Klasyfikacja i nazewnictwo substancji organicznych (trywialne i międzynarodowe). Grupy funkcyjne związków organicznych Klasyfikacja substancji organicznych ze względu na obecność wiązań wielokrotnych

Klasyfikacja związków organicznych. Grupa funkcyjna. Ogólne wzory biologicznie ważnych klas związków organicznych: alkohole, fenole, tiole, aminy, etery, siarczki, aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe

Związki organiczne klasyfikować Przez:

a) struktura łańcucha węglowego;

b) obecność grup funkcyjnych.

Grupy funkcjonalne- są to podstawniki niewęglowodorowe, które decydują o przynależności substancji do danej klasy i jednocześnie o jej typowych właściwościach chemicznych.

Klasyfikacja związków organicznych według grup funkcyjnych:

Klasyfikacja substancji organicznych ze względu na budowę rodnika:

Materia organiczna

acykliczny

cykliczny

karbocykliczny

heterocykliczny

cykloalkany

nasycony nienasycony N pirol

CH 4 – metan

C 2 H 6 – etan

Sp 3 -hybrydyzacja

< 109 0 28׳

Sp 3 -hybrydyzacja

< 109 0 28׳

acetylen

hybrydyzacja sp

wiązania σ, 2π

Sp 2 -hybrydyzacja

wiązania σ, π

Sp 2 -hybrydyzacja

wiązania σ, π

Cyklopropan N

cykloheksan H CH 3 CH 3 imidazol

Wzory ogólne biologicznie ważnych klas związków organicznych: alkohole – R-OH

Fenole – OH

Tiole – R-SH

Aminy – R-NH2

etery – R 1-O-R 2

siarczki – Me 2 Sx

aldehydy – R-COH

ketony – R 1 -C-R 2

kwasy karboksylowe – R-COOH

Struktura elektronowa atomu węgla. Rodzaje hybrydyzacji orbitali atomowych. Kowalencyjne wiązania σ i π, ich główne cechy: długość, energia, polarność

W związkach organicznych węgiel może występować w jednym z 3 stanów wartościowości:

sp 3 -hybrydyzacja, w którym następuje mieszanie orbitali jednego s i trzech orbitali p, z pojawieniem się 4 zhybrydyzowanych orbitali rozmieszczonych w przestrzeni pod kątem 109°28' względem siebie. Węgiel w tym stanie nazywany jest tetragonalnym atomem węgla i występuje w nasyconych związkach organicznych.

sp 2 -hybrydyzacja, w którym następuje mieszanie jednego orbitala s i dwóch orbitali p, z pojawieniem się 3 zhybrydyzowanych orbitali znajdujących się w tej samej płaszczyźnie, pod kątem 120° względem siebie. Niehybrydyzowany orbital p jest prostopadły do ​​płaszczyzny zhybrydyzowanych orbitali. Węgiel w tym stanie nazywany jest trygonalnym i występuje w związkach z podwójnymi wiązaniami.

sp-hybrydyzacja, w którym następuje wymieszanie jednego orbitalu s i jednego p-orbitala z pojawieniem się 2 zhybrydyzowanych orbitali rozmieszczonych w przestrzeni pod kątem 180° (liniowo), a dwa niezhybrydyzowane orbitale p są położone względem siebie prostopadle. Ten typ hybrydyzacji (hybrydyzacja sp) jest charakterystyczny dla węgla połączonego potrójnym wiązaniem.

Kiedy w cząsteczkach związków organicznych tworzy się wiązanie kowalencyjne, wspólna para elektronów zapełnia wiążące orbitale molekularne (MO), które mają niższą energię. W zależności od kształtu MO – σ-MO lub π-MO – powstałe wiązania klasyfikuje się jako σ- lub p.

σ-wiązanie– wiązanie kowalencyjne utworzone przez nakładanie się s-, p- i hybrydowych orbitali atomowych (AO) wzdłuż osi łączącej jądra połączonych atomów (tj. przez osiowe nakładanie się AO).

π-wiązanie– wiązanie kowalencyjne powstające, gdy niehybrydowe p-AO nakładają się bocznie. To nakładanie się zachodzi poza linią prostą łączącą jądra atomów. Wiązania π występują pomiędzy atomami już połączonymi wiązaniem σ (powstają podwójne i potrójne wiązania kowalencyjne). Wiązanie π jest słabsze niż wiązanie σ ze względu na mniej całkowite nakładanie się p-AO.

Różne struktury orbitali molekularnych σ i π określają charakterystyczne cechy wiązań σ i π.

1. Wiązanie σ jest silniejsze niż wiązanie π. Wynika to z bardziej wydajnego osiowego nakładania się AO podczas tworzenia σ-MO i obecności σ-elektronów pomiędzy jądrami.

2. Wewnątrzcząsteczkowa rotacja atomów jest możliwa wzdłuż wiązań σ, gdyż kształt σ-MO pozwala na taki obrót bez zrywania wiązania (patrz animacja. Rysunek poniżej)). Obrót wzdłuż wiązania podwójnego (σ + π) jest niemożliwy bez zerwania wiązania π!

3. Elektrony na π-MO, znajdujące się poza przestrzenią międzyjądrową, mają większą ruchliwość w porównaniu do σ-elektronów. Dlatego polaryzowalność wiązania π jest znacznie większa niż wiązania σ.

Długość łącza– odległość między jądrami atomów, które go utworzyły. Wraz ze wzrostem udziału s-AO w orbicie hybrydowej (wraz ze wzrostem nienasycenia) długość wiązania maleje, ponieważ orbital s leży bliżej jądra (ma mniejszy promień) niż orbital p.

Energia komunikacji– energia potrzebna do homolitycznego rozerwania wiązań na rodniki lub atomy.

Tabela 1. Niektóre cechy połączeń

Fakt, że wiązanie p jest słabsze od wiązania s, prowadzi do wniosku, że związki nienasycone muszą charakteryzować się m.in. Na pierwszy plan wychodzą reakcje addycji przy wiązaniach wielokrotnych, ponieważ na ich rozbicie potrzeba mniej energii, a ponadto są one bardziej dostępne z przestrzennego punktu widzenia.

Energia wiązania zależy również od charakteru pierwiastka, którego atomy tworzą wiązanie. Zatem wiązania C-Hal stanowią następującą serię mocnych stron:

C-F > C-Cl > C-Br > C-І .

Siła wiązania w tym szeregu maleje wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka, ponieważ jednocześnie zwiększa się promień atomowy i długość wiązania (wraz ze wzrostem odległości maleje oddziaływanie elektrostatyczne).

W związkach węgla z pierwiastkami II okresu siła wiązania (energia) wzrasta w szeregu: C-N< C-O < C-F , т.е. с увеличением электроотрицательности элемента, радиус которого при этом уменьшается (электростатическое взаимодействие усиливается).

Polaryzacja komunikacji

Kiedy między dwoma identycznymi atomami tworzy się wiązanie kowalencyjne, jego chmura elektronów jest symetrycznie zlokalizowana pomiędzy jądrami połączonych atomów, wiązanie jest niepolarne, a cząsteczka jest niepolarna (etan, etylen, acetylen).

Jeśli wiązanie kowalencyjne tworzą różne atomy o różnej elektroujemności, wówczas powstaje polarne wiązanie kowalencyjne, ponieważ elektrony wiązania są przesunięte w stronę atomu elektroujemnego, a na atomach powstają efektywne ładunki cząstkowe. Polaryzacja ta jest stała (stacjonarna), ponieważ jest zdeterminowana czynnikami wewnętrznymi, a mianowicie naturą oddziałujących atomów i naturą połączenia między nimi.

Atomy tego samego pierwiastka mają różną elektroujemność, jeśli atomy te znajdują się w różnych stanach hybrydyzacji. Zatem dla węgla:

Zatem elektroujemność atomu wzrasta wraz ze wzrostem udziału orbitalu s w orbicie hybrydowym.

Pojawienie się wiązania polarnego w cząsteczce powoduje pojawienie się polarności całej cząsteczki, a to wpływa na właściwości substancji. Zatem substancje polarne, w przeciwieństwie do niepolarnych, są lepiej rozpuszczalne w polarnych rozpuszczalnikach, zwykle mają wyższą temperaturę wrzenia i topnienia oraz łatwiej reagują poprzez mechanizmy jonowe.

Koniugacja, rodzaje koniugacji: π, π- iR , π-koniugacja. Sprzężone układy o otwartym łańcuchu: 1,3-dieny (butadien, izopren, karbokation allilowy); polieny (karotenoidy, witamina A); układy heterokoniugowane (α, β-nienasycone związki karbonylowe, grupa karboksylowa)

Układ sprzężony zachodzi, gdy podstawnik zawierający wiązanie podwójne (koniugacja π, π) lub posiadający orbital p (koniugacja p, π) jest przyłączony do zhybrydyzowanego atomu węgla sp 2 w cząsteczce. Podczas koniugacji następuje delokalizacja elektronów - gęstość elektronów π jest rozłożona w całym układzie orbitali π i nie jest skoncentrowana pomiędzy dwoma sąsiednimi orbitalami p. W przypadku koniugacji p, π gęstość elektronów ulega delokalizacji pomiędzy orbitalami wiązania π a orbitalem p heteroatomu - O, N, S itp., przenosząc samotną parę elektronów, niesparowany elektron lub wolny. Koniugacja jest procesem korzystnym energetycznie, ponieważ W wyniku delokalizacji elektronów uwalniana jest energia, a cząsteczka staje się termodynamicznie bardziej stabilna. Stopień stabilności termodynamicznej określa się ilościowo jako różnicę energii cząsteczek z wiązaniami sprzężonymi i izolowanymi - energię koniugacji (energię delokalizacji).

Grupy funkcjonalne nazywane są grupami atomów, które określają charakterystyczne właściwości chemiczne danej klasy substancji.

Alkohole

Struktura cząsteczek alkoholu R-OH. Atom tlenu, który jest częścią grupy hydroksylowej cząsteczek alkoholu, znacznie różni się od atomów wodoru i węgla zdolnością do przyciągania i utrzymywania par elektronów. Cząsteczki alkoholu zawierają polarne wiązania C-O i O-H.
Biorąc pod uwagę polarność wiązania OH i znaczny ładunek dodatni atomu wodoru, wodór grupy hydroksylowej ma charakter „kwasowy”. W ten sposób różni się znacznie od atomów wodoru wchodzących w skład rodnika węglowodorowego. Atom tlenu grupy hydroksylowej ma częściowy ładunek ujemny i dwie wolne pary elektronów, co pozwala cząsteczkom alkoholu tworzyć wiązania wodorowe.

Fenole

Według właściwości chemicznych fenole różnią się od alkoholi, co spowodowane jest wzajemnym wpływem grupy hydroksylowej i pierścienia benzenowego (fenyl - C 6 H 5) w cząsteczce fenolu. Efekt ten sprowadza się do tego, że elektrony π pierścienia benzenowego częściowo włączają do swojej sfery wolne pary elektronów atomu tlenu grupy hydroksylowej, w wyniku czego zmniejsza się gęstość elektronowa atomu tlenu. Spadek ten jest kompensowany dużą polaryzacją wiązania O-H, co z kolei prowadzi do wzrostu ładunku dodatniego na atomie wodoru:

W konsekwencji wodór grupy hydroksylowej w cząsteczce fenolu ma charakter kwasowy.
Wpływ atomów w cząsteczkach fenolu i jego pochodnych jest wzajemny. Grupa hydroksylowa wpływa na gęstość chmury elektronów π w pierścieniu benzenowym. Zmniejsza się przy atomie węgla związanym z grupą OH (tj. przy 1. i 3. atomie węgla, pozycja meta) i wzrasta przy sąsiednich atomach węgla - 2, 4, 6 - orto- I para zaprowiantowanie.
Atomy wodoru benzenu i orto- I para pozycje stają się bardziej mobilne i łatwo je zastąpić innymi atomami i rodnikami.

Aldehydy

Aldehydy mieć ogólny wzór , Gdzie — C=O — grupa karbonylowa. Atom węgla w grupie karbonylowej sp2 ulega hybrydyzacji. Atomy bezpośrednio z nim połączone znajdują się w tej samej płaszczyźnie. Ze względu na dużą elektroujemność atomu tlenu w porównaniu z wiązaniem węglowym C=O jest silnie spolaryzowane ze względu na przesunięcie gęstości elektronowej wiązania π w stronę tlenu:

Pod wpływem karbonylowego atomu węgla w aldehydach zwiększa się polarność wiązania C–H, co zwiększa reaktywność tego atomu H.

Kwasy karboksylowe

Kwasy karboksylowe zawierają grupę funkcyjną , zwany grupa karboksylowa, Lub karboksylowy. Został tak nazwany, ponieważ składa się z grupy karbonylowej -C=O i hydroksyl -ON.
W kwasach karboksylowych grupa hydroksylowa jest związana z rodnikiem węglowodorowym i grupą karboksylową. Osłabienie wiązania między tlenem i wodorem w grupie hydroksylowej tłumaczy się różnicą elektroujemności atomów węgla, tlenu i wodoru. Atom węgla zyskuje pewien ładunek dodatni. Ten atom węgla przyciąga chmurę elektronów z atomu tlenu grupy hydroksylowej. Kompensując przesuniętą gęstość elektronów, atom tlenu grupy hydroksylowej przyciąga chmurę elektronów sąsiedniego atomu wodoru. Wiązanie O–H w grupie hydroksylowej staje się bardziej polarne, a atom wodoru staje się bardziej mobilny.

Już wiesz, że o właściwościach substancji organicznych decyduje ich skład i budowa chemiczna. Nic więc dziwnego, że klasyfikacja związków organicznych opiera się na teorii struktury - teorii A. M. Butlerowa. Substancje organiczne klasyfikuje się według obecności i kolejności połączeń atomów w cząsteczkach. Najtrwalszą i najmniej zmienną częścią cząsteczki substancji organicznej jest jej szkielet – łańcuch atomów węgla. W zależności od kolejności łączenia atomów węgla w tym łańcuchu substancje dzielą się na acykliczne, które nie zawierają zamkniętych łańcuchów atomów węgla w cząsteczkach, oraz karbocykliczne, które zawierają takie łańcuchy (cykle) w cząsteczkach.

Oprócz atomów węgla i wodoru cząsteczki substancji organicznych mogą zawierać atomy innych pierwiastków chemicznych. Substancje, w których cząsteczkach znajdują się tzw. heteroatomy tworzące zamknięty łańcuch, zaliczane są do związków heterocyklicznych.

Grupa funkcyjna- grupa atomów określająca najbardziej charakterystyczne właściwości chemiczne substancji i jej przynależność do określonej klasy związków.

W cząsteczkach ketonów karbonylowa grupa funkcyjna jest związana z dwoma atomami węgla, a w cząsteczkach aldehydu jest związana z jednym atomem węgla i atomem wodoru.

Łatwo zauważyć, że grupę karboksylową atomów można uznać za połączenie innych znanych Państwu grup funkcyjnych – karbonylowej i hydroksylowej –OH, co wyjaśnia pochodzenie jej nazwy.

Etery można uważać za produkty zastąpienia atomu wodoru w grupie hydroksylowej alkoholi rodnikiem węglowodorowym.

W cząsteczkach tych związków dwa rodniki węglowodorowe są połączone poprzez grupę hydroksylową -O-, dlatego często nazywa się ją „mostkiem tlenowym”. Ogólny wzór eterów to R1-O-R2.

Estry zawierają w cząsteczce grupę funkcyjną atomów, zwaną grupą estrową. Estry można uznać za pochodne kwasów karboksylowych, w których atom wodoru grupy karboksylowej zastąpiono rodnikiem węglowodorowym, co wyjaśnia ich nazwy.

CH3-CH2-NO2
nitroetan

Zastępując atomy wodoru w cząsteczce amoniaku rodnikami węglowodorowymi, można otrzymać aminy pierwszorzędowe (RNH2), drugorzędowe (R2NH) i trzeciorzędowe (R3N):

CH 3 -NH 2 CH 3 -CH 2 -NH-CH 2 -CH 3 N(CH 2 -CH 3) 3
metyloamina, dietyloamina, trietyloamina

Cząsteczki związków organicznych mogą zawierać kilka identycznych (związki wielofunkcyjne) lub różnych (związki heterofunkcyjne). Przykładowo związkiem wielofunkcyjnym jest alkohol wielowodorotlenowy – glicerol.

Wśród ważnych związków heterofunkcyjnych wyróżniamy węglowodany (alkohole aldehydowe i alkohole ketonowe) oraz aminokwasy. Strukturę i właściwości związków tych klas zostaną omówione poniżej.

W tabeli 3 przedstawiono główne klasy związków organicznych i ich przedstawicieli.

Po rozważeniu klasyfikacji związków acyklicznych ze względu na rodzaj grup funkcyjnych wchodzących w ich skład lub obecność wiązania wielokrotnego, przejdźmy do substancji organicznych zawierających w cząsteczce zamknięty łańcuch atomów węgla.

Związki karbocykliczne (alicykliczne).

Związki karbocykliczne to substancje organiczne zawierające w cząsteczce zamknięty łańcuch atomów węgla (cykl). Cykl może zawierać różną liczbę atomów węgla połączonych wiązaniami pojedynczymi lub wielokrotnymi. Wzory strukturalne związków alicyklicznych często upraszcza się, wskazując jedynie wiązania chemiczne szkieletu molekularnego i grupy funkcyjne zawarte w jego składzie:

Na szczególną uwagę zasługują związki aromatyczne – areny – rodzaj związków karbocyklicznych zawierających w cząsteczce specyficzny układ naprzemiennych wiązań podwójnych i pojedynczych (tzw. sprzężone P