Файл: Пальм, В. А. Введение в теоретическую органическую химию учеб. пособие.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 107

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

1)валентность одного и того же элемента может варьировать в пре­ делах нескольких, отличных друг от друга, целочисленных значений;

2)на образование связи между двумя атомами каждым из них может быть израсходовано две или три единицы валентности, в резуль­ тате чего наряду с обычными однократными связями могут существо­ вать двойные и тройные,

А. М. Бутлеровым было введено и экспериментально проверено положение о равноценности всех четырех валентностей углерода. Равно­ ценны также валентности одинаковой кратности для любой из приве­ денных ниже моделей валентных состояний атомов.

Концепция о целочисленности связей включает в себя также представление о возможности только целочисленных (в единицах эле­ ментарного заряда) электрических зарядов, каждый из которых локализован на строго определенном атоме.

Обозначив каждую,единицу валентности черточкой, исходящей от химического символа соответствующего атома, а химическую связь — черточкой, соединяющей символы двух атомов, можно получить атом­ ные модели, которые при их соответствующей комбинации приводят к молекулярным моделям. Последние обычно называются структурными формулами.

Атомные модели для тех состояний элементов (валентных состоя­ ний), которые чаще всего встречаются в практике элементарной орга­ нической химии, приведены в табл. 1.

Элементы

Водород

Углерод

Азот

Кислород Галогены

Кремний

Фосфор

Сера .

Металлы

Т а б л и ц а 1

Важнейшие классические атомные модели

Модели валентных состояний

— н

1

1

1 о

 

 

1 п J

1 п JI

 

 

—

 

 

 

 

1

 

 

1 +

+

— N — , — N = , N = ,

1

 

 

 

 

 

 

1 О J

II О

1 +

 

 

- О — , = 0 - ,

 

— F, -

Cl, — Вг,

— I

 

 

 

1

 

 

 

 

— Si —

 

 

 

 

I

 

-

1

 

\ /

1

— Р — , = р — ,

|

|

 

 

 

 

 

1

1

1 +

—S — , — s =

|

— Mg— , — Zn — , - -Hg — , — Na,

1 -

1 +

|

|

+1 -

—0

1 +

|

- -К и т. д.

9

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

Чтобы получаемые путем такой комбинаторики структурные фор­ мулы соответствовали реально существующим соединениям, необхо­ димо придерживаться еще некоторых дополнительных правил. Во-пер­ вых, 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 +, Cl- , SOI- 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 предель­ ная длина составляет четыре атома, для кислорода и серы — два ато­ ма *. Длина цепочек из атомов кремния может доходить до шести звень­ ев, но для обычной кремнийорганической химии такие цепочки мало существенны. Также невелико значение цепочек, образованных из ато­ мов фосфора.

Структурные формулы, построенные из классических атомных мо­ делей, содержат информацию о последовательности атомов в соответ­ ствующей молекуле, соединенных ковалентными связями, о кратности этих связей в целочисленном приближении и о пространственных кон­ фигурациях, обусловливающих геометрическую изомерию. Представ­ ленные в виде пространственных проекционных формул, они позволяют передавать информацию о стереоизомерии любого типа. Следователь­ но, каждому индивидуальному органическому соединению соответ­ ствует 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 совре­ менной органической химии классические структурные формулы ос­ таются фундаментальным средством изображения строения молекул.

2. ОТРАЖЕНИЕ ГЛАВНЫХ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КЛАССИЧЕСКИМИ СТРУКТУРНЫМИ ФОРМУЛАМИ

Основу любого органического соединения составляет его углерод­ ный скелет. Он может быть либо целостным, либо состоять из несколь­ ких изолированных друг от друга частей, связанных посредством ато­ мов других элементов (гетероатомов):

*Это относится к обычной практике органической химии. Для серы существуют

иболее длинные цепочки, например в политионовых кислотах. В озоне имеется це­ почка из трех атомов кислорода.

10

-С—С—С = С—С-

-С—С—О —С—С—N-

I I

I

I I

I I

—с —

 

 

углеродный скелет,

 

 

состоящим из изолированных

целостный углеродный

 

фрагментов

 

скелет

 

 

Все углеродные, атомы скелета должны быть четырехвалентны (за исключением редких случаев, когда встречается так называемый двух­ валентный 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

 

н

н

н

н

н

 

 

1

1

 

1

1

 

 

 

1

 

1

1

 

н —с1— - С1- • d = с - - с — н

 

1

1

 

 

1

 

 

н н - с1- - н

 

н

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

н

 

 

 

 

н

н

н

н

н

н

н

1

1

t

1

1

1

1

1

!

1

1

1

1

1

Н —С—С—О - с - - с -

- с - — N —С'

1

1

1

1

1

 

1

1

1

1

1

1

 

н

н

н

н

н

 

н

однако возможны самые различные варианты.

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

\ /

\ / с\ /

/| V >9 < и т. д.

—С— с — >

■\

При написании структурных формул следует помнить об идентич­ ности валентностей одинаковой кратности одного и того же атома и иметь в виду, что индивидуальность молекулы, не содержащей двойных связей, определяется только последовательностью атомов. Фактиче­ ский смысл этого заключается в том, что допустимо относительное вращение двух частей молекулы, связанных одиночной связью, без нарушения химической индивидуальности соответствующего соедине­ ния. Кроме того, одна и та же последовательность связей или атомов может быть изображена разными способами. Приведем несколько при­ меров разной записи структурной формулы для одного и того же сое­ динения:

11

а)

метанол

 

 

 

 

 

 

 

 

н

 

о—н

 

н

 

н н

 

Н - С — О - Н Н - С - Н

Н - О - С — Н Н - С - 0

И т. д.

 

I

 

I

 

 

I

 

I

 

 

н

 

н

 

 

н

 

н

 

б)

бутан

 

 

 

 

 

 

 

 

н

н

н н н

н

н

 

 

 

I

I

„ I

I

I

;

I

 

 

Н - С

с—н

Н—С—С—С—С—н

Н — с — н н

 

 

I

I

1

1

1 1

н

I

I

Ит. д.

 

Н Н - С - Н

н

н н

н — с ------ С— н

 

Н — С— н

 

 

 

 

I

I

 

 

 

 

 

 

Н Н — С— н

 

 

 

I

 

 

 

 

 

н

 

 

 

н

 

 

 

 

 

 

в) изобутиламин

 

 

н

 

н

 

 

 

 

1

 

Н-С- н н н

 

н н—с—н н

н\

1

1

1

 

1

1

с

с н

н с

>N

С

г

■N—H

н/

|

1

1

1

1

 

 

н

н

н

Н - С1- н н

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

н

 

 

н

н

н

 

ТГ г1

1

1

п. —L.----- v_--- —С-

-Н

1

I

1

 

нн- с - НN- H

 

1

1

 

 

н

н

 

И т. д.

Обычно структурные формулы записываются более схематично с использованием различных упрощений, например

СН3СН2СН2СН2С(СН3)3 или СН3(СН2)3С(СНз)д

вместо

Н

н н н нн—d—нн Н—с—С—с—с----с -с—н

н н н нн—I:—нн

I

н

н н н н

C2H6- N H - C H 3 Еместо н—с—с—N—с—н

н н н

12

Смотрите также файлы