Лекция № 1 классификация органических соединений

Органические соединения классифицируют по двум основным признакам: строению углеродного скелета и функциональным группам.

По строению углеродного скелета различают ациклические (алифатические), циклические ( карбоциклические и гетероциклические) соединения.

Ациклические соединения – содержат открытую цепь атомов углерода.

Карбоциклические соединения – содержат замкнутую цепь углеродных атомов и подразделяются на алициклические и ароматические. К алициклическим относятся все карбоциклические соединения, кроме ароматических. Ароматические соединения содержат циклогексатриеновый фрагмент (бензольное ядро).

Гетероциклические соединения - содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько гетероатомов (О, N,S и др.).

По природе функциональных групп органические соединения делят на классы. Например, функциональная группа – гидроксильная –ОН, класс – спирты, карбоксильная –СООН- класс карбоновые кислоты.

Соединения близкого строения, но отличающиеся по составу на гомологическую разность (СН₂), образуют гомологический ряд.

В настоящее время в органической химии общепринятой является систематическая номенклатура (заместительная и радикально-фунукциональная), разработанная Международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC). Наряду с ней сохранились и используются тривиальная и рациональная номенклатуры.

Лекция № 2

Химическая связь  Валентные состояния атома углерода (sp³, sp², sp) и типы ковалентных связей (σ, π)

Атом углерода имеет s и p – орбитали. Углерод в таблице Д.И.Менделеева занимает шестой порядковый номер; квантовая ячейка невозбужденного атома углерода в основном состоянии имеет следующий вид:1s² 2s² 2p², возбужденного атома углерода: 1s²2s¹ 2p_х¹2р_у¹ 2р_z1.

Переход атома углерода в возбужденное состояние возможен в связи с тем, что, во-первых, 2s и 2p- уровни близки между собой энергетически, во-вторых, наиболее низкое энергетическое состояние системы достигается при максимальном числе электронов с параллельными спинами. Таким образом, четырехвалентный атом углерода обладает на внешнем электронном слое набором атомных орбиталей: 2s, 2px, 2pу, 2pz.

Углерод в возбужденном состоянии должен образовать ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Например, с атомами водорода в молекуле метана, при этом три 2р-орбитали перекрываются с 1s- орбиталями трех атомов водорода, 2s- орбиталь с 1s- орбиталью четвертого атома водорода, следовательно, образуются четыре С-Н связи, отличающиеся по прочности. Однако это противоречит практике, согласно квантово - механическим расчетам все четыре связи равноценны.

Для разрешения данной проблемы Л. Полинг сформулировал два постулата: направленной валентности и гибридизации орбиталей. Он предложил, что валентные орбитали (2s, 2px, 2pу, 2рz) гибридизуются (смешиваются) и образуют эквивалентные (одинаковые по форме и энергии) атомные гибридные орбитали. Электронная плотность гибридизованных орбиталей сконцентрирована по одну сторону от ядра, что обеспечивает максимальное перекрывание орбиталей, а значит образование более прочной химической связи.

SP³- гибридизация. В образовании гибридной орбитали участвуют одна s- и три р-орбитали. Sp³- гибридизация характерна для насыщенных соединений (углеводородов и их производных). Следует отметить, что распределение электронной плотности sp³ – орбиталей строго направленно и сконцентрировано по одну сторону от ядра, что обеспечивает максимальное перекрывание.

Молекула метана СН₄ представляет собой идеальный тетраэдр с углом Н-С-Н, равным109⁰28^/. Все четыре σ - С-Н равноценны, образованы перекрыванием sp₃ - s- орбиталей. В молекуле гомолога – этана СН₃-СН₃ углерод – углеродная связь образуется перекрыванием двух sp³- орбиталей с образованием σ- связи за счет осевого перекрывания.

Длина связи С-С равна 1,54 А^о, прочность σ - связи составляет 350,0 кДж/моль.

SP²- гибридизация. В ненасыщенных соединениях атом углерода находится в sp²- гибридном состоянии, т.е. происходит смешение одной s – орбитали с двумя р- орбиталями с образованием трех эквивалентных sp² - орбиталей. Каждая sp²- орбиталь имеет цилиндрическую симметрию относительно одной из трех осей, расположенных в плоскости под углом 120⁰.

Ось четвертой атомной негибридизованной орбитали расположена под прямым углом к плоскости, в которой лежат три оси sp²-гибридных орбиталей. Перекрывание р-орбиталей (боковое перекрывание) приводит к образованию другого вида ковалентной связи - π.

Длина двойной связи составляет 1,34 А^о или 0,134 нм.

Электронная плотность π-связи концентрируется выше и ниже плоскости σ- связей в этилене. Поскольку молекула планарна, она легко поляризуется. π- связь менее прочна, чем σ- связь, т.к. р- электронные орбитали с параллельными осями перекрываются значительно меньше, чем при образовании теми же р- электронами или s- электронами σ- связи (перекрывание по оси орбиталей). Общая прочность (σ+π)- связей в этилене составляет 607, 1 кДж/моль.

Следовательно, прочность π- связи – 257,1 кДж/моль.

sp- гибридизация – комбинация 2s – орбитали и одной 2р - орбитали. При этом образуются две эквивалентные гибридные sp - орбитали, расположенные под углом 180⁰. У каждого атома углерода остаются по две негибридизованные р- орбитали, которые, перекрываясь, образуют две π- связи. Таким образом, тройная связь между двумя углеродными атомами описывается в рамках теории гибридизации как сочетание одной σ- и двух π- связей.

Тройная связь ацетилена менее прочна, чем можно было ожидать из суммы σ- и 2-х π- связей.

Известно, что энергия углерод – углеродной связи в этане 350,0 кДж/моль, в этилене – 607,1 кДж/моль, а в ацетилене – 822,7 кДж/моль. Разница энергий связей для ацетилена и этилена 215,6 кДж/моль, т.е. меньше, чем для этилена и этана (257,1 кДж/моль). Длина тройной связи 0,120 нм, т.е. меньше, чем двойной связи (0,135 нм) и тем более простой (0,154 нм). Такое изменение длины связи (С-С) в различных гибридизациях объясняется увеличением доли s- орбитали в гибридной орбитали. Ниже представлна зависимость структуры от гибридизации атома углерода.

Гибридизация Геометрия молекулы Примеры

sp³ тетраэдрическая Предельные углеводороды, циклоалканы, спирты и др.

sp² тригональная Этилен и его гомологи, бензол,

карбонильная и карбоксильная группы и др.

sp линейная Ацетилен и его гомологи,

нитрил, кумулированные углеводороды и др.