Подготовка к ЕГЭ по химии. Теория органического строения Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова.

Теория органического строения Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова

Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается структурной формулой (формулой строения).

Органические вещества содержат в своей основе УГЛЕРОДНЫЕ ЦЕПИ, в которых углерод имеет валентность IV.

Связи между атомами углерода в органических цепях бывают одинарные, двойные и тройные.

Кроме углерода, в органических веществах чаще всего присутствуют: атомы Н, атомы О (двухвалентные), а также атомы азота, галогенов и ещё некоторые виды атомов.

2) Свойства веществ зависят не только от вида и числа атомов в молекуле, но и от их взаимного расположения – т.е. от строения молекулы. Это приводит к тому, что вещества одного и того же состава могут иметь разное строение, т.е. к появлению понятия ИЗОМЕРИИ.

3) По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.

4) Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга. Это отражается на химических и физических свойствах вещества.

1) Строение атома углерода.

Электронное строение атома углерода изображается следующим образом: 1s²2s²2p² или схематически

Углерод в органических соединениях четырехвалентен.

Это связано с тем, что при образовании ковалентной связи атом углерода переходит в возбужденное состояние, при котором электронная пара на 2s- орбитали разобщается и один электрон занимает вакантную p-орбиталь. Схематически:
   ––>    

В результате имеется уже не два, а четыре неспаренных электрона.

2) Сигма и пи-связи.

• Сигма-связь – это связь, в которой перекрывание орбиталей происходит ВДОЛЬ ОСИ, соединяющей ядра атомов.

• Сигма-связь может быть образована всеми типами орбиталей (s,p,d, гибридными).

• Сигма-связь – это основная связь в молекуле, они более прочные и образуют скелет молекулы.

Между двумя атомами в химической частице возможна только одна σ-связь. Все σ-связи обладают осевой симметрией относительно межъядерной оси.

Пи-связь – это связь, в которой перекрывание орбитаоей происходит в плоскости, перпендикулярной оси, соединяющей ядра атомов, сверху и снизу от оси связи.

Пи-связь образуется при дополнительном перекрывании р- или d-орбиталей, перпендикулярных линии связи и параллельных друг другу.

Пи-связь- дополнительная к сигма-связи, она менее прочная и легче разрывается при химических реакциях.

Одинарные и кратные связи.

Поскольку четыре электрона у атома углерода различны (2s- и 2p- электроны), то должны бы быть различны и связи, однако известно, что связи в молекуле метана равнозначны. Поэтому для объяснения пространственного строения органических молекул используют метод гибридизации.

1. Если в гибридизации участвуют все четыре орбитали возбужденного атома углерода (одна 2s- и три 2p- орбитали), то образуются четыре новых равноценных sp³- гибридных орбитали, имеющие форму вытянутой гантели. Вследствие взаимного отталкивания sp³- гибридные орбитали направлены в пространстве к вершинам тетраэдра и углы между ними равны 109⁰28' (наиболее выгодное расположение).

2. При sp²-гибридизации гибридизуются одна s- и две р-орбитали и образуются три гибридные орбитали, оси которых расположены в одной плоскости и направлены относительно друг друга под углом 120°.

3. При sp-гибридизации гибридизуются одна s- и одна р-орбитали и образуются две гибридные орбитали, оси которых расположены на одной прямой и направлены в разные стороны от ядра рас­сматриваемого атома углерода под углом 180°.

ТИПЫ ГИБРИДИЗАЦИИ в органических веществах.

между

связями

Примеры

sp

линейная

180^o

Атом С с тройной и одинарной связью или с двумя двойными связями.

̶ С≡ или =С=

sp²

треугольная

120^o

Атом С с двойной и двумя одинарными связями

̶ С =

∣

sp³

тетраэдрическая

109,5^o

Атом С с четырьмя одинарными связями

Строение сигма (1) и пи (2) связей молекулы этилена.

Строение ацетилена

Sp³- гибридизация

Sp² - гибридизация

Sp- гибридизация

4) Изомерия.

Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав (число атомов каждого типа), но разное взаимное расположение атомов – разное строение.

Виды изомерии

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

  СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ.

1. Изомерия  углеродного скелета: вещества различаются строением углеродной цепи, которая может быть линейная или разветвленная.

Веществ с молекулярной формулой С₄Н₁₀ существует два:

2. Изомерия положения обусловлена различным положением функциональной группы или заместителя при одинаковом углеродном скелете молекул. Так, существует два изомерных предельных спирта с общей формулой С₃Н₈О: пропанол-1 (н-пропиловый спирт) пропанол-2 (изопропиловый спирт):

СН₃ – СН₂ – СН₂ – ОН и СН₃ – СН – СН₃

│

ОН

Изомерия непредельных соединений может быть вызвана различным положением кратной связи, как, например, в бутене-1 и бутене-2:

СН₃-СН₂-СН=СН₂ и СН₃-СН=СН-СН₃

3. Межклассовая изомерия – ещё один вид структурной изомерии, когда вещества из разных классов веществ имеют одинаковую общую формулу.

Пары межклассовых изомеров:

C_nH_2n - алкены и циклоалканы

C_nH_2n-2 - алкины и алкадиены (а также циклоалкены)

С_nH_2n+2O - спирты и простые эфиры.

C_nH_2nO - альдегиды и кетоны, а также: циклические спирты, циклические эфиры, непредельные спирты и эфиры.

C_nH_2nO₂ - карбоновые кислоты и сложные эфиры. 

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗОМЕРИЯ.

1. Геометрическая изомерия (или цис-транс-изомерия) .

Геометрическая изомерия свойственна соединениям, содержащим двойные связи 

С = С и неароматическим циклическим соединениям; она обусловлена невозможностью свободного вращения атомов вокруг двойной связи или в цикле.

В этих случаях заместители могут быть расположены либо по одну сторону плоскости двойной связи или цикла (цис-положение), либо по разные стороны (транс-положение).

Примерами геометрических изомеров могут служить две формы этилен-1,2-дикарбоновой кислоты — цис-форма, или малеиновая кислота , и транс-форма, или фумаровая кислота , а также цис- и транс-формы циклопропан-1,2-дикарбоновой кислоты 

  Геометрические изомеры обычно существенно различаются по физическим свойствам (температурам кипения и плавления, растворимости, дипольным моментам, термодинамической устойчивости и др.). В таблице приведены некоторые свойства геометрических изомеров — малеиновой и фумаровой кислот.

Некоторые физические свойства малеиновой и фумаровой кислот

(цис-форма)

Фумаровая кислота

(транс-форма)

Температура плавления, °С

130

286

Растворимость в 100 г воды при 20 °С, г

78,8

0,7

Константа диссоциации при 25°С(К₁)

1,17·10^-2

9,3·10^-4

2. Оптическая изомерия свойственна молекулам органических веществ, не имеющим плоскости симметрии (плоскости, разделяющей молекулу на две зеркально тождественные половины) и не совмещающимся со своим зеркальным отображением (т. е. с молекулой, соответствующей этому зеркальному отображению).

Такие асимметричные молекулы обладают оптической активностью — способностью к вращению плоскости поляризации света при прохождении поляризованного луча через кристалл, расплав или раствор вещества.

Чаще всего оптическая активность обусловлена наличием в молекуле асимметрического атома углерода, т. е. атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями.

Примером может служить молочная кислота: CH₃C^*H(OH)COOH (асимметрический атом углерода отмечен звёздочкой). Согласно тетраэдрической модели атома углерода, заместители располагаются в углах правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода:

Как видно из приведённых формул, молекула молочной кислоты ни при каком перемещении в пространстве не может совпасть со своим зеркальным отображением. Эти две формы кислоты относятся друг к другу, как правая рука к левой, и называются оптическими антиподами (энантиомерами).