислении перманганатом калия в водном растворе превращается в ацетон, при этом, так как среда раствора нейтральная, перманганат-ион восстанавливается со степени окисления +7 до степени окисления +4 – образуется диоксид марганца:

5) Ацетон можно превратить в изопропанол (X 2) по реакции гидрирования при нагревании, с использованием катализатора гидрирования, например, никеля:

Задание №4

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

При написании уравнений реакций используйте структурные формулы органических веществ.

1) При прокаливании соли карбоновой кислоты с избытком щелочи образуется углеводород, в данном конкретном случае – бензол (Х 1):

2) Бензол вступает с реакцию алкилирования с пропеном в присутствии кислотных катализаторов, при этом образуется кумол (Х 2):

3) Кумол вступает в реакцию с хлором на свету по цепному радикальному механизму. При недостатке хлора в основном происходит замещение атома водорода при третичном атоме углерода:

4) При действии на хлорпроизводное спиртовым раствором щелочи происходит отщепление хлороводорода:

5) В последней реакции, на первый взгляд, можно подумать, протекает превращение углеводорода с двойной связью в соответствующий диол, но, чтобы образовался гликоль, нужно охлаждение (0-10 о С), а не нагрев. При нагревании будет происходить глубокое окисление до бензоата калия и карбоната калия.

Проблема в том, что по всей видимости, в этом задании банка ФИПИ, которое кстати попалось некоторым на досрочном экзамене ЕГЭ в апреле 2016-го, опечатка, и имелось ввиду 0 о С, а не нагрев.

Задание №5

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

При написании уравнений реакций используйте структурные формулы органических веществ.

1) При действии на бромэтан водного раствора щелочи протекает нуклеофильное замещение атома брома на гидроксид-ион, при этом образуется этиловый спирт (Х 1):

2) Этиловый спирт (Х 1) можно превратить в уксусную кислоту, окислив его водным раствором перманганата калия в кислой среде при нагревании:

3) Уксусная кислота вступает в реакцию нейтрализации с щелочами, например, с гидроксидом натрия, при этом образуется ацетат натрия (Х 2):

4) После выпаривания водного раствора ацетата натрия (Х 2) и сплавления полученного твердого ацетата натрия с твердым гидроксидом натрия происходит реакция декарбоксилирования с образованием метана (X 3) и карбоната натрия:

5) Пиролиз метана при 1500 о C приводит к образованию ацетилена (X 4) и водорода:

Задание №6

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

При написании уравнений реакций используйте структурные формулы органических веществ.

1) Пропилацетат, являясь сложным эфиром, подвергается щелочному гидролизу с образованием ацетата калия (X 1) и пропанола:

2) Из ацетата калия по реакции декарбоксилирования, которая протекает при его сплавлении с щелочью, получают метан:

3) При температуре 1200 o C и быстром охлаждении (для предотвращения разложения ацетилена до простых веществ) метан разлагается на ацетилен (X 2) и водород:

4) Димеризация ацетилена происходит в присутствии катализаторов – солянокислого раствора хлоридов меди (I) и аммония – с образованием винилацетилена:

5) При пропускании винилацетилена через бромную воду наблюдается обесцвечивание бромной воды за счет присоединения брома к кратным связям с образованием насыщенного бромпроизводного бутана – 1,1,2,2,3,4-гексабромбутана (X 3):

Задание №7

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

При написании уравнений реакций используйте структурные формулы органических веществ.

1) В промышленности формальдегид получают окислением метана на катализаторе фосфате алюминия при температуре 450 o C и давлении 1-2 МПа:

2) При гидрировании на катализаторах (Pt, Pd, Ni) карбонильная группа формальдегида восстанавливается до гидроксильной, т.е. альдегид превращается в спирт – метанол (X 1):

3) Металлический натрий взаимодействует с метанолом с образованием метилата натрия (X 2) и выделением водорода:

4) Реагируя с соляной кислотой, метилат натрия обратно превращается в метанол (X 1):

5) Перманганат калия в кислой среде при нагревании окисляет метиловый спирт до углекислого газа (X 3) (Mn +7 → Mn +2 ; C -2 → C +4):

Задание №8

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) В присутствии оксида алюминия при температуре 400 o C происходит дегидратация спирта с образованием этилена (X 1) и воды:

2) Перманганат калия в нейтральной среде окисляет этилен до этиленгликоля (X 2) (Mn +7 → Mn +4 ; 2C -2 → 2C -1):

3) При действии избытка бромоводорода на этиленгликоль происходит замещение гидроксильных групп на анионы брома, в результате чего образуется 1,2-дибромэтан (X 3):

4) Этин (или ацетилен) можно получить действием на 1,2-дибромэтан спиртовым раствором щелочи:

5) По реакции М.Г. Кучерова в присутствии солей ртути в кислой среде (в водном или спиртовом растворе) ацетилен превращается в этаналь:

Задание №9

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) Получить ацетон (пропанон) можно по реакции М.Г. Кучерова, действуя на пропин (X 1) водой в присутствии солей ртути в кислой среде (в водном или спиртовом растворе):

2) При гидрировании на катализаторах (Pt, Pd, Ni) карбонильная группа кетона восстанавливается до гидроксильной, т.е. кетон превращается во вторичный спирт – изопропанол (X 2):

3) При действии бромоводорода на изопропанол происходит нуклеофильное замещение гидроксильной группы на анион брома, в результате чего образуется 2-бромпропан:

4) При действии спиртового раствора щелочи 2-бромпропан превращается в ненасыщенный углеводород – пропилен (X 3):

5) Дегидрированием пропилена на катализаторе (Pt, Pd, Ni) можно получить пропин (X 1):

Задание №10

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) Получить бромметан можно действием брома на метан (X 1) на свету. Реакция замещения протекает по свободнорадикальному механизму:

2) При взаимодействии бромметана с аммиаком вначале образуется соль амина, которая при избытке аммиака превращается в свободный амин. В случае метиламина образуются метиламин (X 2) и бромид аммония:

3) Азотистая кислота неустойчива, поэтому ее получают в ходе реакции, действуя на подкисленный раствор амина нитритом натрия. В случае первичного амина – метиламина - наблюдается выделение азота, а в растворе образуется метанол (X 3):

4) Действием на метиловый спирт оксидом меди (II) при нагревании получим формальдегид, при этом Cu +2 восстановится до Cu 0:

5) При окислении формальдегида перманганатом калия в кислой среде выделяется углекислый газ (X 4) (Mn +7 → Mn +2 ; C 0 → C +4):

Задание №11

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) Алканы с основной цепью 6 и более атомов углерода способны вступать в реакцию дегидроциклизации, при этом образующийся шестичленный цикл далее дегидрируется и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода. В данном случае образующийся циклогексан дегидрируется в бензол (X 1):

2) Алкилирование ароматических углеводородов алкилгалогенидам и в присутствии безводного AlCl 3 является классическим примером реакции Фриделя-Крафтса. Реакция представляет собой электрофильное замещение в бензольном кольце. Алкилирование бензола метилхлоридом приводит к образованию толуола (X 2):

3) При действии на толуол избытком хлора на свету все атомы водорода в метильном радикале толуола замещаются на хлор. Реакция замещения протекает по свободнорадикальному механизму:

4) При щелочном гидролизе тригалогенидов с атомами хлора при одном атоме углерода с высокими выходами образуются соли карбоновых кислот (в данном случае бензоат калия (X 3)):

5) Из бензоата калия по реакции декарбоксилирования, которая протекает при его сплавлении с щелочью, получают бензол (X 1):

Задание №12

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) 1,2-дихлорэтан является геминальным дихлорпроизводным этана. В условиях водного раствора щелочи 1,2-дихлорэтан превращается в карбонильное соединение – ацетальдегид:

2) При восстановлении карбонильных соединений водородом образуются спирты. Так, пропуская смесь паров ацетальдегида и водорода над никелевым катализатором, можно получить этанол (X 1):

3) Замещение гидроксильной группы спирта на аминогруппу происходит в жестких условиях. Пропуская пары этанола и аммиак над нагретым оксидом алюминия, получают этиламин:

4) При пропускании через водный раствор этиламина углекислого газа происходит образованием гидрокарбоната этиламмония (X 2):

5) При нагревании гидрокарбонат этиламмония разлагается на углекислый газ, этиламин (X 3) и воду:

Задание №13

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) Ацетилен (этин) вступает в реакцию гидратации в присутствии солей ртути в водном растворе с образованием ацетальдегида (реакция Кучерова) (Х 1):

2) Ацетальдегид при действии на него подкисленного водного раствора перманганата калия превращается в уксусную кислоту:

3) Уксусная кислота вступает в реакцию нейтрализации с гидроксидом натрия, при этом образуется ацетат натрия (Х 2) и вода:

4) Ацетат натрия взаимодействует с галогеналканами с образованием сложных эфиров, в данном случае образуется метиловый эфир уксусной кислоты (метилацетат)(Х 3):

5) Сложные эфиры в присутствии кислот могут вступать в реакцию гидролиза. При гидролизе метилацетата в кислой среде образуется уксусная кислота и метанол:

Задание №14

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) При действии спиртового раствора щелочи на любой из изомеров дибромэтана образуется ацетилен (X 1):

2) Действуя на ацетилен (X 1) водой в присутствии солей ртути в кислой среде (в водном или спиртовом растворе), получают ацетальдегид (X 2) (реакция М.Г.Кучерова):

3) При окислении ацетальдегида перманганатом калия в кислой среде образуется уксусная кислота (Mn +7 → Mn +2 ; C +1 → C +3):

4) Получить хлоруксусную кислоту можно действием хлора на уксусную кислоту на свету. Реакция замещения протекает по свободнорадикальному механизму, в результате чего атом водорода при алкильном радикале замещается на хлор (X 3):

5) При обработке хлоруксусной кислоты аммиаком образуется аминокислота – глицин:

Задание №15

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) При температуре выше 140 0 C в присутствии концентрированной серной кислоты спирты подвергаются внутримолекулярной дегидратации с образованием алкена и воды. В данном случае при 180 0 C и действии конц. H 2 SO 4 пропанол-1 превращается в пропилен (X 1):

2) При пропускании пропилена через бромную воду наблюдается обесцвечивание бромной воды за счет присоединения брома к двойной связи с образованием 1,2-дибромпропана (X 2):

3) При действии спиртового раствора щелочи на 1,2-дибромпропан образуется пропин:

4) Действуя на пропин водой в присутствии солей ртути в кислой среде (в водном или спиртовом растворе), получают ацетон (X 3) (реакция М.Г.Кучерова):

5) Пропуская смесь паров ацетона и водорода над палладиевым катализатором, получают пропанол-2 (или изопропанол) (X 4):

Задание №16

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) Циклопропан присоединяет бромоводород с раскрытием цикла, в результате чего образуется 1-бромпропан:

2) В лабораторных условиях алканы получают по реакции Вюрца из галогеналканов. Частичный положительный заряд на атоме углерода при галогене в галогенопроизводных делает возможной реакцию этих соединений с активными металлами. Моногалогеналканы уже при комнатной температуре взаимодействуют с натрием, превращаясь в алканы с удвоенным углеродным скелетом. Таким образом, из двух молекул 1-бромпропана получается н-гексан (X 1):

3) Алканы, имеющие в молекуле шесть и более атомов углерода, могут вступать в более сложные реакции дегидрирования, в ходе которых отщепление водорода сопровождается замыканием цепи в цикл: реакции дегидрирования – циклизации. В данном случае гексан превращается в бензол (X 2):

4) Толуол получают алкилированием бензола метилгалогенидом в присутствии катализатора AlCl 3 (электрофильное замещение, механизм S E):

5) Метильная группа толуола окисляется перманганатом калия в кислой среде до карбоксильной группы, следовательно, толуол превращается в бензойную кислоту (X 3) (Mn +7 → Mn +2 ; C -3 → C +3):

Задание №17

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1) В лабораторных условиях пропан можно получить по реакции Вюрца из галогеналканов – хлорэтана и хлорметана, однако данная реакция сопряжена с образованием двух побочных продуктов – бутана и этана. Моногалогеналканы при комнатной температуре способны взаимодействовать с натрием:

2) Дегидрированием пропана на катализаторе (Pt, Pd, Ni) можно получить пропилен (X 1):

3) При окислении алкена перманганатом в нейтральной среде на холоду образуется двухатомный спирт, щелочь и оксид марганца (IV). В данном случае из пропилена образуется пропандиол-1,2 (X 2) (Mn +7 → Mn +4 ; C -2 → C -1 , C -1 → C 0):

4) Многоатомные спирты способны вступать в реакции нуклеофильного замещения с галогеноводородами. Действуя избытком бромоводорода на пропандиол-1,2 получается 1,2-дибромпропан (X 3):

5) При действии спиртового раствора щелочи на дигалогеналкан – 1,2-дибромпропан – образуется пропин (X 4).