Загальна та органічна хімія

Тема 1 «Теоретичні основи органічної хімії»

Стислий конспект


1.1. Вступ

Величезна кількість органічних сполук, різноманітність їх складу, особливості будови молекул (включаючи як послідовність сполучення атомів у ланцюгу, так і взаємне розташування окремих атомів і атомних груп у просторі) не дозволяє в рамках обмеженої кількості лекцій докладно викласти відомості про структуру, властивості, способи добування, області використання, а також екологічні наслідки виробництва і застосування органічних речовин.

Отже, органічна хімія охоплює в своїх дослідженнях майже 20 млн. сполук, переважна більшість яких має дуже складну будову. Очевидно, що орієнтуватися в такому масиві можливо тільки, по-перше, спираючись на чітку класифікацію і, по-друге, вивчаючи характерні родові ознаки, які притаманні великим групам сполук залежно від їх особливостей їх будови і складу. Інакше кажучи, слід набути певного комплексу знань з основ органічної хімії, які при зіткненні з якоюсь конкретною органічною сполукою одночасно стануть і теоретичним фундаментом і практичним інструментом для її детального дослідження. Саме на допомогу в оволодінні мінімальним комплексом таких знань і направлений запропонований курс органічної хімії.

1.2. Предмет органічної хімії

Визначення Берцеліуса: Органічна хіміяце частина хімічної науки про речовини рослинного та тваринного походження.

Визначення Кекуле: Органічна хімія – це наука про сполуки Карбону з іншими елементами.

Визначення Шорлеммера: Органічна хімія – це наука про вуглеводні та їх похідні.

Сучасне визначення: Органічна хімія – це наука, що вивчає сполуки Карбону, їх будову, властивості, способи одержання і  закони їх взаємних перетворень, а також шляхи практичного застосування.

До органічних речовин належать сполуки Карбону із Гідрогеном, Оксигеном, Нітрогеном, Фосфором, галогенами та іншими хімічними елементами, за виключенням оксидів карбону СО, СО2, вугільної кислоти Н2СО3 та її солей, які традиційно відносять до неорганічних сполук.

1.3. Особливості органічних сполук

Специфічні особливості органічних сполук:

  1. Величезна кількість органічних речовин, яка пояснюється унікальною здатністю атомів Карбону сполучатися один з одним, утворюючи ланцюги і кільця.
  2. Органічні сполуки поряд із водою є головним будівельним матеріалом тваринних і рослинних організмів і – одночасно – основним харчовим компонентом, що забезпечує постійну підтримку їх життєдіяльності на відповідному рівні. Крім того, величезна кількість органічних сполук є основою для створення багатьох виробів з широким спектром властивостей, які набули застосування у всіх без виключення галузях промисловості, у будівництві, а також у повсякденному побуті.
  3. Молекули органічних речовин, в яких атоми сполучені між собою переважно за рахунок неполярних чи малополярних ковалентних зв’язків, як правило, належать до неелектролітів. Іонний тип зв’язку зустрічається рідко, найчастіше в солях органічних кислот, наприклад, в ацетаті натрію.
  4. Органічні сполуки, що містять тільки прості одинарні зв’язки С–С, С–Н, за звичайних умов взаємодіють між собою надзвичайно повільно або не взаємодіють зовсім.
  5. При нагріванні до підвищених температур органічні речовини обвуглюються, а у присутності кисню – згоряють. Це пояснюється невисокою міцністю зв’язків між атомами Карбону.
  6. Органічні сполуки всіх класів утворюють особливі ряди сполук, які називаються гомологиречовини, що мають спільні ознаки в будові молекул та у властивостях; для органічних сполук характерне явище ізомерії.
  7. Будову органічних сполук виражають за допомогою структурних формул. Структурні формулице умовне зображення будови органічної сполуки, в якому кожний ковалентний зв’язок позначається рисочкою. Наприклад, структурна формула пропану С3Н8:

    Однак доцільніше і зручніше користуватися скороченими формулами, що називаються раціональні структурні формули, в яких зазначають тільки зв’язки між атомами Карбону та між Карбоном і гетероатомом (O, N, S і т.і.), а зв’язки між атомами С і Н не показують, а просто приписують символ Гідрогену поруч з символом Карбону, наприклад:

    Для тих органічних сполук, які мають розгалужену будову, інколи допускається така форма запису скороченої структурної формули, при якій бокові ланцюги записуються у дужках після сполученого з ними атома С, наприклад:

    Раціональні структурні формули циклічних сполук зображують багатокутниками із відповідною кількістю кутів. Наприклад, структуру циклобутану С4Н8, замкнутий ланцюг якого містить чотири атома С, показують за допомогою квадрата:

    Структуру бензену прийнято зображувати одним з двох способів:

1.3.1. Поняття про гомологію

Гомологічний ряд – це послідовність подібних за будовою та властивостями речовин, в якій кожний наступний член відрізняється від попереднього на постійну структурну одиницю СН2, яка називається гомологічна різниця.

Генетичною основою гомологічних рядів для більшості класів органічних сполук є гомологічний ряд насичених незамкнутих вуглеводнів – алканів. Загальна формула для алканів – CnH2n+2. Як видно із порівняння їх складу, два найближчі сусідні гомологи дійсно відрізняються один від одного на гомологічну різницю СН2.

Подібним чином органічні сполуки будь-якого класу теж утворюють власні гомологічні ряди, кожний з них має свою загальну формулу. Наприклад, загальна формула для насичених одноатомних спиртів (тобто таких, що містять тільки одну групу ОН) – CnH2n+1OH, для насичених карбонових кислот – CnH2n+1COOH.

1.3.2. Ізомерія

Ізомерія – це явище, при якому декілька сполук – ізомери – мають однаковий склад і однакову молекулярну масу, але відрізняються один від одного будовою молекул, а отже, і своїми фізичними та хімічними властивостями.

Існують різні типи ізомерії, серед яких найбільш поширеними є структурна і просторова.

І Структурна ізомерія зумовлюється різним порядком розміщення окремих атомів чи атомних груп у молекулі. Вона поділяється на певні види:

ІІ Просторова ізомерія, при якій склад і послідовність сполучення атомів в молекулах ізомерів залишаються однаковими, але змінюється просторове розміщення однакових атомів чи атомних груп відносно карбонового ланцюгу. Просторова ізомерія представлена такими видами:

II.1 Геометрична ізомерія (інша назва – π-діастереомерія) зумовлена різним положенням замісників відносно подвійного зв’язку чи малого циклу. Геометричні ізомери, в яких обидва замісники (або продовження карбонового ланцюгу) розташовані по різні боки від подвійного зв’язку чи циклу, називаються транс-ізомерами, а ті, в яких замісники знаходяться з одного боку, – цис-ізомерами, наприклад:

Геометричні ізомери відрізняються фізичними показниками і реакційною здатністю, що пояснюється різним енергетичним станом цис- і транс-ізомерів. Транс-ізомери є стійкішими, оскільки замісники в їх молекулах більш віддалені один від одного. Перехід геометричних ізомерів із однієї форми в іншу можливий тільки при обертанні навколо подвійного зв'язку, для чого необхідно розірвати π-зв'язок, витративши енергію.

II.2 Оптична ізомерія (або стереоізомерія) у свою чергу поділяється на два види: конформаційну і конфігураційну.

а) Конформаційна стереоізомерія пов’язана вільним обертанням груп атомів навколо σ-зв’язків між атомами Карбону в ланцюгу, що зумовлює різне просторове розташування атомів у молекулах ізомерів.

Різні геометричні форми молекули, які можуть перетворюватися одна в одну внаслідок обертання окремих атомів і атомних груп навколо σ-зв’язків С–С, називаються конформації ( від лат. сonformatio – форма, розміщення).

При обертанні навколо σ-зв'язків С–С молекула прагне набути найвигіднішої конформації з найменшою внутрішньою енергією. Варіантів таких конформацій дуже багато, але частіше зустрічаються дві:

б) Конфігураційна стереоізомерія зумовлюється наявністю в молекулі асиметричних атомів Карбону (в структурних формулах він позначається зірочкою: С*). Конфігураційні стереоізомери на відміну від конформаційних не здатні перетворюватися один в одного без розриву хімічних зв’язків (такий перехід може відбуватися тільки внаслідок хімічної реакції).

Асиметричний атом С* – це sp3-гібридизований атом Карбону, сполучений з чотирма різними за складом і будовою замісниками. Асиметричний атом С* має й іншу назву – хіральний центр (від грецького χειρ – рука), яка наголошує на відсутність симетрії відносно лівого і правого боків. Наприклад, хіральним є відображення об’єкту в ідеально плоскому дзеркалі, яке відрізняється від самого об’єкту.

Існує тільки два варіанти тетраедричного розміщення чотирьох замісників навколо sp3-гібридизованого асиметричного атома С*, які складають пару конфігураційних ізомерів – їх звичайно називають оптичні антиподи, або енантіомери. Енантіомери подібно до співвідношення між правою та лівою рукавичками уявляють собою дзеркальні відображення одна одної.

Для умовного зображення асиметричного атома на площині використовують проекційні формули Фішера, які одержують при проектуванні на площину замісників – А, В, С і D, сполучених з асиметричним атомом С*. При цьому керуються певнми правилами.

Енантіомери за звичайних умов не відрізняються між собою ні за фізичними, ні за хімічними властивостями. Їх головною ознакою вважається оптична активність здатність обертати площину поляризації світла, яка вперше була знайдена Луї Пастером. Визначення конфігурації оптичних антиподів проводять експериментально, пропускаючи через розчин оптично активної речовини промінь плоскополяризованого світла і фіксуючи його напрямок і кут відхилення. Лівообертальний енантіомер позначають знаком «–», а правообертальній – знаком «+». Наприклад, якщо один з енантіомерів має, наприклад, кут питомого обертання –20о, то його оптичний антипод – +20о.

Енантіомери (оптичні антиподи, дзеркальні ізомери) – це пара оптично активних ізомерів, які відрізняються конфігурацією асиметричного атома Карбону і мають протилежні за знаком, але однакові за величиною кути обертання площини поляризації світла (при ідентичності всіх інших фізичних і хімічних властивостей, за винятком реакцій з іншими оптично активними речовинами).

Сполуки, до складу яких входять декілька асиметричних атомів Карбону, відрізняються своїми особливостями від вже розглянутих оптично активних речовин – енантіомерів. Такі сполуки правильно називати σ-діастереізомерами, або просто σ-діастереомери (від грецьких diá – через, stereos – об’ємний), однак звичайно символом σ нехтують – його наводять тільки при необхідності розрізнити σ-діастереомери від π-діастереомерів (тобто геометричних ізомерів).

σ-Діастереомери – просторові ізомери, що не належать до оптичних антиподів і містять декілька асиметричних атомів Карбону, для частини з яких конфігурації центрів хіральності співпадають, а для решти асиметричних атомів є протилежними.

Діастереомерними вважаються будь-які комбінації просторових ізомерів, що не складають пару оптичних антиподів – енантіомерів. Деякі діастереомери мають ще й спеціальну назву – епімери.

Епімери – це діастереомери, які відрізняються один від одного конфігурацією тільки одного асиметричного атома Карбону.

Наявність у складі молекули асиметричного атома ще не є достатньою умовою оптичної активності речовини.

Оптично неактивна модифікація речовини, що містить асиметричні атоми і складається з однакових кількостей обох оптичних антиподів, називається рацемат. Інакше кажучи, рацемат – це суміш однакових кількостей оптичних ізомерів, яка поводить себе як індивідуальна хімічна сполука, що позбавлена оптичної активності і відрізняється за фізичними властивостями від кожного з антиподів.

На відміну від енантіомерів, у яких конфігурація відповідних асиметричних центрів є протилежною (антиподною) і які відрізняються між собою тільки оптичними властивостями при повному збігу всіх інших властивостей, σ-діастереомери відрізняються не тільки величиною кута обертання плоскополяризованого світла, але і фізичними та хімічними особливостями, наприклад, температурами кипіння та плавлення, розчинністю, швидкостями перебігу реакцій тощо. До речі, на відмінності властивостей діастереомерів базується метод розщеплення рацематів на окремі оптичні антиподи.

Конфігураційна стереоізомерія найбільш поширена серед сполук природного походження: амінокислот, вуглеводів, алкалоїдів тощо. Наприклад, для складу С6Н12О6, відомо 16 стереоізомерів. В загальному випадку кількість стереізомерів для сполуки визначається за формулою 2n, де n – число асиметричних центрів. Однак дійсна кількість стереізомерів може зменшуватися завдяки частковій симетрії, коли два асиметричних центри мають формально однакові конфігурації.

Стереоізомерія має велике значення в реакціях біологічно активних речовин. З урахуванням того, що діастереомери відрізняються за своїми властивостями, можна зрозуміти, чому енантіомери однаково реагують з симетричними молекулами, але різним чином поводять себе з хіральними молекулами, до яких, наприклад, належать ферменти. Якщо два енантіомери взаємодіють з одним і тим самим хіральним реагентом, то продукти, що утворюються, вже втрачають ознаки оптичних антиподів, а набувають ознак діастереомерів і, як наслідок, відрізняються між собою за енергетичними характеристиками і властивостями.


© 2022 СумДУ
created with Lectur'EDbeta