Органическая химия. Краткий курс

Учебное пособие

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Москва
КУРС

ИНФРА-М

2018

В.Г. ИВАНОВ, О.Н. ГЕВА

КРАТКИЙ КУРС

УДК 547(075.8)
ББК 24.2я73

И20

Иванов В.Г., Гева О.Н.

Органическая химия. Краткий курс: учеб. пособие / В.Г. Иванов, О.Н. 

Гева.  – М.: КУРС: ИНФРА-М, 2018. — 222 с.

ISBN 978-5-905554-61-2 (КУРС)
ISBN 978-5-16-009819-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101306-9 (ИНФРА-М, online)
В пособии в краткой и лаконичной форме изложены основы современной 

органической химии. Наряду с общими теоретическими вопросами в книге изложены сведения о важнейших классах органических веществ.

Учебное пособие предназначено для учащихся средних школ и средних спе
циальных учебных заведений, изучающих химию. Книга может быть полезной 
также для абитуриентов и студентов нехимических вузов.

  
УДК547(075.8)

  
ББК 24.2я73

© Т.И. Чиркова.
© КУРС, 2014

ISBN 978-5-905554-61-2 (КУРС)
ISBN 978-5-16-009819-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101306-9 (ИНФРА-М, online)

И20

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

© Иванов В.Г., 
Гева О.Н., 2014

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Органическая химия — это наука, изучающая соединения 

углерода. Такое название ввел в начале XIX в. Й. Берцелиус, считая, что органические вещества образуются только в живом организме. Однако позже в лабораториях были синтезированы очень 
многие подобные вещества. Часть из этих веществ была синтезирована из неорганических веществ. Так, Ф. Велер (1828) синтезировал мочевину из цианата аммония, Г. Кольбе (1845) синтезировал уксусную кислоту, М. Бертло (1845) получил метан из 
H2S и CS2. Но, несмотря на это, термин «органическая химия» сохранился. Таким образом, органическая химия изучает не только 
природные вещества, но и искусственно созданные. К последним 
относят многочисленные лекарственные препараты, пластмассы, 
красители, синтетические волокна, моющие средства. Наиболее 
точное определение органической химии дал К. Шерлеммер, 
который назвал ее химией углеводородов и их производных. Таким 
образом, органические вещества всегда в своем составе содержат 
два таких элемента, как углерод и водород. Помимо этих элементов, органические вещества могут содержать в своем составе 
кислород, азот, серу, фосфор и другие атомы. В настоящее время 
известно более 14 млн органических веществ, и количество их 
увеличивается более чем на 250 тыс. в год. Для сравнения: неорганических веществ известно лишь несколько сотен тысяч.

Почему же для построения органических веществ «главным эле
ментом» был выбран углерод? На заре возникновения Земли в процессе химической эволюции происходил отбор химических элементов. В основу такого отбора природой был положен ряд основополагающих принципов.

1. Элемент должен быть широко распространен в составе встре
чающихся на Земле неорганических веществ.

2. Эти неорганические вещества для «удобства» использования 

в синтезе природных органических веществ должны быть растворимы в воде. В соответствии с современными представлениями 
первые органические вещества возникли в парофазной или водной 
среде.

3. Связи, образованные элементом (или элементами), входящи
ми в состав органических веществ, должны быть достаточно прочными. Непрочные связи способствуют быстрому разрушению молекул в достаточно агрессивной внешней среде.

4. Количество ковалентных связей, которые может образовать 

элемент, должно быть как можно большим. Это необходимо для 

создания значительного числа разнообразных органических веществ. Элементы, образующие небольшое количество связей, могут сформировать лишь очень примитивные, не очень сложные 
молекулы.

Углерод входит в десятку наиболее распространенных эле
ментов на Земле. Кроме углерода, в эту десятку входят: O, Si, Al, 
Fe, Ca, K, Na, Mg, H. Некоторые из этих элементов непригодны 
для синтеза длинных цепей при образовании сложных молекул, 
так как способны образовывать лишь одну (K, Na, H) или две 
(O, Ca, Mg) ковалентные связи. Кремний, алюминий, железо не 
подходят для синтеза сложных молекул, так как наиболее распространенные их природные соединения (SiO2, Al2O3, Fe2O3) 
нерастворимы в воде. Все это не делало эти элементы совсем 
непригодными для построения органических молекул, но в качестве основного структурного компонента они не подходили. 
Лишь один углерод отвечал всем требованиям, предъявляемым 
к «главному» химическому элементу. Такие неорганические соединения углерода, как CO2 и NaHCO3, широко распространены в природе, они хорошо растворимы в воде. Углерод имеет 
маленький радиус атома, и поэтому связи, которые он образует 
друг с другом и другими химическими элементами, короткие, 
а поэтому очень прочные. Мы помним, что чем длиннее связь 
между химическими элементами, входящими в состав молекулы, тем меньше необходимо энергии, чтобы ее разрушить. 
С другой стороны, связи, образованные атомами углерода (С-С, 
С-Н, С-О и др.), хотя и достаточно прочны, что позволяет им 
противостоять различным внешним воздействиям, но при определенных условиях могут разрываться, и молекулы вступают в 
разнообразные химические реакции. Это дает возможность для 
взаимного превращения веществ как в природе (и в том числе 
в живой клетке), так и в пробирке ученого-экспериментатора. 
Еще одним преимуществом атома углерода является его способность образовывать четыре ковалентные связи — это максимальное количество для элементов второго периода. 

Таким образом, атом углерода обладает небольшим атомным 

радиусом, что обеспечивает прочность образуемых им связей. Он 
также обладает способностью образовывать большое количество 
ковалентных связей. Все это вместе определяет склонность атомов 
углерода к образованию не только длинных линейных, но и разветвленных цепей и циклов:

Линейная 
 
Разветвленная 
Циклическая 
(циклогексан)

Важной особенностью атома углерода является способность об
разовывать одинарные, двойные и тройные связи не только друг 
с другом, но и с атомами других химических элементов, таких как 
кислород и азот:

CH3-C

O

OH

C
CH3-C

H

H2

C
CH3-C
H

CH3-C
N

H
CH3-C

H

N

Как видно из предыдущих примеров, органические вещества 

изображают в виде химических формул. Молекулярные формулы 
отражают лишь качественный и количественный состав молекулы, 
например, этиловый спирт может быть записан следующим образом: С2Н5ОН. Наиболее часто в органической химии используют 
структурные формулы. Структурная формула – это графическое 
изображение молекулы, отражающее взаимное расположение атомов и связи между ними. Этиловый спирт изображают следующим 
образом:

или сокращенно  СН3-СН2-ОН.

ГИБРИДИЗАЦИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ

Способность образовывать кратные (двойные и тройные) связи 

объясняется тем, что атом углерода при образовании связей друг с 
другом и с другими химическими элементами способен находиться 
в различных валентных состояниях (sp3-, sp2- и sp-гибридизации).

Гибридизация – это смешение «чистых» атомных орбиталей, име
ющих различную форму и энергию, с образованием гибридных 
(смешанных) орбиталей, выровненных по форме и энергии.

Атом углерода имеет следующее строение внешнего валентного 

электронного уровня:

s

p
2

2

Однако при небольшом притоке энергии один из двух 

s-электронов переходит на свободную р-орбиталь. При этом говорят, что атом углерода находится в возбужденном состоянии:

s

p
2

2
s

p
2

2

c*
c

s

p
2

2
s

p
2

2

c*
c

Возбужденное  

состояние  атома 

Четыре валентных электрона находятся на орбиталях с различ
ной энергией и имеющих различную форму (один электрон находится на s-орбитали, три других – на р-орбиталях).

Форма s-орбитали                   Форма р-орбитали

Атомные орбитали при образовании химических связей могут 

смешиваться друг с другом в различных соотношениях и образовывать гибридные, выровненные по форме и энергии, орбитали, которые образуют σ-связи с соседними атомами. Не участвующие в гибридизации р-орбитали не меняют свою форму и могут перекрываться 

боковыми поверхностями с другими негибридными орбиталями (например, с другими р-орбиталями). При смешивании s- и р-орбиталей 
в различных соотношениях возможны три варианта: одна s-орбиталь 
может гибридизоваться с тремя, двумя или одной р-орбиталями.

s

p
2

2

c*

Орбитали, участвующие 

в гибридизации

Вариант 1 (sp3-гибридизация, или первое валентное состояние). Одна 

s-орбиталь, имеющая шарообразную форму, смешивается (гибридизуется) с тремя р-орбиталями, имеющими форму равноплечей восьмерки, при этом образуются четыре гибридные орбитали, форма которых напоминает неравноплечую восьмерку. Необходимо помнить, 
что число гибридных орбиталей, образующихся в этом процессе, 
равно сумме «чистых» орбиталей, участвующих в гибридизации.

1s
3p
+
4sp3

+

Гибридизация 

орбиталей, 

принадлежащих 

одному атому

Гибридные орбитали испытывают взаимное отталкивание, так 

как на них находятся отрицательно заряженные электроны, и поэтому располагаются относительно друг друга под углом 109°28'. 

109°28'

Гибридные орбитали

Рис.  1. Строение атома углерода в sp3-гибридизации

sp3-Гибридизация встречается у атомов, которые не имеют крат
ных связей, например, у предельных углеводородов – алканов. Простейший пример – молекула метана:

Рис. 2. Строение молекулы метана

Среди простых веществ атом углерода в sp3-гибридизации встре
чается в алмазе, что придает последнему высокую твердость и сильное лучепреломление.

Вариант 2 (sp2-гибридизация, или второе валентное состояние). 

В этом валентном состоянии одна s-орбиталь гибридизируется с двумя р-орбиталями. При этом образуются три гибридные sp2-орбитали: 

1s
2p
+
3sp2

+
s sp2-гибридизация

орбиталей

Одна из трех р-орбиталей не гибридизируется и имеет форму 

равноплечей восьмерки. Три гибридные орбитали располагаются в 
одной плоскости под углом 120° относительно друг друга, в то время 
как негибридная р-орбиталь перпендикулярна этой плоскости. 

120°

 

Рис. 3. Строение атома углерода в sp2-гибридизации

sp2-Гибридизация встречается у тех атомов, которые соединены с 

другими атомами двойными связями. Примером могут служить алкены. При этом негибридные р-орбитали соседних атомов перекрываются боковыми поверхностями и образуют π-связь. У π-связи область 

перекрывания негибридных орбиталей располагается по обе стороны 
от линии, связывающей центры атомов, образующих связь:

Рис. 4. Строение молекулы этилена

Вариант 3 (sp-гибридизация, или третье валентное состояние). 

Одна s-орбиталь гибридизируется с одной р-орбиталью, при этом 
образуются две гибридные орбитали.

1s
1p
+
2sp

+

s

p
2

2

c*

Гибридные орбитали располагаются относительно друг друга под 

углом 180°.

ибридные

 

орбитали

негибридные

 

орбитали

Рис. 5. Строение атома углерода в sp-гибридизации

Две из трех р-орбиталей не гибридизуются, имеют форму равно
плечей восьмерки и могут участвовать в образовании двух π-связей 
с другими атомами. Это наблюдается у ацетиленовых углеводородов.

π-связь

sp-гибридизация

орбиталей

Негибридные 

орбитали

Гибридная 
орбиталь

Гибридная 
орбиталь

σ-связи

π-связи

Рис. 6. Строение молекулы ацетилена

Таким образом, в органических веществах существуют два типа 

связей. σ-Связи образованы путем перекрывания орбиталей соседних атомов, причем область перекрывания лежит на линии, связывающей центры атомов. В π-связях орбитали перекрываются боковыми поверхностями по обе стороны от линии, связывающей центры атомов. Таким образом, атомы в веществах могут соединяться 
одинарными σ-связями (например, С-С, С-Н, С-О связи) или сочетанием одной σ- и одной π-связей (С=С, С=О) или одной σ- и двух 
π-связей (С
N). В образовании σ-связи могут участво
вать чистые s- и р-орбитали, а также гибридные орбитали (sp3, sp2

и sp). В образовании π-связей участвуют негибридные р-орбитали.

π-связь                 σ-связь

Рис. 7. Схема σ- и π-связей.

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО 

СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ 

А.М. БУТЛЕРОВА

Предпосылками создания теории строения органических ве
ществ явились разработки немецкого химика А. Кекуле (1857). Им 
была разработана применительно для органических веществ теория 
валентности, которая предусматривала, что во всех соединениях