Основные теоретические положения органической химии. Насыщенные (предельные) углеводороды (стр. 3 из 5)

СН2 СН2 СН

СН2 СН2

СН2 СН2

СН2 СН2—СН2

Структурная изомерия может иметь место и при одинаковом углеродном скелете, если функциональные группы занимают различное положение в молекуле. Порядок связи атомов в молекуле пропана выражается одной структурной формулой: CH3—CH2—CH3. Замещение одного из атомов водорода пропана гидроксильной группой приводит к получению двух изомерных спиртов:

CH3—CH2—CH2OH (1) CH3—CHOH—CH3 (2)

пропиловый спирт изопропиловый спирт

Эти структурные изомеры отличаются положением в молекуле функциональной гидроксильной группы, характерной для класса спиртов.

Взаимное влияние атомов

Химическое поведение – реакционная способность одного и того же атома, изменяющаяся в различных молекулах под влиянием непосредственно связанных с ним атомов, а также под влиянием отдаленных атомов и атомных групп.

Так, например, атом водорода в соединении с хлором, кислородом и азотом (H—Cl, H—O—H, N— ) проявляет различные свойства. Водород соляной кислоты сильно поляризован (протонирован) и легко замещается металлами, водород воды менее сильно поляризован и поэтому замещается только активными металлами и, наконец, водород аммиака очень слабо протонирован и может быть замещен лишь самыми активными металлами. Различное влияние атомов Cl, O и N на процесс протонизации – причина различной активности атомов водорода в рассматриваемых молекулах.

Влияние атомов кремния и углерода в молекулах тетрахлоридов- кремния SiCl4 и углерода CCl4 проявляется в различном химическом поведении в этих соединениях атомов хлора. Так, при действии воды в молекуле SiCl4 атомы хлора очень легко замещаются на гидроксильные группы, тогда как в молекуле ССl4 обмена атомов хлора на гидроксильные группы не происходит.

Атом каждого элемента влияет определенным образом на химическое поведение других атомов, составляющих молекулу, и вместе с тем, сам подвергается влиянию всей молекулы в целом. Теория химического строения не только раскрыла единство части и целого в молекуле и в химическом взаимодействии непосредственно связанных друг с другом атомов, но и указала на существование в молекулах химического влияния атомов, непосредственно не связанных друг с другом. Например, в молекулах хлорэтана (хлористого этила) CH3—CH2—Cl и хлорэтилена (хлористого винила) CH2=CH—Cl различное влияние на атом хлора этильной (CH3—CH2—) и винильной (CH2=CH—) групп обуславливает и различную его реакционную способность. Если в хлорэтане атом хлора весьма подвижен и обладает высокой реакционной способностью, то в молекуле хлорэтилена атом хлора инертен.

Структурные формулы выявляют главные, непосредственные связи и сильные химические взаимодействия атомов в молекуле, характеризуя основные особенности ее химического строения и реакционной способности.

Главная заслуга в становлении законов и правил взаимного влияния атомов в молекуле принадлежит В.В. Марковникову (1837-1904).

Таутомерия

Бутлеров рассматривал химическую связь как особый вид движения атомов. Он полагал, что молекулы находятся в постоянном движении и превращении, подвергаясь многообразным внутренним перестройкам. В свете теории Бутлерова представления об устойчивости и неустойчивости изомерных форм молекул являлся чисто формальным, т.к. в некоторых случаях изомерные молекулы настолько легко переходят друг в друга, что оба изомера находятся в состоянии подвижного равновесия

СН3—С—СН2—СООС2Н5 <=> СН3—С=СН—СООС2Н5,

½½½

О ОН

кетонная форма енольная форма

ацетоуксусный эфир

а в других, наоборот, равновесие между изомерами сильно или почти полностью сдвинуто в сторону одного из них

СН3 СН3 СН3 СН3

СH ¾¾¾¾® СBr

½¬½

СН2Br СН3.

Взаимные превращения изомеров могут осуществляться без какого-либо внешнего воздействия, и, наоборот, иногда требуются интенсивные внешние воздействия (катализаторы) для того, чтобы вызвать обратимые переходы изомеров друг в друга.

Распространенное в органической химии явление, заключающееся в существовании двух или нескольких изомерных форм молекул, находящихся в состоянии динамического равновесия, называется таутомерией. В настоящее время установлено, что между явлениями изомерии и таутомерии нет резкой границы. Исследования показали, что при одних внешних воздействиях вещества могут быть вполне устойчивыми изомерами, тогда как при других – таутомерами.

Общие представления о стереохимии

Дальнейшим развитием теории строения явилось создание стереохимии – учения о пространственной структуре органических молекул. В 1874г. голландский химик Я. Вант-Гофф и французский химик Ле-Бель одновременно и независимо друг от друга высказали гипотезу о том, что молекулы органических веществ имеют пространственное, объемное строение.

Пространственное строение молекул обусловлено тем, что валентные связи углеродного атома расположены не в плоскости, а определенным образом направлены в пространстве; атом углерода, связанный с четырьмя одновалентными атомами или атомными группами, является как бы центром тетраэдра – четырехгранной пирамиды (рис. 7), а его валентные связи направлены к вершинам тетраэдра (H). В этих вершинах помещаются соединенные с атомом углерода одновалентные атомы или атомные группы. В результате молекулы органических веществ имеют объемность, пространственное строение.

Рис. 7 Модели пространственного строения молекулы метана:

А – тетраэдрическая; б – шаростержневая; в – по Бригдебу.

Оказалось, что и при одинаковой последовательности связей в молекулах, возможна изомерия, обусловленная различным расположением атомов в пространстве. Этот вид изомерии называется пространственной изомерией или стереоизомерией.

Стереоизомеры могут содержать асимметричный атом углерода, соединенный с четырьмя различными атомами или атомными группами (рис. 8). Органические вещества, содержащие асимметричный углеродный атом, существуют в виде двух изомерных молекул с различным пространственным расположением атомов. Эти стереоизомерные молекулы относятся друг к другу как предмет к зеркальному изображению и называются энантиомерами (асимметричный атом углерода в формулах обозначается звездочкой):

CH3—C*HOH—COOH молочная кислота

Стереоизомеры, обладая одинаковыми химическими и физическими свойствами, отличаются между собой оптической активностью, т.е. по отношению к поляризованном свету. Каждый из них вращает плоскость поляризованного луча в противоположном направлении, являясь оптическим антиподом.

Поляризация связей

Когда ковалентной связью соединяются одинаковые атомы, обобщенная электронная пара в равной степени принадлежит им обоим. Иначе обстоит дело, если ковалентной связью соединены атомы различных элементов,

Рис. 8 Энантиомеры молочной кислоты.

обладающие различной электроотрицательностью (ЭО) (т.е. способностью притягивать обобщенные электроны, образующие ковалентную связь). В этом случае обобщенная электронная пара оказывается в той или иной мере смещенной (оттянутой) сторону более ЭО- атома. В результате у этого атома возникает некоторый (избыточный или частичный) отрицательный заряд, а у атома, от которого электронная пара оттянута, - равный по величине положительный заряд. Связь между такими атомами является поляризованной связью.

Так, например, в молекуле хлора обобщенная электронная пара в одинаковой мере принадлежит обоим атомам, в молекуле же органического вещества – хлористого метила CH3Cl пара электронов, осуществляющая связь между хлором и углеродом, смещена в сторону несколько более электроотрицательного хлора (и условно может быть изображена d+ и d-):

Cl : Cl H3Cd+ : Cld- H3Cd+ ® Cld-

I II III

У хлора возникает некоторый отрицательный заряд, у углерода – положительный, ковалентная связь между этими атомами в хлористом метиле поляризована. Как показано в формуле II, частичные заряды атомов, соединенных поляризованной связью, принято обозначать греческой буквой d (дельта) со знаком плюс и знаком минус соответственно. Смещение электронной пары в поляризованной простой ковалентной связи обычно обозначают стрелкой на середине черточки, выражающей эту связь, как представлено в формуле III.

Чем более поляризована связь, т.е. чем больше осуществляющая ее пара смещена к одному из атомов, тем больше эта связь по своему характеру приближается к ионной связи и тем выше реакционная способность соединенных такой связью атомов.