Основные понятия органической химии

введение 
1. основные понятия органической химии

1. Предмет органической химии

   Органическая  химия изучает соединения углерода – углеводороды и их производные. Углеводородами называют простейшие органические вещества, в состав которых входят атомы только двух элементов – углерода и водорода. Говоря о производных, имеют в виду более сложные вещества, которые могут быть получены замещением атомов водорода в углеводородах на атомы других элементов (O, S, N, P, Cl и т.д.) или на сложные группировки атомов.

   Название органическая химия возникло в начале XIX века, когда было установлено, что вещества растительного и животного происхождения содержат углерод. Шведский химик Я. Берцелиус (1807 г.) предложил назвать вещества, получаемые из организмов, органическими, а науку, изучающую их – органической химией.

   Первоначальной  задачей органической химии было изучение вещества, находящегося в  живой природе. Однако постепенно всё  большее значение стали приобретать  продукты органического синтеза  – искусственно получаемые вещества, многие из которых не встречаются в природе. В изучении природных веществ постепенно переходили от простых веществ к более сложным, а затем и к изучению химических процессов, составляющих основу жизнедеятельности. Современная органическая химия изучает как природные, так и синтетические органические вещества – их строение, пути получения, свойства, возможности практического использования.

   Число соединений углерода гораздо больше всех остальных соединений, его не содержащих. Причиной такого многообразия является строение атома углерода, способного:

1. образовывать прочные связи с другими атомами углерода, что приводит к формированию цепей и циклов;
2. вследствие различного типа гибридизации формировать простые, двойные и тройные связи не только с одноимёнными атомами, но и другими элементами;
3. соединяться с четырьмя различными атомами, что позволяет углеродным цепям разветвляться, давая множество сложных структур.

2. Теория строения органических соединений

  Начиная с 1858 года, русский химик Александр Михайлович Бутлеров развивает и экспериментально обосновывает теорию химического строения органических соединений.

  В 1861 году в немецком городе Шпайере на съезде немецких естествоиспытателей он выступил со знаменитым докладом «О химическом строении вещества», где сформулировал основные положения теории строения органических веществ:

    1. Атомы, входящие в состав молекулы органического вещества, находятся не в беспорядочном состоянии, а соединены между собой в определённой последовательности согласно валентности.

      

          метан          этилен          этиловый спирт     уксусный альдегид

Атомы углерода в органических соединениях  способны образовывать цепи:

     – линейные 

     – разветвлённые  

     – замкнутые 

   Определённый  порядок и последовательность соединения атомов в молекуле А.М. Бутлеров назвал химическим строением.

   2. Свойства веществ зависят не только от состава молекулы, но и от последовательности соединения атомов в молекуле, от их взаимного влияния друг на друга. Это положение объясняет явление изомерии: два или более вещества, характеризующиеся одинаковым качественным и количественным составом и относительной молекулярной массой, но отличающиеся порядком взаимосвязи атомов в молекуле, т.е. строением и, следовательно, физическими и химическими свойствами, называют изомерами. Например, формуле С₄Н₁₀ отвечают два вещества, структурные формулы которых отличаются:

   

                    бутан                                    изобутан

  Эти вещества имеют одинаковую эмпирическую формулу С₄Н₁₀, но различные структурные формулы. В бутане атомы углерода образуют неразветвлённую цепь, в изобутане – разветвлённую. Вещества, имеющие различное строение, отличаются и свойствами, например температура кипения бутана -0,5 °С, а изобутана –  -11,7 °С. Явление изомерии – одна из причин многообразия органических соединений.

   3. Зная свойства вещества, можно  установить его строение и выразить конкретной структурной формулой. И наоборот, химическое строение органического соединения многое говорит о его свойствах.

    В органической химии выделяют три типа химических формул. Например, для метана СН₄ можно написать формулы:

     СН₄ 

            

    электронная  молекулярная  структурная

Структурные формулы веществ изображают в развёрнутом или сокращённом  виде: в сокращённых структурных  формулах обозначают связи атомов углерода между собой, но не показывают связи между атомами углерода и водорода.

 

  4. Химические свойства атомов, входящих в молекулу, меняются в зависимости от того, с какими атомами или группами атомов они связаны в данной молекуле. Причём наиболее сильно влияние атомов, непосредственно связанных друг с другом. Подтверждением данного положения является правило Марковникова: при гидрогалогенировании алкенов водород присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при двойной связи, а также правило влияния заместителей у аренов.

  Создание  теории Бутлерова сыграло важную роль в развитии органической химии. Теория строения создала предпосылки  для объяснения и прогнозирования  различных видов изомерии органических молекул, а также направлений и механизмов протекания химических реакций.

3. Классификация органических реакций и их механизмы

   Все  органические реакции классифицируют или по характеру химических превращений или по механизму протекания.

  По  характеру химических превращений органические реакции делят на следующие типы.

  1) Реакции замещения. Один атом (или группа атомов) замещается на другой атом (или группу атомов) с образованием новой молекулы:

   CH₄ + Cl₂ ® CH₃Cl + HCl

                                метан       хлорметан

   2) Реакции присоединения. В этом случае из двух (или нескольких) молекул образуется одно новое вещество:

   CH₂ = CH₂ + Br₂ ® CH₂Br – CH₂Br

                             этилен             1,2-дибромэтан

    К реакциям присоединения можно  отнести реакцию восстановления (действие восстанавливающего агента обозначают символом [H]: 
 

ацетон  пропанол-2

Реакция восстановления противоположна реакции окисления. Частным случаем  реакции восстановления является гидрирование:

СН₂ = СН₂             СН₃ – СН₃

     этилен                     этан

    3) Реакции отщепления. Исходная молекула отщепляет группу атомов, в результате чего образуется новое вещество, содержащее кратную связь: 

               этиловый спирт        этилен

   4) Перегруппировка (изомеризация). Такие реакции приводят к внутримолекулярным перемещениям атомов или групп атомов без изменения молекулярной формулы вещества: 

виниловый спирт  уксусный альдегид

    5) Окисление – реакция, при которой под действием окисляющего реагента, его обозначают символом [O], образуется новое соединение: 
 

уксусный  альдегид          уксусная кислота

  6) Реакции конденсации и поликонденсации являются также частным случаем реакции присоединения. В результате соединения нескольких молекул друг с другом, сопровождающегося выделением низкомолекулярных продуктов (Н₂О, NH₃ и др.), образуется сложное вещество с более высокой молекулярной массой:

НО–СН₂–СН₂–ОН +НО–СН₂–СН₂–ОН           НО–СН₂–СН₂–О–СН₂–СН₂–ОН 

    этиленгликоль  этиленгликоль     димер этиленгликоля

   7) Реакция разложения (расщепления)  приводит к образованию новых  веществ более простого строения:

   С₆Н₁₂О₆ ® 2 С₂Н₅ОН + 2 СО₂

                              глюкоза   этиловый спирт

  Каждая  из перечисленных реакций может  протекать по конкретному механизму. Под механизмом химической реакции  понимают путь, который приводит к  разрыву старой связи и образованию новой.

  Разрыв  ковалентной связи может протекать по двум механизмам: гетеролитическому (ионному) и гомолитическому (радикальному).

  1. Гетеролитический (ионный) механизм. Молекула А:В, состоящая из атомов А и В, под действием реагента С способна разрываться по двум направлениям с образованием ионов:

   А  :  В ® А⁺ + :В^-      или      А  :  В ® В⁺ + :А^-

H₃C–CH₂:I         C₂H₅⁺  +  :I^-

При этом механизме электронная пара, связывающая атомы А и В, не разъединяется, а полностью переходит к одному из атомов. В зависимости от характера реагента С и пути гетеролитического разрыва образуются различные продукты.

   Если  реагент (С⁺) не располагает электронной парой для вновь образующейся связи, а использует ту пару, которая принадлежала реагирующей молекуле, такой реагент называется электрофильным. К таким реагентам относятся Н⁺, Cl⁺, N⁺O₂, S⁺O₃H, R⁺,  R–C⁺=O и молекулы со свободными орбиталями (AlCl₃, ZnCl₂ и др.). Реакции, идущие с участием таких реагентов, называются реакциями электрофильного замещения или присоединения:

                              С₆Н₆ + Сl⁺ ® C₆H₅Cl + H⁺                                 (S_E)

   Если реагент (:С^-) располагает электронной парой для образования новой связи, он называется нуклеофильным. К таким реагентам относятся анионы или молекулы, содержащие атомы с неподелёнными электронными парами: НО^-, R^-O, Cl^-, RCOO^-, CN^-, R^-, NH₂, H₂O, NH₃, C₂H₅OH. Реакции, протекающие с участием таких реагентов, называются реакциями нуклеофильного замещения или присоединения:

  CH₃ – CH₂Br + :OH^-

CH₃ – CH₂ – OH + :Cl^-            (S_N)

   2. Гомолитический (радикальный) механизм. При гомолитическом расщеплении связи электронная пара, соединяющая атомы, не переходит полностью к одному из атомов, а разъединяется с образованием свободных радикалов:

   А : В ® А +  В