Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации Фармацевтический колледж Лекция «Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова.» Лихошерстова Е.В. Красноярск 2012

План лекции 1.Предмет и задачи органической химии. 2. Электронная структура атома углерода в органических соединениях. 3.Основные положения теории химического строения органических соединений А.М. Бутлерова. 4.Гибридизация электронных орбиталей, образование π- и σ- связи. 5. Изомерия, виды изомерии. 6. Химическое строение и свойства органических веществ. 7.Взаимное влияние атомов в молекулах органических веществ. 8.Электронные эффекты: индуктивный и мезомерный.

Органическая химия – химия углеводородов и их производных, т.е. продуктов, образующихся при замене водорода другими атомами или группами атомов. Особенность строения атомов углерода. Углерод находится во II ом периоде IV ой А группы. У атома 6 протонов и 6 нейтронов. Радиус (R) атома небольшой. С 1S 2 2S 2 2P 2 – в нормальном состоянии. Небольшой радиус атома углерода прочно удерживает все 4 внешних электрона, отдаёт электроны с трудом. Если атому углерода сообщить энергию (Е), то электроны 2S 2 подуровня распариваются и тогда атом углерода приобретает 4 неспаренных электрона. Электроны S и P подуровней в этом состоянии гибридизируются, т.е. выравниваются по форме и энергии. Все четыре электрона приобретают форму неправильной восьмёрки. Электронные облака вытягиваются от ядра атома к вершинам правильного тетраэдра. Валентный угол равен 109º28.

Если гибридизируются 1S электроны и 3P электроны, то такое состояние атома называется SP 3 гибридизацией. S + P + P + P SP 3 + SP 3 + SP 3 + SP 3 Это - первое валентное состояние атома углерода. Такой вид гибридизации характерен для алканов. Если гибридизируются S + P + P + P SP 2 + SP 2 + SP 2 + P. Такой вид гибридизации - второе валентное состояние атома углерода. Формы неправильной восьмёрки имеют валентный угол равный 120º. Три гибридных облака идут на образование σ - связей (С С, С Н), а оставшийся Р – электрон сохранивший форму неправильной восьмёрки, идёт на образование π – связи. Если гибридизируются 1S электроны и 1P электроны, то образуется SP гибридизация. Гибридные облака располагаются под углом 180º. S + P + P + P SP + SP + P + P Оставшиеся два электрона (P) перекрываются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя две новые π – связи. Это третье валентное состояние, оно характерно для ацетиленовых.

Образование ковалентных связей в органических соединениях. Ковалентная полярная – у большинства органических соединений. Это – связь посредством электронных пар. Ковалентная связь характеризуется прочностью, направленностью в пространстве, валентным углом. Образование ковалентной связи происходит за счёт притяжения ядром атома одного электронного облака другого атома и наоборот. Прочность σ – связи зависит от энергии, которая затратилась на соединение обоих атомов и от области перекрытия электронных облаков. Чем больше выделяется энергии, чем больше происходит перекрытие электронных облаков, тем прочнее σ – связь. Соединение атомов углерода друг с другом происходит при высокой температуре, каждый атом углерода находится в SP 3 -гибридизации. Расстояние между атомами С-С = 0,154 нм σ-связи характеризуются прочностью, т.к. высокая энергия образования их связи. σ -связь характеризуется направленностью в пространстве, насыщенностью, полярностью. Ковалентная связь в молекуле может быть неполярной, полярной.

Положения теории химического строения органических соединений. Атомы в молекуле соединены в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Формулы веществ, где показан порядок соединения атомов, их последовательность, называются структурными формулами. В органической химии пользуются сокращенными структурными формулами, электронными, и. т. д. H H H C C H C 2 H 6 H H От порядка соединения атомов в молекуле, характера связей зависят свойства веществ. С 4 Н 10 - бутан

а в в а Н 3 С СН 2 СН 2 СН 3 t кип = 0,5 ºС. а - первичный атомом углерода (т.к. одну связь отдал на соединение с другим атомом углерода); в - вторичный атомом углерода. Н углерод третичный. Н 3 С С СН 3 СН 3 Изобутан (2-метилпропан) t кип = 11,7 ºС.

Вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение, обладающие разными свойствами, получили название - изомеры. Виды изомерии. Углеродного скелета; Положения кратных связей; Положения функциональных групп; Пространственная; Межклассовая и т.д. С 3 Н 7 ОН Н 3 С СН СН 3 СН 3 СН 2 СН 2 ОН ОН пропанол - 1 пропанол - 2

Изучая свойства веществ, можно указать на строение и выразить его одной определенной формулой, которая отражает свойства вещества, его строение. С 2 Н 6 О Н 3 С СН 2 ОН Н 3 С О СН 3 О взаимном влиянии атомов в молекуле. Атомы, атомные группы содержащиеся в молекуле, влияют друг на друга. Это влияние тем сильнее, чем ближе атомы расположены друг к другу. СН 4 – метан СН 4 О – метанол Н Н Н С Н Н С ОН Н Н

В молекуле СН 4 прочная сигма-связь. Атом углерода удерживает водородные атомы. За счет прочных сигма связей СН 4 малоактивен. При нормальных условиях не окисляется, на него не действуют ни кислоты, ни щелочи. В молекуле СН 4 О три атома водорода прочно удерживаются атомами Н, а четвертый Н, связанный с атомом О, отличается подвижностью. Он легко замещается на металлы, остатки кислот. Это объясняется более полярной связью между кислородом и атомом водорода. В свою очередь, кислород влияет на остальные водородные атомы. Это проявляется в легкости окисления спиртов в сравнении с СН 4. Взаимное влияние атомов в молекуле более подробно изучили ученики Бутлерова (Марковников и Зайцев). Бутлеров впервые высказал мысли о пространственном расположении атомов в молекуле, о том, что между атомами существуют расстояния. Эти данные подтвердились в последующих исследованиях органических соединений (рентгеноскопический, спектроскопический методы).

Значение теории химического строения органических соединений. Теория глубоко материалистична, т.к. отражает познания материального мира. Теория навела порядок невообразимом хаосе, в котором была органическая химия в середине 19 века. Теория Бутлерова способствовали научной классификации органических веществ. Теория объяснила многообразие, многочисленность орг. мира. Теория помогла предсказать свойства ещё не открытых веществ и их строение. Бутлеров высказал мысли о познаваемости внутренней структуры молекул, о том, что атомы в молекуле находятся в движении и влияют друг на друга.

Ковалентная полярная – у большинства органических соединений. Ковалентная связь в молекуле может быть неполярной, полярной. Полярная связь характеризуется смещением электронной плотности к одному из атомов. Величина электроотрицательности установлена американским ученым Полингом и носит название шкалы Полинга. В периодической системе Э.О. растет слева направо по периоду, а в группах растет снизу вверх. Самым электроотрицательным элементом является фтор. F; O 2 ; Cl; N; Br; P; H 4; 3,5; 3,0; 3,0; 2,8; 2,0; 2,0 Э.О. атомов углерода зависит от его валентного состояния. Более электроотрицательной считается SP гибридизация (ацетиленовые углеводороды) Э.О = 3,2. SP 2 = 2,8 ; SP 3 = 2,5

В результате смещения электронной плотности в сторону электроотрицательного атома возникают частицы « + » и « - ». Смещение электронной плотности в молекуле обозначают прямой стрелкой. σ+ σ- CH 3 Cl хлорметан Смещение электронных пар, σ-связей от первого атома к другим вследствие их разной Э.О., получило название индукционного эффекта, который обозначается буквой J. Различают « + » и « - » J эффект. Атом, группа атомов, имеющий «+» J – те атомы, которые отталкивают энергию от себя в сторону заместителя. Таких групп мало. К ним принадлежат: + J (СН 3, С 2 Н 5, С 3 Н 7 и др. - J обладают атомы, группы атомов, которые притягивают на себя электронную плотность σ-связей (галогены,О 2, N 2, OH -, NO -,СН 2 =СН (винил-радикал), С 6 Н 5 -фенил-радикал). J – эффект Н = 0.

J по мере удаления от заместителя, затухает. Разновидностью индуктивного эффекта явлется мезомерный эффект. Он может быть положительным и отрицательным. М-эффект смещение электронов π -связи или неподеленных электронных пар по цепи. Еще называется эффектом резонанса или сопряжения. Он наблюдается в молекулах с сопряженным типом связи Н 2 С = CН – CН = CН 2 – бутадиен 1, 3 Н 2 С - CН – CН - CН 2 «+»М-эффект имеют галогены, ОН -, NH 2 - «-»М- эффект – альдегидная, карбоксильная, нитрогруппа. Рассмотрим влияние J эффекта на молекуле пропена. σ+ σ- CН 3 CН = CН 2 - пропен

Ответить на вопросы 1.Какие типы гибридизации электронных орбиталей атома углерода вы знаете? 2. Назовите основные положения теории химического строения органических соединений А.М. Бутлерова. 3. Что объясняет изомерия, какие виды изомерии вы знаете? 4. Приведите примеры взаимного влияния атомов в молекулах органических веществ. 5.Объясните электронные эффекты: индуктивный и мезомерный.

Основные источники: Тюкавкина Н.А., Лузин А.П., Зурабян С.Э. Органическая химия. Москва. "Медицина", – 512с. Дополнительные источники: Артеменко А.И. Органическая химия.: Изд. 2-е, испр. – М.: Высшая школа, – 536 с. Габриелян О.С. Практикум по общей, неорганической и органической химии: Уч. пос. для студ. проф. уч. завед. - М.: Академия, с. Электронная библиотека учебных материалов по химии [Электронный ресурс]. URL: КонТрен - Химия для всех. Учебно-информационный сайт. Студентам ХФ, учителям химии, школьникам и абитуриентам[Электронный ресурс]. URL: