Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав (число атомов каждого типа), но разное взаимное расположение атомов – разное строение.

Лекция: Теория органического строения. Алканы, циклоалканы.

 

Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова

1) Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения). 2) Химическое строение можно устанавливать химическими методами. В настоящее время используются также современные физические методы. 3) Свойства веществ зависят от их химического строения. 4) По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства. 5) Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.

Строение атома углерода.

Электронное строение атома углерода изображается следующим образом: 1s²2s²2p² или схематически

 

Углерод в органических соединениях четырехвалентен.

Это связано с тем, что при образовании ковалентной связи атом углерода переходит в возбужденное состояние, при котором электронная пара на 2s- орбитали разобщается и один электрон занимает вакантную p-орбиталь. Схематически:
––®

В результате имеется уже не два, а четыре неспаренных электрона.

Сигма и пи-связи.

Перекрывание атомных орбиталей вдоль линии, связывающей ядра атомов, приводит к образованию σ-связей.

 

 

Между двумя атомами в химической частице возможна только одна σ-связь. Все σ-связи обладают осевой симметрией относительно межъядерной оси.

 

 

При дополнительном перекрывании атомных орбиталей, перпендикулярных линии связи и параллельных друг другу, образуются

π-связи.

 

В результате этого между атомами возникают кратные связи:

 

Одинарная (σ)	Двойная (σ+π)	Тройная (σ + π + π)
С-С, С-Н, С-О	С=O и С=С	С≡С и С≡N

 

Гибридизация.

Поскольку четыре электрона у атома углерода различны (2s- и 2p- электроны), то должны бы быть различны и связи, однако известно, что связи в молекуле метана равнозначны. Поэтому для объяснения пространственного строения органических молекул используют метод гибридизации.

 

1. При обобществлении четырех орбиталей возбужденного атома углерода (одной 2s- и трех 2p- орбиталей) образуются четыре новых равноценных sp³- гибридных орбитали, имеющие форму вытянутой гантели. Вследствие взаимного отталкивания sp³ - гибридные орбитали направлены в пространстве к вершинам тетраэдра и углы между ними равны 109⁰28' (наиболее выгодное расположение). Такое состояние атома углерода называют первым валентным состоянием.

 

2. При sp²-гибридизации смешиваются одна s- и две р-орбитали и образуются три гибридные орбитали, оси которых расположены в одной плоскости и направлены относительно друг друга под углом 120°. Такое состояние атома углерода называют вторым валентным состоянием.

 

3. При sp-гибридизации сливаются одна s- и одна р-орбитали и образуются две гибридные орбитали, оси которых расположены на одной прямой и направлены в разные стороны от ядра рас­сматриваемого атома углерода под углом 180°. Такое состояние атома углерода называют третьим валентным состоянием.

ТИПЫ ГИБРИДИЗАЦИИ в органических веществах.

Тип гибридизации	Геометрическая форма	Угол между связями	Примеры
sp	линейная	180o	Алкины.
sp2	треугольная	120o	Алкены, диены, ароматические соединения, карбонильные соединения, карбоксильная группа.
sp3	тетраэдрическая	109,5o	Алканы, спирты.

 

 

Строение молекулы метана:

Строение сигма (1) и пи (2) связей молекулы этилена.

Строение ацетилена

4) Изомерия.

 

Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав (число атомов каждого типа), но разное взаимное расположение атомов – разное строение.

Например, веществ с молекулярной формулой С₄Н₁₀ существует два:

н-бутан (с линейным скелетом): СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃ и изо-бутан, или 2-метилпропан: СН₃ – СН – СН₃

‌│

СН₃ Они являются изомерами.

Изомерия бывает структурная и пространственная.

Структурная изомерия.

1. Изомерия углеродного скелета - обусловлена различным порядком связи между атомами углерода, образующими скелет молекулы (см. бутан и изобутан).

 

2. Изомерия положения кратной связи или функциональной группы -обусловлена различным положением какой-либо реакционноспособной группы при одинаковом углеродном скелете молекул. Так, пропану соответствуют два изомерных спирта:

СН₃ – СН₂ – СН₂ – ОН - пропанол-1 или н-пропиловый спирт

и СН₃ – СН – СН₃

│

ОН - пропанол-2 или изопропиловый спирт.

 

Изомерия положения кратной связи, например, в бутене-1 и бутене-2

СН₃ – СН₂ – СН=СН₂ - бутен-1

СН₃ – СН=СН – СН₃ - бутен-2.

 

3. Межклассовая изомерия – изомерия веществ, отонсящихся к разным классам органических соединений:

- алкены и циклоалканы (с С₃)

- алкины и диены (с С₃)

- спирты и простые эфиры (с С₂)

- альдегиды и кетоны (с С₃)

- одноосновные предельные карбоновые кислоты и сложные эфиры (с С₂)

Пространственная изомерия - подразделяется на два вида: геометрическую (или цис-транс - изомерию) и оптическую.

 

Геометрическая изомерия свойственна соединениям, содержащим двойные связи или циклопропановое кольцо; она обусловлена невозможностью свободного вращения атомов вокруг двойной связи или в цикле. В этих случаях заместители могут быть расположены либо по одну сторону плоскости двойной связи или цикла (цис - положение), либо по разные стороны (транс - положение).

Понятия «цис» и «транс» обычно относят к паре одинаковых заместителей, а если все заместители разные, то условно к одной из пар.
- две формы этилен-1,2-дикарбоновой кислоты — цис-форма, или малеиновая кислота (I), и транс-форма, или фумаровая кислота (II)

 

 

(I) (II)

 

 

Оптическая изомерия свойственна молекулам органических веществ, не совмещающимся со своим зеркальным отображением (т.е. с молекулой, соответствующей этому зеркальному отображению). Чаще всего оптическая активность обусловлена наличием в молекуле асимметрического атома углерода, т.е. атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями. Примером может служить молочная кислота:

CH₃ - C^*HCOOH

\

ОН (асимметрический атом углерода отмечен звёздочкой).

Молекула молочной кислоты ни при каком перемещении в пространстве не может совпасть со своим зеркальным отображением. Эти две формы кислоты относятся друг к другу, как правая рука к левой, и называются оптическими антиподами (энантиомерами).

Физические и химические свойства оптических изомеров часто очень похожи, но они могут сильно отличаться по биологической активности, вкусу и запаху.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: