1 лекция_Предмет орг.химия,строение,изомерия

1. Предмет органической химии. Строение, изомерия органических соединений, химические связи

2.

Литература, используемая при изучении предмета
«органическая химия»:
Черных В.П., Зименковский Б.С., Гриценко И.С. «Органическая химия».
Харьков, «Основа». т. 1-3, 1998.
Черных В.П., Зименковский Б.С., Гриценко И.С. «Органическая химия».
Харьков, «Оригинал». 2007.
Каримов А., Чинибекова Н. «Практикум по органической химии».
Ташкент, 2010.
Черных В.П. и др. «Общий практикум по органической химии». Харьков,
«Золотые страницы», 2002.
Пальянц Н.Ш. «Конспекты лекций по органической химии». Ташкент,
2000.
Черных В.П. «Лекции по органической химии», Харьков, «Золотые
страницы», 2003.
Сборник тестов по органической химии под ред. В.П.Черных, Харьков,
«Оригинал», 2003.

3. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ План

1.
2.
3.
4.
Особенности соединений углерода, их
многообразие, роль в живой природе и
практической деятельности человека.
Краткая история органической химии.
Классификация органических
соединений
Химическая связь в органических
соединениях

4.

1.Особенности соединений углерода, их
многообразие, роль в живой природе и
практической деятельности человека.
Органическая химия – раздел химии, изучающий соединения углерода.
Термин был введён шведским химиком Й.Я. Берцелиусом в 1808 году.
Органическая химия изучает свойства органических соединений и
методы их получения
Органические соединения – это углеводороды и их производные.
Производные углеводородов содержат функциональные группы –
атомы или группы атомов, определяющих характерные химические
свойства соединения и принадлежность к определённому классу
соединений.

5.

Почему
соединения одного элемента –
углерода – необходимо рассматривать
отдельно от всех остальных?
1. Количество соединений углерода огромно
Атомы углерода способны связываться друг с другом, образуя устойчивые
цепочки и циклы, что делает количество соединений углерода в принципе
бесконечным.
Углерод способен образовывать одинарные, двойные и тройные связи, и
устойчивые связи с другими элементами. Это определяет огромное
разнообразие органических соединений.
2. Соединения углерода имеют очень
практическое большое значение
Органическая
химия – основа биологической химии, молекулярной
биологии и фармакологии, и теоретическая основа для производства
средств защиты растений, моющих средств, красителей, полимеров,
различных нефтепродуктов и т.д.

6.

Зачем изучать органическую химию студентам нехимических
специальностей, например на агротехническом, биологическом и
медицинском факультетах?
1. Органическая химия – основа биологической химии и поэтому
без знания органической химии невозможно понять химию
живого организма.
2. Каждый специалист, работающий в области, связанной с
удобрениями, гербицидами, инсектицидами, лекарственными
препаратами,
красителями,
пищевыми
добавками,
нефтепродуктами должен знать основы органической химии
чтобы иметь представление о свойствах этих веществ и
потенциальных рисках.

7. 2. Краткая история органической химии

2.1. Эмпирический период
В 17-18 вв. было получено большое количество органических соединений в
индивидуальном виде, таких например, как щавелевая, лимонная,
яблочная, мочевая, муравьиная кислоты, мочевина и т.д.
2.2. Аналитический период
Это 18 век – середина 19 века.
Все органические соединения содержат углерод.
Были созданы две теории – теория радикалов (Дюма, Берцелиус, Либих) и
теория типов (Жерар, Лоран, Дюма 40-50 г.Х1Х век).
Представление о “жизненной силе” и концепция “витализма”,
утверждавшая наличие в организмах некой нематериальной “жизненной
силы” (vis vitalis) с помощью которой организм синтезирует сложные
органические вещества.
Первый органический синтез провёл немецкий химик Ф. Вёлер в 1828
году нагреванием неорганического соединения – изоцианата аммония,
при этом образовывалась мочевина:
NH4OCN
t
CO(NH2)2

8.

2.3. Структурный этап. 19 век – начало 20
века.
Немецкие
химики А. Кекуле и Г. Кольбе установили
четырёхвалентность углерода и высказали мысль о способности
атомов углерода соединяться в длинные цепочки.
Русский химик А.М. Бутлеров создал структурную теорию :
◦ “структура” – последовательность атомов и связей между
атомами в молекуле
◦ структура определяет химические и физические свойства
веществ
◦ Голландский химик Я.Х. Вант-Гофф и французский химик Ж.А.
Ле Бель представление о пространственном трёхмерном
строении органических молекул (1874).

9.

Теория строения органических веществ
А.М. Бутлерова.

10.

2.4. Современный период
Развитие синтетической органической химии
Внедрение квантово-механических
представлений и физических методов
исследования веществ
Тесная связь с другими дисциплинами – с
физической, неорганической, биологической и
координационной химией.

11.

12. 3. Классификация органических соединений

3.1. Классификация органических
соединений по углеродному скелету.
углеводороды
Ациклические
алифатические
(незамкнутая цепь)
Насыщенные
(алканы)
Ненасыщенные
(алкены, алкины,
алкадиены и т.д.)
Циклические
(замкнутая цепь)
Алициклические
(циклоалканы,
циклоалкены и т.д.)
Ароматические
(арены)

13.

3.2. Классификация органических
соединенийФункциональная
по функциональным
группам
группа
Пример
Класс
Таблица
1. Классы органических карбоксильная
карбоновые
кислоты
соединений
O
C
группа,
карбоксигруппа
OH
O
CH3 C
OH
COOH
сульфокислоты
O
S OH
сульфогруппа
SO3H
O
SO3H
галогенангидриды
O
галогенокарбонильная
O
CH3 C
C
Cl
Cl
COCl
сложные эфиры
O
C
O R
COOR
алкоксикарбонильная
O
CH3 C
O C2H5

14.

амиды
O
карбоксамидная
NH2
(амидная)
C
O
CH3 C
CONH2
нитрилы
C N
нитрильная
CH3 C N
CN
альдегиды
NH2
формильная,
O
C
O
альдегидная
CH3 C
H
H
CHO
кетоны
оксогруппа кетогруппа,
карбонильная группа
O
O
C
H3C C CH3
спирты и фенолы
гидроксигруппа,
оксигруппа
OH
C2H5OH

15.

меркаптаны,
тиолы
меркаптогруппа,
SH
тиогруппа,
C2H5SH
сульфанильная группа
амины
аминогруппа
NH2
простые эфиры
C2H5 NH2
алкоксигруппа
O R
нитросоединения
+
O
C2H5 O
C2H5
нитрогруппа
N
CH3NO2
O
NO2
нитрозосоединения
нитрозогруппа
N O
NO
NO
галогенопроизводные
-F, -Cl, -Br, -I
галоген
C2H5Cl

16.

НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Химическая номенклатура — совокупность названий
индивидуальных химических веществ, их групп и классов,
а также правила составления их названий.
Тривиальная номенклатура
На первых этапах развития органической химии соединения назы
вались случайно, Это было связано с их нахождением в природе; щаве
левая кислота, яблочная кислота и другие, или с источником их получе
ния. древесный спирт, муравьиная кислота и др Многие тривиальные
названия прочно укоренились и до сих пор широко применяются

17.

Рациональная номенклатура
В основе рациональной номенклатуры используется принцип деления органических соединений на гомологические ряды. Вещества
рассматриваются как производные простейшего представителя данного ряда", для алканов — метана, алкенов — этилена, алкинов — ацетилена и т. д., например

18.

Международная номенклатура (ИЮПАК)
Первая
попытка
создать
номенклатурную
однозначное
ляла
бы
дать
нию,
была
предпринята
грессе
в
Женеве
(женевская
менклатуры
были
разработаны
союза
теоретической
и
название
химиками
в
систему,
любому
1892
году
номенклатура).
на
прикладной
органическому
на
1957
соединекон-
современной
но-
конгрессе
в
позво-
международном
Правила
XIX
химии
которая
Международного
году.
Эти
правила
известны под названием номенклатуры ИЮПАК
Номенклатурные
правила
способов
образования
широко
применяются
номенклатуры.
названий
ИЮПАК
предусматривают
органических
заместительная
и
соединений.
несколько
Наиболее
радикало-функционапьная

19.

Согласно
заместительной
рассматривают
как
один или несколько
номенклатуре
производные
атомов
органические
углеводородов,
водорода
замешены
в
соединения
молекулах
которых
на другие атомы
или
атомные группы.
Радикал —■ остаток углеводорода, образующийся в результате удаления
одного или нескольких атомов водорода. Свободную валентность в радикалах
обозначают черточкой.

20. Номенклатура

Родоначальная структура — структурный фрагмент молекулы
(молекулярный остов),
лежащий в основе названия соединения главная углеродная цепь
атомов для
ациклических соединений, для карбо- и гетероциклических — цикл

21.

Составление названий проводят в определенном порядке:
1. Среди всех функциональных групп, имеющихся в соединении,
выбирают
старшую.
Следующие
группы
перечисляют
в
порядке
умень-
шения их старшинства:
В названии органического вещества лишь старшая функциональная группа обозначается
в суффиксе, все остальные — в префиксе, но некоторые функциональные группы всегда
находят свое отражение в ппегЬиксе:

22.

2.
3.
4.
Устанавливают
родоначальную
структуру.
Если
соединение
содержит кратные связи, то они должны войти в родоначальную структуру.
Проводят
нумерацию
образом, чтобы старшая
ности меньший номер.
атомов
родоначальной
структуры
функциональная группа получила по
таким
возмож-
Составляют
название
соединения
в
целом,
первым
указывают
в
алфавитном порядке функциональные группы (кроме старшей) и углеводородные радикалы в префиксе, затем — название родоначальной структуры в корне и в конце названия — старшую функциональную группу в суффиксе
Степень насыщенности обозначается специальными суффиксами
-ан — дтя насыщенных, -ен — для двойной, -ин — для тройной связи.
Локанты, буквенные или цифровые, и множительные приставки
располагают перед названием заместителей или кратных связей.

23.

Пример составления названий:

24.

25.

Радикало-функциональнан номенклатура
В основе радикало-функциональной номенклатуры лежит название класса (спирт,
кегон и др ), перед которым перечисляют названия радикалов и функциональных
групп (кроме старшей), например-
Родоначальную структуру чаще обозначают с помощью тривиального названия,
а положение радикалов — с помощью буквенных локантов а. (3. у. 5 (греческий
алфавит). Буквой а обозначают ближайший к старшей функциональной группе атом
углерода.

26.

Изомерия

27.

28.

Изомерия цепи

29.

30.

Изомерия функциональных групп
Таутомеры

31.

4. Химическая связь в органических
соединениях
Химическая связь – взаимодействие между атомами, приводящее к
образованию молекул или кристаллов.
В органических соединениях существует два основных типа
химической связи: ковалентная и ионная.
Химическая связь
Ковалентная
Dc < 1,7
Ковалентная
неполярная
0 < Dc < 1,7
Ковалентная
неполярная
Dc = 0
Ионная
Dc > 1,7

32.

4.1. Ионная связь
Встречается в органических соединениях
редко
H3C
N
C
H3C N
CH3
CH3
+
NO2
Cl
Na
+
C
N
CH3
O2N
NO2
CH3
CH3 COO
-
Na
+

33.

В белках ионные связи могут завязываться
между остатками моноаминодикарбоновых
O
O
O
и диаминомонокарбоновых
кислот,
N
CH C
N CH C N CH C N CH COOH
стабилизируя
третичную
структуру белка:
H
R
H
O
H
CH2
C
H
R
R
O
H
+
H N H
CH2
CH2
CH2
R
C
O
CH
H
N
R
CH2 H
C
O
CH
N
C
O
R
H
CH N
C
O
CH NH2

34.

4.2. Ковалентная связь
Ковалентная связь является основной в
органических соединениях. Такая связь
образуется путём обобществления пары
.
.
.
электронов
двух
атомов.
H. H
H + H
H
H
C . + .C
H
H H
H
H
H
H
..
C C
H H
H

35.

4.2.1. Классификация ковалентных связей.
I. По полярности.
H
H
H C
C
H
H
H
H
H C
C
H
H
H
H
OH
H
C
H C
C
H
H
H
H
H
C
C
Cl
H C
C
H
C
Cl

36.

II. По симметрии орбиталей
s-Cвязь – ковалентная связь,
образованная при перекрывании атомных
орбиталей вдоль оси, соединяющей ядра
атомов:
. .
.
. .
.
s
s
s
sp3
sp3
sp3

37.

p-связь – ковалентная связь, возникающая
при боковом перекрывании негибридных pорбиталей. При этом локализованные pатомные орбитали делокализуются,
образуя p –орбитали:
. .
двe p-атомныe орбитали
. .
p-связывающая молeкулярная орбиталь

38.

III. Классификация ковалентных связей по способу образования
Обменный механизм. В образовании связи участвуют одноэлектронные атомные орбитали.
Каждый атом предоставляет 1 электрон для образования общей пары:
H. + . H
H
H
H C . + .C H
H
H
..
H H
H H
..
H C C
H H
H

39.

Донорно-акцепторный механизм.
Образование связи происходит за счёт пары
электронов донора и вакантной (свободной)
орбитали -акцептора.
+
H H
H + H
..
.
семиполярная связь, которая является результатом и ковалентного
взаимодействия и притяжения противоположных зарядов:
CH3
H3C N
CH3
....
.
H C N .O
..
....
O
..
..
3
CH3
CH3
CH3
H3C N
CH3
CH3
O
+
H3C N
CH3
O

40.

IV Классификация ковалентных связей по порядку связи
1. Одинарные (одна s-связь) например, между углеродами в молекуле
этана
2. Двойные (1 s -связь и 1 p-связь), например, в молекуле этилена
3. Тройные (1 s -связь и 2 p -связи), как например, в молекуле ацетилена
H H
H C C
H H
H
H
H
H
C C
H
H C C H

41.

4.2.3. Характеристики ковалентных связей
Ι. Энергия связи
ΙΙ. Длина связи
ΙΙΙ. Полярность
IV.
связьПоляризуемость
Энергия связи, кДж/моль*
Длина связи, нм**
С–С
346
0,154
С=С
606
0,134
С≡С
828
0,120

42.

4.2.4. Гибридизация
Электронное строение атома углерода
1s2
2s2
2p2
1s2
2s1
H C :
H
H
H C H
H
2p3

43.

sp3-Гибридизация. В этом случае
выравниваются энергии одной 2s и трёх 2pорбиталей, при этом образуются 4
одинаковые sp3- орбитали:
H
H
109o28'
C
C
H
H
H
H
H
H

44.

sp2-Гибридизация. Энергии одной 2s и двух
2p-орбиталей выравниваются, при этом
образуются 3 одинаковые sp2- орбитали и
остаётся одна негибридная p-орбиталь:

45.

Гибридные орбитали отталкиваются друг от
друга, образуя треугольную (тригональную)
структуру, поэтому атом углерода в
состоянии sp2-называется тригональным:
Негибридная p-орбиталь располагается перпендикулярно плоскости,
проходящей через три гибридные орбитали:
вид сбоку
вид сверху

46.

Три sp2-гибридные орбитали участвуют в образовании трёх s-связей: например
в этилене:
H
~120o
C
~120o
H
~120o
H
C
H
Две негибридные орбитали перекрываются с образованием p-связи:

47.

sp-Гибридизация. В этом случае
выравниваются энергии одной 2s и одной
2p-орбиталей, при этом образуются 2
одинаковые sp-орбитали и остаются
негибридными две p-орбитали:

48.

Две sp-гибридные орбитали отталкиваются
друг от друга, при этом максимумы
электронной плотности располагаются на
x
одной прямой
Две негибридные p-орбитали располагаются перпендикулярно друг другу в
одной плоскости, которая перпендикулярна этой прямой x:
y
y
x
z

49.

Молекула ацетилена содержит атомы
углерода в состоянии sp-гибридизации
180o
H
C
C
H
За счёт гибридных орбиталей образуют связи с атомами водорода и s-связь
между атомами углерода:
x
Негибридные p-орбитали перекрываются, образуя две p-связи:
H
H
H
C
C
H

50.

4.3. Другие типы взаимодействий
Водородная связь – притяжение протонизированного атома водорода,
присоединённого к атому электроотрицательного элемента, к любому
другому атому, несущему отрицательный заряд.
H F ... H F ... H F

51.

В a-структуре белков каждый первый и
пятый остатки аминокислот образуют
между собой водородные связи, формируя
спираль:
H
N
CH
CH3 CH
O
H
O
H
O
H
O
H
C
N
CH C
N
CH C
N
CH C
N
CH2
CH2
CH3
O
CH
C
CH2
CH
H3C
CH3
CH3
OH
(А.В. Финкельштейн. Введение в физику белка.
http://phys.protres.ru/lectures/protein_physics/)

52.

водородные связи между
комплементарными основаниями в двойной
спирали ДНК: между аденином и тимином
образуются три водородные связи, а между
гуанином и цитозином
завязываются
две
H
H
N
N
CH3
N H. . .O
связи:
O. . .H N
N
R
N
N H. . . N
N
N H . . . O
H
R
N
R
N . . .H N
N
N
O
R

53.

ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ АТОМОВ В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ
Согласно современным представлениям, природа и механизм взаимного
влияния
атомов определяется характером распределения электронной плотности в
молекуле
и поляризуемостью ковалентных связей.
Электронные смещения в органических соединениях подразделяют на два вида
индуктивный эффект — смешение электронной плотности по цепи о-связей и
мезомерный эффект — смещение по системе π-связей.

54.

Индуктивный эффект. Рассматривая типы химических связей, мы отмечали,
что между атомами с одинаковой электроотрицательностью пара электронов
связи в равной мере принадлежит обоим участникам связи (ковалентная
неполярная связь) Например, связи в молекулах метана, бутана — неполярные,
электронная плотность в них распределена симметрично и молекула не имеет
дипольного момента Если же J молекуле бутана один атом водорода заместить на
галоген — хлор, то электронная плотность ковалентной связи С—С1 смешается к
более электроотрицательному атому хлора (ковалентная полярная связь)

55.

Индуктивный (индукционный) эффект - передача электронного влияния заместителя
вдоль цепи σ-связей, которая возникает в силу различной электроотрицательности атомов.
Индуктивный эффект обозначается буквой I, а смешение электронной плотности
изображают с помощью стрелки вдоль простои σ -связи. острие которой указывает на
направление смещения
По направлению электронного влияния заместителей различают положительный +■/и
отрицательный -/индуктивный эффект
Отрицательный
индуктивный
эффект
притягивающие электроны σ -связи, например:
проявляют
заместители,

56.

Отрицательный индуктивный эффект, как правило, увеличивается с ростом
электроотрицательности атомов. Он сильнее выражен для заместителя с тройной
связью, т. к. в его составе находится более электроотрицательный spгибридизованный атом углерода. В свою очередь атом углерода в sp'гибридизации, как менее электроотрицательный, в составе заместителя проявляет
+/ по отношению к атомам углерода в sp и s/г-гибридизации:

57.

Положительный индуктивный эффект проявляют заместители,
отталкивающие от себя электроны о-связи. чаше всего это ал к ильные
группы (Alk). Электронодонорные свойства \ алкильных заместителей возрастают с ростом длины углеводородной цепи

58.

Мезомерный эффект (эффект сопряжения). Прежде чем рассматривать передачу электронного влияния заместителей по системе л -связей, определим понятия сопряженная система и сопряжение.
Сопряженной называется система, в которой имеет место чередование простых и кратных связей, либо соседство атома, имеющего вакантнуюр-орбиталь или неподеленную парур-электронов. Сопряженные системы бывают с открытой и замкнутой цепью.

59.

Эффект сопряжения или мезомерный эффект (М) — процесс передачи
электронного влияния заместителя по сопряженной системе л-связей.
Смешение электронной плотности в сопряженных системах возможно лишь
при включении в систему электронодонорных или электроноакиепторных
заместителей.

60.

Положительный мезомерный эффект проявляют заместители (электронодонорные атомы или атомные группы), предоставляющих электроны в
сопряженную систему, т. е. имеющие неподеленные пары электронов или
отрицательный заряд:

61.

Отрицательный мезомерный эффект проявляют
заместители, смещающие на себя электронную
плотность сопряженной системы

62. Спасибо за Ваше внимание!