3.1 Теория строения органических соединений: гомология и изомерия (структурная и пространственная). Взаимное влияние атомов в молекулах

Видеоурок 1: Индуктивный эффект. Строение молекул. Органическая химия

Видеоурок 2: Мезомерный эффект (эффект сопряжения). Часть 1

Лекция: Теория строения органических соединений: гомология и изомерия (структурная и пространственная). Взаимное влияние атомов в молекулах

Органическая химия

К органическим веществам относятся оксиды углерода, угольная кислота, карбонаты, гидрокарбонаты. На данный момент известно около 30-ти миллионов органических веществ и это количество продолжает расти. Огромное количество соединений связано со специфическими свойствами углерода. Во - первых, атомы данного элемента способны соединяться друг с другом в цепи произвольной длины. Это соединение может быть не только последовательным, но и разветвленным, циклическим. Между атомами углерода возникают разные связи: одинарные, двойные и тройные. Во - вторых, валентность углерода в органических соединениях равна IV. Это значит, что во всех органических соединениях, атомы углерода находятся в возбужденном состоянии, имея 4 неспаренных электрона, активно ищущих свою пару. Поэтому атомы углерода имеют возможность образовывать 4 связи с атомами других элементов. К таким элементам относятся: водород, кислород, азот, фосфор, сера, галоген. Из названных, наиболее часто углерод связывается с водородом, кислородом и азотом. 

Теория строения органических соединений

Российский ученый А.М Бутлеров разработал теорию строения органических соединений, ставшую основой органической химии и актуальную в настоящее время. 

Основные положения данной теории: 

1. Атомы молекул органических веществ сплетены друг с другом в последовательности, соответствующей их валентности. Так, как атом углерода четырехвалентен, он образует цепи различного химического строения.

2. Последовательность соединения атомов молекул органических веществ определяет характер их физических и химических свойств. 

3. Изменение последовательности соединения атомов ведет и к изменению свойств вещества.

4. Атомы молекул органических веществ влияют друг на друга, что сказывается на изменении их химического поведения.

Таким образом, зная строение молекулы органического вещества можно спрогнозировать его свойства и наоборот, знание свойств вещества поможет установить его строение. 

Рассмотрим типы изомерии: 

1.2. Изомерия положения:

1.2.1. Изомерия кратной связи

1.2.2. Изомерия заместителей

1.2.3. Изомерия функциональных групп 

1.3. Межклассовая изомерия: 

2. Пространственная изомерия

Это такое химическое явление, при котором разные вещества, имеющие одинаковый порядок присоединения атомов друг к другу, отличаются фиксировано-различным положением атомов или групп атомов в пространстве. Данный вид изомерии бывает геометрическим и оптическим. 

2.1. Геометрическая изомерия. Если в молекуле какого-либо химического соединения присутствует двойная C=C связь или цикл, то в данных случаях возможна геометрическая или цис - транс - изомерия.

В случае, когда одинаковые заместители располагаются по одну сторону плоскости, можно сказать, что это цис-изомер. Когда замесители располагаются по разные стороны — то это транс-изомер. Данный тип изомерии невозможен в случае, когда хотя бы у одного атома углерода при двойной связи имеются два одинаковых заместителя. Например, цис-транс-изомерия является невозможной для пропена.    

Взаимное влияние атомов в молекулах 

Понятие о химической структуре, как о последовательности связанных друг с другом атомов, было дополнено с появлением электронной теории. Различают два возможных способа влияния одних участков молекулы на другие: 

• Индуктивный эффект. 

• Мезомерный эффект. 

Индуктивный эффект (I). В качестве примера можно взять молекулу 1-хлорпропана (CH₃CH₂CH₂Cl). Связь между атомами углерода и хлора здесь полярная, так как последний более электроотрицателен. В результате сдвига электронной плотности от атома углерода к атому хлора, на атоме углерода начинает образовываться частичный положительный заряд (δ+), а на атоме хлора — частичный отрицательный (δ-). Сдвиг электронной плотности обозначают стрелкой, направленной к более электроотрицательному атому. 

Помимо сдвига электронной плотности возможно и её смещение, но в меньшей степени. Смещение происходит от второго атома углерода к первому, от третьего ко второму. Такое смещение плотности по цепи σ-связей именуют индуктивным эффектом (I). Он затухает при удалении от влияющей группы. А после 3 σ-связей практически не проявляется. Наиболее отрицательный индуктивный эффект (-I) содержат такие заместители: –F, –Cl, –Br, –I, –OH, –NH₂, –CN, –NO₂, –COH, –COOH. Отрицательный, потому что они обладают большей электроотрицательностью, чем углерод.

Когда электроотрицательность атома меньше электроотрицательности атома углерода, начинается передача электронной плотности от данных заместителей к углеродным атомам. Это значит, что замеситель содержит положительный индуктивный эффект (+I). Заместителями с +I-эффектом считаются предельные углеводородные радикалы. При этом, +I-эффект возрастает при удлинении углеводородного радикала: –CH₃, –C₂H₅, –C₃H₇, –C₄H₉. 

Важно помнить, что атомы углерода, которые находятся в разных валентных состояниях, обладают различной электроотрицательностью. Атомы углерода, пребывая в состоянии sp-гибридизации, содержат достаточно большую электроотрицательность по сравнению с атомами углерода в состоянии sp2-гибридизации. Данные атомы, в свою очередь, более электроотрицательны, по сравнению с атомами углерода в состоянии sp3-гибридизации. 

Мезомерный эффект (М), эффект сопряжения — это определенное влияние заместителя, которое передается по системе сопряженных π-связей. Знак данного эффекта определяется по тому же принципу, что и знак индуктивного эффекта. В случае, когда заместитель начинает увеличивать электронную плотность в сопряженной системе, он будет содержать положительный мезомерный эффект (+М). Также он будет донором электронов. Положительным мезомерным эффектом могут обладать только двойные углерод-углеродные связи, заместители. Они, в свою очередь, должны содержать неподеленную электронную пару: -NH₂, -OН, галогены. Отрицательным мезомерным эффектом (–М) обладают заместители, которые способны оттягивать электронную плотность от сопряженной системы. Также следует отметить, что электронная плотность в системе будет уменьшаться. Отрицательным мезомерным эффектом обладают следующие группы: –NO₂, –COOH, –SO₃H, -COH, >C=O. 

При перераспределении электронной плотности, а также за счет протекания мезомерного и индуктивного эффектов, на атомах образуются положительные или отрицательные заряды. Данное образование отражается в химических свойствах вещества. Графически мезомерный эффект часто изображают изогнутой стрелкой. Данная стрелка берет начало в центре электронной плотности. Завершается при этом там, куда сдвигается электронная плотность. 

Пример: в молекуле хлористого винила, мезомерный эффект образуется при сопряжении неподеленной электронной пары атома хлора, с электронами π-связи между углеродными атомами. В результате данного сопряжения, на атоме хлора образуется частичный положительный заряд. 

Обладающее подвижностью π-электронное облако, в результате воздействия электронной пары, начинает сдвигаться в сторону крайнего атома углерода. 

Если молекула содержит чередующиеся одинарные и двойные связи, то молекула содержит сопряженную π-электронную систему. 

Мезомерный эффект в данной молекуле не затухает.