В.В. Еремин, А.Я. Борщевский - Основы общей и физической химии (1113479), страница 43
Текст из файла (страница 43)
ИК-спектр соединения СвНвО Ф м 3 и о Спирты, простые эфиры, карбоновые кислоты Карбоновые кислоты, сложные эфиры Спирты, фенолы, с водородной связью Длина волны,мкм 6 7 8 9 !О 12 !4 р 8.!. Предмет и значение органической химии 216 100 и' 80 60 й о ы ко 40 20 К 0 40 80 120 160 200 т/г Рнс. 8.3. Масс-спектр органического вещества состава СмНюО Пики 51 и 77 характерны для ароматических соединений и соответствуют углеводородным фрагментам С4Нз и СвНз. Пик 105 (= 77+28) — это фрагмент СвНзСО. Других интенсивных пиков в спектре нет.
Отсюда можно сделать вывод, что в молекуле есть только бензольные кольца н карбоннльная группа СО. Структурная формула вещества: ( ) — с — (' ) Напряженность магнитного поля Рис. 8.4. Расщепление уровней энергии ядра со спинам ! = 1!2 в постоянном магнитном поле Это — дифенилкетон, или бензофенон. Самый популярный метод установления структуры — спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Она основана на том, что в ядрах атомов, обладающих ненулевым спнном ('Н, зьг, 'зС, юй(, 110, з1 Р и др.), под действием постоянного магнитного поля происходит расщепление ядерных уровней энергии, которое зависит не только от напряженности магнитного поля (рис.
8.4), но и от того, какие атомы окружают данное ядро. Величину это- О. го расщепления определяют по частоте резонансного поглощения. Поместив образец вещества в магнитное поле н измерив сдвиг уровней энергии, можно определить окружение каждого магнитного ядра и тем самым установить строение молекулы. Чем выше напряженность постоянного магнитного поля, тем лучше разрешение метода и тем более тонкие детали структуры можно определить. В органической химии чаще всего используют ЯМР спектроскопию на ядрах 'Н и 'зС. Существуют и многие другие физические методы исследования органических веществ. Современное состояние этой области химии позволяет определять с хорошей точностью структуру любых, даже очень сложных органических веществ не только в газовой фазе, но и в конденсированном состоянии, а также в раство- 2!6 Гл.
о Огягвяьн полятлия оргонпяегкоо зилов рэх. Более зого, иснользуи снектроскоги ескнг мезодь, с разреюениеы но времени, можно слели|ь за 1зрозеканиеы многих органиьеских реакциЙ в реальном времени Э8.2. Классификация органических веществ 217 Поэтому несколько десятилетий назад химики задались вопросом: «Синтезировать можно все, что угодно, но что именно нужно синтезировать?» Основная задача современной органической химии — поиск и синтез полезных веществ, в том числе веществ с заранее заданными свойствами — лекарственных препаратов, катализаторов, материалов для электроники. В современной жизни научные аспекты органической химии диктуются практическими потребностями общества.
5 8.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Причины многообразия органических соединений. Самая характерная черта органической химии — колоссальное многообразие органических соединений. Даже комбинация всего двух элементов — углерода и водорода дает огромное число углеводородов, среди которых такие разные по свойствам вещества, как метан, ацетилен, бензол, нафталин, полиэтилен. Добавление же других элементов, в первую очередь, азота и кислорода, делает число возможных соединений невероятно большим.
Во второй половине Х1Х в. великий немецкий химик А.Ф. Кекуле (1829-1896) установил, что в основе каждой органической молекулы лежит углеродный скелет, который представляет собой цепочку из химически связанных между собой атомов углерода. Длина углеродного скелета может быть очень большой — до сотен тысяч атомов. Атомы других элементов — серы, азота, кремния — тоже могут образовывать цепочки, однако их длина не превышает десятка атомов.
Почему же углерод так резко отличается от остальных элементов? Для ответа на этот вопрос сравним прочность гомоядерных связей (т.е. связей между одинаковыми атомами) у различных элементов (табл. 8.2). Таблица 8.2. Энергии гомоядерных связей (кДж/моль) Из таблицы очевидно, что атомы углерода образуют между собой наиболее прочные связи по сравнению с другими элементами. Именно поэтому углеродные цепочки очень устойчивы, а цепочки, составленные из атомов других элементов, — нет. Благодаря особой прочности связей «углерод-углерод» углеродный скелет молекул остается неизменным во многих химических реакциях. Углеродные скелеты бывают двух типов — замкнутые, или циклические, в которых углеродная цепь замкнута в цикл, и открытие, или ацикличвскив, в которых углеродная цепь не замкнута и нет циклов: С С С ! ! С С С С вЂ” С вЂ” С вЂ” С вЂ” С вЂ” С ациклический углеродный скелет циклический углеродный скелет В этой и последующих таблицах приведены значения, усредненные по большому числу органических соединений.
218 Гл. 8. Основные понятия органической ламии Кроме углерода, в циклический скелет могут входить атомы других элементов. Та- кие скелеты называют геглероциклическими в отличие от чисто углеродных ске- летов, которые именуют карбоциклнческими: С С 0 О С вЂ” С 1 С С й) гетероциклнческне скелеты Таким образом, главная причина многообразия органических молекул — способность атома углерода образовывать длинные цепочки благодаря высокой прочности химических связей «углерод-углерод». Другая причина состоит в том, что атомы углерода могут образовать между собой и с другими атомами разные виды связей: одинарные, двойпыс и тройныез: За счет этого в несколько раз увеличивается число возможных органических ве- ществ с одним и тем же углеродным скелетом.
Энергия связи между атомами заметно растет при увеличении кратности (табл. 8.3). Таблица 8.3. Энергии связей «углерод-углерод» (кДж/моль) Таблица 8.4. Энергии связей «углерод †немета» (кДж/моль) Наконец, последняя причина состоит в том, что атомы углерода образуют очень прочные связи не только между собой, но и с атомами других элементов — как неметаллов, так и металлов (табл. 8.4).
Химические свойства органических веществ определяются не столько строением углеродного скелета, сколько видом з В ароматических соединениях реализуется особый тип связи — промежуточный между одинарной н двойной. Иногда эту связь так н называют «ароматнческой». Ее средняя энергия составляет 518 кДж/моль. Наличие двойных или тройных связей во многом определяет химические свойства веществ, поэтому существует классификация органических соединений по кратности связи: соединения, содержащие только одинарные связи С вЂ” С, называют насыщенными, или предельными; соединения со связями С=С или С=С называют ненасьлщенными, или непредельными.
Это название связано с тем, что соединения с одинарными связями содержат максимально возможное, предельное число атомов водорода. Э 8.2. Классификация органических веществ 219 Таблица 8.8. Классификация органических соединений по функциональным группам Функциональная группа Название группы Класс Примеры соединений Непредельные углеводороды: алкены алкины >С=с< — С: — С— Снг — СНЗ, Снзсн=снг нс=сн, сн с=сн двойная связь тройная связь — Г,— С!,— Вг,— 1 Галогенпронзводные СНзВг, СЗНзС1 галоген — ОН Спирты СНзОН, СЗНзОН гидроксил >С=О СН»СН вЂ” О, СН»СОСНз Альдегиды, кетоны карбоннл — СООН НСООН СН»СООН Карбоновые кислоты карбокснл Амины Снзннг, Сгнзннг аминогруппа В первой строчке приведены два класса непредельных углеводородов, т.е.
углеводородов, молекулы которых содержат двойную или тройную связь. Химические свойства непредельных углеводородов сильно отличаются от свойств предельных углеводородов, поэтому двойную и тройную связь рассматривают как функциональные группы. В предпоследней строчке приведена карбоксильная группа СООН, входящая в молекулы карбоновых кислот. Формально она представляет собой сумму двух других групп — карбоксильной СО и гидроксильной ОН, но на самом деле ее свойства атомов, которые с ним связаны.
Простейшие органические соединения — углеводороды — содержат, кроме углерода, только атомы водорода, а в более сложных молекулах скелет связан с атомами и других элементов или группами атомов. Классы органических соединений. Среди огромного количества органических веществ многие очень похожи друг на друга по свойствам. Так, основные компоненты природного газа — метан, этан, пропан, бутан не растворяются в воде, сгорают в кислороде, реагируют с хлором на свету, но не реагируют с ним в темноте. Все низшие спирты — метиловый, этиловый и пропиловый — неограниченно смешиваются с водой, реагируют с натрием и карбоновыми кислотами, при нагревании с концентрированной серной кислотой отщепляют воду.
Таких примеров в органической химии множество. Похожие по химическим свойствам вещества объединяют в классы и рассматривают свойства класса в целом вместо того, чтобы изучать свойства отдельных веществ. Молекулы органических веществ, как правило, достаточно большие, поэтому в химические реакции вступает обычно не вся молекула, а лишь некоторый ее фрагмент, или активный центр.
Для того, чтобы выделить те части молекул, которые вступают в реакции, и те, которые остаются неизменными, ввели понятия «углеродный скелет» и «функциональная группа».Функциональная группа — это атом или группа атомов, которая определяет характерные химические свойства (функции) вещества и его принадлежность к определенному классу органических соединений. Функциональные группы — это активные центры органических молекул.
Именно они чаще всего испытывают химические превращения.Функциональных групп в органической химии очень много, поэтому мы перечислим только те из них, которые будем изучать в нашем курсе (табл. 8.5). 220 Ги 8. Основные понятия органической химии не складываются из свойств этих двух групп. Здесь проявляется взаимное влияние атомов в молекуле, которое связано с электронными эффектами (см. $ 8.4). Функциональные группы определяют не только принадлежность к определенному классу, но и названия органических веществ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
