Reaktivnost organska jedinjenja determinisano vrstom hemijskih veza i međusobnim uticajem atoma u molekulu. Ovi faktori su, pak, određeni interakcijom atomskih orbitala (AO).

Dio prostora u kojem je vjerovatnoća pronalaženja elektrona maksimalna naziva se atomska orbitala.

U organskoj hemiji široko se koristi koncept hibridnih orbitala atoma ugljika i drugih elemenata. Koncept orbitalne hibridizacije je neophodan u slučajevima kada je broj nesparenih elektrona u osnovnom stanju atoma manji od broja veza koje formira. Pretpostavlja se da različite atomske orbitale slične energije međusobno djeluju kako bi formirale hibridne orbitale iste energije. Hibridne orbitale, zbog svog velikog preklapanja, pružaju čvršću vezu od nehibridiziranih orbitala. U zavisnosti od broja orbitala koje su ušle u hibridizaciju, atom ugljika može biti u tri tipa hibridizacije:

1. Prvo valentno stanje, sp3 hibridizacija (tetraedarska)

Kao rezultat linearne kombinacije (miješanja) četiri AO pobuđenog atoma ugljika (jedan 2s i tri 2p), nastaju četiri ekvivalentne sp 3 hibridne orbitale, usmjerene u prostoru do vrhova tetraedra pod uglovima od 109,5°. Oblik hibridne orbitale je trodimenzionalna osmica, čija je jedna oštrica mnogo veća od druge.

2. Drugo valentno stanje, sp2 - hibridizacija (trokutasto)

Nastaje kao rezultat pomaka jedne 2s i dvije atomske orbitale 2p. Dobijene tri sp 2 hibridne orbitale nalaze se u istoj ravni pod uglom od 120? jedan prema drugom, a nehibridizirani p - AO - u ravni okomitoj na nju. U stanju sp 2 hibridizacije, atom ugljika se nalazi u molekulama alkena, karbonil i karboksil grupa

3. Treće valentno stanje, sp - hibridizacija

Nastaje kao rezultat miješanja jednog 2s i jednog 2p AO. Rezultirajuće dvije sp hibridne orbitale su locirane linearno, a dvije p orbitale su smještene u dvije međusobno okomite ravni. Atom ugljika u sp hibridnom stanju nalazi se u molekulima alkina i nitrila

Postoje tri moguća tipa veza koje povezuju pojedinačne atome elemenata u spoju - elektrostatička, kovalentna i metalna.

Odnosi se prvenstveno na elektrostatiku jonska veza, koji se događa kada jedan atom prenosi elektron ili elektrone na drugi, a rezultirajući ioni se privlače jedni drugima.

Organska jedinjenja karakterišu uglavnom kovalentne veze. Kovalentna veza je hemijska veza nastala deljenjem elektrona vezanih atoma.

Za kvantnomehanički opis kovalentnih veza koriste se dva glavna pristupa: metoda valentne veze(BC) i molekularne orbitalne metode (MO). hemijski kovalentni molekul

BC metoda se temelji na ideji uparivanja elektrona koje se javlja kada se atomske orbitale preklapaju. Generalizovani par elektrona sa suprotnim spinovima formira oblast sa povećanom elektronskom gustinom između jezgara dva atoma, privlačeći oba jezgra. Nastaje dvoelektronska kovalentna veza. Prema BC metodi, atomske orbitale zadržavaju svoju individualnost. Dakle, oba uparena elektrona ostaju u atomskim orbitalama vezanih atoma, tj. lokalizirani su između jezgara.

U početnoj fazi razvoja elektronske teorije (Lewis) izneta je ideja o kovalentnoj vezi kao socijalizovanom paru elektrona. Da objasnim svojstva različitih atoma Oktetno pravilo je formulisano da formira određeni broj kovalentnih veza. Prema njegovim riječima, tokom formiranja molekula iz atoma 2. perioda periodnog sistema, D.I. Mendeljejeva, spoljašnja ljuska je ispunjena formiranjem stabilnog sistema od 8 elektrona (ljuska od inertnog gasa). Četiri elektronska para mogu formirati kovalentne veze ili postojati kao usamljeni parovi.

Prilikom prelaska na elemente trećeg i narednih perioda, pravilo okteta gubi na snazi, jer se pojavljuju d-orbitale koje su prilično niske energije. Stoga, atomi viših perioda mogu formirati više od četiri kovalentne veze. Lewisove spekulacije o hemijska veza kao društveni par elektrona bio je čisto kvalitativne prirode.

Prema MO metodi, vezni elektroni nisu lokalizirani na AO određenih atoma, već se nalaze na MO, koji su linearna kombinacija atomskih orbitala (LCAO) svih atoma koji čine molekulu. Broj formiranih MO jednak je broju preklapajućih AO. Molekularna orbitala je obično multicentrična orbitala a elektroni koji ga ispunjavaju su delokalizovani. Punjenje MO elektronima se odvija u skladu sa Paulijevim principom. MO dobiven dodavanjem valnih funkcija atomskih orbitala i koji ima nižu energiju od AO koji ga formiraju naziva se veza. Prisustvo elektrona u ovoj orbitali smanjuje ukupnu energiju molekula i osigurava vezu atoma. Visokoenergetski MO dobijen oduzimanjem valnih funkcija naziva se antivezivanje (antivezivanje). Za antivezujuću orbitalu, vjerovatnoća pronalaženja elektrona između jezgara je nula. Ova orbitala je prazna.

Pored vezujućih i antivezujućih MO, postoje i neobavezujući MO, označeni kao n-MO. Nastaju uz učešće AO koji nose par elektrona koji nisu uključeni u formiranje veze. Takvi elektroni se nazivaju i slobodni usamljeni parovi ili n-elektroni (nalaze se na atomima dušika, kisika i halogena).

Postoje dvije vrste kovalentnih veza: y- (sigma) i p- (pi) veze.

Y-veza je veza nastala aksijalnim preklapanjem bilo koje (s-, p- ili hibridne sp-atomske orbitale) s maksimalnim preklapanjem smještenim na pravoj liniji koja povezuje jezgra povezanih atoma.

Prema MO metodi, y-preklapanje dovodi do formiranja dva MO: veznog y-MO i antivezujućeg y*-MO.

P-veza je veza nastala bočnim (lateralnim) preklapanjem p-AO, s maksimalnom gustinom elektrona smještenom na obje strane prave linije koja povezuje jezgra atoma. Prema MO metodi, kao rezultat linearne kombinacije dva p-AO, nastaju vezujući p-MO i antivezujući p*-MO.

Dvostruka veza je kombinacija y- i p-veze, a trostruka je jedna y- i dvije p-veze.

Glavne karakteristike kovalentne veze su energija, dužina, polaritet, polarizabilnost, usmjerenost i zasićenost.

Energija veze je količina energije koja se oslobađa tokom formiranja date veze ili je potrebna za razdvajanje dva vezana atoma. Što je energija veća, to je jača veza.

Dužina veze je udaljenost između centara vezanih atoma. Dvostruka veza je kraća od jednostruke veze, a trostruka je kraća od dvostruke.

Polaritet veze određen je neravnomjernom raspodjelom (polarizacijom) elektronske gustine, a razlog tome je razlika u elektronegativnosti vezanih atoma. Kako se povećava razlika u elektronegativnosti između povezanih atoma, povećava se polaritet veze. Dakle, može se zamisliti prijelaz iz nepolarne kovalentne veze preko polarne u ionsku vezu. Polarne kovalentne veze su sklone heterolitičkom cijepanju.

Polarizabilnost veze je mjera pomaka elektrona veze pod utjecajem vanjskog električno polje, uključujući drugu česticu koja reaguje. Polarizabilnost je određena mobilnošću elektrona. Elektroni su pokretljiviji što su udaljeniji od jezgara.

U organogenima (ugljenik, azot, kiseonik, sumpor, halogeni) u formiranju y-veza učešće hibridnih orbitala je energetski povoljnije, što omogućava efikasnije preklapanje.

Preklapanje dva jednoelektronska AO nije jedini način da se formira kovalentna veza. Kovalentna veza može nastati interakcijom ispunjene dvoelektronske orbite (donor) sa praznom orbitalom (akceptor). Donori su spojevi koji sadrže ili orbitale sa usamljenim parom elektrona ili p - MO. Kovalentna veza koju formira elektronski par od jednog atoma naziva se donor-akceptor ili koordinacija.

Tip veze donor-akceptor je semipolarna veza. Na primjer, u nitro grupi, istovremeno sa formiranjem kovalentne veze zbog usamljenog para dušikovih elektrona, na povezanim atomima se pojavljuju naboji suprotnog predznaka. Zbog elektrostatičke privlačnosti između njih nastaje ionska veza. Dobivena kombinacija kovalentne i jonske veze naziva se semipolarna veza. Donor-akceptorska veza je karakteristična za kompleksna jedinjenja. U zavisnosti od vrste donora razlikuju se n- ili p-kompleksi.

Atom vodika vezan za jako elektronegativni atom (N, O, F) ima nedostatak elektrona i sposoban je za interakciju s usamljenim parom elektrona drugog jako elektronegativnog atoma, koji se nalazi ili u istom ili u drugom molekulu. Kao rezultat, dolazi do vodonične veze. Grafički, vodonična veza je označena sa tri tačke.

Energija vodonične veze je niska (10-40 kJ/mol) i uglavnom je određena elektrostatičkom interakcijom.

Intermolekularni vodonične veze izazivaju udruživanje organskih jedinjenja, što dovodi do povećanja tačke ključanja alkohola (t? tačka ključanja C 2 H 5 OH = 78,3? C; t? tačka ključanja CH 3 OCH 3 = -24? C), karboksilnih kiselina i mnoga druga fizička (t? pl, viskoznost) i hemijska (kiselinsko-bazna) svojstva.

Mogu se javiti i intramolekularne vodikove veze, na primjer u salicilnoj kiselini, što dovodi do povećanja njene kiselosti.

Molekul etilena je ravan, ugao između H - C - H veze je 120? Da bi se prekinula p - p - dvostruka veza i omogućila rotacija oko preostale sp 2 - y - veze, potrebno je potrošiti značajnu količinu energije; Stoga je rotacija oko dvostruke veze otežana i moguće je postojanje cis- i trans-izomera.

Kovalentna veza je nepolarna samo kada povezuje atome koji su identični ili slični po elektronegativnosti. Kada se elektroni vežu, gustina kovalentne veze se pomera prema elektronegativnijem atomu. Ovaj odnos je polarizovan. Polarizacija nije ograničena samo na jednu y-vezu, već se širi duž lanca i dovodi do pojave parcijalnih naboja (y) na atomima

Dakle, "X" supstituent uzrokuje polarizaciju ne samo svoje y-veze sa atomom ugljika, već i prenosi svoj utjecaj (pokazuje učinak) na susjedne y-veze. Ova vrsta elektronskog uticaja naziva se induktivna i označava se j.

Induktivni efekat je prenos elektronskog uticaja supstituenta duž lanca y-veza.

Smjer induktivnog efekta supstituenta obično se kvalitativno procjenjuje poređenjem s atomom vodika, čiji se induktivni učinak uzima kao 0 ( C-H veza smatra se praktično nepolarnim).

Supstituent X, koji privlači elektronsku gustinu y-veze jače od atoma vodonika, pokazuje negativan induktivni efekat -I. Ako, u poređenju sa atomom vodonika, Y supstituent povećava gustinu elektrona u lancu, tada on pokazuje pozitivan induktivni efekat, +I. Grafički, induktivni efekat je predstavljen strelicom koja se poklapa sa položajem valentne linije i pokazuje prema elektronegativnijem atomu. Efekat +I vrše alkil grupe, atomi metala i anjoni. Većina supstituenata ima -I efekat. I što je veća, to je veća elektronegativnost atoma koji formira kovalentnu vezu sa atomom ugljika. Nezasićene grupe (sve bez izuzetka) imaju -I efekat, čija se veličina povećava sa povećanjem višestrukih veza.

Induktivni efekat, zbog slabe polarizabilnosti y-veze, opada nakon tri ili četiri y-veze u kolu. Njegov učinak je najjači na prva dva ugljikova atoma najbliža supstituentu.

Ako molekul sadrži konjugirane dvostruke ili trostruke veze, javlja se efekat konjugacije (ili mezomerni efekat; M-efekat).

Efekat konjugacije je prenos elektronskog uticaja supstituenta kroz sistem p-veza. Supstituenti koji povećavaju gustinu elektrona u konjugovanom sistemu pokazuju pozitivan efekat konjugacije, +M efekat. Efekat +M pokazuju supstituenti koji sadrže atome sa usamljenim parom elektrona ili cijelim negativnim nabojem. Supstituenti koji povlače elektronsku gustinu iz konjugovanog sistema pokazuju negativan (mezomerni) efekat konjugacije, efekat -M. To uključuje nezasićene grupe i pozitivno nabijene atome. Preraspodjela (premještanje) ukupnog elektronskog oblaka pod utjecajem M efekta grafički je prikazana zakrivljenim strelicama čiji početak pokazuje koji su p- ili p-elektroni pomaknuti, a kraj - veza ili atom na koji se su raseljeni

Mezomerni efekat (efekat konjugacije) se prenosi kroz sistem konjugovanih veza na znatno veće širenje.

Kovalentna veza može biti polarizovana i delokalizovana.

Lokalizirana kovalentna veza - vezni elektroni se dijele između dva jezgra atoma koji se vezuju.

Delokalizovana veza je kovalentna veza čija molekularna orbita obuhvata više od 2 atoma. To su skoro uvijek p-veze.

Konjugacija (mezomerizam, mesos - prosjek) je fenomen poravnanja veza i naboja u realnom molekulu (čestici) u poređenju sa stvarnom, ali nepostojećom strukturom.

Rezonantna teorija – stvarna molekula ili čestica je opisana skupom specifičnih, takozvanih rezonantnih struktura, koje se međusobno razlikuju samo po distribuciji elektronske gustine.

Teorija strukture organskih jedinjenja: homologija i izomerija (strukturna i prostorna). Međusobni utjecaj atoma u molekulima

Teorija hemijske strukture organskih jedinjenja A. M. Butlerova

Slično kao za neorganska hemija osnova razvoja su Periodični zakon i Periodični sistem hemijskih elemenata D.I. Mendeljejeva, teorija strukture organskih jedinjenja A.M.

Glavni postulat Butlerovljeve teorije je stav o hemijska struktura supstance, koji se odnosi na red, redosled međusobnog povezivanja atoma u molekule, tj. hemijska veza.

Ispod hemijska struktura razumiju redoslijed povezanosti atoma kemijskih elemenata u molekulu prema njihovoj valentnosti.

Ovaj redoslijed se može prikazati pomoću strukturnih formula, u kojima su valencije atoma označene crticama: jedna crtica odgovara jedinici valencije atoma hemijski element. Na primjer, za organsku supstancu metan, koja ima molekularnu formulu $CH_4$, strukturna formula izgleda ovako:

Glavne odredbe teorije A. M. Butlerova

1. Atomi u molekulima organske materije su međusobno povezani prema svojoj valentnosti. Ugljik u organskim jedinjenjima uvijek je četverovalentan, a njegovi atomi su sposobni da se kombinuju jedni s drugima, formirajući različite lance.
2. Svojstva supstanci određuju ne samo njihova kvaliteta i kvantitativni sastav, ali i redoslijedom povezivanja atoma u molekulu, odnosno hemijskom strukturom tvari.
3. Svojstva organskih spojeva ne ovise samo o sastavu tvari i redoslijedu povezivanja atoma u njegovoj molekuli, već i o međusobnom utjecaju atoma i grupa atoma jedni na druge.

Teorija strukture organskih jedinjenja je dinamična doktrina koja se razvija. Sa razvojem znanja o prirodi hemijskih veza, o uticaju elektronska struktura počele su se koristiti molekule organskih tvari, osim empirijski I strukturni, elektronski formule. Takve formule ukazuju na smjer pomicanja elektronskih parova u molekulu.

Kvantna hemija i hemija strukture organskih jedinjenja potvrdile su doktrinu o prostornom pravcu hemijskih veza ( cis- I trans izomerizam), proučavao energetske karakteristike međusobnih prijelaza u izomerima, omogućavajući nam da prosudimo međusobni utjecaj atoma u molekulima razne supstance, stvorio je preduslove za predviđanje tipova izomerizma i pravca i mehanizma hemijskih reakcija.

Organske supstance imaju niz karakteristika:

1. Sve organske tvari sadrže ugljik i vodik, pa pri sagorijevanju stvaraju ugljični dioksid i vodu.
2. Organske tvari su složene i mogu imati ogromnu molekularnu težinu (proteini, masti, ugljikohidrati).
3. Organske tvari se mogu rasporediti u nizove homologa sličnih po sastavu, strukturi i svojstvima.
4. Za organske supstance je karakteristično izomerizam.

Izomerija i homologija organskih supstanci

Svojstva organskih supstanci ne zavise samo od njihovog sastava, već i od redosleda povezivanja atoma u molekulu.

Izomerizam- ovo je fenomen postojanja različitih supstanci - izomera istog kvalitativnog i kvantitativnog sastava, tj. sa istom molekulskom formulom.

Postoje dvije vrste izomerizma: strukturalni I prostorni (stereoizomerizam). Strukturni izomeri se međusobno razlikuju po redosledu veza atoma u molekulu; stereoizomeri - raspored atoma u prostoru sa istim redosledom veza između njih.

Razlikuju se sljedeće vrste strukturne izomerije: izomerija ugljičnog skeleta, pozicijska izomerija, izomerija različitih klasa organskih spojeva (međuklasna izomerija).

Strukturni izomerizam

Izomerizam ugljeničnog skeleta je zbog različitog reda veza između atoma ugljika koji formiraju kostur molekule. Kao što je već pokazano, molekularna formula$S_4N_(10)$ odgovara dva ugljovodonika: n-butanu i izobutanu. Za ugljovodonik $S_5N_(12)$ moguća su tri izomera: pentan, izopentan i neopentan:

$CH_3-CH_2-(CH_2)↙(pentan)-CH_2-CH_3$

Kako se broj atoma ugljika u molekulu povećava, broj izomera se brzo povećava. Za ugljovodonik $S_(10)N_(22)$ već postoji 75$, a za ugljovodonik $S_(20)N_(44)$ - 366,319$.

Izomerizam položaja uzrokovan je različitim položajima višestruke veze, supstituenta, funkcionalne grupe sa istim ugljičnim skeletom molekule:

$CH_2=(CH-CH_2)↙(buten-1)-CH_3$ $CH_3-(CH=CH)↙(buten-2)-CH_3$

$(CH_3-CH_2-CH_2-OH)↙(n-propil alkohol(propanol-1))$

Izomerizam različitih klasa organskih jedinjenja (međuklasni izomerizam) uzrokovan je različitim položajima i kombinacijama atoma u molekulama tvari koje imaju istu molekulsku formulu, ali pripadaju različite klase. Dakle, molekulska formula $C_6H_(12)$ odgovara nezasićenom ugljovodoniku heksenu-1 i cikličkom ugljovodoniku cikloheksanu:

Izomeri su ugljovodonik srodan alkinima - butin-1 i ugljovodonik sa dve dvostruke veze u butadien-1,3 lancu:

$CH≡C-(CH_2)↙(butin-1)-CH_2$ $CH_2=(CH-CH)↙(butadien-1,3)=CH_2$

Dietil etar i butil alkohol imaju istu molekularnu formulu $C_4H_(10)O$:

$(CH_3CH_2OCH_2CH_3)↙(\text"dietil eter")$ $(CH_3CH_2CH_2CH_2OH)↙(\text"n-butil alkohol (1-butanol)")$

Strukturni izomeri su aminooctena kiselina i nitroetan, koji odgovaraju molekulskoj formuli $C_2H_5NO_2$:

Izomeri ovog tipa sadrže različite funkcionalne grupe i pripadaju različitim klasama supstanci. Stoga se po fizičkim i kemijskim svojstvima razlikuju mnogo više od izomera ugljičnog skeleta ili pozicijskih izomera.

Prostorni izomerizam

Prostorni izomerizam podijeljen je u dvije vrste: geometrijski i optički. Geometrijski izomerizam karakteristika spojeva koji sadrže dvostruke veze i cikličkih spojeva. Budući da je slobodna rotacija atoma oko dvostruke veze ili u prstenu nemoguća, supstituenti se mogu nalaziti ili na jednoj strani ravnine dvostruke veze ili prstena ( cis-pozicija), ili od strane različite strane (trans-pozicija). Oznake cis- I trans- obično se naziva par identičnih supstituenata:

Geometrijski izomeri se razlikuju po fizičkim i hemijskim svojstvima.

Optički izomerizam nastaje kada je molekul nekompatibilan sa svojom slikom u ogledalu. To je moguće kada atom ugljika u molekuli ima četiri različita supstituenta. Ovaj atom se zove asimetrično. Primjer takvog molekula je molekul $α$-aminopropionske kiseline ($α$-alanin) $CH_3CH(NH_2)COOH$.

Molekul $α$-alanina ne može se podudarati sa svojim zrcalnu sliku. Takvi prostorni izomeri se nazivaju ogledalo, optički antipodi, ili enantiomeri. Sve fizičke i skoro sve hemijska svojstva ovi izomeri su identični.

Proučavanje optičke izomerije je neophodno kada se razmatraju mnoge reakcije koje se javljaju u tijelu. Većina ovih reakcija odvija se pod djelovanjem enzima – bioloških katalizatora. Molekuli ovih supstanci moraju odgovarati molekulima spojeva na koje djeluju, poput ključa od brave, dakle, prostorne strukture relativnu poziciju područja molekula i drugi prostorni faktori utiču na tok ovih reakcija velika vrijednost. Takve reakcije se nazivaju stereoselektivni.

Većina prirodnih spojeva su pojedinačni enantiomeri, a njihovo biološko djelovanje oštro se razlikuje od svojstava njihovih optičkih antipoda dobivenih u laboratoriju. Takva razlika u biološkoj aktivnosti je od velike važnosti, jer je u osnovi najvažnijeg svojstva svih živih organizama - metabolizma.

Homologna serija je niz supstanci raspoređenih u rastućem redoslijedu u odnosu na njihov srodnik molekulske težine, slične strukture i hemijskih svojstava, pri čemu se svaki član razlikuje od prethodnog po homološkoj razlici $CH_2$. Na primjer: $CH_4$ - metan, $C_2H_6$ - etan, $C_3H_8$ - propan, $C_4H_(10)$ - butan, itd.

Vrste veza u molekulima organskih tvari. Hibridizacija atomskih orbitala ugljika. Radikalna. Funkcionalna grupa.

Vrste veza u molekulima organskih tvari.

U organskim jedinjenjima ugljenik je uvijek četverovalentan. U pobuđenom stanju, par $2s^3$ elektrona je slomljen u njegovom atomu i jedan od njih se pomiče na p-orbitalu:

Takav atom ima četiri nesparena elektrona i može sudjelovati u formiranju četiri kovalentne veze.

Na osnovu navedenog elektronska formula valentni nivo atoma ugljenika, očekivalo bi se da sadrži jedan $s$-elektron (sferna simetrična orbitala) i tri $p$-elektrona koji imaju međusobno okomite orbitale ($2r_h, 2r_u, 2p_z$-orbitala). U stvarnosti, sva četiri valentna elektrona atoma ugljika potpuno ekvivalentan a uglovi između njihovih orbitala jednaki su $109°28"$. Osim toga, proračuni pokazuju da svaka od četiri hemijske veze ugljika u molekuli metana ($CH_4$) iznosi $25%$ $s-$ i $75%$ $p $-veza, tj. miješanje$s-$ i $p-$ stanja elektrona. Ovaj fenomen se zove hibridizacija, i mješovite orbitale - hibrid.

Atom ugljenika u $sp^3$-valentnom stanju ima četiri orbitale, od kojih svaka sadrži jedan elektron. U skladu sa teorijom kovalentnih veza, ima sposobnost formiranja četiri kovalentne veze sa atomima bilo kojeg monovalentnog elementa ($CH_4, CHCl_3, CCl_4$) ili sa drugim atomima ugljika. Takve veze se nazivaju $σ$-veze. Ako atom ugljika ima jednu $C-C$ vezu, onda se zove primarni($N_3S-SN_3$), ako su dva - sekundarno($N_3S-SN_2-SN_3$), ako su tri - tercijarni (), a ako četiri - kvartarni ().

Jedan od karakteristične karakteristike atoma ugljika je njihova sposobnost da formiraju hemijske veze dijeleći samo $p$ elektrone. Takve veze se nazivaju $π$-veze. $π$ veze u molekulima organskih jedinjenja nastaju samo u prisustvu $σ$ veza između atoma. Tako su u molekuli etilena $H_2C=CH_2$ atomi ugljika povezani $σ-$ i jednom $π$ vezom, u molekuli acetilena $HC=CH$ - jednom $σ-$ i dvije $π$ vezom . Hemijske veze nastale uz učešće $π$ veza nazivaju se višestruki(u molekulu etilena - duplo, u molekuli acetilena - trostruko), i jedinjenja sa višestrukim vezama - nezasićeni.

Fenomen$sp^3$-, $sp^2$- I$sp$ - hibridizacija atoma ugljika.

Kada se formiraju $π$ veze, mijenja se hibridno stanje atomskih orbitala atoma ugljika. Budući da do formiranja $π$-veza dolazi zbog p-elektrona, onda će u molekulima s dvostrukom vezom elektroni imati $sp^2$-hibridizaciju (bilo je $sp^3$, ali jedan p-elektron ide u $π$- orbitala), a sa trostrukom - $sp$-hibridizacijom (dva p-elektrona otišla su na $π$-orbitalnu). Priroda hibridizacije mijenja smjer $σ$-veza. Ako tokom $sp^3$-hibridizacije formiraju prostorno razgranate strukture ($a$), onda tokom $sp^2$-hibridizacije svi atomi leže u istoj ravni i uglovi između $σ$-veza su jednaki $120° $(b) , a sa $sp$-hibridizacijom molekul je linearan (c):

U ovom slučaju, ose $π$-orbitala su okomite na osu $σ$-veze.

I $σ$- i $π$-veze su kovalentne, što znači da ih moraju karakterizirati dužina, energija, prostorni smjer i polaritet.

Karakteristike jednostrukih i višestrukih veza između C atoma.

Radikalna. Funkcionalna grupa.

Jedna od karakteristika organskih jedinjenja je da u hemijskim reakcijama njihovi molekuli ne razmenjuju pojedinačne atome, već grupe atoma. Ako se ova grupa atoma sastoji samo od atoma ugljika i vodika, onda se zove ugljovodonični radikal, ako ima atome drugih elemenata, onda se zove funkcionalna grupa. Tako, na primjer, metil ($SN_3$-) i etil ($S_2N_5$-) su ugljikovodični radikali, a hidroksi grupa (-$ON$), aldehidna grupa ( ), nitro grupa (-$NO_2$), itd. su funkcionalne grupe alkohola, aldehida i jedinjenja koja sadrže azot, respektivno.

Tipično, funkcionalna grupa određuje hemijska svojstva organskog jedinjenja i stoga je osnova za njihovu klasifikaciju.

Atomi ugljenika u organskim jedinjenjima su četvorovalentni i mogu biti u tri različita stanja hibridizacije (tabela 22.1).

Tabela 22.1

Hibridizacija atoma ugljika

U formiranju organskih spojeva posebnu ulogu igra sposobnost atoma ugljika da se međusobno povezuju i formiraju lance, razgranate lance i cikluse. C-C veze su znatno jače od veza između drugih identičnih atoma, što objašnjava stabilnost ugljikovih struktura:

Međusobno povezani atomi ugljika nazivaju se ugljični skelet molekule.

Prostorna konfiguracija ugljikovih struktura određena je hibridizacijom atoma ugljika. Kada dođe do ^-hibridizacije svih atoma, formiraju se cik-cak lanci. Kada se formira ciklus, atomi ugljika odstupaju od svog planarnog rasporeda. Primjeri su predstavljeni na dijagramima:

Ako cik-cak lanac sadrži atome ugljika u 5p stanju 2-hibridizacija, tada se pojavljuju oblasti sa planarnim rasporedom atoma. U prisustvu atoma ugljika u stanju sp-hibridizacije pojavljuju se linearni dijelovi lanca.

Terminalni atomi ugljika, koji se nazivaju primarni, imaju tri preostale valencije za dodavanje drugih atoma i atomskih grupa: H, OH, Cl, NH 2 itd. Neterminalni atomi vezani za dva atoma ugljika nazivaju sesekundarno. Dodata su im još dva atoma. U ugljičnom ciklusu nema primarnih atoma ugljika. Ako postoji grana u lancu, ona se pojavljuje tercijarni atom ugljika. Ostala mu je samo jedna valencija za dodavanje drugih atoma. Konačno, u lancu atoma ugljika iz jednog atoma mogu nastati dvije grane. Takav atom se zove kvartarni; vezan je samo za atome ugljika:

U molekuli s jednim atomom ugljika, ovaj atom se zoveizolovan.

U zavisnosti od vrste hibridizacije, ugljenik stvara jednostruke (a) i višestruke - dvostruke (a + l) i trostruke (a + 2l) veze. l-veze se mogu pojaviti ne samo između atoma ugljika, već i kod atoma vezanih za ugljik. Posebna vrsta hemijske veze je konjugirati dvostruka veza koja se javlja kada ima više od dva atoma u ugljikovom lancu u stanju 5p 2 hibridizacije (vidi sliku 6.26). Iz slike slijedi da nespareni elektroni u nehibridnim p-orbitalama mogu formirati veze između bilo kojeg susjednog atoma ugljika, a to dovodi do delokalizacije p-veze duž cijelog lanca $p 2 atoma ugljika. U hemijskim reakcijama, prisustvo n-veze može se pojaviti između atoma 1 I 2, zatim između atoma 2 i 3, itd.

Jedinjenja u kojima postoje višestruke veze i, shodno tome,sp 2 -i sp-ugljični atomi se nazivajunezasićeni. Ako su to ugljovodonici, onda je sadržaj vodika u njima manji od maksimalnog mogućeg. Ova jedinjenja pokazuju povećanu reaktivnost, budući da je elektronski oblak n-veze koncentrisan na dve strane C atoma i stoga se prilično lako kreće od jednog od dva atoma do drugog pod uticajem molekula reagensa.

IN najvažnije klase organski spojevi, osim ugljika i vodika, mogu sadržavati kisik, dušik, halogene i sumpor. Od ovih elemenata, vodonik ima nižu elektronegativnost od ugljika, dok ostali imaju veću elektronegativnost. Kovalentne veze ugljika s njima su više ili manje polarne, a atomi imaju djelomični električni naboj ± 8 :

Polaritet veza utiče na reaktivnost jedinjenja.

Atomi ugljika imaju inherentnu sposobnost formiranja stabilnih veza s nekoliko različitih atoma. To dovodi do mnogih kombinacija koje se rijetko susreću u neorganskoj hemiji. Hajde da uporedimo ugljenik i aluminijum. Potonji formira četiri halogenida (AIF3, A1C1 3, A1Br 3, AP 3) i hidrid A1H 3. Ugljik može proizvesti mnogo molekula uz istovremeno prisustvo različitih halogena, kao i vodonika i drugih atoma ugljika: CH 3 C1, CH 2 C1 2, CH 2 ClBr, CHFClBr, CH 3 CHC1Br, itd. To je također jedan od razloga raznolikosti organskih jedinjenja.

U organskoj hemiji, strukturne formule molekula se široko koriste. Strukturne formule može se prikazati sa različitim stepenom specifičnosti i aproksimacije stvarnoj strukturi. Razmotrimo nekoliko vrsta formula koje prikazuju molekulu propana.

U poliatomskim molekulima organskih spojeva moguća je kontinuirana rotacija atomskih grupa oko osi koje se poklapaju sa smjerom pojedinačnih C-C veza (skraćeno kažu: rotacija oko C-C veze). U samom jednostavan slučaj etan C 2 H 6 dvije CH 3 grupe rotiraju gotovo slobodno jedna u odnosu na drugu, kao dva kotača labavo postavljena na osovinu:

Molekule s ugljikovim lancima od četiri ili više atoma u procesu unutrašnja rotacija savijati se poput gusjenice, stvarajući sve vrste konformacija(međusobne pozicije) atoma i u zapremini i na ravni. Lanac od pet atoma ugljika ima tri planarne konformacije:

Između tri planarne konformacije nastaju trodimenzionalne prijelazne konformacije. Konformacija potkovice je pogodna za formiranje ciklične strukture.

Organski molekuli imaju pojedinačne dijelove (fragmente) koji se razlikuju po sastavu. Za glavni ugljikov lanac ili prsten mogu biti vezane grane koje se sastoje od ugljika i vodika, tzv ugljovodonični radikali. Najjednostavniji radikali koji se već susreću u tekstu su metil -CH 3 i etil -C 2 H 5 . Četvrta veza radikala predstavljena je crticom ili tačkom (CH 3). Preostali elementi, osim ugljika i vodika, u molekulima organskih jedinjenja smatraju se kao funkcionalne grupe. Ovaj termin je zbog činjenice da hemijske reakcije provode se uglavnom uz učešće ovih grupa. U organskim jedinjenjima CH 3 COOP i C 2 H 5 NH 2 koja se već susreću u tekstu, postoje funkcionalne grupe -COOH (karboksil) sa kisela svojstva i -NH 2 (amino grupa) sa osnovnim svojstvima.

Kazahstanski humanitarno-pravni Innovation University

odjel: Informaciona tehnologija i ekonomija

Na temu: „Klasifikacija organskih jedinjenja. Vrste komunikacije. Specifična svojstva organska jedinjenja. Strukturne formule. izomerizam."

Izvršio: student 1. godine, grupa E-124

Uvashov Azamat

Provjereno: Abylkasimova B. B

Semey 2010

1. Uvod

2. Klasifikacija organskih jedinjenja

3. Vrste komunikacije

4. Strukturne formule

5. Specifične osobine organskih jedinjenja

6. Izomerizam

Uvod

Teško je zamisliti napredak u bilo kojoj oblasti privrede bez hemije - posebno bez organske hemije. Sve oblasti privrede povezane su sa savremenom hemijskom naukom i tehnologijom.

Organska hemija proučava tvari koje sadrže ugljik, s izuzetkom ugljičnog monoksida, ugljičnog dioksida i soli ugljične kiseline (ova jedinjenja su po svojstvima bliža neorganskim jedinjenjima).

Kao nauka, organska hemija nije postojala sve do sredine 18. veka. Do tada su se razlikovale tri vrste hemije: životinjska, biljna i mineralna hemija. Animal chemistry proučavao tvari koje čine životinjske organizme; povrće– supstance koje čine biljke; mineral- tvari koje su dio nežive prirode. Ovaj princip, međutim, nije dozvoljavao odvajanje organskih supstanci od neorganskih. Na primjer, jantarna kiselina je spadala u grupu mineralnih supstanci, budući da je dobijena destilacijom fosilnog ćilibara, potaša je uvrštena u grupu biljnih supstanci, a kalcijum fosfat u grupu životinjskih supstanci, jer se dobijaju kalciniranje biljnih (drvo) i životinjskih (kosti) materijala.

U prvoj polovini 19. veka, predloženo je da se jedinjenja ugljenika odvoje u nezavisnu hemijsku disciplinu - organska hemija.

Među naučnicima u to vreme bila je dominantna vitalistički svjetonazor prema kojem se organska jedinjenja formiraju samo u živom organizmu pod utjecajem posebne, natprirodne “vitalne sile”. To je značilo da je nemoguće dobiti organske supstance sintezom iz neorganskih, između organskih i neorganska jedinjenja tu se nalazi nepremostivi ponor. Vitalizam se toliko ukorijenio u umove naučnika da se dugo vremena nisu pokušavali sintetizirati organske tvari. Međutim, praksa je opovrgla vitalizam, hemijski eksperiment.

Razvoj organske hemije je sada dostigao nivo koji nam omogućava da počnemo da rešavamo tako fundamentalni problem organske hemije kao što je problem kvantitativnog odnosa između strukture supstance i njenih svojstava, koja mogu biti bilo koja. fizička svojina, biološka aktivnost bilo kojeg strogo specificiranog tipa, rješavanje problema ove vrste se provodi korištenjem matematičke metode.

Klasifikacija organskih jedinjenja.

Ogroman broj organskih spojeva klasificira se uzimajući u obzir strukturu ugljičnog lanca (ugljični skelet) i prisutnost funkcionalnih grupa u molekuli.

Dijagram prikazuje klasifikaciju organskih spojeva ovisno o strukturi ugljičnog lanca.

Ugljovodonici se uzimaju kao osnova za klasifikaciju, smatraju se osnovnim jedinjenjima u organskoj hemiji. Sva ostala organska jedinjenja smatraju se njihovim derivatima.

Prilikom klasifikacije ugljikovodika uzimaju se u obzir struktura ugljikovog skeleta i vrsta veza koje povezuju atome ugljika.

I. ALIFATSKI (aleiphatos. grčki nafta) ugljovodonici su linearni ili razgranati lanci i ne sadrže ciklične fragmente, čine dvije velike grupe.

1. Zasićeni ili zasićeni ugljovodonici (nazvani tako jer ne mogu ništa da prikače) su lanci ugljikovih atoma povezani jednostavnim vezama i okruženi atomima vodika. U slučaju kada lanac ima grane, nazivu se dodaje prefiks iso. Najjednostavniji zasićeni ugljovodonik je metan, i tu počinje niz ovih jedinjenja.

ZASIĆENI UGLJOVODONICI

VOLUMETRIJSKI MODELI ZASIĆENIH UGLJOVODONIKA. Valencije ugljika su usmjerene na vrhove mentalnog tetraedra kao rezultat toga, lanci zasićenih ugljikovodika nisu ravni, već isprekidane linije.

Glavni izvori zasićenih ugljikovodika su nafta i prirodni gas. Reaktivnost zasićenih ugljikovodika je vrlo niska, oni mogu reagirati samo s najagresivnijim tvarima, na primjer, halogenima ili azotne kiseline. Kada se zasićeni ugljovodonici zagreju iznad 450 C° bez pristupa vazduha, C-C veze se prekidaju i nastaju jedinjenja sa skraćenom vezom karbonski lanac. Izlaganje visokim temperaturama u prisustvu kiseonika dovodi do njihovog potpunog sagorevanja do CO 2 i vode, što im omogućava da se efikasno koriste kao gasovito (metan – propan) ili tečno motorno gorivo (oktan).

Kada se jedan ili više atoma vodika zamijeni bilo kojom funkcionalnom (tj. sposobnom za naknadne transformacije) grupom, formiraju se odgovarajući derivati ​​ugljikovodika. Jedinjenja koja sadrže C-OH grupu nazivaju se alkoholi, HC=O - aldehidi, COOH - karboksilne kiseline(riječ "karboksilna" dodaje se kako bi se razlikovale od običnih mineralnih kiselina, na primjer, hlorovodonične ili sumporne). Jedinjenje može istovremeno sadržavati različite funkcionalne grupe, na primjer, COOH i NH 2, takva jedinjenja se nazivaju aminokiselinama. Uvođenje halogena ili nitro grupa u sastav ugljikovodika dovodi do halogena, odnosno nitro derivata.

NEZASIĆENI UGLJOVODONICI u obliku volumetrijskih modela. Valencije dva atoma ugljika povezanih dvostrukom vezom nalaze se u istoj ravni, što se može uočiti pod određenim uglovima rotacije, u kojoj tački rotacija molekula prestaje.

Najtipičnija stvar za nezasićene ugljikovodike je dodavanje višestruke veze, što omogućava sintetizaciju raznih organskih spojeva na njihovoj osnovi.

ALICIKLIČNI UGLJOVODONIKI. Zbog specifične orijentacije veza na atomu ugljika, molekula cikloheksana nije ravan, već zakrivljeni ciklus - u obliku stolice (/ - /), koji je jasno vidljiv pod određenim uglovima rotacije (pri ovome u trenutku kada rotacija molekula prestane)

Osim gore prikazanih, postoje i druge opcije za povezivanje cikličkih fragmenata, na primjer, mogu imati jedan zajednički atom (tzv. spirociklična jedinjenja), ili se povezati na način da su dva ili više atoma zajednički za oba ciklusa ( biciklična jedinjenja), kada se kombinuju tri i više ciklusa, moguće je i formiranje ugljovodoničnih okvira.

HETEROCIKLIČNA JEDINJENJA. Njihova imena su nastala historijski, na primjer, furan je dobio ime od furan aldehida - furfurala, dobivenog iz mekinja ( lat. krzno - mekinje). Za sva prikazana jedinjenja, reakcije adicije su teške, ali su reakcije supstitucije prilično lake. Dakle, ovo je aromatična jedinjenja nebenzenski tip.

Aromatičnost ovih jedinjenja potvrđuje ravna struktura ciklusa, koja je jasno uočljiva u trenutku kada je njihova rotacija suspendovana.

Raznolikost spojeva ove klase je dodatno povećana zbog činjenice da heterocikl može sadržavati dva ili više heteroatoma u prstenu

VRSTE KOMUNIKACIJE

Hemijska veza- ovo je interakcija čestica (atoma, jona) koja se vrši razmjenom elektrona. Postoji nekoliko vrsta komunikacije.
Prilikom odgovora na ovo pitanje treba se detaljnije zadržati na karakteristikama kovalentnih i jonskih veza.
Kovalentna veza nastaje kao rezultat dijeljenja elektrona (za formiranje zajedničkih elektronskih parova), što se događa tokom preklapanja elektronskih oblaka. Učestvuju u formiranju kovalentnih veza elektronski oblaci dva atoma.
Postoje dvije glavne vrste kovalentnih veza:

a) nepolarni i b) polarni.

a) Kovalentna nepolarna veza nastaje između nemetalnih atoma istog hemijskog elementa. Oni imaju takvu vezu jednostavne supstance, na primjer O 2; N 2; C 12. Možete dati dijagram formiranja molekule vodika:

(elektroni su označeni tačkama na dijagramu).
b) Između atoma različitih nemetala formira se polarna kovalentna veza.

Većina organskih spojeva ima molekularnu strukturu. Atomi u supstancama sa molekularni tip strukture uvijek formiraju samo kovalentne veze jedna s drugom, što se također primjećuje u slučaju organskih spojeva. Podsjetimo da je kovalentna vrsta veze između atoma koja se ostvaruje zbog činjenice da atomi dijele dio svojih vanjskih elektrona kako bi stekli elektronska konfiguracija plemeniti gas.

Na osnovu broja zajedničkih elektronskih parova, kovalentne veze u organskim supstancama mogu se podijeliti na jednostruke, dvostruke i trostruke. Ove vrste veza su u grafičkoj formuli označene jednim, dva ili tri reda, redom:

Višestrukost veze dovodi do smanjenja njene dužine, dakle jednostruke S-S veza ima dužinu od 0,154 nm, dvostruka C=C veza je 0,134 nm, trostruka C≡C veza je 0,120 nm.

Vrste veza prema metodi preklapanja orbitala

Kao što je poznato, orbitale mogu imati različit oblik, na primjer, s-orbitale su sferne i p-bučice. Iz tog razloga, veze se također mogu razlikovati u načinu na koji se elektronske orbitale preklapaju:

ϭ veze - nastaju kada se orbitale preklapaju na način da je područje njihovog preklapanja presječeno linijom koja povezuje jezgre. Primjeri ϭ-veza:

π-veze - nastaju kada se orbitale preklapaju, u dva regiona - iznad i ispod linije koja povezuje jezgra atoma. Primjeri π veza:

Kako znate kada molekul ima π i ϭ veze?

At kovalentni tip veze Uvek postoji ϭ-veza između bilo koja dva atoma, a π-veza samo u slučaju višestrukih (dvostrukih, trostrukih) veza. u ovom slučaju:

• Jednostruka veza je uvijek ϭ-veza
• Dvostruka veza se uvijek sastoji od jedne ϭ-veze i jedne π-veze
• Trostruku vezu uvijek formiraju jedna ϭ i dvije π veze.

Naznačimo ove vrste veza u molekuli propinske kiseline:

Hibridizacija orbitala atoma ugljika

Orbitalna hibridizacija je proces u kojem orbitale koje u početku imaju različitih oblika i energije se miješaju, formirajući zauzvrat isti broj hibridnih orbitala, jednakih oblika i energije.

Tako, na primjer, prilikom miješanja jednog s- i tri p- formiraju se četiri orbitale sp 3-hibridne orbitale:

U slučaju atoma ugljika uvijek učestvuje hibridizacija s- orbitala i broj str-orbitale koje mogu učestvovati u hibridizaciji variraju od jedne do tri p- orbitale.

Kako odrediti vrstu hibridizacije atoma ugljika u organskoj molekuli?

Ovisno o tome na koliko drugih atoma je atom ugljika vezan, on je ili u nekom stanju sp 3, ili u stanju sp 2, ili u stanju sp- hibridizacija:

Vježbajmo određivanje vrste hibridizacije ugljikovih atoma koristeći sljedeći primjer: organski molekul:

Prvi atom ugljika je vezan za dva druga atoma (1H i 1C), što znači da je u stanju sp-hibridizacija.

• Drugi atom ugljika je vezan za dva atoma - sp-hibridizacija
• Treći atom ugljika je vezan za četiri druga atoma (dva C i dva H) – sp 3-hibridizacija
• Četvrti atom ugljika vezan je za tri druga atoma (2O i 1C) – sp 2-hibridizacija.

Radikalna. Funkcionalna grupa

Pojam radikal najčešće označava ugljikovodični radikal, koji je ostatak molekule ugljikovodika bez jednog atoma vodika.

Ime ugljikovodičnih radikala formira se na osnovu naziva odgovarajućeg ugljikovodika zamjenom sufiksa –an na sufiks –il .

Funkcionalna grupa - strukturni fragment organske molekule (određene grupe atoma), koji je odgovoran za njegova specifična hemijska svojstva.

U zavisnosti od toga koja je od funkcionalnih grupa u molekulu supstance najstarija, spoj se klasifikuje u jednu ili drugu klasu.

R – oznaka ugljikovodika supstituenta (radikal).

Radikali mogu sadržavati višestruke veze, koje se također mogu smatrati funkcionalnim grupama, jer višestruke veze doprinose kemijskim svojstvima tvari.

Ako molekula organske tvari sadrži dva ili više funkcionalne grupe, takvi spojevi se nazivaju multifunkcionalnim.