Теория строения органических соединений. Гомология и изомерия

1. Что такое органическая химия?

Определение

Органическая химия — это химия углерода и его соединений с другими элементами. В молекулах органических веществ могут присутствовать атомы водорода H, кислорода O, азота N, серы S, фосфора P, галогенов, металлов и других элементов.

Важно

Количество известных органических соединений в настоящее время превышает 20 миллионов. Такое многообразие объясняется способностью атомов углерода образовывать цепи различного строения и длины.

2. Углерод в органических веществах

Атомы углерода могут соединяться друг с другом с образованием цепей различного строения:

Неразветвленные (линейные) цепи
Разветвленные цепи
Замкнутые (циклические) цепи

Длина цепи может составлять от двух до сотен тысяч атомов углерода.

Важно

В органических веществах углерод имеет валентность IV (образует 4 связи). Атом углерода может образовывать одинарные, двойные и тройные связи.

$CH_3-CH_3$ (одинарная связь C-C)

$CH_2=CH_2$ (двойная связь C=C)

$CH \equiv CH$ (тройная связь C$\equiv$C)

3. Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова

В основе современной органической химии лежит теория строения органических соединений, созданная русским ученым Александром Михайловичем Бутлеровым в 1861 году.

Основные положения теории Бутлерова

Теория описывает закономерности строения органических молекул и связь строения со свойствами веществ.

1

Первое положение

Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется её химическим строением и отражается структурной формулой (формулой строения).

2

Второе положение

Свойства веществ зависят не только от вида и числа атомов в молекуле, но и от их взаимного расположения — то есть от строения молекулы. Это приводит к явлению изомерии.

3

Третье положение

По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы — определить свойства.

4

Четвертое положение

Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга. Это отражается на химических и физических свойствах вещества.

Пример второго положения теории Бутлерова — вещества одного и того же состава $C_4H_{10}$ могут иметь разное строение:

н-Бутан

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$

Температура кипения: -0,5 °C

Изобутан (2-метилпропан)

$CH_3-CH(CH_3)-CH_3$

Температура кипения: -11,4 °C

4. Формулы строения органических веществ

Состав органического вещества можно описать химическими формулами различных типов:

Простейшая (эмпирическая) формула

Может быть получена опытным путем через определение соотношения количества атомов химических элементов в веществе. Например, для глюкозы: $CH_2O$.

Истинная формула (молекулярная / брутто-формула)

Показывает точное количество атомов каждого элемента в одной молекуле, но не показывает её структуру. Для глюкозы: $C_6H_{12}O_6$.

Полная (развернутая) структурная формула

Однозначно описывает порядок соединения атомов в молекуле. Показаны все связи между всеми атомами.

Сокращенная структурная формула

Структурная формула, в которой не указываются связи между углеродом и водородом.

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$

5. Типы углеродных атомов

По числу связей с другими атомами углерода различают:

Тип атома углерода	Описание	Пример
Первичный	Связан с одним атомом C	$\underline{C}H_3-CH_2-CH_3$
Вторичный	Связан с двумя атомами C	$CH_3-\underline{C}H_2-CH_3$
Третичный	Связан с тремя атомами C	$CH_3-\underline{C}H(CH_3)-CH_3$
Четвертичный	Связан с четырьмя атомами C	$(CH_3)_3-\underline{C}-CH_3$

6. Типы связей в молекулах органических веществ

По характеру перекрывания орбиталей атомов в молекуле различают $\sigma$-связи (сигма) и $\pi$-связи (пи).

$\sigma$-связь (сигма-связь)

$\sigma$-Связь — основная связь в молекуле, может быть образована любыми типами орбиталей (s, p, d, гибридизованными). Между двумя атомами возможна только одна $\sigma$-связь.

$\pi$-связь (пи-связь)

$\pi$-Связь образуется при перекрывании p- (или d-) орбиталей, перпендикулярных линии связи и параллельных друг другу. Она является дополнительной к $\sigma$-связи и менее прочная.

Тип связи	Число $\sigma$-связей	Число $\pi$-связей	Примеры
Одинарная	1	0	C-C, C-H, C-O
Двойная	1	1	C=C, C=O
Тройная	1	2	$C \equiv C$, $C \equiv N$

7. Гибридизация атомных орбиталей углерода

Электронная формула атома углерода в основном состоянии:

$_{+6}C: \; 1s^2 2s^2 2p^2$

В возбужденном состоянии один электрон переходит с 2s-подуровня на 2p-подуровень:

$_{+6}C^*: \; 1s^2 2s^1 2p^3$

Таким образом, в возбужденном состоянии углерод содержит четыре неспаренных электрона, может образовать четыре связи и проявляет валентность IV.

Важно

В гибридизацию вступают атомные орбитали с небольшой разницей в энергии (как правило, одного энергетического уровня). Для углерода возможны $sp^3$, $sp^2$ и $sp$-гибридизация.

$sp^3$-Гибридизация

В $sp^3$-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и три p-орбитали. Образуются четыре $sp^3$-гибридные орбитали, направленные под углом 109$^\circ$ 28' друг к другу (тетраэдр).

4 связи $\sigma$ | Угол 109,5° | Тетраэдр | Пример: $CH_4$, $C_2H_6$

$sp^2$-Гибридизация

В $sp^2$-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и две p-орбитали. Одна p-орбиталь не гибридизуется. Три $sp^2$-орбитали направлены под углом 120$^\circ$ (плоский треугольник), а негибридная p-орбиталь перпендикулярна этой плоскости.

3 $\sigma$ + 1 $\pi$ | Угол 120° | Плоский треугольник | Пример: $C_2H_4$

$sp$-Гибридизация

В $sp$-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и одна p-орбиталь. Две p-орбитали не гибридизуются. Две $sp$-орбитали направлены под углом 180$^\circ$ (линейная форма).

2 $\sigma$ + 2 $\pi$ | Угол 180° | Линейная форма | Пример: $C_2H_2$

Тип гибридизации	Орбитали	Форма	Угол	Пример
$sp^3$	1s + 3p	Тетраэдр	109,5°	$CH_4$, алканы
$sp^2$	1s + 2p	Треугольник	120°	$C_2H_4$, алкены
$sp$	1s + 1p	Линейная	180°	$C_2H_2$, алкины

8. Гомологи и гомологический ряд

Определение

Гомологи — это вещества, сходные по строению и свойствам, состав которых отличается на одну или несколько групп $-CH_2-$ (гомологическую разность).

Гомологический ряд

Гомологический ряд — последовательность органических соединений одного класса, каждое последующее из которых отличается от предыдущего на гомологическую разность $-CH_2-$.

Гомологический ряд предельных углеводородов (алканов): общая формула $C_nH_{2n+2}$

$CH_4$ — метан $C_2H_6$ — этан $C_3H_8$ — пропан $C_4H_{10}$ — бутан $C_5H_{12}$ — пентан $C_6H_{14}$ — гексан $C_7H_{16}$ — гептан $C_8H_{18}$ — октан $C_9H_{20}$ — нонан $C_{10}H_{22}$ — декан

Важно

Гомологи принадлежат к одному классу веществ, имеют сходные химические свойства, а их физические свойства закономерно изменяются с ростом молекулярной массы (возрастают температуры кипения и плавления, плотность).

Внимание

Не путайте гомологи и изомеры! Гомологи имеют разный состав (отличаются на $CH_2$), но принадлежат к одному классу. Изомеры имеют одинаковый состав (одну молекулярную формулу), но разное строение.

9. Изомерия

Определение

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

Изомерия — явление существования веществ с одинаковым составом, но различным строением.

Различают два основных вида изомерии:

Структурная изомерия

Изомеры отличаются взаимным расположением атомов в молекуле (порядком связей).

Пространственная (стерео-) изомерия

Изомеры отличаются расположением атомов в пространстве при одинаковом порядке связей.

9.1. Структурная изомерия

Структурные изомеры — соединения с одинаковым составом, но различным порядком связывания атомов (различным химическим строением). Молекулярная формула одинаковая, а структурная различается.

1. Изомерия углеродного скелета

Вещества различаются строением углеродной цепи (линейная или разветвленная).

Например, молекулярной формуле $C_5H_{12}$ соответствуют три изомера:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$ (пентан)

$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$ (2-метилбутан)

$C(CH_3)_4$ (2,2-диметилпропан)

2. Изомерия положения

Обусловлена различным положением кратной связи, функциональной группы или заместителя при одинаковом углеродном скелете.

2.1. Изомерия положения функциональной группы

Например, два изомерных предельных спирта с формулой $C_3H_8O$:

Пропанол-1

$CH_3-CH_2-CH_2-OH$

Пропанол-2

$CH_3-CH(OH)-CH_3$

2.2. Изомерия положения кратной связи

Различное положение двойной или тройной связи в непредельных соединениях:

Бутен-1

$CH_2=CH-CH_2-CH_3$

Бутен-2

$CH_3-CH=CH-CH_3$

3. Межклассовая изомерия

Вещества из разных классов имеют одинаковую общую формулу. Например, формуле $C_2H_6O$ соответствуют:

Этанол (спирт)

$CH_3-CH_2-OH$

Диметиловый эфир

$CH_3-O-CH_3$

9.2. Пространственная (стерео-) изомерия

Пространственные изомеры — вещества с одинаковым составом и химическим строением, но с разным пространственным расположением атомов.

1. Геометрическая (цис-транс) изомерия

Характерна для соединений, в которых различается положение заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла.

Важно

Двойная связь не имеет свободного вращения вокруг своей оси. Поэтому заместители могут располагаться по одну сторону (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер) от плоскости двойной связи.

Например, бутен-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$) существует в виде двух геометрических изомеров:

цис-Бутен-2

Заместители ($CH_3$) расположены по одну сторону от двойной связи.

T кип. = 3,73 °C

транс-Бутен-2

Заместители ($CH_3$) расположены по разные стороны от двойной связи.

T кип. = 0,88 °C

Внимание

Цис-транс-изомерия возможна только если каждый атом углерода при двойной связи имеет два различных заместителя. Для соединений типа $CH_2=CHR$ и $CR_2=CHR'$ цис-транс-изомерия не характерна.

2. Оптическая изомерия

Определение

Оптические изомеры — пространственные изомеры, молекулы которых соотносятся как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Оптическая изомерия свойственна молекулам, имеющим асимметрический атом углерода — атом C, связанный с четырьмя различными заместителями.

Важно

Такие молекулы обладают оптической активностью — способностью вращать плоскость поляризации света. Оптические изомеры обозначаются как D- и L- (или R- и S-). Например, оптические изомеры образует 3-метилгексан.

Применительно к ЕГЭ, оптическая изомерия характерна для аминокислот (кроме глицина):

Асимметрический атом C*: $R-\overset{*}{C}H(NH_2)-COOH$

Практические задания

Задача 1. Определение числа связей

Решение

Определите число $\sigma$- и $\pi$-связей в молекуле пропина $CH \equiv C-CH_3$.

Решение:

Тройная связь $C \equiv C$ состоит из 1$\sigma$ + 2$\pi$ связей.

Одинарная связь $C-C$ — это 1$\sigma$-связь.

Три связи $C-H$ у $CH_3$ — это 3$\sigma$-связи.

Одна связь $C-H$ у $\equiv CH$ — это 1$\sigma$-связь.

Итого: 6 $\sigma$-связей и 2 $\pi$-связи

Задача 2. Гомологи или изомеры?

Решение

Определите, являются ли следующие вещества гомологами, изомерами или не являются ни тем, ни другим:
а) $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$ и $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$
б) $CH_3-CH_2-CH_3$ и $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$

Решение:

а) Оба вещества имеют формулу $C_4H_{10}$, но разное строение:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$ — н-бутан
$CH_3-CH(CH_3)-CH_3$ — изобутан

Одинаковый состав, различное строение = изомеры.

б) $C_3H_8$ (пропан) и $C_4H_{10}$ (бутан) — отличаются на $CH_2$, принадлежат к одному классу (алканы):

Это гомологи.

Задача 3. Тип гибридизации

Решение

Определите тип гибридизации каждого атома углерода в молекуле пропеналя (акролеина) $CH_2=CH-CHO$.

Решение:

Развернутая формула: $CH_2=CH-CH=O$

$C^1$ ($CH_2=$): двойная связь C=C, значит $sp^2$-гибридизация
$C^2$ ($=CH-$): двойная связь C=C, значит $sp^2$-гибридизация
$C^3$ ($-CH=O$): двойная связь C=O, значит $sp^2$-гибридизация

Все три атома углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации

Задача 4. Виды изомерии

Решение

Какие виды изомерии характерны для бутена-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$)?

Решение:

Для бутена-2 (формула $C_4H_8$) характерны:

Изомерия углеродного скелета: 2-метилпропен $CH_2=C(CH_3)-CH_3$
Изомерия положения двойной связи: бутен-1 $CH_2=CH-CH_2-CH_3$
Межклассовая изомерия: циклобутан, метилциклопропан
Геометрическая (цис-транс) изомерия: у каждого атома C при двойной связи — два разных заместителя (H и $CH_3$)

Ответ: изомерия скелета, положения кратной связи, межклассовая, цис-транс-изомерия

Задача 5. Асимметрический атом углерода

Решение

Какие из перечисленных аминокислот способны образовывать оптические изомеры: глицин (аминоуксусная кислота), аланин (2-аминопропановая кислота)?

Решение:

Глицин ($H_2N-CH_2-COOH$): у атома C(2) два одинаковых заместителя (два H), поэтому он не является асимметрическим. Оптической изомерии нет.

Аланин ($CH_3-CH(NH_2)-COOH$): у атома C(2) четыре различных заместителя: $-H$, $-CH_3$, $-NH_2$, $-COOH$. Атом C(2) является асимметрическим.

Ответ: оптическую изомерию проявляет аланин