1) функциональных групп

наука. Классификация,
номенклатура и реакционная
способность биоорганических
соединений
1. Предмет и значения органической химии.
Органическая химия - это химия атома Карбона и всех элементов
периодической системы.
Органические вещества известны человечеству с давних времен.
Человечество использовало такие органические вещества как уксусная
кислота, винный спирт, жиры, мыла, красители.
Этапы становления органической химии. Основные положения теории
химического строения органических соединений О.Г.Бутлерова и ее
значение для развития органической химии. В истории развития химии
для органическая химия отведена три этапа.
Период от первого знакомства человека с органическими веществами до
конца XVІІІ столетия считается эмпирическим. Основной итог этого
периода - люди осознали значение элементного анализа и установление
атомных и молекулярных масс.
Органическая химия родилась из мира живых организмов. В химии длинный
период времени считали, что органические вещества могут образовываться только
в живых организмах под действием “жизненной силы”. Эта теория длиннее время
существовала и поддерживалась рядом ученых (Берцелиус) и получила название
“теории витализма”. Это учение сильно тормозило развитие органической химии,
так как пропагандировало идею о неопознаности мира.
К 60-х лет XІ столетия продлевался аналитический период. Он обозначался
тем, что из конца первой четверти XІ столетие был сделан ряд перспективных
открытий, которые нанесли сокрушительного удара по виталистической теории.
Первым в этом ряде был ученик Берцелиуса, немецкий химик Велер. Он
осуществил ряд открытии: 1824 г. - синтез щавелевой кислоты с дицианата:
(CN)2  НООС – СООН.
1828 р. – синтез мочевины с циановокислово аммония NH4CNONH2 – C –
NH2

О
1842 р. – рус. ученый М.Г.Зинин - синтез анилина из нитробензола .
1854-1862 – франц. ученый Бертло - синтез уксусной кислоты, ацетилена с С и
Н.
1861 р. – О.М.Бутлеров – синтез сахаристого вещества.
Накопленный экспериментальный материал требовал систематизации,
обобщение. В этот период возникают несколько теорий, среди которых нужно
отметить теории типов и радикалов, которые возникли одна из второй и
развили в постоянном противостояние. Эти теории сыграли положительную
роль, т.я. оказывали содействие ознакомлению с основными химическими
веществами. Но в них было заложено то, что выучить внутреннее строение
веществ невозможно (Берцелиус, Велер, Либих, Кольбе, Жерар и др.). Ни
одна из этих теорий не могла объяснить и обобщить исследовательский
материал. В 60-те года эти теории зашли в тупик. Нужна была новая теория.
Предусмотрение ее уже было:
1) утверждалось атомно-молекулярное учение, создавались
понятие “атом”, “молекула как химическая частичка”;
2) 1857 г. Август Кекуле (ним.) и Купер (шотл.) заложили начала
теории валентности. Они высказали мысль, что углерод 4-х валентный и
может образовывать цепи. Но под влиянием идей предшественников,
они не смогли открыть новую теорию, не видели взаимосвязи между
строением и свойствами
Накопленный материал требовал систематизации, обобщение. Такую теорию
разработал ученик Зинина Александр Михайлович Бутлеров ( 1828-1886). Он
еще в 1860 году начал разрабатывать идеи теории химического строения
веществ. На одной из лекций в Казанском университете он высказал свои
соображения. Свои положения он базировал на исследованиях
предшественников. В начале XІ столетие при исследовании органических
соединений химики обратили внимание на то, что в ряде химических
преобразований отдельные группы атомов в неизменном виде переходят с
одной в другую ( 1815 г. Ж. Гей-Люссак, 1832 г. Ф.Велер, Ю.Либих).
Ф.Велер, Ю.Либих и Й.Берцелиус создали первую теорию - теорию
радикалов. К радикалам они отнесли группы атомов, которые переходят от
соединения до соединения. Поэтому они высказали мысль, которые
органические вещества состоят из радикалов. В 1833-1834 р.г. Ж.Дюма
исследовал, что радикалы способны изменяться. Это было ударом по теории
радикалов. В 40-х годах XІ столетия появилась теория типов (Ш. Жерар).
Органические вещества рассматривались как продукты замещения атомов
гидрогена на разные группы. Но эти теории были несостоятельны объяснить
явления, которые наблюдались и были характерными для органических
соединений.
О.Г.Бутлеров высказал свои соображения в 1861 г. на съезде
естествоиспытателей в г. Карлруе.
Он подверг критике предыдущие теории и указал на их недостатки. Он дал
определение понятию “химическое строение”. По выражению О.Г.Бутлерова это последовательность дежурства атомов в молекуле.
О.Г.Бутлеров писал: “Химическая натура сложной частицы определяется
натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим
строением, а также “химическое значение атомов одного и того же элемента в
молекуле обусловлено природой вторых атомов, соединенных с им прямо или
посредственно”. Постулирования зависимости свойств веществ от
химического строения отличает теорию О.Г.Бутлерова от предыдущих теорий.
Положение теории:
1. Атомы, которые входят в состав молекулы органических
соединений, связанные между собой в сурово определенном порядке,
согласно их валентности. Последовательность связывания атомов в
молекуле называется химическим строением.
2. Свойства вещества зависят не только от того, какие атомы и в
каком количестве входят в состав ее молекулы, но и от того, в какой
последовательности они связаны между собой, т.е. от химического
строения молекулы.
3. Атомы или группы атомов, которые образовывают молекулу, как
связанные непосредственно, так и связанные через другие атомы, взаимно
влияют одни на вторых, от чего зависит реакционная способность
молекулы.
4. Изучая реакционную способность вещества, можно установить ее
строение, и наоборот, за строением вещества можно судить о ее свойствах.
СОСТАВ - СТРОЕНИЕ - СВОЙСТВА
Современное трактование:
Свойства сложных веществ зависят от качественного и
количественного состава и от химического строения, а также от взаимного
влияния атомов в молекуле.
Значение теории строения органических соединений.
1. Связь между строением и свойствами утверждает познаваемость
органических веществ и открывает широкую дорогую к изучению синтеза и
структуры веществ. Действительно, из основного положения теории вытекает,
что изучение свойств веществ дает возможность знать строение и наоборот.
2. Отсюда же вытекает объяснение вопросу изомерии (срок был введен в
1830 г. Берцелиусом), а именно, что молекулы с одинаковым качественным и
количественным составом владеют разными свойствами, так как имеют
разное строение.
11863 г. - Бутлеров получил третбутиловий спирт, потом его гомологи,
ето подтвердило явление изомерии.
1864 г. - предусмотрел существование изомеров в насыщенном ряде.
1866 г. - синтезировал изобутан, изобутилен с третбутилового спирта.
3. Важной частью теории Бутлерова есть учения о взаимном влиянии
атомов в молекуле. Это учение было подтверждено учениками
Бутлерова - Марковникова , Зайцевым, Поповым.
Теория химического строения выстроила в стройную систему весь
известный исследовательский материал. Следующие 100 лет только
подтвердили верность теории.
Создание теории оказывало содействие бушующему развитию
органической химии и дало начало новому структурному периоду, который
связан с синтезом и определением структуры большинства органических
соединений с помощью химических и физик-химических методов. Этот период
в XX столетии характеризуется применением автоматизации и
компьютеризации как в научной, так и в производственной сферах.
В научной сфере теория химического строения в 70-х годах обогатилась
стереохимические представлениями, основателями которой были гол. ученый
Вант-Гофф и франц. Ле Бель. Они независимо один от второго опубликовали
работы, в которых говорили о тетраэдрических строении атома углерода в
насыщенных углеводородах и объясняли тем существование оптических
изомеров.
С открытием электрона и развитием представлений о строении атомов и
состояния электрона в атоме, углубляет и теория химического строения
(начало XX столетие).
В производственной сфере теория химического строения оказалась тем
толчком к развитию, поскольку открылась широкая возможность к созданию
новых областей производства.
Современная тенденция в развитии химических производств
заключається в расширении биохимических методов (ферментативных) и
микробиологических (штаммы микроорганизмов), с помощью которых
синтезированные интерферон, инсулин, соматотропин и др. Достижение
генной инженерии открывают чрезвычайно большие перспективы развития
народного хозяйства.
Несмотря на отсутствие принципиальной разности между органическими
и неорганическими веществами, органическая химия развила как
самостоятельная наука. Этому оказывало содействие две особенности: 1)
отличие свойств органических и неорганических веществ: горючесть,
нестойкость к действию агрессивной среды (кислоты, щелочи, окислители)
(опыты с одними и вторыми веществами); 2) составляясь из небольшого
количества химических элементов (C, H, O, N, Нal, S, P) органические
соединения начисляют уже свыше 14 млн. веществ.
Причина отличий - преобладающее количество соединений с
ковалентной связью и способность атомов Карбона образовывать цепи.
3. Способы изображения органических молекул
Гибридизация атомных
орбіталей: sp-, sp2-, sp3Атомные орбитали в которых может находиться атом в пространстве. Есть s-, pи d-орбиталей атомов.
s-орбіталь
p-орбіталь
d-орбіталь
• sp–гибридизация атомных орбиталей:
+
s-орбиталь
p-орбиталь
sp-гибридизированая
орбиталь
• sp2– гибридизации атомных орбиталей . Эта
гибридизация образуется, когда s орбитали
взаимодействуют с 2 р-орбиталямы.
+
s-орбиталь
p-орбиталы
sp2- гибридизованые
орбитали
• sp3–гибридизации атомных орбиталей . Эта
гибридизация образуется, когда s орбитали
взаимодействуют с 3 р-орбиталямы
+
s-орбиталь
p-орбитали
sp3-гибридизованые
орбитали
H
H
H
C
C
H
H
H
4. Номенклатурные системы в органической химии - тривиальная,
рациональная и международная (IUPAC) (радикально-функциональная
и заместителю).
Тривиальная (историческая) номенклатура связана с процессом
получения веществ (пирогалол – продукт пиролиза галловой кислоты),
источника происхождения, из которого получали (муравьиная кислота) и
прочее.
Тривиальные названия соединений широко применяют в химии
естественных и гетероциклических соединений (цитраль, гераниол, тиофен,
пирол, хинолин и др.).
В основе рациональной номенклатуры используется принцип деления
органических соединений на гомологичные ряды: все вещества в
определенном гомологического ряде рассматриваются как производной
простейшего представителя данного ряда – первого или иногда второго. В
частности, в алканов - метана, в алкенов - этилена и т.п.
Международная номенклатура (IUPAC).
Правила современной номенклатуры были разработаны в 1957 году на
ХІХ конгрессе Международного союза теоретической и прикладной химии
(International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC).
Рассмотрим заместителю и радикально-функциональную номенклатуру
ІЮПАК.
Заместителю номенклатура. Правила номенклатуры.
1. При образовании названий за заместительной номенклатурой
органические соединения рассматривают как производной простейших
углеводородов, в молекуле которых один или несколько атомов Гидрогена
замешанные на другие атомы или группы атомов, которые называются
заместителями.
2. Определяют, какие функциональные группы входят в состав
соединения и выбирают среди них старшую, если она есть:
– COOH > –SO3H > –COOR > –C(O)Cl > –C(O)NH2 > –CN > –C(O)H >
– >C=O > –OH > –SH > –NH2 > –Hal (F, Cl, Br, I).
3. Определяют родоначальную структуру молекулы. Это есть
структурный фрагмент молекулы, которая лежит в основе названия.
В ациклических соединениях - это главную углеродную цепь, в
карбоциклических и гетероциклических - цикл.
Классификация функциональных групп
Название класса органических
соединений
Функциональная группа
Общая формула для класса
органических соединений
Галоген углеводороды
—F, —Cl, —Br, ––I
R—Hal
Спирты, фенолы
—OH
R—OH
Тиоспирты, тиофенолы
—SH
R— SH
Простые эфиры
—OR
R—O—R
O
Альдегиды
O
C
R
C
H
H
O
Кетоны
O
R
C
C
R
O
Карбоновые кислоты
O
C
R
C
OH
Сульфокислоты
—SO3—H
OH
R—SO3—H
O
Сложные эфиры
C
O
O
R
C
O
Амиды
C
O
O
R
NH2
Нитрилы
—C  N
R—C  N
Нитросоединения
—NO2
R—NO2
Амины
—NH2
R—NH2
C
NH2
R
За главную углеродную цепь избирают тот, который содержит
максимальное (в порядке убивающей значимости) число:
1) функциональных групп; 2) кратных связей; 3) атомов Карбона; 4)
заместителей.
Заместителем называют любой атом или группу атомов, которые не
входят в родоначальную структуру. Понятие “заместитель” включает у себя
функциональную группу и радикал.
Радикал – это остаток молекулы углеводорода, который образовывается
в результате удаления одного или нескольких атомов Гидрогена.
Образованную свободную валентность обозначают черточкой. За
количеством свободных валентностей различают одно- дво- и
трехвалентные радикалы:
В зависимости от природы атома Карбона различают первичные,
вторичные и третичные радикалы.
4. Определив родоначальную структуру, нумеруют ее атомы таким
образом, чтобы старшая достала, по возможности, наименьший номер. Если
старшей группы нет, преимущество предоставляют кратным связям, а при их
отсутствии - заместителям.
5. Составляют название соединения, придерживаясь такой
последовательности:
алфавитный порядок функциональных групп, кроме
старшей, и углеводных радикалов (префикс);
название родоначальной структуры (корень);
кратные связи и старшую функциональную группу
(суффикс).
= связь - “ен”, ( связь - “ин(др)”
Количество заместителей: ди - (два), три - (три), тетра - (четыре), пента пять.
Радикально-функциональная номенклатура. В основе этих названий
лежит название функционального класса (спирт, эфир , кетон и др.), которому
передуют названия углеводных радикалов, например: аллилхлорид,
диэтиловий этер, диметилкетон, пропиловий спирт.
В случае наличия в соединении нескольких функциональных групп, то именно
старшая функциональная группа определяет принадлежность к классу, а
заместители обозначают буквами греческого алфавита , , ,   и т.д., причем
буквой  обозначается первый атом от функциональной группы, а для названия
родоначальной структуры используют тривиальное название:
O
H
H3C C
C
NH2

H
H3C C
OH
-аминопропионовая кислота (радикально-функциональная )

O
C
OH
NH2
3
аланин (тривиальное название )
2
H
H3C C
NH2
1
O
C
OH
2-аминопропановая кислота (заместительная
ИЮПАК)
Структурная изомерия органических соединений: изомерия
углеродного скелету, изомерия положения, изомерия функциональной
группы. Правила вывода изомеров. Понятие о таутомерии.
6.
Изомерия
Структурная
Статичная
1. Изомерия
углеводного
скелета
2. Изомерия
положення
Просторовая (Стереоизомерия)
Динамичная
Конфигурационная Конформационные
(таутомерия)
(поворотная)
Оптичная
Геометричная
функциональной
групи
3. Изомерия
самых функциональной
груп
(метамерия)
1. Энантиомерия
2. Диастереомерия
Статическая структурная изомерия - это изомерия веществ, которая связанная с
определенной последовательностью соединения атомов между собой в
молекулах и при которой изомеры не превращаются самовольно один в одного.
Правила вывод изомеров
1. Первый изомер имеет в цепи наибольшее количество атомов Карбона.
2. Второй изомер имеет в цепи на один атом Карбона меньше. Помните,
алкильных радикалы нельзя ставить возле первого и последнего атомов
Карбона основной цепи. Алкильных радикалы размещают только возле
неравноценных атомов Карбона.
3. При заданном количестве атомов Карбона проводят перемещение
функциональных групп.
В дальнейшем снова уменьшают количество атомов Карбона в
основной цепи на один. Помните, радикалы этил и другие нельзя
ставить возле второго и предпоследнего атомов Карбона
основной цепи.
Разные изомеры должны иметь разное химическое название (при этом
нужно придерживаться правил заместительной номенклатуры).
Таутомерия – динамическая структурная изомерия, которая связана с оборотным
перенесением атомов в виде катиона или аниона от одной молекулы к другой.
Чаще всего происходит перенесение протона Н+ и потому такую таутомерию
называют прототропной. К ней принадлежит таутомерия, которая связана с
повышенной подвижностью атома Гидрогена в (-положении к электронно –
акцепторных групп.
Види таутомерии:
1) Кето-енольная
3) Лактим-лактамная таутомерия
2) Нитро-ацы-нитро таутомерия
4) Азольная таутомерия
5) Имин-енаминная таутомерия 6) Нитрозо-оксимная таутомерия
Одно из главных вопросов - вопрос о химической связи. Этот вопрос был
разрешим только после открытия электрона. В начале XX ст., когда были
достигнуты успехи в вопросе строения электронных оболочек атомов, когда
стало известно, что свойства атомов определяются преимущественно
электронами последнего энергетического уровня, вопрос о химической связи
набрало весы. Разработка электронных представлений в органической химии
(Штарк, Коссель, Льюес, Ленгмюр) приводит к возникновению “октетной
теории”, или “теории электронных пар” ( 1916-1917 р.) для практикования
природы химической связи. Авторы обратили внимание на стабильность
конфигурации с 8 электронов (инертные газы) и на то, что при образовании
связи атомы стараются образовать стойкий октет.
C + 4H
HCCH
HH
H
HCH
H
HC CH
(формулы Льюеса)
HH
HCNH
HH
У соответствия с октетною теорией образования октета может проходить двумя
путями, поэтому есть два вида химической связи: гетерополярная и
гомеополярная связи.
1. Гетерополярный, электровалентный (Коссель, Ленгмюр) или ионное
взаимодействие связано с полной отдачей атомами электронов. Атомы
превращаются в ионы.
2. Гомеополярная связь, атомная. Стойкие октеты создаются путем
обобщения электронов. Связь создана общими электронными парами,
называется ковалентным. Возникновение ковалентной связи идет двумя
механизмами: а) коллигация (обменный механизм), каждый из атомов дает
электроны для общего пользования)
СН3  + СН3  СН3 – СН3
б) координация (донорно-акцепторных механизм) - один из атомов
является донором электронов, а второй - акцептором.
СН3 + СН3  СН3 – СН3
Эти два метода - это два разных пути образования одного и того же связи,
структура которого не зависит от механизма образования. По донорноакцепторному механизму взаимодействуют соединения, которые содержат в
своем составе атомы N, O, S.
CH3NH2 + HCl
CH3-NH3 Cl-
хлорид метиламония
Льюес рассматривает подобные реакции как кислотно-основние. Доноры основы, акцепторы - кислоты.
Сэмиполярная
связь
(биполярный,
полиполярный)
это
разновидность
ковалентной
связи,
образованной
по
донорноакцепторному механизму. Это такая связь, когда ковалентносвязаные
атомы несут полные противоположные (формальные) заряды.
Этот вид связи представляет собой комбинацию ковалентного и
электровалентной связи. От обычной ковалентной связи отличается тем,
что атомы несут заряды; от электроновалентной тем, что кроме ионного
взаимодействия атомы связаны еще и ковалентно, поэтому соединения не
диссоциируют в водном растворе на ионы.
Водородная связь
Водородная связь относится к особому типу донорно-акцепторного
связи. Водородная связь возникает в случае, когда Гидроген связан
ковалентно с сильно электроотрицательным (ЕН) элементом (F, O, N).
Электронная пара при этом значительно смещена к ЕН атому, а над
Гидрогеном возникает +. При приближении к атому Гидрогена другого
электроотрицательного атома другой молекулы, возникают силы
взаимодействия. При этом ЕН атом выступает в качестве донора
электронов, а Гидроген - в качестве акцептора.
H-O ... H-O ... H-O
H
H
H
0,176 нм
0,099 нм
Атом Гидрогена занимает промежуточное положение между двумя ЕН
атомами, с одним из которых он связан ковалентно. Водородная связь
бывает между молекулярным и внутримолекулярным. .
Образование между молекулярным связи в случае воды, спиртов, приводит к
увеличению Тк. Иногда связи очень крепкие, образовываются асоциаты:
CH3-C
O ... HO
OH .. O
C-CH3
n – нитрофенол (не перегоняются с водным паром)
о- нитрофенол (внутренне-молекулярные связи) перегоняются с водной
парой.
Растворимость низших спиртов и аминов связанная с их способностью
образовывать водородные связи.
Водородные связи очень распространенные в природе, они
обозначаются на свойствах белков, нуклеиновых кислот.
Функциональные свойства белков определяются их способностью
образовывать водородные связи.
Ген-Фрагмент ДНК - сложная молекула, которая должна сохранить
свою конфигурацию, чтобы верно передавать наследственность.
Водородные связи играют важную роль в поддержании этой
конфигурации. Известно, что из всех взаимодействий лишь
водородные связи имеют нужную прочность и направленность ,
которые характеризуются необходимыми для поддержания структур
молекул.
Некоторые свойства ковалентных связей
Ковалентная связь характеризуется длиной, энергией, полярностью,
поляризованость, насыщенностью и направленностью . Две последние
свойств отсутствуют при ионном взаимодействии.
Длина связи (l) – расстояние между ядрами атомов, которая отвечает
минимальной энергии системы с двух ядер. 10А0 – 1нм.
Сsp3 – Сsp3
С=С
0,154 нм,
Сsp3 – Сsp2
0,134 нм
0,150 нм
СС
0,120 нм
Сsp3 – Сsp3
0,146 нм
С–Н
0,111 нм
Энергия связи (Е) – является мерой его прочности и определяется как количество
энергии, которая выделяется при образовании связи, или которую нужно затратить
на его разрыв. Выражается в кДж/моль 1 ккал = 4,184 кДж.
С – С 330 - 360 кДж/моль,
С  С 810 - 840 кДж/моль,
С = С 590 - 640 кДж/моль,
С – Н 402 - 455 кДж/моль.
Просторовая
направленность
sp3 – гибридизация
тетраедричное строение
sp2 – гибридизация
плоскостное строение
sp – гибридизация
линейное строение
Полярность связи (статическая поляризация) отражает взаимное
влияние непосредственно связанных атомов. Это смещение электронной
тучи связи к более электроотрицательному атому.
Электроотрицательность – способность атома или группы атомов
оттягивать к себе электронную плотность. Електронегативність элементов
определяется шкалой Полинга: 4,0 3,5 3,2
3,0 2,8 2,75 2,6 2,5
2,2
F > O > Csp > N, Cl > Br > Csp2 > I > Csp3 > H
Чем большая электроотрицательность атома, тем более полярная связь.
Количественно полярная связь можно охарактеризовать величиной
дипольного момента (). Полярные молекулы образовывают диполи.
Диполь - система с разделенными центрами электроположительных и
электроотрицательных зарядов. Единицы измерения дипольного момента
Д (дебай) или Кулон  метр (Кл  м).
=gl
1 Д = 3,33 10–30 Кл м. Для ковалентных молекул  = 0 – 4 Д, для йонних
– = 4 – 11 Д.
Дипольный момент - величина векторная, показывается  от + до – .
В молекуле дипольный момент представляет собой геометрическую сумму
дипольных моментов отдельных связей. Поэтому некоторые симметричные
молекулы не полярные.
Поляризованость связи (динамическая поляризация) – это мина
распределения электронной плотности под действием внешних факторов
(реагентов, растворителей, катализаторов). Поляризованость возрастает с
уменьшением ЕН и с увеличением радиуса атома и есть более
определяющей на реакционную способность молекулы.
Чем больше электроны сдвинуты в статической молекуле, тем меньше
остается возможностей для их сдвига под действием внешнего поля.
Наименее полярная молекула HJ представляет собой самую сильную
кислоту: в водной среде благодаря высокой поляризованость легко
откалывает протон. Поляризованость молекул имеет важное значение для
объяснения поведения веществ в момент реакции.
Современный спектрофотометр для
УФ и видимой участков спектру
Реакционная способность
алканов, алкенов, aлкинов,
аренов, спиртов, фенолов,
аминов
• Насыщенными углеводородами называются
•
•
соединения Карбона и водорода, в которых
все атомы Карбона находятся в sp 3гибридизации, или в І валентном состоянии.
Общая формула - СН2n+2.
Гомологический ряд - это ряд соединений, в
которых каждый следующий член отличается
от предыдущего на гомологическую разницу
СН2.
Радикал одновалентный - это группа атомов,
которая отличается от насыщенных
углеводородов на один атом Гидрогена.
СН4
Метан
СН3
Метил
С2Н6
Етан
С2Н5
Этил
С3Н8
Пропан
С3Н7
Пропил
С4Н10
Бутан
С4Н9
Бутил
С5Н12
Пентан
С5Н11
Амил
С6Н14
Гексан
С6Н13
Гексил
• Номенклатура алканов.
• В основу рациональная номенклатура положена первый член
гомологического ряда - метан. Все представители
рассматривают как его производные.
• В основу ІЮПАК номенклатуры положена нумерация основной
цепи. Нумерацию начинают из того края, к которому ближе
размещенный радикал. При наличии нескольких радикалов,
нумеруют так, чтобы сумма номеров была наименьшей.
Называют радикалы в алфавитном порядке.
CH3
CH
8
H3C
•
•
•
•
7
CH2
6
5
CH2
CH2
4
CH2
CH
CH3
3
CH2
2
CH
1
CH3
CH3
Называют радикалы в алфавитном порядке.
Так, для соединения
можно предложить названия:
за рациональной номенклатурой - бутилдиизобутилметан; за ІЮПАК - 2метилоктан
• Изомерия алканов.
• Как вытекает из теории строения органических соединений
О.Г.Бутлерова для органических соединений характерное
явление изомерии. Для рассмотрения вопроса изомерии сначала
выясним вопрос о природе атомов Карбона. Если атом Карбона
связанный с одним соседом Карбоном, то он называется
первичным, если с двумя - вторичный, тремя - третичный и
четырьмя - четвертичный.
2
1
H3C
7
CH3
H
C
8
CH3
5
C
CH3
4
Например,
• 1,2,3,4,5 - первичные;
• 6 - вторичные;
• 7 - третичный;
• 8 - четвертичный.
6
3
C
CH3
H2
Для радикала важным есть то, какой атом Карбона за природой образовывает
радикал.
Например, в пропане
СН3 – СН2 – СН3
есть два атома Карбона по
природе – первичный и вторичный, поэтому в пропане есть два
радикала:
СН3 -СН2 -СН2- пропил; СН3 -СН-СН3 изопропил
│
Изомерия насыщенных углеводородов есть двух видов: структурная и
пространственная.
• Из структурной изомерии насыщенные углеводороды
характеризуются типом: изомерия углеродного скелету.
• Для вывода изомеров существует правило:
• 1. У первого изомера все атомы Карбона размещены в основной
цепи.
• 2. Второй изомер содержит в основной цепи на один Карбон
меньше, а радикал размещается возле неравноценных атомов
Карбона. Возле первого и последнего атомов Карбона радикалы не
размещать. Равноценные атомы Карбона - это атомы, которые
находятся на одинаковом расстоянии от начала и конца цепи.
• 3. Следующий изомер содержит в основной цепи еще на один
Карбон меньше и т.д.
Для насыщенных углеводородов характерная также и пространственная
изомерия, в частности оптическая и конформационные .
Для пространственных, трехмерных формул, которые тяжело
записывать, Ньюмен предложил двухмерной изображение молекул.
Формулы Ньюмена можно использовать для изображения
пространственных конформационных изомеров. Под конформацией
понимают геометрию молекул, которая определяется определенными
длинами связи, углами между ними.
Проекции Ньюмена получают, когда рассматривают соединения КарбонКарбоновой связи и отображают то, что видно (показывают
шаростержневие модели - на два ряда). Известно, что для обращения
метильных групп вокруг одинарной связи не нужно большой энергии.
Здесь возможные два основных конформеры: заслонена и
приостановленная (между которыми существует еще скошенная форма)
формы. Заслоненная конформация - с высокой энергией,
приостановленная - с низкой.
Методы получения алканов
Промыслу: (самостоятельно)
Лабораторные:
1.
Щелочное плавление (синтез Дюма)
RCOONa + NaOH R–H + Na2CO3
Например, для получения бутана нужно взять:
СН3-СН2-СН2-СН2-СООNa + NaOH
 СН3-СН2-СН2-СН2–H + Na2CO3
2. Гидролиз магнийорганических соединений:
R-Mg-Hal + HOH → R–H + Mg(OH)Hal
Например, для получения бутана нужно взять
СН3-СН2-СН2-СН2-Mg-Hal + HOH →
 СН3-СН2-СН2-СН2–H + Mg(OH)Hal
Методы получения алканов
3. Реакция Вьюрца -Шоригина
R–Hal + 2Na + Hal–R  2NaHal + R–R
Механизм:
R–Hal + 2Na  R–Na + NaHal
RNa + Hal–R  NaHal + R–R
Например, для получения гексанa нужно взять:
СН3-СН2-СН2–Сl + 2Na + Сl–СН2-СН2-СН3 
2NaСl + СН3-СН2-СН2–СН2-СН2-СН3
Методы получения алканов
4. Реакция Кольбе (электролиз)
RCOONa  RCOO– + Na+
RCOO– – 1е  R + СО2
R + R  R – R
Например, для получения гексана
нужно взять:
СН3-СН2-СН2-COONa  СН3-СН2-СН2-COO– + Na+
СН3- СН2-СН2-COO– – 1е  СН3-СН2-СН2 + СО2
СН3- СН2-СН2 + СН3-СН2-СН2  СН3-СН2-СН2–СН2СН2-СН3
Методы получения алканов
5.
Гидрирование алкенов и алкинов:
СН3–С≡С–СН3 + Н2
СН3–СН2–СН2–СН3
СН3–СН=СН–СН3 + Н2
Крекинг алканов - получение алкенов
и алканов:
6.
C20H42
C10H20 + C10H22
7. Получения метана:
Al4C3 + 12HCl  4AlCl3 + 3CH4
Физические свойства алканов
Проследив за изменением физических свойств алканов, мы можем
отметить, что при переходе от одного гомолога ко второму
изменяется агрегатное состояние (С 1-С4 - газы, С 5-С15 жидкости; С15 и ( - твердые вещества). Скачкообразно
изменяется температура плавления и кипение. Проводя
количественные изменения ( -СН2-), мы наблюдаем
качественные проявления этих изменений. Здесь проявляется
действие закона перехода количественных изменений в
качественные. Этот закон выступает в гомологичных рядах и в
другой форме. Если атомов в молекулах достигает
определенной величины, то появляется возможность для
проявления нового качества соединения - способности
образовывать изомеры. Такое явление, как изомерия, является
следствием накопления нового качества на основе
количественных изменений.
• С1, С2, С3-1 изомер; С4-2 изомеры; С5-3 изомеры; С7-9 изомеров;
С10-75 изомеров; С20 - 366317 изомеров.
Строение молекулы
химической
метана.
Природа
связи
• Атом Карбона в основном состоянии имеет такую
•
•
•
•
электронную формулу: 1s²2s²2p².
Тем не менее метан СН4 - первый представитель
алканів - имеет 4 эквивалентных связи.
Происходит процесс гибридизации между одной s- и
тремя р-орбиталях , вследствие чего происходит
выравнивание электронных орбиталей.
Таким образом, гибридизация - это процесс
перераспределения электронной плотности, при
котором образовываются равноценные орбитали с
геометрией молекулы, которая обусловлена
отталкиваниям электронных пар оболочек.
Такой геометрией для насыщенных углеводородов
есть тетраэдр, с валентным углом 10928´.
Строение молекулы метана. Природа
химической связи
Если условно провести линию, которая связывает ядра двух атомов
(линия связи), то перекрывание электронных туч происходит по
линии связи. Такая ковалентная связь называется -связью .
Тип - связи меж С–Н  sp³-s.
В этани, где есть два атома Карбона в состоянии sp³- гибридизации :
Таким образом, в насыщенных углеводородах существует два типа связей: sp³-sp³ (связь С–С) и sp³-s- (связь С–Н).
Наращивание цепи приводит к его увеличению, а тетраедричность
атома Карбона сохраняется, поэтому схематично строение любого
насыщенного углеводорода можно показать схемой
H3C
H2
C
H2
C
H2
C
C
H2
C
H2
CH3
C
H2
Для определения состояния гибридизации любого атома достаточно
сосчитать количество групп, которые связаны с этим атомом
(количество - связей) и количество неделимых электронных пар
(для атомов N и O), что не принимают участие в спряженние.
Химические свойства
Исходя из состояния гибридизации атома
Карбона - sp³-гибридизация, можно
сделать вывод, который основным
типом реакции будут реакции
замещения.
Основные типы реакций, характерные для
алканов:
1.
Реакции замещения (S).
2.
Реакции расщепления С-С-Связи.
3.
Реакции окисления.
Химические свойства
Реакция хлорирования и бромировании - получение
галогеналканов - это взаимодействие с Cl2 (или Br2) при
действии кванту света (h).
Схема реакции:
CH3
H
H3C C C C CH3
H2
CH3
CH3
h
+ Cl2
Cl CH3
H3C C C C CH3
H2
CH3 CH3
+ HCl
Механизм реакции радикального замещения - SR.
h
2 Cl .
Cl : Cl
CH3
H
H3C C
C
CH3 CH
C CH3 + Cl
H2
.
.
H3C C
C
.
CH3
C
C
C CH3
H2
+ Cl2
H3C
CH3 CH3
H3C
.
CH3
C
C
.
+ HCl
+
Cl
CH3
C
C
C CH3
H2
+
Cl
CH3 CH3
C CH3 +
H2
Cl
.
CH3 CH3
Cl
C CH3
H2
CH3 CH3
3
H3C
CH3
H3C
Cl
CH3
C
C
CH3 CH3
Cl
.
Cl2
C CH3
H2
.
Химические свойства
Реакция нитрирования (нитрирование по
Коновалову) - это взаимодействие с розб.
НNO3 при высокой температуре и давлении способ получения нитроалканов:
Схема реакции:
CH3
H
H3C C
CH3
C
CH3
t, p
C CH3 + HNO3 (розб.)
H2
NO2 CH3
H3C C
C
C CH3
H2
+ H2O
CH3 CH3
Легчайший замещение проходит возле третичного атома
Карбона, потом - возле вторичного, потом - возле
первичного.
Химические свойства
Реакция сульфохлорирования - это взаимодействие с SO2+Cl2 при
действии кванту света (h) – способ получения первичных и
вторичных алкансульфохлоридов, которые являются исходным
сырьем для получения мыла.
h
R - CH3 + SO2 + Cl2
R - CH2 -SO2 - Cl + 2NaOH
- HCl
R - CH2 -SO2 -ONa + NaCl + H2O
мило
Крекинг алканов - это процесс расщепления высших алканов при
действии высокой температуры (термический крекинг) или

катализатора (каталитический крекинг)2 СН4
С2Н2 + 3Н2
t

C20H42
C10H20 + C10H22
5.
Окисления алканов - полное (или сгорание) и неполное
(самостоятельно).
t
Установка для получения воды очищенной с
кондуктометрические датчиком для контроля
качества воды очищенной