ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

К шестидесятым годам XIX столетия в органической химии накопился огромный фактический материал, который требовал объяснения. На фоне беспрерывного накопления экспериментальных фактов особенно остро проявлялась недостаточность теоретических представлений органической химии. Теория отставала от практики, от эксперимента. Такое отставание болезненно отражалось на ходе экспериментальных исследований в лабораториях; химики проводили свои исследования в значительной мере наугад, вслепую, зачастую не понимая природы синтезированных ими веществ и сути реакций, которые приводили к их образованию. Так, например, англичанин В. Перкин (старший), синтезировавший в1856 г. краситель мовеин окислением нечистого анилина, совершенно не представлял себе механизма открытой им реакции; к тому же он вовсе не ставил перед собой задачу синтеза красителя, а пытался получить хинин. Оставалась загадочным причина существования изомеров. Органическая химия, по меткому выражению Ф. Вёлера, напоминала дремучий лес, полный чудесных вещей, огромную чащу без выхода, без конца.

Насущные задачи органической химии требовали разрешения основного вопроса: являются ли молекулы беспорядочным нагромождением атомов, удерживаемых силами притяжения, или же молекулы представляют собой частицы с определенным строением, которое можно установить, исследуя свойства вещества .

Новая эпоха в органической химии наступила с возникновением теории химического строения.

1.1 ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М.БУТЛЕРОВА

Необходимым условием для возникновения теории химического строения были создание учения о валентности, разработка понятия о химической (межатомной) связи, установление правильных взглядов на атомы, молекулы, атомные и молекулярные веса. Следствием этого было устранение из химии всех формул, в которых знаки элементов отвечали эквивалентам. Этот процесс нашел свое завершение на Международном конгрессе химиков в 1860 г.

Главная роль в создании обосновании и подтверждении теории химического строения принадлежит русскому ученому Александру Михайловичу Бутлерову, хотя кроме него элементы этой теории начали разрабатывать А. Купер (1831-1892) в Англии и А. Кекуле (1829-1896) в Германии.

В 1858 г. Купер опубликовал статью «О новой химической теории», где он высказывает точку зрения, согласно которой все особенности органических веществ могут быть объяснены, если учитывать только два свойства: связь и валентность атомов.

Купер писал: «С моей точки зрения этих двух свойств достаточно для объяснения всего того, что характерно для органической химии: именно это я докажу ниже... В молекуле, состоящей из трех, четырех, пяти и т. д. атомов углерода и эквивалентного количества водорода, кислорода и др., последние могут быть заменены другими элементами, в то время как углерод образует взаимно-связанный узел. Это означает, что один углерод связан с другим углеродом. Такое свойство придает углероду, так сказать, своеобразную физиономию и дает возможность понять непонятный до этого факт наслоения атомов углерода в органических соединениях».

Придя, таким образом, к важному представлению о цепи углеродных атомов, Купер выражал далее свои взгляды в формулах, которые, по его замыслу, должны дать картину строения соединений. В качестве примера его формул, которые были первыми конституционными формулами, можно привести следующие:

Из этих примеров видно, что Куперу удалось удивительно правильно передать строение этих, а также других более сложных и в то время мало исследованных соединений.

Однако все эти формулы были лишены опытного обоснования. Купер совершенно не ставил вопроса о возможности их экспериментальной проверки. Его формулы были основаны на формальной интерпретации понятий валентности и связи атомов, а отчасти даже на интуиции. Естественно, что при таком подходе невозможно избежать ошибок. Так, например, формулы глицерина и щавелевой кислоты, данные Купером, уже неверны:

Таким образом, взгляды Купера, развитые им в его талантливой, интересной работе, не носили характера строгой теории.

Большой вклад в создание структурной теории внес знаменитый немецкий химик Кекуле. Он установил четырехвалентность углерода, ввел тип метана, предложил известную формулу бензола и, что особенно важно, правильно сформулировал одну из основных задач органической химии того времени.

В статье «О конституции и превращениях химических соединений и о химической природе углерода» в 1858 г. Кекуле писал: «Я считаю, что в настоящее время главной задачей химии не является обнаружение атомных групп, которые, вследствие некоторых своих свойств, могут быть рассматриваемы как радикалы, и причисление соединений к некоторым типам, которые едва ли при этом имеют иное значение, кроме как образца формулы. Напротив, я полагаю, что необходимо распространить размышление и на строение самих радикалов; из природы элементов должна быть выведена как природа радикалов, так и их соединений». Исходным пунктом для этого Кекуле считал валентность, а в отношении органических соединений, прежде всего — природу углерода. Кекуле высказал также ряд других верных мыслей о связи атомов, выражая ее графическими формулами. Однако своим формулам Кекуле не придавал значения формул строения, он стремился выразить ими только реакционную способность. Так, он писал: «Рациональные формулы имеют своей целью дать определенное представление о химической природе соединения, следовательно, о его метаморфозах и отношениях, в которых оно находится к другим телам... При этом, естественно, необходимо иметь в виду, что рациональные формулы - это лишь формулы превращений, а не конституционные формулы, что они являются лишь средством выражения для метаморфоз тел и результатов сравнения различных веществ между собою; что они ни в коем случае не должны выражать конституцию, т. е. расположение атомов в соответствующем соединении».

Установление истинного строения молекул Кекуле также считал задачей химии, но, по его мнению, это может быть достигнуто не путем изучения химических превращений, а только сравнительным исследованием физических свойств соединений.

Как и другие сторонники теории типов, Кекуле изображал вещество несколькими типическими формулами. Так, например, чтобы передать известные тогда химические свойства уксусной кислоты, Кекуле предлагал изображать ее восемью формулами. Таким образом, хотя взгляды Кекуле и были близки к новым структурным воззрениям, хотя Кекуле и внес существенный вклад в развитие теории, он так и не смог полностью освободиться от представлений теории типов.

Основные положения и понятия теории химического строения образуют стройную логическую систему, вне которой немыслима работа современного химика-органика.

В эту систему входят следующие положения:

1. атомы в молекулах соединены друг с другом попарно химическими связями в соответствии с их валентностью;

2. молекулы обладают определенным порядком (или последовательностью) в распределении связей между атомами, т. е. определенным химическим строением;

3. свойства химических соединений зависят от химического строения их молекул; из этого положения следует выводов:

а) изучая свойства веществ, можно составить представление об их химическом строении, а зная химическое строение даже еще не полученных веществ, можно предсказать, какими свойствами они будут обладать;

б) причиной изомерии является различие в химическом строении веществ, имеющих одинаковый состав;

в) формулы химического строения дают представление о свойствах соединений;

4. атомы в молекулах влияют друг на друга, это влияние не одинаково сказывается на свойствах атомов одних тех же элементов, если химическое строение молекул различно.

Рассмотрим теперь каждое из этих положений и понятий подробнее.

 

1.1.1 ПОНЯТИЕ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ

Вводя понятие химического строения, Бутлеров писал: «Исходя от мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы (так во времена Бутлерова определялась валентность), я называю химическим строением распределение действия этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг друга, соединятся в химическую частицу (молекулу)».

Основное значение предложенного Бутлеровым поня­тия о химическом строении заключается в том, что в этом понятии удачно обобщены достижения теоретической хи­мии, выраженные в понятиях атома, молекулы, химиче­ской связи, валентности, и оно явилось опорным элемен­том теории химического строения. Вместе с тем введение понятия химического строения впервые создало реальную возможность для изучения зависимости свойств веществ от строения их молекул.

 

1.1.2 ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ ОТ ИХ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ

До создания теории химического строения боль­шинство химиков считало, что лишь состав и про­странственное расположение атомов в молекулах определяют химические свойства органических соеди­нений. После многих попыток дать заключения о пространственном расположении атомов в молекулах на основании химических свойств веществ ученые пришли к убеждению, что нужно пользоваться фи­зическими методами исследования. Эти методы, однако, находились еще в совершенно недостаточном для до­стижения этой цели развитии. Создался тупик, из которо­го видели один выход: отка­завшись от всяких предположений о строении молекул, изучать только реакционную способность органических соединений и писать формулы, показывающие лишь направления, по которым расщепляются соединения при химических реакциях. Однако отказ от попыток проникнуть в сущность явлений и вскрыть, таким образом, внутренние причины, определяющие свойства вещества, привел к тому, что накапливающийся фактический материал не стал обобщаться теоретически, в результате чего затормозилось развитие органической химии. Но если нельзя в те времена изучать зависимость свойств веществ от пространственного строения молекул, то, как показал Бутлеров, были основания рассчитывать на успех при изучении зависимости свойств веществ от химического строения.

Отсюда очевиден революционный характер высказанного Бутлеровым в 1861 г. положения о том, что «химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением». Иными словами, в более привычной для современного химика формулировке, химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Для простейших соединений химическое строение водится уже из элементного состава веществ и валентности входящих в них элементов. Так, согласно формуле С3Н8 (1.1), зная валентность углерода и водорода и способность атомов первого элемента к цепеобразному соединению друг с другом, мы придем только к одной формуле химического строения:

То же самое можно сказать о метиловом спирте (1.2): в распределение связей между одним атомом углерода, одним атомом кислорода и четырьмя атомами водорода, отвечающее нормальной валентности этих элементов, может быть только одним.

В более сложных случаях для суждения о химическом строении веществ надо уже прибегнуть к изучению хими­ческих реакций.

Заслуга Бутлерова и состоит в том, что он увидел этот путь, призвал химиков идти по нему и сам первый показал пример плодотворного применения новых взглядов. «Возможность судить о химическом строении достаточно доказывается настоящим состоянием наших знаний»,— говорил он в своем докладе 1861 г., подчерки­вая при этом, что все реакции, применяемые химиками в своей практике, могут быть использованы для установ­ления химического строения веществ.

Лучше всего о химическом строении веществ, по мне­нию Бутлерова, можно судить на основании реакции их образования, в особенности если можно следить за ходом постепенного усложнения молекул. Так, например, совер­шенно очевидно химическое строение кислоты (1.5), получен­ной В.В. Марковниковым при взаимодействии цианистого ка­лия с вторичным йодистым пропилом (1.3 ) с последующей об­работкой полученного нитрила (1.4 ) щелочью:

Эта кислота в отличие от кислоты с неразветвленной уг­леродной цепью была названа изомасляной.

Наряду с синтетическими реакциями Бутлеров пред­лагает для установления химического строения пользо­ваться реакциями расщепления и реакциями двойного разложения.

В реакциях двойного, или обменного, разложения пу­тем простого обмена ионами или радикалами из одной пары веществ образуется другая пара. В приведенном примере строение промежуточного соединения - нитрила изомасляной кислоты - как раз и определяется с по­мощью правила протекания реакций двойного разло­жения.

Применение реакций расщепления для установления строения исходного соединения можно пояснить на при­мере установления строения алкилбензолов по методу А. Н. Попова. Он в сотрудничестве с Т. Цинке провел окисление хромовой смесью алкилбензола:

Как нашли Попов и Цинке, расщепление (показано пунк­тиром) происходит так, что образуются бензойная кисло­та и продукт окисления отщепляющегося радикала — изомасляная кислота. Природу этой кислоты установить бы­ло легко, а тем самым и сделать вывод, что строение первоначального продукта отвечает изоамилбензолу (1.6 ).

Говоря о возможности изучать химическое строение с помощью химических реакций, Бутлеров подразумевает, что остатки, на которые распадаются при этом молеку­лы, сохраняют свое строение. Бутлеров почти не входит в подробности относительно этого положения, известного в химической литературе под названием принципа наи­меньшего изменения строения при химических реакциях. Очевидно, он считал его само собой разумеющимся раз­витием понятия о радикале как о составной части ряда соединений. Для суждения о химическом строении по ре­акции расщепления, по мнению Бутлерова, необходимо принять, что происшедшие из исследуемого соединения «простейшие вещества, или остатки (радикалы) их, на­ходились готовыми в разложившейся частице, т. е. при­нять, что способ взаимодействия элементарных паев (атомов), вхо­дящих в эти простейшие тела, остался и после их выде­ления тот же, каков был внутри сложной частицы».

Обычно для определения химического строения веще­ства достаточно лишь немногих реакций из тех, к кото­рым оно способно, знание же его химического строения позволяет предвидеть все остальные химические свойства. Кроме того, зная, с какими особенностями в строении мо­лекул связаны определенные реакции, можно предвидеть свойства еще не полученных веществ. Совершенно очевид­но отсюда все значение учения о зависимости свойств веществ от химического строения их молекул для экспериментальной органической химии; вместе с тем это учение послужило исходным пунктом и для дальнейшего развития самой теории химического строения.

 

1.1.3 ИЗОМЕРИЯ

Химикам давно были известны вещества, обладающие одинаковым составом, но различными свойствами. Такие вещества и получили название изомеров, т. е. состоящих из одинаковых частей. Объяснение причин изомерии было труднейшей задачей, стоявшей перед учеными более 30 лет. Только Бутлерову удалось впервые объяснить это явление. Согласно его теории, химические свойства ве­ществ определяются их составом и строением. Различие в свойствах двух или более органических соединений, имеющих одинаковый состав, должно объясниться разли­чием в их химическом строении. Таково гениально про­стое решение проблемы изомерии, намеченное Бутлеро­вым еще в 1862 г. и развитое в статье «О различных объ­яснениях некоторых случаев изомерии».

До Бутлерова оставались загадочными причины этого явления даже в таких простых случаях, как изомерия хлористого этилена (1.7) и хлористого этилидена (1.8). Формулы, данные Бутлеровым для этих соединений, вскрыли при­чину их изомерии:

На основе работ Бутлерова стал возможен системати­ческий и исчерпывающий вывод структурных формул органических соединений, соответствующих эмпирической формуле. Схема таких выводов, основанная на понятиях химического строения молекул и валентности элементов, была дана Бутлеровым в 1864 г. Применяя эту схему, он пришел к заключению о существовании трех изомерных пентанов (1.9) (Бутлеров употреблял формулы химического строения, в кото­рых фигурные скобки соответствуют черточкам современных формул):

Вывод формул теоретически возможных изомеров по­мог определить строение многих уже известных соединений, а в ряде случаев выявить тождество веществ, счи­тавшихся ранее различными; он облегчил планомерный синтез органических соединений и, что особенно важно, позволил обнаружить факты, противоречащие теории и приведшие к ее дальнейшему развитию.

 

1.1.4 ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ АТОМОВ В МОЛЕКУЛАХ

В изомерах особенно наглядно проявляется зависи­мость химических свойств молекул от их химического строения. Возникает вопрос: почему происходит измене­ние в химических свойствах веществ при изменении их строения, если состав изомеров одинаков? И на этот во­прос впервые дал ответ Бутлеров. Свободные атомы, из которых построены молекулы изомеров, конечно, одина­ковы, но в молекулах под влиянием других атомов (влия­нием, зависящим от химического строения молекул) они способны изменять свое «химическое значение», т. е. по-разному вести себя в химических реакциях.

В разработке мыслей Бутлеров о взаимном влиянии атомов наибольшая заслуга принадлежит его ученику В. В. Марковникову, который высказал интересные со­ображения о сущности этого явления и из рассуждений которого вытекает, что взаимным влиянием атомов обу­словливается инди­видуальные особенности химических связей в молекулах.

Химическое значение атомов какого-либо элемента мо­жет изменяться в зависимости от того, с каким другим элементом он связан непосредственно. Так, например, если сравнивать поведение водорода в соляной кислоте с его свойствами в других соединениях: НI, Н2О, NН3, СН4 и т. д., то видно, что все элементы, с которыми водород связан в этих молекулах, по-своему влияют на его «химическое значение». Аналогично этому хлор, соединенный с уг­леродом в СCl4, трудно вступает в обменные разложения, а хлор, соединенный с водородом в НС1, напротив, вступает в обмен очень легко. Из этих примеров видно, что влияние атомов в молекулах является взаимным.

Атомы оказывают взаимное влияние не только тогда, когда они связаны непосредственно, по и тогда, когда это влияние может также передаваться, постепенно ослабе­вая, вдоль линии связей между атомами, через другие атомы. Бутлеров в качестве примера приводит хлорокись углерода СОСl2: «Здесь О соединен с С, как в СO2, и Сl2 соединен с тем же С; но хлор этот, благодаря влиянию О, гораздо легче вступает в обмен, чем хлор соединений, за­ключающих, кроме него, только С и водород». Мар­ковников приводит пример передачи влияния через не­сколько углеродных атомов. Он пишет, что в «хлористом амиле С1СН3СН2СН2СН2СНз хлор действует сильнее всего на первый с ним непосредственно соединенный атом углерода и два принадлежащих последнему атому водо­рода и слабее всего на последний член, метил, с которым он связан через четыре атома углерода».

С середины 60-х гг. XIX столетия Марковников приступил к систе­матическому собиранию экспериментального материала, относящегося к зависимости «химического значения» ато­мов от химического строения молекул, в состав которых они входят. Результатом его работы явилось открытие закономерностей, касающихся направления некоторых реакций замещения, присоединения и отщепления. Эти закономерности получили название «правил Марковникова». Наиболее широкой известностью пользуется правило о том, что при низкой температуре элементы галогеноводородной кислоты присоединяются к непредельным угле­водородам так, что галоген связывается с менее гидрогенизированным, а водород - с более гидрогенизированным атомом углерода. Это правило является прекрасным ру­ководством в препаративной органической химии. Соглас­но другому правилу в спиртах (или галогенопроизводных) элементы воды (или галогеноводородпых кислот) отщеп­ляются всегда от разных и притом соседних атомов угле­рода. Последний вывод имел теоретическое значение, так как оказал существенную поддержку гипотезе кратных связей в тот момент, когда она оспаривалась, многими химиками.

Марковников впервые показал, что перегруппировки и реакции изомеризации также вызываются взаимным влиянием атомов в перегруппировывающихся и изомеризующихся соединениях. И в этой области были открыты многие закономерности. Так, в 1877 г. А. П. Эльтеков пришел к выводу, что виниловый спирт >СН2 = СНОН и его гомологи не способны существовать в свободном состоянии, поскольку спирт изомеризуется в уксусный альдегид СН3СН=О. а гомологи его - в альдегиды и кетоны. Таким образом, определенные особенности в химическом строении веществ (в рассмотренном примере — наличие в молекулах группы >С = С-OH) приводят к перегруппировкам последних в другие, более устойчивые соединения.

Дальнейшие успехи в развитии учения о взаимном влиянии атомов в молекулах были достигнуты уже на основе электронных представлений ( см. раздел ).

1.1.5 ФОРМУЛЫ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ

В докладе «О химическом строении веществ» (1861г.) Бутлеров высказал мысль о формулах химического строения, которая полностью сохраняет свое значение и в настоящее время. Он говорил, что для каждого соединения возможна лишь одна рациональная формула химического строенияи когда сделаются известными общие законы зависимости химических свойств соединений от их химического строения, то подобная формула будет выражением всех этих свойств. Отсюда глубочайший смысл формул химического строения: они не только схематически показывают распределение связей в молекуле, позволяя, словно по чертежу или модели, строить нужное вещество, они еще говорят о химическом значении каждого атома в молекуле, о химических свойствах молекулы в целом. Формулы химического строения позволяют чрезвычайно удачно, кратко, наглядно выразить самое главное из того, что мы знаем о молекулах: их строение и их реакционную способность, являющуюся функцией строения.

 

1.2 СТРУКТУРНЫЕ ФОРМУЛЫ

Обозначив каждую единицу валентности черточкой, исходящей от химического символа соответствующего атома, а химическую связь - черточкой, соединяющей символы двух атомов, можно получить атом­ные модели, которые при их соответствующей комбинации приводят к молекулярным моделям. Последние называются структурными формулами. Структурные формулы выражают химическое строение, т.е. последовательность связи атомов в молекуле, но не отражают пространственного строения.

Атомные модели для тех состояний элементов (валентных состоя­ний), которые чаще всего встречаются в практике орга­нической химии, приведены в таблице 1.1.

 

 

Важнейшие классические атомные модели

Таблица 1.1

Элементы Модели валентных состояний
Водород
Углерод
Азот
Кислород
Галогены
Кремний
Фосфор
Сера
Металлы

 

Из атомных моделей можно составить всевозможные структурные формулы, соединяя попарно валентные черточки, принадлежащие сим­волам различных элементов. При этом не должно оставаться свободных валентностей.

Чтобы получаемые путем такой комбинации структурные фор­мулы соответствовали реально существующим соединениям, необхо­димо придерживаться еще некоторых дополнительных правил. Во-пер­вых, если составленная структурная формула обладает суммарной зарядностью (алгебраическая сумма зарядов на атомах), отличной от нуля, необходимо добавить противоион (или несколько противоионов) соответствующей зарядности. В качестве таких противоионов могут выступать как известные неорганические ионы (Na+, К+, С1-, SO42- и т. д.), так и органические ионы, составленные из рассматриваемых атомных моделей.

Во-вторых, существуют ограничения при комбинировании символов одного и того же элемента в цепочки. Только для углерода длина такой цепочки может быть сколь угодно большой. В случае же азота предель­ная длина составляет четыре атома, для кислорода и серы — два ато­ма (это относится только к практике органической химии). Длина цепочек из атомов кремния может доходить до шести звень­ев, но для обычной кремнийорганической химии такие цепочки мало существенны. Также невелико значение цепочек, образованных из ато­мов фосфора.

Основу любого органического соединения составляет его углерод­ный скелет. Он может быть либо целостным, либо состоять из несколь­ких изолированных друг от друга частей, связанных посредством ато­мов других элементов (гетероатомов) (1.10):

Все углеродные атомы скелета должны быть четырехвалентны (за исключением редких случаев, когда встречается так называемый двух­валентный углерод). Валентности, не использованные при составлении углеродного скелета, необходимо «насытить» за счет валентностей других атомов так, чтобы не оставалось свободных валентностей. Это проще всего сделать, добавляя соответствующее число атомов водорода (1.11).

Концы углеродного скелета могут оставаться свободными, или же они могут быть связаны друг с другом либо непосредственно, либо через атом (или атомы) какого-либо другого элемента так, что возникает циклическое образование (1.12).

Одна и та же последовательность связей или атомов может быть изображена разными способами. Например, бутан может быть изображен ниже приведенными способами (1.13):

Изучающий органическую химию должен приучить себя с самого начала к аккуратному написанию формул, к правильному расположению ее частей и всей схемы реакции в целом.

Функциональную группу, участвующую в превращениях, обычно пишут справа, основную часть молекулы - слева. Так, например: (СН3)2СНОН и С6Н5СН2СН2ОН более удобно, чем СН3СНОНСН3 и НОСН2СН2С6Н5.

В тех случаях, когда требуется показать отщепление определенных групп или вхождение в реакцию определенного атома, соответствую­щие группы или атомы весьма часто выделяют в формуле и располагают особым образом. Например:

 

Вначале реко­мендуется все группы в формулах соединять черточками. В дальней­шем можно в горизонтальных рядах черточки не применять, в развет­влениях же от горизонтального ряда (вверх и вниз) черточки всегда сохраняются (1.14):

Изопропильный радикал, находящийся на концах формулы, удобно писать „вилочкой" или же располагать всю группу в одной строке (1.15):

Вертикальные соединительные черточки должны соединять в фор­мулах атомы, непосредственно связанные между собой:

 

Для обозначения шестичленных и пятичленных циклов рекомендуется форма соответствую­щего правильного или слегка вытянутого многоугольника (1.16).

При написании формулы надо, как правило, соединять отдельные атомы и группы в порядке их связи в молекуле.

Когда функциональные группы — СООН, —СООСН3 , —SО3Н , —ОН , —ОСН3, —NО2 и т. д. находятся в левой части формулы, следует писать их в обратном порядке НООС—, СН3ООС—, НO3S—, НО—, CH3O—, O2N—, чтобы показать, при помощи каких атомов связаны группы с углеродным скелетом молекулы:

 

От указанного правила отступают лишь в особых случаях. Так, например, группу СН3, С 2Н5 и другие алкилы принято писать в фор­муле слева в том же виде, как и справа (1.17):

Группу —СН2—, входящую в цикл в левой стороне формулы, рекомендуется писать в обратном порядке: Н2С< (1.18).

Обычно структурные формулы записывают более схематично с использованием различных упрощений (1.19).

Весьма важным видом упрощения структурных формул является расположение формулы в одной строке. Замещающие радикалы и функциональные группы рас­полагают в скобках.

После С-атомов пишут Н-атомы, затем алкилы и, наконец, другие группы:

Правильно Неправильно

—СН(СН3)— —С(СН3)Н-

—СН(ОН)— — С(ОН)Н—

-С(СН3)(ОН)- -С(ОН)(СН3)-

Аналогично альдегидную группу следует писать в сокращенном виде —CНО, но не —СОН.

Например, формула может быть написана, как указано ниже (1.20):

    СН3-(СH2)2-СН (ОН)-СН[СН(СН3)2]-СН(С 2 Н 5)-СН2-СН3 или (без черточек): (1.20) СН3(СН2)2СН(ОН)СН[СН(СН3)2]СН(С2Н5)СН2СН3  

 

Очень часто в сокращенных формулах не обозначают все углеродные и водородные атомы. Связи С-С заменяют линиями, причем подразумевают, что атомы углерода располагаются в точках соединения линий и на их концах (1.21). Часто используется полуциклическое расположение атомов в формуле (1.21).

Упрощенные изображения структурных формул рекомендуется приме­нять только после полного овладения умением читать и писать формулы.

Вместо громозд­ких формул бензольного ядра и конденсированных систем, перегруженных знаками (1.23)

в настоящее время пользуются, как правило, упрощенными схемами (1.24).

Упрощенные формулы часто применяют в химии терпенов. Например, строение борнеола (1.25) вместо полной формулы может быть представлена так :

Широко пользуются для часто встре­чающихся групп сокращенными обозначениями. Применение сокращений весьма полезно при составлении конспектов, записей на лекциях.

Общепринятыми сокращенными обозначениями являются: R или Alk для алкила и Аг для арила.

Из других сокращений наиболее употребительны следующие: Ме — метил СН3; Еt — этил С2Н5 (эти обозначения особенно удобны при написании алкиламиногрупп: —NМе2, —NЕt2; Ас — ацетил СН3СО.

Для сокращенного обозначения бензольного ядра, групп С6Н5—, —С6Н4—, были предложены обозначения: Рh. Примеры: РhNO2 вместо C6H5NO2

Структурные формулы, построенные из классических атомных мо­делей, содержат информацию о последовательности атомов в соответ­ствующей молекуле, соединенных ковалентными связями и о кратности этих связей. Следователь­но, каждому индивидуальному органическому соединению соответ­ствует полностью специфическая структурная формула.

Любые более современные способы изображения строения молекул так или иначе сводятся к дополнению классических формул новыми символами или к использованию нескольких классических формул для отражения строения одного и того же соединения, т. е. и в совре­менной органической химии классические структурные формулы ос­таются фундаментальным средством изображения строения молекул.

Для изображения хода химической реакции можно использовать простую схему. В простой схеме с левой стороны изображаются исходные соединения, далее ставится стрелка. Над стрелкой изображаются с помощью принятых сокращений условия реакции. Под стрелкой ставятся побочные продукты. С правой стороны изображаются продукты реакции (а иногда и побочные продукты):

 

1.3 КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

 

В настоящее время известно более 12 миллионов органических соединений и каждый день химики синтезируют все новые и новые соединения. Компасом в этом огромном море органических соединений служит классификация.

С точки зрения систематики структура органических соединений характеризуется двумя важнейшими особенностями: строением углеродного скелета и природой, числом и положением функциональных групп.

Углеродный скелет – последовательность связи атомов углерода друг с другом. Если использовать свободные валентности углерода углеродного скелета для образования связи с атомами водорода, получаются соединения, состоящие только из углерода и водорода – углеводороды. Таким образом, первая классификация органических соединений это классификация углеводородов (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1 Классификация углеводородов.

 

Углеводороды подразделяются на соединения с открытой цепью углеродных атомов ( алифатические, жирные или ациклические) и с замкнутой цепью (циклические).

Алифатические углеводороды бывают с неразветвленным и разветвленным углеродным скелетом. Если все валентности углеродных атомов скелета насыщены атомами водорода, то такие углеводороды являются насыщенными (или предельными). К ним относятся алканы, в которых атомы углерода соединены простыми, ординарными связями. Если не все валентности углеродных атомов скелета насыщены атомами водорода, то такие углеводороды являются ненасыщенными (или непредельными). Ненасыщенными являются олефиновые (алкены, содержащие одну двойную связь) углеводороды. Если в молекуле имеется две двойных связи, имеем алкадиены, если три двойных связи – алкатриены и т.д. К ненасыщенным относятся также ацетиленовые (алкины, содержащие одну тройную связь) углеводороды. Если в молекуле имеется две тройные связи, имеем алкадиины, если три тройных связи – алкатриины и т.д. Возможно нахождение в молекуле одновременно одной двойной и одной тройной связи, такие углеводороды называются алкаенины и т.д..

Циклические углеводороды подразделяются на насыщенные алициклические (циклоалканы) и ненасыщенные (циклоалкены и циклоалкины). Они могут быть моно-, ди- и полициклическими. Особым типом циклических соединений являются ароматические соединения (арены), по количеству ароматических ядер они могут быть моно-, ди- и полиядерными.

Если в циклическую систему, кроме углеродных атомов, входят атомы других элементов

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Измерение частичных разрядов | Процессы, в которых рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, являются замкнутыми и называются круговыми процессами, или циклами.

Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 3821;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.048 сек.