Что значит первичные вторичные третичные и четвертичные атомы углерода
Приложение 1. Первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода. Нормальная и разветвленная углеродная цепь.
В молекулах гомологов метана принято различать первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода в зависимости от числа связей, направленных данным атомом на связь с другими атомами углерода. Первичным называется атом углерода, связанный непосредственно с одним атомом углерода (три оставшиеся валентности направлены на связь с атомами водорода); вторичным – с двумя атомами углерода. Третичный атом углерода связан непосредственно с тремя, а четвертичный – с четырьмя атомами углерода (рис. 1).
Рисунок 1. Структурная формула молекулы 2,2,4-триметилпентана. Первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода обозначены соответственно цифрами I, II, III, IV.
Углеродную цепь относят к нормальной (неразветвленной), если она содержит только первичные и вторичные атомы углерода, например:
Соответствующий углеводород называют алканом нормального строения или просто нормальным алканом.
Если же в углеродной цепи содержатся третичные или четвертичные атомы углерода, то ее называют разветвленной. Алкан с такой цепью называют разветвленным, например:
.
Понятие о первичном, вторичном, третичном и четвертичном углеродных атомах
 |
Понятие о равноценных между собой углеродных атомах
Равноценными между собой называются такие углеродные атомы в одной молекуле, которые связаны с четырьмя соответственно одинаковыми атомами или группами атомов. Примеры:
В этане оба углеродных атома равноценны между собой. В н-бутане первый и четвертый углеродные атомы равноценны между собой, второй и третий углеродные атомы также равноценны между собой.
В изопентане равноценны между собой только 1-й и 2′ углеродные атомы. А четвертый углеродный атом с ними неравноценен (хотя он также имеет три атома водорода), ибо четвертая его валентность насыщена несколько иной группой атомов.
В приведенном здесь изопентане, равноценны между собой только первый и второй углеродные атомы, остальные неравноценны по тем же причинам.
Можно привести множество других примеров.
Одновалентные радикалы предельных углеводородов (алканов)
Алкилы изостроения
Равноценны между собой 1-й, 3-й и 2′ углероды, третичный углерод (2-й) с ними неравноценен.
Следовательно, возможны два алкила:
а) 1 СНз — СН2 — 3 СН2 — 4 СН2 — 5 СНз н-пентан. У пентана равноценные между собой попарно: 1-й и 5-й, 2-й и 4-й, а 3-й углерод с ними неравноценен. Возможны 3 алкила, один нормальный, два изомерного строения: 
Возможен 1 алкил, ибо первичные углеродные атомы равноценны: 
Равноценны между собой только 1-й и 2′. Следовательно, возможны четыре алкила: 
Аналогично могут быть названы одновалентные радикалы других предельных углеводородов.
Рациональная (метановая) номенклатура
Предельных углеводородов
Эта номенклатура применяется для веществ сравнительно простого строения.
1. Если дана формула вещества и необходимо его назвать по рациональной номенклатуре, то составление названия складывается из следующих этапов.
Первый этап. Один атом углерода в молекуле алкана условно принимается за атом углерода метана, то есть за основу; причем выбирают тот углеродный атом, от которого отходят наиболее простые радикалы. Например, в изопентане, приведенном здесь, только третичный атом углерода удовлетворяет этому условию, только от него отходят наиболее простые радикалы:
2. Если дано название по рациональной номенклатуре (например, диметилизопропилметан) и необходимо привести формулу, то сначала пишут атом углерода метана с четырьмя свободными связями:
Затем присоединяют в любом порядке радикалы, приведенные в названии:
Далее, если необходимо, к углеродному атому метана (основы) присоединяют недостающие атомы водорода:
Систематическая (международная) номенклатура
Предельных углеводородов
Эта номенклатура применима к любым соединениям.
1. Рассмотрим отдельные этапы составления названия в конкретном случае, когда дана следующая формула:
Первый этап. В формуле алкана находят наиболее длинную цепь углеродных атомов, которую принимают за основу:
Причем если имеются две возможности выбора основы, как в нашем примере, то выбирают ту основу (1), от которой отходят наиболее простые радикалы.
Второй этап. Нумеруют атомы углерода основы с того конца, к которому ближе радикалы, отходящие от основы:
Третий этап. Перечисляют названия радикалов, связанных с основой, начиная с простых, объединяя одинаковые радикалы словами: ди, три, тетра, пента и т. д. Причем каждый радикал должен иметь одну цифру, показывающую, с каким атомом углерода основы он связан:
Четвертый этап. Приводят название основы. Оно зависит от количества углеродных атомов в основе (пропан, бутан, пентан, гексан и т. д.). Рассматриваемое соединение имеет следующее название:
2. Если дано название по систематической номенклатуре и необходимо написать формулу, то приводят прежде всего углеродный скелет основы. В рассматриваемом выше примере основа имеет шесть атомов углерода:
Далее нумеруют углеродные атомы основы слева направо:
‘С- 2 С- 3 С- 4 С- 5 С- 6 С
затем присоединяют радикалы, приведенные в названии, соответственно цифрам, указывающим их положение.
Наконец углеродные атомы основы насыщают атомами водорода до 4-валентного состояния:
Например, тот же изопентан, который по рациональной (метановой) номенклатуре имел название диметилэтилметан, по систематической номенклатуре имеет название 2 —метилбутан
Рациональная номенклатура: метилэтилизопропилметан. Систематическая номенклатура: 2,3-диметилпентан.
Рациональная номенклатура: триметилизопропилметан. Систематическаяноменклатура: 2,2,3-триметилбутан.
Индивидуальные задания по I теме
1.Назовите по рациональной и систематической номенклатурам следующие углеводороды:
 |
 |
 |
2. Приведите структурные формулы следующих углеводородов и назовите их по систематической номенклатуре:
3. Напишите формулы следующих углеводородов и назовите их по рациональной номенклатуре:
а) 3-метилпентан; б) 2,4-диметилпентан; в) З-метил-3-этилпентан; г) 2,2-диметил-З-этилгексан; д) 2,2,4-триметил-З-этилгексан; е) 2,2,4,4-тетраметилгексан; ж) 2,4-диметил-З-этилпентан; 3) 2,3-диметил-З-этилпентан; и) 2,5-диметил-3,4-диэтилгексан; к) 2,4,5-триметилгексан.
Общие задания по первой теме
1.Приведите формулы всех изомеров гексана и назовите их по рациональной и систематической номенклатурам. Укажите в двух из них равноценные углеродные атомы.
2.Напишите формулы следующих углеводородов и назовите их по систематической номенклатуре: а) пропилизопропил-трет-бутилметан;
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-06; Просмотров: 3457; Нарушение авторского права страницы
Теория строения органических соединений
| Органическая химия – это химия углерода и его соединений с другими элементами. |
В молекулах органических веществ могут присутствовать также атомы: водорода Н, кислорода О, азота N, серы S, фосфора P, галогенов, металлов и других элементов.
Количество известных органических соединений в настоящее время превышает 20 миллионов.
Углерод в органических веществах
Атомы углерода могут соединяться друг с другом с образованием цепей различного строения (разветвленные, неразветвленные, замкнутые) и длины (от двух до сотен тысяч атомов углерода).
В органических веществах углерод имеет валентность IV (образует 4 связи).
В основе современной органической химии лежит теория строения органических соединений.
Основные положения теории строения органических соединений
Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается структурной формулой (формулой строения).
Это приводит к тому, что вещества одного и того же состава могут иметь разное строение, т. е. к появлению изомерии.
| Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав (число атомов каждого типа), но разное взаимное расположение атомов – разное строение. |
| Например, формуле C4H10 соответствуют два изомерных соединения н-бутан с линейным углеродным скелетом и изобутан (2-метилбутан) с разветвленным скелетом | |||
| Например, простейшая формула метана CH4, а вот бензола – СН. |
Истинная формула (брутто-формула) – показывает истинный состав молекулы, но не показывает ее структуру. Истинная формула показывает точное количество атомов каждого элемента в одной молекуле.
| Например, истинная формула бензола C6H6. |
Полная (развернутая) структурная формула однозначно описывает порядок соединения атомов в молекуле.
| Например, полная структурная формула бутана: |
Сокращенная структурная формула – это структурная формула, в которой не указываются связи между углеродом и водородом.
| Например, сокращенная структурная формула бутана: |
Типы углеродных атомов в составе органических молекул
Типы углеродных атомов в составе органических молекул
Атомы углерода
Типы связей в молекулах органических веществ
Одна из характеристик химических связей — тип перекрывания орбиталей атомов в молекуле.
По характеру перекрывания различают σ-(сигма) и π‑(пи) связи.
| σ-Связь — это связь, в которой перекрывание орбиталей происходит вдоль оси, соединяющей ядра атомов. |
σ-Связь может быть образована любыми типами орбиталей (s, p, d, гибридизованными).
σ-Связь — это основная связь в молекуле, которая преимущественно образуется между атомами.
Между двумя атомами возможна только одна σ-связь.
 |  |
 |  |
 |  |
| π-Связь — это связь, в которой перекрывание орбиталей происходит в плоскости, перпендикулярной оси, соединяющей ядра атомов, сверху и снизу от оси связи. |
π-Связь образуется при перекрывании только р- (или d) орбиталей, перпендикулярных линии связи и параллельных друг другу.
π-Связь является дополнительной к σ-связи, она менее прочная и легче разрывается при химических реакциях.
С–С, С–Н, С–О
С=С, С=О
С≡С, С≡N
Гибридизация атомных орбиталей углерода
Электронная формула атома углерода в основном состоянии:
+6С 1s 2 2s 2 2p 2
+6С 1s 
2s 2p 
В возбужденном состоянии: один электрон переходит с 2s-подуровня на 2р-подуровень.
+6С * 1s 2 2s 1 2p 3
+6С * 1s 2 2s 1 
2p 3
Таким образом, в возбужденном состоянии углерод содержит четыре неспаренных электрона, может образовать четыре химические связи и проявляет валентность IV в соединениях.
При образовании четырех химических связей атомом углерода происходит гибридизация атомных орбиталей.
| Гибридизация атомных орбиталей — это выравнивание электронной плотности атомных орбиталей разного типа с образованием новых, молекулярных орбиталей, форма и энергия которых одинаковы. |
Изображение с портала orgchem.ru
| Например, в молекуле метана CH4 атомы водорода располагаются в пространстве в вершинах тетраэдра, центром которого является атом углерода. Валентный угол Н–С–Н в метане равен 109 о 28’ |
Молекулам линейных алканов с большим числом атомов углерода соответствует зигзагообразное расположение атомов углерода.
| Например, пространственное строение н-бутана |
При этом негибридная р-орбиталь располагается перпендикулярно плоскости, в которой расположены три гибридные sp 2 — орбитали.
Изображение с портала orgchem.ru
Модель молекулы этилена:
sp-Гибридизация
В sp-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и одна p-орбиталь. Две p-орбитали не вступают в гибридизацию:
| Две sp-гибридные орбитали атома углерода направлены в пространстве под углом 180 о друг к другу, что соответствует линейному строению. |
Изображение с портала orgchem.ru
При этом две р-орбитали располагаются перпендикулярно друг другу и перпендикулярно линии, на которой расположены гибридные орбитали.
| Например, молекула ацетилена имеет линейное строение. |
Изомерия
Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав (число атомов каждого типа), но разное взаимное расположение атомов – разное строение.
Изомерия – это явление существования веществ с одинаковым составом, но различным строением.
Например, формуле C4H10 соответствуют два изомерных соединения н-бутан с линейным углеродным скелетом и изобутан (2-метилбутан) с разветвленным скелетом:
При этом температура кипения н-бутана –0,5 о С, а изобутана –11,4 о С.
Виды изомерии
Структурные изомеры отличаются друг от друга взаимным расположением атомов в молекуле; стереоизомеры — расположением атомов в пространстве.
Структурная изомерия
Структурные изомеры – соединения с одинаковым составом, но различным порядком связывания атомов, т.е. с различным химическим строением. Молекулярная формула у структурных изомеров одинаковая, а структурная различается.
1. Изомерия углеродного скелета: вещества различаются строением углеродной цепи, которая может быть линейная или разветвленная.
Например, молекулярной формуле С5Н12 соответствуют три изомера:
2. Изомерия положения обусловлена различным положением кратной связи, функциональной группы или заместителя при одинаковом углеродном скелете молекул.
2.2. Изомерия положения кратной связи может быть вызвана различным положением кратной (двойной или тройной) связи в непредельных соединениях. Например, в бутене-1 и бутене-2:
2.3. Межклассовая изомерия – ещё один вид структурной изомерии, когда вещества из разных классов веществ имеют одинаковую общую формулу.
Например, формуле С2Н6О соответствуют: спирт (этанол) и простой эфир (диметиловый эфир):
Пространственная изомерия
Пространственные изомеры – это вещества с одинаковым составом и химическим строением, но с разным пространственным расположением атомов в молекуле. Виды пространственной изомерии – геометрическая (цис—транс) и оптическая изомерия.
1. Геометрическая изомерия (или цис-транс-изомерия)
Геометрическая изомерия характерна для соединений, в которых различается положение заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла.
Например, для алкенов и циклоалканов.
Двойная связь не имеет свободного вращения вокруг своей оси.
Поэтому заместители у атомов углерода при двойной связи могут быть расположены либо по одну сторону от плоскости двойной связи (цис-изомер), либо по разные стороны от плоскости двойной связи (транс-изомер). При этом никаким вращением нельзя получить из цис-изомера транс-изомер, и наоборот.
Например, бутен-2 существует в виде цис— и транс-изомеров
1,2-Диметилпропан также образует цис-транс-изомеры:
Геометрические изомеры различаются по физическим свойствам (температура кипения и плавления, растворимость, дипольный момент и др.). Например, температура кипения цис-бутена-2 составляет 3,73 о С, а транс-бутена-2 0,88 о С.
При этом цис—транс-изомерия характерна для соединений, в которых каждый атом углерода при двойной связи С=С (или в цикле) имеет два различных заместителя.
Например, в молекуле бутена-1 CH2=CH-CH2-CH3 заместители у первого атома углерода при двойной связи (два атома водорода) одинаковые, и цис—транс-изомеры бутен-1 не образует. А вот в молекуле бутена-2 CH3—CH=CH-CH3 заместители у каждого атома углерода при двойной связи разные (атом водорода и метильная группа CH3), поэтому бутен-2 образует цис— и транс-изомеры.
Таким образом, для соединений вида СH2=СHR и СR2=СHR’ цис—транс-изомерия не характерна.
2. Оптическая изомерия
Оптические изомеры – это пространственные изомеры, молекулы которых соотносятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.
Оптическая изомерия свойственна молекулам веществ, имеющих асимметрический атом углерода.
Асимметрический атом углерода — это атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями.
Такие молекулы обладают оптической активностью — способностью к вращению плоскости поляризации света при прохождении поляризованного луча через раствор вещества.
Например, оптические изомеры образует 3-метилгексан:
Классификация органических соединений
Классификацию органических веществ определяют строение углеродной цепи (углеродного скелета) и наличие и особенности строения функциональных групп.
| Углеродный скелет – это последовательность соединенных между собой атомов углерода в органической молекуле. |
| Функциональная группа – это атом или группа атомов, которая определяет принадлежность молекулы к определенному классу органических веществ и химические свойства, соответствующие данному классу веществ. |
Классификация органических веществ по составу
Углеводороды
| Углеводороды– это вещества, состав которых отражается формулой СхНу, то есть в их составе только атомы углерода и водорода. |
В зависимости от типа связей между атомами С, они делятся на предельные или насыщенные (все связи одинарные) и непредельные (ненасыщенные) — в молекуле присутствуют двойные и тройные связи.
Кроме того, углеводороды делятся на циклические (углеродная цепь образует кольцо) и ациклические или алифатические (углеродная цепь не замкнута в кольцо).
| Углеводороды | |||||
| Предельные (содержат только одинарные связи) | Непредельные (содержат двойные или тройные связи между атомами углерода) | ||||
| Алканы | Циклоалканы | Алкены | Алкадиены | Алкины | Ароматические углеводороды |
| Углеводороды с открытой (незамкнутой) углеродной цепью | Атомы углерода соединены в замкнутый цикл | Одна двойная связь | Две двойные связи | Одна тройная связь | Циклические углеводороды с тремя двойными связями (бензольное кольцо) |
| CnH2n+2 | CnH2n | CnH2n | CnH2n-2 | CnH2n-2 | CnH2n-6 |
| Этан CH3-CH3 | Циклобутан | Этилен CH2=CН-СН=СH2 | Ацетилен | ||
| Ациклические углеводороды | ||
| С неразветвленной цепью | С разветвленной углеродной цепью | |
| н-Бутан CH3-CH2-CH2-CH3 | Изобутан
| |
Кислородсодержащие органические вещества
Так как кислород имеет валентность II, он может образовать либо 2 одинарные связи, либо одну двойную. Соответственно, в органической молекуле он соединяется с водородом и углеродом.
| Основные функциональные группы, содержащие кислород: Кислородсодержащие органические вещества | Ацетальдегид | Пропанон | Уксусная кислота | Метилацетат
|
Азотсодержащие органические вещества
Азотсодержащие вещества можно также разделить на классы по наличию определенных функциональных групп.
Некоторые органические вещества содержат и азот, и кислород.
| Азотсодержащие вещества | |||||
| Амины | Нитрилы | Нитросоединения | Амиды | Аминокислоты | Гетероциклы |
| -NH2 CH3-NH2 | Нитрил уксусной кислоты CH3-NO2 | Амид уксусной кислоты CH3-C(NH2)=O | Аминоуксусная кислота
| ||
Другие органические вещества
Органические соединения очень многочисленны и разнообразны.
В состав органических соединений также могут входить несколько одинаковых или различных функциональных групп.
Гомологи. Гомологический ряд
Органические вещества разных классов тесно взаимосвязаны.
Соединения, содержащие одинаковые функциональные свойства, проявляют схожие химические и физические свойства.
| Вещества, которые содержат одинаковые функциональные группы, имеют сходное строение, но отличаются друг от друга на одну или несколько групп –СH2–, образуют гомологический ряд. |
| Гомологи – это вещества, которые входят в один и тот же гомологический ряд. |
Группу –СH2– называют гомологической разностью.
| Например, 2-метилбутан и 2-метилпентан являются гомологами: | |
 |  |
Добавить комментарий Отменить ответ
Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.