Основи теорії будови органічних сполук

                               Зміст

 

1.Основи теорії будови органічних сполук……………2

2.Гомологічний ряд органічних сполук…………….….5

3.Класифікація і номенклатура органічних сполук.…7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            Основи теорії будови органічних  сполук

Поняття «хімічна будова» вперше ввів О. М. Бутлеров у 1861 р. Він зауважував, що властивості речовин визначаються не тільки їхнім складом (якісним  і кількісним), як вважалося раніше, а й внутрішньою структурою молекул, тобто порядком з'єднання атомів один з одним, які входять до складу молекули. Цей порядок і є хімічною будовою молекули. У поняття «хімічна будова» О. М. Бутлеров включав також характер зв'язку атомів, їхній взаємний вплив один на одного. Наприклад, водень і кисень, утворивши воду, настільки змінилися від взаємного впливу, що вода вже не має властивостей ні водню, ні кисню, хоча й містить Гідроген і Оксиген, що входили до складу відповідно водню і кисню. У молекулі фенолу С6Н5ОН бензольне ядро впливає на властивості гідроксильної групи, посилюючи її кислотність (аналогія зі спиртами): 

 

 

 

Гідроксильна група, у свою чергу, впливає на властивості бензольного  ядра і полегшує заміщення в ньому  атомів Гідрогену:

      

 

Так, на прикладах з неорганічної та органічної хімії ми спостерігаємо  взаємний вплив атомів. Хімічну будову молекул виражають за допомогою  структурних формул.

 

                    Олександр Михайлович Бутлеров (1828—1886)

Російський хімік-органік, професор Казанського (1854—1868), а далі до кінця  життя професор Петербурзького університетів, академік Петербурзької АН (з 1871). Почесний член Московського і Київського університетів. За-сновник великої школи російських хіміків-органіків. Створив і обгрунтував теорію хімічної будови. Добув ізобутилен і відкрив реакцію його полімеризації. Синтезував низку органічних сполук, серед яких перший в історії хімії синтез цукристої речовини (1861). Його праці з гідратації етилену покладено в основу одного з сучасних способів добування етилового спирту.      

 

Структурні формули передають  порядок зв'язку атомів у молекулі, але не показують взаємного розміщення їх у просторі.     

 

Структурні формули завжди записують  для окремої молекули, позначаючи рисочкою кожну зв'язувальну електронну пару. Вони справедливі тільки для  речовин молекулярної будови. До таких  речовин належать більшість органічних сполук, оксигеновмісні кислоти (крім НР03 і H2Si03) та деякі оксиди неметалів (CO, C02, NO, N02, S02, H20 тощо). Так, структурні формули сульфатної та ацетатної кислот передають порядок розміщення атомів у молекулах кислот.

 

  

 

Структурні формули не слід плутати  із застарілим графічним зображенням  формул, де рисочкою позначається не спільна  електронна, а ступінь окиснення  елемента. Наприклад, графічне зображення формули хлориду натрію Na—СІ не можна вважати структурною формулою, оскільки NaCl — йонна сполука. В узлах її кристалічних ґраток містяться не молекули; а йони Na+ і СІ- . Між ними немає зв'язку, утвореного парою електронів, йони Na+ і СІ- утримуються разом завдяки електростатичному притяганню. Розглядаючи хімічну структуру як певну послідовність атомів у молекулі та їхній взаємний вплив один на одного, О. М. Бутлерову вдалося розкрити суть явища ізомерії, відомого ще з часів Й. Берцеліуса. Це пояснюється тим, що порядок сполучення атомів у молекулі впливає на властивості речовини.    

 

Ізомерія — це явище існування речовин з однаковим якісним і кількісним складом, але різною хімічною будовою, а тому й різними властивостями.     

 

Теорія хімічної будови, яка спочатку була сформульована як учення про  будову органічних сполук, виявилася  справедливою і для неорганічних речовин, які мають молекулярну  будову. У результаті вона стала  загальною теорією хімії.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                    Гомологічні ряди органічних сполук

Серед різноманіття органічних сполук можна виділити групи речовин, які подібні за хімічними властивостями  і відрізняються один від одного на групу СН2.

Гомологи - це з'єднання, подібні  за хімічними властивостями, склад  яких відрізняється один від одного на одну чи кілька груп СН2.

Гомологи, розташовані в  порядку зростання їх відносної  молекулярної маси, утворюють гомологічний ряд.

Гомологічного різниця - це групи СН2.

Прикладом гомологічного  ряду може служити ряд граничних  вуглеводнів (алканів).

Найпростіший його представник - метан СН4.

Формула будь-якого подальшого гомолога може бути отримана додатком до формули попереднього вуглеводню гомологічної різниці.

Склад молекул усіх членів гомологічного ряду може бути виражений  однією загальною формулою: СnН2n + 2, де n - число атомів вуглецю.

Гомологічні ряди можуть бути побудовані для всіх класів органічних сполук. Знаючи властивості одного з членів гомологічного ряду, можна  зробити висновки про властивості  інших представників того ж ряду. Це обумовлює важливість поняття  гомології при вивченні органічної хімії.

Класифікація органічних сполук.

Всі органічні сполуки  в залежності від природи вуглецевого  скелета можна розділити на ациклічні  та циклічні.

Ациклічні (нециклічні, цінні) з'єднання називають також жирними  або аліфатичними.

Ці назви пов'язані  з тим, що одними з перших добре  вивчених сполук такого типу були природні жири.

Серед циклічних сполук зазвичай виділяють: 1) карбоцікліческіх - молекули яких містять кільця з вуглецевих атомів; 2) гетероциклічні - кільця яких містять, крім вуглецю, атоми інших елементів (кисню, сірки, азоту та ін.)

Карбоцікліческіх з'єднання підрозділяються: 1) на аліциклічні (граничні і неграничні), схожі за властивостями на аліфатичні; 2) ароматичні - містять бензольні кільця.

Функціональні групи - це групи  атомів, які визначають хімічні властивості  даного класу сполук.

Наявність цих груп дозволяє розділити типи органічних сполук на класи та полегшити їх вивчення.

Класи сполук: а) спирти, б) феноли; в) альдегіди; г) кетони; д) карбонові  кислоти; е) нітросполуки; ж) первинні аміни; із) аміди кислот.

Властивості вільних радикалів: 1) зазвичай дуже нестійкі; 2) хімічно  дуже активні; 3) швидко перетворюються в стійкі молекули.

Індуктивний ефект - це зміщення електронної густини від одного атома до іншого в результаті їх різної електронегативності. Відбувається поляризація зв'язку.

 

 

 

 

 

 

Номенклатурні системи в органічній хімії –  тривіальна, раціональна та міжнародна (IUPAC) (радикально-функціональна і  замісникові).

Тривіальна (історична) номенклатура пов’язана із процесом одержання речовин (пірогалол – продукт піролізу галової кислоти), джерела походження, з якого одержували (мурашина кислота) та інше.

Тривіальні назви сполук широко застосовують у хімії природних  і гетероциклічних сполук (цитраль, гераніол, тіофен, пірол, хінолін та ін.).

В основі раціональної номенклатури використовується принцип поділу органічних сполук на гомологічні ряди: усі речовини в певному гомологічному ряді розглядаються як похідні найпростішого представника даного ряду – першого або іноді другого. Зокрема, в алканів – метану, в алкенів – етилену і т. п.

Міжнародна номенклатура (IUPAC).

Правила сучасної номенклатури були розроблені у 1957 році на ХІХ конгресі Міжнародного союзу теоретичної  і прикладної хімії (International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC).

Розглянемо замісникові  та радикально-функціональну номенклатуру ІЮПАК.

Замісникові номенклатура. Правила номенклатури.

1. При утворенні назв за замісниковою номенклатурою органічні сполуки розглядають як похідні найпростіших вуглеводнів, у молекулі яких один або декілька атомів Гідрогену замішені на інші атоми або групи атомів, які називаються замісниками.

2. Визначають, які функціональні групи входять до складу сполуки і вибирають серед них старшу, якщо вона є:

– COOH > –SO₃H > –COOR > –C(O)Cl > –C(O)NH₂ > –CºN > –C(O)H > – >C=O > –OH > –SH > –NH₂ > –Hal (F, Cl, Br, I).

3. Визначають родоначальну структуру молекули. Це є структурний фрагмент молекули, що лежить в основі назви.

В ациклічних сполуках –  це головний вуглецевий ланцюг, у карбоциклічних і гетероциклічних – цикл.

За  головний вуглецевий ланцюг обирають той, котрий містить максимальне (у  порядку убиваючої значимості) число: 1) функціональних груп; 2) кратних зв’язків; 3) атомів Карбону; 4) замісників.

Замісником називають будь-який атом або групу атомів, котрі не входять до родоначальної структури. Поняття “замісник” включає у себе функціональну групу і радикал.

Радикал – це залишок молекули вуглеводню, що утворюється в результаті видалення одного або декількох атомів Гідрогену. Утворену вільну валентність позначають рискою. За кількістю вільних валентностей розрізняють одно- дво-  і тривалентні радикали:

В залежності від природи  атома Карбону розрізняють первинні, вторинні і третинні радикали. 

4. Визначивши родоначальну структуру, нумерують її атоми таким чином, щоб старша дістала, по можливості, найменший номер. Якщо старшої групи немає, перевагу надають кратним зв’язкам, а при їх відсутності – замісникам.

5. Складають назву сполуки, дотримуючись такої послідовності:

-                                алфавітний порядок функціональних груп, окрім старшої, та вуглеводневих радикалів (префікс);

-                                назва родоначальної структури (корінь);

-                                кратні зв’язки і старшу функціональну групу (суфікс).

= зв’язок – “ен”, º зв’язок – “ин(ін)”

Кількість замісників: ди – (два), три – (три), тетра – (чотири), пента – п’ять.

Радикально-функціональна  номенклатура. В основі цих назв лежить назва функціонального класу (спирт, етер, кетон і ін.), якому передують назви вуглеводневих радикалів, наприклад: алілхлорид, діетиловий етер, диметилкетон, пропіловий спирт.

У випадку наявності в  сполуці декількох функціональних груп, то саме старша функціональна  група визначає приналежність до класу, а замісники позначають літерами грецького алфавітуa, b, g, d і т. д., причому літерою a позначається перший атом від функціональної групи, а для назви родоначальної структури використовують тривіальну назву: 

 

 

  аланін (тривіальна назва) 

 

 

 2-амінопропанова кислота (замісникова ІЮПАК) 

 

 

 a-амінопропіонова кислота (радикально-функціональна)

 

 

Структурна  ізомерія органічних сполук: ізомерія вуглецевого скелету, ізомерія положення, ізомерія функціональної групи. Правила  виведення ізомерів. Поняття про  таутомерію. 

 

 

Статична структурна ізомерія – це ізомерія речовин, яка пов’язана  з певною послідовністю сполучення атомів між собою в молекулах  і при якій ізомери не перетворюються самовільно один в одного.

Правила виведення  ізомерів

1.     Перший ізомер має в ланцюгу найбільшу кількість атомів Карбону.

2.     Другий ізомер має в ланцюгу на один атом Карбону менше. Пам’ятайте, алкільні радикали не можна ставити біля першого і останнього атомів Карбону основного ланцюга. Алкільні радикали розміщують тільки біля нерівноцінних атомів Карбону.

3.     При заданій кількості атомів Карбону проводять переміщення функціональних груп.

4.     Надалі знову зменшують кількість атомів Карбону в основному ланцюгу на один. Пам’ятайте, радикали етил і інші не можна ставити біля другого і передостаннього атомів Карбону основного ланцюга.

5.     Різні ізомери повинні мати різну хімічну назву (при цьому слід дотримуватись правил замісникової номенклатури). 

 

Таутомерія – динамічна  структурна ізомерія, яка пов’язана  з оборотним перенесенням атомів у вигляді катіона або аніона від однієї молекули до іншої. Найчастіше відбувається перенесення протона  Н⁺ і тому таку таутомерію називають прототропною. До неї належить таутомерія, що пов’язана з підвищеною рухливістю атома Гідрогену в a-положенні до електроноакцепторних груп.

Види таутомерії:

1) Кето-енольна 

 

2) Нітро-аци-нітро таутомерія  

 

3) Лактим-лактамна таутомерія  

 

4) Азольна таутомерія 

 

5) Імін-енамінна таутомерія  

 

6) Нітрозо-оксимна таутомерія