Органическая химия

ОРГАНИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНИК

В.Г. ИВАНОВ
В.А. ГОРЛЕНКО
О.Н. ГЕВА

Рекомендуется для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки
44.03.01 «Педагогическое образование»

8-е издание

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

УДК 547(075.8)
ББК 24.2я73
 
И201

Иванов В.Г.
И201  
Органическая химия : учебник / В.Г. Иванов, В.А. Горленко, 
О.Н. Гева. — 8-е изд. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 560 с. — (Высшее 
образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-011194-0
Изложены основы современной органической химии, сведения о стро-
ении органических веществ, о связи их строения с реакционной способ-
ностью. Наряду с общетеоретическими вопросами описаны важнейшие 
классы органических веществ. Особое внимание уделено рассмотрению 
соединений, интересных с точки зрения биологии и медицины.
Учебник создан в соответствии с требованиями федеральных государ-
ственных образовательных стандартов высшего образования последнего 
поколения.
Для студентов учреждений, реализующих программу высшего образо-
вания по направлению подготовки «Педагогическое образование» (про-
филь «Биология», профиль «Химия» (квалификация «бакалавр»)).

УДК 547(075.8)
ББК 24.2я73

Р е ц е н з е н т ы:
Филиппович Ю.Б. — доктор биологических наук, профессор, заве-
дующий кафедрой органической и биологической химии МПГУ;
Ушакова Г.И. — кандидат биологических наук, профессор, декан 
биолого-химического факультета МГОПУ

ISBN 978-5-16-011194-0
© Иванов В.Г., Горленко В.А., 
Гева О.Н., 2016

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

Подписано в печать 25.01.2019. 
Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 35,0.
ПТ10. 
ТК 390400-1016444-250615

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Предисловие

Органическая химия — одна из важнейших естественных наук, 
теоретические исследования и практические результаты которой 
проникли во все сферы деятельности человека. Достижения органической химии используются промышленностью при переработке 
нефти и газа, в производстве лекарств, витаминов, жидких кристаллов, ферментов, искусственных волокон, пластмасс и др.

Окружающий нас мир, да и мы сами построены в основном из 
органических веществ. Белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты — основные компоненты как животной, так и растительной, и бактериальной клеток. Топливо, красители, бумага, биологически активные соединения и моющие средства — вот далеко 
не полный перечень органических соединений, используемых человеком.

Предлагаемый учебник предназначен главным образом для студентов педагогических университетов и институтов, поэтому излагаемый материал содержит не только фактические данные, но и 
демонстрирует примеры обобщения знаний, показывает связь с другими предметами.

Фактический материал систематизирован по классам органических соединений и изложен по функциональному принципу, 
что дает возможность сформировать у студентов более глубокие 
знания и умение сопоставлять свойства веществ, относящихся к 
различным классам.

Общетеоретические вопросы, к которым в первую очередь относятся проблемы строения вещества и электронные эффекты, 
вынесены в отдельные разделы, однако в начале большинства глав, 
на конкретных примерах, эти представления расширяются и углубляются. Изложенный в учебнике материал позволяет найти соотношение между структурой вещества и его химическими превращениями, что создает возможность для творческого овладения курсом органической химии.

Авторы выражают глубокую признательность за ценные замечания и помощь в работе над учебником заведующему кафедрой 
органической и биологической химии МПГУ, доктору биологических наук, профессору Ю. Б. Филипповичу и кандидату биологических наук, научному сотруднику Ю. Г.Гаверовой.

Все ценные замечания и предложения, направленные на улучшение учебника, будут приняты авторами с благодарностью.

3

Введение

Органическая химия изучает углеводороды (вещества, состоящие из углерода и водорода) и их производные. Органические 
вещества были известны людям с древних времен, когда понятия 
не только органической, но и химии вообще, еще не сложились. 
Давно известны уксусная кислота, винный спирт, жиры, масла, 
красители (индиго) и др.

Несмотря на отсутствие доказательств принципиальной разницы между органическими и неорганическими соединениями, еще 
в начале XIX в. органическая химия развивалась как самостоятельная область. Это обусловили по крайней мере две особенности: 
резкое отличие свойств органических соединений от неорганических, проявляющееся в их горючести, неустойчивости к воздействию агрессивных сред (кислот, щелочей, окислителей) и т. п.;

огромное множество органических соединений, составленных 
из ограниченного числа элементов (С, Н, О, N, реже S, Р). В настоящее время известно более 4,5 млн органических соединений, 
и практически неограниченное их число может быть синтезировано.

Причина этих отличий в преобладании в органических молекулах ковалентной связи и способности ковалентносвязанного атома углерода образовывать цепи различной длины и циклы:

В результате в органической химии наблюдаются явления, несвойственные неорганической химии: гомология и изомерия.

Гомология (понятие введено в 1842 г.) — существование рядов 
органических соединений, обладающих сходными химическими 
и постепенно изменяющимися физическими свойствами, а также 
однотипной структурой, соседние члены которых отличаются на 
группу —СНг — гомологическую разность.

Изомерия (от греч. isos — равный, meros — часть) — существование нескольких веществ с одинаковым составом и молекулярной массой, но обладающих различными свойствами. Различия 
эти определяются разным химическим строением или пространственной организацией молекулы.

В ряду предельных углеводородов, в частности, наблюдается 
явление структурной изомерии, начинающееся с четвертого чле4

на гомологического ряда бутана, причем число изомеров резко 
возрастает с ростом цепи углеводорода: С4Н,0 имеет два изомера, 
С13Н28 — 802 изомера.

Классификация органических соединений позволяет разобраться 
в их многообразии. В соответствии с характером углеродного скелета и свойствами органические вещества разделяют на три больших класса.

1. Ациклические соединения (жирные, алифатические — от греч. 
aleufar — жир) с открытой цепью:

предельные жирные соединения: метан (СН4) и его гомологи;
непредельные соединения:

Н2С = СН2 н с = с н  Н2С = СН-СН=СН2

Этилен 
Ацетилен 
1,3-Бутадиен

2. Изоциклические, или карбоциклические, соединения с замкнутой цепью, состоящей только из атомов углерода (С):

алициклические соединения насыщенные и ненасыщенные:

5

Таблица 1

Основные классы монофункциональных производных 
органических соединений

Функциональная группа
Название
Класс соединений
Общая
формула

-Hal
Галогено-
Галогенопроизводные
R—Hal

-ОН
Гидрокси-
Спирты и фенолы
R—ОН

—О—R
Алкокси-
Простые эфиры
R -O -R

—SH
Сульфгидрильная
Тиоспирты
(меркаптаны)
R-SH

- s o 2o h
Сульфо-
Сульфокислоты
r - s o 2o h

- n o 2
Нитро-
Нитросоединения
r - n o 2

- n h 2- n h -
- г

Амино-
Амины
R—n h 2

—N=N—
Азо-
Азосоединения
R—N=N—R

\ /О

IIо

Карбонильная

Альдегиды

^ 0

R - C .H

Кетоны
R^
R..C" °

- с ; °ОН
Карбоксильная
Карбоновые
кислоты
R -C ^ °
R с ^ о н

карбонильную и др. Такие заместители называют функциональными 
группами, или функциями. Основные классы производных приведены в табл. 1.

6

Г л а в а  1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 

ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

1.1. СТРОЕНИЕ АТОМА

Слово атом происходит от греческого atomos — неделимый. Это 
наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Связываясь друг с другом, атомы одного или разных химических элементов образуют более сложные частицы — 
молекулы. Все многообразие химических веществ обусловлено различными сочетаниями атомов между собой.

В современной химии при объяснении свойств различных веществ широко используются квантово-механические представления о строении атомов и молекул. Еще в начале XX в. на основании исследования ряда явлений (фотоэффекта, интерференции, 
дифракции) было выявлено, что свет проявляет свойства частиц 
(фотоэффект) и волн (интерференция и дифракция), т.е. обладает двойственной корпускулярно-волновой природой.

Связь, которая существует между длиной световой волны и 
массой фотона, выражается формулой

тс

где X — длина волны; т — масса фотона; с — скорость света 
(300 000 км/с); А — постоянная Планка (6,63- 10-34 Дж с).

В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль предложил распространить эти представления не только на свет, но и на любой 
материальный объект, т.е. высказал предположение, что корпускулярно-волновая природа — универсальное свойство материального мира. Математически это нашло отражение в формуле 
де Бройля

mv ’

где т — масса частицы; v — скорость ее движения.

Однако при большой массе движущегося тела длина волны столь 
мала (= 10~27 см), что обнаружить ее практически невозможно. Поэтому корпускулярно-волновые представления распространяются 
лишь на микрочастицы. На макрообъекты, волновые свойства которых выражены в очень малой степени, распространяются законы классической механики И. Ньютона.

7

Опыты по дифракции — типичному волновому свойству, проведенные с электронами, нейтронами, атомами гелия и молекулами водорода, доказали двойственность природы любых микрочастиц. Длина волны электрона, вычисленная по формуле де Бройля, 
при обычной для электрона скорости 103 км/с составляет 0,72 нм 
и лежит в диапазоне рентгеновских волн. Скорость движения электрона в атоме очень велика. При весьма малой массе микрочастицы 
(электрона) невозможно одновременно и точно определить ее положение и скорость.

В 1927 г. немецкий ученый В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности: невозможно одновременно определить положение микрочастицы и ее скорость (импульс р = mv). Математическое выражение принципа неопределенности имеет следующий вид:

где Ад — произведение неопределенностей положения (отрезок, 
в пределах которого может находиться частица); Ар — разность 
между предельными значениями импульсов (Ар = Avm).

Из уравнений следует, что чем точнее определено положение 
частицы (чем меньше Ад), тем менее определенной становится ее 
скорость (тем больше Av). И наоборот, чем меньше Av, тем неопределенней (больше Ад) положение этой частицы.

Чем больше масса микрочастицы (2), тем в меньшей степени 
проявляется неопределенность. В связи с этим неопределенность 
положения электрона значительно больше, чем неопределенность 
в положении ядра (ядра с достаточной степенью точности относят 
к определенным точкам пространства). Для макротел принцип неопределенности не является существенным. Квантовая механика заменяет понятие точного нахождения микрочастицы понятием статистической вероятности нахождения микрочастицы в данной точке пространства, а классическое представление о траектории заменяется волновой функцией (у). Волновая функция у(х, у, z) представляет собой амплитуду трехмерной электронной волны, а ее 
квадрат (у2) характеризует вероятность пребывания электрона в 
данной точке атомного пространства. Электронные волны в атоме 
являются, по сути, стоячими волнами у-функции. Так как форма 
стоячих волн при переходе от у к у2 меняется очень мало, то они 
эквивалентны s, р, d и /-облакам электронной плотности (рис. 1).

Стоячая волна, не имеющая ни одного узла (в узле вероятность нахождения электрона ничтожно мала), равноценна .s-орбитали, имеющая один узел — р-орбитали, два узла — d-орбита-

8

j-Орбиталь 
р-Орбкталь 
i/-Орбиталь

в

Рис. 1. Стоячие волны функции у:

а — волновая функция (у); 6 — вероятность пребывания электрона в данной 
точке (у2); в — соответствующие волновым функциям (у) орбитали

ли. Следует отметить, что у2 (вероятность пребывания электрона 
в данной точке) во всех точках орбиталей имеет положительный 
знак (см. рис. 1). Знак меняется только у амплитуды волны (у). 
Знаки волновой функции не следует путать с положительным и 
отрицательным зарядами, так как все части электронных облаков 
заряжены отрицательно. Необходимо отметить, что при прохождении через узел (узловую плоскость) знак волновой функции 
меняется на противоположный.

Вычисление волновой функции вероятности нахождения электрона в определенном месте атома (или молекулы) и его энергии осуществляется с помощью волнового уравнения Шредин- 
гера

А2
-  — — V2T = E'V-V'V, 
(3)
8 п2т

Кинетическая энергия

где Е — полная энергия электрона; V — потенциальная энергии 
электрона; ¥  — волновая функция; А — постоянная Планка; т — 
масса электрона.

Быстроту изменения амплитуды трехмерной волны в пространстве, т.е. кривизну функции в пространстве, определяет V2T.

9

Кинетическая энергия в уравнении Шредингера определяется 
выражением

h2

8 к2т V2T,
(4)

которое показывает, что электрон обладает наибольшей кинетической энергией в областях с наибольшей кривизной (значением) Т-функции. Потенциальная энергия (К) представляет собой 
электростатическую энергию притяжения электрона к протону, 
находящемуся на расстоянии г. Эти уравнения устанавливают связь 
между волновыми свойствами электрона и его энергетическими 
характеристиками. Закон сохранения энергии, как и другие законы классической механики (законы сохранения массы, заряда, 
импульса), совершенно справедлив в квантовой механике. Например, легко можно узнать в уравнении Шредингера (3) уравнение, отражающее закон сохранения энергии,

Е = £’кин + U — const,

где Е — полная энергия; £кии — кинетическая энергия; U — потенциальная энергия.

Уравнение Шредингера, из которого определяют волновую 
функцию (Ч>) и энергию (£) электрона в атоме, представляет 
собой дифференциальное уравнение второго порядка, которое 
решается простыми уравнениями. Для волновых функций можно 
построить графики, которые являются трехмерными изображениями электронной плотности и называются орбиталями (s-, р-, 
d-, /-орбитали).

Уравнение Шредингера решается точно для систем, состоящих из ядра и одного электрона (это атом водорода, ионы Н2\  
Не*, Li2+, Ве3+, В4* и т.д.). Для этих простых ионов найдены все 
возможные значения волновой функции 
электрона и, следовательно, электронные облака при различных значениях энергии 
электрона.

Для более сложных атомов, в состав которых входит большее 
число электронов, уравнение Шредингера очень усложняется, так 
как следует учитывать силы взаимодействия между электронами. 
Даже для гелия при вычислении орбиталей приходится прибегать 
к сложным математическим расчетам.

Атомные орбитали можно описать с помощью набора целых 
чисел, которые называются квантовыми.

Главное квантовое число (п) характеризует энергию электрона в 
атоме: чем меньше номер энергетического уровня, тем ниже энергия электрона, и наоборот. Наименее прочно связаны с ядром 
электроны внешнего уровня. Электроны, которые движутся по 
орбиталям с близкими (по величине) значениями энергии, относят к одному энергетическому уровню. Энергетические уровни ну-

10