Основы органической химии и изомерия

Органическая химия — химия соединений углерода (кроме оксидов углерода, угольной кислоты и её солей, карбидов и цианидов). Органических веществ десятки миллионов, в несколько раз больше, чем неорганических, но все они подчиняются нескольким общим закономерностям: углерод четырёхвалентен, атомы в молекуле связаны в определённом порядке, а свойства вещества зависят не только от состава, но и от строения. Органические вещества — основа живых организмов (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты), а также топливо, лекарства, пластмассы и волокна. Эта тема — «грамматика» всех последующих органических классов: здесь изучаются изомерия, номенклатура, гибридизация и нахождение формул.

§1. Состав и особенности органических веществ

Основные элементы — C, H, O, N, иногда S, P и галогены. Особенность углерода в том, что его атомы прочно соединяются друг с другом, образуя длинные прямые, разветвлённые и циклические цепи, — отсюда разнообразие органических веществ.
Обнаружение углерода и водорода:

Общие особенности органических веществ: в молекулах в основном ковалентные связи, большинство имеет молекулярную решётку, поэтому температуры плавления и кипения низкие; горючи, при нагревании разлагаются и обугливаются; реакции идут медленнее неорганических ионных реакций и часто требуют катализатора; нередко образуется несколько продуктов.

Из истории: раньше считали, что органические вещества образуются только в живых организмах под действием «жизненной силы». В 1828 году Ф. Вёлер синтезировал мочевину (карбамид) из неорганического вещества (цианата аммония) и опроверг это представление; позднее были синтезированы уксусная кислота, жиры, сахароподобные вещества. Сегодня большинство органических веществ синтезируют в лабораториях и на заводах.

§2. Теория химического строения Бутлерова и изомерия

Основные положения теории А. М. Бутлерова (1861):

• Атомы в молекуле соединены в определённой последовательности согласно их валентности; углерод всегда четырёхвалентен.
• Свойства вещества зависят не только от состава, но и от химического строения.
• Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга.
• По свойствам вещества можно установить его строение, и наоборот.

Изомерия — существование веществ с одинаковым составом (молекулярной формулой), но разным строением и свойствами:

• Структурная изомерия: углеродного скелета (н-бутан и изобутан), положения функциональной группы или двойной связи (бутен-1 и бутен-2), межклассовая (C₂H₆O: этанол и диметиловый эфир).
• Пространственная изомерия: геометрическая (цис-транс, относительно двойной связи) и оптическая (при наличии асимметрического атома углерода с четырьмя разными заместителями).

Гомологи — вещества, отличающиеся по составу на одну или несколько групп CH₂ и сходные по строению и свойствам: метан, этан, пропан; они описываются одной общей формулой.

Пример

Сколько структурных изомеров у C₅H₁₂?

1. н-пентан — прямая цепь.
2. 2-метилбутан — одно разветвление.
3. 2,2-диметилпропан — два разветвления у одного атома углерода. Ответ: 3.

§3. Гибридизация, связи и типы атомов углерода

В σ-связи орбитали перекрываются вдоль оси, соединяющей ядра, — связь прочная; в π-связи перекрывание боковое — она слабее, поэтому в реакциях чаще всего рвётся именно π-связь. Одинарная связь — σ, двойная — σ + π, тройная — σ + 2π. С ростом кратности связь углерод–углерод укорачивается: 0,154 нм (одинарная), 0,134 нм (двойная), 0,120 нм (тройная).
Атомы углерода по числу соседних атомов углерода бывают первичными (связан с одним C), вторичными (с двумя), третичными (с тремя), четвертичными (с четырьмя).

Пример

Классифицируйте атомы углерода в 2-метилбутане CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃.

1. Первичные: C1, C4 и метильный заместитель — 3.
2. Вторичный: C3 (CH₂) — 1.
3. Третичный: C2 (CH) — 1; четвертичных нет.

§4. Функциональные группы и номенклатура

Функциональная группа — группа атомов, определяющая класс вещества и его главные химические свойства.

По углеродному скелету органические соединения бывают ациклическими (открытая цепь: алканы, алкены), карбоциклическими (цикл только из атомов углерода: циклогексан, бензол) и гетероциклическими (в цикле есть и другие атомы — N, O, S: пиридин). Внутри каждого класса вещества с одинаковой функциональной группой образуют гомологический ряд.
Порядок названия по ИЮПАК: 1) выбирают самую длинную цепь, включающую функциональную группу или кратную связь; 2) нумеруют с того конца, к которому ближе функциональная группа (или кратная связь); 3) заместители перечисляют в алфавитном порядке с указанием положения; 4) в конце — название главной цепи с суффиксом класса (-ан, -ен, -ин, -ол, -аль, -он, кислота). Например: 3-метилпентанол-2.

§5. Типы органических реакций

По результату органические реакции бывают: замещения (галогенирование алканов, нитрование бензола), присоединения (гидрирование и бромирование алкенов), отщепления (элиминирования) (дегидратация спиртов), изомеризации, полимеризации и поликонденсации, окисления и восстановления. По способу разрыва связи: гомолитический — каждому атому остаётся по одному электрону, образуются радикалы (хлорирование алканов на свету); гетеролитический — электронная пара переходит к одному атому, образуются ионы (присоединение HBr к алкенам). В ионных реакциях атакующая частица — электрофил («жадный» до электронов, H⁺, Br⁺) или нуклеофил (с электронной парой, OH⁻, NH₃).

§6. Задачи на нахождение формулы

Пример

Массовая доля углерода в углеводороде 85,7 %, плотность по водороду 21. Найдите формулу.

1. M = 2·21 = 42 г/моль.
2. m(C) = 0,857·42 = 36 → 3 атома C; m(H) = 42 − 36 = 6 → 6 атомов H.
3. C₃H₆ — пропен или циклопропан.

Пример

При сгорании 4,6 г органического вещества образовалось 8,8 г CO₂ и 5,4 г воды; плотность его паров по водороду 23. Найдите формулу.

1. m(C) = 8,8·12/44 = 2,4 г; m(H) = 5,4·2/18 = 0,6 г; m(O) = 4,6 − 2,4 − 0,6 = 1,6 г.
2. n(C) : n(H) : n(O) = 0,2 : 0,6 : 0,1 = 2 : 6 : 1 → C₂H₆O (M = 46).
3. M = 2·23 = 46 — совпадает: этанол или диметиловый эфир.

Проверьте себя

1. Какая пара — изомеры: а) этанол и диметиловый эфир; б) этан и этен?

2. В каком гибридном состоянии углерод в CH₂=CH₂?

3. Сколько изомеров у C₄H₁₀?

4. При сгорании 0,1 моль углеводорода образовалось 8,96 л CO₂ (н.у.) и 9 г воды. Какова формула?

5. Как обнаружить азот в органическом веществе?

6. Какое вещество — межклассовый изомер пропаналя?

7. Кем являются метан и этан по отношению друг к другу?

8. По какому механизму идёт хлорирование алканов на свету?

Типичные ошибки

• Считать новым изомером ту же цепь, просто нарисованную иначе.
• Прибавлять σ-связи при подсчёте π-связей.
• Начинать нумерацию с конца, дальнего от функциональной группы.
• Путать гомологи и изомеры: гомологи отличаются на CH₂, у изомеров состав одинаков.
• Считать, что вещество состоит только из C и H, не проверив кислород в задаче на горение.