Алкани(граничні вуглеводні, парафіни) – ациклічні насичені вуглеводні загальної формули n H 2n+2.Відповідно до загальної формули алкани утворюють гомологічний ряд.

Перші чотири представники мають напівсистематичні назви - метан (CH 4), етан (З 2 Н 6), пропан (З 3 Н 8), бутан (З 4 Н 10). Назви наступних членів ряду будуються з кореня (грецькі числівники) та суфікса - ан: пентан (З 5 Н 12), гексан (З 6 Н 14), гептан (З 7 Н 16) і т.д.

Атоми вуглецю в алканах знаходяться в sp 3-гібридному стані. Осі чотирьох sp 3 -орбіталей спрямовані до вершин тетраедра, валентні кути дорівнюють 109°28.

Просторова будова метану:

Енергія З-З зв'язку Е з - з= 351 кДж/моль, довжина З-З зв'язку 0,154 нм.

Зв'язок С-С в алканах є ковалентної неполярної.Зв'язок С-Н – ковалентна слабополярна.

Для алканів, починаючи з бутану, існують структурні ізомери(Ізомери будови), що відрізняються порядком зв'язування між атомами вуглецю, з однаковим якісним і кількісним складом і молекулярною масою, але розрізняються за фізичними властивостями.

Способи одержання алканів

1. З n H 2n+2 > 400–700 °C> С p H 2p+2 + С m H 2m ,

Крекінг нафти (промисловий метод). Алкани також виділяють із природних джерел (природний та попутний гази, нафта, кам'яне вугілля).

(гідрування ненасичених з'єднань)

3. nCO + (2n + 1)Н 2 > З n H 2n+2 + nH 2 O (отримання із синтез-газу (CO + Н 2))

4. (реакція Вюрца)

5. (реакція Дюма) CH 3 COONa + NaOH > t> CH 4 + Na 2 CO 3

6. (Реакція Кольбе)

Хімічні властивості алканів

Алкани не здатні до реакцій приєднання, тому що в їх молекулах всі зв'язки насичені, для них характерні реакції радикального заміщення, термічного розкладання, окиснення, ізомеризації.

1. (реакційна здатність зменшується в ряду: F 2 > Cl 2 > Br 2 > (I 2 не йде), R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > RCH 3 )

2. (Реакція Коновалова)

3. C n H 2n+2 + SO 2 + ?O 2 > h?> C n H 2n+1 SO 3 H – алкілсульфокислота

(сульфоокислення, умови реакції: опромінення УФ)

4. CH 4 > 1000 °C> З + 2Н 2; 2CH 4 > t>1500 °C> З 2 Н 2 + ЗН 2 (розкладання метану – піроліз)

5. CH 4 + 2Н 2 O > Ni, 1300 °C> CO 2 + 4Н 2 (конверсія метану)

6. 2С n H 2n+2 + (Зn+1)O 2 > 2nCO 2 + (2n+2)Н 2 O (горіння алканів)

7. 2н-З 4 Н 10 + 5O 2 > 4CH 3 COOH + 2Н 2 O (окислення алканів у промисловості; одержання оцтової кислоти)

8. н-З 4 Н 10 > ізо- 4 Н 10 (ізомеризація, каталізатор AlCl 3)

2. Циклоалкани

Циклоалкани(циклопарафіни, нафтени, циклани, поліметилени) – граничні вуглеводні із замкненим (циклічним) вуглецевим ланцюгом. Загальна формула С n H 2n.

Атоми вуглецю в циклоалканах, як і в алканах, знаходяться в sp 3-гібридизованому стані. Гомологічний рядциклоалканів починає найпростіший циклоалкан - циклопропан С 3 Н 6 являє собою плоский тричленний карбоцикл. За правилами міжнародної номенклатури в циклоалканах головним вважається ланцюг вуглецевих атомів, що утворюють цикл. Назва будується за назвою цього замкненого ланцюга з додаванням приставки «цикло» (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан тощо).

Структурна ізомерія циклоалканів пов'язана з різною величиною циклу (структури 1 і 2), будовою та видом заступників (структури 5 та 6) та їх взаємним розташуванням (структури 3 та 4).

Способи отримання циклоалканів

1. Одержання з дигалогенопохідних вуглеводнів

2. Одержання з ароматичних вуглеводнів

Хімічні властивості циклоалканів

Хімічні властивості циклоалканів залежить від розміру циклу, визначального його стійкість. Три- і чотиричленні цикли (малі цикли), будучи насиченими, різко відрізняються від решти граничних вуглеводнів. Циклопропан, циклобутан вступають у реакції приєднання. Для циклоалканів (З 5 і вище) внаслідок їхньої стійкості характерні реакції, в яких зберігається циклічна структура, тобто реакції заміщення.

1. Дія галогенів

2. Дія галогеноводородів

З циклоалканами, що містять п'ять і більше атомів вуглецю в циклі, галогеноводороди не взаємодіють.

4. Дегідрування

Алкени(Ненасичені вуглеводні, етиленові вуглеводні, олефіни) – ненасичені аліфатичні вуглеводні, молекули яких містять подвійний зв'язок. Загальна формула низки алкенів З n Н 2n .

За систематичною номенклатурою назви алкенів виробляють від назв відповідних алканів (з тим самим числом атомів вуглецю) шляхом заміни суфікса - Анна – він: етан (CH 3 -CH 3) – етен (CH 2 =CH 2) і т. д. Головний ланцюг вибирається таким чином, щоб він обов'язково включав подвійний зв'язок. Нумерацію вуглецевих атомів починають із ближнього до подвійного зв'язку кінця ланцюга.

У молекулі алкену ненасичені атоми вуглецю перебувають у sp 2-гібридизації, а подвійний зв'язок між ними утворена? - І?-зв'язком. sp 2-Гібридні орбіталі спрямовані один до одного під кутом 120°, і одна негібридизована 2р-орбіталь, розташована під кутом 90° до площини атомних гібридних орбіталей.

Просторова будова етилену:

Довжина зв'язку С=З 0,134 нм, енергія зв'язку С=С Е с = с= 611 кДж/моль, енергія?-зв'язку Е? = 260 кДж/моль.

Види ізомерії: а) ізомерія ланцюга; б) ізомерія положення подвійного зв'язку; в) Z, Е (cis, trans) - Ізомерія, вид просторової ізомерії.

Способи одержання алкенів

1. CH 3 -CH 3 > Ni, t> CH 2 =CH 2 + H 2 (дегідрування алканів)

2. З 2 Н 5 OH >H,SO 4 , 170 °C> CH 2 =CH 2 + Н 2 O (дегідратація спиртів)

3. (дегідрогалогенування алкілгалогенідів за правилом Зайцева)

4. CH 2 Cl-CH 2 Cl + Zn > ZnCl 2 + CH 2 =CH 2 (дегалогенування дигалогенопохідних)

5. HC?CH + Н 2 > Ni, t> CH 2 =CH 2 (відновлення алкінів)

Хімічні властивості алкенів

Для алкенів найбільш характерні реакції приєднання, вони легко окислюються та полімеризуються.

1. CH 2 = CH 2 + Br 2 > CH 2 Br-CH 2 Br

(Приєднання галогенів, якісна реакція)

2. (приєднання галогеноводородів за правилом Марковникова)

3. CH 2 = CH 2 + Н 2 > Ni, t> CH 3 -CH 3 (гідрування)

4. CH 2 =CH 2 + Н 2 O > H+> CH 3 CH 2 OH (гідратація)

5. ЗCH 2 =CH 2 + 2КMnO 4 + 4Н 2 O > ЗCH 2 OH-CH 2 OH + 2MnO 2 v + 2KOH (м'яке окиснення, якісна реакція)

6. CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 + КMnO 4 > H+> CO 2 + З 2 Н 5 COOH (жорстке окиснення)

7. CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 + O 3 > Н 2 З=O + CH 3 CH 2 CH=O формальдегід+пропаналь > (озоноліз)

8. З 2 Н 4 + 3O 2 > 2CO 2 + 2Н 2 O (реакція горіння)

9. (полімеризація)

10. CH 3 -CH=CH 2 + HBr > перекис> CH 3 -CH 2 -CH 2 Br (приєднання бромоводню проти правила Марковникова)

11. (Реакція заміщення в?-положення)

Алкіни(ацетиленові вуглеводні) – ненасичені вуглеводні, що мають у своєму складі потрійний С?З зв'язок. Загальна формула алкінів з одним потрійним зв'язком З n Н 2n-2 . Найпростіший представник низки алкінів CH?CH має тривіальну назву ацетилен. За систематичною номенклатурою назви ацетиленових вуглеводнів виробляють від назв відповідних алканів (з тим самим числом атомів вуглецю) шляхом заміни суфікса – анна -ін: етан (CH 3 -CH 3) – етин (CH?CH) і т. д. Головний ланцюг вибирається таким чином, щоб він обов'язково включав потрійний зв'язок. Нумерацію вуглецевих атомів починають із ближнього до потрійного зв'язку кінця ланцюга.

В утворенні потрійного зв'язку беруть участь атоми вуглецю в sp-гібридизованому стані. Кожен із них має по дві sp-гібридних орбіталі, спрямованих один до одного під кутом 180°, і дві негібридні p-орбіталі, розташованих під кутом 90° по відношенню один до одного і до sp-гібридним орбіталям.

Просторова будова ацетилену:

Види ізомерії: 1) ізомерія положення потрійного зв'язку; 2) ізомерію вуглецевого скелета; 3) міжкласова ізомерія з алкадієнами та циклоалкенами.

Способи одержання алкінів

1. СаО + ЗС > t> СаС 2+CO;

СаС 2 + 2Н 2 O > Са(OH) 2 + CH?CH (одержання ацетилену)

2. 2CH 4 > t>1500 °C> HC = CH + ЗН 2 (крекінг вуглеводнів)

3. CH 3 -CHCl 2 + 2KOH > у спирті> HC?CH + 2KCl + Н 2 O (дегалогенування)

CH 2 Cl-CH 2 Cl + 2KOH > у спирті> HC?CH + 2KCl + Н 2 O

Хімічні властивості алкінів

Для алкінів характерні реакції приєднання, заміщення. Алкіни полімеризуються, ізомеризуються, вступають у реакції конденсації.

1. (гідрування)

2. HC?CH + Br2> CHBr=CHBr;

CHBr = CHBr + Br 2 > CHBr 2 -CHBr 2 (приєднання галогенів, якісна реакція)

3. CH 3 -С?CH + HBr > CH 3 -CBr = CH 2;

CH 3 -CBr = CH 2 + HBr > CH 3 -CBr 2 -CHg (приєднання галогеноводородів за правилом Марковникова)

4. (гідратація алінів, реація Кучерова)

5. (приєднання спиртів)

6.(приєднання карбонових іслот)

7. CH?CH + 2Ag 2 O > NH 3> AgC?CAgv + H 2 O (освіта ацетиленідів, якісна реакція на кінцевий потрійний зв'язок)

8. CH?CH + [ПРО] > КMnO 4> HOOC-COOH > HCOOH + CO 2 (окислення)

9. CH?CH + CH?CH > CH 2 =CH-С?CH (каталізатор - CuCl і NH 4 Cl, димеризація)

10. 3HC?CH > C, 600 °C> З 6 Н 6 (бензол) (циклоолігомеризація, реакція Зелінського)

5. Дієнові вуглеводні

Алкадієни(дієни) – ненасичені вуглеводні, молекули яких містять два подвійні зв'язки. Загальна формула алкадієнів З n Н 2n _ 2 . Властивості алкадієнів значною мірою залежить від взаємного розташування подвійних зв'язків у тому молекулах.

Способи отримання дієнів

1. (метод СВ. Лебедєва)

2. (дегідратація)

3. (дегідрування)

Хімічні властивості дієнів

Для сполучених дієнів характерні реакції приєднання. Сполучені дієни здатні приєднувати не тільки по подвійним зв'язкам (до C 1 і З 2 , З 3 і З 4), але і до кінцевих (З 1 і З 4) атомів вуглецю з утворенням подвійного зв'язку між З 2 і З 3 .

6. Ароматичні вуглеводні

Арени,або ароматичні вуглеводні,– циклічні сполуки, молекули яких містять стійкі циклічні групи атомів із замкнутою системою сполучених зв'язків, що об'єднуються поняттям ароматичності, що зумовлює загальні ознаки у будові та хімічних властивостях.

Всі зв'язки С-С у бензолі рівноцінні, їхня довжина дорівнює 0,140 нм. Це означає, що в молекулі бензолу між вуглецевими атомами немає суто простих і подвійних зв'язків (як у формулі, запропонованій у 1865 р. німецьким хіміком Ф. Кекуле), а всі вони вирівняні (справ окаловані).

формула Кекуле

Гомологи бензолу – сполуки, утворені заміною одного або кількох атомів водню в молекулі бензолу на вуглеводневі радикали (R): 6Н5-R, R-С6Н4-R. Загальна формула гомологічного ряду бензолу З n Н 2n _ 6 (n>6). Для назви ароматичних вуглеводнів широко використовуються тривіальні назви (толуол, ксилол, кумол тощо). Систематичні назви будують з назви вуглеводневого радикала (приставка) та слова «бензол» (корінь): З 6 Н 5 -CH 3 (метилбензол), З 6 Н 5 -З 2 Н 5 (етилбензол). Якщо два або більше радикалів, їх положення вказується номерами атомів вуглецю в кільці, з якими вони пов'язані. Для дизаміщених бензолів R-С 6 Н 4 -R використовується також і інший спосіб побудови назв, при якому положення замісників вказують перед тривіальною назвою з'єднання приставками: орто-(o-) – заступники сусідніх атомів вуглецю кільця (1,2-); мета-(м-) - Замісники через один атом вуглецю (1,3-); пара-(п-) - Заступники на протилежних сторонах кільця (1,4-).

Види ізомерії (структурна): 1) положення заступників для ді-, три-і тетра-заміщених бензолів (наприклад, про-, м-і п-ксилоли); 2) вуглецевого скелета в бічному ланцюгу, що містить не менше 3 атомів вуглецю; 3) заступників (R), починаючи з R=З 2 Н 5 .

Способи одержання ароматичних вуглеводнів

1. З 6 Н 12 > Pt, 300 °C> З 6 Н 6 + ЗН 2 (дегідрування циклоалканів)

2. н-З 6 Н 14 > Cr 2 O 3 , 300 °C> З 6 Н 6 + 4Н 2 (дегідроциклізація алканів)

3. ЗС 2 Н 2 > 600 °C> З 6 Н 6 (циклотримеризація ацетилену, реакція Зелінського)

Хімічні властивості ароматичних вуглеводнів

За хімічними властивостями арени відрізняються від граничних та ненасичених вуглеводнів. Для аренів найбільш характерні реакції, що йдуть із збереженням ароматичної системи, а саме реакції заміщення атомів водню, пов'язаних із циклом. Інші реакції (приєднання, окиснення), в яких беруть участь спричинені З-З зв'язку бензольного кільця і ​​порушується його ароматичність, йдуть насилу.

1. C 6 H 6 + Cl 2 > AlCl 3> C 6 H 5 Cl + HCl (галогенування)

2. C 6 H 6 + HNO 3 > H 2 SO 4> C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O (нітрування)

3. З 6 Н 6 > H 2 SO 4> З 6 Н 5 -SO 3 H + H 2 O (сульфування)

4. З 6 Н 6 + RCl > AlCl 3> З 6 Н 5 -R + HCl (алкілування)

5. (ацилювання)

6. З 6 Н 6 + ЗН 2 > t, Ni> З 6 Н 12 циклогексан (приєднання водню)

7. (1,2,3,4,5,6-гексахлороциклогексан, приєднання хлору)

8. З 6 Н 5 -CH 3 + [О] > З 6 Н 5 -COOH кип'ятіння з розчином КMnO 4 (окислення алкілбензолів)

7. Галогеновуглеводні

Галогеновуглеводневиминазиваються похідні вуглеводнів, у яких один або кілька атомів водню замінено атомами галогену.

Способи одержання галогеновуглеводнів

1. CH 2 =CH 2 + HBr > CH 3 -CH 2 Br (гідрогалогенування ненасичених вуглеводнів)

CH?CH + HCl > CH 2 =CHCl

2. CH 3 CH 2 OH + РCl 5 > CH 3 CH 2 Cl + POCl 3 + HCl (одержання зі спиртів)

CH 3 CH 2 OH + HCl > CH 3 CH 2 Cl + Н 2 O (у присутності ZnCl 2 , t°C)

3. а) CH 4 + Cl 2 >hv> CH 3 Cl + HCl (галогенування вуглеводнів)

Хімічні властивості галогенвуглеводнів

Найбільше значення для сполук цього класу мають реакції заміщення та відщеплення.

1. CH 3 CH 2 Br + NaOH (водн. розчин) > CH 3 CH 2 OH + NaBr (утворення спиртів)

2. CH 3 CH 2 Br + NaCN > CH 3 CH 2 CN + NaBr (освіта нітрилів)

3. CH 3 CH 2 Br + NH 3 > + Br -- HBr- CH 3 CH 2 NH 2 (утворення амінів)

4. CH 3 CH 2 Br + NaNO 2 > CH 3 CH 2 NO 2 + NaBr (утворення нітросполук)

5. CH 3 Br + 2Na + CH 3 Br > CH 3 -CH 3 + 2NaBr (реакція Вюрца)

6. CH 3 Br + Mg > CH 3 MgBr (утворення магнійорганічних сполук, реактив Гриньяра)

7. (дегідрогалогенування)

Спиртаминазиваються похідні вуглеводнів, у молекулах яких міститься одна або кілька гідроксильних груп (-OH), пов'язаних із насиченими атомами вуглецю. Група -OH (гідроксильна, оксигрупа) є в молекулі спирту функціональною групою. Систематичні назви даються за назвою вуглеводню з додаванням суфіксу. олта цифри, що вказує положення гідроксигрупи. Нумерація ведеться від найближчого до OH-групи кінця ланцюга.

За кількістю гідроксильних груп спирти поділяються на одноатомні (одна група -OH), багатоатомні (дві та більше груп -OH). Одноатомні спирти: метанол CH 3 OH, етанол З 2 Н 5 OH; двоатомний спирт: етилен-гліколь (етандіол-1,2) HO-CH 2 -CH 2 -OH; триатомний спирт: гліцерин (пропантріол-1,2,3) HO-CH 2 -CH(OH)-CH 2 -OH. Залежно від того, з яким атомом вуглецю (первинним, вторинним або третинним) пов'язана гідроксигрупа, розрізняють спирти первинні R-CH 2 -OH, вторинні R 2 CH-OH, третинні R 3 C-OH.

За будовою радикалів, пов'язаних з атомом кисню, спирти поділяються на граничні, або алканоли (CH 3 CH 2 -OH), ненасичені, або алкеноли (CH 2 =CH-CH 2 -OH), ароматичні (З 6 Н 5 CH 2 - OH).

Види ізомерії (структурна ізомерія): 1) ізомерія положення OH-групи (починаючи з 3); 2) вуглецевого скелета (починаючи з 4); 3) міжкласова ізомерія з простими ефірами (наприклад, етиловий спирт CH 3 CH 2 OH та диметиловий ефір CH 3 -О-CH 3). Наслідком полярності зв'язку О-Н та наявності неподіленої пари електронів на атомі кисню є здатність спиртів до утворення водневих зв'язків.

Способи одержання спиртів

1. CH 2 =CH 2 + Н 2 O/Н + > CH 3 -CH 2 OH (гідратація алкенів)

2. CH 3 -CHO + Н 2 > t, Ni> З 2 Н 5 OH (відновлення альдегідів та кетонів)

3. C 2 H 5 Br + NaOH (водн.) > З 2 Н 5 OH + NaBr (гідроліз галогенпохідних)

ClCH 2 -CH 2 Cl + 2NaOH (водн.) > HOCH 2 -CH 2 OH + 2NaCl

4. CO + 2Н2 > ZnO, CuO, 250 ° C, 7 МПа> CH 3 OH (одержання метанолу, промисловість)

5. З 6 Н 12 O 6 > дріжджі> 2С 2 Н 5 OH + 2CO 2 (бродіння моноз)

6. 3CH 2 =CH 2 + 2KMnO 4 + 4Н 2 O > 3CH 2 OH-CH 2 OH - етиленгіліколь+ 2KOH + 2MnO 2 (окислення у м'яких умовах)

7. а) CH 2 = CH-CH 3 + O 2 > CH 2 = CH-CHO + Н 2 O

б) CH 2 =CH-CHO + Н 2 > CH 2 =CH-CH 2 OH

в) CH 2 =CH-CH 2 OH + Н 2 O 2 > HOCH 2 -CH(OH)-CH 2 OH (одержання гліцерину)

Хімічні властивості спиртів

Хімічні властивості спиртів пов'язані з наявністю у їх молекулу групи -OH. Для спиртів характерні два типи реакцій: розрив зв'язку С-О та зв'язку О-Н.

1. 2С 2 Н 5 OH + 2Na > Н 2 + 2C 2 H 5 ONa (утворення алкоголятів металів Na, К, Mg, Al)

2. а) З 2 Н 5 OH + NaOH? (У водному розчині не йде)

б) CH 2 OH-CH 2 OH + 2NaOH > NaOCH 2 -CH 2 ONa + 2Н 2 O

в) (якісна реакція на багатоатомні спирти – утворення яскраво-синього розчину з гідроксидом міді)

3. а) (освіта складних ефірів)

б) З 2 Н 5 OH + H 2 SO 4 > З 2 Н 5 -О-SO 3 H + Н 2 O (на холоді)

4. а) З 2 Н 5 OH + HBr > З 2 Н 5 Br + Н 2 O

б) З 2 Н 5 OH + РCl 5 > З 2 Н 5 Cl + POCl 3 + HCl

в) З 2 Н 5 OH + SOCl 2 > З 2 Н 5 Cl + SO 2 + HCl (заміщення гідроксильної групи на галоген)

5. З 2 Н 5 OH + HOC 2 H 5 > H 2 SO 4 ,<140 °C > C 2 H 5 -O-C 2 H 5 + H 2 O (міжмолекулярна гідротація)

6. З 2 Н 5 OH > H 2 SO 4 , 170 °C> CH 2 =CH 2 + H 2 O (внутрішньомолекулярна гідротація)

7. а) (дегідрування, окиснення первинних спиртів)

Феноламіназиваються похідні аренів, у яких один або кілька атомів водню ароматичного кільця заміщені на гідроксильні групи. За кількістю гідроксильних груп в ароматичному кільці розрізняють одно- та багатоатомні (двох- та триатомні) феноли. Більшість фенолів використовуються тривіальні назви. Структурна ізомерія фенолів пов'язана з різним становищем гідроксильних груп.

Способи одержання фенолів

1. З 6 Н 5 Cl + NaOH(p, 340°C) > З 6 Н 5 OH + NaCl (лужний гідроліз галогенвуглеводнів)

2. (кумольний спосіб отримання)

3. C 6 H 5 SO 3 Na + NaOH (300–350°C) > С 6 Н 5 OH + Na 2 SO 3 (лужне плавлення солей ароматичних сульфонових кислот)

Хімічні властивості фенолів

Феноли в більшості реакцій зв'язку О-Н активніші за спирти, оскільки цей зв'язок більш полярний за рахунок зміщення електронної щільності від атома кисню у бік бензольного кільця (участь неподіленої електронної пари атома кисню в системі л-спряження). Кислотність фенолів значно вища, ніж спиртів.

Для фенолів реакції розриву зв'язку С-О не характерні. Взаємний вплив атомів у молекулі фенолу проявляється у особливостях поведінки гидроксигруппы, а й у більшої реакційної здатності бензольного ядра.

Гідроксильна група підвищує електронну щільність у бензольному кільці, особливо у орто-і пара-положеннях (+М-ефект OH-групи). Для виявлення фенолів використовується якісна реакція із хлоридом заліза(III). Одноатомні феноли дають стійке синьо-фіолетове забарвлення, що пов'язано з утворенням комплексних сполук заліза.

1. 2С 6 Н 5 OH + 2Na > 2C 6 H 5 ONa + Н 2 (так само, як і етанол)

2. З 6 Н 5 OH + NaOH > C 6 H 5 ONa + H 2 O (на відміну від етанолу)

C 6 H 5 ONa + Н 2 O + CO 2 > С 6 Н 5 OH + NaHCO 3 (фенол слабкіша кислота, ніж вугільна)

Феноли не утворюють складні ефіри у реакціях із кислотами. Для цього використовуються більш реакційноздатні похідні кислот (ангідриди, хлорангідриди).

4. З 6 Н 5 OH + CH 3 CH 2 OH > NaOH> З 6 Н 5 OCH 2 CH 3 + NaBr (О-алкілування)

(Взаємодія з бромною водою, якісна реакція)

6.(нітрування розб. HNO 3 при нітруванні конц. HNO 3 утворюється 2,4,6-тринітрофенол)

7. n C 6 H 5 OH + n CH 2 O > n H 2 O + (-C 6 H 3 OH-CH 2 -) n(Поліконденсація, отримання фенолформальдегідних смол)

10. Альдегіди та кетони

Альдегідаминазиваються сполуки, в яких карбонільна група

з'єднана з вуглеводневим радикалом і атомом водню, а кетонами– карбонільні сполуки з двома вуглеводневими радикалами.

Систематичні назви альдегідів будують за назвою відповідного вуглеводню з додаванням суфіксу -аль. Нумерацію ланцюга починають із карбонільного атома вуглецю. Тривіальні назви виробляють від тривіальних назв тих кислот, які альдегіди перетворюються при окисленні: Н 2 С=O – метаналь (мурашиний альдегід, формальдегід); CH 3 CH=O – етаналь (оцтовий альдегід). Систематичні назви кетонів простої будови виробляють від назв радикалів з додаванням слова «кетон». У загальному випадку назва кетону будується за назвою відповідного вуглеводню і суфікса -Він; нумерацію ланцюга починають від кінця ланцюга, найближчого до карбонільної групи. Приклади: CH3-CO-CH3 – диметилкетон (пропанон, ацетон). Для альдегідів та кетонів характерна структурна ізомерія. Ізомерія альдегідів: а) ізомерія вуглецевого скелета, починаючи з 4 ; б) міжкласова ізомерія. Ізомерія кетонів: а) вуглецевого скелета (з 5); б) положення карбонільної групи (з 5); в) міжкласова ізомерія.

Атоми вуглецю та кисню в карбонільній групі перебувають у стані sp 2 -гібридизації. Зв'язок С = O сильно полярна. Електрони кратного зв'язку З=O зміщені до електронегативного атома кисню, що призводить до появи на ньому часткового негативного заряду, а карбонільний атом вуглецю набуває часткового позитивного заряду.

Способи отримання альдегідів та кетонів

1. а) (дегідрування, окиснення первинних спиртів)

б) (дегідрування, окиснення вторинних спиртів)

2. а) CH 3 CH 2 CHCl 2 + 2NaOH > у воді> CH 3 CH 2 CHO + 2NaCl + H 2 O (гідроліз дигалогенопохідних)

б) CH 3 СCl 2 CH 3 + 2NaOH > у воді> CH 3 COCH 3 + 2NaCl + H 2 O

3. (гідратація алкінів, реакція Кучерова)

4. (окислення етилену до етаналю)

(окислення метану до формальдегіду)

CH 4 + O 2 > 400–600 °C, NO> H 2 C=O + H 2 O

Хімічні властивості альдегідів та кетонів

Для карбонільних сполук характерні реакції різних типів: а) приєднання по карбонільній групі; б) відновлення та окиснення; в) конденсація; д) полімеризація.

1. (приєднання ціановодневої кислоти, утворення гідроксинітрилів)

2. (приєднання гідросулбфіту натрію)

3. (відновлення)

4. (освіта напівацеталець та ацеталей)

5. (взаємодія з гідроксоламіном, утворення оксиму ацетальдегіду)

6. (освіта дигалогенопохідних)

7. (?-Галогенування у присутності OH?)

8. (Абдольна конденсація)

9. R-CH = O + Ag 2 O > NH 3> R-COOH + 2Agv (окислення, реакція «срібного дзеркала»)

R-CH=O + 2Cu(OH) 2 > R-COOH + Cu 2 Ov, + 2H 2 O (червоний осад, окиснення)

10. (окислення кетонів, жорсткі умови)

11. n CH 2 =O > (-CH2-O-) nпараформ n= 8-12 (полімеризація)

11. Карбонові кислоти та їх похідні

Карбоновими кислотаминазиваються органічні сполуки, що містять одну або кілька карбоксильних груп -COOH, пов'язаних із вуглеводневим радикалом. За кількістю карбоксильних груп кислоти поділяються на: одноосновні (монокарбонові) CH 3 COOH (оцтова), багатоосновні (дикарбонові, трикарбонові тощо). За характером вуглеводневого радикалу розрізняють кислоти: граничні (наприклад, CH 3 CH 2 CH 2 COOH); ненасичені (CH 2 =CH(-COOH); ароматичні (З 6 Н 5 COOH).

Систематичні назви кислот даються за назвою відповідного вуглеводню з додаванням суфіксу -оваі слова "кислота": HCOOH - метанова (мурашина) кислота, CH 3 COOH - етанова (оцтова) кислота. Для карбонових кислот характерна структурна ізомерія: а) ізомерія скелета у вуглеводневому радикалі (починаючи з 4); б) міжкласова ізомерія, починаючи з 2 . Можлива цис-транс-ізомерія у разі ненасичених карбонових кислот. Електронна густина? - зв'язку в карбонільній групі зміщена у бік атома кисню. Внаслідок цього у карбонильного вуглецю створюється нестача електронної щільності, і він притягує до себе неподілені пари атома кисню гідроксильної групи, внаслідок чого електронна щільність зв'язку О-Н зміщується у бік атома кисню, водень стає рухливим і набуває здатності відщеплюватися у вигляді протона.

У водному розчині карбонові кислоти дисоціюють на іони:

R-COOH - R-COО? + Н +

Розчинність у воді та високі температури кипіння кислот обумовлені утворенням міжмолекулярних водневих зв'язків.

Способи одержання карбонових кислот

1. CH 3 -СCl 3 + 3NaOH > CH 3 -COOH + 3NaCl + Н 2 O (гідроліз тригалогенопохідних)

2. R-CHO + [О] > R-COOH (окислення альдегідів та кетонів)

3. CH 3 -CH=CH 2 + CO + Н 2 O/Н + > Ni, р, t> CH 3 -CH 2 -CH 2 -COOH (оксосинтез)

4. CH 3 C?N + 2Н 2 O/ Н + > CH 3 COOH + NH 4 (гідроліз нітрилів)

5. CO + NaOH > HCOONa; 2HCOONa + H 2 SO 4 > 2HCOOH + Na 2 SO 4 (одержання HCOOH)

Хімічні властивості карбонових кислот та їх похідних

Карбонові кислоти виявляють високу реакційну здатність і вступають у реакції з різними речовинами, утворюючи різноманітні сполуки, серед яких велике значення мають функціональні похідні: складні ефіри, аміди, нітрили, солі, ангідриди, галогенангідриди.

1. а) 2CH 3 COOH + Fe > (CH 3 COO) 2 Fe + Н 2 (утворення солей)

б) 2CH 3 COOH + MgO > (CH 3 COO) 2 Mg + Н 2 O

в) CH 3 COOH + KOH > CH 3 COОК + Н 2 O

г) CH 3 COOH + NaHCO 3 > CH 3 COONa + CO 2 + Н 2 O

CH 3 COONa + H 2 O - CH 3 COOH + NaOH (солі карбонових кислот гідролізуються)

2. (освіта вкладених ефірів)

(омилення вкладеного ефіру)

3. (отримання хлорангідридів кислот)

4. (розкладання водою)

5. CH 3 -COOH + Cl 2 > hv> Cl-CH 2 -COOH + HCl (галогенування в ?-положення)

6. HO-CH=O + Ag 2 O > NH 3> 2Ag + Н 2 CO 3 (Н 2 O + CO 2) (особливості HCOOH)

HCOOH > t> CO + Н 2 O

Жири– складні ефіри гліцерину та вищих одноатомних карбонових кислот. Загальна назва таких сполук – тригліцериди. До складу природних тригліцеридів входять залишки насичених кислот (пальмітинової З 15 Н 31 COOH, стеаринової З 17 Н 35 COOH) і ненасичених (олеїнової З 17 Н 33 COOH, лінолевої З 17 Н 31 COOH). Жири складаються головним чином тригліцеридів граничних кислот. Рослинні жири – олії (соняшникова, соєва) – рідини. До складу тригліцеридів олій входять залишки ненасичених кислот.

Жирам як складним ефірам властива оборотна реакція гідролізу, що каталізується мінеральними кислотами. За участю лугів гідроліз жирів відбувається необоротно. Продуктами у разі є мила – солі вищих карбонових кислот і лужних металів. Натрієві солі – тверді мила, калієві – рідкі. Реакція лужного гідролізу жирів називається також омиленням.

Аміни– органічні похідні аміаку, у молекулі якого один, два чи три атоми водню заміщені на вуглеводневі радикали. Залежно від числа вуглеводневих радикалів розрізняють первинні RNH 2 , вторинні R 2 NH, третинні R 3 N аміни. За характером вуглеводневого радикалу аміни поділяються на аліфатичні (жирні), ароматичні та змішані (або жирноароматичні). Назви амінів у більшості випадків утворюють із назв вуглеводневих радикалів та суфіксу -Амін.Наприклад, CH 3 NH 2 – метиламін; CH 3 -CH 2 -NH 2 - етиламін. Якщо амін містить різні радикали, їх перераховують в алфавітному порядку: CH 3 -CH 2 -NH-CH 3 – метилетиламін.

Ізомерія амінів визначається кількістю та будовою радикалів, а також положенням аміногрупи. Зв'язок N-Н є полярним, тому первинні та вторинні аміни утворюють міжмолекулярні водневі зв'язки. Третичні аміни не утворюють асоціюючих водневих зв'язків. Аміни здатні до утворення водневих зв'язків із водою. Тому нижчі аміни добре розчиняються у воді. Зі збільшенням числа та розмірів вуглеводневих радикалів розчинність амінів у воді зменшується.

Способи одержання амінів

1. R-NO 2 + 6[Н] > R-NH 2 + 2H 2 O (відновлення нітросполук)

2. NH 3 + CH 3 I > I? > NH 3> CH 3 NH 2 + NH 4 I (алкілування аміаку)

3. а) З 6 Н 5 -NO 2 + 3(NH 4) 2 S > З 6 Н 5 -NH 2 + 3S + 6NH 3 + 2H 2 O (реакція Зініна)

б) З 6 Н 5 -NO 2 + 3Fe + 6HCl > З 6 Н 5 -NH 2 + 3FeCl 2 + 2Н 2 O (відновлення нітросполук)

в) З 6 Н 5 -NO 2 + ДН 2 > каталізатор, t> C 6 H 5 -NH 2 + 2Н 2 O

4. R-C?N + 4[H] > RCH 2 NH 2 (відновлення нітрилів)

5. ROH + NH 3 > Al 2 O 3 ,350 °C> RNH 2 + 2H 2 O (отримання нижчих алкіламінів 2 -З 4)

Хімічні властивості амінів

Аміни мають подібну до аміаку будову і виявляють подібні до нього властивості. Як в аміаку, так і в амінах атом азоту має неподілену пару електронів. Для амінів характерні яскраво виражені основні властивості. Водні розчини аліфатичних амінів виявляють лужну реакцію. Аліфатичні аміни – сильніші підстави, ніж аміак. Ароматичні аміни є слабшими основами, ніж аміак, оскільки не-поділена електронна пара атома азоту зміщується у бік бензольного кільця, вступаючи у сполучення з його?-електронами.

На основність амінів впливають різні фактори: електронні ефекти вуглеводневих радикалів, просторове екранування радикалами атома азоту, а також здатність іонів, що утворюються, до стабілізації за рахунок сольватації в середовищі розчинника. Внаслідок донорного ефекту алкільних груп основність аліфатичних амінів у газовій фазі (без розчинника) зростає у ряді: первинні< вторичные < третичные. Основность ароматических аминов зависит также от характера заместителей в бензольном кольце. Электроноакцепторные заместители (-F, -Cl, -NO 2 и т. п.) уменьшают основные свойства ариламина по сравнению с анилином, а электронодонорные (алкил R-, -OCH 3 , -N(CH 3) 2 и др.), напротив, увеличивают.

1. CH 3 -NH 2 + Н 2 O > OH (взаємодія з водою)

2. (CH 3) 2 NH + HCl > [(CH 3) 2 NH 2 ]Cl хлорид диметиламонію (взаємодія з кислотами)

[(CH 3) 2 NH 2 ]Cl + NaOH > (CH 3) 2 NH + NaCl + H 2 O (взаємодія солей амінів із лугами)

(ацителювання, з третинними амінами не йде)

4. R-NH 2 + CH 3 I > I? > NH 3> CH 3 NHR + NH 4 I (алкілування)

5. Взаємодія з азотистою кислотою: будова продуктів реакції з азотистою кислотою залежить від характеру аміну. Тому дана реакція використовується для відмінності первинних, вторинних та третинних амінів.

а) R-NH 2 + HNO 2 > R-OH + N 2 + H 2 O (первинні жирні аміни)

б) З 6 Н 5 -NH 2 + NaNO 2 + HCl > [З 6 Н 5 -N? N] + Cl? – сіль діазонію (первинні ароматичні аміни)

в) R 2 NH + Н-О-N=O > R 2 N-N=O (N-нітрозамін) + Н 2 O (вторинні жирні та ароматичні аміни)

г) R 3 N + Н-О-N=O > за низької температури немає реакції (третинні жирні аміни)

(третинні ароматичні аміни)

Властивості аніліну.Для аніліну характерні реакції як з аміногрупи, і по бензольному кільцю. Бензольне кільце послаблює основні властивості аміногрупи порівняно з аліфатичними амінами та аміаком, але під впливом аміногрупи бензольне кільце стає активнішим у реакціях заміщення порівняно з бензолом.

C 6 H 5 -NH 2 + HCl > Cl = C 6 H 5 NH 2 HCl

C 6 H 5 NH 2 HCl + NaOH > C 6 H 5 NH 2 + NaCl + H 2 O

C 6 H 5 NH 2 + CH3I > t> + I?

14. Амінокислоти

Амінокислотаминазиваються гетеро-функціональні сполуки, молекули яких містять одночасно аміногрупу та карбоксильну групу. Залежно від взаємного розташування аміно- та карбоксильної груп амінокислоти поділяють на ?-, ?-, ?- і т. д. За ІЮПАК, для найменування амінокислот групу NH 2 - називають приставкою аміно-,вказуючи цифрою номер вуглецевого атома, з яким вона пов'язана, а потім слідує назва відповідної кислоти.

2-амінопропанова кислота (?-амінопропанова, ?-аланін) 3-амінопропанова кислота (?-амінопропанова, ?-аланін) 6-аміногексанова кислота (?-амінокапронова)

За характером вуглеводневого радикалу розрізняють аліфатичні (жирні) та ароматичні амінокислоти. Ізомерія амінокислот залежить від будови вуглецевого скелета, положення аміногрупи по відношенню до карбоксильної групи. Для амінокислот характерна ще оптична ізомерія.

Способи одержання амінокислот

1. (амоноліз галогенокислот)

2. CH 2 = CH-COOH + NH 3 > H 2 N-CH 2 -CH 2 -COOH (приєднання аміаку до?, ?-ненасичених кислот)

(дія HCN та NH 3 на альдегіди або кетони)

4. Гідроліз білків під впливом ферментів, кислот чи лугів.

5. Мікробіологічний синтез.

Хімічні властивості амінокислот

Амінокислоти виявляють властивості основ за рахунок аміногрупи та властивості кислот за рахунок карбоксильної групи, тобто є амфотерними сполуками. У кристалічному стані та в середовищі, близькому до нейтральної, амінокислоти існують у вигляді внутрішньої солі - дипо-лярного іона, званого також цвіттер-іон H 3 N + -CH 2 -COO?.

1. H 2 N-CH 2 -COOH + HCl > Cl? (Утворення солей по аміногрупі)

2. H 2 N-CH 2 -COOH + NaOH > H 2 N-CH 2 -COO?Na + + H 2 O (утворення солей)

(Утворення складного ефіру)

(ацилювання)

5. + NH3-CH2-COO? + 3CH 3 I > -HI> (CH 3) 3 N + -CH 2 -COO? – бетаїн амінооцтової кислоти

(алкілювання)

(Взаємодія з азотистою кислотою)

7. n H 2 N-(CH 2) 5 -COOH > (-HN-(CH 2) 5 -CO-) n+ n H 2 O (одержання капрону)

15. Вуглеводи. Моносахаріди. Олігосахариди. Полісахариди

Вуглеводи(цукору) – органічні сполуки, що мають подібну будову та властивості, склад більшості яких відображає формула С х (Н 2 O) y , де х, у? 3.

Класифікація:

Моносахариди не гідролізуються з утворенням простіших вуглеводів. Оліго- та полісахариди розщеплюються при кислому гідролізі до моносахаридів. Загальновідомі представники: глюкоза (виноградний цукор) З 6 Н 12 O 6 , сахароза (тростниковий, буряковий цукор) З 12 Н 22 О 11 крохмаль і целюлоза [С 6 Н 10 О 5] n .

Способи отримання

1. mCO 2 + nН 2 O > hv, хлорофіл> C m (H 2 O) n (вуглеводи)+ mO 2 (отримання при фотосинтезі)

вуглеводи: З 6 Н 12 O 6 + 6O 2 > 6CO 2 + 6Н 2 O + 2920 кДж

(Метаболізм: глюкоза окислюється з виділенням великої кількості енергії в живому організмі в процесі метаболізму)

2. 6nCO 2 + 5nН 2 O > hv, хлорофіл> (З 6 Н 10 5) n + 6nO 2 (отримання крохмалю або целюлози)

Хімічні властивості

Моносахріди. Усі монози в кристалічному стані мають циклічну будову (? - або? -). При розчиненні у воді циклічний напівацеталь руйнується, перетворюючись на лінійну (оксо-) форму.

Хімічні властивості моносахаридів обумовлені наявністю в молекулі функціональних груп трьох видів (карбонілу, спиртових гідроксилів та глікозидного (напівацетального) гідроксилу).

1. З 5 Н 11 O 5 -CHO (глюкоза) + Ag 2 O >NH 3 > CH 2 OH-(CHOH) 4 -COOH (глюконова кислота) + 2Ag (окислення)

2. З 5 Н 11 O 5 -CHO (глюкоза) + [Н] > CH 2 OH-(CHOH) 4 -CH 2 OH(сорбіт)(відновлення)

(моноалкілування)

(поліалкілювання)

5. Найважливішою властивістю моносахаридів є їхнє ферментативне бродіння, тобто розпад молекул на уламки під дією різних ферментів. Бродіння піддаються в основному гексози в присутності ферментів, що виділяються дріжджовими грибками, бактеріями або цвілевими грибками. Залежно від природи ферменту, що діє, розрізняють реакції наступних видів:

а) З 6 Н 12 O 6 > 2С 2 Н 5 OH + 2CO 2 (спиртове бродіння);

б) З 6 Н 12 O 6 > 2CH 3 -CH(OH)-COOH (молочнокисле бродіння);

в) З 6 Н 12 O 6 > З 3 Н 7 COOH + 2CO 2 + 2Н 2 O (маслянокисле бродіння);

г) З 6 Н 12 O 6 + O 2 > HOOC-CH 2 -З(OH)(COOH)-CH 2 -COOH + 2Н 2 O (лимоннокисле бродіння);

д) 2С 6 Н 12 O 6 > С 4 Н 9 OH + CH 3 -CO-CH 3 + 5CO 2 + 4Н 2 (ацетон-бутанольне бродіння).

Дисахариди. Дисахариди – вуглеводи, молекули яких складаються з двох залишків моносахаридів, з'єднаних один з одним за рахунок взаємодії гідроксильних груп (двох напівацетальних або однієї напівацетальної та однієї спиртової). Відсутність або наявність глікозидного (напівацетального) гідроксилу відбивається на властивостях дисахаридів. Біози поділяються на дві групи: відновлюючіі невосстанавливающие.Відновлюючі біози здатні виявляти властивості відновників та при взаємодії з аміачним розчином срібла окислюватися до відповідних кислот, містять у своїй структурі глікозидний гідроксил, зв'язок між монозами – глікозид-глікозний. Схема освіти відновлювальнихбіоз на прикладі мальтози:

Для дисахаридів характерна реакція гідролізу, у результаті якої утворюються дві молекули моносахаридів:

Прикладом найбільш поширених у природі дисахаридів є сахароза (буряковий або очеретяний цукор). Молекула сахарози складається з залишків β-D-глюкопіранози та β-D-фруктофуранози, з'єднаних один з одним за рахунок взаємодії напівацетальних (глікозидних) гідроксилів. Біози цього типу не виявляють відновлюючих властивостей, тому що не містять у своїй структурі глікозидного гідроксилу, зв'язок між монозами – глікозид-глікозидний. Подібні дисахариди називають не відновлюють,тобто не здатні окислюватися.

Схема утворення цукрози:

Інверсія цукрози. При кислому гідролізі (+)сахарози або при дії інвертази утворюються рівні кількості D(+)глюкози та D(-)фруктози. Гідроліз супроводжується зміною знака питомого кута обертання [?] з позитивного на негативний, тому процес називають інверсією, а суміш D(+)глюкози та D(-)фруктози – інвертним цукром.

Полісахариди (поліози). Полісахариди – природні високомолекулярні вуглеводи, макромолекули яких складаються із залишків моносахаридів. Основні представники: крохмальі целюлоза,які побудовані із залишків одного моносахариду – D-глюкози. Крохмаль і целюлоза мають однакову молекулярну формулу: (З 6 Н 10 О 5) n але різні властивості. Це пояснюється особливостями їхньої просторової будови. Крохмаль складається із залишків β-D-глюкози, а целюлоза – з β-D-глюкози. Крохмаль– резервний полісахарид рослин, накопичується у вигляді зерен у клітинах насіння, цибулин, листя, стебел, є біла аморфна речовина, нерозчинна в холодній воді. Крохмаль – суміш амілозиі амілопектину,які побудовані із залишків?-D-глюкопіранози.

Амілоза- Лінійний полісахарид, зв'язок між залишками D-глюкози 1?-4. Форма ланцюга - спіралеподібна, один виток спіралі містить 6 залишків D-глюкози. Вміст амілози у крохмалі – 15–25 %.

амілоза
амілопектин

Амілопектін– розгалужений полісахарид, зв'язки між залишками D-глюкози – 1?-4 та 1?-6. Вміст амілопектину в крохмалі 75-85%.

1. Утворення простих та складних ефірів (аналогічно біозам).

2. Якісна реакція – фарбування при додаванні йоду: для амілози – у синій колір, для амілопектину – у червоний колір.

3. Кислий гідроліз крохмалю: крохмаль > декстрини > мальтоза > β-D-глюкоза.

Целюлоза. Структурний полісахарид рослин, побудований із залишків β-D-глюкопіранози, характер сполуки 1?-4. Вміст целюлози, наприклад, у бавовнику – 90–99 %, у листяних породах – 40–50 %. Цей біополімер має велику механічну міцність і виконує роль опорного матеріалу рослин, утворюючи стінки рослинних клітин.

Характеристика хімічних властивостей

1. Кислий гідроліз (оцукрювання): целюлоза > целобіозу > ?-D-глюкоза.

2. Утворення складних ефірів

З розчинів целюлози ацетату в ацетоні виготовляють ацетатне волокно.

Нітроцелюлоза вибухонебезпечна, становить основу бездимного пороху. Піроксилін – суміш ді– та тринітратів целюлози – використовують для виготовлення целулоїду, колодію, фотоплівок, лаків.

- розділ хімічної науки, що вивчає вуглеводні - речовини, що містять вуглець і водень, а також різні похідні цих сполук, що включають атоми кисню, азоту та галогенів. Усі такі сполуки називають органічними.

Органічна хімія виникла в процесі вивчення тих речовин, які видобувалися з рослинних та тваринних організмів, що складаються в основному з органічних сполук. Саме це визначило суто історичну назву таких сполук (організм – органічний). Деякі технології органічної хімії виникли ще в давнину, наприклад, спиртове та оцтовокисле бродіння, використання органічних барвників індиго та алізарину, процеси дублення шкіри та ін. Протягом тривалого часу хіміки вміли лише виділяти та аналізувати органічні сполуки, але не могли отримувати їх штучно, у результаті виникло переконання, що органічні сполуки можна отримати лише з допомогою живих організмів. Починаючи з другої половини 19 ст. методи органічного синтезу стали інтенсивно розвиватися, що дозволило поступово подолати усталену оману. Вперше синтез органічних сполук в лабораторії вдалося здійснити Ф.Велеру ne(у період 1824-1828), при гідролізі диціана він отримав щавлеву кислоту, що виділяється раніше з рослин, а при нагріванні ціановокислого амонію за рахунок перебудови молекули ( см. ІЗОМЕРІЯ) отримав сечовину – продукт життєдіяльності живих організмів (рис. 1).

Рис. 1. ПЕРШІ СИНТЕЗИ ОРГАНІЧНИХ З'ЄДНАНЬ

Зараз багато з'єднань, присутніх у живих організмах, можна отримати в лабораторії, крім того, хіміки постійно отримують органічні сполуки, що не зустрічаються в живій природі.

Становлення органічної хімії як самостійної науки відбулося в середині 19 ст, коли завдяки зусиллям вчених-хіміків стали формуватися уявлення про будову органічних сполук. Найбільш помітну роль зіграли роботи Е. Франкланда (визначив поняття валентності), Ф. Кекуле (встановив чотиривалентність вуглецю та будову бензолу), А. Купера (запропонував використовуваний і досі символ валентної риси, що сполучає атоми при зображенні структурних формул), А.М. Бутлерова (створив теорію хімічної будови, основу якої лежить положення, за яким властивості сполуки визначаються як його складом, а й тим, у порядку з'єднані атоми).

p align="justify"> Наступний важливий етап у розвитку органічної хімії пов'язаний з роботами Я.Вант-Гоффа, який змінив сам спосіб мислення хіміків, запропонувавши перейти від плоского зображення структурних формул до просторового розташування атомів в молекулі, в результаті хіміки стали розглядати молекули як об'ємні тіла.

Уявлення про природу хімічного зв'язку в органічних сполуках вперше сформулював Г.Льюїс, який припустив, що атоми в молекулі пов'язані за допомогою електронів: пара узагальнених електронів створює простий зв'язок, а дві або три пари утворюють відповідно подвійний і потрійний зв'язок. Розглядаючи розподіл електронної щільності в молекулах (наприклад, її усунення під впливом електронегативних атомів O, Cl та ін.) хіміки змогли пояснити реакційну здатність багатьох сполук, тобто. можливість їхньої участі у тих чи інших реакціях.

Облік властивостей електрона, що визначаються квантовою механікою, призвів до розвитку квантової хімії, що використовує уявлення про молекулярні орбітали. Зараз квантова хімія, що показала на багатьох прикладах свою пророчу силу, успішно співпрацює з експериментальною органічною хімією.

Невелику групу сполук вуглецю не відносять до органічних: вугільна кислота та її солі (карбонати), ціаністоводнева кислота HCN та її солі (ціаніди), карбіди металів та деякі інші сполуки вуглецю, які вивчає неорганічна хімія.

Головна особливість органічної хімії – виняткова різноманітність сполук, що виникла через здатність атомів вуглецю з'єднуватися один з одним у практично необмеженій кількості, утворюючи молекули у вигляді ланцюжків та циклів. Ще більша розмаїтість досягається за рахунок включення між атомами вуглецю атомів кисню, азоту та ін. Наразі відомо понад 10 млн. органічних сполук, причому їхня кількість щорічно збільшується на 200–300 тисяч.

Класифікація органічних сполук. Як основу при класифікації прийнято вуглеводні, їх вважають базовими сполуками в органічній хімії. Решта всіх органічних сполук розглядають як їх похідні.

При класифікації вуглеводнів беруть до уваги будову вуглецевого скелета і тип зв'язків, що з'єднують атоми вуглецю.

I. Аліфатичні (aleiphatos. грец.масло) вуглеводні являють собою лінійні або розгалужені ланцюжки і не містять циклічних фрагментів, вони утворюють дві великі групи.

1. Граничні або насичені вуглеводні (названі так тому, що не здатні що-небудь приєднувати) є ланцюгами атомів вуглецю, з'єднаних простими зв'язками і оточених атомами водню (рис. 1). У тому випадку, коли ланцюжок має розгалуження, до назви додають приставку з. Найпростіший насичений вуглеводень - метан, з нього починається ряд цих сполук.

Рис. 2. НАСИЩЕНІ ВУГЛЕВОДОРОДИ

Основні джерела насичених вуглеводнів – нафта та природний газ. Реакційна здатність насичених вуглеводнів дуже низька, вони можуть реагувати тільки з найбільш агресивними речовинами, наприклад, з галогенами або азотною кислотою. При нагріванні насичених вуглеводнів вище 450 ° С без доступу повітря розриваються зв'язки С-С і утворюються з'єднання з укороченим вуглецевим ланцюгом. Високотемпературна дія в присутності кисню призводить до повного згоряння до СО 2 і води, що дозволяє ефективно використовувати їх як газоподібне (метан – пропан) або рідке моторне паливо (октан).

При заміщенні одного або кількох атомів водню будь-якої функціональної (тобто здатної до подальших перетворень) групою утворюються відповідні похідні вуглеводнів. З'єднання, що містять угруповання С-ОН, називають спиртами, НС=О – альдегідами, СООН – карбоновими кислотами (слово «карбонова» додають для того, щоб відрізнити їх від звичайних мінеральних кислот, наприклад, соляної або сірчаної). З'єднання може містити одночасно різні функціональні групи, наприклад, СООН і NH 2 такі сполуки називають амінокислотами. Введення до складу вуглеводню галогенів або нітрогруп призводить відповідно до галоген-або нітропохідних (рис. 3).

Рис. 4. ПРИКЛАДИ НАСИЩЕНИХ ВУГЛЕВОДОРОДІВз функціональними групами

Усі показані похідні вуглеводнів утворюють великі групи органічних сполук: спирти, альдегіди, кислоти, галогенпохідні тощо. Оскільки вуглеводнева частина молекули має дуже низьку реакційну здатність, хімічна поведінка таких сполук визначається хімічними властивостями функціональних груп -ОН, -СООН, -Cl, -NO2 та ін.

2. Ненасичені вуглеводні мають самі варіанти будови основного ланцюга, як і насичені, але містять подвійні чи потрійні зв'язку між атомами вуглецю (рис. 6). Найпростіший ненасичений вуглеводень – етилен.

Рис. 6. Ненасичені вуглеводні

Найбільш характерним для ненасичених вуглеводнів є приєднання по кратному зв'язку (рис. 8), що дозволяє синтезувати на їх основі різноманітні органічні сполуки.

Рис. 8. ПРИЄДНАННЯ РЕАГЕНТІВдо ненасичених з'єднань з кратного зв'язку

Інша важлива властивість з'єднань з подвійними зв'язками - їх здатність полімеризуватися (рис. 9.), подвійні зв'язки при цьому розкриваються, у результаті утворюються довгі вуглеводневі ланцюги.

Рис. 9. Полімеризація етілену

Введення до складу ненасичених вуглеводнів згаданих раніше функціональних груп так само, як і у випадку насичених вуглеводнів, призводить до відповідних похідних, які також утворюють великі групи відповідних органічних сполук – ненасичені спирти, альдегіди тощо. (Рис. 10).

Рис. 10. Ненасичені вуглеводніз функціональними групами

Для показаних з'єднань наведені спрощені назви, точне положення в молекулі кратних зв'язків та функціональних груп вказують у назві з'єднання, яке складають за спеціально розробленими правилами.

Хімічна поведінка таких сполук визначається як властивостями кратних зв'язків, і властивостями функціональних груп.

ІІ. КАРБОЦИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДОРОДИ містять циклічні фрагменти, утворені тільки атомами вуглецю. Вони утворюють дві великі групи.

1. Аліциклічні (тобто і аліфатичні та циклічні одночасно) вуглеводні. У цих сполуках циклічні фрагменти можуть містити як прості, так і кратні зв'язки, крім того, сполуки можуть містити кілька циклічних фрагментів, до назви цих сполук додають приставку «цикло», найпростіша аліциклічна сполука – циклопропан (рис. 12).

Рис. 12. АЛІЦИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДОРОДИ

Крім показаних вище існують інші варіанти сполуки циклічних фрагментів, наприклад, вони можуть мати один загальний атом (так звані спіроциклічні сполуки), або з'єднуватися таким чином, щоб два або більше атомів були спільними для обох циклів (біциклічні сполуки), при об'єднанні трьох і більше циклів можливе також утворення вуглеводневих каркасів (рис. 14).

Рис. 14. ВАРІАНТИ З'ЄДНАННЯ ЦИКЛІВв аліциклічних сполуках: спіроцикли, біцикли та каркаси. У назві спіро- та біциклічних сполук вказують той аліфатичний вуглеводень, який містить таку ж загальну кількість атомів вуглецю, наприклад, у показаному на малюнку спіроцикл міститься вісім атомів вуглецю, тому його назва побудована на основі слова «октан». В адамантані атоми розташовані так само, як у кристалічній решітці алмазу, що визначило його назву ( грец. adamantos – алмаз)

Багато моно-і біциклічні аліциклічні вуглеводні, а також похідні адамантану входять до складу нафти, їхня узагальнена назва – нафтени.

За хімічними властивостями аліциклічні вуглеводні близькі до відповідних аліфатичних сполук, однак, у них з'являється додаткова властивість, пов'язана з їхньою циклічною будовою: невеликі цикли (3–6-членні) здатні розкриватися, приєднуючи деякі реагенти (рис. 15).

Рис. 15. РЕАКЦІЇ АЛІЦИКЛІЧНИХ ВУГЛЕВОДОРОДІВ, що протікають з розкриттям циклу

Введення до складу аліциклічних вуглеводнів різних функціональних груп призводить до відповідних похідних – спиртів, кетонів тощо. (Рис. 16).

Рис. 16. АЛІЦИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДОРОДИз функціональними групами

2. Другу велику групу карбоциклічних сполук утворюють ароматичні вуглеводні бензольного типу, тобто містять у своєму складі один або кілька бензольних циклів (існують також ароматичні сполуки небензольного типу ( см. АРОМАТИЧНІСТЬ). При цьому вони можуть містити фрагменти насичених або ненасичених вуглеводневих ланцюгів (рис. 18).

Рис. 18. АРОМАТИЧНІ КУТОВОДОРОДИ.

Існують група сполук, у яких бензольні кільця як би спаяні між собою, це звані конденсовані ароматичні сполуки (Рис. 20).

Рис. 20. КОНДЕНСОВАНІ АРОМАТИЧНІ З'ЄДНАННЯ

Багато ароматичних сполук, у тому числі і конденсованих (нафталін та його похідні) входять до складу нафти, друге джерело цих сполук – кам'яновугільна смола.

Для бензольних циклів не характерні реакції приєднання, які проходять з великими труднощами й у жорстких умовах, найбільш типові їм реакції заміщення атомів водню (рис.21).

Рис. 21. РЕАКЦІЇ ЗАМІЩЕННЯатомів водню в ароматичному ядрі.

Крім функціональних груп (галогену, нітро- та ацетильної групи), приєднаних до бензольного ядра (рис. 21), можна також ввести інші групи, в результаті виходять відповідно похідні ароматичних сполук (рис. 22), що утворюють великі класи органічних сполук – феноли, ароматичні аміни та ін.

Рис. 22. АРОМАТИЧНІ СПОЛУКИіз функціональними групами. З'єднання, у яких neгрупа -ОН з'єднана з атомом вуглецю в ароматичному ядрі, називають фенолами, на відміну аліфатичних сполук, де такі сполуки називають спиртами.

ІІІ. ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ ВУГЛЕВОДОРОДИ містять у складі циклу (крім атомів вуглецю) різні гетероатоми: O, N, S. Цикли можуть бути різного розміру, містити як прості, так і кратні зв'язки, а також приєднані до гетероциклу вуглеводневі заступники. Існують варіанти, коли гетероцикл «спаян» із бензольним ядром (рис. 24).

Рис. 24. ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ З'ЄДНАННЯ. Їх назви склалися історично, наприклад, фуран отримав назву від фуранового альдегіду – фурфуролу, що отримується з висівок ( лат. furfur - висівки). Для всіх показаних сполук реакції приєднання утруднені, а реакції заміщення проходять досить легко. Таким чином, це ароматичні сполуки небензольного типу.

Різноманітність сполук цього класу збільшується додатково за рахунок того, що гетероцикл може містити два або більше гетероатомів у циклі (рис. 26).

Рис. 26. ГЕТЕРОЦИКЛИз двома та більше гетероатомами.

Так само, як і розглянуті раніше аліфатичні, аліциклічні та ароматичні вуглеводні, гетероцикли можуть містити у своєму складі різні функціональні групи (-ОН, -СООН, -NH 2 та ін), причому гетероатом у циклі в деяких випадках також можна розглядати як функціональну групу, оскільки вона здатна брати участь у відповідних перетвореннях (рис. 27).

Рис. 27. ГЕТЕРОАТОМ Nу ролі функціональної групи. У назві останнього з'єднання буква «N» вказує, якого атома приєднана метильная група.

Реакція органічної хімії. На відміну від реакцій неорганічної хімії, де з високою швидкістю (іноді миттєво) взаємодіють іони, у реакціях органічних сполук зазвичай беруть участь молекули, що містять ковалентні зв'язки. В результаті всі взаємодії протікають набагато повільніше, ніж у випадку іонних сполук (іноді десятки годин), часто при підвищеній температурі та при прискоренні процесів речовин – каталізаторів. Багато реакцій протікають через проміжні стадії або в декількох паралельних напрямках, що призводить до помітного зниження виходу потрібної сполуки. Тому при описі реакцій замість рівнянь з числовими коефіцієнтами (що зазвичай прийнято в неорганічній хімії) часто використовують схеми реакцій без вказівки стехіометричних співвідношень.

Назва великих класів органічних реакцій часто пов'язують з хімічною природою діючого реагенту або з типом органічної групи, що вводиться в сполуку:

а) галогенування - введення атома галогену (рис. 8, перша схема реакції),

б) гідрохлорування, тобто. дія HCl (рис. 8, друга схема реакції)

в) нітрування – введення нітрогрупи NO 2 (рис. 21, другий напрямок реакції)

г) металування – запровадження атома металу (рис. 27, перша стадія)

а) алкілування – запровадження алкільної групи (рис. 27, друга стадія)

б) ацилування – введення ацильної групи RC(O)- (рис. 27, друга стадія)

Іноді назва реакції свідчить про особливості перебудови молекули, наприклад, циклізація – утворення циклу, дециклізація – розкриття циклу (рис.15).

Великий клас утворюють реакції конденсації ( лат. condensatio – ущільнення, згущення), при яких відбувається формування нових зв'язків С-С з одночасним утворенням неорганічних або органічних сполук, що легко видаляються. Конденсацію, що супроводжується виділенням води, називають дегідратацією. Конденсаційні процеси можуть проходити внутрішньомолекулярно, тобто, в межах однієї молекули (рис. 28).

Рис. 28. РЕАКЦІЇ КОНДЕНСАЦІЇ

У конденсації бензолу (мал. 28) роль функціональних груп виконують фрагменти С-Н.

Класифікація органічних реакцій немає строгого характеру, наприклад, показану на рис. 28 внутрішньомолекулярну конденсацію малеїнової кислоти можна також віднести до реакцій циклізації, а конденсацію бензолу – до дегідрування.

Існують внутрішньомолекулярні реакції, дещо відрізняються від конденсаційних процесів, коли фрагмент (молекула) відщеплюється у вигляді з'єднання, що легко видаляється, без очевидної участі функціональних груп. Такі реакції називають елімінуванням ( лат. eliminare – виганяти), у своїй утворюються нові зв'язку (рис. 29).

Рис. 29. РЕАКЦІЇ ЕЛІМІНЮВАННЯ

Можливі варіанти, коли спільно реалізуються кілька типів перетворень, що показано на прикладі з'єднання, в якому при нагріванні протікають різнотипні процеси. При термічній конденсації слизової кислоти (рис. 30) проходить внутрішньомолекулярна дегідратація та подальше елімінування СО 2 .

Рис. 30. Перетворення слизової кислоти(одержуваної із шлункового сиропу) в пирослизову кислоту, названу так тому, що отримують її нагріванням слизової. Пірослизова кислота є гетероциклічною сполукою – фураном з приєднаною функціональною (карбоксильною) групою. У процесі реакції розриваються зв'язки С-О, С-Н та утворюються нові зв'язки С-Н та С-С.

Існують реакції, при яких відбувається перебудова молекули без зміни складу ( см. ІЗОМЕРІЗАЦІЯ).

Методи дослідження в органічній хімії. Сучасна органічна хімія крім елементного аналізу використовує багато фізичних методів дослідження. Найскладніші суміші речовин поділяють на компоненти за допомогою хроматографії, заснованої на переміщенні розчинів або пар речовин через шар сорбенту. Інфрачервона спектроскопія – пропускання інфрачервоних (теплових) променів через розчин або крізь тонкий шар речовини – дозволяє встановити наявність у речовині певних фрагментів молекули, наприклад, груп С 6 Н 5 З=О, NH 2 та ін.

Ультрафіолетова спектроскопія, звана також електронною, несе інформацію про електронний стан молекули, вона чутлива до присутності в речовині кратних зв'язків та ароматичних фрагментів. Аналіз кристалічних речовин за допомогою променів рентгенівського діапазону (рентгеноструктурний аналіз) дає об'ємну картину розташування атомів у молекулі, подібну до тих, що показані на наведених вище анімованих малюнках, іншими словами, дозволяє як би побачити будову молекули на власні очі.

Спектральний метод – ядерний магнітний резонанс, заснований на резонансній взаємодії магнітних моментів ядер із зовнішнім магнітним полем, дає можливість розрізнити атоми одного елемента, наприклад, водню, розташовані в різних фрагментах молекули (у вуглеводневому скелеті, в гідроксильній, карбоксильній або аміногрупі), а також визначити їхнє кількісне співвідношення. Подібний аналіз можливий також для ядер С, N, F та ін. Всі ці сучасні фізичні методи призвели до інтенсивних досліджень в органічній хімії – стало можливим швидко вирішувати ті завдання, на які раніше тривали довгі роки.

Деякі розділи органічної хімії виділилися великі самостійні області, наприклад, хімія природних речовин, лікарських препаратів, барвників, хімія полімерів. У середині 20 в. хімія елементоорганічних сполук стала розвиватися як самостійна дисципліна, яка вивчає речовини, що містять зв'язок С-Е, де символ Е позначає будь-який елемент (крім вуглецю, водню, кисню, азоту та галогенів). Великі успіхи біохімії, що вивчає синтез та перетворення органічних речовин, що відбуваються в живих організмах. Розвиток усіх цих областей ґрунтується на загальних законах органічної хімії.

Сучасний промисловий органічний синтез включають широкий набір різних процесів - це, перш за все, великотоннажні виробництва - переробка нафти, газу та отримання моторних палив, розчинників, теплоносіїв, мастил, крім того, синтез полімерів, синтетичних волокон, різноманітних смол для покриттів, клеїв та емалей. До малотоннажних виробництв відносять отримання лікарських препаратів, вітамінів, барвників, харчових добавок та запашних речовин.

Михайло Левицький

ЛІТЕРАТУРА Каррер П. Курс органічної хімії, пров. з нім., ГНТІ Хімліт, Л., 1962
Крам Д., Хеммонд Дж. Органічна хімія, пров. з англ., Мир, М., 1964

У минулому вчені розділяли всі речовини в природі на умовно неживі та живі, включаючи до останніх царство тварин і рослин. Речовини першої групи отримали назву мінеральних. А ті, що увійшли до другої, стали називати органічними речовинами.

Що під цим мається на увазі? Клас органічних речовин є найбільшим серед усіх хімічних сполук, відомих сучасним ученим. На питання, які органічні речовини, можна відповісти так – це хімічні сполуки, до складу яких входить вуглець.

Зверніть увагу, що не всі сполуки, що містять вуглецю, відносяться до органічних. Наприклад, корбіди і карбонати, вугільна кислота і ціаніди, оксиди вуглецю не входять до їх числа.

Чому так багато органічних речовин?

Відповідь це питання у властивостях вуглецю. Цей елемент цікавий тим, що здатний утворювати ланцюжки зі своїх атомів. І при цьому вуглецевий зв'язок дуже стабільний.

З іншого боку, в органічних сполуках він виявляє високу валентність (IV), тобто. здатність утворювати хімічні зв'язки з іншими речовинами І не лише одинарні, але також подвійні і навіть потрійні (інакше – кратні). У міру зростання кратності зв'язку ланцюг атомів стає коротшим, а стабільність зв'язку підвищується.

А ще вуглець наділений здатністю утворювати лінійні, плоскі та об'ємні структури.

Саме тому органічні речовини у природі такі різноманітні. Ви легко перевірите це самі: встаньте перед дзеркалом та уважно подивіться на своє відображення. Кожен із нас – ходячий посібник з органічної хімії. Вдумайтеся: щонайменше 30% маси кожної вашої клітини – це органічні сполуки. Білки, які збудували ваше тіло. Вуглеводи, які служать «паливом» та джерелом енергії. Жири, що зберігають запаси енергії. Гормони, які управляють роботою органів та навіть вашою поведінкою. Ферменти, що запускають хімічні реакції всередині вас. І навіть «вихідний код», ланцюжки ДНК – це органічні сполуки на основі вуглецю.

Склад органічних речовин

Як ми вже говорили на початку, основний будівельний матеріал для органічних речовин – це вуглець. І будь-які практичні елементи, з'єднуючись з вуглецем, можуть утворювати органічні сполуки.

У природі найчастіше у складі органічних речовин присутні водень, кисень, азот, сірка та фосфор.

Будова органічних речовин

Різноманітність органічних речовин на планеті та різноманітність їх будови можна пояснити характерними рисами атомів вуглецю.

Ви пам'ятаєте, що атоми вуглецю здатні утворювати дуже міцні зв'язки, з'єднуючись у ланцюжки. В результаті виходять стійкі молекули. Те, як саме атоми вуглецю з'єднуються в ланцюг (розташовуються зигзагом) є однією з ключових особливостей її будови. Вуглець може об'єднуватися як у відкриті ланцюги, так і замкнені (циклічні) ланцюжки.

Важливо й те, що будова хімічних речовин впливає з їхньої хімічні властивості. Значну роль грає і те, як атоми та групи атомів у молекулі впливають один на одного.

Завдяки особливостям будови рахунок однотипним сполукам вуглецю йде на десятки і сотні. Наприклад, можна розглянути водневі сполуки вуглецю: метан, етан, пропан, бутан тощо.

Наприклад, метан - СН4. Така сполука водню з вуглецем у нормальних умовах перебуває у газоподібному агрегатному стані. Коли ж у складі утворюється кисень, утворюється рідина – метиловий спирт СН 3 ОН.

Не тільки речовини з різним якісним складом (як у прикладі вище) виявляють різні властивості, а й речовини однакового якісного складу теж таке здатні. Прикладом можуть бути різна здатність метану СН 4 і етилену С 2 Н 4 реагувати з бромом і хлором. Метан здатний на такі реакції лише при нагріванні або під ультрафіолетом. А етилен реагує навіть без освітлення та нагрівання.

Розглянемо такий варіант: якісний склад хімічних сполук однаковий, кількісний – відрізняється. Тоді й хімічні властивості сполук є різними. Як у випадку з ацетиленом 2 Н 2 і бензолом 6 Н 6 .

Не останню роль цьому різноманітті грають такі властивості органічних речовин, «зав'язані» з їхньої будові, як ізомерія і гомологія.

Уявіть, що у вас є дві на перший погляд ідентичні речовини – однаковий склад і та сама молекулярна формула, щоб описати їх. Але будова цих речовин дуже по-різному, звідки випливає і відмінність хімічних і фізичних якостей. Наприклад, молекулярною формулою З 4 Н 10 можна записати дві різні речовини: бутан та ізобутан.

Йдеться про ізомерах– сполуки, які мають однаковий склад та молекулярну масу. Але атоми в їх молекулах розташовані в різному порядку (розгалужена та нерозгалужена будова).

Що стосується гомології- це характеристика такого вуглецевого ланцюга, в якій кожен наступний член може бути отриманий додаванням до попередньої групи СН 2 . Кожен гомологічний ряд можна сказати однією загальною формулою. А знаючи формулу, неважко визначити склад кожного члена низки. Наприклад, гомологи метану описуються формулою C n H 2n+2 .

У міру збільшення «гомологічної різниці» СН 2 посилюється зв'язок між атомами речовини. Візьмемо гомологічний ряд метану: чотири перші його члени – гази (метан, етан, пропан, бутан), наступні шість – рідини (пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан), а далі йдуть речовини у твердому агрегатному стані (пентадекан, ейкозан і т.д.). І чим міцніший зв'язок між атомами вуглецю, тим вище молекулярна вага, температури кипіння та плавлення речовин.

Які існують класи органічних речовин?

До органічних речовин біологічного походження відносяться:

• білки;
• вуглеводи;
• нуклеїнові кислоти;
• ліпіди.

Три перші пункти можна назвати біологічними полімерами.

Докладніша класифікація органічних хімічних речовин охоплює речовини як біологічного походження.

До вуглеводнів відносяться:

• ациклічні сполуки:
  • граничні вуглеводні (алкани);
  • ненасичені вуглеводні:
    • алкени;
    • алкін;
    • алкадієни.
• циклічні сполуки:
  • сполуки карбоциклічні:
    • аліциклічні;
    • ароматичні.
  • з'єднання гетероциклічні.

Існують також інші класи органічних сполук, у складі яких вуглець з'єднується з іншими речовинами, крім водню:

• спирти та феноли;
• альдегіди та кетони;
• карбонові кислоти;
• складні ефіри;
• ліпіди;
• вуглеводи:
  • моносахариди;
  • олігосахариди;
  • полісахариди.
  • мукополісахариди.
• аміни;
• амінокислоти;
• білки;
• нуклеїнові кислоти.

Формули органічних речовин за класами

Приклади органічних речовин

Як ви пам'ятаєте, у людському організмі різноманітних органічні речовини – основа основ. Це наші тканини та рідини, гормони та пігменти, ферменти та АТФ, а також багато іншого.

У тілах людей та тварин пріоритет за білками та жирами (половина сухої маси клітини тварин – це білки). У рослин (приблизно 80% сухої маси клітини) – за вуглеводами, насамперед складними – полісахаридами. У тому числі за целюлозою (без якої не було б паперу), крохмалем.

Давайте поговоримо про деякі з них.

Наприклад, про вуглеводи. Якби можна було взяти та виміряти маси всіх органічних речовин на планеті, саме вуглеводи перемогли б у цьому змаганні.

Вони є в організмі джерелом енергії, є будівельними матеріалами для клітин, а також здійснюють запас речовин. Рослинам цієї мети служить крохмаль, тваринам – глікоген.

Крім того, вуглеводи дуже різноманітні. Наприклад, найпростіші вуглеводи. Найпоширеніші в природі моносахариди – це пентози (у тому числі дезоксирибоза, що входить до складу ДНК) і гексози (добре знайома вам глюкоза).

Як із цеглинок, на великому будівництві природи вишиковуються з тисяч і тисяч моносахаридів полісахариди. Без них, точніше, без целюлози, крохмалю, не було б рослин. Та й тваринам без глікогену, лактози та хітину довелося б важко.

Подивимося уважно і на білки. Природа – найбільший майстер мозаїк і пазлів: всього з 20 амінокислот у людському організмі утворюється 5 мільйонів типів білків. На білках теж є чимало життєво важливих функцій. Наприклад, будівництво, регуляція процесів в організмі, згортання крові (для цього існують окремі білки), рух, транспорт деяких речовин в організмі, вони також є джерелом енергії, як ферменти виступають каталізатором реакцій, забезпечують захист. У справі захисту організму від негативних зовнішніх впливів важливу роль відіграють антитіла. І якщо в тонкому настроюванні організму відбувається розлад, антитіла замість знищення зовнішніх ворогів можуть виступати агресорами до власних органів та тканин організму.

Білки також поділяються на прості (протеїни) та складні (протеїди). І мають властиві тільки їм властивості: денатурацію (руйнування, яке ви не раз помічали, коли варили яйце круто) і ренатурацію (ця властивість знайшла широке застосування у виготовленні антибіотиків, харчових концентратів та ін.).

Не залишимо без уваги і ліпіди(Жири). У нашому організмі вони є запасним джерелом енергії. Як розчинники допомагають протіканню біохімічних реакцій. Беруть участь у будівництві організму – наприклад, у формуванні клітинних мембран.

І ще кілька слів про такі цікаві органічні сполуки, як гормони. Вони беруть участь у біохімічних реакціях та обміні речовин. Такі маленькі, гормони роблять чоловіків чоловіками (тестостерон) та жінок (естроген). Примушують нас радіти чи сумувати (не останню роль у перепадах настрою відіграють гормони щитовидної залози, а ендорфін дарує відчуття щастя). І навіть визначають, «сови» ми чи «жайворонки». Готові ви вчитися допізна або вважаєте за краще стати рано і зробити домашню роботу перед школою, вирішує не тільки ваш розпорядок дня, але і деякі гормони надниркових залоз.

Висновок

Світ органічних речовин по-справжньому дивовижний. Досить заглибитись у його вивчення лише небагато, щоб у вас захопило дух від відчуття спорідненості з усім живим на Землі. Дві ноги, чотири або коріння замість ніг – усіх нас об'єднує чари хімічної лабораторії матінки-природи. Воно змушує атоми вуглецю об'єднуватися в ланцюжки, вступати у реакції та створювати тисячі таких різноманітних хімічних сполук.

Тепер у вас є короткий путівник з органічної хімії. Звичайно, тут представлена ​​далеко не вся можлива інформація. Якісь моменти вам, можливо, доведеться уточнити самостійно. Але ви завжди можете використовувати намічений маршрут для своїх самостійних пошуків.

Ви також можете використовувати наведене у статті визначення органічної речовини, класифікацію та загальні формули органічних сполук та загальні відомості про них, щоб підготуватися до уроків хімії у школі.

Розкажіть нам у коментарях, який розділ хімії (органічна чи неорганічна) подобається вам більше та чому. Не забудьте розшарити статтю в соціальних мережах, щоб ваші однокласники теж змогли нею скористатися.

Будь ласка, повідомте, якщо виявите у статті якусь неточність чи помилку. Усі ми люди і всі ми іноді помиляємось.

сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.

Важко уявити прогрес у будь-якій галузі господарства без хімії - зокрема, без органічної хімії. Усі сфери господарства пов'язані з сучасною хімічною наукою та технологією.

Органічна хімія вивчає речовини, що містять у своєму складі вуглець, за винятком окису вуглецю, вуглекислого газу та солей вугільної кислоти (ці сполуки за властивостями ближчі до неорганічних сполук).

Як наука органічна хімія до середини XVIII століття не існувала. На той час розрізняли три види хімії: хімію тварин, рослинну та мінеральну. Хімія тварин вивчала речовини, що входять до складу тваринних організмів; рослинна – речовини, що входять до складу рослин; мінеральна – речовини, що входять до складу неживої природи. Цей принцип, однак, не дозволяв відокремити органічні речовини від неорганічних. Наприклад, янтарна кислота відносилася до групи мінеральних речовин, так як її отримували перегонкою викопного бурштину, поташ входив у групу рослинних речовин, а фосфат кальцію - в групу тварин речовин, тому що їх отримували прожарювання відповідно рослинних (деревина) і тварин (кісті) матеріалів .

У першій половині ХІХ століття було запропоновано виділити сполуки вуглецю в самостійну хімічну дисципліну – органічну хімію.

Серед учених на той час панував віталістичний світогляд, за яким органічні сполуки утворюються лише живому організмі під впливом особливої, надприродної " життєвої сили " . Це означало, що отримати органічні речовини шляхом синтезу з неорганічних неможливо, що між органічними та неорганічними сполуками лежить непереборна прірва. Віталізм настільки зміцнився в умах вчених, що тривалий час не робилося жодних спроб синтезу органічних речовин. Проте віталізм був спростований практикою, хімічним експериментом.

У 1828 р. німецький хімік Велер, працюючи з ціановокислим амонієм, випадково отримав сечовину

O
II
NH2-C-NH2.

У 1854 р. француз Бертло синтезував речовини, які стосуються жирів, а 1861 р. російський учений Бутлеров синтезував речовини, які стосуються класу цукрів. Це були важкі удари з віталістичної теорії, що остаточно розбивають переконання про неможливість синтезу органічних сполук.

Ці та інші досягнення хіміків вимагали теоретичного пояснення та узагальнення можливих шляхів синтезу органічних сполук та зв'язку їх властивостей із будовою.

Історично першою теорією органічної хімії стала теорія радикалів (Ж.Дюма, Ю.Лібіх, І.Берцеліус). На думку авторів, багато перетворень органічних сполук протікають так, що деякі групи атомів (радикали), не змінюючись, переходять з однієї органічної сполуки в іншу. Однак, незабаром було встановлено, що в органічних радикалах атоми водню можуть заміщатися навіть на такі відмінні від водню за хімічною природою атоми, як атоми хлору, і тип хімічного з'єднання зберігається.

Теорію радикалів змінила більш досконала і що охоплює найбільший експериментальний матеріал теорія типів (О. Лоран, Ш. Жерар, Ж. Дюма). Теорія типів класифікувала органічні речовини за типами перетворень. До типу водню відносили вуглеводні, типу хлороводорода - галогенопроизводные, типу води - спирти, ефіри, кислоти та його ангідриди, типу аміаку - аміни. Проте величезний експериментальний матеріал, що накопичується, вже не вкладався у відомі типи і, крім того, теорія типів не могла передбачити існування і шляхи синтезу нових органічних сполук. Розвиток науки вимагало створення нової, більш прогресивної теорії, для народження якої вже існували деякі передумови: встановлено чотиривалентність вуглецю (А.Кекуле та А.Кольбе, 1857 рік), показано здатність атома вуглецю утворювати ланцюжки атомів (А.Кекуле та А.Купер, 1857 рік).

Вирішальна роль створенні теорії будови органічних сполук належить великому російському вченому Олександру Михайловичу Бутлерову. 19 вересня 1861 року на 36-му з'їзді німецьких дослідників природи А.М.Бутлеров оприлюднив її в доповіді "Про хімічну будову речовини".

Основні положення теорії хімічної будови А.М.Бутлерова можна звести до такого.

1. Всі атоми в молекулі органічної сполуки пов'язані один з одним у певній послідовності відповідно до їх валентності. Зміна послідовності розташування атомів призводить до утворення нової речовини з новими властивостями. Наприклад, складу речовини С2Н6О відповідають дві різні сполуки: диметиловий ефір (СН3-О-СН3) і етиловий спирт (С2Н5ОН).

2. Властивості речовин залежать від їхньої хімічної будови. Хімічна будова - це певний порядок у чергуванні атомів у молекулі, у взаємодії та взаємному впливі атомів один на одного - як сусідніх, так і через інші атоми. У результаті кожна речовина має свої особливі фізичні та хімічні властивості. Наприклад, диметиловий ефір - це газ без запаху, нерозчинний у воді, t°пл. = -138 ° C, t ° кип. = 23,6 ° C; етиловий спирт - рідина із запахом, розчинна у воді, t°пл. = -114,5 ° C, t ° кип. = 78,3°C.
Це положення теорії будови органічних речовин пояснило явище ізомерії, поширене в органічній хімії. Наведена пара сполук - диметиловий ефір та етиловий спирт - один із прикладів, що ілюструють явище ізомерії.

3. Вивчення властивостей речовин дозволяє визначити їхню хімічну будову, а хімічну будову речовин визначає їх фізичні та хімічні властивості.

4. Атоми вуглецю здатні з'єднатися між собою, утворюючи вуглецеві ланцюги різного виду. Вони можуть бути як відкритими, і замкнутими (циклічними), як прямими, і розгалуженими. Залежно від кількості зв'язків, що витрачаються атомами вуглецю на з'єднання один з одним, ланцюги можуть бути насиченими (з одинарними зв'язками) або ненасиченими (з подвійними та потрійними зв'язками).

5. Кожна органічна сполука має одну певну формулу будівлі або структурну формулу, яку будують, ґрунтуючись на положенні про чотиривалентний вуглець та здатність його атомів утворювати ланцюги та цикли. Будова молекули як реального об'єкта можна вивчити експериментально хімічними та фізичними методами.

А.М.Бутлеров не обмежився теоретичними поясненнями своєї теорії будови органічних сполук. Він провів ряд експериментів, підтвердивши прогнози теорії отриманням ізобутану, трет. бутилового спирту тощо. Це дозволило А.М.Бутлерову заявити 1864 року, що існуючі факти дозволяють ручатися можливість синтетичного отримання будь-якого органічного речовини.

У подальшому розвитку та обґрунтуванні теорії будови органічних сполук велику роль відіграли послідовники Бутлерова - В.В.Марковников, Є.Є.Вагнер, Н.Д.Зелінський, А.Н.Несмеянов та ін.

Сучасний період розвитку органічної хімії в галузі теорії характеризується все більшим проникненням методів квантової механіки в органічну хімію. З їхньою допомогою вирішуються питання причин тих чи інших проявів взаємного впливу атомів у молекулах. В галузі розвитку органічного синтезу сучасний період характеризується значними успіхами в отриманні численних органічних сполук, до яких входять природні речовини - антибіотики, різноманітні лікарські сполуки, численні високомолекулярні сполуки. Органічна хімія глибоко проникла у сферу фізіології. Так, з хімічної точки зору вивчено гормональну функцію організму, механізм передачі нервових імпульсів. Вчені впритул підійшли до вирішення питання про будову та синтез білка.

Органічна хімія як самостійна наука продовжує існувати та інтенсивно розвиватися. Це пояснюється такими причинами:

1. Різноманіттям органічних сполук, обумовленим тим, що вуглець на відміну інших елементів здатний з'єднуватися друг з одним, даючи довгі ланцюжка (изомеры). Нині відомо близько 6 млн. органічних сполук, тоді як неорганічних - лише близько 700 тисяч.

2. Складністю молекул органічних речовин, що містять до 10 тисяч атомів (наприклад, природні біополімери – білки, вуглеводи).

3. Специфічністю властивостей органічних сполук у порівнянні з неорганічними (нестійкістю при порівняно невисоких температурах, низькою – до 300°С – температурою плавлення, горючістю).

4. повільно йдуть реакціями між органічними речовинами порівняно з реакціями, характерними для неорганічних речовин, утворенням побічних продуктів, специфікою виділення речовин і технологічним обладнанням.

5. Величезним практичним значенням органічних сполук. Вони - наша їжа та одяг, паливо, різноманітні лікарські препарати, численні полімерні матеріали тощо.

Класифікація органічних сполук

Величезна кількість органічних сполук класифікують з урахуванням будови вуглецевого ланцюга (вуглецевого скелета) та наявності у молекулі функціональних груп.

На схемі представлено класифікацію органічних сполук залежно від будови вуглецевого ланцюга.

Органічні сполуки

Ациклічні (аліфатичні)
(з'єднання з відкритим ланцюгом)

Циклічні
(з'єднання із замкнутим ланцюгом)

Насичені (граничні)

Ненасичені (ненасичені)

Карбоциклічні (цикл складається лише з атомів вуглецю)

Гетероциклічні (цикл складається з атомів вуглецю та інших елементів)

Аліциклічні (аліфатичні циклічні)

Ароматичні

Найпростішими представниками ациклічних сполук є аліфатичні вуглеводні - сполуки, що містять лише атоми вуглецю та водню. Аліфатичні вуглеводні можуть бути насиченими (алкани) та ненасиченими (алкени, алкадієни, алкіни).

Найпростішим представником аліциклічних вуглеводнів служить циклопропан, що містить цикл із трьох вуглецевих атомів.

Ароматичний ряд поєднує ароматичні вуглеводні – бензол, нафталін, антрацен тощо, а також їх похідні.

Гетероциклічні сполуки можуть містити в циклі, крім атомів вуглецю, один або кілька атомів інших елементів - гетероатомів (кисень, азот, сірку та ін.).

У кожному представленому ряду органічні сполуки поділяються на класи в залежності від складу та будови. Найбільш простим класом органічних сполук є вуглеводні. При заміні атомів водню у вуглеводнях інші атоми чи групи атомів (функціональні групи) утворюються інші класи органічних сполук даного ряду.

Функціональна група - атом або група атомів, що встановлюють належність з'єднання до класів органічних сполук та визначають найголовніші напрямки його хімічних перетворень.

Сполуки з однією функціональною групою називаються монофункціональними (метанол СН3-ОН), з кількома однаковими функціональними групами - поліфункціональними (гліцерин

СН2-
I
OH СН-
I
OH СН2),
I
OH

з декількома різними функціональними групами - гетерофункціональними (молочна кислота

СН3-
СН-СООН).
I
OH

Сполуки кожного класу складають гомологічні ряди. Гомологічний ряд - це нескінченний ряд органічних сполук, що мають подібну будову і, отже, подібні хімічні властивості і відрізняються одна від одної на будь-яке число СН2-груп (гомологічна різниця).

Основні класи органічних сполук наступні:

I. Вуглеводні (R-H).

ІІ. Галогенопохідні (R-Hlg).

ІІІ. Спирти (R-OH).

O
IV. Ефіри прості та складні (R-O-R', R-C).
\
OR’

O
V. Карбонільні сполуки (альдегіди та кетони) (R-C
\
H

O
II
, R-C-R).

O
VI. Карбонові кислоти R-C).
\
OH

R
I
VII. Аміни (R-NH2, NH, R-N-R').
I I
R’ R’’

VIII. Нітросполуки (R-NO2).

IX. Сульфокислоти (R-SO3H).

Число відомих класів органічних сполук не обмежується перерахованими, воно велике і з розвитком науки постійно збільшується.

Усі класи органічних сполук взаємопов'язані. Перехід від одних класів сполук до інших здійснюється здебільшого за рахунок перетворень функціональних груп без зміни вуглецевого скелета.

Класифікація реакцій органічних сполук за характером хімічних перетворень

Органічні сполуки здатні до різноманітних хімічних перетворень, які можуть відбуватися без зміни вуглецевого скелета, і з таким. Більшість реакцій відбувається без зміни вуглецевого скелета.

I. Реакції без зміни вуглецевого скелета

До реакцій без зміни вуглецевого скелета відносяться такі:

1) заміщення: RH + Br2 ® RBr + HBr,

2) приєднання: CH2 = CH2 + Br2 ® CH2Br - CH2Br,

3) відщеплення (елімінування): CH3-CH2-Cl CH2=CH2 + HCl,

4) ізомеризації: CH3-CH2-CеСH

------®
¬------

Реакції заміщення характерні всім класів органічних сполук. Заміщуватись можуть атоми водню або атоми будь-якого іншого елемента, крім вуглецю.

Реакції приєднання характерні для з'єднань з кратними зв'язками, які можуть бути між атомами вуглецю, вуглецю та кисню, вуглецю та азоту тощо, а також для сполук, що містять атоми з вільними електронними парами або вакантними орбіталями.

До реакцій елімінування здатні сполуки, які містять електронегативні угруповання. Легко відщеплюються такі речовини, як вода, галогенів, аміак.

До реакцій ізомеризації без зміни вуглецевого скелета особливо схильні ненасичені з'єднання та їх похідні.

ІІ. Реакції із зміною вуглецевого скелета

До цього типу перетворень органічних сполук відносяться наступні реакції:

1) подовження ланцюга,

2) вкорочування ланцюга,

3) ізомеризації ланцюга,

4) циклізації,

5) розкриття циклу,

6) стиснення та розширення циклу.

Хімічні реакції проходять із заснуванням різних проміжних продуктів. Шлях, яким здійснюється перехід від вихідних речовин до кінцевих продуктів, називається механізмом реакції. Залежно від механізму реакції вони поділяються на радикальні та іонні. Ковалентні зв'язки між атомами А і можуть розриватися таким чином, що електронна пара або ділиться між атомами А і В, або передається одному з атомів. У першому випадку частки А та В, отримавши по одному електрону, стають вільними радикалами. Відбувається гомолітичне розщеплення:

А: В ® А. +.

У другому випадку електронна пара переходить до однієї з частинок і утворюються два різноіменні іони. Оскільки іони, що утворюються, мають різні електронні структури, цей тип розриву зв'язку називається гетеролітичним розщепленням:

А: В ® А+ + :В-

Позитивний іон у реакціях прагнутиме приєднати себе електрон, т. е. поводитися як електрофільна частка. Негативний іон - так звана, нуклеофільна частка атакуватиме центри з надмірними позитивними зарядами.

Вивчення умов та методів проведення, а також механізмів реакцій органічних сполук становить основний зміст цього курсу органічної хімії.

Питання номенклатури органічних сполук, як правило, викладаються у всіх підручниках органічної хімії, тому ми свідомо опускаємо розгляд цього матеріалу, звертаючи увагу на те, що у всіх випадках написання рівнянь реакцій вихідні сполуки, що утворюються, забезпечуються відповідними назвами. Ці назви зі знанням основ номенклатури дозволять кожному самостійно вирішити питання, пов'язані з номенклатурою органічних сполук.

Вивчення органічної хімії починають зазвичай з аліфатичного ряду і з найпростішого класу речовин - вуглеводнів.

http://www.mitht.ru/e-library

Допомога А.І.

Короткий курс органічної хімії.

Теоретичні засади органічної хімії.

Навчальний посібник М., МІТХТ ім. М.В.Ломоносова, 2003 - 48 с.

Видання друге.

Затверджено Бібліотечно-видавничою комісією МІТХТ

ім. М.В. Ломоносова як навчальний посібник.

Даний методичний посібник призначений для студентів 3 курсу напряму бакалаврату «Матеріалознавство та технологія нових матеріалів», які вивчають органічну хімію протягом одного навчального семестру.

Посібник є викладом матеріалу, що не виходить в основному за межі навчальної програми з органічної хімії для цього напряму. Наприкінці кожного розділу наводяться вправи та типові завдання, самостійне вирішення яких допоможе студенту підготуватися як до контрольних робіт, так і до іспиту.

Підготовлено на кафедрі органічної хімії МІТХТ ім. М.В. Ломоносова.

© Московська Державна Академія Тонкої Хімічної Технології ім. М.В. Ломоносова

http://www.mitht.ru/e-library

БУДОВА ОРГАНІЧНИХ З'ЄДНАНЬ _____________ 4

1. Класифікація органічних сполук____________________________4

2. Утворення зв'язків в органічних сполуках

3. Властивості ковалентних зв'язків ______________________________________9

4. Електронні зміщення у молекулах органічних сполук_________11

4.1. Індуктивний ефект _____________________________________________11

4.2. Поєднання орбіталей: справакалізація зв'язків, мезомірний ефект ______14

5. Ізомерія органічних сполук________________________________19

5.1. Структурна ізомерія ____________________________________________19

5.2. Стереоізомерія__________________________________________________20

6. Завдання та вправи_____________________________________________32

ОСНОВИ ТЕОРІЇ ОРГАНІЧНИХ РЕАКЦІЙ 34

1. Класифікація органічних реакцій на кшталт розриву зв'язку __________34

1.1. Гомолітичні або вільнорадикальні реакції ___________________34

1.2. Гетеролітичні чи іонні реакції ______________________________36

2. Класифікація реакцій на кшталт перетворення _______________________38

3. Кислоти та основи в органічній хімії_________________________39

3.1. Кислоти та основи Бренстеда ____________________________________39

3.2. Кислоти та основи Льюїса ______________________________________43

3.3. Кислотно-основнийкаталіз________________________________________44

4. Завдання та вправи_____________________________________________45

http://www.mitht.ru/e-library

БУДОВА ОРГАНІЧНИХ З'ЄДНАНЬ

1. Класифікація органічних сполук

Органічна хімія вивчає різні сполуки вуглецю,

найпростішими з яких є сполуки вуглецю з воднем.

вуглеводні. Всі інші органічні речовини можуть бути розглянуті як похідні вуглеводнів, що відрізняються від вуглеводнів тим, що в них один або більше атомів водню заміщені на інші атоми або групи атомів (функціональні групи).

До складу органічних сполук крім атомів вуглецю та водню можуть входити атоми інших елементів (так звані гетероатоми). Це,

насамперед, атоми галогенів (галогеновиробні вуглеводнів),

кисню (спирти, феноли, прості ефіри, альдегіди, кетони, карбонові кислоти), азоту (аміни, нітросполуки), сірки (тіоли, сульфокислоти),

металів (металорганічні сполуки) та багатьох інших елементів.

В основі класифікації органічних сполук лежить їхструктура

– послідовність з'єднання атомів у молекулі. Для класифікації органічних сполук проводять спочатку класифікацію вуглеводневої основи (родоначальної структури), відносячи її до насичених вуглеводнів з відкритим ланцюгом або циклічним, насиченим або ненасиченим,

аліциклічним чи ароматичним. А потім здійснюють віднесення до відповідних похідних вуглеводнів, розглядаючи функціональну групу. Так, наприклад, бутан є насиченим нециклічним вуглеводнем (такі вуглеводні називаються алканами), 1-бутен – ненасиченим вуглеводнем нециклічної будови, що має подвійний зв'язок (алкен). Циклобутен є циклічним алкеном, а бензол – ароматичний вуглеводень. 2-Бутеналь є ненасиченим ациклічним

(тобто нециклічним) альдегідом, а бензойна кислота – це ароматична карбонова кислота.

http://www.mitht.ru/e-library

CH3 CH2 CH2 CH3	CH2 = CHCH2 CH3		CH3 CH=CHCH=O
		циклобутен	2-бутеналь	бензойна

2. Утворення зв'язків в органічних сполуках

Молекула будь-якої органічної сполуки є впорядкованою сукупністю атомів, пов'язаних переважно ковалентним зв'язком. Іонний зв'язок також зустрічається в органічних молекулах, однак, не вона визначає будову та хімічну поведінку переважної більшості органічних сполук. Органічна хімія – це хімія ковалентних сполук вуглецю.

Ковалентний зв'язок– це зв'язок, який здійснюють два атоми у вигляді узагальненої пари електронів. Узагальнення пари електронів відбувається при перекриванні атомних орбіталей двох атомів, при цьому абсолютно байдуже (для зв'язку, що утворився), скільки електронів було на кожній з перекриваються орбіталей. На обох орбіталях може бути по одному електрону, або на одній з орбіталей може бути пара електронів, а на іншій – жодного електрона (в останньому випадку говорять про донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку).

Орбіталі, які атоми елементів 1-го та 2-го періодів надають для утворення зв'язків в органічних сполуках, можуть мати звичайні для атомних орбіталей характеристики, тобто бути s- або p-орбіталями. Так,

наприклад, при утворенні молекули хлороводу атом хлору надає р-орбіталь, а атом водню - s-орбіталь. На р-орбіталі атома хлору може бути один електрон, тоді освіти зв'язку атом водню також надає один електрон. Або на р-орбіталі атома хлору можуть бути два електрони (аніон), тоді для утворення зв'язку атом водню повинен мати порожню, або вакантну, орбіталь (протон). У разі ковалентна зв'язок утворюється по донорно-акцепторному методу: аніон хлору виступає донором електронної пари, а протон – її акцептором. Нижче

http://www.mitht.ru/e-library

представлені дві схеми утворення молекулярних орбіталей (зв'язуючої та антизв'язуючої, або розпушуючою) при взаємодії (перекриванні)

атомних орбіталей.

Для атома вуглецю, як і атомів інших елементів другого періоду,

які можуть утворювати як прості (одинарні) зв'язки, так і подвійні або потрійні зв'язки, характерна так звана гібридизація атомних орбіталей,

коли атомні орбіталі різної енергії (s- і p-орбіталі) вирівнюють свої енергії, утворюючи звані вироджені орбіталі, тобто. орбіталі,

мають однакову енергію.

Атом вуглецю має на зовнішньому енергетичному рівні чотири електрони. Два валентні електрони розташовуються на s-орбіталі, на двох р-

орбіталі є по одному електрону, а третя р-орбіталь порожня. При утворенні зв'язків атом вуглецю збуджується, і один із s-електронів переходить на вакантну р-орбіталь.

збудження

s рх ру рz

Збуджений атом вуглецю з електронною конфігурацією 2s2p3 може утворити максимально чотири ковалентні зв'язки. При цьому зв'язки можуть бути утворені з різною кількістю атомів – з чотирма, трьома чи двома.

У першому випадку, коли атом вуглецю утворює зв'язки Польщі з чотирма сусідніми атомами, тобто. є чотирикоординаційним, відбувається гібридизація всіх чотирьох орбіталей з утворенням чотирьох вироджених орбіталей, що відрізняються від вихідних орбіталей і за енергією, і за формою.

http://www.mitht.ru/e-library

Цей процес за орбіталями, що беруть участь у процесі, називають sp 3 -

гібридизацією, а орбіталі, що утворюються при цьому - sp3 -гібридними орбіталями. У просторі ці гібридні орбіталі лежать на осях,

максимально віддалених один від одного і розташованих через це під кутом

109,5О один до одного (як відрізки, що з'єднують центр тетраедра з його вершинами). Тому атом вуглецю в sp3 -гібридизації називають ще

тетраедричний.

		109,5o

Коли атом вуглецю утворює зв'язку з трьома сусідніми атомами, тобто.

є трикоординаційним, відбувається вирівнювання енергій трьох орбіталей – однієї s- та двох р-орбіталей з утворенням трьох вироджених sр 2 -гібридні орбіталі, осі яких лежать в одній площині під кутом 120О

один до одного. Р-орбіталь, що не бере участі в гібридизації, розташовується перпендикулярно згаданій площині.

		120o
		sр2

У третьому випадку, коли атом вуглецю є двокоординаційнимі

пов'язаний лише з двома сусідніми атомами, реалізується sр-гібридизація. Дві вироджені sр-орбіталі розташовуються під кутом 180О друг до друга, тобто. на одній осі координат, а дві негібридні р-орбіталі знаходяться на двох інших

осях координат.

http://www.mitht.ru/e-library

Утворення зв'язків атома вуглецю відбувається при перекриття його гібридних орбіталей з відповідними гібридними або негібридними орбіталями інших атомів. При цьому можуть реалізовуватися два принципово різні способи перекриття орбіталей.

А) Осьове перекриття орбіталей , при якому максимум перекривання знаходиться на осі, що проходить через ядра атомів, що зв'язуються, призводить до утворенняσ-зв'язку. Електронна щільність зв'язку між ядрами зв'язаних атомів. Вона симетрична щодо осі перекривання.σ-Зв'язок може бути утворена перекриття будь-яких атомних орбіталей. Атоми водню та хлору в молекулі хлороводню пов'язаніσ-зв'язком, утвореної внаслідок осьового перекриття s-орбіталі атома водню тар-орбіталі атом хлору. У молекулі метану всі чотири зв'язки між атомом вуглецю та атомами водню є такожσ-зв'язками, кожна з яких утворена перекриттям однієї з чотирьох sp 3 -гібридних орбіталей атома вуглецю з s-орбіталлю атома водню.

Перекривання атомних орбіталей при утворенні σ-зв'язків у молекулах хлороводню (а) та метану (б)

Б) Бокове перекриття орбіталей - це перекриття двох р-

орбіталей, розташованих на взаємно паралельних осях. π-зв'язок, що утворюється при такому перекриванні, характеризується тим, що максимум перекривання не знаходиться на осі, що проходить через ядра зв'язаних атомів. π-зв'язок утворюють р-орбіталі sр2- або sр-гібридизованих атомів.

Так, наприклад, у молекулі етилену (СН2 =СН2 ) три sр2 -гібридних орбіталі кожного атома вуглецю при осьовому перекриванні з двома s-

орбіталями атомів водню та однією sр2 -орбіталлю сусіднього атома вуглецю

http://www.mitht.ru/e-library

утворюють три σ-зв'язки. Негібридні р-орбіталі атомів вуглецю перекриваються «боками» і утворюють π-зв'язок. При цьому всі п'ять σ-зв'язків розташовані в одній площині, а площина симетрії π-зв'язку перпендикулярна до неї.

У молекулі ацетилену потрійний вуглець-вуглецевий зв'язок є комбінацією σ-зв'язку та двох π-зв'язків. Останні утворюються бічним перекриттям негібридних р-орбіталей у взаємно перпендикулярних

площинах.

Утворення π-зв'язків у молекулах етилену (а) та ацетилену (б)

3. Властивості ковалентних зв'язків

Ковалентний зв'язок характеризується такими параметрами:

 Довжина зв'язку визначається як відстань між зв'язаними атомами. Довжина зв'язку залежить від радіусів зв'язаних атомів, від типу гібридизації атомів,

а також від кратності зв'язку (табл. 1).

							Таблиця 1
			Довжина зв'язку, Å				Довжина зв'язку, Å

 Енергія зв'язку визначається як енергія освіти або дисоціації зв'язку та залежить від природи зв'язаних атомів, від довжини зв'язку, а також від її

http://www.mitht.ru/e-library

кратності (табл. 2). Слід зазначити, що енергія подвійного С-С-зв'язку не є подвоєною енергією простою, оскільки бічне перекриття орбіталей менш ефективно, ніж осьове, і, отже, π-

зв'язок менш міцний, ніж σ-зв'язок.

						Таблиця 2
	Тип зв'язку			Енергія зв'язку,	Тип зв'язку	Енергія зв'язку,
				ккал/моль		ккал/моль

 Полярність зв'язкувизначається різницею електронегативності зв'язаних атомів. Електронегативність атома – це його здатність притягувати валентні електрони. Якщо електронегативність зв'язаних атомів однакові, електронна щільність зв'язку рівномірно розподілена між атомами. У решті випадків електронна щільність зв'язку зміщена у той чи інший бік залежно від цього, якого з атомів вона притягується сильніше. На більш електронегативному атомі виникає у своїй так званий частковий негативний заряд, але в менш електроотрицательном атомі – частковий позитивний заряд. Для двоатомних молекул полярність зв'язку може бути дуже просто охарактеризована дипольним моментом молекули, який можна виміряти. Зазвичай полярність простого зв'язку зображують стрілкою вздовж зв'язку, спрямованої більш електронегативного атома. Полярність кратних зв'язків зображують зігнутою стрілкою, спрямованої від зв'язку до більш негативного атома. Нижче наведено приклади