Twórca teorii budowy chemicznej substancji organicznych. Teoria budowy substancji organicznych

Tak jak w chemii nieorganicznej podstawową podstawą teoretyczną jest prawo okresowości i układ okresowy pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa, tak w chemii organicznej wiodącą podstawą naukową jest teoria budowy związków organicznych Butlerowa-Kekule-Coopera.

Jak każda teoria naukowa, teoria budowy związków organicznych była wynikiem uogólnienia najbogatszego materiału faktograficznego zgromadzonego przez chemię organiczną, która ukształtowała się jako nauka na początku XIX wieku. Odkrywano coraz więcej nowych związków węgla, których liczba rosła lawinowo (tab. 1).

Tabela 1
Liczba związków organicznych znanych w różnych latach

Aby wyjaśnić tę różnorodność związków organicznych, naukowcy z początku XIX wieku. nie móc. Jeszcze więcej pytań budziło zjawisko izomerii.

Na przykład alkohol etylowy i eter dimetylowy są izomerami: substancje te mają ten sam skład C 2 H 6 O, ale inną strukturę, to znaczy inną kolejność połączeń atomów w cząsteczkach, a zatem różne właściwości.

Znany wam już F. Wöhler w jednym ze swoich listów do J. J. Berzeliusa tak opisał chemię organiczną: „Chemia organiczna może teraz doprowadzić każdego do szaleństwa. Wydaje mi się gęstym lasem, pełnym niesamowitych rzeczy, bezkresnym gąszczem, z którego nie można się wydostać, gdzie nie odważysz się przeniknąć ... ”

Duży wpływ na rozwój chemii miała praca angielskiego naukowca E. Franklanda, który opierając się na ideach atomizmu, wprowadził pojęcie wartościowości (1853).

W cząsteczce wodoru H2 powstaje jedno kowalencyjne wiązanie chemiczne H-H, tj. wodór jest jednowartościowy. Wartościowość pierwiastka chemicznego można wyrazić liczbą atomów wodoru, które jeden atom pierwiastka chemicznego przyłącza do siebie lub zastępuje. Na przykład siarka w siarkowodorze i tlen w wodzie są dwuwartościowe: H2S lub H-S-H, H2O lub H-O-H, a azot w amoniaku jest trójwartościowy:

W chemii organicznej pojęcie „wartościowości” jest analogiczne do pojęcia „stanu utlenienia”, z którym jesteś przyzwyczajony podczas zajęć z chemii nieorganicznej w szkole podstawowej. Jednak nie są one takie same. Na przykład w cząsteczce azotu N 2 stopień utlenienia azotu wynosi zero, a wartościowość wynosi trzy:

W nadtlenku wodoru H 2 O 2 stopień utlenienia tlenu wynosi -1, a wartościowość wynosi dwa:

W jonie amonowym NH + 4 stopień utlenienia azotu wynosi -3, a wartościowość wynosi cztery:

Zwykle w odniesieniu do związków jonowych (chlorek sodu NaCl i wiele innych substancji nieorganicznych z wiązaniem jonowym) nie używa się terminu „wartościowość” atomów, ale uwzględnia się ich stopień utlenienia. Dlatego w chemii nieorganicznej, gdzie większość substancji ma budowę niemolekularną, lepiej jest używać pojęcia „stan utlenienia”, a w chemii organicznej, gdzie większość związków ma budowę molekularną, z reguły używa się pojęcia "wartościowość".

Teoria budowy chemicznej jest wynikiem uogólnienia idei wybitnych ekologów z trzech krajów europejskich: Niemca F. Kekule, Anglika A. Coopera i Rosjanina A. Butlerowa.

W 1857 r. F. Kekule zaklasyfikował węgiel jako pierwiastek czterowartościowy, aw 1858 r. wraz z A. Cooperem zauważył, że atomy węgla mogą łączyć się ze sobą w różne łańcuchy: liniowy, rozgałęziony i zamknięty (cykliczny).

Prace F. Kekule i A. Coopera posłużyły jako podstawa do opracowania teorii naukowej wyjaśniającej zjawisko izomerii, związku między składem, strukturą i właściwościami cząsteczek związków organicznych. Taką teorię stworzył rosyjski naukowiec A. M. Butlerow. To jego dociekliwy umysł „odważył się przeniknąć” do „gęstego lasu” chemii organicznej i rozpocząć przekształcanie tego „bezkresnego gąszczu” w regularny, wypełniony słońcem park z systemem ścieżek i alejek. Główne idee tej teorii zostały po raz pierwszy wyrażone przez A. M. Butlerova w 1861 r. Na kongresie niemieckich przyrodników i lekarzy w Speyer.

Krótko sformułuj główne założenia i konsekwencje teorii Butlerova-Kekule-Coopera dotyczącej budowy związków organicznych w następujący sposób.

1. Atomy w cząsteczkach substancji są połączone w określonej kolejności zgodnie z ich wartościowością. Węgiel w związkach organicznych jest zawsze czterowartościowy, a jego atomy mogą łączyć się ze sobą, tworząc różne łańcuchy (liniowe, rozgałęzione i cykliczne).

Związki organiczne można układać w szeregi substancji o podobnym składzie, strukturze i właściwościach - szeregi homologiczne.

Butlerow Aleksander Michajłowicz (1828-1886), rosyjski chemik, profesor Uniwersytetu Kazańskiego (1857-1868), od 1869 do 1885 - profesor Uniwersytetu Petersburskiego. Akademik Petersburskiej Akademii Nauk (od 1874). Twórca teorii budowy chemicznej związków organicznych (1861). Przewidywał i badał izomerię wielu związków organicznych. Zsyntetyzował wiele substancji.

Na przykład metan CH 4 jest przodkiem homologicznej serii węglowodorów nasyconych (alkanów). Jego najbliższym homologiem jest etan C 2 H 6 lub CH 3 -CH 3. Kolejnymi dwoma członkami homologicznej serii metanu są propan C 3 H 8 lub CH 3 -CH 2 -CH 3 i butan C 4 H 10 lub CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 itd.

Łatwo zauważyć, że dla szeregu homologicznego można wyprowadzić ogólny wzór na szereg. Tak więc dla alkanów ten ogólny wzór to C n H 2n + 2.

2. Właściwości substancji zależą nie tylko od ich składu jakościowego i ilościowego, ale także od struktury ich cząsteczek.

Takie stanowisko teorii budowy związków organicznych wyjaśnia zjawisko izomerii. Oczywiście dla butanu C 4 H 10, oprócz cząsteczki o strukturze liniowej CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, możliwa jest również struktura rozgałęziona:

Jest to zupełnie nowa substancja o własnych, indywidualnych właściwościach, różniących się od butanu liniowego.

Butan, w cząsteczce którego atomy ułożone są w łańcuch liniowy, nazywany jest butanem normalnym (n-butanem), a butan, którego łańcuch atomów węgla jest rozgałęziony, nazywany jest izobutanem.

Istnieją dwa główne typy izomerii - strukturalna i przestrzenna.

Zgodnie z przyjętą klasyfikacją wyróżnia się trzy typy izomerii strukturalnej.

Izomeria szkieletu węglowego. Związki różnią się kolejnością wiązań węgiel-węgiel, na przykład rozważany jest n-butan i izobutan. To właśnie ten typ izomerii jest charakterystyczny dla alkanów.

Izomeria pozycji wiązania wielokrotnego (C=C, C=C) lub grupy funkcyjnej (tj. grupy atomów, która określa, czy związek należy do określonej klasy związków organicznych), na przykład:

Izomeria międzyklasowa. Izomery tego typu izomerii należą do różnych klas związków organicznych, na przykład alkoholu etylowego (klasa nasyconych alkoholi jednowodorotlenowych) i eteru dimetylowego (klasa eterów) omówionych powyżej.

Istnieją dwa rodzaje izomerii przestrzennej: geometryczna i optyczna.

Izomeria geometryczna jest charakterystyczna przede wszystkim dla związków z podwójnym wiązaniem węgiel-węgiel, ponieważ cząsteczka ma płaską strukturę w miejscu takiego wiązania (ryc. 6).

Ryż. 6.
Model cząsteczki etylenu

Na przykład dla butenu-2, jeśli te same grupy atomów przy atomach węgla w wiązaniu podwójnym znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny wiązania C=C, to cząsteczka jest cisisomerem, jeśli po przeciwnych stronach jest transizomerem .

Izomerię optyczną posiadają na przykład substancje, których cząsteczki mają asymetryczny lub chiralny atom węgla związany z czterema różnorodny zastępcy. Izomery optyczne są swoimi lustrzanymi odbiciami, jak dwie dłonie i nie są kompatybilne. (Teraz, oczywiście, druga nazwa tego typu izomerii stała się dla ciebie jasna: greckie chiros - ręka - próbka figury asymetrycznej.) Na przykład w postaci dwóch izomerów optycznych występuje 2-hydroksypropanowy (mlekowy ) kwas zawierający jeden asymetryczny atom węgla.

Cząsteczki chiralne mają pary izomerów, w których cząsteczki izomerów są powiązane ze sobą w swojej organizacji przestrzennej w taki sam sposób, jak obiekt i jego lustrzane odbicie są ze sobą powiązane. Para takich izomerów ma zawsze te same właściwości chemiczne i fizyczne, z wyjątkiem aktywności optycznej: jeśli jeden izomer obraca płaszczyznę światła spolaryzowanego zgodnie z ruchem wskazówek zegara, to drugi koniecznie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Pierwszy izomer nazywa się prawoskrętnym, a drugi lewoskrętnym.

Znaczenie izomerii optycznej w organizacji życia na naszej planecie jest bardzo duże, ponieważ izomery optyczne mogą znacznie różnić się zarówno aktywnością biologiczną, jak i kompatybilnością z innymi naturalnymi związkami.

3. Atomy w cząsteczkach substancji wpływają na siebie nawzajem. W dalszej części kursu rozważysz wzajemny wpływ atomów w cząsteczkach związków organicznych.

Współczesna teoria budowy związków organicznych opiera się nie tylko na strukturze chemicznej, ale także elektronowej i przestrzennej substancji, co jest szczegółowo rozpatrywane na poziomie profilu nauk chemicznych.

W chemii organicznej szeroko stosuje się kilka rodzajów wzorów chemicznych.

Wzór cząsteczkowy odzwierciedla jakościowy skład związku, to znaczy pokazuje liczbę atomów każdego z pierwiastków chemicznych, które tworzą cząsteczkę substancji. Na przykład wzór cząsteczkowy propanu to C 3 H 8 .

Wzór strukturalny odzwierciedla kolejność łączenia atomów w cząsteczce według wartościowości. Wzór strukturalny propanu to:

Często nie ma potrzeby szczegółowego przedstawiania wiązań chemicznych między atomami węgla i wodoru, dlatego w większości przypadków stosuje się skrócone wzory strukturalne. W przypadku propanu taki wzór jest zapisany w następujący sposób: CH 3 -CH 2 -CH 3.

Strukturę cząsteczek związków organicznych odzwierciedla się za pomocą różnych modeli. Najbardziej znane są modele wolumetryczne (w skali) i kulowo-patykowe (ryc. 7).

Ryż. 7.
Modele cząsteczki etanu:
1 - piłka i kij; 2 - skala

Nowe słowa i pojęcia

1. Izomeria, izomery.
2. Wartościowość.
3. Struktura chemiczna.
4. Teoria budowy związków organicznych.
5. Szeregi homologiczne i różnica homologiczna.
6. Wzory molekularne i strukturalne.
7. Modele cząsteczek: objętościowy (skalowy) i sferyczny.

Pytania i zadania

1. Co to jest wartościowość? Czym różni się od stanu utlenienia? Podaj przykłady substancji, w których wartości stopnia utlenienia i wartościowości atomów są liczbowo takie same i różne,
2. Określ wartościowość i stopień utlenienia atomów w substancjach o wzorach Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
3. Co to jest izomeria; izomery?
4. Co to jest homologia; homologi?
5. Jak, wykorzystując wiedzę o izomerii i homologii, wyjaśnić różnorodność związków węgla?
6. Co oznacza budowa chemiczna cząsteczek związków organicznych? Sformułować stanowisko teorii budowy wyjaśniające różnice we właściwościach izomerów Sformułować stanowisko teorii budowy wyjaśniającej różnorodność związków organicznych.
7. Jaki wkład w tę teorię wnieśli wszyscy naukowcy - twórcy teorii budowy chemicznej? Dlaczego wkład rosyjskiego chemika odegrał wiodącą rolę w powstaniu tej teorii?
8. Możliwe, że istnieją trzy izomery o składzie C 5 H 12. Zapisz ich pełne i skrócone wzory strukturalne,
9. Zgodnie z modelem cząsteczki substancji przedstawionym na końcu akapitu (patrz ryc. 7), uzupełnij jego cząsteczkowe i skrócone wzory strukturalne.
10. Oblicz udział masowy węgla w cząsteczkach pierwszych czterech członków szeregu homologicznego alkanów.

Podstawa do stworzenia teorii budowy chemicznej związków organicznych A.M. Butlerowa była teoria atomowa i molekularna (prace A. Avagadro i S. Cannizzaro). Błędem byłoby sądzić, że przed swoim powstaniem świat nie wiedział nic o substancjach organicznych i nie podejmowano prób uzasadnienia budowy związków organicznych. Do 1861 r. (rok, w którym A.M. Butlerov stworzył teorię budowy chemicznej związków organicznych) liczba znanych związków organicznych osiągnęła setki tysięcy, a wyodrębnienie chemii organicznej jako samodzielnej nauki nastąpiło już w 1807 r. (J. Berzelius) .

Podstawy teorii budowy związków organicznych

Szerokie badanie związków organicznych rozpoczęło się w XVIII wieku od prac A. Lavoisiera, który wykazał, że substancje otrzymywane z żywych organizmów składają się z kilku pierwiastków - węgla, wodoru, tlenu, azotu, siarki i fosforu. Ogromne znaczenie miało wprowadzenie terminów „rodnik” i „izomeria”, a także ukształtowanie się teorii rodników (L. Giton de Morvo, A. Lavoisier, J. Liebig, J. Dumas, J. Berzelius) , powodzenie w syntezie związków organicznych (mocznik, anilina, kwas octowy, tłuszcze, substancje cukrowopodobne itp.).

Termin „struktura chemiczna”, a także podstawy klasycznej teorii budowy chemicznej, zostały po raz pierwszy opublikowane przez A.M. Butlerowa w dniu 19 września 1861 r. w jego referacie na Kongresie Niemieckich Przyrodników i Lekarzy w Spirze.

Główne postanowienia teorii struktury związków organicznych A.M. Butlerow

1. Atomy tworzące cząsteczkę substancji organicznej są ze sobą połączone w określonej kolejności, a jedna lub więcej wartościowości każdego atomu jest zużywana na wiązanie się ze sobą. Nie ma wolnych wartościowości.

Butlerow nazwał sekwencję łączenia atomów „strukturą chemiczną”. Graficznie wiązania między atomami zaznaczono linią lub kropką (ryc. 1).

Ryż. 1. Budowa chemiczna cząsteczki metanu: A - wzór strukturalny, B - wzór elektronowy

2. Właściwości związków organicznych zależą od budowy chemicznej cząsteczek, tj. właściwości związków organicznych zależą od kolejności, w jakiej atomy są połączone w cząsteczce. Studiując właściwości, możesz zobrazować substancję.

Rozważmy przykład: substancja ma ogólny wzór C 2 H 6 O. Wiadomo, że gdy ta substancja oddziałuje z sodem, uwalnia się wodór, a gdy działa na nią kwas, tworzy się woda.

do 2 H 6 O + Na = do 2 H 5 ONa + H 2

C2H6O + HCl \u003d C2H5Cl + H2O

Substancja ta może odpowiadać dwóm wzorom strukturalnym:

CH 3 -O-CH 3 - aceton (keton dimetylowy) i CH 3 -CH 2 -OH - alkohol etylowy (etanol),

na podstawie właściwości chemicznych charakterystycznych dla tej substancji wnioskujemy, że jest to etanol.

Izomery to substancje, które mają taki sam skład jakościowy i ilościowy, ale inną budowę chemiczną. Istnieje kilka rodzajów izomerii: strukturalna (liniowa, rozgałęziona, szkielet węglowy), geometryczna (izomeria cis i trans, charakterystyczna dla związków z wielokrotnym wiązaniem podwójnym (ryc. 2)), optyczna (lustrzana), stereo (przestrzenna, charakterystyczne dla substancji, które mogą znajdować się w przestrzeni na różne sposoby (ryc. 3)).

Ryż. 2. Przykład izomerii geometrycznej

3. Na właściwości chemiczne związków organicznych mają również wpływ inne atomy obecne w cząsteczce. Takie grupy atomów nazywane są grupami funkcyjnymi, ponieważ ich obecność w cząsteczce substancji nadaje jej szczególne właściwości chemiczne. Na przykład: -OH (grupa hydroksylowa), -SH (grupa tio), -CO (grupa karbonylowa), -COOH (grupa karboksylowa). Ponadto właściwości chemiczne materii organicznej zależą w mniejszym stopniu od szkieletu węglowodorowego niż od grupy funkcyjnej. To właśnie grupy funkcyjne zapewniają różnorodność związków organicznych, ze względu na które są one klasyfikowane (alkohole, aldehydy, kwasy karboksylowe itp. Grupy funkcyjne zawierają niekiedy wiązania węgiel-węgiel (wielokrotne podwójne i potrójne). grupy funkcyjne, to nazywa się to homopolifunkcyjnymi (CH 2 (OH) -CH (OH) -CH 2 (OH) - gliceryna), jeśli kilka, ale różne - heteropolifunkcyjne (NH 2 -CH (R) -COOH - aminokwasy) .

Ryc.3. Przykład stereoizomerii: a - cykloheksan w postaci "krzesła", b - cykloheksan w postaci "kąpieli"

4. Wartościowość węgla w związkach organicznych wynosi zawsze cztery.

Największym wydarzeniem w rozwoju chemii organicznej było stworzenie w 1961 roku przez wielkiego rosyjskiego naukowca RANO. Butlerow teoria budowy chemicznej związków organicznych.

przed południem Butlerowa uznano za niemożliwe poznanie struktury cząsteczki, to znaczy kolejności wiązania chemicznego między atomami. Wielu naukowców zaprzeczało nawet istnieniu atomów i cząsteczek.

RANO. Butlerow obalił tę opinię. Zaczął od prawej materialistyczny i filozoficzne idee dotyczące realności istnienia atomów i cząsteczek, możliwości poznania chemicznego wiązania atomów w cząsteczce. Pokazał, że strukturę cząsteczki można ustalić empirycznie, badając przemiany chemiczne substancji. I odwrotnie, znając strukturę cząsteczki, można wyprowadzić właściwości chemiczne związku.

Teoria budowy chemicznej wyjaśnia różnorodność związków organicznych. Wynika to ze zdolności węgla czterowartościowego do tworzenia łańcuchów i pierścieni węglowych, łączenia się z atomami innych pierwiastków oraz występowania izomerii w budowie chemicznej związków organicznych. Teoria ta położyła naukowe podstawy chemii organicznej i wyjaśniła jej najważniejsze prawidłowości. Podstawowe zasady jego teorii A.M. Butlerow stwierdził w raporcie „O teorii budowy chemicznej”.

Główne postanowienia teorii struktury są następujące:

1) w cząsteczkach atomy są połączone ze sobą w określonej kolejności zgodnie z ich wartościowością. Kolejność wiązań atomów nazywana jest strukturą chemiczną;

2) właściwości substancji zależą nie tylko od tego, które atomy iw jakiej ilości wchodzą w skład jej cząsteczki, ale także od kolejności, w jakiej są one połączone, to znaczy od budowy chemicznej cząsteczki;

3) atomy lub grupy atomów tworzące cząsteczkę wzajemnie na siebie wpływają.

W teorii budowy chemicznej wiele uwagi poświęca się wzajemnemu oddziaływaniu atomów i grup atomów w cząsteczce.

Nazywa się wzory chemiczne, które pokazują kolejność, w jakiej atomy łączą się w cząsteczki wzory strukturalne lub budowanie formuł.

Wartość teorii budowy chemicznej A.M. Butlerow:

1) jest istotną częścią podstaw teoretycznych chemii organicznej;

2) pod względem ważności można go porównać z okresowym układem elementów D.I. Mendelejew;

3) umożliwiła usystematyzowanie ogromnej ilości materiału praktycznego;

4) pozwoliły z góry przewidzieć istnienie nowych substancji, a także wskazać sposoby ich pozyskiwania.

Teoria budowy chemicznej służy jako podstawa przewodnia we wszystkich badaniach chemii organicznej.

12 fenole, pochodne hydroksylowe związki aromatyczne, zawierające jedną lub więcej grup hydroksylowych (–OH) przyłączonych do atomów węgla pierścienia aromatycznego. Pod względem liczby grup OH wyróżnia się monoatomowy fosfor, na przykład oksybenzen C 6 H 5 OH, zwykle nazywany po prostu fenol, oksytolueny CH 3 C 6 H 4 OH - tzw krezole, oksynaftaleny - naftole, dwuatomowe, na przykład dioksybenzeny C 6 H 4 (OH) 2 ( hydrochinon, pirokatechina, rezorcyna)wieloatomowy, np pirogalol, floroglucynol. F. - bezbarwne kryształy o charakterystycznym zapachu, rzadziej ciecze; dobrze rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych (alkohol, eter, oenzol). Posiadając właściwości kwasowe, F. tworzą produkty podobne do soli - fenolany: ArOH + NaOH (ArONa + H 2 O (Ar jest rodnikiem aromatycznym). Alkilowanie i acylowanie fenolanów prowadzi do F. estrów - prostego ArOR i złożonego ArOCOR (R - rodnik organiczny).Estry można otrzymać przez bezpośrednie oddziaływanie fosforu z kwasami karboksylowymi, ich bezwodnikami i chlorkami kwasowymi.Podczas ogrzewania fenoli z CO 2 powstają np. kwasy fenolowe kwas salicylowy. w odróżnieniu alkohole, grupę hydroksylową F. z wielkim trudem zastępuje się halogenem. Substytucja elektrofilowa w rdzeniu F. (halogenowanie, nitrowanie, sulfonowanie, alkilowanie itp.) zachodzi znacznie łatwiej niż w niepodstawionych węglowodorach aromatycznych; wysyłane są grupy zastępcze orto- oraz para-pozycje do grupy OH (zob. Orientacje reguł). Katalityczne uwodornienie F. prowadzi do alkoholi alicyklicznych, na przykład C 6 H 5 OH jest redukowany do cykloheksanol. F. charakteryzuje się również reakcjami kondensacji, na przykład z aldehydami i ketonami, które są wykorzystywane w przemyśle do otrzymywania żywic fenolowo-rezorcynowo-formaldehydowych, difenylolopropanu i innych ważnych produktów.

F. otrzymuje się np. przez hydrolizę odpowiednich pochodnych halogenowych, alkaliczne topienie kwasów arylosulfonowych ArSO 2 OH, wyodrębnionych ze smoły węglowej, smoły z węgla brunatnego itp. F. jest ważnym surowcem do produkcji różnych polimerów, kleje, farby i lakiery, barwniki i leki (fenoloftaleina, kwas salicylowy, salol), środki powierzchniowo czynne i substancje zapachowe. Niektóre F. są stosowane jako środki antyseptyczne i przeciwutleniacze (na przykład polimery, oleje smarowe). Do jakościowej identyfikacji F. stosuje się roztwory chlorku żelazowego, które tworzą barwne produkty z F.. F. toksyczny (zob. Ścieki.).

13 alkany

ogólna charakterystyka

Węglowodory to najprostsze związki organiczne, składające się z dwóch pierwiastków: węgla i wodoru. Węglowodory graniczne, czyli alkany (nazwa międzynarodowa), to związki, których skład wyraża ogólny wzór C n H 2n + 2, gdzie n to liczba atomów węgla. W cząsteczkach węglowodorów nasyconych atomy węgla są połączone wiązaniem prostym (pojedynczym), a wszystkie inne wartościowości są nasycone atomami wodoru. Alkany są również nazywane węglowodorami nasyconymi lub parafinami (określenie „parafiny” oznacza „mające niskie powinowactwo”).

Pierwszym członkiem homologicznej serii alkanów jest metan CH 4 . Końcówka -an jest typowa dla nazw węglowodorów nasyconych. Następnie etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, butan C 4 H 10. Począwszy od piątego węglowodoru, nazwa jest utworzona z greckiej cyfry, wskazującej liczbę atomów węgla w cząsteczce, a końcówka -an. Są to pentan C 5 H 12, heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan C 9 H 20, dekan C 10 H 22 itp.

W szeregu homologicznym obserwuje się stopniową zmianę właściwości fizycznych węglowodorów: temperatury wrzenia i topnienia rosną, a gęstość wzrasta. W normalnych warunkach (temperatura ~ 22°C) pierwsze cztery człony szeregu (metan, etan, propan, butan) to gazy, C 5 H 12 do C 16 H 34 to ciecze, a C 17 H 36 to ciała stałe.

Alkany, począwszy od czwartego członka szeregu (butan), mają izomery.

Wszystkie alkany są nasycone wodorem do granicy (maksimum). Ich atomy węgla są w stanie hybrydyzacji sp 3, co oznacza, że ​​mają wiązania proste (pojedyncze).

Nomenklatura

Nazwy pierwszych dziesięciu członków serii węglowodorów nasyconych zostały już podane. Aby podkreślić, że alkany mają nierozgałęziony łańcuch węglowy, do nazwy często dodaje się słowo normalny (n-), na przykład:

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3

n-butan n-heptan

(normalny butan) (normalny heptan)

Kiedy atom wodoru zostaje odłączony od cząsteczki alkanu, powstają cząsteczki jednozaworowe, zwane rodnikami węglowodorowymi (w skrócie R). Nazwy rodników jednowartościowych pochodzą od nazw odpowiednich węglowodorów z końcówką –an zastąpioną przez -yl. Oto odpowiednie przykłady:

Rodniki tworzą nie tylko związki organiczne, ale także nieorganiczne. Tak więc, jeśli usuniemy grupę hydroksylową OH z kwasu azotowego, otrzymamy jednowartościowy rodnik - NO 2, zwany grupą nitrową itp.

Po usunięciu dwóch atomów wodoru z cząsteczki węglowodoru otrzymuje się rodniki dwuwartościowe. Ich nazwy również wywodzą się od nazw odpowiednich węglowodorów nasyconych, których końcówka -an zastąpiona jest przez -yliden (jeśli atomy wodoru są oderwane od jednego atomu węgla) lub -ylen (jeśli atomy wodoru są oderwane od dwóch sąsiednich atomów węgla) . Rodnik CH 2 = nazywa się metylenem.

Nazwy rodników są używane w nomenklaturze wielu pochodnych węglowodorów. Na przykład: CH 3 I - jodek metylu, C 4 H 9 Cl - chlorek butylu, CH 2 Cl 2 - chlorek metylenu, C 2 H 4 Br 2 - bromek etylenu (jeśli atomy bromu są związane z różnymi atomami węgla) lub bromek etylidenu (jeśli atomy bromu są związane z jednym atomem węgla).

Powszechnie stosowane są dwie nomenklatury nazw izomerów: stare - racjonalne i nowoczesne - podstawienie, zwane także systematycznym lub międzynarodowym (proponowane przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej IUPAC).

Zgodnie z racjonalną nomenklaturą węglowodory są uważane za pochodne metanu, w których jeden lub więcej atomów wodoru zastąpiono rodnikami. Jeśli te same rodniki powtórzą się kilka razy we wzorze, to są one oznaczone cyframi greckimi: di - dwa, trzy - trzy, tetra - cztery, penta - pięć, hexa - sześć itd. Na przykład:

Racjonalne nazewnictwo jest wygodne dla niezbyt skomplikowanych połączeń.

Zgodnie z nomenklaturą podstawieniową nazwa opiera się na jednym łańcuchu węglowym, a wszystkie pozostałe fragmenty cząsteczki są uważane za podstawniki. W tym przypadku wybiera się najdłuższy łańcuch atomów węgla, a atomy łańcucha są numerowane od końca najbliższego rodnikowi węglowodorowemu. Następnie wymieniają: 1) numer atomu węgla, z którym związany jest rodnik (zaczynając od najprostszego rodnika); 2) węglowodór, który odpowiada długiemu łańcuchowi. Jeżeli formuła zawiera kilka identycznych rodników, to przed ich nazwą należy podać liczbę słownie (di-, tri-, tetra- itd.), a numery rodników oddziela się przecinkami. Oto jak należy nazywać izomery heksanu zgodnie z tą nomenklaturą:

Oto bardziej złożony przykład:

Zarówno nazewnictwo substytucyjne, jak i racjonalne stosuje się nie tylko dla węglowodorów, ale także dla innych klas związków organicznych. W przypadku niektórych związków organicznych stosuje się historycznie ustalone (empiryczne) lub tak zwane nazwy trywialne (kwas mrówkowy, eter siarkowy, mocznik itp.).

Pisząc wzory izomerów łatwo zauważyć, że atomy węgla zajmują w nich nierówną pozycję. Atom węgla, który jest połączony tylko z jednym atomem węgla w łańcuchu, nazywany jest pierwszorzędowym, z dwoma - wtórnym, z trzema - trzeciorzędowym, z czterema - czwartorzędowym. Na przykład w ostatnim przykładzie atomy węgla 1 i 7 są pierwszorzędowe, 4 i 6 drugorzędowe, 2 i 3 trzeciorzędowe, 5 czwartorzędowe. Właściwości atomów wodoru, innych atomów i grup funkcyjnych zależą od tego, z którym atomem węgla są związane: pierwszorzędowym, drugorzędowym lub trzeciorzędowym. Należy to zawsze brać pod uwagę.

Paragon fiskalny. Nieruchomości.

właściwości fizyczne. W normalnych warunkach pierwszych czterech członków homologicznej serii alkanów (C1 - C4) to gazy. Normalne alkany od pentanu do heptadekanu (C 5 - C 17) są cieczami, począwszy od C 18 i powyżej są ciałami stałymi. Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w łańcuchu, tj. wraz ze wzrostem względnej masy cząsteczkowej wzrastają temperatury wrzenia i topnienia alkanów. Przy tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce rozgałęzione alkany mają niższe temperatury wrzenia niż zwykłe alkany.

Alkany są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie, ponieważ ich cząsteczki są niskopolarne i nie wchodzą w interakcje z cząsteczkami wody, dobrze rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych, takich jak benzen, tetrachlorek węgla itp. Ciekłe alkany łatwo mieszają się ze sobą.

Głównymi naturalnymi źródłami alkanów są ropa naftowa i gaz ziemny. Różne frakcje olejowe zawierają alkany od C 5 H 12 do C 30 H 62 . Gaz ziemny składa się w 95% z metanu z domieszką etanu i propanu.

Spośród syntetycznych metod otrzymywania alkanów można wyróżnić:

1. Otrzymywanie z węglowodorów nienasyconych. Oddziaływanie alkenów lub alkinów z wodorem („uwodornianie”) zachodzi w obecności katalizatorów metalicznych (Ni, Pd) przy
ogrzewanie:

CH s -C≡CH + 2H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3.

2. Otrzymywanie z fluorowcowanych. Gdy monohalogenowane alkany ogrzewa się metalicznym sodem, otrzymuje się alkany o dwukrotnie większej liczbie atomów węgla (reakcja Wurtza):

C2H5Br + 2Na + Br-C2H5 → C2H5-C2H5 + 2NaBr.

Podobna reakcja nie jest przeprowadzana z dwoma różnymi alkanami podstawionymi halogenem, ponieważ daje to mieszaninę trzech różnych alkanów

3. Otrzymywanie z soli kwasów karboksylowych. Gdy bezwodne sole kwasów karboksylowych są skondensowane z zasadami, otrzymuje się alkany zawierające jeden atom węgla mniej w porównaniu z łańcuchem węglowym pierwotnych kwasów karboksylowych:

4. Pozyskiwanie metanu. W łuku elektrycznym palącym się w atmosferze wodoru powstają znaczne ilości metanu:

C + 2H 2 → CH 4.

Ta sama reakcja zachodzi, gdy węgiel jest podgrzewany w atmosferze wodoru do temperatury 400–500°C pod podwyższonym ciśnieniem w obecności katalizatora.

W warunkach laboratoryjnych metan często otrzymuje się z węglika glinu:

Al 4 C 3 + 12H 2 O \u003d ZSN 4 + 4Al (OH) 3.

Właściwości chemiczne. W normalnych warunkach alkany są chemicznie obojętne. Są odporne na działanie wielu odczynników: nie wchodzą w interakcje ze stężonymi kwasami siarkowymi i azotowymi, ze stężonymi i stopionymi alkaliami, nie są utleniane przez silne utleniacze - nadmanganian potasu KMnO 4 itp.

Stabilność chemiczną alkanów tłumaczy się dużą wytrzymałością wiązań s C-C i C-H, a także ich niepolarnością. Niepolarne wiązania C-C i C-H w alkanach nie są podatne na rozszczepianie jonowe, ale są zdolne do rozszczepiania homolitycznego pod wpływem aktywnych wolnych rodników. Dlatego alkany charakteryzują się reakcjami rodnikowymi, w wyniku których powstają związki, w których atomy wodoru są zastępowane innymi atomami lub grupami atomów. Dlatego alkany wchodzą w reakcje przebiegające zgodnie z mechanizmem podstawienia rodnikowego, oznaczonego symbolem S R (z ang. substitution rodic). Zgodnie z tym mechanizmem atomy wodoru najłatwiej wymienia się na trzeciorzędowych, a następnie drugorzędowych i pierwszorzędowych atomach węgla.

1. Halogenacja. Gdy alkany reagują z halogenami (chlorem i bromem) pod wpływem promieniowania UV lub wysokiej temperatury, powstaje mieszanina produktów od mono- do polihalogeno-podstawionych alkanów. Ogólny schemat tej reakcji przedstawiono na przykładzie metanu:

b) Wzrost łańcucha. Rodnik chloru zabiera atom wodoru z cząsteczki alkanu:

Cl + CH4 → HC1 + CH3

W tym przypadku powstaje rodnik alkilowy, który zabiera atom chloru z cząsteczki chloru:

CH 3 + Cl 2 → CH 3 Cl + Cl

Reakcje te są powtarzane, aż nastąpi zakończenie łańcucha w jednej z następujących reakcji:

Cl + Cl → Cl 2, CH 3 + CH 3 → C 2 H 6, CH 3 + Cl → CH 3 Cl

Ogólne równanie reakcji:

W reakcjach rodnikowych (halogenowanie, nitrowanie) najpierw mieszają się atomy wodoru na trzeciorzędowych, a następnie na drugorzędowych i pierwszorzędowych atomach węgla. Tłumaczy się to tym, że wiązanie trzeciorzędowego atomu węgla z wodorem najłatwiej rozrywa się homolitycznie (energia wiązania 376 kJ/mol), następnie wtórne (390 kJ/mol) i dopiero potem pierwszorzędowe (415 kJ/mol) mol).

3. Izomeryzacja. Normalne alkany można przekształcić w alkany o rozgałęzionych łańcuchach pod pewnymi warunkami:

4. Pękanie to hemolityczne zerwanie wiązań C-C, które następuje po podgrzaniu i pod wpływem katalizatorów.
Podczas krakowania wyższych alkanów powstają alkeny i niższe alkany; podczas krakowania metanu i etanu powstaje acetylen:

do 8 godz. 18 → do 4 godz. 10 + do 4 godz. 8,

2CH 4 → C 2 H 2 + ZH 2,

do 2H 6 → do 2H 2 + 2H 2.

Reakcje te mają duże znaczenie przemysłowe. W ten sposób wysokowrzące frakcje olejowe (olej opałowy) są przetwarzane na benzynę, naftę i inne wartościowe produkty.

5. Utlenianie. Przy łagodnym utlenianiu metanu tlenem atmosferycznym w obecności różnych katalizatorów można otrzymać alkohol metylowy, formaldehyd i kwas mrówkowy:

Miękkie katalityczne utlenianie butanu tlenem atmosferycznym jest jedną z przemysłowych metod produkcji kwasu octowego:

t°
2C4H10 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O.
kot

W powietrzu alkany spalają się do CO 2 i H 2 O:

C n H 2n + 2 + (Zn + 1) / 2O 2 \u003d nCO 2 + (n + 1) H 2 O.

alkeny

Alkeny (inaczej olefiny lub węglowodory etylenowe) to acykliczne węglowodory nienasycone zawierające jedno wiązanie podwójne między atomami węgla, tworzące szereg homologiczny o wzorze ogólnym CnH2n. Atomy węgla w wiązaniu podwójnym są w stanie hybrydyzacji sp².

Najprostszym alkenem jest eten (C2H4). Zgodnie z nomenklaturą IUPAC nazwy alkenów tworzy się z nazw odpowiednich alkanów poprzez zastąpienie przyrostka „-an” przez „-en”; pozycja wiązania podwójnego jest oznaczona cyfrą arabską.

szereg homologiczny

Alkeny z więcej niż trzema atomami węgla mają izomery. Alkeny charakteryzują się izomerią szkieletu węglowego, pozycjami wiązań podwójnych, międzyklasowymi i geometrycznymi.

Właściwości fizyczne

Temperatury topnienia i wrzenia rosną wraz z masą cząsteczkową i długością głównego łańcucha węglowego.
W normalnych warunkach alkeny od C2H4 do C4H8 są gazami; od C5H10 do C17H34 - ciecze, po C18H36 - ciała stałe. Alkeny są nierozpuszczalne w wodzie, ale łatwo rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych.

Właściwości chemiczne

Alkeny są chemicznie aktywne. O ich właściwościach chemicznych decyduje obecność wiązania podwójnego.
Ozonoliza: alken jest utleniany do aldehydów (w przypadku monopodstawionych wicynalnych atomów węgla), ketonów (w przypadku dwupodstawionych wicynalnych atomów węgla) lub mieszaniny aldehydu i ketonu (w przypadku trójpodstawionego alkenu na wiązaniu podwójnym ):

R1–CH=CH–R2 + O3 → R1–C(H)=O + R2C(H)=O + H2O
R1–C(R2)=C(R3)–R4+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(R4)=O + H2O
R1–C(R2)=CH–R3+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(H)=O + H2O

Ozonoliza w trudnych warunkach - alken jest utleniany do kwasu:

R"–CH=CH–R" + O3 → R"–COOH + R"–COOH + H2O

Przywiązanie podwójnego wiązania:
CH2=CH2 +Br2 → CH2Br-CH2Br

Utlenianie nadkwasami:
CH2=CH2 + CH3COOOOH →
lub
CH2=CH2 + HCOOH → HOCH2CH2OH

Wykład 15

Teoria budowy substancji organicznych. Główne klasy związków organicznych.

Chemia organiczna - nauka zajmująca się badaniem materii organicznej. W przeciwnym razie można go zdefiniować jako chemia związków węgla. Ten ostatni zajmuje szczególne miejsce w układzie okresowym D.I. Mendelejewa pod względem różnorodności związków, z których znanych jest około 15 milionów, podczas gdy liczba związków nieorganicznych wynosi pięćset tysięcy. Substancje organiczne są znane ludzkości od dawna jako cukier, tłuszcze roślinne i zwierzęce, substancje barwiące, zapachowe i lecznicze. Stopniowo ludzie nauczyli się przetwarzać te substancje w celu uzyskania różnorodnych cennych produktów organicznych: wina, octu, mydła itp. Postęp chemii organicznej opiera się na osiągnięciach w dziedzinie chemii białek, kwasów nukleinowych, witamin itp. Chemia organiczna ma ogromne znaczenie dla rozwoju medycyny, gdyż zdecydowana większość leków to związki organiczne nie tylko pochodzenia naturalnego, ale także otrzymywane głównie na drodze syntezy. Wyjątkowa wartość wędrowała makrocząsteczkowy związki organiczne (żywice syntetyczne, tworzywa sztuczne, włókna, kauczuki syntetyczne, barwniki, herbicydy, insektycydy, fungicydy, defolianty…). Znaczenie chemii organicznej dla produkcji artykułów spożywczych i przemysłowych jest ogromne.

Nowoczesna chemia organiczna wniknęła głęboko w procesy chemiczne zachodzące podczas przechowywania i przetwarzania produktów spożywczych: procesy suszenia, jełczenia i zmydlania olejów, fermentacji, pieczenia, marynowania, otrzymywania napojów, w produkcji produktów mlecznych itp. Odkrycie i badanie enzymów, perfum i kosmetyków również odegrało ważną rolę.

Jedną z przyczyn wielkiej różnorodności związków organicznych jest specyfika ich budowy, która przejawia się w tworzeniu wiązań i łańcuchów kowalencyjnych przez atomy węgla, różniące się rodzajem i długością. Liczba związanych w nich atomów węgla może sięgać dziesiątek tysięcy, a konfiguracja łańcuchów węglowych może być liniowa lub cykliczna. Oprócz atomów węgla łańcuch może zawierać tlen, azot, siarkę, fosfor, arsen, krzem, cynę, ołów, tytan, żelazo itp.

Manifestacja tych właściwości przez węgiel wiąże się z kilkoma przyczynami. Potwierdzono, że energie wiązań C–C i C–O są porównywalne. Węgiel ma zdolność do tworzenia trzech rodzajów hybrydyzacji orbitali: czterech sp 3 - orbitali hybrydowych, ich orientacja w przestrzeni jest czworościenna i odpowiada prosty wiązania kowalencyjne; trzy hybrydowe sp 2 - orbitale znajdujące się w tej samej płaszczyźnie, w połączeniu z niehybrydową formą orbitalną podwójne wielokrotności połączenia (─С = С─); również za pomocą sp - powstają orbitale hybrydowe o orientacji liniowej i orbitale niehybrydowe między atomami węgla potrójne wielokrotności wiązania (─ C ≡ C ─) Jednocześnie tego typu wiązania tworzą atomy węgla nie tylko między sobą, ale także z innymi pierwiastkami. Tak więc współczesna teoria budowy materii wyjaśnia nie tylko znaczną liczbę związków organicznych, ale także wpływ ich budowy chemicznej na właściwości.

W pełni potwierdza również podstawy teorie budowy chemicznej, opracowany przez wielkiego rosyjskiego naukowca A.M. Butlerova. Główne postanowienia ITS:

1) w cząsteczkach organicznych atomy są połączone ze sobą w określonej kolejności zgodnie z ich wartościowością, która określa strukturę cząsteczek;

2) właściwości związków organicznych zależą od rodzaju i liczby ich atomów składowych, a także od budowy chemicznej cząsteczek;

3) każdy wzór chemiczny odpowiada pewnej liczbie możliwych struktur izomerycznych;

4) każdy związek organiczny ma jeden wzór i określone właściwości;

5) w cząsteczkach zachodzi wzajemne oddziaływanie atomów na siebie.

Klasy związków organicznych

Zgodnie z teorią związki organiczne dzielą się na dwa szeregi – związki acykliczne i cykliczne.

1. Związki acykliczne.(alkany, alkeny) zawierają otwarty, otwarty łańcuch węglowy - prosty lub rozgałęziony:

N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N N─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N N │ N

Zwykły butan izobutan (metylopropan)

2. a) Związki alicykliczne- związki, które w cząsteczkach mają zamknięte (cykliczne) łańcuchy węglowe:

cyklobutan cykloheksan

b) związki aromatyczne, w cząsteczkach których występuje szkielet benzenowy - sześcioczłonowy cykl z naprzemiennymi wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi (arenami):

c) Związki heterocykliczne- związki cykliczne zawierające oprócz atomów węgla azot, siarkę, tlen, fosfor i niektóre pierwiastki śladowe, które nazywane są heteroatomami.

furan pirol pirydyna

W każdym rzędzie substancje organiczne są podzielone na klasy - węglowodory, alkohole, aldehydy, ketony, kwasy, estry, zgodnie z charakterem grup funkcyjnych ich cząsteczek.

Istnieje również klasyfikacja według stopnia nasycenia i grup funkcyjnych. W zależności od stopnia nasycenia rozróżniają:

1. Limit nasycony W szkielecie węglowym występują tylko wiązania pojedyncze.

─С─С─С─

2. Nienasycone nienasycone– w szkielecie węglowym występuje wiele wiązań (=, ≡).

─С=С─ ─С≡С─

3. aromatyczny– nieograniczone cykle ze sprzężeniem pierścieniowym (4n + 2) elektronów π.

Według grup funkcyjnych

1. Alkohole R-CH2OH

2. Fenole

3. Aldehydy R─COH Ketony R─C─R

4. Kwasy karboksylowe R─COOH O

5. Estry R─COOR 1

Rodzaj wodoru:

Takie formuły są nieco podobne do współczesnych. Ale zwolennicy teorii typów nie uważali ich za odzwierciedlające rzeczywistą strukturę substancji i pisali wiele różnych wzorów dla jednego związku, w zależności od reakcji chemicznych, które próbowali napisać za pomocą tych wzorów. Uważali budowę cząsteczek za zasadniczo niepoznawalną, co szkodziło rozwojowi nauki.

3. Wprowadzenie przez J. Berzeliusa w 1830 r. terminu „izomeria” dla zjawiska istnienia substancji o tym samym składzie i różnych właściwościach.

4. Sukcesy w syntezie związków organicznych, w wyniku których obalona została doktryna witalizmu, czyli „siły życiowej”, pod wpływem której rzekomo tworzą się substancje organiczne w organizmie istot żywych:

W 1828 r. F. Wehler zsyntetyzował mocznik z substancji nieorganicznej (cyjanian amonu);

W 1842 r. Rosyjski chemik N. N. Zinin otrzymał anilinę;

W 1845 r. niemiecki chemik A. Kolbe zsyntetyzował kwas octowy;

W 1854 r. francuski chemik M. Berthelot zsyntetyzował tłuszcze i ostatecznie

W 1861 roku sam A. M. Butlerov zsyntetyzował substancję podobną do cukru.

5. W połowie XVIII wieku. chemia staje się bardziej rygorystyczną nauką. W wyniku prac E. Franklanda i A. Kekule powstała koncepcja wartościowości atomów pierwiastków chemicznych. Kekule opracował koncepcję czterowartościowości węgla. Dzięki pracom Cannizzaro pojęcia mas atomowych i cząsteczkowych stały się jaśniejsze, ich znaczenie i metody wyznaczania zostały dopracowane.

W 1860 roku ponad 140 czołowych chemików z różnych krajów europejskich zebrało się na międzynarodowym kongresie w Karlsruhe. Kongres stał się bardzo ważnym wydarzeniem w historii chemii: podsumowano sukcesy nauki i przygotowano warunki do nowego etapu w rozwoju chemii organicznej - pojawienia się teorii budowy chemicznej substancji organicznych A. M. Butlerova ( 1861), a także za fundamentalne odkrycie D. I. Mendelejewa - Prawo okresowe i układ pierwiastków chemicznych (1869).

W 1861 r. A. M. Butlerow przemawiał na kongresie lekarzy i przyrodników w mieście Speyer z raportem „O chemicznej budowie ciał”. Nakreślił w nim podstawy swojej teorii budowy chemicznej związków organicznych. Pod strukturą chemiczną naukowiec zrozumiał kolejność łączenia atomów w cząsteczkach.

Osobiste cechy A. M. Butlerova

A. M. Butlerov wyróżniał się encyklopedycznym charakterem wiedzy chemicznej, umiejętnością analizowania i uogólniania faktów oraz przewidywania. Przepowiedział istnienie izomeru butanu, a następnie go otrzymał, a także izomeru butylenu - izobutylenu.

Butlerow Aleksander Michajłowicz (1828-1886)

Rosyjski chemik, akademik Petersburskiej Akademii Nauk (od 1874). Absolwent Uniwersytetu Kazańskiego (1849). Pracował tam (od 1857 - profesor, w 1860 i 1863 - rektor). Twórca teorii budowy chemicznej związków organicznych, leżącej u podstaw współczesnej chemii. Uzasadnił ideę wzajemnego wpływu atomów w cząsteczce. Przewidział i wyjaśnił izomerię wielu związków organicznych. Napisał „Wstęp do pełnego studium chemii organicznej” (1864) – pierwszy podręcznik w historii nauki oparty na teorii budowy chemicznej. Przewodniczący Wydziału Chemii Rosyjskiego Towarzystwa Fizyczno-Chemicznego (1878-1882).

A. M. Butlerow stworzył pierwszą szkołę chemików organicznych w Rosji, z której wyłonili się znakomici naukowcy: V. V. Markovnikov, D. P. Konovalov, A. E. Favorsky i inni.

Nic dziwnego, że D. I. Mendelejew napisał: „A. M. Butlerow jest jednym z najwybitniejszych rosyjskich naukowców, jest Rosjaninem zarówno pod względem wykształcenia naukowego, jak i oryginalności swoich prac”.

Główne postanowienia teorii budowy związków chemicznych

Teoria budowy chemicznej związków organicznych, wysunięta przez A. M. Butlerova w drugiej połowie ubiegłego wieku (1861), została potwierdzona pracą wielu naukowców, w tym uczniów Butlerova i jego samego. Okazało się, że na jego podstawie można wyjaśnić wiele zjawisk, które do tej pory nie miały interpretacji: izomerii, homologii, manifestacji czterowartościowości przez atomy węgla w substancjach organicznych. Teoria spełniła też swoją funkcję prognostyczną: na jej podstawie naukowcy przewidzieli istnienie wciąż nieznanych związków, opisali właściwości i odkryli je.

Tak więc w latach 1862-1864. A. M. Butlerov rozważył izomerię alkoholi propylowego, butylowego i amylowego, określił liczbę możliwych izomerów i wyprowadził wzory tych substancji. Ich istnienie zostało później udowodnione eksperymentalnie, a niektóre izomery zostały zsyntetyzowane przez samego Butlerova.

W ciągu XX wieku. postanowienia teorii budowy chemicznej związków chemicznych zostały opracowane na podstawie nowych poglądów, które rozpowszechniły się w nauce: teorii budowy atomu, teorii wiązań chemicznych, koncepcji mechanizmów reakcji chemicznych. Obecnie teoria ta ma charakter uniwersalny, to znaczy dotyczy nie tylko substancji organicznych, ale także nieorganicznych.

Pierwsza pozycja. Atomy w cząsteczkach są połączone w określonej kolejności zgodnie z ich wartościowością. Węgiel we wszystkich związkach organicznych i większości związków nieorganicznych jest czterowartościowy.

Jest oczywiste, że ostatnią część pierwszego przepisu teorii można łatwo wytłumaczyć faktem, że atomy węgla w związkach znajdują się w stanie wzbudzonym:

a) czterowartościowe atomy węgla mogą łączyć się ze sobą, tworząc różne łańcuchy:

otwarte rozgałęzione
- otwarte nierozgałęzione
- Zamknięte

b) kolejność łączenia atomów węgla w cząsteczkach może być różna i zależy od rodzaju kowalencyjnego wiązania chemicznego między atomami węgla - pojedyncze lub wielokrotne (podwójne i potrójne).

Druga pozycja. Właściwości substancji zależą nie tylko od ich składu jakościowego i ilościowego, ale także od struktury ich cząsteczek.

Stanowisko to wyjaśnia zjawisko izomerii. Substancje, które mają ten sam skład, ale inną budowę chemiczną lub przestrzenną, a więc różne właściwości, nazywane są izomerami. Główne typy izomerii:

Izomeria strukturalna, w której substancje różnią się kolejnością wiązania atomów w cząsteczkach:

1) izomeria szkieletu węglowego

3) izomeria szeregu homologicznego (międzyklasowego)

Izomeria przestrzenna, w której cząsteczki substancji różnią się nie kolejnością wiązania atomów, ale ich położeniem w przestrzeni: izomeria cis-trans (geometryczna).

Izomeria ta jest typowa dla substancji, których cząsteczki mają płaską strukturę: alkeny, cykloalkany itp.

Izomeria optyczna (lustrzana) należy również do izomerii przestrzennej.

Jak już wiesz, cztery pojedyncze wiązania wokół atomu węgla są ułożone czworościennie. Jeżeli atom węgla jest związany z czterema różnymi atomami lub grupami, to możliwe jest różne rozmieszczenie tych grup w przestrzeni, czyli dwie przestrzenne formy izomeryczne.

Dwie formy lustrzane aminokwasu alaniny (kwas 2-aminopropanowy) pokazano na rycinie 17.

Wyobraź sobie, że cząsteczka alaniny jest umieszczona przed lustrem. Grupa -NH2 jest bliżej lustra, więc będzie z przodu w odbiciu, a grupa -COOH będzie w tle itd. (patrz ilustracja po prawej). Alanya istnieje w dwóch formach przestrzennych, które nałożone na siebie nie łączą się ze sobą.

Uniwersalność drugiego stanowiska teorii budowy związków chemicznych potwierdza istnienie izomerów nieorganicznych.

Tak więc pierwsza z syntez substancji organicznych - synteza mocznika przeprowadzona przez Wehlera (1828) wykazała, że ​​​​substancja nieorganiczna - cyjanian amonu i substancja organiczna - mocznik są izomerami:

Jeśli zastąpisz atom tlenu w moczniku atomem siarki, otrzymasz tiomocznik, który jest izomerem tiocyjanianu amonu, dobrze znanego odczynnika jonów Fe 3+. Oczywiście tiomocznik nie daje tej jakościowej reakcji.

Trzecia pozycja. Właściwości substancji zależą od wzajemnego oddziaływania atomów w cząsteczkach.

Na przykład w kwasie octowym tylko jeden z czterech atomów wodoru reaguje z alkaliami. Na tej podstawie można założyć, że tylko jeden atom wodoru jest związany z tlenem:

Z drugiej strony ze wzoru strukturalnego kwasu octowego można wywnioskować, że zawiera on jeden ruchomy atom wodoru, czyli jest jednozasadowy.

Aby zweryfikować uniwersalność stanowiska teorii budowy dotyczącej zależności właściwości substancji od wzajemnego oddziaływania atomów w cząsteczkach, która występuje nie tylko w związkach organicznych, ale także nieorganicznych, porównujemy właściwości atomów wodoru w wodorowe związki niemetali. Mają budowę molekularną iw normalnych warunkach są gazami lub lotnymi cieczami. W zależności od pozycji niemetalu w układzie okresowym D. I. Mendelejewa można zidentyfikować wzór zmiany właściwości takich związków:

Metan nie wchodzi w interakcje z wodą. Brak podstawowych właściwości metanu tłumaczy się nasyceniem zdolności walencyjnych atomu węgla.

Amoniak wykazuje podstawowe właściwości. Jego cząsteczka jest zdolna do przyłączenia do siebie jonu wodoru dzięki przyciąganiu do samotnej pary elektronów atomu azotu (mechanizm tworzenia wiązań donor-akceptor).

W fosfinie PH3 podstawowe właściwości są słabo wyrażone, co jest związane z promieniem atomu fosforu. Jest znacznie większy niż promień atomu azotu, więc atom fosforu słabiej przyciąga do siebie atom wodoru.

W okresach od lewej do prawej ładunki jąder atomów rosną, promienie atomów maleją, siła odpychania atomu wodoru z częściowym ładunkiem dodatnim G + wzrasta, a zatem właściwości kwasowe związków wodoru niemetali są wzmocnione.

W głównych podgrupach promienie atomowe pierwiastków rosną od góry do dołu, atomy niemetali z 5- przyciągają atomy wodoru z 5+ słabiej, siła związków wodoru maleje, łatwo dysocjują, a zatem ich właściwości kwasowe są wzmocnione.

Różną zdolność związków wodorowych niemetali do usuwania lub dodawania kationów wodoru w roztworach tłumaczy się nierównym wpływem atomu niemetalu na atomy wodoru.

Różny wpływ atomów w cząsteczkach wodorotlenków tworzonych przez pierwiastki z tego samego okresu wyjaśnia również zmianę ich właściwości kwasowo-zasadowych.

Podstawowe właściwości wodorotlenków maleją, a kwasowych rosną wraz ze wzrostem stopnia utlenienia atomu centralnego, a więc energia jego wiązania z atomem tlenu (8-) i odpychania atomu wodoru (8+) przez to wzrasta.

Wodorotlenek sodu NaOH. Ponieważ promień atomu wodoru jest bardzo mały, silniej przyciąga on do siebie atom tlenu, a wiązanie między atomami wodoru i tlenu będzie silniejsze niż między atomami sodu i tlenu. Wodorotlenek glinu Al(OH)3 wykazuje właściwości amfoteryczne.

W kwasie nadchlorowym HclO 4 atom chloru o stosunkowo dużym ładunku dodatnim jest silniej związany z atomem tlenu i silniej odpycha atom wodoru 6+. Dysocjacja przebiega zgodnie z rodzajem kwasu.

Główne kierunki rozwoju teorii budowy związków chemicznych i jej znaczenie

W czasach A. M. Butlerova wzory empiryczne (molekularne) i strukturalne były szeroko stosowane w chemii organicznej. Te ostatnie odzwierciedlają kolejność połączeń atomów w cząsteczce zgodnie z ich wartościowością, na co wskazują kreski.

Dla ułatwienia zapisu często stosuje się skrócone wzory strukturalne, w których kreskami zaznaczono tylko wiązania między atomami węgla lub węgla i tlenu.

Skrócone wzory strukturalne

Następnie, wraz z rozwojem wiedzy o naturze wiązania chemicznego i wpływie budowy elektronowej cząsteczek substancji organicznych na ich właściwości, zaczęto stosować wzory elektroniczne, w których wiązanie kowalencyjne umownie oznacza się dwiema kropkami. W takich wzorach często pokazywany jest kierunek przemieszczania się par elektronów w cząsteczce.

To elektronowa struktura substancji wyjaśnia efekty mezomeryczne i indukcyjne.

Efekt indukcyjny polega na przemieszczeniu par elektronów wiązań gamma z jednego atomu na drugi z powodu ich różnej elektroujemności. Oznaczone (->).

Efekt indukcyjny atomu (lub grupy atomów) jest ujemny (-/), jeśli atom ten ma wysoką elektroujemność (halogeny, tlen, azot), przyciąga elektrony związane z wiązaniem gamma i uzyskuje częściowy ładunek ujemny. Atom (lub grupa atomów) ma dodatni efekt indukcyjny (+/), jeśli odpycha elektrony wiązań gamma. Właściwość tę posiadają niektóre ograniczające rodniki C2H5). Przypomnij sobie regułę Markownikowa dotyczącą dodawania wodoru i halogenu halogenowodoru do alkenów (propenu), a zrozumiesz, że ta reguła ma szczególny charakter. Porównaj te dwa przykłady równań reakcji:

[[Theory_of_the_chemical_compounds_A._M._Butlerov| ]]

W cząsteczkach poszczególnych substancji jednocześnie manifestują się zarówno efekty indukcyjne, jak i mezomeryczne. W tym przypadku albo się wzmacniają (w aldehydach, kwasach karboksylowych), albo wzajemnie osłabiają (w chlorku winylu).

Efektem wzajemnego oddziaływania atomów w cząsteczkach jest redystrybucja gęstości elektronowej.

Idea przestrzennego kierunku wiązań chemicznych została po raz pierwszy wyrażona przez francuskiego chemika J. A. Le Bela i holenderskiego chemika J. X. Van't Hoffa w 1874 roku. Przypuszczenia naukowców zostały w pełni potwierdzone przez chemię kwantową. Na właściwości substancji istotny wpływ ma struktura przestrzenna ich cząsteczek. Na przykład podaliśmy już wzory na cis- i trans-izomery butenu-2, które różnią się właściwościami (patrz ryc. 16).

Średnia energia wiązania, która musi zostać zerwana podczas przejścia z jednej formy do drugiej, wynosi około 270 kJ / mol; nie ma tak dużo energii w temperaturze pokojowej. Do wzajemnego przejścia form butenu-2 z jednej do drugiej konieczne jest zerwanie jednego wiązania kowalencyjnego i utworzenie zamiast niego innego. Innymi słowy, proces ten jest przykładem reakcji chemicznej, a obie rozważane formy butenu-2 są różnymi związkami chemicznymi.

Pamiętacie zapewne, że najważniejszym problemem w syntezie kauczuku było uzyskanie kauczuku stereoregularnego. Konieczne było stworzenie polimeru, w którym jednostki strukturalne byłyby ułożone w ścisłej kolejności (na przykład kauczuk naturalny składa się tylko z jednostek cis), ponieważ od tego zależy tak ważna właściwość gumy, jak jej elastyczność.

Współczesna chemia organiczna wyróżnia dwa główne typy izomerii: strukturalny (izomeria łańcuchowa, izomeria położenia wiązań wielokrotnych, izomeria szeregu homologicznego, izomeria położenia grup funkcyjnych) i stereoizomeria (izomeria geometryczna lub cis-trans-izomeria, optyczna, lub lustro, izomeria).

Udało ci się więc upewnić, że drugie stanowisko teorii budowy chemicznej, jasno sformułowane przez A. M. Butlerova, było niepełne. Ze współczesnego punktu widzenia przepis ten wymaga uzupełnienia:
właściwości substancji zależą nie tylko od ich składu jakościowego i ilościowego, ale także od:

Chemiczny,

elektroniczny,

Struktura przestrzenna.

Stworzenie teorii budowy substancji odegrało ważną rolę w rozwoju chemii organicznej. Z nauki przeważnie opisowej przeradza się w naukę twórczą, syntetyzującą, możliwe stało się ocenianie wzajemnego wpływu atomów w cząsteczkach różnych substancji (patrz tabela 10). Teoria budowy stworzyła przesłanki do wyjaśnienia i przewidywania różnych typów izomerii cząsteczek organicznych, a także kierunków i mechanizmów reakcji chemicznych.

Na podstawie tej teorii chemicy organicy tworzą substancje, które nie tylko zastępują naturalne, ale znacznie przewyższają je swoimi właściwościami. Tak więc syntetyczne barwniki są znacznie lepsze i tańsze niż wiele naturalnych, na przykład alizaryna i indygo znane w starożytności. Kauczuki syntetyczne są produkowane w dużych ilościach i mają różnorodne właściwości. Tworzywa sztuczne i włókna są szeroko stosowane, a produkty z nich są wykorzystywane w inżynierii, życiu codziennym, medycynie i rolnictwie.

Wartość teorii budowy chemicznej A. M. Butlerowa dla chemii organicznej można porównać z wartością prawa okresowego i układu okresowego pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa dla chemii nieorganicznej. Nie bez powodu obie teorie mają tak wiele wspólnego w sposobach ich powstawania, kierunkach rozwoju i ogólnonaukowym znaczeniu. Jednak w historii każdej innej czołowej teorii naukowej (teorii Ch. Darwina, genetyki, teorii kwantowej itp.) można znaleźć takie wspólne etapy.

1. Ustalenie podobieństw między dwiema wiodącymi teoriami chemii - prawem okresowym i układem okresowym pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa oraz teorią budowy chemicznej związków organicznych A. M. Butlerowa na następujących podstawach: wspólne w warunkach wstępnych, wspólne w kierunki ich rozwoju, wspólne w rolach prognostycznych.

2. Jaką rolę odegrała teoria budowy związków chemicznych w powstawaniu prawa okresowego?

3. Jakie przykłady z chemii nieorganicznej potwierdzają uniwersalność każdego z zapisów teorii budowy związków chemicznych?

4. Kwas fosforawy H3PO3 odnosi się do kwasów dwuzasadowych. Zaproponuj jego wzór strukturalny i rozważ wzajemne oddziaływanie atomów w cząsteczce tego kwasu.

5. Zapisz izomery o składzie С3Н8O. Nazwij je zgodnie z nomenklaturą systematyczną. Określ rodzaje izomerii.

6. Znane są następujące wzory krystalicznych hydratów chlorku chromu(III): [Cr(H20)6]Cl3; [Cr(H20)5Cl]Cl2H2O; [Cr(H2O)4 * C12]Cl2H2O. Jak nazwałbyś to zjawisko?