Nature chimique composés organiques, les propriétés qui les distinguent des composés inorganiques, ainsi que leur diversité, ont été expliquées dans la théorie de la structure chimique formulée par Butlerov en 1861 (voir § 38).

Selon cette théorie, les propriétés des composés sont déterminées par leur composition qualitative et quantitative, leur structure chimique, c'est-à-dire l'ordre séquentiel de connexion entre les atomes qui forment la molécule, et leur influence mutuelle. La théorie de la structure des composés organiques, développée et complétée par les dernières vues dans le domaine de la chimie et de la physique des atomes et des molécules, en particulier des idées sur la structure spatiale des molécules, la nature des liaisons chimiques et la nature de l'influence mutuelle des atomes, forme la base théorique de la chimie organique.

Dans la théorie moderne de la structure des composés organiques, les principales dispositions sont les suivantes.

1. Toutes les caractéristiques des composés organiques sont déterminées principalement par les propriétés de l'élément carbone.

Conformément à la place que le carbone occupe dans le système périodique, il y a quatre électrons dans la couche d'électrons externe de son atome (-shell). Il ne montre pas de tendance prononcée à donner ou à ajouter des électrons, à cet égard il occupe une position intermédiaire entre les métaux et les non-métaux et se caractérise par une capacité prononcée à former des liaisons covalentes. La structure de la couche électronique externe de l'atome de carbone peut être représentée par les schémas suivants :

Un atome de carbone excité peut participer à la formation de quatre liaisons covalentes. Ainsi, dans la grande majorité de ses composés, le carbone présente une covalence égale à quatre.

Ainsi, le composé organique le plus simple, le méthane d'hydrocarbure, a une composition. Sa structure peut être représentée par la structure (a) ou les formules structurelles électroniques (ou électroniques) (b) :

La formule électronique montre que l'atome de carbone dans la molécule de méthane a une enveloppe externe stable à huit électrons (octet d'électrons) et que les atomes d'hydrogène ont une enveloppe stable à deux électrons (doublet d'électrons).

Les quatre liaisons covalentes du carbone dans le méthane (et dans d'autres composés similaires) sont équivalentes et dirigées symétriquement dans l'espace. L'atome de carbone est situé, pour ainsi dire, au centre du tétraèdre (pyramide tétraédrique régulière) et les quatre atomes qui lui sont connectés (dans le cas du méthane, quatre atomes se trouvent aux sommets du tétraèdre (Fig. 120) Les angles entre les directions de n'importe quelle paire de liaisons (angles de valence du carbone) sont les mêmes et s'élèvent à 109° 28".

Cela s'explique par le fait que dans l'atome de carbone, lorsqu'il forme des liaisons covalentes avec quatre autres atomes, à partir d'une orbitale s et de trois orbitales p, à la suite de l'hybridation, quatre orbitales hybrides situées symétriquement dans l'espace se forment, allongée vers les sommets du tétraèdre.

Riz. 120. Modèle tétraédrique de la molécule de méthane.

Riz. 121. Schéma de formation des liaisons - dans une molécule de méthane.

En raison du chevauchement - nuages ​​d'électrons hybrides de carbone avec des nuages ​​d'électrons d'autres atomes (dans le méthane avec des nuages ​​sphériques - électrons d'atomes d'hydrogène), quatre liaisons covalentes dirigées de manière tétraédrique se forment (Fig. 121; voir aussi p. 131).

La structure tétraédrique de la molécule de méthane est clairement exprimée par ses modèles spatiaux - sphériques (Fig. 122) ou segmentaires (Fig. 123). Les boules blanches (segments) représentent les atomes d'hydrogène, le noir - le carbone. Le modèle de balle ne caractérise que l'arrangement spatial mutuel des atomes, le segment un donne également une idée des distances interatomiques relatives (distances entre les noyaux. Comme le montre la Fig. 122, la formule structurale du méthane peut être considérée comme une projection de son modèle spatial sur le plan du dessin.

2. Une propriété exceptionnelle du carbone, qui détermine la variété des composés organiques, est la capacité de ses atomes à se connecter les uns aux autres par de fortes liaisons covalentes, formant des chaînes carbonées de longueur presque illimitée.

Les valences des atomes de carbone qui ne sont pas entrés en connexion mutuelle sont utilisées pour ajouter d'autres atomes ou groupes (dans les hydrocarbures, pour ajouter de l'hydrogène).

Ainsi, les hydrocarbures éthane et propane contiennent respectivement des chaînes de deux et trois atomes de carbone.

Riz. 122. Modèle en boule de la molécule de méthane.

Riz. 123. Modèle de segment de la molécule de méthane.

Leur structure est exprimée par les formules structurales et électroniques suivantes :

Des composés contenant des centaines ou plus d'atomes de carbone sont connus.

La croissance de la chaîne carbonée d'un atome de carbone entraîne une augmentation de la composition par groupe. Un tel changement quantitatif de composition conduit à un nouveau composé aux propriétés légèrement différentes, c'est-à-dire déjà qualitativement différent du composé d'origine; mais caractère général les connexions sont enregistrées. Ainsi, en plus des hydrocarbures du méthane, de l'éthane, du propane, il existe du butane, du pentane, etc. Ainsi, dans une grande variété de substances organiques, on peut distinguer des rangées du même type de composés, dans lesquelles chaque membre suivant diffère de le précédent par un groupe. De telles séries sont appelées séries homologiques, leurs membres sont homologues les uns par rapport aux autres, et l'existence de telles séries s'appelle le phénomène d'homologie.

Par conséquent, les hydrocarbures méthane, étage, propane, butane, etc. sont des homologues d'une même série, que l'on appelle la série des hydrocarbures limitants, ou saturés (alcanes) ou, selon le premier représentant, la série du méthane.

En raison de l'orientation tétraédrique des liaisons carbone, ses atomes inclus dans la chaîne ne sont pas situés en ligne droite, mais en zigzag, et, en raison de la possibilité de rotation des atomes autour de l'axe des liaisons, la chaîne dans l'espace peut prendre diverses formes (conformations):

Cette structure des chaînes permet de se rapprocher de l'extrémité (b) ou d'autres atomes de carbone non adjacents (c) ; du fait de l'apparition d'une liaison entre ces atomes, des chaînes carbonées peuvent se refermer en anneaux (cycles), par exemple :

Ainsi, la diversité des composés organiques est également déterminée par le fait qu'avec le même nombre d'atomes de carbone dans une molécule, des composés à chaîne ouverte et ouverte d'atomes de carbone sont possibles, ainsi que des substances dont les molécules contiennent des cycles (composés cycliques) .

3. Les liaisons covalentes entre les atomes de carbone formés par une paire d'électrons généralisés sont appelées liaisons simples (ou ordinaires).

La liaison entre les atomes de carbone peut être réalisée non pas par une, mais par deux ou trois paires d'électrons communs. Ensuite, des chaînes sont obtenues avec des liaisons multiples - doubles ou triples; ces relations peuvent être représentées comme suit :

Les composés les plus simples à liaisons multiples sont les hydrocarbures éthylène (avec une double liaison) et acétylène (avec une triple liaison) :

Les hydrocarbures à liaisons multiples sont appelés insaturés ou insaturés. L'éthylène et l'acétylène sont les premiers représentants de deux séries homologues - les hydrocarbures d'éthylène et d'acétylène.

Riz. 124. Schéma de formation des liaisons - dans la molécule d'éthane.

Une simple liaison covalente (ou C:C) formée par le chevauchement de deux nuages ​​d'électrons hybrides le long d'une ligne reliant les centres des atomes (le long de l'axe de la liaison), comme, par exemple, dans l'éthane (Fig. 124), est un -bond (voir § 42 ). Les liaisons sont également des liaisons - elles sont formées par chevauchement le long de l'axe de liaison du nuage -hybride de l'atome C et du nuage sphérique -électron de l'atome H.

La nature des multiples liaisons carbone-carbone est quelque peu différente. Ainsi, dans la molécule d'éthylène, lors de la formation d'une double liaison covalente (ou) dans chacun des atomes de carbone, une -orbitale et seulement deux p-orbitales (-hybridation) participent à l'hybridation ; l'une des orbitales p de chaque atome C ne s'hybride pas. En conséquence, trois nuages ​​d'électrons hybrides sont formés, qui participent à la formation de trois liaisons. Au total, il y a cinq liaisons dans la molécule d'éthylène (quatre et une); ils sont tous situés dans le même plan à des angles d'environ 120° les uns par rapport aux autres (Fig. 125).

Ainsi, l'une des paires d'électrons de la liaison réalise une liaison -, et la seconde est formée d'électrons p qui ne participent pas à l'hybridation ; leurs nuages ​​conservent la forme d'un volume huit, sont orientés perpendiculairement au plan dans lequel se trouvent les liaisons, et se chevauchent au-dessus et au-dessous de ce plan (Fig. 126), formant une liaison - (voir § 42).

Riz. 125. Schéma de la formation des liaisons - dans la molécule d'éthylène.

Riz. 126. Schéma de formation d'une liaison - dans une molécule d'éthylène.

Par conséquent, la double liaison C = C est une combinaison de liaisons un et un.

Une triple liaison (ou ) est une combinaison d'une liaison et de deux liaisons. Par exemple, lors de la formation d'une molécule d'acétylène dans chacun des atomes de carbone, une -orbitale et une seule p-orbitale (-hybridation) participent à l'hybridation ; en conséquence, deux nuages ​​d'électrons hybrides se forment, participant à la formation de deux liaisons. Les nuages ​​de deux électrons p de chaque atome C ne s'hybrident pas, conservent leur configuration et participent à la formation de deux liaisons -. Ainsi, dans l'acétylène, il n'y a que trois liaisons - (une et deux) dirigées le long d'une ligne droite, et deux liaisons - orientées dans deux plans mutuellement perpendiculaires (Fig. 127).

Les liaisons multiples (c'est-à-dire doubles et triples) au cours des réactions se transforment facilement en simples; le triple se transforme d'abord en double, et le dernier en simple. Cela est dû à leur grande réactivité et se produit lorsque des atomes sont attachés à une paire d'atomes de carbone liés par une liaison multiple.

La transition de liaisons multiples à des liaisons simples s'explique par le fait que, en règle générale, les liaisons - ont moins de force et donc une plus grande labilité que les liaisons -. Lorsque des liaisons - sont formées, les nuages ​​d'électrons p avec des axes parallèles se chevauchent dans une bien moindre mesure que les nuages ​​d'électrons se chevauchant le long de l'axe de liaison (c'est-à-dire des nuages ​​hybrides, d'électrons - ou d'électrons p orientés le long de l'axe de liaison).

Riz. 127. Schéma de formation des liaisons - dans la molécule d'acétylène.

Riz. 128. Modèles de la molécule d'éthylène : a - bille ; b - segmenté.

Les liens multiples sont plus forts que les liens simples. Ainsi, l'énergie de rupture de liaison est , liaisons et liaisons uniquement .

De ce qui vient d'être dit, il résulte que dans les formules deux lignes sur trois dans une liaison et une ligne sur deux dans une liaison expriment des liaisons moins fortes qu'une simple liaison.

Sur la fig. 128 et 129 sont des modèles spatiaux de billes et de segments de composés à liaisons doubles (éthylène) et triples (acétylène).

4. La théorie de la structure a expliqué de nombreux cas d'isomérie des composés organiques.

Les chaînes d'atomes de carbone peuvent être droites ou ramifiées :

Ainsi, la composition comprend trois hydrocarbures saturés (pentane) avec des structures de chaîne différentes - un avec une chaîne non ramifiée (structure normale) et deux avec une chaîne ramifiée (isostructure):

La composition a trois hydrocarbures insaturés, deux structures normales, mais isomères à la position de la double liaison, et une isostructure :

Riz. 129. Modèles de la molécule d'acétylène : une boule ; b - segmenté.

Deux hydrocarbures cycliques sont isomères de ces composés insaturés, qui ont également une composition et sont isomères l'un de l'autre en taille de cycle :

Avec la même composition, les composés peuvent différer en structure en raison de positions différentes dans la chaîne carbonée et d'autres atomes non carbonés, par exemple :

L'isomérie peut être due non seulement à l'ordre différent de connexion des atomes. Il existe plusieurs types d'isomérie spatiale (stéréoisométrie), qui consistent dans le fait que les isomères correspondants (stéréoisomères) avec la même composition et le même ordre de connexion des atomes diffèrent par une disposition différente des atomes (ou groupes d'atomes) dans l'espace.

Ainsi, si un composé a un atome de carbone lié à quatre atomes ou groupes d'atomes différents (un atome asymétrique), alors deux formes isomères spatiales d'un tel composé sont possibles. Sur la fig. 130 montre deux modèles tétraédriques d'acide lactique, dans lesquels l'atome de carbone asymétrique (il est marqué d'un astérisque dans la formule) est au centre du tétraèdre. Il est facile de voir que ces modèles ne peuvent pas être combinés dans l'espace : ils sont en miroir et reflètent la configuration spatiale des molécules de deux substances différentes (dans cet exemple, les acides lactiques), qui diffèrent par certaines propriétés physiques, et principalement biologiques. Une telle isomérie est appelée stéréoisomérie miroir et les isomères correspondants sont appelés isomères miroir.

Riz. 130. Modèles tétraédriques de molécules d'isomères miroirs de l'acide lactique.

La différence dans la structure spatiale des isomères miroirs peut également être représentée à l'aide de formules structurelles, qui montrent la disposition différente des groupes atomiques au niveau de l'atome asymétrique; par exemple, pour ceux représentés sur la Fig. 130 isomères miroirs de l'acide lactique :

Comme déjà indiqué, les atomes de carbone ; reliés par une double liaison se trouvent dans le même plan avec quatre liaisons les reliant à d'autres atomes ; les angles entre les directions de ces liaisons sont approximativement les mêmes (Fig. 126). Lorsque différents atomes ou groupes sont connectés à chacun des atomes de carbone dans la double liaison, ce que l'on appelle la stéréoisomérie géométrique, ou isomérie cis-trans, est possible. Un exemple est les isomères géométriques spatiaux du dichloroéthylène

Dans les molécules d'un isomère, les atomes de chlore sont situés d'un côté de la double liaison et dans les molécules de l'autre - sur différents côtés. La première configuration est appelée cis-, la seconde - trans-configuration. Les isomères géométriques diffèrent les uns des autres par leurs propriétés physiques et chimiques.

Leur existence est due au fait que la double liaison exclut la possibilité d'une rotation libre des atomes connectés autour de l'axe de la liaison (une telle rotation nécessite la rupture de la liaison ; voir Fig. 126).

5. L'influence mutuelle dans les molécules des substances organiques se manifeste principalement par des atomes directement connectés les uns aux autres. Dans ce cas, il est déterminé par la nature de la liaison chimique entre eux, le degré de différence de leur électronégativité relative et, par conséquent, le degré de polarité de la liaison.

Par exemple, à en juger par les formules récapitulatives, puis dans une molécule de méthane et dans une molécule d'alcool méthylique, les quatre atomes d'hydrogène doivent avoir les mêmes propriétés. Mais, comme on le verra plus loin, dans l'alcool méthylique, l'un des atomes d'hydrogène peut être remplacé par un métal alcalin, alors que dans le méthane, les atomes d'hydrogène ne présentent pas une telle capacité. Cela est dû au fait que dans l'alcool, l'atome d'hydrogène est directement lié non pas au carbone, mais à l'oxygène.

Dans les formules structurelles ci-dessus, les flèches sur les lignes des liaisons montrent conditionnellement le déplacement de paires d'électrons qui forment une liaison covalente, en raison de l'électronégativité différente des atomes. Dans le méthane, un tel déplacement de la liaison est faible, car l'électronégativité du carbone (2,5) ne dépasse que légèrement l'électronégativité de l'hydrogène dans le tableau 1. 6, p. 118). Dans ce cas, la molécule de méthane est symétrique. Dans la molécule d'alcool, la liaison est considérablement polarisée, car l'oxygène (électronégativité 3,5) attire beaucoup plus une paire d'électrons vers lui-même; par conséquent, l'atome d'hydrogène, combiné à l'atome d'oxygène, acquiert une plus grande mobilité, c'est-à-dire qu'il se détache plus facilement sous la forme d'un proton.

À molécules organiques ax importe également l'influence mutuelle des atomes qui ne sont pas directement connectés les uns aux autres. Ainsi, dans l'alcool méthylique, sous l'influence de l'oxygène, la réactivité non seulement de l'atome d'hydrogène associé à l'oxygène, mais également des atomes d'hydrogène qui ne sont pas directement liés à l'oxygène, mais liés au carbone, augmente. De ce fait, l'alcool méthylique s'oxyde assez facilement, tandis que le méthane est relativement résistant à l'action des agents oxydants. Cela est dû au fait que l'oxygène du groupement hydroxyle attire significativement vers lui une paire d'électrons dans la liaison le reliant au carbone dont l'électronégativité est moindre.

En conséquence, la charge effective de l'atome de carbone devient plus positive, ce qui provoque un déplacement supplémentaire de paires d'électrons également dans les liaisons de l'alcool méthylique, par rapport aux mêmes liaisons dans la molécule de méthane. Sous l'action d'agents oxydants, les atomes H liés au même atome de carbone auquel le groupe OH est lié sont beaucoup plus faciles que dans les hydrocarbures à se détacher et à se combiner avec l'oxygène pour former de l'eau. Dans ce cas, l'atome de carbone associé au groupe OH subit une nouvelle oxydation (voir § 171).

L'influence mutuelle des atomes qui ne sont pas directement connectés les uns aux autres peut se transmettre sur une distance considérable le long de la chaîne des atomes de carbone et s'explique par un déplacement de la densité des nuages ​​d'électrons dans l'ensemble de la molécule sous l'influence d'atomes ou de groupes de différentes électronégativités présentes en elle. L'influence mutuelle peut également être transmise à travers l'espace entourant la molécule - en raison du chevauchement des nuages ​​d'électrons des atomes qui s'approchent.

Chimie organique- une branche de la chimie dans laquelle sont étudiés les composés carbonés, leur structure, leurs propriétés, leurs interconversions.

Le nom même de la discipline - "chimie organique" - est apparu il y a assez longtemps. La raison en est que la plupart des composés carbonés rencontrés par les chercheurs sur stade initial la formation de la science chimique, étaient d'origine végétale ou animale. Cependant, à titre d'exception, les composés de carbone individuels sont classés comme inorganiques. Ainsi, par exemple, les oxydes de carbone, l'acide carbonique, les carbonates, les hydrocarbures, le cyanure d'hydrogène et quelques autres sont considérés comme des substances inorganiques.

Actuellement, un peu moins de 30 millions de substances organiques diverses sont connues, et cette liste est constamment mise à jour. Un si grand nombre de composés organiques est principalement associé aux propriétés spécifiques suivantes du carbone :

1) les atomes de carbone peuvent être reliés les uns aux autres en chaînes de longueur arbitraire ;

2) non seulement une connexion séquentielle (linéaire) des atomes de carbone entre eux est possible, mais également ramifiée et même cyclique;

3) possibles différents types liaisons entre les atomes de carbone, à savoir simples, doubles et triples. Dans ce cas, la valence du carbone dans les composés organiques est toujours égale à quatre.

De plus, une grande variété de composés organiques est également facilitée par le fait que les atomes de carbone sont capables de former des liaisons avec des atomes de nombreux autres éléments chimiques, par exemple l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le phosphore, le soufre, les halogènes. L'hydrogène, l'oxygène et l'azote sont les plus courants.

Il faut noter que pendant assez longtemps la chimie organique a représenté une « forêt noire » pour les scientifiques. Pendant un certain temps, la théorie du vitalisme était même populaire dans la science, selon laquelle matière organique ne peut pas être obtenu de manière "artificielle", c'est-à-dire en dehors de la matière vivante. Cependant, la théorie du vitalisme n'a pas duré très longtemps, compte tenu du fait que l'on a découvert une à une des substances dont la synthèse est possible en dehors des organismes vivants.

Les chercheurs ont été perplexes devant le fait que de nombreuses substances organiques ont la même composition qualitative et quantitative, mais ont souvent des propriétés physiques et chimiques complètement différentes. Ainsi, par exemple, l'éther diméthylique et l'alcool éthylique ont exactement la même composition élémentaire, cependant, dans des conditions normales, l'éther diméthylique est un gaz et l'alcool éthylique est un liquide. De plus, l'éther diméthylique ne réagit pas avec le sodium, mais l'alcool éthylique interagit avec lui en libérant de l'hydrogène gazeux.

Les chercheurs du XIXe siècle ont émis de nombreuses hypothèses sur la façon dont les substances organiques sont néanmoins disposées. Des hypothèses très importantes ont été avancées par le scientifique allemand F.A. Kekule, qui a été le premier à émettre l'idée que les atomes de différents éléments chimiques ont des valeurs de valence spécifiques et que les atomes de carbone dans les composés organiques sont tétravalents et peuvent se combiner les uns avec les autres, formant des chaînes . Plus tard, à partir des hypothèses de Kekule, le scientifique russe Alexander Mikhailovich Butlerov a développé une théorie de la structure des composés organiques, qui n'a pas perdu de sa pertinence à notre époque. Considérez les principales dispositions de cette théorie:

1) tous les atomes des molécules de substances organiques sont reliés les uns aux autres dans un certain ordre en fonction de leur valence. Les atomes de carbone ont valence constante, égal à quatre, et peut former des chaînes de structures diverses les unes avec les autres ;

2) les propriétés physiques et chimiques de toute substance organique dépendent non seulement de la composition de ses molécules, mais aussi de l'ordre dans lequel les atomes de cette molécule sont reliés les uns aux autres ;

3) les atomes individuels, ainsi que les groupes d'atomes dans une molécule, s'influencent mutuellement. Cette influence mutuelle se reflète dans les aspects physiques et propriétés chimiques ah les connexions ;

4) en examinant les propriétés physiques et chimiques d'un composé organique, sa structure peut être établie. L'inverse est également vrai - connaissant la structure de la molécule d'une substance, vous pouvez prédire ses propriétés.

Tout comme la loi périodique de D.I. Mendelev est devenue le fondement scientifique chimie inorganique, théorie de la structure des substances organiques A.M. Butlerova est en fait devenu le point de départ du développement de la chimie organique en tant que science. Il convient de noter qu'après la création de la théorie de la structure de Butler, la chimie organique a commencé son développement à un rythme très rapide.

Isomérie et homologie

Selon la deuxième position de la théorie de Butlerov, les propriétés des substances organiques dépendent non seulement de la composition qualitative et quantitative des molécules, mais également de l'ordre dans lequel les atomes de ces molécules sont connectés les uns aux autres.

À cet égard, un phénomène tel que l'isomérie est répandu parmi les substances organiques.

L'isomérie est un phénomène lorsque différentes substances ont exactement la même composition moléculaire, c'est-à-dire la même formule moléculaire.

Très souvent, les isomères diffèrent considérablement par leurs propriétés physiques et chimiques. Par exemple:

Types d'isomérie

Isomérie structurale

a) Isomérie du squelette carboné

b) Isomérie de position :

lien multiple

députés :

groupes fonctionnels:

c) Isomérie interclasse :

L'isomérie interclasse se produit lorsque des composés qui sont des isomères appartiennent à différentes classes de composés organiques.

Isomérie spatiale

L'isomérie spatiale est un phénomène lorsque différentes substances ayant le même ordre d'attachement des atomes les unes aux autres diffèrent les unes des autres par une position fixe différente d'atomes ou de groupes d'atomes dans l'espace.

Il existe deux types d'isomérie spatiale - géométrique et optique. Il n'y a pas de tâches pour l'isomérie optique à l'examen d'État unifié, nous ne considérerons donc que la géométrie.

S'il existe une double liaison C=C ou un cycle dans la molécule de n'importe quel composé, parfois dans de tels cas le phénomène de géométrie ou cis-trans-isomérie.

Par exemple, ce type d'isomérie est possible pour le butène-2. Sa signification réside dans le fait que la double liaison entre les atomes de carbone a en fait une structure plane et que les substituants de ces atomes de carbone peuvent être situés de manière fixe au-dessus ou au-dessous de ce plan :

Lorsque les mêmes substituants sont du même côté du plan, ils disent que ce cis-isomère, et lorsqu'il est différent - transe-isomère.

Sur sous forme de formules structurelles cis- et transe-les isomères (par exemple, le butène-2) sont représentés comme suit :

Notez que l'isomérie géométrique est impossible si au moins un atome de carbone dans la double liaison a deux substituants identiques. Par exemple, cis-trans- l'isomérie est impossible pour le propène :

le propène n'a pas cis-trans-isomères, car sur l'un des atomes de carbone de la double liaison se trouvent deux "substituants" identiques (atomes d'hydrogène)

Comme vous pouvez le voir sur l'illustration ci-dessus, si nous échangeons le radical méthyle et l'atome d'hydrogène situé au niveau du deuxième atome de carbone sur les côtés opposés du plan, nous obtenons la même molécule, que nous venons de regarder de l'autre côté.

L'influence des atomes et des groupes d'atomes les uns sur les autres dans les molécules de composés organiques

Le concept d'une structure chimique en tant que séquence d'atomes connectés les uns aux autres a été considérablement élargi avec l'avènement de la théorie électronique. Du point de vue de cette théorie, il est possible d'expliquer comment les atomes et les groupes d'atomes d'une molécule s'influencent mutuellement.

Il existe deux voies possibles d'influence de certaines parties de la molécule sur d'autres :

1) Effet inductif

2) Effet mésomère

Effet inductif

Pour illustrer ce phénomène, prenons par exemple une molécule de 1-chloropropane (CH 3 CH 2 CH 2 Cl). La liaison entre le carbone et le chlore est polaire car le chlore a une électronégativité beaucoup plus élevée que le carbone. À la suite du déplacement de la densité électronique de l'atome de carbone vers l'atome de chlore, une charge positive partielle (δ+) se forme sur l'atome de carbone et une charge négative partielle (δ-) se forme sur l'atome de chlore :

Le déplacement de la densité électronique d'un atome à l'autre est souvent indiqué par une flèche pointant vers l'atome le plus électronégatif :

Cependant, il est intéressant de noter qu'en plus du déplacement de la densité électronique du premier atome de carbone vers l'atome de chlore, il existe également un déplacement, mais dans une moindre mesure, du deuxième atome de carbone vers le premier, ainsi que du le troisième au deuxième :

Un tel déplacement de la densité électronique le long de la chaîne de liaisons σ est appelé effet inductif ( je). Cet effet s'estompe avec l'éloignement du groupe d'influence et ne se manifeste pratiquement pas après 3 liaisons σ.

Dans le cas où un atome ou un groupe d'atomes a une plus grande électronégativité par rapport aux atomes de carbone, on dit que ces substituants ont un effet inductif négatif (- je). Ainsi, dans l'exemple évoqué ci-dessus, l'atome de chlore a un effet inductif négatif. En plus du chlore, les substituants suivants ont un effet inductif négatif :

–F, –Cl, –Br, –I, –OH, –NH 2 , –CN, –NO 2 , –COH, –COOH

Si l'électronégativité d'un atome ou d'un groupe d'atomes est inférieure à l'électronégativité d'un atome de carbone, il y a en fait un transfert de densité électronique de ces substituants vers les atomes de carbone. Dans ce cas, on dit que le substituant a un effet inductif positif (+ je) (donne des électrons).

Donc, les substituants avec + je-effet sont des radicaux d'hydrocarbures saturés. En même temps, l'expression je-l'effet augmente avec l'allongement du radical hydrocarboné :

–CH 3 , –C 2 H 5 , –C 3 H 7 , –C 4 H 9

Il convient de noter que les atomes de carbone dans différents états de valence ont également une électronégativité différente. Les atomes de carbone Sp ont une électronégativité supérieure à celle des atomes de carbone sp 2 , qui à leur tour sont plus électronégatifs que les atomes de carbone sp 3 .

Effet mésomère (M), ou effet de conjugaison, est l'influence d'un substituant transmis à travers un système de liaisons π conjuguées.

Le signe de l'effet mésomère est déterminé par le même principe que le signe de l'effet inductif. Si un substituant augmente la densité électronique dans le système conjugué, il a un effet mésomère positif (+ M) et est donneur d'électrons. Les doubles liaisons carbone-carbone, les substituants contenant une paire d'électrons non partagés: -NH 2, -OH, les halogènes ont un effet mésomère positif.

Effet mésomère négatif (– M) ont des substituants qui éloignent la densité électronique du système conjugué, tandis que la densité électronique dans le système diminue.

Les groupes suivants ont un effet mésomérique négatif :

–NO 2 , –COOH, –SO 3 H, -COH, >C=O

En raison de la redistribution de la densité électronique due aux effets mésomères et inductifs dans la molécule, des charges positives ou négatives partielles apparaissent sur certains atomes, ce qui se reflète dans les propriétés chimiques de la substance.

Graphiquement, l'effet mésomère est représenté par une flèche incurvée qui commence au centre de la densité électronique et se termine là où la densité électronique se déplace. Ainsi, par exemple, dans une molécule de chlorure de vinyle, l'effet mésomère se produit lorsque la paire d'électrons isolés de l'atome de chlore est conjuguée aux électrons de la liaison π entre les atomes de carbone. Ainsi, à la suite de cela, une charge positive partielle apparaît sur l'atome de chlore et le nuage mobile d'électrons π, sous l'influence d'une paire d'électrons, se déplace vers l'atome de carbone extrême, sur lequel une charge négative partielle apparaît comme un résultat:

Si une molécule contient des liaisons simples et doubles alternées, on dit que la molécule contient un système d'électrons π conjugués. Une propriété intéressante d'un tel système est que l'effet mésomère ne s'y dégrade pas.

Pour la cuisine, les teintures, les vêtements, les médicaments, les gens ont depuis longtemps appris à utiliser diverses substances. Au fil du temps, une quantité suffisante d'informations sur les propriétés de certaines substances s'est accumulée, ce qui a permis d'améliorer les méthodes de production, de traitement, etc. Et il s'est avéré que de nombreux minéraux (substances inorganiques) peuvent être obtenus directement.

Mais certaines des substances utilisées par l'homme n'ont pas été synthétisées par lui, car elles ont été obtenues à partir d'organismes vivants ou de plantes. Ces substances sont dites organiques. Les substances organiques n'ont pas pu être synthétisées en laboratoire. Au début du 19ème siècle, une doctrine telle que le vitalisme (vita - vie) s'est activement développée, selon laquelle les substances organiques n'apparaissent qu'en raison de la "force vitale" et il est impossible de les créer "artificiellement".

Mais au fur et à mesure que le temps passait et que la science se développait, de nouveaux faits sur les substances organiques apparurent qui allaient à l'encontre de la théorie existante des vitalistes.

En 1824, le scientifique allemand F. Wöhler a synthétisé l'acide oxalique pour la première fois dans l'histoire de la science chimique – matières organiques issues de substances inorganiques (cyanure et eau) :

(CN) 2 + 4H 2 O → COOH - COOH + 2NH 3

En 1828, Wöller chauffa du cyanate de sodium avec de l'ammonium sulfurique et de l'urée synthétisée - produit de l'activité vitale d'organismes animaux :

NaOCN + (NH 4) 2 SO 4 → NH 4 OCN → NH 2 OCNH 2

Ces découvertes ont joué rôle important dans le développement de la science en général et de la chimie en particulier. Les scientifiques-chimistes ont commencé à s'éloigner progressivement de la doctrine vitaliste et le principe de la division des substances en substances organiques et inorganiques s'est avéré intenable.

Actuellement substances toujours divisé en organique et inorganique mais le critère de séparation est déjà légèrement différent.

Les substances sont dites organiques contenant du carbone dans leur composition, ils sont aussi appelés composés carbonés. Il existe environ 3 millions de ces composés, tandis que les composés restants sont d'environ 300 000.

Les substances qui ne contiennent pas de carbone sont dites inorganiques et. Mais il existe des exceptions à la classification générale: il existe un certain nombre de composés contenant du carbone, mais ils appartiennent à des substances inorganiques (monoxyde et dioxyde de carbone, disulfure de carbone, acide carbonique et ses sels). Tous ont une composition et des propriétés similaires aux composés inorganiques.

Au cours de l'étude des substances organiques, de nouvelles difficultés sont apparues: sur la base des théories sur les substances inorganiques, il est impossible de révéler les schémas de la structure des composés organiques, d'expliquer la valence du carbone. Le carbone dans différents composés avait des valences différentes.

En 1861, le scientifique russe A.M. Butlerov a été le premier à obtenir une substance sucrée par synthèse.

Lors de l'étude des hydrocarbures, UN M. Butlerov rendu compte qu'ils représentent une classe très spéciale de produits chimiques. En analysant leur structure et leurs propriétés, le scientifique a identifié plusieurs modèles. Ils ont constitué la base de la théories de la structure chimique.

1. La molécule de toute substance organique n'est pas désordonnée, les atomes des molécules sont reliés les uns aux autres dans une certaine séquence en fonction de leurs valences. Le carbone dans les composés organiques est toujours tétravalent.

2. La séquence de liaisons interatomiques dans une molécule est appelée sa structure chimique et est reflétée par une formule structurelle (formule structurelle).

3. La structure chimique peut être établie par des méthodes chimiques. (Actuellement, des méthodes physiques modernes sont également utilisées).

4. Les propriétés des substances dépendent non seulement de la composition des molécules de la substance, mais de leur structure chimique (la séquence de connexion des atomes des éléments).

5. Par les propriétés d'une substance donnée, vous pouvez déterminer la structure de sa molécule, et par la structure de la molécule – anticiper les propriétés.

6. Les atomes et les groupes d'atomes d'une molécule interagissent les uns avec les autres.

Cette théorie est devenue le fondement scientifique de la chimie organique et a accéléré son développement. Sur la base des dispositions de la théorie, A.M. Butlerov a décrit et expliqué le phénomène isomérie, ont prédit l'existence de divers isomères et en ont obtenu certains pour la première fois.

Considérez la structure chimique de l'éthane – C2H6. En désignant la valence des éléments par des tirets, nous décrirons la molécule d'éthane dans l'ordre de la connexion des atomes, c'est-à-dire que nous écrirons une formule structurelle. Selon la théorie d'A.M. Butlerov, ça ressemblera à ça :

Les atomes d'hydrogène et de carbone sont liés en une seule particule, la valence de l'hydrogène est égale à un et le carbone – quatre. Deux atomes de carbone sont liés par une liaison carbone – carbone (C – DE). La capacité du carbone à former du C – La liaison C est comprise à partir des propriétés chimiques du carbone. Sur la couche d'électrons externe, l'atome de carbone a quatre électrons, la capacité de donner des électrons est la même que d'ajouter ceux qui manquent. Par conséquent, le carbone forme le plus souvent des composés avec une liaison covalente, c'est-à-dire en raison de la formation de paires d'électrons avec d'autres atomes, y compris des atomes de carbone entre eux.

C'est une des raisons de la diversité des composés organiques.

Les composés qui ont la même composition mais des structures différentes sont appelés isomères. Le phénomène d'isomérie – une des raisons de la diversité des composés organiques

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Comment la science a-t-elle pris forme début XIX siècle, lorsque le scientifique suédois J. Ya. Berzelius a introduit pour la première fois le concept de substances organiques et de chimie organique. La première théorie en chimie organique est la théorie des radicaux. Les chimistes ont découvert que lors des transformations chimiques, des groupes de plusieurs atomes passent inchangés d'une molécule d'une substance à une molécule d'une autre substance, tout comme les atomes des éléments passent de molécule en molécule. Ces groupes d'atomes "immuables" sont appelés radicaux.

Cependant, tous les scientifiques n'étaient pas d'accord avec la théorie des radicaux. Beaucoup ont généralement rejeté l'idée d'atomisme - l'idée de la structure complexe d'une molécule et de l'existence d'un atome en tant que partie constituante. Ce qui est indéniablement prouvé de nos jours et ne suscite pas le moindre doute, au XIXème siècle. a fait l'objet d'une polémique féroce.

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Les premiers sont apparus au début du XIXe siècle. théorie radicale(J. Gay-Lussac, F. Wehler, J. Liebig). Les radicaux étaient appelés groupes d'atomes qui passent inchangés lors des réactions chimiques d'un composé à un autre. Ce concept de radicaux a été conservé, mais la plupart des autres dispositions de la théorie des radicaux se sont avérées incorrectes.

Selon théorie des types(C. Gerard) toutes les substances organiques peuvent être divisées en types correspondant à certaines substances inorganiques. Par exemple, les alcools R-OH et les éthers R-O-R ont été considérés comme des représentants du type H-OH de l'eau, dans laquelle les atomes d'hydrogène sont remplacés par des radicaux. La théorie des types a créé une classification des substances organiques dont certains principes sont actuellement appliqués.

La théorie moderne de la structure des composés organiques a été créée par l'éminent scientifique russe A.M. Butlerov.

Les principales dispositions de la théorie de la structure des composés organiques A.M. Butlerov

1. Les atomes d'une molécule sont disposés dans une certaine séquence en fonction de leur valence. La valence de l'atome de carbone dans les composés organiques est de quatre.

2. Les propriétés des substances dépendent non seulement des atomes et des quantités qui font partie de la molécule, mais aussi de l'ordre dans lequel elles sont interconnectées.

3. Les atomes ou groupes d'atomes qui composent la molécule s'influencent mutuellement, dont dépendent l'activité chimique et la réactivité des molécules.

4. L'étude des propriétés des substances vous permet de déterminer leur structure chimique.

L'influence mutuelle des atomes voisins dans les molécules est la propriété la plus importante des composés organiques. Cette influence est transmise soit par une chaîne de liaisons simples, soit par une chaîne de liaisons simples et doubles conjuguées (alternées).

Classification des composés organiques est basé sur l'analyse de deux aspects de la structure des molécules - la structure du squelette carboné et la présence de groupes fonctionnels.

composés organiques

Hydrocarbures Composés hétérocycliques

Limite- Nepre- Arôme-

aucun tic efficace

Carbocyclique aliphatique

Limiter les aromatiques alicycliques insaturés

(Alcanes) (Cycloalcanes) (Arènes)

DE P H 2 P+2C P H 2 P DE P H 2 P-6

Fin du travail -

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Introduction. Fondamentaux de la théorie structurale moderne

Composés organiques.. introduction.. la chimie bioorganique étudie la structure et les propriétés des substances impliquées dans les processus d'activité vitale dans..

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Alcènes Alcadiènes Alcynes
SpN2p SpN2p-2 SpN2p-2 Fig. 1. Classification des composés organiques par structure

La structure électronique de l'atome de carbone. Hybridation.
Pour la couche d'électrons de valence de l'atome C, qui se trouve dans le sous-groupe principal du quatrième groupe de la deuxième période du tableau périodique de D. I. Mendeleev, le nombre quantique principal n \u003d 2, côté (orbitalement

Systèmes associés
Il existe deux types de systèmes conjugués (et de conjugaisons). 1. p, p-conjugaison - les électrons sont délocalisés

THÈME 3. Structure chimique et isomérie des composés organiques
Isomérie des composés organiques. Si deux ou plusieurs substances individuelles ont la même composition quantitative (formule moléculaire), mais diffèrent l'une de l'autre

Conformations de molécules organiques
La rotation autour de la liaison s C – C est relativement facile et la chaîne hydrocarbonée peut prendre différentes formes. Les formes conformationnelles passent facilement les unes dans les autres et ne sont donc pas des composés différents.

Conformations de composés cycliques.
Cyclopentane. Les angles de liaison du cycle à cinq chaînons sous la forme plane sont de 108 °, ce qui est proche de la valeur normale pour l'atome hybride sp3. Par conséquent, dans le cyclopentane planaire, contrairement au cycle

Isomères de configuration
Ce sont des stéréoisomères avec une disposition différente autour de certains atomes d'autres atomes, radicaux ou groupes fonctionnels dans l'espace les uns par rapport aux autres. Distinguer les concepts de diastère

Caractéristiques générales des réactions des composés organiques.
Acidité et basicité des composés organiques. Pour évaluer l'acidité et la basicité des composés organiques valeur la plus élevée ont deux théories - la théorie de Bronsted et la théorie

Les bases de Bronsted sont des molécules neutres ou des ions qui peuvent accepter un proton (accepteurs de protons).
L'acidité et la basicité ne sont pas des propriétés absolues, mais relatives des composés : les propriétés acides ne se trouvent qu'en présence d'une base ; propriétés de base - uniquement en présence de ki

Caractéristiques générales des réactions des composés organiques
La plupart des réactions organiques comprennent plusieurs étapes successives (élémentaires). Une description détaillée de l'ensemble de ces étapes s'appelle un mécanisme. Mécanisme de réaction -

Sélectivité des réactions
Dans de nombreux cas, plusieurs centres de réaction inégaux sont présents dans un composé organique. Selon la structure des produits de réaction, on parle de régiosélectivité, chimiosélectivité et

réactions radicales.
Le chlore ne réagit avec les hydrocarbures saturés que sous l'influence de la lumière, du chauffage ou en présence de catalyseurs, et tous les atomes d'hydrogène sont successivement remplacés par du chlore : CH4

Réactions d'addition électrophiles
Les hydrocarbures insaturés - alcènes, cycloalcènes, alcadiènes et alcynes - sont capables de réactions d'addition, car ils contiennent des doubles ou des triples liaisons. Plus important in vivo est le double

Et élimination à un atome de carbone saturé
Réactions de substitution nucléophile au niveau de l'atome de carbone hybride sp3 : réactions hétérolytiques dues à la polarisation de la liaison s carbone-hétéroatome (halopro

Réactions de substitution nucléophile impliquant un atome de carbone hybride sp2.
Considérons le mécanisme des réactions de ce type en prenant l'exemple de l'interaction des acides carboxyliques avec les alcools (réaction d'estérification). Dans le groupe carboxyle de l'acide, p, p-conjugaison est réalisée, puisque la paire d'éléments

Réactions de substitution nucléophile dans la série des acides carboxyliques.
Ce n'est qu'à partir de positions purement formelles que le groupe carboxyle peut être considéré comme une combinaison de fonctions carbonyle et hydroxyle. En fait, leur influence mutuelle l'un sur l'autre est telle que complètement et

composés organiques.
Les réactions redox (ORR) occupent une place importante en chimie organique. Une importance capitale ont OVR pour les processus de la vie. Avec leur aide, le corps satisfait

Impliqué dans les processus de la vie
La grande majorité des substances organiques impliquées dans les processus métaboliques sont des composés avec deux groupes fonctionnels ou plus. Ces composés sont classés

Phénols diatomiques
Les phénols dihydriques - pyrocatéchine, résorcinol, hydroquinone - font partie de nombreux composés naturels. Tous donnent une coloration caractéristique au chlorure ferrique. Pyrocatéchine (o-dihydroxybenzène, catécho

Acides carboxyliques dicarboxyliques et insaturés.
Les acides carboxyliques contenant un groupe carboxyle dans leur composition sont appelés monobasiques, bibasiques, etc. Les acides dicarboxyliques sont des substances cristallines blanches avec

Alcools aminés
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Hydroxy et acides aminés.
Les hydroxyacides contiennent à la fois des groupes hydroxyle et carboxyle dans la molécule, des acides aminés - des groupes carboxyle et amino. Selon l'emplacement du groupe hydroxy ou amino p

Oxoacides
Les oxoacides sont des composés contenant à la fois des groupes carboxyle et aldéhyde (ou cétone). Conformément à cela, les acides aldéhydiques et les acides céto sont distingués. L'aldéhyde le plus simple

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Les dernières décennies sont caractérisées par l'émergence de nombreux nouveaux médicaments et préparations. Cependant, grande importance continuer à conserver certains groupes de médicaments précédemment connus

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THÈME 12. Glucides : mono, di- et polysaccharides
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THÈME 13. Nucléotides et acides nucléiques
Les acides nucléiques (polynucléotides) sont des biopolymères dont les unités monomères sont des nucléotides. Un nucléotide est une structure à trois composants constituée de

Nucléosides.
Les bases hétérocycliques forment des N-glycosides avec le D-ribose ou le 2-désoxy-D-ribose. Dans la chimie des acides nucléiques, ces N-glycosides sont appelés nucléosides. D-ribose et 2-désoxy-D-ribose dans la composition de p

Nucléotides.
Les nucléotides sont appelés nucléosides phosphates. L'acide phosphorique estérifie généralement l'hydroxyle de l'alcool en C-5" ou C-3" dans un résidu ribose ou désoxyribose (les atomes du cycle de la base azotée sont numérotés

Stéroïdes
Les stéroïdes sont largement distribués dans la nature et remplissent diverses fonctions dans le corps. À ce jour, environ 20 000 stéroïdes sont connus ; plus de 100 d'entre eux sont utilisés en médecine. Les stéroïdes ont

Hormones stéroïdes
Les hormones sont des substances biologiquement actives qui se forment à la suite de l'activité des glandes endocrines et participent à la régulation du métabolisme et des fonctions physiologiques de l'organisme.

Stérols
En règle générale, les cellules sont très riches en stérols. Selon la source d'isolement, on distingue les zoostérols (provenant d'animaux), les phytostérols (provenant de plantes), les mycostérols (provenant de champignons) et les stérols de micro-organismes. À

Acides biliaires
Dans le foie, les stérols, en particulier le cholestérol, sont transformés en acides biliaires. La chaîne latérale aliphatique en C17 dans les acides biliaires, dérivés de l'hydrocarbure cholane, est constituée de 5 atomes de carbone

Terpènes et terpénoïdes
Sous ce nom, un certain nombre d'hydrocarbures et de leurs dérivés contenant de l'oxygène sont combinés - alcools, aldéhydes et cétones, dont le squelette carboné est constitué de deux, trois ou plusieurs unités isoprène. eux-mêmes

vitamines
Les vitamines sont généralement appelées substances organiques, dont la présence en petite quantité dans l'alimentation des humains et des animaux est nécessaire à leur fonctionnement normal. C'est une opération classique

Vitamines liposolubles
La vitamine A fait référence aux sesquiterpènes, présents dans le beurre, le lait, le jaune d'œuf, l'huile de poisson ; le saindoux et la margarine n'en contiennent pas. C'est une vitamine de croissance; manque dans la nourriture

Vitamines hydrosolubles
À la fin du siècle dernier, des milliers de marins à bord de navires japonais ont souffert et beaucoup d'entre eux sont morts de mort douloureuse à cause de la mystérieuse maladie du béribéri. L'un des mystères du béribéri était que les marins