Схема 1. Основные принципы номенклатуры ИЮПАК.

      

6. Классификация органических соединений

   Огромное  количество органических соединений, которых в настоящее время насчитывается около 6 млн., классифицируются с учётом строения углеродной цепи, степени насыщенности и присутствующих в молекуле функциональных групп. В формировании скелета молекулы могут участвовать не только атомы углерода, но и другие атомы, которые называют гетероатомами (О, S, N, Р и др.). Они могут соединяться в различной последовательности, образуя цепи и циклы. В соответствии с этим все органические соединения делят на следующие группы:

                                 Органические соединения

      

     Незамкнутая цепь    Замкнутая цепь

 Ациклические              Циклические 

  (алифатические)      

Насыщенные Ненасыщенные       Цикл состоит            Цикл состоит

  (предельные) (непредельные)         только из атомов    из атомов углерода

                                          углерода        и других элементов

                                   Карбоциклические   Гетероциклические 

            

Алициклические                Ароматические

                    (с одинарными связями) 
 

                    циклобутан     циклогексан       бензол        нафталин

7. Строение атома углерода

7.1. Электронная оболочка  атома

   Наименьшей  частицей химического элемента, которая  является носителем его свойств, является атом. Атомы состоят из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и отрицательно заряженных электронов, окружающих ядро. Именно с процессами, происходящими в электронной оболочке атомов, связаны химические явления.

   Электроны не подчиняются законам классической механики, а обладают свойствами как  частицы, так и волны. Околоядерное пространство, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется электронным облаком или электронной орбиталью. Согласно квантовой механике состояние электрона, характер его орбиталей определяются четырьмя квантовыми числами: главным n и тремя побочными – орбитальным l, магнитным m и спиновым s.

   Главное квантовое число n определяет расстояние размер электронного облака и может принимать целочисленные значения 1, 2, 3 и т.д. Главное квантовое число одновременно определяет энергию электрона, его энергетический уровень. Увеличение главного квантового числа ведёт к возрастанию энергии электрона.

   Орбитальное квантовое число l описывает форму (симметрию) орбиталей. Оно может принимать значения от 0 до n – 1.  При n = 1 число l = 0, чему соответствует сферическое электронное облако, в центре которого находится атомное ядро (рис. 1). Такие электроны называют s-электронами.

   Значению  l = 1 отвечает электронное облако в виде двух эллипсоидов (для наглядности их часто изображают в виде «гантелей»), между которыми находится атомное ядро (рис. 2). Такие электроны называют р-электронами.

   Эти два состояния электронов, находясь в пределах одного энергетического  уровня, различаются по энергиям –  находятся на разных энергетических подуровнях, причём энергия р-электронов несколько больше, чем у s-электронов.

   

     
 
 

                                                                        2р_х 

Рис. 1. Сферическая s-орбиталь    Рис. 2. р-электронное облако 

   Магнитное квантовое число m характеризует пространственную ориентацию орбиталей, а также число орбиталей на соответствующем подуровне. Это число может изменяться от –l до +l.    При l = 0 m также равно нулю, в этом случае возможна только одна s-орбиталь. Если l = 1, то m= -1, 0, +1; при этих значениях возможны три гантелеобразные р-орбитали, направленные по трём взаимно перпендикулярным осям координат и обозначаемые как р_х, р_у и р_z.

   Спиновое квантовое число s характеризует вращение электрона вокруг собственной оси. Оно соответствует двум возможным ориентациям электрона в магнитном поле и имеет два значения: +½ и  –½ (вдоль или против силовых линий).

     Согласно принципу Паули, в атоме не может быть электронов с одинаковыми значениями всех четырёх квантовых чисел. Это означает, что на одной и той же орбитали могут находиться лишь два электрона с антипараллельными спинами, но с одинаковыми значениями n, m и s. Такие электроны называют спаренными, или неподелённой электронной парой. Условно их изображают в виде противоположно направленных стрелок, размещённых в квантовой ячейке – квадрате:       

    Именно  электронные пары ответственны за образование связей в молекулах органических веществ.

7.2. Валентные состояния углерода. Гибридизация

   Атом  углерода – основа органических веществ, поэтому его электронное строение представляет особый интерес при  изучении органической химии.

    Углерод – первый элемент IV группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Два его электрона (в состоянии 1s²) находятся на внутреннем уровне, а на внешнем – четыре электрона (в состоянии 2s² и 2р²). Электронная конфигурация атома углерода в основном (невозбуждённом) состоянии выглядит следующим образом:

    

           или  1s²2s²2p²  (1s²2s²2p_x2p_y)

                                                                     2p²  

    В этой схеме видно, что в невозбуждённом атоме углерода всего два неспаренных  электрона. В таком состоянии  углерод должен быть двухвалентным. Однако хорошо известно, что в подавляющем большинстве соединений углерод четырёхвалентен. Это противоречие можно устранить, если принять во внимание, что атом углерода во время химической реакции возбуждается (с затратой энергии 420 – 630 кДж/моль) и один из 2s-электронов переходит на свободную р-орбиталь:

   

   

              1s²2s¹3p³

               основное состояние  С   возбуждённое (валентное)

                                                         состояние С*

   В возбуждённом состоянии у атома  углерода уже четыре неспаренных  электрона: на 2s-, 2p_x-, 2p_y- и 2p_z-орбиталях. Эти электроны различны по энергии и форме орбиталей. Однако, в симметрично построенных органических соединениях (например, в СН₄ и CCl₄) все четыре связи равноценны. Для объяснения этого факта было введено понятие о гибридизации орбиталей.

   Смысл этого понятия заключается в  том, что близкие по энергии молекулярные орбитали могут взаимодействовать  между собой, образуя «усреднённые»  орбитали, обладающие одинаковой (более  низкой) энергией и формой. 

   При взаимодействии s-орбитали с р_х-орбиталью образуются две sp-гибридизованные орбитали, имеющиеся, например, у атомов углерода в ацетилене, ориентированные по оси х. (Рис. 3). Остальные две негибридизованные 2р-орбитали расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Такой тип гибридизации называется            sp-гибридизацией (или диагональной гибридизацией).

   В случае sp²-гибридизации (тригональная гибридизация) взаимодействуют две р-орбиталии s-орбиталь, то три образовавшиеся sp²-орбитали лежат в одной плоскости, образуя между собой угол в 120° (этилен) (Рис. 4).

    sр³-гибридизация (тетраэдрическая) происходит при смешении одной s- и трёх р-орбиталей (Рис. 5). Возникают четыре одинаковые электронные орбитали, направленные к вершинам правильного тетраэдра и образующие между собой угол 109°28^/ (например, метан).   
 
 
 
 
 

Рис. 3. Схема гибридной sp-орбитали.      Рис. 4. Гибридные sp²-орбитали. 

     
 
 
 
 
 
 

   Рис. 5. Электронные орбитали атома  углерода в состоянии sp³-гибридизации.

   Вопросы и задания

1. Почему данный раздел химии получил название «органическая химия»?
2. В чём причина многообразия органических веществ?
3. Перечислите основные положения теории А.М. Бутлерова.
4. Раскройте сущность понятия «изомерия». На примере пентана (С₅Н₁₂) напишите структурные формулы возможных изомеров и дайте им названия.
5. На какие типы можно разделить органические реакции по характеру химических превращений? Какие вы знаете механизмы разрыва ковалентной связи?
6. Что обозначают квантовые числа n, l, m, s?
7. При каком значении орбитального квантового числа электронное облако имеет сферическую форму, а при каком эллипсоидную?
8. В чём заключается сущность понятия гибридизации? Под каким углом в плоскости расположены sр²-гибридные орбитали?
9. Какие признаки лежат в основе классификации органических веществ?
10. Приведите примеры алифатических, карбоциклических и гетероциклических соединений.

   Глава 2. Углеводороды

1. Предельные углеводороды (алканы)

1.1. Гомологический ряд алканов. Номенклатура

  Алканы  являются углеводородами, все связи  углерода в которых заняты водородом, т.е. насыщены до предела. Поэтому их называют насыщенными или предельными углеводородами. Их также называют парафинами. Простейшим представителем алканов является метан – СН₄. Существует ряд углеводородов, подобных метану.

  Таблица 1

  Некоторые представители гомологического ряда метана