|
|
ОглавлениеЧасть I. Основы общей химии. Глава 1. Основные понятия и законы химии Глава 2. Строение атома. Периодичность химических свойств элементов Глава 3. Энергетика химических процессов Глава 4. Кинетика химических реакций Глава 6. Электрохимические системы Глава 7. Химия неорганических соединений Часть II. Основы биоорганической химии. Глава 8. Углерод - основа органических соединений Глава 12. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты Глоссарий основных терминов и понятий общей химии Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуЧАСТЬ II. ОСНОВЫ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИГЛАВА 8. УГЛЕРОД - ОСНОВА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ8.1. Теория химического строения органических соединенийК органическим веществам относятся все соединения углерода, кроме угольной кислоты (H2CO3) и ее солей; оксида углерода (СО) и диоксида углерода (СО2). Согласно данным, существующим в научной литературе, в природе насчитывается 4—6 млн органических соединений и 250—500 тыс. — неорганических. Хотя эти данные сильно расходятся, очевидным является количественное преимущество соединений углерода. Свойства углерода, определяющие исключительное разнообразие его соединений, следующие: • способность к образованию цепочек и колец, причем длина цепочек является практически неограниченной, а сами они могут ветвиться, создавая сложные трехмерные структуры; • способность образовывать кратные (двойные и тройные) связи друг с другом, а также с атомами кислорода, азота и других элементов; • способность давать устойчивые ковалентные связи с большинством элементов периодической системы. Ключ к пониманию свойств органических соединений дает теория их химического строения. Решающая роль в разработке теории строения органических соединений принадлежит русскому ученому А.М. Бутлерову (1828—1886). Он ввел понятие о химическом строении вещества (под которым понимал порядок связи атомов в молекуле), установил зависимость свойств веществ от их строения, показал, что его теория имеет большое практическое значение в предсказании и получении новых веществ. В теории А.М. Бутлерова можно выделить четыре главных положения: • атомы, образующие молекулы органических веществ, связаны в определенной последовательности согласно их валентности; • свойства веществ зависят не только от того, какие атомы и сколько их входит в состав молекул, но и от порядка соединения атомов в молекулах; • по свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы — предсказать свойства; • атомы и группы атомов в молекулах веществ взаимно влияют друг на друга. Первое положение. Ученый предполагал, что углерод в органических соединениях четырехвалентен. Исследования строения атомов и природы химической связи подтвердили это предположение. Согласно современным представлениям, химическая ковалентная связь возникает за счет неспаренных электронов атома. Так, атом углерода при образовании органического соединения переходит из основного электронного состояния в возбужденное: C(1s22s22p2) → C*(1s22s12p3) Четыре орбитали атома углерода, содержащие неспаренные электроны, позволяют атому образовать четыре ковалентные связи, т.е. быть четырехвалентным в соединениях. Порядок соединения атомов в молекуле и характер их связей А.М. Бутлеров назвал химическим строением. Химическое строение веществ отражается в их структурных формулах. Например, структурные формулы метана (СН4), бутана (С4Н8), циклопентана (С5Н10) выглядят так: Второе положение. Оно объясняет явление изомерии — проявление различных свойств соединениями, имеющими одинаковый состав. Такие вещества, имеющие одинаковый состав, но разное строение и свойства, называются изомерами (от греч. isos — равный, одинаковый, meros — доля, часть). Различают несколько видов изомерии. 1. Изомерия цепи атомов углерода. Цепь может быть линейной или разветвленной. Принято соединения, имеющие прямую углеродную цепь, называть нормальными, а имеющие разветвленную цепь — изосоединениями. Например, молекулярной (эмпирической) формуле С5Н12 соответствуют три изомера: Этот вид изомерии существует не только у углеводородов. Например, С6 — аминокислота существует в трех формах: 2. Изомерия положения двойной или тройной связи. Подобные изомеры встречаются среди ненасыщенных соединений, например среди ненасыщенных углеводородов. Так, молекулярной формуле С4Н6 соответствуют два вещества: 3. Изомерия положения функциональной группы или отдельных атомов в молекуле. Так, аминокислоты могут давать изомеры по положению аминогруппы: аминокислота аланин C3H7O2N может быть представлена как 4. Пространственная или стереоизомерия (от греч. stereos — объемный, пространственный). Этот вид изомерии проявляется в том, что разные атомы или группы атомов могут занимать различное положение в пространстве: • геометрическая или цис-транс-изомерия. Заместители при атомах, связанных двойной связью, могут принимать две возможные ориентации — по одну сторону от двойной связи (цис-положение) или по разные стороны (трансположение). Например, ненасыщенная жирная кислота олеиновая существует в двух изомерных формах: • оптическая изомерия. Свойственна молекулам, имеющим хиральный центр (от греч. cheir — рука). Хиральность служит причиной образования структур, которые нельзя совместить, так как они являются зеркальными изображениями друг друга (как ладони рук). Наиболее частая причина хиральных свойств — наличие в молекуле ассиметрического атома углерода, т.е. атома с четырьмя различными заместителями. Две формы — энантиомеры (греч. enantios — противоположный, meros — часть) с различной конфигурацией носят название D- и L-формы (см. главы 9 и 10). Энантиомеры имеют очень близкие химические свойства. Основное отличие между ними состоит в том, что они вращают плоскость поляризованного света в противоположных направлениях. Правовращение обозначается знаком (+) или D-, левовращение — знаком (—) или L-. Оказалось, что не все D-изомеры углеводов обладают правовращением. Например, среди углеводов D-рибоза, D-фруктоза являются левовращающими. Поэтому принято обозначать оптические изомеры и символами D- и L-, и знаками (+) и (—). Обычная форма глюкозы, встречающаяся в природе, является D(+), фруктозы — D(—)-изомерами. 5. Динамическая изомерия (кето-енольная изомерия). Карбонильная группа может быть представлена в виде альдегидной или кетонной группы По этому признаку различают, например, альдегидо- и кетоноизомеры простых углеводов (см. главу 10). 6. Изомерия, характерная для органических соединений, в молекуле которых имеется бензольное кольцо. В зависимости от расположения заместителей в бензольном кольце, различают орто-, мета- и параизомерию. Так, например, если в бензольном кольце имеются два заместителя —CH3 и —OH, то такое вещество называется крезолом (образуется в кишечнике в результате бактериального гниения соответствующих аминокислот). Изомеры крезола выглядят так: Атомы углерода в молекулах органических соединений занимают неодинаковое положение: крайние атомы углерода в цепи соединены только с одним соседним углеродным атомом и называются первичными; если атом углерода находится в середине цепи и связан с двумя соседними атомами углерода, он называется вторичным, если с тремя — третичным и т.д. Нетрудно заметить, что в нормальной цепи имеются только первичные и вторичные атомы углерода, а у изосоединений могут быть еще третичные и четвертичные атомы углерода. Внимание! Авторские права на книгу "Основы общей и биоорганической химии. Учебное пособие" (Артёмова Э.К., Дмитриев Е.В.) охраняются законодательством! |
||||||||||||||||||||||
