Что такое скелет органической молекулы
Химия
Лучшие условия по продуктам Тинькофф по этой ссылке
Дарим 500 ₽ на баланс сим-карты и 1000 ₽ при сохранении номера
. 500 руб. на счет при заказе сим-карты по этой ссылке
Лучшие условия по продуктам
ТИНЬКОФФ по данной ссылке
План урока:
Что такое органическая химия?
Современное определение органической химии:
– это раздел химической науки, который изучает способы получения углеводородов и их производных, а также свойства, полученных веществ.
Не стоит думать, что предмет органической химии очень узкий, раз объект его исследований можно описать только 2 словами, поскольку количество углеводородов и их производных достаточно превышает все неорганические вещества вместе взятые.
История изучения органической химии
Развитие органической химии, как отдельной науки, началось недавно, но с предметом ее исследования люди были знакомы очень давно.
Первые вещества органической химии получались из живых организмов – растений и животных. Например, духи изготавливались из растительных масел, спирт синтезировали благодаря брожению винограда, а красные красители и вовсе из специальных червей. Поскольку получить искусственно такие вещества из неорганических материалов люди не могли, то предположили, что для их создания нужна «живая сила».
В 1827 году понятие органической химии было введено шведским ученым Й.Я. Берцелиусом.
В 1845 году немецким ученым Г. Кольбе было доказано, что органическое вещество можно добыть из неорганических соединений, и в качестве примера он показал получение уксусной кислоты из углерода, воды, серы и хлора.
В мире стал развиваться новый предмет, получивший название «химия органического синтеза».
С помощью химического анализа было показано, что при сжигании любого органического вещества, продуктами будут вода и углекислый газ, а в отдельных случаях чистая сажа или копоть, основу которых составляет уголь.
Современная задача органической химии – изучить вещества, молекулы которых образованы связями атомов углерода.
Характеристика основного элемента органической химии
Чтобы определить свойства и потенциальные возможности вступления в химические превращения какого-либо элемента, необходимо знать особенности его строения. Какие будут образовываться химические связи и каким образом их можно разорвать зависит от элемента.
Общее строение атома углерода
Зная эти основные цифры, можно подробно разобрать схему строения углеродного атома. У него 2 составляющие: ядро,заряженное положительно и электроны, которые заряжены отрицательно и находятся в пространстве вокруг него.
Порядковый номер элемента численно равен заряду ядра и числу в нем электронов. Число нейтронов вычисляется по формуле:
где А – массовое число, Nп – число протонов, Nн – число нейтронов.
Получаем, что количество нейтронов равно: Nн = А – Nп = 12-6 = 6
На рисунке 1 видно наглядно, какое строение у атома углерода.
Рисунок 1. – Строение атома углерода
Подробное электронное строение атома углерода
Ядро элемента не несет интереса в описаниях химических реакций, так как связи образуются при объединении электронных оболочек. При их связывании и перераспределении электронной плотности образуются новые молекулы.
Электронная структура
По расположению в ПСХЭ наглядно видно, что углерод имеет:
На первом энергетическом уровне в s-орбитали у всех элементов находятся 2 электрона. (см.рис.1). Второй уровень, он же и внешний для углерода, состоит из одной s и трех p орбиталей, и расположение электронов в них зависит от того, в каком состоянии находится атом.
Основное и возбужденное состояние
В основном состоянии на s и p орбиталях расположено по 2 электрона.
Если электрону, находящемуся на s-орбитали, добавить некоторое количество энергии из вне, то он может «перескочить» в пустую p-орбиталь с большей энергией.
Возбужденное состояние атома углерода представляет собой такую конфигурацию, при которой на внешнем уроне каждая его орбиталь имеет по 1 электрону.
Переход из основного состояния в возбужденное называется активацией.
На рисунке 2 схематически изображен процесс активации.
Рисунок 2. – Переход электрона с 2s-орбитали на 2p-орбиталь под действием дополнительной энергии
Атом углерода образует связи с другими элементами и между собой благодаря объединению неспаренных электронов. Если сравним конфигурацию атома углерода в возбужденном состоянии с конфигурацией в основном, можно сделать вывод о том, что в возбужденном состоянии он способен образовать больше ковалентных связей. В этом состоянии ему нужно быстро находить в окружении себя другие элементы и химически с ними связываться, так как при отсутствии дополнительной энергетической подпитки электрон снова перейдет с p-орбитали на s.
Знание о возбужденном состоянии атома углерода позволило в дальнейшем описывать механизмы реакций, рисовать структурные формулы веществ и описывать расположение молекул в пространстве.Полученные знания в 1861 году обобщил А.М. Бутлеров.
Степень окисления
В любых соединениях степень окисления определяет, какой условный заряд имеет тот или иной элемент в молекуле, если бы все связи были ионные.
Таблица 1. – Постоянные степени окисления элементов
Молекула спирта имеет формулу СH3-CН2-ОН, найдите значения степеней окисления атомов углерода в ней.
Разбиваем молекулу по связям С-С на участки. Получаем частицы СН3— и –СН2OH.
Для тренировки постарайтесь найти степень окисления углерода в соединениях, формулы которых: СH3CH2CH3, CH2CHCOH; CH3C(NH2)CH2CH2OH.
Валентность атома углерода
Под валентностью понимают, что это то количество связей, которые образовывает химический элемент. Один из основополагающих законов органической химии гласит, что в органических соединениях у атома углерода валентность постоянна и равняется 4 (т. к. в возбужденном состоянии у него 4 неспаренных электрона)
Углеродные связи в органических веществах
В ходе протекания химической реакции органические вещества претерпевают изменения, поскольку происходит разрушение старых и образование новых связей. Глядя на молекулу, опытный химик-органик скажет, какая именно связь разрушится, под действием каких факторов и предскажет, какие продукты и какого строения получатся в конце превращения.
Одинарные химические связи углерода
При объединении 2 неспаренных электронов 2 разных элементов, образуется одинарная связь.
Рассмотрим на конкретном примере, каким образом можно изобразить на бумаге структурные формулы веществ,имеющих состав С4H9Cl.
Помня о том, сколько связей может образовывать атом углерода, рисуем углеродный скелет органической молекулы (см. рис.3 а). Связи между атомами углерода ковалентные неполярные, т.к. образованы элементами с одинаковой электроотрицательностью.
Затем добавим к этому углеродному скелету атомы водорода и хлора (см. рис 3 б). Образовавшиеся связи хлор-углерод и углерод-водород – ковалентные полярные, т.к. образованы элементами с разной электроотрицательностью.Кроме изображенной на рисунке структурной формулы, для вещества состава С4H9Cl можно записать и некоторые другие (см. рис. 3 в). Ковалентные связи, образуемые атомом углерода, позволяют создать огромное количество соединений, у которых физические и химические свойства будут уникальны.
Рисунок 3. – Этапы построения органической молекулы
Формулу органического соединения, представленного на рисунке 3 б, можно записать проще, не изображая столько разветвлений.
Кратные связи углерода
В некоторых молекулах атомы углерода могут образовывать двойные и даже тройные связи. Это такой тип связей, на которые стоит обращать внимание, изучая строение веществ, потому что их наличие в молекуле придает соединению определенные свойства. Например, соединения с чередующимися кратными и одинарными связями могут проводить электрический ток.
Помимо кратных связей между собой, атом углерода образует двойные связи и с другими элементами (N, P, O, S). На схеме ниже представлен пример органической молекулы, которая содержит связи разных типов.
Разнообразие органических молекул
Молекулы органических соединений являются «кирпичиками» в построении живой материи и различных веществ. На свойства таких веществ влияет количество атомов в молекуле и их расположение друг относительно друга в пространстве. По строению органических молекул определяют их реакционные способности, цвет и токсичность.
Знание строения материалов позволило выбирать самые качественные для использования в постройке домов, автомобилей, ракет и многих других конструкций.
Одна из задач химиков-органиков получить материалы с определенным порядком расположения молекул.
Форма, объем, а также расположение молекулы в пространстве, зависят от того, в каких направлениях в ней связаны атомы. Это может быть объемная структура, расположение в одной плоскости или линяя.
Если бы мы рассмотрели расположение орбиталей в возбужденном состоянии атома углерода, и присоединили другие элементы к его s и p орбиталям, то все получившиеся молекулы имели бы строго объемное строение, однако на практике это не так. Чтобы объяснить расположение атомов в молекуле и пространстве, было предложено понятие гибридизации.
Гибридизация
Гибридизация – объединение орбиталей атома, которые имеют разные формы (s и p). Объединенные орбитали получаются с одинаковой формой, размером и энергией (рисунок 4).
Объединяться могут не только s и p орбитали, но и d и f, однако в атоме углерода таких нет, поэтому на уроках органической химии их объединения рассматриваться не будут.
Рисунок 4. – Образование гибридных орбиталей из s и p
Основные типы гибридизации атома углерода в молекулах
Наглядно разберемся, как можно представить объединение орбиталей.
Предположим, что у нас есть синяя краска и белая краска, и мы в палитре их объединяем, т.е. смешиваем. При «смешении» мы получили краску нового голубого цвета. Тоже самое происходит и с орбиталями в атоме, только смешиваются не цвета, а формы и энергии.
Объединение орбиталей в углероде может проходить по 3 путям:
Зная, как гибридизация влияет на взаимное расположение атомов друг относительно друга, можно изобразить схематически строение молекулы любого органического вещества.
Рассмотрим молекулу, в которой есть участки с одинарными, двойными и тройными связями, и изобразим ее в пространстве (см.рис. 5).
Рисунок 5. – Пространственное расположение молекулы, в которой есть одинарные и кратные связи.
Стоит отметить, что представленные типы гибридизаций атомов в молекулах, характерны не только органическим соединением, но многим неорганическим веществам.
Важнейшие представители органических соединений
Соединения, у которых небольшое количество атомов в молекуле, простые структурные формулы и из которых путем последовательных химических реакций можно получить все остальные химические вещества, называют фундаментальными.
Самые простые органические соединения
Вещества, состоящие только из 2 видов атомов, называются простейшими. В органической химии соединения, образованные только атомами углерода и водорода, называют простыми. На их основе можно создавать другие классы органических веществ, путем замены водорода на другие группы, называемые функциональными.
Общая классификация органических молекул
Классификация органических соединений начинается с анализа углеродного скелета молекулы. Он может быть замкнутый в «кольцо» или в виде цепочки (по-научному: циклический и ациклический).
Циклические соединения делятся на те, в которых цикл состоит только из атомов углерода (тогда такие называются карбоциклические) и на те, у которых помимо него есть еще другой элемент (тогда такие соединения называют гетероциклические).
Карбоциклические подразделяются по наличию кратных связей в цикле на ароматические (когда цикл содержит кратные связи) и алициклические (в которых кратных связей не содержится).
Ациклические делятся на соединения, которые состоят только из одинарных связей (такие соединения называются предельными) и те, которые содержат в структуре углеродного скелета кратные связи (такие соединения называют непредельными).
Классификация углеводородов
Углеводороды можно разделить на разные группы по аналогичным признакам классификации органических соединений.По видам связей углеводороды делятся на те, в которых:
Каждый класс соединений вступает в химические реакции по определенным механизмам и будет рассмотрен более подробно на последующих уроках.
Агрегатные состояния простых органических веществ
Органические вещества выпускаются в мире в промышленных масштабах. Поступающие на завод вещества, называются сырьем, а выпускаемые из него – целевым продуктом.
В зависимости от того, какое сырье использует предприятие, его доставка может осуществляться разными способами: трубопроводами или с помощью транспортировочных машин.
Основная сырьевая база для производства сложных веществ и материалов – углеводороды, которые впоследствии претерпевают химические изменения и превращаются в другие вещества, которые используют для создания более сложных продуктов, например лекарств, пластмасс, клеев, пленок и др.
Самыми востребованными веществами из углеводородов являются этен и этин (вещества, в которых содержится только 2 атома углерода, которые соединены двойной и тройной связью).
Газообразные углеводороды
Этен и этин представляют собой газообразные органические вещества и для их транспортировки используют специальные газовые трубопроводы и баллоны, где они хранятся в сжиженном виде.
Изготавливают из них полимеры, например, полиэтиленовые пакеты или реактивы для более узкого органического синтеза.
Обычно, вещества в газообразном состоянии имеют в составе молекул от 1 до 4 углеродных атомов.
Жидкие органические вещества класса углеводородов
Состав таких веществ обычно подразумевает наличие атомов в своем составе больше, чем в молекулах газообразных веществ. Из-за утяжеления молекул их подвижность падает и в них могут образовываться межмолекулярные связи.
Для их транспортировки используют бочки, трубопроводы и цистерны. В составе молекул в жидком состоянии содержится от 5 до 18 атомов углерода.
Твердые углеводороды
Если увеличивать количество углеродных атомов в структуре органической молекулы, то углеводороды будут представлять из себя твердые, но пластичные материалы. Примером такого органического вещества является воск или парафин, в состав которых входят тяжелые углеводороды.
Для их транспортировки используют грузовые машины, а складывают их в коробки или ящики.
Кратко примеры агрегатных состояний органических веществ представлены в таблице 2.
Таблица 2. – Агрегатные состояния органических веществ
Органические молекулы: общий принцип строения. Урок 7
В многоклеточных организмах молекул больше, чем звёзд на небе. Основные функции в них выполняют органические молекулы — химические соединения на основе углерода. Минеральные вещества — оксиды, вода, кислород, соли и др., хотя и составляют 80% массы организма, выполняют в основном роль промежуточных метаболитов и среды для химических реакций.
Одни органические молекулы представляют собой небольшие относительно низкомолекулярные вещества (витамины, аминокислоты, органические кислоты, сахара, спирты и др.), другие – длинные цепи, состоящие из тысяч и миллионов атомов. Простые молекулы могут быть исполнителями некоторых жизненных функций:
Но большая часть низкомолекулярных веществ направлена на синтез крупных молекул. Высокомолекулярные — обычно многозвеньевые (полимерные) комплексы — называются макромолекулами (греч. macros — большой). Их делят на четыре категории:
Они являются основными химическими строительными блоками, из которых состоит весь организм. Исследованием органических молекул занимается наука биохимия. Начало современной биохимии положила демонстрация процесса ферментации вне клетки.
Органические молекулы и особенности их углеродных цепочек
Биологические системы подчиняются всем законам химии. Каркас органических молекул состоит из атомов углерода, связанных с атомами кислорода, азота, серы, фосфора и водорода. Поскольку атом углерода может образовывать до 4 ковалентных связей, молекулы, содержащие углерод могут образовывать разные цепи:
Органические молекулы, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами. Так как углеводородные ковалентные связи хранят значительное количество энергии, углеводороды являются хорошим топливом. Это, например, газ пропан, состоящий из цепи из трёх атомов углерода, связанных с восьмью атомами водорода: C3H8.
Структурная формула пропана
Теоретически длина углеродных цепочек может быть неограниченной.
Органичесие молекулы и функциональные группы
Атомы углерода и водорода обладают очень похожими электронными свойствами. Поэтому их связи распределены равномерно без разницы во влиянии над молекулярной поверхностью. По этой причине углеводороды неполярны. Многие органические вещества содержат полярные группировки. Поскольку эти группировки существенно более реакционноспособны по сравнению с углеводородными цепями, они носят название функциональных групп.
Функциональные группы имеют определённые химические свойства, которые они сохраняют в любой ситуации. Например, гидроксильная (OH) и кислотная карбоксильная (COOH) группы полярны из-за электроотрицательности атомов кислорода. Другие общие функциональные группы: фосфатная (PO4 –), которая при отщеплении даёт большое количество энергии и основная аминная (NH2). Многие их них могут образовывать водородные связи. Доноров и акцепторов водородной связи можно опознать по деятельности их электронов.
Важные функциональные группы и радикалы
Изомерия органических молекул
Органические молекулы, имеющие одну и ту же молекулярную формулу, могут существовать в разных формах, называемых изомерами.
Хиральные соединения характеризуются влиянием на поляризованный свет. Поляризованный свет имеет одну плоскость, которую хиральные молекулы поворачивают вправо или влево. В этом случае образуется две формы изомеров с различной конфигурацией (энантиомеры — подкатегрия стериоизомеров). Чаще всего энантиомеры носят названия L и D-форм. Живые системы имеют тенденцию производить только один энантиомер из двух возможных форм; например, в большинстве организмов мы находим в основном D-сахара и L-аминокислоты. Молочная кислота существует в двух формах:
Полимеры и мономеры органических молекул
В большинстве случаев органические макромолекулы являются полимерами. Полимер — это длинная молекула, построенная из объединения большого количества небольших похожих субъединиц, называемых мономерами. В упрощённом виде они похожи на железнодорожные вагоны, соединённые в поезд. Характер полимера определяется мономерами, используемыми для его построения. Вот несколько примеров полимеров и их мономеров.
Липиды тоже макромолекулы, но они не соответствуют соотношению мономер — полимер. Липиды сформированы через реакции дегидратации, которые связывают жирные кислоты с глицерином. Макромолекулы образуются в результате химической реакции дегидратации и разрушаются гидролизом.
Полимеры и мономеры органических молекул
Реакции присоединения (дегидратации)
Несмотря на различия между мономерами основных органических полимеров, химия их синтеза аналогична. При образовании ковалентной связи между двумя мономерами с одной стороны отрывается гидроксильная группа OH, с другой атом водорода, а вместе получается молекула воды Н2О.
Эта реакция характерна для присоединения нуклеотидов в молекуле ДНК и соединения молекул глюкозы, для получения крахмала. Она также используется для связывания жирных кислот и глицерина в молекулах липидов. Этот процесс называется также реакцией дегидрации, катализа или обезвоживания. Катализ осуществляется в клетке при участии ферментов.
Органические молекулы и реакция гидролиза
При разрыве мономеров происходит обратная реакция гидролиза с добавлением молекулы воды. В этой реакции атом водорода присоединяется к одной группе, а гидроксильная группа разрывает ковалентные связи. Когда вы едите картофель, ваш организм разрушает крахмал до глюкозы путём гидролиза.
Макромолекулы
Полисахариды
2. Гликоген
2. Клетки печени животных, клетки грибов.
Нуклеиновые кислоты
Протеины (белки)
Липиды
Вам будет интересно
Для стабильной работы клетки нужно, чтобы в ней постоянно продуцировалось большое количество разнообразных белков. Информация…
Углеводы – это органические молекулы, которые содержат углерод, водород и кислород в мольном соотношении 1:2:1.…
Белки выполняют ведущую роль в жизни организмов, преобладая в них и количественно. В теле животных…
Подумайте! Когда нужно начинать ориентироваться – до похода или тогда, когда уже заблудился? Какие способы…
Углеродный скелет
Углеродный скелет молекулы — последовательность химически связанных атомов углерода, составляющая основу молекулы. Кроме атомов углерода в состав скелета могут входить и другие атомы, например, кислород, сера, азот, если они связаны, по меньшей мере, с двумя атомами углерода. Некоторые атомы углерода в углеродном скелете могут быть соединены с тремя или даже четырьмя другими атомами углерода, такой углеродный скелет называют разветвлённым.
Например, в диметиловом эфире СН3-О-СН3 атом кислорода включен в скелет молекулы, а в этаноле — CH3CH2-OH — нет. Молекулы, в скелет которых, кроме атомов углерода, входят атомы других элементов, называются гетероатомными (лат. getero — «разный»).
Типы углеродных скелетов
Углеродные скелеты разделяют на следующие типы:
В гетероциклическом скелете в углеродный цикл включается одни или несколько атомов, отличных от углерода. Исторически сложилась традиция не рассматривать такие гетероатомы как функциональные группы, а считать их частью углеродного скелета. Примером гетероциклического соединения может служить печально известный никотин: 
.
В самих углеродных скелетах нужно классифицировать отдельные атомы углерода по числу химически связанных с ними атомов углерода. Если данный атом углерода связан с одним атомом углерода, то его называют первичным, с двумя — вторичным, тремя — третичным и четырьмя — четвертичным.
Поскольку атомы углерода могут образовывать между собой не только одинарные, но и кратные (двойные и тройные) связи, то соединения, содержащие только одинарные связи углерод—углерод, называют насыщенными, соединения с кратными углерод-углеродными связями называют ненасыщенными. Соединения, в которых атомы углерода связаны только с атомами водорода, называют углеводородами.
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Углеродный скелет» в других словарях:
Никотин — C10H14N2 представляет алкалоид табака, в листьях которого он находится в количестве 0,6 8,0%. В плохих сортах табака его больше, чем в хороших. Кроме того, сочные и мясистые листья имеют его также больше, чем тонкие. Н. жидок, гонится без… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Макролиды — обширная группа антибиотиков (См. Антибиотики), в структуру которых входит многочленный лактонный цикл. Все известные М. выделены из почвенных грибов рода Streptomyces и по строению и физиологическому действию разделяются на две подгруппы … Большая советская энциклопедия
Терпены и их производные — класс соединений, важных в практическом отношении и весьма интересных в теоретическом; большею частью вырабатываются и выделяются растениями в виде так наз. эфирных масел (см.), но известно также много искусственно получаемых представителей этого … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Хинин (хим.) — С20Н24О2N2.3Н2О алкалоид, встречающийся совместно с цинхонином и многочисленными другими алкалоидами в виде хинодубильных и хинокислых солей, особенно в корах цинхон (Cinchona Calysaya, С. offocinalis, С. succirubra, С. Ledgeriana и их… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ — (метаболизм), совокупность хим. процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма. Хим. превращ. в организме осуществляются в двух противоположных направлениях синтез сложных соед. из более простых (а н а б о л и з м, или а с с и м и л я ц и… … Химическая энциклопедия
триозы — простейшие углеводы (углеродный скелет состоит из 3 атомов) глицериновый альдегид и диоксиацетон. Образуются в растениях в процессе фотосинтеза, важные промежуточные продукты обмена веществ. * * * ТРИОЗЫ ТРИОЗЫ, простейшие углеводы (углеродный… … Энциклопедический словарь
Терпеноиды — Терпеноиды кислородсодержащие органические соединения (как правило, природного происхождения), углеродный скелет которых образован из изопреновых звеньев. Терпеноиды являются производными терпенов, в некоторых случаях их углеродный… … Википедия
Сапонины — Сапонины безазотистые[1] гликозиды растительного происхождения с поверхностно активными свойствами. Растворы сапонинов при взбалтывании образуют густую стойкую пену. Название происходит от латинского sapo (род. падеж saponis) мыло[2] … Википедия
Химическое строение — Настоящая статья имеет задачей изложение истории возникновения теории X. строения органических соединений и ее связи с предыдущими теориями. В значительной мере это уже выяснено в статьях Замещение, Унитарная система, Химических типов теория и… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Химия природных соединений — (ХПС) раздел органической химии, изучающий химические соединения, входящие в состав живых организмов, природные пути их превращений и методы искусственного получения. Как наука, химия природных соединений возникла одновременно с… … Википедия