Органическая химия – это наука, изучающая соединения углерода, или её ещё называют химией соединений углерода. Название «органическая химия» возникло ещё в середине XIX века, когда все соединения получались исключительно из растительных и животных организмов. В то время на химиков давила виталистическая догма. По всему миру организовывались международные конференции, например, в 1860 году в городе Карлсруэ итальянский ученый Канниццаро реанимировал закон Авогадро. В основе современной органической химии лежит теория строения органических соединений (теория А.М. Бутлерова). Органическая химия как наука. ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

Основные положения теории строения органических соединений Бутлерова. 1. Атомы в молекулах соединяются в определённом порядке в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется строением. 2. Свойства веществ зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав молекулы, но и от их расположения. До Бутлерова в химии господствовала догма: «Состав определяет свойства». Эта догма ставила в тупик объяснение таких явлений как изомерия. В то же время в органической химии обнаружили, что одному составу соответствовало несколько разных веществ. Такое явление получило название изомерия. ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

После деятельности Бутлерова появилась другая догма: «Строение вещества определяет его свойства». В органической химии: Состав Строение Свойства В неорганической химии: Состав – строение – свойства 3. Атомы в молекулах (или группы атомов) взаимно влияют друг на друга, от чего собственно зависит реакционная способность в целом. ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

До Бутлерова существовали две теории: Теория радикалов (автор Дюма) Теория типов (автор Жерар) Теория радикалов основана на представлении о том, что органические вещества существуют в виде установленных группировок, неизменно переходящих из одного соединения в другие, которые назывались радикалами. В теории типов органические соединения производятся от определённого родоначальника неорганического вещества. ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

Отличие теории радикалов и теории типов состояло в том, что Бутлеров, несмотря на то, что пользовался старыми обозначениями, он предавал совершенно новый смысл химическому мировоззрению. Химическая формула – это формула строения (по Бутлерову). Она отображает не только состав, но и порядок. В современной химии получили широкое использование 3 типа формул: 1.Эмпирические СН 4, С 2 Н 6, С 2 Н 4. Эмпирические формулы отображают состав. H H Тип водорода СH3СH3 СH3СH3 Диметил Тип водорода H H Вода С2H3OС2H3O H O ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

2. 2. Структурные формулы отображают не только состав, но и порядок взаимной связи. H H H H С H H H С H H СH СС H H H H Метан Этан Этилен ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

3. Электронные формулы, в них чёрточка заменяется парой электронов. Чёрточка символизирует ковалентную химическую связь. Число чёрточек, соединённых с данным атомом, должно соответствовать его валентности. HH H H С Метан Этан H H H С С H H H ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

ЭлементCHONClS Характерная валентность Возможны также случаи, когда валентность может не совпадать с характеристической. N H H H O + + ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА Характеристические валентности элементов

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА Электронный октет. Формулы Льюиса. Ещё в 1916 г. Льюисом было выдвинуто представление о ковалентной связи как обобществленной паре электронов, а также о восьми электронной оболочке (электронном октете). Комбинация из восьми электронов рассматривается как весьма стабильная. В соответствии с этими представлениями при образовании молекул из атомов второго периода происходит заполнение внешней (валентной) электронной оболочки с образованием октета, состоящего из 4-х электронных пар, которые могут образовать ковалентные связи или находиться в виде неподелённых пар электронов.

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА ПРАВИЛО ОКТЕТА «Атомы химических элементов стремятся к достижению такого состояния, в котором их внешняя электронная оболочка содержала бы 8е». Оболочка из 8е (электронный октет) очень устойчива. Подтверждением этому служит высокая химическая инертность атомов благородных газов, для которых: …ns 2 np 6. ПРАВИЛО ОКТЕТА «Атомы химических элементов стремятся к образованию химических связей, т.к. это позволяет им приобрести электронную конфигурацию атомов благородных газов»

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА Октетная модель Льюиса оказалась удачной для описания строения органических соединений (большая часть которых построена из атомов элементов второго периода). В основу составления структур (формул) Льюиса положен принцип: у всех элементов (кроме водорода) в валентной оболочке должно быть восемь электронов (4 пары). В подобных формулах валентные электроны обозначают точками (иногда пару электронов черточкой). Cl Cl C Cl Cl Cl C Cl Cl

Структуры Льюиса Структуры (формулы) Льюиса представляют собой электронные формулы, записанные с выполнением требования правила октета. Правило октета. Правило октета Льюиса требует, чтобы в валентной оболочке каждого атома в структуре имелось 8 электронов. Исключением служит водород, у которого наблюдается не октет, а дублет. CCl 4 Cl С структура Льюисаили С - гомолитический разрыв - гетеролитический разрыв A A A A+A+ B BB B ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА : : : : : : : : : : : : Cl : : : : : : : : : : : :

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА (практическое занятие) Задание: Напишите структуры Льюиса для каждого из приведенных ниже соединений. Поставьте на всех атомах, которые не являются нейтральными, заряды соответствующего знака. 1. аммиак 2. нитрит аммония 3. цианистый водород 4. озон (угол О-О-О 120 ) 5. хлорная кислота 6. H 2 O 2 7. NH 2 OH 8. трехокись серы 9. H 2 SO BF P оксид азота NO 13. азотистоводородная кислота NH N 2 O (угол N-N-O ) 15. CH 3 CO 2 CH (CH 2 ) 5 C(CHO) (CH 3 )C(CN)CH 2 Cl

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА Напишите, приведенные ниже формулы в виде структур Льюиса 1. CH 3 Br 2. CH 3 S Cl 3. Cl C N 4. HN = NH 5. (Cl) 2 C = O 6. H 3 C O C(O) O CH 3 7. H 2 N C(S) NH 2 8. CH 3 OH 9. CH 3 CH 2 OH 10. CH 3 NO HCOOH 12. PCl (CH 3 ) 3 PO 14. CaCO H 2 C 2 O CH 2 = CHCl 17. CH 2 CCl HC C C CH 19. BrCN 20. (CH 3 ) 2 C = O 21. CH 2 NH

Примеры структур Льюиса: а) H : O : O : H б) : N N : (на этом примере следует отметить 2 момента): 1. Правило октета соблюдается у элементов первого и второго периодов. Для элементов больших периодов (например S- и P-элементы) оно соблюдается не всегда. в) H O S O H : O :: O :. : O :: O : г) O S O : O :: O : : O :: O : - ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА : : : : : : : : : : : : -

2.Второй момент связан с недостатком изобразительных средств структурной теории, имея в виду, что в случае таких частиц как SO 4 2- на самом деле можно предложить не одну, а несколько структур Льюиса; в подобном случае эти структуры будут показывать некие предельные, ( канонические, граничные) структуры, которые на самом деле не реализуются. Реальная частица представляет собой гибрид из граничных структур. Т.к. органические вещества состоят из С, H, N, O, Cl, то правило октета для них соблюдается очень хорошо, для неорганических частиц оно может нарушаться, т.к. у d- и f-элементов также могут принимать участие электроны предвнешних энергетических уровней.

Концепция резонанса Согласно теории резонанса, реальные ионы SO 4 2- представляют собой эти шесть граничных структур: : O :: O : S : O :: O :. O O : O :: O : S : O :: O : O O : O :: O : S : O :: O : O : O: O : O :: O : S : O :: O : O :O : : O: O : O :: O : S : O :: O : O :O : O : O :: O : S : O :: O : O :O : O : O :: O : S : O :: O : O : O: O : : : : : : : : : : : : S 2-

Классификация органических соединений. Существуют различные принципы классификации органических соединений с точки зрения строения углеродного скелета органические соединения можно разделить на 2 большие группы: 1. Соединения с открытой цепью углеродных атомов (их называют соединения жирного ряда) С С С СС ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

2. Соединения с замкнутой углеродной цепью (их называют циклическими): Карбоциклические (в цикле только атом «С») Гетероциклические (циклы содержащие двухва-лентный элемент (O, S, N) Алициклический ряд Ароматический ряд N H СH2СH2 СH2СH2 СH2СH2 СH2СH2 H2СH2С H2СH2С СHСH СHСH СHСH СHСH HСHС HСHС КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. пирролбензол циклогекса н

КЛАССЫ 1. R – H - углеводороды (С n H 2n+2, С n H 2n, С n H 2n-2 ) 2. R – Hal – галогенопроизводные 3. R – OH – спирты 4. R – COOH – карбоновые кислоты 5. R – COH – альдегиды 6. R – C – R – кетоны 7.R – O – R, R – COOR – простые и сложные эфиры 8. R – NH 2, R – NH – R, R – N – R - амины 9. R – NO 2 – нитросоединение Каждый из этих рядов может подразделяться на классы в зависимости от функциональных групп. КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. О R – C – R

ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Органические соединения обладают целым рядом особенностей, которые отличают их от других: многообразие, явление гомологии, изомерия, исключительно ковалентный характер химической связи, высокая биологическая роль (например, ферменты, гормоны, белки, углеводы и др. важнейшие биомолекулы). В наше время, как известно, число органических соединений приближается к 15 миллионам. КАКОВЫ ПРИЧИНЫ МНОГООБРАЗИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ? Причин много, но все они связаны как и другие вышеперечисленные особенности с особенностями строения атома углерода. 1. Атомы углерода способны образовывать прочные ковалентные связи, соединяясь не только с атомами других элементов, но и между собой, образуя длинные цепи и циклы.

2. Четырёхковалентность атома углерода, что приводит к разветвлению углеродных цепей и к увеличению многообразия более сложных структур. 3. Способность атома углерода образовывать кратные связи (двойные и тройные). Для атома углерода возможно существование нескольких гибридных состояний. Гибридизация атомных орбиталей – смешивание разных по форме и энергии орбиталей, в результате чего возникают новые орбитали, но с одинаковой формой и энергией. Гибридные орбитали принимают участие только в образовании σ-связи. sp 3 - гибридизацияsp 2 - гибридизацияsp- гибридизация Причины многообразия органических соединений (продолжение)

sp 3 sp 2 sp 109, ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА ГИБРИДИЗАЦИЯ АО УГЛЕРОДА

Найдём тип гибридизации атомов углерода и кислорода в молекуле CO Подсчитывают суммарное число объектов, с которыми связан данный атом, понимая под объектами другие атомы, окружающие данный атом, а также неподелённые электронные пары. 2. Если суммарное число таких объектов равно «4», то данный атом находится в sp 3 -гибридном состоянии, если «3», то – sp 2 – гибридном состоянии, если «2», то – sp. O С O spsp 2 е) O С O. з) H O N O : O :: O : +. д) H O N O. ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ГИБРИДИЗАЦИИ

σ-связь – это связь, при которой перекрывание орбиталей вдоль оси связи π -связь: АВАВ ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА Способы перекрывания АО (ЭО) при образовании ковалентной связи Ось связи

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА Еще впервой половине XIX века было замечено, что многие органические вещества образуют ряды, в каждом из которых вещества обладают сходными химическими свойствами и отличаются друг от друга на одну или несколько групп CH 2. Это явление было названо гомологией (Ш. Жерар,1844 г.). Гомологи - вещества, обладающие сходными химическими свойствами и отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп CH 2. Было установлено, что гомология является естественным следствием цепеобразной связи атомов углерода. Поэтому можно дать определение: Гомологи - это соединения, имеющие одинаковый функциональный характер, но отличающиеся числом углеродных атомов, входящих в состав их углеводородных радикалов. ЯВЛЕНИЕ ГОМОЛОГИИ

Явление гомологии Явление гомологии заключается в том, что многие органические вещества образуют ряды (классы), в каждом из которых вещества обладают сходными химическими свойствами (содержат одну и ту же функциональную группу) и отличаются по составу друг от друга на группу - СH 2 – (гомологическая разность) СН 4 С 2 Н 6, С 2 H 5 OH C 3 H 7 OH и т.д. 6 – гекс 7 – гепт 8 – окт 9 – нон 10 – дек Номенклатура первых десяти представителей 1 – мет 2 – эт 3 – проп 4 – бут 5 – пент ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

Гомологический ряд алканов. Название алкана ФормулаНазвание радикала Формула метанCH 4 метил - CH 3 этанC2H6C2H6 этил - CH 2 – CH 3 пропанC3H8C3H8 пропил - CH 2 – CH 2 – CH 3 н-бутанC 4 H 10 бутил - C 4 H 9 н-пентанC 5 H 12 пентил - C 5 H 11 н-гексанC 6 H 14 гексил - C 6 H 13 н-гептанC 7 H 16 гептил _ C 7 H 15

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА Название алкана ФормулаНазвание радикала Формула н-октанC 8 H 18 октили т. д. н-нонанC 9 H 20 нонил н-деканC 10 H 22 децил н-ундеканC 11 H 24 удецил н-додеканC 12 H 26 додецил ……- н-алканC n H 2n+2 алкилC n H 2n+1 Гомологический ряд алканов.

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА Изомерия – явление существования веществ, имеющих одинаковый состав, но разные свойства. Свое объяснение изомерия получила на основе теории строения А. М. Бутлерова. Сегодня все типы изомерии органических соединений классифицируются следующим образом: ИЗОМЕРИЯ

Изомерия Для органических соединений очень широко распространено явление изомерии. Изомерия Структурная изомерияПространственная изомерия ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

а) изомерия углеродного скелета CH 3 – CH 2 – CH 2 – CH 3 бутан CH 3 – CH – CH 3 CH 3 изобутан СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ:

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА б) ИЗОМЕРИЯ ПОЛОЖЕНИЯ (бутен-1, бутен-2) CH 3 – CH 2 – CH = CH 2 бутен-1 CH 3 – CH = CH – CH 3 бутен-2 CH 3 – CH 2 – CH 2 – CH 2 OH бутанол-1 CH 3 – CH 2 – CH – CH 3 OH бутанол-2

в) ИЗОМЕРИЯ ВЗАИМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ: CH 3 – C – CH 2 – CH 2 – C – CH 3 O O CH 3 – CH 2 – C – C – CH 2 – CH 3 O O ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

МЕЖКЛАССОВАЯ ИЗОМЕРИЯ C2H6OC2H6O CH 3 – CH 2 – OH CH 3 – O – CH 3 Этиловый спирт (Т кип =78,3 С) Диметиловый эфир (Т кип =–23,6 С) Наблюдается различие в свойствах ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

Изомерия взаимного расположения OH ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

C C CH 2 OH C C C HOH H H H H O Глюкоза (альдегидная форма) C C C C CO H HO H OH H H CH 2 OH Глюкоза (циклическая форма) Динамическая изомерия (подвижная)

ДИНАМИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (ПОДВИЖНАЯ) CH 3 – C = CH – C – OC 2 H 5 CH 3 – C –СH 2 – C – OC 2 H 5 OOOOH Ацетоуксуный эфир (енольная форма) Ацетоуксусный эфир (кето – форма) ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗОМЕРИЯ C = CC = C HCOOH HOOCH C = CC = C COOHHOOC HH CH 3 – CH – COOH OH * *- асимметрический атом углерода Фурамовая кислота (транс-изомер) Т кип =287 С Фурамовая кислота (цис-изомер) Т кип =130 С - геометрическая (цис-транс-изомерия) - оптическая (зеркальная) изомерия ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

- ОПТИЧЕСКАЯ (ЗЕРКАЛЬНАЯ) ИЗОМЕРИЯ COOH H OH CH 3 HO COOH H CH 3 Проекции Фишера COOH HOH CH 3 COOH HOH CH 3 ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА