Основы теоретических представлений в органической химии

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

МИнИстЕрство образованИя И наУкИ россИйской ФЕдЕрацИИ

УральскИй ФЕдЕральный УнИвЕрсИтЕт  

ИМЕнИ пЕрвого прЕзИдЕнта россИИ б. н. ЕльцИна

основы тЕорЕтИЧЕскИХ 
прЕдставлЕнИй
в органИЧЕской ХИМИИ

Учебное пособие

рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов,
обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры
по направлению подготовки  
18.03.01, 18.04.01 «Химическая технология»

© Уральский федеральный университет, 2017

а в т о р ы:
Е. н. Уломский, л. И. русинова, о. в. Шабунина, в. л. русинов

р е ц е н з е н т ы:
кафедра химии Уральского государственного аграрного университета
(заведующий кафедрой доктор технических наук,  
профессор н. М. барбин);
Е. б. горбунов, кандидат химических наук
(Институт органического синтеза Уро ран)

н ау ч н ы й  р е д а к т о р
доктор химических наук г. в. зырянов

Удк 547(075.8)
ббк 24.2я73-1
      о-753

основы теоретических представлений в органической химии : 
учеб. пособие / [Е. н. Уломский, л. И. русинова, о. в. Шабунина, 
в. л. русинов ; науч. ред. г. в. зырянов] ; М-во образования и науки 
рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург : Изд-во Урал. 
ун-та, 2017. — 56 с.

ISBN 978-5-7996-2241-1

в учебное пособие включены наиболее сложные для усвоения разделы 
органической химии: строение атомов; химические связи, образующие органические 
молекулы; образование, свойства и конфигурация ковалентных связей 
в молекуле и др.
пособие рекомендуется для самостоятельной работы студентов, изучающих 
дисциплины «органическая химия», «специальные главы органической химии», 
«Механизмы органических реакций», «строение и реакционная способность 
органических соединений».

о-753

Удк 547(075.8)
ббк 24.2я73-1

ISBN 978-5-7996-2241-1

Введение ......................................................................................................... 4 

1. Задачи органической химии .................................................................. 5

2. Необходимые сведения о строении атома ............................................ 7
 
2.1. строение атома. атомные орбитали .............................................. 7
 
2.2. конфигурация атомных орбиталей и их взаимное  
 
расположение .......................................................................................... 9
 
2.3. правила заполнения атомных орбиталей электронами ............. 12

3. Химические связи, образующие органические молекулы ............. 15
 
3.1. заполнение электронных оболочек с образованием ионов ....... 16
 
3.2. обобществленные пары электронов. ковалентная связь .......... 18

4. Образование, свойства и конфигурация ковалентных связей...... 23
 
4.1. образование молекулярных орбиталей из атомных орбиталей ... 23
 
4.2. конфигурация связывающих и разрыхляющих молекулярных  
 
орбиталей ............................................................................................... 24
 
4.3. способы перекрывания атомных орбиталей и виды  
 
ковалентных связей............................................................................... 25
 
4.4. Энергия и длина ковалентной связи ............................................ 27
 
4.5.  взаимное расположение ковалентных связей в молекуле ........ 29

5. Электронные эффекты в органической химии................................ 37
 
5.1. Индуктивный эффект .................................................................... 37
 
5.2. Эффекты сопряжения .................................................................... 39
 
5.3. резонанс .......................................................................................... 42

6. Теория кислот и оснований в органической химии  ....................... 44
 
6.1. кислоты бренстеда ........................................................................ 44
 
6.2. основания бренстеда..................................................................... 49
 
6.3. кислоты льюиса ............................................................................ 51
 
6.4. основания льюиса......................................................................... 52

список рекомендуемой литературы ........................................................... 53
контрольные вопросы и задания ................................................................ 54

Оглавление

органическая химия является центральной среди наук, об-
разующих современную химию, что обусловлено многообразием 
задач, решаемых этой дисциплиной. среди объектов исследования 
органической химии большинство биологически активных соеди-
нений — лекарства, яды, гормоны, вкусовые добавки, ароматиче-
ские вещества и проч. сами живые организмы также построены 
из органических молекул. кроме того, органические соединения 
используются в качестве красителей, конструкционных материа-
лов, реагентов для химического анализа и многого прочего. Число 
известных соединений, называемых органическими, в настоящее 
время огромно (несколько миллионов), и специалист должен уметь 
ориентироваться в этом многообразии. для случайного наблюдателя 
органические реакции представляются странным хаосом непонят-
ных превращений, но химик способен предвидеть за сложной сме-
сью веществ и условий реакции вполне определенные результаты. 
Если в ХIХ и даже в начале ХХ в. свойства многих органических 
веществ были полной загадкой для специалистов, то сейчас органи-
ческая химия являет собой стройную и логичную систему знаний, 
которая в большинстве случаев позволяет прогнозировать результат 
на основании комплекса теоретических представлений.

ввеДение

основной особенностью органической химии является внима-
тельное отношение к строению сложных органических молекул, 
что позволяет найти в них активные центры и предвидеть результат 
химической реакции. таким образом, задачи органической химии 
решаются на основе изучения строения органических молекул:
1. выделение органических соединений в чистом виде из при-
родного сырья (ископаемого, растительного, животного).
2. синтез органических соединений и выделение их в чистом 
виде.
3. Установление химического строения веществ, полученных 
путем синтеза или выделенных из природного сырья.
4. Установление взаимосвязи между структурой органических 
соединений и их химическими, физическими и биологическими 
свойствами (реакционной способностью, агрегатным состоянием, 
растворимостью, механической прочностью, цветом, токсичностью 
и проч.).
основанием для такой связи является структурная теория 
(а. М. бутлеров, 1861), ее основные положения:
1. атомы в химических соединениях связаны особыми сила-
ми — химическими связями. 
2. атомы в химических соединениях расположены (связаны) 
в определенном порядке, который называется химическим строе-
нием.
3. Химические и физические характеристики вещества полно-
стью зависят от химического строения молекул (от природы атомов, 
их количества и взаимного расположения).
4. по свойствам данного вещества можно определить строение 
его молекулы, а по строению молекулы — предвидеть свойства.

1. ЗаДачи ОрганическОй химии

5. атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное 
влияние друг на друга.
таким образом, для того чтобы предвидеть свойства органи-
ческих веществ, необходимо знание свойств химических связей, 
объединяющих атомы в органические молекулы. 

2. неОбхОДимые свеДения  
О стрОении атОма

2.1. Строение атома. Атомные орбитали

атом — электрически нейтральная частица, состоящая из цен-
трального тяжелого положительно заряженного ядра и очень легких, 
подвижных отрицательно заряженных электронов, образующих 
электронную оболочку. 
размер ядра приблизительно в 10 000 раз меньше размера атома 
(10–14 против 10–10 м). ядро содержит два вида частиц: нейтроны (за-
ряд — 0) и протоны, заряженные положительно (заряд протона, — 
1,6 · 10–19 кл, является величиной элементарной (неделимой) и обо-
значается +1). Масса протонов и нейтронов одинакова (1 углеродная 
единица (у.е.), или 1,67 · 10–27 кг). тип атома определяется зарядом 
ядра, то есть количеством протонов в нем (что соответствует по-
рядковому номеру атома в периодической системе элементов). так, 
ядро основного изотопа атома азота (порядковый номер 7, масса — 
14 у.е.) состоит из семи протонов и семи нейтронов. 
количество электронов (элементарный заряд электрона –1) 
в атоме равно числу протонов в нем. расположение электронов 
около ядра организовано в виде так называемой электронной обо-
лочки (рис. 1). Эта атомная электронная оболочка построена впол-
не определенным образом, и ее структура решительно влияет на 
свойства атома. поэтому необходимо краткое описание основных 
принципов ее строения. 
движение электрона около ядра происходит настолько быстро, 
что не имеет смысла искать его конкретные координаты. 
скорость движения электронов около ядра очень высока, и пото-
му имеет смысл говорить не о положении электрона в определенный 
момент времени, а об области пространства, в которой этот электрон 

находится с большой вероятностью. такая область пространства 
называется атомной орбиталью (ао).

рис. 1. траектория электрона около ядра

орбитали существуют независимо от того, находится на них 
электрон (занятые орбитали) или отсутствует (вакантные орбитали). 
атом каждого элемента, начиная с водорода и заканчивая последним 
полученным на сегодня элементом, имеет полный набор всех ор-
биталей на всех электронных уровнях. Их заполнение электронами 
происходит по мере увеличения порядкового номера, то есть заряда 
ядра. так, при окислении атома водорода образуется протон (н+).

 
н — 1ē → н+

понятно, что с потерей электрона ао не исчезает, а только 
пустеет. такая незанятая ао называется вакантной (обозначена 
пустой ячейкой ).

 
н — 1ē →  н+

таким образом — область пространства, которая занята или 
может быть занята электронами. 
атомные орбитали разных типов отличаются друг от друга 
формой и энергией и обозначаются символами: s, p, d, f и т. д. поэтому 
ао — область пространства, которая занята или может быть 
занята электронами. Энергия электрона (Е), расположенного на ао, 
определяется сочетанием квантовых чисел n, l, m и s. значение этих 
чисел указывает не только энергетический уровень, но и форму ао. 

ē

Энергия, форма и взаимное расположение являются важнейшими 
характеристиками атомных орбиталей, причем важнейшая из них — 
энергия ао. Эта энергия описывается с помощью универсальной 
функции ψ, рассчитываемой по уравнению Шредингера (1) на основании 
законов квантовой механики.

 

2
2
2
2

2
2
2
2
8
h
U
E
m
x
y
z

ψ
ψ


−
∂ ψ
∂ ψ
∂ ψ
+
+
+
=


π
∂
∂
∂




, 
(1)

где m — масса электрона;
h — постоянная планка;
U — потенциальная энергия электрона;
Е — полная энергия электрона.
для перехода электрона с одной ао на более высокую электрон 
поглощает фиксированное (неделимое) количество энергии — квант 
(E = hn). при переходе электрона на нижнюю ао происходит излучение 
одного кванта, а не выделение нескольких произвольных 
порций энергии. такой принцип энергетического взаимодействия 
атома с окружающим его миром называется квантованием. 

2.2. Конфигурация атомных орбиталей  
и их взаимное расположение

выражение (2) является условием существования электрона 
(присутствие его в бесконечном пространстве).

 

2

0
1
p
d

∞
=
ψ
υ =
∫
, 
(2)

где p — вероятность нахождения электрона в бесконечном объеме.
с помощью функции ψ определяют конфигурацию ао. при 
подстановке значения вероятности (p), равного 0,9 (выражение 3), 
узнают величину и конфигурацию объема V, занимаемого атомной 
орбиталью (рис. 1). 

 

2

0
1
V
p
d
=
ψ
υ =
∫
, 
(3)

где p — вероятность нахождения электрона в объеме V.

Формы ао известны из курса общей химии: это сферическая 
s-орбиталь, гантелеобразная p-орбиталь (рис. 2), четырехлепестко-
вая розетка d-орбитали.
s-орбитали имеют сферическую форму и, следовательно, одинаковую 
электронную плотность в направлении каждой оси трех-
мерных координат. на первом электронном уровне каждого атома 
находится только одна s-орбиталь. начиная со второго электронного 
уровня, помимо s-орбитали, появляются также три р-орбитали. они 
имеют форму объемных восьмерок, именно так выглядит область 
наиболее вероятного местонахождения р-электрона в районе атом-
ного ядра. каждая р-орбиталь расположена вдоль одной из трех 
взаимоперпендикулярных осей, в соответствии с этим в названии 
р-орбитали указывают с помощью соответствующего индекса ту 
ось, вдоль которой располагается ее максимальная электронная 
плотность (рис. 2, 3).
с появлением узловых плоскостей (поверхностей смены знака 
функции ψ) конфигурация ао усложняется (рис. 4), а ее энергия 
возрастает. для s-орбитали количество таких узловых плоскостей 
равно нулю, для p-ао = 1, для d-ао = 2.
атомные орбитали с размещенными на них электронами пред-
ставляют собой области отрицательного заряда, поэтому их взаим-
ное расположение в атоме определяется взаимным отталкиванием. 
Уравновешенность сил отталкивания приводит к снижению энергии 
ао и, следовательно, энергии всего атома.
так, три р-орбитали имеют одинаковую «гантелеобразную» кон-
фигурацию, и силы отталкивания полностью сбалансированы только 
при условии их взаимно перпендикулярного расположения (рис. 5).

 
s-ао 
р-ао

рис. 2. конфигурации ао

вид графика волновой 
функции ψ
s-AO
p-AO

знаки функции ψ

конфигурация ао

рис. 3. графики функции ψ и конфигурации ао

 
s-AO 
p-AO
d-AO

рис. 4. поверхности смены знака функций ψ в ао

рис. 5. конфигурации р-орбитали

90°