Класификация и номенклатура на органичните вещества (тривиална и международна). Функционални групи на органичните съединения. Класификация на органичните вещества според наличието на множествени връзки

Класификация на органичните съединения. Функционална група. Общи формули на биологично важни класове органични съединения: алкохоли, феноли, тиоли, амини, етери, сулфиди, алдехиди, кетони, карбоксилни киселини

Органични съединения класифицирамот:

а) структурата на въглеродната верига;

б) наличие на функционални групи.

Функционални групи- това са невъглеводородни заместители, които определят принадлежността на дадено вещество към определен клас и в същото време неговите типични химични свойства.

Класификация на органичните съединения по функционални групи:

Класификации на органичните вещества според структурата на радикала:

Органична материя

ацикличен

цикличен

карбоцикличен

хетероцикличен

циклоалкани

наситен ненаситен N пирол

CH 4 – метан

C 2 H 6 – етан

Sp 3 -хибридизация

< 109 0 28׳

Sp 3 -хибридизация

< 109 0 28׳

ацетилен

sp хибридизация

σ, 2π връзки

Sp 2 -хибридизация

σ, π връзки

Sp 2 -хибридизация

σ, π връзки

Цилопропан Н

циклохексан Н СН 3 СН 3 имидазол

Общи формули на биологично важни класове органични съединения: алкохоли – R-OH

Феноли – ОН

Тиоли – R-SH

Амини – R-NH 2

етери – R 1 -O-R 2

сулфиди – Me 2 Sx

алдехиди – R-COH

кетони – R 1 -C-R 2

карбоксилни киселини – R-COOH

Електронна структура на въглеродния атом. Видове хибридизация на атомни орбитали. Ковалентни σ- и π-връзки, техните основни характеристики: дължина, енергия, полярност

В органичните съединения въглеродът може да бъде в едно от 3 валентни състояния:

sp 3 -хибридизация, при което се получава смесване на една s и три p орбитали, с появата на 4 хибридизирани орбитали, разположени в пространството под ъгъл 109°28´ една спрямо друга. Въглеродът в това състояние се нарича тетрагонален въглероден атом и се намира в наситени органични съединения.

sp 2 -хибридизация, при което се получава смесване на една s- и две p-орбитали, с появата на 3 хибридизирани орбитали, разположени в една равнина, под ъгъл 120° една спрямо друга. Нехибридизираната p орбитала е перпендикулярна на равнината на хибридизираните орбитали. Въглеродът в това състояние се нарича тригонален и се среща в съединения с двойни връзки.

sp-хибридизация, при което се получава смесване на една s- и една p-орбитала с появата на 2 хибридизирани орбитали, разположени в пространството под ъгъл 180° (линейни), а две нехибридизирани p-орбитали са разположени взаимно перпендикулярно една на друга. Този тип хибридизация (sp-хибридизация) е характерна за въглерода, свързан с тройна връзка.

Когато се образува ковалентна връзка в молекули на органични съединения, споделената електронна двойка запълва свързващи молекулярни орбитали (МО), които имат по-ниска енергия. В зависимост от формата на МО – σ-MO или π-MO – образуваните връзки се класифицират като σ- или p-тип.

σ-Връзка– ковалентна връзка, образувана от припокриването на s-, p- и хибридни атомни орбитали (АО) по протежение на оста, свързваща ядрата на свързаните атоми (т.е. чрез аксиално припокриване на АО).

π-връзка– ковалентна връзка, която възниква, когато нехибридните p-AO се припокриват странично. Това припокриване се случва извън правата линия, свързваща ядрата на атомите. π-Връзките възникват между атоми, които вече са свързани с σ-връзка (образуват се двойни и тройни ковалентни връзки). π-връзката е по-слаба от σ-връзката поради по-малко пълното припокриване на p-AO.

Различните структури на σ- и π-молекулните орбитали определят характерните особености на σ- и π-връзките.

1. σ-връзката е по-силна от π-връзката. Това се дължи на по-ефективното аксиално припокриване на АО по време на образуването на σ-MO и наличието на σ-електрони между ядрата.

2. Възможно е вътремолекулно въртене на атомите по σ-връзките, тъй като формата на σ-MO позволява такова въртене без прекъсване на връзката (вижте анимацията. Снимката по-долу)). Въртенето по двойна (σ + π) връзка е невъзможно без прекъсване на π връзката!

3. Електроните на π-MO, намиращи се извън междуядреното пространство, имат по-голяма подвижност в сравнение с σ-електроните. Следователно поляризуемостта на π връзката е много по-висока от тази на σ връзката.

Дължина на връзката– разстоянието между ядрата на образувалите го атоми. Тъй като фракцията на s-AO в хибридната орбитала се увеличава (с нарастваща ненаситеност), дължината на връзката намалява, тъй като s-орбиталата лежи по-близо до ядрото (има по-малък радиус), отколкото p-орбиталата.

Комуникационна енергия– енергията, необходима за хомолитично разцепване на връзки в радикали или атоми.

Таблица 1. Някои характеристики на връзките

Фактът, че p-връзката е по-слаба от s-връзката, води до заключението, че ненаситените съединения трябва да се характеризират с, т.е. Реакциите на добавяне при множество връзки са първи, тъй като по-малко енергия отива за разрушаването им и освен това те са по-достъпни от пространствена гледна точка.

Енергията на връзката също зависи от природата на елемента, чиито атоми образуват връзката. По този начин C-Hal връзките представляват следната серия от силни страни:

C-F > C-Cl > C-Br > C-І .

Силата на връзката в тази серия намалява с увеличаване на атомния номер на елемента, тъй като в същото време атомният радиус и дължината на връзката се увеличават (с увеличаване на разстоянието електростатичното взаимодействие намалява).

В съединения на въглерод с елементи от период II силата на връзката (енергията) се увеличава в серията: C-N< C-O < C-F , т.е. с увеличением электроотрицательности элемента, радиус которого при этом уменьшается (электростатическое взаимодействие усиливается).

Полярност на комуникацията

Когато се образува ковалентна връзка между два еднакви атома, нейният електронен облак е разположен симетрично между ядрата на свързаните атоми, връзката е неполярна, а молекулата е неполярна (етан, етилен, ацетилен).

Ако ковалентна връзка се образува от различни атоми с различна електроотрицателност, тогава възниква полярна ковалентна връзка, защото електроните на връзката са изместени към електроотрицателния атом и върху атомите възникват ефективни частични заряди. Тази полярност е постоянна (стационарна), защото се определя от вътрешни фактори, а именно естеството на взаимодействащите атоми и естеството на връзката между тях.

Атомите на един и същи елемент имат различна електроотрицателност, ако тези атоми са в различни състояния на хибридизация. И така, за въглерод:

По този начин електроотрицателността на атома се увеличава с увеличаване на дела на s-орбиталата в хибридната орбитала.

Появата на полярна връзка в една молекула предизвиква появата на полярност на цялата молекула и това се отразява на свойствата на веществото. По този начин полярните вещества, за разлика от неполярните, са по-добре разтворими в полярни разтворители, обикновено имат по-високи точки на кипене и топене и реагират по-лесно чрез йонни механизми.

Конюгация, видове спрежение: π, π- иР ,π-конюгация. Конюгирани системи с отворена верига: 1,3-диени (бутадиен, изопрен, алилов карбокатион); полиени (каротеноиди, витамин А); хетероконюгирани системи (α, β-ненаситени карбонилни съединения, карбоксилна група)

Конюгирана системавъзниква, когато заместител, съдържащ двойна връзка (π,π-конюгация) или имащ p-орбитала (p,π-конюгация) е прикрепен към sp 2 -хибридизиран въглероден атом в молекула. По време на конюгацията се получава делокализация на електрони - π-електронната плътност се разпределя в цялата π-орбитална система, а не се концентрира между две съседни p-орбитали. В случай на p, π-конюгиране, електронната плътност е делокализирана между орбиталите на π-връзката и p-орбиталата на хетероатома - O, N, S и т.н., носещи несподелена двойка електрони, несдвоена електрон, или свободен. Конюгацията е енергийно благоприятен процес, т.к В резултат на делокализацията на електроните се освобождава енергия и молекулата става термодинамично по-стабилна. Степента на термодинамична стабилност се определя количествено като разликата в енергията на молекулите с спрегнати и изолирани връзки - енергията на спрежение (енергия на делокализация).

Функционални груписе наричат ​​групи от атоми, които определят характерните химични свойства на даден клас вещества.

алкохоли

Структурата на алкохолните молекули R-OH. Кислородният атом, който е част от хидроксилната група на алкохолните молекули, се различава рязко от водородните и въглеродните атоми по способността си да привлича и задържа електронни двойки. Алкохолните молекули съдържат полярни С-О и О-Н връзки.
Като се има предвид полярността на връзката O-H и значителният положителен заряд на водородния атом, водородът на хидроксилната група се казва, че е „киселинен“ по природа. По този начин той рязко се различава от водородните атоми, включени във въглеводородния радикал. Кислородният атом на хидроксилната група има частичен отрицателен заряд и две несподелени двойки електрони, което позволява на алкохолните молекули да образуват водородни връзки.

Феноли

Според химичните свойства фенолисе различават от алкохолите, което се дължи на взаимното влияние на хидроксилната група и бензеновия пръстен (фенил - C 6 H 5) в молекулата на фенола. Този ефект се свежда до факта, че π-електроните на бензеновия пръстен частично включват в своята сфера несподелени електронни двойки на кислородния атом на хидроксилната група, в резултат на което електронната плътност на кислородния атом намалява. Това намаление се компенсира от голямата поляризация на O-H връзката, което от своя страна води до увеличаване на положителния заряд на водородния атом:

Следователно водородът на хидроксилната група в молекулата на фенола е киселинен по природа.
Влиянието на атомите в молекулите на фенола и неговите производни е взаимно. Хидроксилната група влияе върху плътността на π-електронния облак в бензеновия пръстен. Той намалява при въглеродния атом, свързан с ОН групата (т.е. при 1-ви и 3-ти въглеродни атоми, мета позиция) и се увеличава при съседните въглеродни атоми - 2, 4, 6 - орто- И двойкапровизии.
Водородни атоми на бензен и орто- И двойкапозициите стават по-мобилни и лесно се заменят с други атоми и радикали.

Алдехиди

Алдехидиимат обща формула , Където — C=O — карбонилна група. Въглеродният атом в карбонилната група sp 2 е хибридизиран. Атомите, директно свързани с него, са в една и съща равнина. Поради голямата електроотрицателност на кислородния атом в сравнение с въглеродната връзка C=Oе силно поляризиран поради изместване на електронната плътност на π връзката към кислорода:

Под влиянието на карбонилния въглероден атом в алдехидите се увеличава полярността на връзката С–Н, което повишава реактивността на този Н атом.

Карбоксилни киселини

Карбоксилни киселинисъдържат функционална група , Наречен карбоксилна група, или карбоксил. Наречен е така, защото се състои от карбонилна група -C=Oи хидроксил -ТОЙ.
В карбоксилните киселини хидроксилната група е свързана с въглеводороден радикал и карбоксилна група. Отслабването на връзката между кислорода и водорода в хидроксилната група се обяснява с разликата в електроотрицателността на въглеродните, кислородните и водородните атоми. Въглеродният атом придобива известен положителен заряд. Този въглероден атом привлича електронен облак от кислородния атом на хидроксилната група. Компенсирайки изместената електронна плътност, кислородният атом на хидроксилната група привлича електронния облак на съседния водороден атом. Връзката O–H в хидроксилната група става по-полярна и водородният атом става по-подвижен.

Вече знаете, че свойствата на органичните вещества се определят от техния състав и химичен строеж. Ето защо не е изненадващо, че класификацията на органичните съединения се основава на теорията за структурата - теорията на А. М. Бутлеров. Органичните вещества се класифицират според наличието и реда на свързване на атомите в техните молекули. Най-издръжливата и най-малко променлива част от молекулата на органичното вещество е нейният скелет - верига от въглеродни атоми. В зависимост от реда на свързване на въглеродните атоми в тази верига, веществата се разделят на ациклични, които не съдържат затворени вериги от въглеродни атоми в молекулите, и карбоциклични, които съдържат такива вериги (цикли) в молекулите.

В допълнение към въглеродните и водородните атоми, молекулите на органичните вещества могат да съдържат атоми на други химични елементи. Веществата, в чиито молекули тези така наречени хетероатоми са включени в затворена верига, се класифицират като хетероциклични съединения.

Функционална група- група атоми, която определя най-характерните химични свойства на веществото и принадлежността му към определен клас съединения.

В кетонните молекули карбонилната функционална група е свързана с два въглеродни атома, а в алдехидните молекули тя е свързана с един въглероден атом и водороден атом.

Лесно се забелязва, че карбоксилната група от атоми може да се разглежда като обединение на други познати ви функционални групи - карбонилна и хидроксилна -OH, което прави произхода на името й ясен.

Етерите могат да се разглеждат като продукти от заместването на водороден атом в хидроксилната група на алкохолите с въглеводороден радикал.

В молекулите на тези съединения два въглеводородни радикала са свързани чрез хидрокси групата -O-, която често се нарича "кислороден мост". Общата формула на етерите е R1-O-R2.

Естерите съдържат функционална група от атоми в молекулата, която се нарича естерна група. Естерите могат да се считат за производни на карбоксилни киселини, в които водородният атом на карбоксилната група е заменен с въглеводороден радикал, което прави имената им ясни.

CH3-CH2-NO2
нитроетан

Чрез заместване на водородни атоми в молекулата на амоняка с въглеводородни радикали е възможно да се получат първични (RNH 2), вторични (R 2 NH) и третични (R 3 N) амини:

CH 3 -NH 2 CH 3 -CH 2 -NH-CH 2 -CH 3 N(CH 2 -CH 3) 3
метиламин диетиламин триетиламин

Молекулите на органичните съединения могат да съдържат няколко еднакви (полифункционални съединения) или различни (хетерофункционални съединения) групи. Например, полифункционално съединение е поливалентен алкохол - глицерол.

Сред важните хетерофункционални съединения подчертаваме въглехидратите (алдехидни алкохоли и кетонни алкохоли) и аминокиселините. Структурата и свойствата на съединенията от тези класове ще бъдат обсъдени по-долу.

Таблица 3 показва основните класове органични съединения и техните представители.

След като разгледахме класификацията на ацикличните съединения според вида на функционалните групи, включени в техния състав, или наличието на кратна връзка, нека преминем към органични вещества, съдържащи затворена верига от въглеродни атоми в молекулата.

Карбоциклични (алициклични) съединения.

Карбоцикличните съединения са органични вещества, съдържащи затворена верига от въглеродни атоми (цикъл) в молекулата. Цикълът може да съдържа различен брой въглеродни атоми, свързани с единични или множествени връзки. Структурните формули на алицикличните съединения често се опростяват чрез посочване само на химичните връзки на молекулния скелет и функционалните групи, включени в неговия състав:

Особено внимание заслужават ароматните съединения - арени - вид карбоциклични съединения, съдържащи в молекулата специфична система от редуващи се двойни и единични връзки (т.нар. спрегнати П