Введение в органическую химию: теория химического строения А.М. Бутлерова и гибридизация

В 1861 году великий русский химик Александр Михайлович Бутлеров сформулировал научный фундамент органической химии — теорию химического строения:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в строгой последовательности согласно их валентности. Углерод в органических соединениях ВСЕГДА четырехвалентен (IV).

2. Свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, но и порядком соединения атомов в молекуле (химическим строением).

3. Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга, определяя реакционную способность.

4. Строение молекулы может быть установлено путем изучения ее химических превращений, и наоборот — по строению можно предсказать свойства соединения.

В 1931 году Лайнус Полинг разработал теорию гибридизации для объяснения геометрической формы и эквивалентности связей углерода:

1. sp³-гибридизация (одинарные связи, алканы):

Смешиваются одна 2s- и три 2p-орбитали. Образуются 4 эквивалентные sp³-гибридные орбитали, направленные к вершинам правильного тетраэдра с валентным углом 109°28' (длина связи C–C 0.154 нм). Молекула метана CH₄ — правильный тетраэдр.

2. sp²-гибридизация (двойная связь, алкены):

Смешиваются одна 2s- и две 2p-орбитали. Три sp²-орбитали лежат в одной плоскости под углом 120° (образуют прочные σ-связи). Негибридизованная 2pz-орбиталь перпендикулярна плоскости и образует боковым перекрыванием π-связь (длина C=C 0.134 нм).

3. sp-гибридизация (тройная связь, алкины):

Смешиваются одна 2s- и одна 2p-орбиталь. Две sp-орбитали направлены линейно под углом 180° (линейное строение, длина C≡C 0.120 нм). Две негибридные p-орбитали образуют две взаимно перпендикулярные π-связи.

Изомерия делится на два фундаментальных класса:

1. Структурная изомерия (различный порядок связывания атомов):

• Изомерия углеродного скелета: бутан и 2-метилпропан (изобутан);

• Изомерия положения кратной связи или функциональной группы: бутен-1 и бутен-2; пропанол-1 и пропанол-2;

• Межклассовая изомерия: этанол C₂H₅OH (спирт) и диметиловый эфир CH₃-O-CH₃ (простой эфир) — формула C₂H₆O; алкены и циклоалканы (CnH2n); алкины и алкадиены (CnH2n-2).

2. Пространственная изомерия (стереоизомерия — одинаковый порядок связей, но различное расположение в пространстве):

• Геометрическая (цис-/транс-изомерия) вокруг двойной связи C=C из-за невозможности свободного вращения: цис-бутен-2 (группы -CH₃ по одну сторону плоскости π-связи) и транс-бутен-2 (по разные стороны);

• Оптическая (зеркальная, энантиомерия): возникает при наличии асимметричного атома углерода C* (хирального центра), связанного с четырьмя различными заместителями (D- и L-аминокислоты, молочная кислота).

Систематическое наименование молекулы:

Типовые ловушки ЕНТ по изомерии:

1. Пары межклассовых изомеров:

• Алкадиены и алкины (C_n H_{2n-2}): бутадиен-1,3 и бутин-1 (C₄H₆);

• Алкены и циклоалканы (C_n H_{2n}): пропен и циклопропан (C₃H₆);

• Одноатомные спирты и простые эфиры (C_n H_{2n+2}O): этанол C₂H₅OH и диметиловый эфир CH₃-O-CH₃;

• Альдегиды и кетоны (C_n H_{2n}O): пропаналь CH₃CH₂CHO и ацетон CH₃COCH₃;

• Карбоновые кислоты и сложные эфиры (C_n H_{2n}O₂): уксусная кислота CH₃COOH и метилформиат HCOOCH₃!

2. Асимметричный атом углерода (хиральный центр C*):

Атом углерода в sp³-гибридизации, связанный с 4 РАЗЛИЧНЫМИ заместителями, обладает оптической активностью (зеркальные изомеры, энантиомеры).