Основы органической химии

В молекуле хлороводорода НСl химическая связь уже полярная, так как электронная плотность на атоме хлора (элемента с большей электроотрицательностью) значительно выше, чем на атоме водорода:

 
Ковалентная связь, например Н – Н, может быть образована путем обобществления электронов двух нейтральных атомов:

H · + · H > H – H

или

H • • H

Такой механизм образования связи называется обменным или равноценным.

По другому механизму та же ковалентная связь H – H возникает при обобществлении электронной пары гидрид-иона H катионом водорода Н+:

H+ + (:H)- > H – H

или

H • • H

Катион Н+ в этом случае называют акцептором, а анион Н – донором электронной пары. Механизм образования ковалентной связи при этом будет донорно-акцепторным, или координационным.

Одинарные связи (Н – Н, F – F, Н – CI, Н – N) называются а-связями, они определяют геометрическую форму молекул.

Двойные и тройные связи (   ) содержат одну ?-составляющую и одну или две ?-составляющие; ?-составляющая, являющаяся основной и условно образующаяся первой, всегда прочнее ?-составляющих.

Физическими (реально измеряемыми) характеристиками химической связи являются ее энергия, длина и полярность.

Энергия химической связи (Есв) – это теплота, которая выделяется при образовании данной связи и затрачивается на ее разрыв. Для одних и тех же атомов одинарная связь всегда слабее, чем кратная (двойная, тройная).

Длина химической связи (lсв) – межъядерное расстояние. Для одних и тех же атомов одинарная связь всегда длиннее, чем кратная.

Полярность связи измеряется электрическим дипольным моментом р – произведением реального электрического заряда (на атомах данной связи) на длину диполя (т. е. длину связи). Чем больше дипольный момент, тем выше полярность связи. Реальные электрические заряды на атомах в ковалентной связи всегда меньше по значению, чем степени окисления элементов, но совпадают по знаку; например, для связи H+I—Cl-I реальные заряды равны Н+0'17—Сl-0'17 (двухполюсная частица, или диполь).

Полярность молекул определяется их составом и геометрической формой.

Неполярными (р = O) будут:

а) молекулы простых веществ, так как они содержат только неполярные ковалентные связи;

б) многоатомные молекулы сложных веществ, если их геометрическая форма симметрична.

Например, молекулы СО2, BF3 и СН4 имеют следующие направления равных (по длине) векторов связей:

 
 

При сложении векторов связей их сумма всегда обращается в нуль, и молекулы в целом неполярны, хотя и содержат полярные связи.

Полярными (р > O) будут:

а) двухатомные молекулы сложных веществ, так как они содержат только полярные связи;

б) многоатомные молекулы сложных веществ, если их строение асимметрично, т. е. их геометрическая форма либо незавершенная, либо искаженная, что приводит к появлению суммарного электрического диполя, например у молекул NH3, Н2О, HNО3 и HCN.

Сложные ионы, например NH4+, SO42- и NO3-, не могут быть диполями в принципе, они несут только один (положительный или отрицательный) заряд.

Ионная связь возникает при электростатическом притяжении катионов и анионов почти без обобществления пары электронов, например между К+ и I-. У атома калия – недостаток электронной плотности, у атома иода – избыток. Такую связь считают предельным случаем ковалентной связи, поскольку пара электронов находится практически во владении у аниона. Такая связь наиболее характерна для соединений типичных металлов и неметаллов (CsF, NaBr, CaO, K2S, Li3N) и веществ класса солей (NaNО3, K2SО4, СаСО3). Все эти соединения при комнатных условиях представляют собой кристаллические вещества, которые объединяют общим названием ионные кристаллы(кристаллы, построенные из катионов и анионов).

Известен еще один вид связи, называемой металлической связью, в которой валентные электроны так непрочно удерживаются атомами металлов, что фактически не принадлежат конкретным атомам.

Атомы металлов, оставшиеся без четко принадлежащих им внешних электронов, становятся как бы положительными ионами. Они образуют металлическую кристаллическую решетку. Совокупность обобществленных валентных электронов (электронный газ) удерживает положительные ионы металла вместе и в определенных узлах решетки.

Помимо ионных и металлических кристаллов существуют еще атомные и молекулярные кристаллические вещества, в узлах решеток которых находятся атомы или молекулы соответственно. Примеры: алмаз и графит – кристаллы с атомной решеткой, иод I2 и диоксид углерода СO2 (сухой лед) – кристаллы с молекулярной решеткой.

Химические связи существуют не только внутри молекул веществ, но могут образовываться и между молекулами, например для жидкого HF, воды Н2O и смеси H2O + NH3:

Водородная связь образуется за счет сил электростатического притяжения полярных молекул, содержащих атомы самых электроотрицательных элементов – F, О, N. Например, водородные связи имеются в HF, Н2O и NH3, но их нет в HCl, H2S и РН3.

Водородные связи малоустойчивы и разрываются довольно легко, например при плавлении льда и кипении воды. Однако на разрыв этих связей затрачивается некоторая дополнительная энергия, и поэтому температуры плавления (табл. 5) и кипения веществ с водородными связями

 
 

(например, HF и Н2O) оказываются значительно выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей (например, HCl и H2S соответственно).

Многие органические соединения также образуют водородные связи; важную роль водородная связь играет в биологических процессах.

 

4. Химические свойства  основных классов углеводородов

Углеводороды - это органические соединения, молекулы которых состоят из атомов двух элементов: углерода (углерода) и водорода (водорода). От углеводородов происходят различные классы органических соединений. Углеводороды могут отличаться между собой по строению карбоновой цепи. Благодаря способности атомов углерода образовывать циклы и цепи разных размеров и форм, различные типы химической связи возможно существование огромного количества углеводородов. Углеводороды различных типов отличаются между собой степенью насыщенности их атомами водорода. А потому атомы углерода, образуя цепь, могут связываться между собой с помощью простых (одинарных), двойных или тройных связей. 
Зависимости от химического строения и связанных с этим свойств углеводороды разделяют на группы, или ряды, главными из которых являются насыщенные углеводороды, ненасыщенные углеводороды и ароматические. 
Насыщенными называют углеводороды с открытым (не замкнутым) карбоновой цепью, общая формула которых CnH2n + 2. В этих углеводородов все четыре валентности атома углерода максимально насыщены атомами водорода. Поэтому такие углеводороды называют насыщенными. 
Согласно современной номенклатуры насыщенные углеводороды называют алканами. Молекулы алканов содержат только простые (одинарные) s связи между атомами и вступают только в реакции замещения. Они не обесцвечивают раствор калий перманганата KMnO4, бромную воду, не окисляются растворами кислот и щелочей, не вступают в реакции присоединения. 
Ненасыщенными называют углеводороды с двойными и тройными связями между атомами углерода в молекулах. В этих углеводородов не все валентности атома углерода максимально насыщены атомами водорода. Поэтому такие углеводороды называют ненасыщенными. 
Зависимости от количества и характера кратных связей ненасыщенные углеводороды классифицируют на такие ряды: этилена (алкены) CnH2n, диеновые (диены) CnH2n-2, ацетиленовые (алкины) CnH2n-2. 
Молекулы этиленовых углеводородов содержат один двойной или s, p-связь. Молекулы диеновых углеводородов содержат два двойных связи. А молекулы ацетиленовых углеводородов содержат один тройную связь. 
Для ненасыщенных углеводородов характерны реакции присоединения. Они могут присоединять водород (гидрирования), хлор, бром и т.п. (галогенов), водород галогены HCl, HBr, воду (это реакция гидратации). Также они вступают в реакции полимеризации, обесцвечивают раствор калий перманганата, бромную воду, окисляются растворами кислот и щелочей. 
Ароматическими называют углеводороды циклической (замкнутой) строения, общая формула которых CnH2n-6. В молекулах ароматических углеводородов нет простых и двойных связей. Электронная плотность распределена равномерно, а потому все связи между атомами углерода в молекуле уровне. Точно это отражает структурная формула в виде правильного шестиугольника с кругом внутри. Это формула простейшего представителя класса аренов (ароматических углеводородов) бензола:  
Для ароматических углеводородов характерны и реакции замещения, и реакции присоединения.

5.Полимеры и олигомеры

 

Полимеры - высокомолекулярные соединения (ВМС), с молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Олигомеры занимают промежуточное положение между низкомолекулярными соединениями и ВМС, молекулы их содержат 2 или несколько структурных звеньев.

Полимеры получают реакциями полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация - реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). В качестве мономеров используются соединения с кратными связями: С = С, С = О, С = С = С, С = N или с циклическими группами, способными раскрываться. В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул.

1. n CH2 = CH2 + n CH2 = CH2 → (- CH2 - CH2 - CH2 - CH2 -)n  
                      этилен                                       полиэтилен

2. n CH2 = CH - C6H5 →    
    
                      стирол                        полистирол

3. H2C = CH - CH = CH2 → ( - CH2 - CH = CH - CH2 - )n 
             бутадиен                     бутадиеновый каучук

По числу видов участвующих мономеров различают гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и и более видов мономеров).

nСН2 = СН - СН = СН2 + nСН2 = СН - С6Н5 → ( - СН2 - СН = СН - СН2 - СН2 - СН - С6Н5)n

Поликонденсация - реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две и более функциональные группы, сопровождающаяся образованием низкомолекулярных продуктов (Н2О, NH3, HCl, CH2O). Например, поликонденсация фенола с формальдегидом с образованием фенолформальдегидных смол.

Методом поликонденсации получают ~1/4 часть выпускаемых полимеров, например, капрон (связи - NH - CO -), найлон ( - NH - (CH2)6 - NH - CO - (CН2)4 - CO - )n, полисилоксаны 

Полимер - вещество с очень высокой молекулярной массой, молекула которого состоит из большого числа повторяющихся группировок, имеющих одинаковое строение. Эти группировки называют структурными единицами или элементарными звеньями. Например, у полиэтилена - ( - СН2 - СН2 - ). Число элементарных звеньев, повторяющихся в макромолекуле, называется степенью полимеризации. Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми.

Сетчатые полимеры образуются в результате сшивки цепей при вулканизации. Форма макромолекул влияет на структуру и свойства полимеров. Для линейных и разветвленных полимеров характерно высокоэластичное состояние. Они также обладают термопластическими свойствами, т.е. способны размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. При образовании сетчатой структуры термопластичность теряется.

Большинство полимеров обычно находятся в аморфном состоянии (стеклообразном). Однако, некоторые полимеры в определенных условиях могут иметь кристаллическую структуру.

Химические свойства полимеров зависят от состава, молекулярной массы и структуры. Наличие у макромолекул двойных связей и функциональных групп обусловливает повышение реакционной способности полимеров. Например, вулканизация каучука - сшивание макромолекул поперечными связями.

При вулканизации происходит взаимодействие каучука с вулканизирующим агентом, обычно с серой, с образованием резины (0,5-5% серы) или эбонита (20% и более серы).

К реакциям взаимодействия функциональных групп с низкомолекулярными веществами относятся галогенирование, гидратация и т.д. полиолефинов. Например,

Полимеры могут подвергаться деструкции, т.е. разрушению под действием кислорода, света, тепла, радиации и др. В результате деструкции изменяются химические и физические свойства полимеров, в конце концов, полимеры становятся непригодными для дальнейшего применения. Процесс ухудшения свойств полимеров во времени в результате деструкции макромолекул называют старением полимеров. Для замедления деструкции в состав полимеров вводят стабилизаторы, чаще всего антиоксиданты, т.е. вещества, замедляющие реакции окисления (ароматические амины, фенолы и др.).

Механические свойства определяются элементным составом, молекулярной массой, структурой и физическим состоянием макромолекул. Особенности - высокоэластическое состояние в определенных условиях, механическое стеклование. С увеличением молекулярной массы возрастает механическая прочность полимеров.

В зависимости от степени полимеризации физические свойства полимеров могут быть различными. Так, полиэтилен с короткими цепями (n = 20) является жидкостью, обладающей смазочными свойствами, с n = 1500 - 2000 - твердый, но гибкий пластический материал (получают бутылки, посуду, пленки), с n = 5 - 6 тыс. - твердое вещество, из которого изготавливают жесткие трубы, литые изделия и т.д.

Материалы, получаемые на основе полимеров, - волокна (полиамид), пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиты: основа - полимер, синтетическая смола, армированные металлом, стекловолокном или другими наполнителями. Композиты на основе полимеров используются как конструкционные, электро- и теплоизоляционные, коррозионностойкие материалы в автомобильной, станкостроительной, авиационной, горнорудной промышленности, строительстве и химическом машиностроении. Большинство полимеров - диэлектрики. Полимерные диэлектрики широко применяются в электротехнике и радиотехнике как материалы различных электротехнических изделий, защитных покрытий, кабелей, проводов, изоляционных эмалей и лаков.