Predpoklady pre vytvorenie teórie organických zlúčenín. Základné princípy teórie chemickej štruktúry organických zlúčenín od A. M. Butlerova

Prednáška 15

Teória štruktúry organických látok. Hlavné triedy organických zlúčenín.

Organická chémia - veda, ktorá študuje organickú hmotu. Inak to možno definovať ako chémia zlúčenín uhlíka. Ten zaujíma osobitné miesto v periodickej tabuľke D.I. Mendelejeva pre rozmanitosť zlúčenín, z ktorých je známych asi 15 miliónov, zatiaľ čo počet anorganických zlúčenín je päťsto tisíc. Organické látky sú ľudstvu známe už odpradávna ako cukor, rastlinné a živočíšne tuky, farbivá, vonné a liečivé látky. Postupne sa ľudia naučili spracovaním týchto látok získavať rôzne cenné organické produkty: víno, ocot, mydlo atď. Pokroky v organickej chémii sú založené na úspechoch v oblasti chémie bielkovinových látok, nukleových kyselín, vitamínov atď. chémia má veľký význam pre rozvoj medicíny, keďže drvivá väčšina liekov sú organické zlúčeniny nielen prírodného pôvodu, ale aj získané najmä syntézou. Výnimočný význam vysoká molekulová hmotnosť organické zlúčeniny (syntetické živice, plasty, vlákna, syntetické kaučuky, farbivá, herbicídy, insekticídy, fungicídy, defolianty...). Organická chémia má veľký význam pre výrobu potravín a priemyselného tovaru.

Moderná organická chémia hlboko prenikla do chemických procesov prebiehajúcich pri skladovaní a spracovaní potravinárskych výrobkov: procesy sušenia, žltnutia a zmydelňovania olejov, fermentácie, pečenia, fermentácie, výroby nápojov, pri výrobe mliečnych výrobkov atď. Veľkú úlohu zohral aj objav a štúdium enzýmov a parfumov a kozmetiky.

Jedným z dôvodov širokej škály organických zlúčenín je jedinečnosť ich štruktúry, ktorá sa prejavuje tvorbou kovalentných väzieb a reťazcov pomocou atómov uhlíka, rôzneho typu a dĺžky. Okrem toho počet viazaných atómov uhlíka v nich môže dosiahnuť desiatky tisíc a konfigurácia uhlíkových reťazcov môže byť lineárna alebo cyklická. Okrem atómov uhlíka môžu reťazce obsahovať kyslík, dusík, síru, fosfor, arzén, kremík, cín, olovo, titán, železo atď.

Prejav týchto vlastností uhlíkom je spôsobený niekoľkými dôvodmi. Potvrdilo sa, že energie väzieb C–C a C–O sú porovnateľné. Uhlík má schopnosť vytvárať tri typy orbitálnej hybridizácie: štyri sp 3 - hybridné orbitaly, ich orientácia v priestore je tetraedrická a zodpovedá jednoduché Kovalentné väzby; tvoria tri hybridné sp 2 orbitály umiestnené v rovnakej rovine v kombinácii s nehybridným orbitálom dvojité násobky spojenia (─С = С─); aj pomocou sp - vznikajú hybridné orbitály lineárnej orientácie a nehybridné orbitály medzi atómami uhlíka trojnásobné násobky väzby (─ C ≡ C ─) Okrem toho atómy uhlíka tvoria tieto typy väzieb nielen medzi sebou, ale aj s inými prvkami. Moderná teória štruktúry hmoty teda vysvetľuje nielen značný počet organických zlúčenín, ale aj vplyv ich chemickej štruktúry na ich vlastnosti.

Plne potvrdzuje aj základy teórie chemickej štruktúry, ktorý vyvinul veľký ruský vedec A.M. Butlerov. Hlavné ustanovenia ITS:

1) v organických molekulách sú atómy navzájom spojené v určitom poradí podľa ich mocenstva, ktoré určuje štruktúru molekúl;

2) vlastnosti organických zlúčenín závisia od povahy a počtu ich základných atómov, ako aj od chemickej štruktúry molekúl;

3) každý chemický vzorec zodpovedá určitému počtu možných izomérnych štruktúr;

4) každá organická zlúčenina má jeden vzorec a má určité vlastnosti;

5) v molekulách dochádza k vzájomnému vplyvu atómov na seba.

Triedy organických zlúčenín

Podľa teórie sa organické zlúčeniny delia na dve série - acyklické a cyklické zlúčeniny.

1. Acyklické zlúčeniny.(alkány, alkény) obsahujú otvorený, neuzavretý uhlíkový reťazec - priamy alebo rozvetvený:

N N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N H─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N N │ N

Normálny bután izobután (metylpropán)

2. a) Alicyklické zlúčeniny- zlúčeniny, ktoré majú vo svojich molekulách uzavreté (cyklické) uhlíkové reťazce:

cyklobután cyklohexán

b) aromatické zlúčeniny, ktorých molekuly obsahujú benzénový skelet - šesťčlenný kruh so striedajúcimi sa jednoduchými a dvojitými väzbami (arény):

c) Heterocyklické zlúčeniny– cyklické zlúčeniny obsahujúce okrem atómov uhlíka dusík, síru, kyslík, fosfor a niektoré stopové prvky, ktoré sa nazývajú heteroatómy.

furánpyrolpyridín

V každom rade sú organické látky rozdelené do tried - uhľovodíky, alkoholy, aldehydy, ketóny, kyseliny, estery v súlade s povahou funkčných skupín ich molekúl.

Existuje aj klasifikácia podľa stupňa nasýtenia a funkčných skupín. Podľa stupňa nasýtenia sa rozlišujú:

1. Extrémne nasýtený– uhlíková kostra obsahuje iba jednoduché väzby.

─С─С─С─

2. Nenasýtený nenasýtený– v uhlíkovej kostre sú viacnásobné (=, ≡) väzby.

─С=С─ ─С≡С─

3. Aromatické– nenasýtené cykly s kruhovou konjugáciou (4n + 2) π-elektrónov.

Podľa funkčných skupín

1. Alkoholy R-CH2OH

2. Fenoly

3. Aldehydy R─COH Ketóny R─C─R

4. Karboxylové kyseliny R─COOH O

5. Estery R─COOR 1

Najväčšou udalosťou vo vývoji organickej chémie bolo vytvorenie v roku 1961 veľkým ruským vedcom A.M. Butlerov teórie chemickej štruktúry organických zlúčenín.

Pred A.M. Butlerov považoval za nemožné poznať štruktúru molekuly, teda poradie chemických väzieb medzi atómami. Mnohí vedci dokonca popreli realitu atómov a molekúl.

A.M. Butlerov tento názor poprel. Prišiel zo správneho miesta materialistický a filozofické predstavy o realite existencie atómov a molekúl, o možnosti poznania chemickej väzby atómov v molekule. Ukázal, že štruktúra molekuly môže byť stanovená experimentálne štúdiom chemických premien látky. Naopak, ak poznáme štruktúru molekuly, je možné odvodiť chemické vlastnosti zlúčeniny.

Teória chemickej štruktúry vysvetľuje rozmanitosť organických zlúčenín. Je to spôsobené schopnosťou štvormocného uhlíka vytvárať uhlíkové reťazce a kruhy, spájať sa s atómami iných prvkov a prítomnosťou izomérie v chemickej štruktúre organických zlúčenín. Táto teória položila vedecké základy organickej chémie a vysvetlila jej najdôležitejšie zákony. Základné princípy jeho teórie A.M. Butlerov to načrtol vo svojej správe „O teórii chemickej štruktúry“.

Hlavné princípy teórie štruktúry sú nasledovné:

1) v molekulách sú atómy navzájom spojené v určitom poradí v súlade s ich mocnosťou. Poradie, v ktorom sa atómy viažu, sa nazýva chemická štruktúra;

2) vlastnosti látky závisia nielen od toho, ktoré atómy a v akom množstve sú obsiahnuté v jej molekule, ale aj od poradia, v ktorom sú navzájom spojené, t. j. od chemickej štruktúry molekuly;

3) atómy alebo skupiny atómov, ktoré tvoria molekulu, sa navzájom ovplyvňujú.

V teórii chemickej štruktúry sa veľká pozornosť venuje vzájomnému ovplyvňovaniu atómov a skupín atómov v molekule.

Chemické vzorce, ktoré zobrazujú poradie, v ktorom sú atómy kombinované v molekulách, sa nazývajú štruktúrne vzorce alebo vzorce štruktúry.

Význam teórie chemickej štruktúry A.M. Butlerová:

1) je najdôležitejšou súčasťou teoretického základu organickej chémie;

2) vo význame ho možno porovnať s periodickou tabuľkou prvkov od D.I. Mendelejev;

3) umožnila systematizovať obrovské množstvo praktického materiálu;

4) umožnil vopred predpovedať existenciu nových látok, ako aj naznačiť spôsoby, ako ich získať.

Teória chemickej štruktúry slúži ako základ pre všetky výskumy v organickej chémii.

12 fenoly, hydroxyderiváty aromatické zlúčeniny, obsahujúci jednu alebo viac hydroxylových skupín (–OH) viazaných na atómy uhlíka aromatického jadra. Podľa počtu OH skupín sa rozlišujú monoatomické zlúčeniny, napríklad oxybenzén C 6 H 5 OH, zvyčajne nazývaný jednoducho fenol, hydroxytoluény CH 3 C 6 H 4 OH - tzv krezoly oxynaftalény - naftoly, dvojatómové, napríklad dioxybenzény C 6 H 4 (OH) 2 ( hydrochinón, pyrokatechín, rezorcinol)polyatómové, napr pyrogallol, floroglucinol. F. - bezfarebné kryštály s charakteristickým zápachom, menej často kvapaliny; vysoko rozpustný v organických rozpúšťadlách (alkohol, éter, oensol). Fosfor, ktorý má kyslé vlastnosti, tvorí produkty podobné soliam - fenoláty: ArOH + NaOH (ArONa + H 2 O (Ar je aromatický radikál). Alkyláciou a acyláciou fenolátov vznikajú estery fosforu - jednoduchý ArOR a komplexný ArOCOR (R je organický radikál).Estery možno získať priamou interakciou fosforu s karboxylovými kyselinami, ich anhydridmi a chloridmi kyselín.Pri zahrievaní fenolov s CO 2 vznikajú fenolové kyseliny napr. kyselina salicylová. Na rozdiel od alkoholy hydroxylová skupina F. je veľmi ťažko nahradená halogénom. Elektrofilná substitúcia v jadre fosforu (halogenácia, nitrácia, sulfonácia, alkylácia atď.) sa uskutočňuje oveľa ľahšie ako v nesubstituovaných aromatických uhľovodíkoch; náhradné skupiny sa posielajú do orto- A pár- poloha k OH skupine (pozri. Pravidlá orientácie). Katalytická hydrogenácia F. vedie k alicyklickým alkoholom, napríklad C 6 H 5 OH sa redukuje na cyklohexanol. Pre F. sú charakteristické aj kondenzačné reakcie napr. s aldehydmi a ketónmi, ktoré sa v priemysle používajú na výrobu fenolových a rezorcinolformaldehydových živíc, difenylolpropánu a iných dôležitých produktov.

Fosfáty sa získavajú napríklad hydrolýzou zodpovedajúcich halogénderivátov, alkalickým tavením arylsulfónových kyselín ArSO 2 OH, a izolujú sa z uhoľného dechtu, hnedouhoľného dechtu atď. Fyzika je dôležitou surovinou pri výrobe rôznych polymérov, lepidiel , farby a laky, farbivá a lieky (fenolftaleín, kyselina salicylová, salol), povrchovo aktívne látky a vonné látky. Niektoré F. sa používajú ako antiseptiká a antioxidanty (napr. polyméry, mazacie oleje). Na kvalitatívnu identifikáciu chloridu železitého sa používajú roztoky chloridu železitého, ktoré tvoria s kyselinou železitou farebné produkty. F. sú toxické (pozri Odpadová voda.).

13 Alkány

všeobecné charakteristiky

Uhľovodíky sú najjednoduchšie organické zlúčeniny pozostávajúce z dvoch prvkov: uhlíka a vodíka. Nasýtené uhľovodíky alebo alkány (medzinárodný názov) sú zlúčeniny, ktorých zloženie je vyjadrené všeobecným vzorcom C n H 2n+2, kde n je počet atómov uhlíka. V molekulách nasýtených uhľovodíkov sú atómy uhlíka navzájom spojené jednoduchou (jednoduchou) väzbou a všetky ostatné valencie sú nasýtené atómami vodíka. Alkány sa tiež nazývajú nasýtené uhľovodíky alebo parafíny (výraz „parafíny“ znamená „nízka afinita“).

Prvým členom homologickej série alkánov je metán CH4. Koncovka -an je typická pre názvy nasýtených uhľovodíkov. Nasleduje etán C2H6, propán C3H8, bután C4H10. Počnúc piatym uhľovodíkom je názov vytvorený z gréckej číslice označujúcej počet atómov uhlíka v molekule a koncovky -an. Ide o pentán C 5 H 12 hexán C 6 H 14, heptán C 7 H 16, oktán C 8 H 18, nonán C 9 H 20, dekán C 10 H 22 atď.

V homologickej sérii sa pozoruje postupná zmena fyzikálnych vlastností uhľovodíkov: teploty varu a topenia sa zvyšujú, hustota sa zvyšuje. Za normálnych podmienok (teplota ~ 22°C) sú prvé štyri členy série (metán, etán, propán, bután) plyny, od C 5 H 12 do C 16 H 34 sú kvapaliny a od C 17 H 36 sú pevné látky.

Alkány, počnúc štvrtým členom série (bután), majú izoméry.

Všetky alkány sú nasýtené vodíkom až po limit (maximum). Ich atómy uhlíka sú v stave hybridizácie sp 3, čo znamená, že majú jednoduché (jednoduché) väzby.

Nomenklatúra

Mená prvých desiatich členov série nasýtených uhľovodíkov už boli uvedené. Aby sa zdôraznilo, že alkán má priamy uhlíkový reťazec, k názvu sa často pridáva slovo normálny (n-), napríklad:

CH3-CH2-CH2-CH3CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

n-bután n-heptán

(normálny bután) (normálny heptán)

Keď sa z molekuly alkánu odstráni atóm vodíka, vytvoria sa jednomocné častice nazývané uhľovodíkové radikály (skrátene R). Názvy jednoväzbových radikálov sú odvodené od názvov zodpovedajúcich uhľovodíkov s koncovkou –an nahradenou –yl. Tu sú relevantné príklady:

Radikály sú tvorené nielen organickými, ale aj anorganickými zlúčeninami. Takže ak odčítate hydroxylovú skupinu OH od kyseliny dusičnej, dostanete jednoväzbový radikál - NO 2, nazývaný nitro skupina atď.

Keď sa z molekuly uhľovodíka odstránia dva atómy vodíka, získajú sa dvojmocné radikály. Ich názvy sú tiež odvodené od názvov zodpovedajúcich nasýtených uhľovodíkov s koncovkou -ane nahradenou -ylidén (ak sú atómy vodíka oddelené od jedného atómu uhlíka) alebo -ylén (ak sú atómy vodíka odstránené z dvoch susedných atómov uhlíka) . Radikál CH2= sa nazýva metylén.

Názvy radikálov sa používajú v nomenklatúre mnohých derivátov uhľovodíkov. Napríklad: CH 3 I - metyljodid, C 4 H 9 Cl - butylchlorid, CH 2 Cl 2 - metylénchlorid, C 2 H 4 Br 2 - etylénbromid (ak sú atómy brómu viazané na rôzne atómy uhlíka) alebo etylidénbromid (ak sú atómy brómu viazané na jeden atóm uhlíka).

Na pomenovanie izomérov sa široko používajú dve nomenklatúry: stará – racionálna a moderná – substitučná, ktorá sa nazýva aj systematická alebo medzinárodná (navrhnutá Medzinárodnou úniou čistej a aplikovanej chémie IUPAC).

Podľa racionálnej nomenklatúry sa uhľovodíky považujú za deriváty metánu, v ktorých je jeden alebo viac atómov vodíka nahradených radikálmi. Ak sa rovnaké radikály vo vzorci opakujú niekoľkokrát, potom sú označené gréckymi číslicami: di - dva, tri - tri, tetra - štyri, penta - päť, hexa - šesť atď.

Racionálne názvoslovie je vhodné pre nie príliš zložité spojenia.

Podľa substitučnej nomenklatúry je názov založený na jednom uhlíkovom reťazci a všetky ostatné fragmenty molekuly sa považujú za substituenty. V tomto prípade sa vyberie najdlhší reťazec atómov uhlíka a atómy reťazca sa očíslujú od konca, ku ktorému je uhľovodíkový zvyšok najbližšie. Potom volajú: 1) číslo atómu uhlíka, ku ktorému je radikál priradený (začínajúc najjednoduchším radikálom); 2) uhľovodík, ktorý má dlhý reťazec. Ak vzorec obsahuje niekoľko rovnakých radikálov, potom pred ich názvom uveďte počet slovne (di-, tri-, tetra- atď.) a čísla radikálov sú oddelené čiarkami. Tu je návod, ako by sa mali hexánové izoméry nazývať podľa tejto nomenklatúry:

Tu je zložitejší príklad:

Substitučná aj racionálna nomenklatúra sa používa nielen pre uhľovodíky, ale aj pre iné triedy organických zlúčenín. Pre niektoré organické zlúčeniny sa používajú historicky ustálené (empirické) alebo takzvané triviálne názvy (kyselina mravčia, éter síry, močovina atď.).

Pri písaní vzorcov izomérov je ľahké si všimnúť, že atómy uhlíka v nich zaberajú rôzne polohy. Atóm uhlíka, ktorý je viazaný iba na jeden atóm uhlíka v reťazci, sa nazýva primárny, dva sa nazývajú sekundárne, tri sú terciárne a štyri sú kvartérne. Takže napríklad v poslednom príklade sú atómy uhlíka 1 a 7 primárne, 4 a 6 sú sekundárne, 2 a 3 sú terciárne, 5 je kvartérne. Vlastnosti atómov vodíka, iných atómov a funkčných skupín závisia od toho, či sú viazané na primárny, sekundárny alebo terciárny atóm uhlíka. Toto treba vždy brať do úvahy.

Potvrdenie. Vlastnosti.

Fyzikálne vlastnosti. Za normálnych podmienok sú prvé štyri členy homologickej série alkánov (C 1 - C 4) plyny. Normálne alkány od pentánu po heptadekán (C5 - C17) sú kvapaliny, počnúc od C18 a vyššie sú pevné látky. So zvyšujúcim sa počtom atómov uhlíka v reťazci, t.j. Keď sa relatívna molekulová hmotnosť zvyšuje, teploty varu a topenia alkánov sa zvyšujú. Pri rovnakom počte atómov uhlíka v molekule majú rozvetvené alkány nižšie teploty varu ako normálne alkány.

Alkány sú prakticky nerozpustné vo vode, pretože ich molekuly sú nízkopolárne a neinteragujú s molekulami vody, dobre sa rozpúšťajú v nepolárnych organických rozpúšťadlách ako je benzén, tetrachlórmetán atď. Kvapalné alkány sa navzájom ľahko miešajú.

Hlavnými prírodnými zdrojmi alkánov sú ropa a zemný plyn. Rôzne olejové frakcie obsahujú alkány od C5H12 do C30H62. Zemný plyn tvorí metán (95 %) s prímesou etánu a propánu.

Medzi syntetickými metódami výroby alkánov možno rozlíšiť:

1. Získava sa z nenasýtených uhľovodíkov. K interakcii alkénov alebo alkínov s vodíkom („hydrogenácia“) dochádza v prítomnosti kovových katalyzátorov (Ni, Pd) pri
kúrenie:

CH3-C=CH + 2H2 -> CH3-CH2-CH3.

2. Príprava z halogénových vodičov. Keď sa monohalogénované alkány zahrievajú s kovom sodíka, získajú sa alkány s dvojnásobným počtom atómov uhlíka (Wurtzova reakcia):

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

Táto reakcia sa neuskutočňuje s dvoma rôznymi halogénovanými alkánmi, pretože výsledkom je zmes troch rôznych alkánov

3. Príprava zo solí karboxylových kyselín. Keď sa bezvodé soli karboxylových kyselín kondenzujú s alkáliami, získajú sa alkány obsahujúce o jeden atóm uhlíka menej v porovnaní s uhlíkovým reťazcom pôvodných karboxylových kyselín:

4.Získanie metánu. Pri elektrickom oblúku horiacom vo vodíkovej atmosfére vzniká značné množstvo metánu:

C + 2H2 -> CH4.

K rovnakej reakcii dochádza, keď sa uhlík zahrieva vo vodíkovej atmosfére na 400-500 °C pri zvýšenom tlaku v prítomnosti katalyzátora.

V laboratórnych podmienkach sa metán často získava z karbidu hliníka:

Al4C3 + 12H20 = ZSN4 + 4Al (OH) 3.

Chemické vlastnosti. Za normálnych podmienok sú alkány chemicky inertné. Sú odolné voči pôsobeniu mnohých činidiel: neinteragujú s koncentrovanými kyselinami sírovou a dusičnou, s koncentrovanými a roztavenými zásadami, nie sú oxidované silnými oxidačnými činidlami - manganistan draselný KMnO 4 atď.

Chemická stabilita alkánov sa vysvetľuje vysokou pevnosťou C-C a C-H s-väzieb, ako aj ich nepolaritou. Nepolárne väzby C-C a C-H v alkánoch nie sú náchylné na iónové štiepenie, ale sú schopné homolytického štiepenia pod vplyvom aktívnych voľných radikálov. Preto sa alkány vyznačujú radikálnymi reakciami, ktorých výsledkom sú zlúčeniny, kde sú atómy vodíka nahradené inými atómami alebo skupinami atómov. Následne alkány vstupujú do reakcií, ktoré prebiehajú podľa radikálového substitučného mechanizmu, označeného symbolom SR (z angličtiny, substitučný radikál). Podľa tohto mechanizmu sa atómy vodíka najľahšie nahradia na terciárnych, potom na sekundárnych a primárnych atómoch uhlíka.

1. Halogenácia. Pri reakcii alkánov s halogénmi (chlór a bróm) vplyvom UV žiarenia alebo vysokej teploty vzniká zmes produktov z mono- až polyhalogénom substituovaných alkánov. Všeobecná schéma tejto reakcie je znázornená na príklade metánu:

b) Rast reťazca. Radikál chlóru odstraňuje atóm vodíka z molekuly alkánu:

Cl + CH4 -> HCl + CH3

V tomto prípade sa vytvorí alkylový radikál, ktorý odstráni atóm chlóru z molekuly chlóru:

CH3 + Cl2 ->CH3CI + Cl

Tieto reakcie sa opakujú, kým sa reťazec nepreruší v jednej z reakcií:

Cl + Cl → Cl 2, CH3 + CH3 → C2H6, CH3 + Cl → CH3Cl

Celková reakčná rovnica:

Pri radikálových reakciách (halogenácia, nitrácia) sa najskôr zmiešajú atómy vodíka na terciárnych atómoch uhlíka, potom na sekundárnych a primárnych atómoch uhlíka. Vysvetľuje sa to tým, že väzba medzi terciárnym atómom uhlíka a vodíkom sa najľahšie preruší homolyticky (energia väzby 376 kJ/mol), potom sekundárna (390 kJ/mol) a až potom primárna (415 kJ). /mol).

3. Izomerizácia. Normálne alkány sa môžu za určitých podmienok premeniť na alkány s rozvetveným reťazcom:

4. Krakovanie je hemolytické štiepenie C-C väzieb, ku ktorému dochádza pri zahrievaní a pod vplyvom katalyzátorov.
Pri krakovaní vyšších alkánov vznikajú alkény a nižšie alkány, pri krakovaní metánu a etánu vzniká acetylén:

C8H18 -> C4H10 + C4H8,

2CH4 → C2H2 + ZN2,

C2H6 -> C2H2 + 2H2.

Tieto reakcie majú veľký priemyselný význam. Týmto spôsobom sa vysokovriace ropné frakcie (vykurovací olej) premieňajú na benzín, petrolej a iné cenné produkty.

5. Oxidácia. Miernou oxidáciou metánu vzdušným kyslíkom v prítomnosti rôznych katalyzátorov možno získať metylalkohol, formaldehyd a kyselinu mravčiu:

Mierna katalytická oxidácia butánu vzdušným kyslíkom je jednou z priemyselných metód výroby kyseliny octovej:

t°
2C4H10 + 502 -> 4CH3COOH + 2H20.
kat

Na vzduchu sa alkány spaľujú na CO 2 a H 2 O:

CnH2n+2+ (3n+1)/202 = nC02+ (n+1)H20.

Alkény

Alkény (inak olefíny alebo etylénové uhľovodíky) sú acyklické nenasýtené uhľovodíky obsahujúce jednu dvojitú väzbu medzi atómami uhlíka, ktoré tvoria homológny rad so všeobecným vzorcom CnH2n. Atómy uhlíka na dvojitej väzbe sú v stave hybridizácie sp2.

Najjednoduchším alkénom je etén (C2H4). Podľa nomenklatúry IUPAC sa názvy alkénov tvoria z názvov zodpovedajúcich alkánov nahradením prípony „-ane“ za „-ene“; Poloha dvojitej väzby je označená arabskou číslicou.

Homológna séria

Alkény s viac ako tromi atómami uhlíka majú izoméry. Alkény sa vyznačujú izomériou uhlíkového skeletu, polohami dvojitých väzieb, medzitriednymi a geometrickými.

etén	C2H4
propén	C3H6
n-butén	C4H8
n-pentén	C5H10
n-hexén	C6H12
n-heptén	C7H14
n-oktén	C8H16
n-nonén	C9H18
n-decén	C10H20

Fyzikálne vlastnosti

Teploty topenia a varu sa zvyšujú s molekulovou hmotnosťou a dĺžkou uhlíkového hlavného reťazca.
Za normálnych podmienok sú alkény od C2H4 do C4H8 plyny; od C5H10 do C17H34 - kvapaliny, po C18H36 - tuhé látky. Alkény sú nerozpustné vo vode, ale sú vysoko rozpustné v organických rozpúšťadlách.

Chemické vlastnosti

Alkény sú chemicky aktívne. Ich chemické vlastnosti sú určené prítomnosťou dvojitej väzby.
Ozonolýza: alkén sa oxiduje na aldehydy (v prípade monosubstituovaných vicinálnych uhlíkov), ketóny (v prípade disubstituovaných vicinálnych uhlíkov) alebo zmes aldehydu a ketónu (v prípade trisubstituovaného alkénu na dvojitej väzbe) :

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

Ozonolýza v drsných podmienkach - alkén sa oxiduje na kyselinu:

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

Dvojité pripojenie:
CH2=CH2+Br2 -> CH2Br-CH2Br

Oxidácia perkyselinami:
CH2=CH2 + CH3COOOH →
alebo
CH2=CH2 + HCOOH -> HOCH2CH2OH

Snímka 1>

Ciele prednášky:

• Vzdelávacie:
  • vytvárať predstavy o podstate teórie chemickej štruktúry organických látok, opierajúc sa o vedomosti študentov o elektrónovej štruktúre atómov prvkov, o ich postavení v periodickej tabuľke D.I. Mendelejev, o stupni oxidácie, povahe chemickej väzby a ďalších hlavných teoretických princípoch:
    • poradie usporiadania atómov uhlíka v reťazci,
    • vzájomné ovplyvňovanie atómov v molekule,
    • závislosť vlastností organických látok od štruktúry molekúl;
  • vytvoriť si predstavu o pokroku vo vývoji teórií v organickej chémii;
  • ovládať pojmy: izoméry a izoméria;
  • vysvetliť význam štruktúrnych vzorcov organických látok a ich výhody oproti molekulovým;
  • ukázať potrebu a predpoklady tvorby teórie chemickej štruktúry;
  • Pokračujte v rozvíjaní schopností písať poznámky.
• Vývojový:
  • rozvíjať mentálne techniky analýzy, porovnávania, zovšeobecňovania;
  • rozvíjať abstraktné myslenie;
  • trénovať pozornosť žiakov pri vnímaní veľkého množstva látky;
  • rozvíjať schopnosť analyzovať informácie a vyzdvihnúť najdôležitejšie materiály.
• Vzdelávacie:
  • za účelom vlasteneckého a medzinárodného vzdelávania poskytnúť žiakom historické informácie o živote a práci vedcov.

POČAS VYUČOVANIA

1. Organizačná časť

- Pozdravujem
– Príprava žiakov na vyučovaciu hodinu
– Prijímanie informácií o absenciách.

2. Učenie sa novým veciam

Osnova prednášky:<Príloha 1 . Snímka 2>

I. Predštrukturálne teórie:
- vitalizmus;
– teória radikálov;
– teória typov.
II. Stručná informácia o stave chemickej vedy v 60. rokoch XIX. Podmienky pre vytvorenie teórie chemickej štruktúry látok:
– potreba vytvoriť teóriu;
– predpoklady pre teóriu chemickej štruktúry.
III. Podstatou teórie chemickej štruktúry organických látok A.M. Butlerov. Pojem izoméria a izoméry.
IV. Význam teórie chemickej štruktúry organických látok A.M. Butlerov a jeho vývoj.

3. Domáce úlohy: abstrakt, odsek 2.

4. Prednáška

I. Poznatky o organických látkach sa hromadili postupne od staroveku, ale organická chémia sa ako samostatná veda objavila až začiatkom 19. storočia. Vznik nezávislosti organizačnej chémie sa spája s menom švédskeho vedca J. Berzeliusa<Príloha 1 . Snímka 3>. V rokoch 1808-1812 vydal svoju veľkú príručku o chémii, v ktorej mal spočiatku v úmysle uvažovať popri mineráloch aj o látkach živočíšneho a rastlinného pôvodu. Časť učebnice venovaná organickým látkam sa však objavila až v roku 1827.
J. Berzelius videl najvýznamnejší rozdiel medzi anorganickými a organickými látkami v tom, že prvé sa dajú získať v laboratóriách synteticky, zatiaľ čo tie druhé sa údajne tvoria len v živých organizmoch pod vplyvom určitej „životnej sily“ – chemické synonymum pre „dušu“, „ducha“, „božský pôvod“ živých organizmov a ich základných organických látok.
Nazvala sa teória, ktorá vysvetľovala vznik organických zlúčenín zásahom „životnej sily“. vitalizmus. Istý čas bola populárna. V laboratóriu bolo možné syntetizovať len najjednoduchšie látky obsahujúce uhlík, ako je oxid uhličitý - CO 2, karbid vápnika - CaC 2, kyanid draselný - KCN.
Až v roku 1828 nemecký vedec Wöhler<Príloha 1 . Na snímke 4> sa podarilo získať organickú látku močovinu z anorganickej soli - kyanatan amónny - NH 4 CNO.
NH 4 CNO –– t –> CO(NH 2) 2
V roku 1854 francúzsky vedec Berthelot<Príloha 1 . Snímka 5>prijala triglycerid. To si vyžiadalo zmenu v definícii organickej chémie.
Vedci sa snažili na základe zloženia a vlastností odhaliť podstatu molekúl organických látok a snažili sa vytvoriť systém, ktorý by umožnil spojiť nesúrodé fakty, ktoré sa nahromadili začiatkom 19. storočia.
Prvý pokus o vytvorenie teórie, ktorá sa snažila zovšeobecniť dostupné údaje o organických látkach, sa spája s menom francúzskeho chemika J. Dumasa<Príloha 1 . Snímka 6>. Išlo o pokus zvážiť z jednotného hľadiska pomerne veľkú skupinu organických zlúčenín, ktoré by sme dnes nazvali derivátmi etylénu. Organické zlúčeniny sa ukázali ako deriváty nejakého radikálu C2H4 - éterínu:
C 2 H 4 * HCl – etylchlorid (eterín hydrochlorid)
Myšlienka obsiahnutá v tejto teórii - prístup k organickej látke ako pozostávajúca z 2 častí - následne vytvorila základ širšej teórie radikálov (J. Berzelius, J. Liebig, F. Wöhler). Táto teória je založená na myšlienke „dualistickej štruktúry“ látok. J. Berzelius napísal: „každá organická látka sa skladá z 2 zložiek, ktoré nesú opačný elektrický náboj.“ J. Berzelius považoval kyslík za jednu z týchto zložiek, a to za elektronegatívnu časť, kým zvyšok, vlastne organický, mal byť elektropozitívny radikál.

Základné ustanovenia teórie radikálov:<Príloha 1 . Snímka 7>

– zloženie organických látok zahŕňa radikály, ktoré nesú kladný náboj;
– radikály sú vždy konštantné, nepodliehajú zmenám, prechádzajú z jednej molekuly do druhej bez zmien;
– radikály môžu existovať vo voľnej forme.

Veda postupne hromadila fakty, ktoré odporovali teórii radikálov. Takto J. Dumas nahradil vodík chlórom v uhľovodíkových radikáloch. Vedcom, ktorí boli prívržencami radikálnej teórie, sa zdalo neuveriteľné, že záporne nabitý chlór môže v zlúčeninách zohrávať úlohu vodíka s kladným nábojom. V roku 1834 dostal J. Dumas za úlohu vyšetriť nepríjemný incident počas plesu v paláci francúzskeho kráľa: sviečky pri horení vydávali dusivý dym. J. Dumas zistil, že vosk, z ktorého boli sviečky vyrobené, výrobca ošetril chlórom na bielenie. V tomto prípade do molekuly vosku vstúpil chlór, ktorý nahradil časť vodíka, ktorý je v nej obsiahnutý. Dusivé výpary, ktoré vystrašili kráľovských hostí, sa ukázali ako chlorovodík (HCl). Následne J. Dumas získal z kyseliny octovej kyselinu trichlóroctovú.
Elektropozitívny vodík bol teda nahradený extrémne elektronegatívnym prvkom chlór a vlastnosti zlúčeniny zostali takmer nezmenené. Potom J. Dumas dospel k záveru, že dualistický prístup by mal byť nahradený prístupom k organizačnému prepojeniu ako jedinému celku.

Radikálna teória bola postupne odmietnutá, ale zanechala hlbokú stopu v organickej chémii:<Príloha 1 . Snímka 8>
– pojem „radikál“ sa v chémii pevne udomácnil;
– ako pravdivé sa ukázalo tvrdenie o možnosti existencie radikálov vo voľnej forme, o prechode v obrovskom množstve reakcií určitých skupín atómov z jednej zlúčeniny na druhú.

V 40. rokoch XIX storočia Začalo sa štúdium homológie, čo umožnilo objasniť niektoré vzťahy medzi zložením a vlastnosťami zlúčenín. Boli identifikované homológne série a homologické rozdiely, ktoré umožnili klasifikovať organické látky. Klasifikácia organických látok na základe homológie viedla k vzniku teórie typov (40.-50. roky 19. storočia, C. Gerard, A. Kekule atď.)<Príloha 1 . Snímka 9>

Podstata teórie typov<Príloha 1 . Snímka 10>

– teória je založená na analógii v reakciách medzi organickými a niektorými anorganickými látkami, akceptovanými ako typy (typy: vodík, voda, amoniak, chlorovodík atď.). Nahradením atómov vodíka v type látky inými skupinami atómov vedci predpovedali rôzne deriváty. Napríklad nahradenie atómu vodíka v molekule vody metylovým radikálom vedie k vytvoreniu molekuly alkoholu. Substitúcia dvoch atómov vodíka vedie k vzniku molekuly éteru<Príloha 1 . Snímka 11>

C. Gerard v tejto súvislosti priamo povedal, že vzorec látky je len skráteným záznamom jej reakcií.

Všetky org. látky boli považované za deriváty najjednoduchších anorganických látok - vodík, chlorovodík, voda, amoniak<Príloha 1 . Snímka 12>

<Príloha 1 . Snímka 13>

– molekuly organických látok sú sústavou atómov, ktorých poradie spojenia nie je známe; vlastnosti zlúčenín sú ovplyvnené súhrnom všetkých atómov molekuly;
- nie je možné poznať štruktúru látky, pretože molekuly sa počas reakcie menia. Vzorec látky neodráža štruktúru, ale reakcie, ktorými látka prechádza. Pre každú látku môžete napísať toľko racionálnych vzorcov, koľko rôznych typov premien môže látka podstúpiť. Teória typov umožňovala množstvo „racionálnych vzorcov“ pre látky v závislosti od toho, aké reakcie chceli týmito vzorcami vyjadriť.

Teória typov zohrala veľkú úlohu vo vývoji organickej chémie <Príloha 1 . Snímka 14>

– umožnil predpovedať a objaviť množstvo látok;
– mal pozitívny vplyv na rozvoj doktríny valencie;
– venoval pozornosť štúdiu chemických premien organických zlúčenín, čo umožnilo hlbšie štúdium vlastností látok, ako aj vlastností predpovedaných zlúčenín;
- vytvoril systematizáciu organických zlúčenín, ktorá bola na tú dobu dokonalá.

Nemali by sme zabúdať, že v skutočnosti teórie vznikali a nahrádzali sa nie postupne, ale existovali súčasne. Chemici si často dobre nerozumeli. F. Wöhler v roku 1835 povedal, že „organická chémia dnes môže každého poblázniť. Zdá sa mi to ako hustý les plný úžasných vecí, obrovská húština bez východu, bez konca, kam sa neodvážite preniknúť...“

Žiadna z týchto teórií sa nestala teóriou organickej chémie v plnom zmysle slova. Hlavným dôvodom neúspechu týchto myšlienok bola ich idealistická podstata: vnútorná štruktúra molekúl bola považovaná za zásadne nepoznanú a akékoľvek špekulácie o nej boli považované za šarlatánstvo.

Bola potrebná nová teória, ktorá by zaujala materialistický postoj. Táto teória bola teória chemickej štruktúry A.M. Butlerov <Príloha 1 . Slide 15, 16>, ktorý vznikol v roku 1861. Všetko racionálne a hodnotné, čo bolo v teóriách radikálov a typov, bolo neskôr asimilované teóriou chemickej štruktúry.

Potreba teórie bola diktovaná:<Príloha 1 . Snímka 17>

– zvýšené priemyselné požiadavky na organickú chémiu. Bolo potrebné zabezpečiť textilný priemysel farbivami. Pre rozvoj potravinárskeho priemyslu bolo potrebné zlepšiť spôsoby spracovania poľnohospodárskych produktov.
V súvislosti s týmito problémami sa začali vyvíjať nové metódy syntézy organických látok. Vedci však mali vážne ťažkosti s vedeckým zdôvodnením týchto syntéz. Napríklad pomocou starej teórie nebolo možné vysvetliť mocnosť uhlíka v zlúčeninách.
Uhlík je nám známy ako 4-mocný prvok (experimentálne dokázané). Zdá sa však, že si túto mocnosť zachováva iba v metáne CH4. V etáne C 2 H 6, ak sa budeme riadiť našimi predstavami, uhlík by mal byť. 3-valentná a v propáne C3H8 - frakčná valencia. (A vieme, že valencia musí byť vyjadrená len celými číslami).
Aká je mocnosť uhlíka v organických zlúčeninách?

Nebolo jasné, prečo existujú látky s rovnakým zložením, ale odlišnými vlastnosťami: C 6 H 12 O 6 - molekulový vzorec glukózy, ale rovnaký vzorec pre fruktózu (cukrová látka - zložka medu).

Predštrukturálne teórie nedokázali vysvetliť rozmanitosť organických látok. (Prečo môžu uhlík a vodík, dva prvky, vytvárať toľko rôznych zlúčenín?).

Bolo potrebné systematizovať doterajšie poznatky z jedného hľadiska a vyvinúť jednotnú chemickú symboliku.

Vedecky podloženú odpoveď na tieto otázky dala teória chemickej štruktúry organických zlúčenín, ktorú vytvoril ruský vedec A.M. Butlerov.

Základné predpoklady, ktorí pripravili pôdu pre vznik teórie chemickej štruktúry boli<Príloha 1 . Snímka 18>

– doktrína valencie. V roku 1853 E. Frankland zaviedol pojem valencie a stanovil valenciu pre množstvo kovov štúdiom organokovových zlúčenín. Postupne sa pojem valencie rozšíril na mnohé prvky.

Dôležitým objavom pre organickú chémiu bola hypotéza o schopnosti atómov uhlíka vytvárať reťazce (A. Kekule, A. Cooper).

Jedným z predpokladov bol rozvoj správneho chápania atómov a molekúl. Do 2. polovice 50. rokov. XIX storočia Neexistovali žiadne všeobecne akceptované kritériá na definovanie pojmov: „atóm“, „molekula“, „atómová hmotnosť“, „molekulová hmotnosť“. Až na medzinárodnom kongrese chemikov v Karlsruhe (1860) boli tieto pojmy jasne definované, čo predurčilo rozvoj teórie valencie a vznik teórie chemickej štruktúry.

Základné princípy teórie chemickej štruktúry A.M. Butlerov(1861)

A.M. Butlerov formuloval najdôležitejšie myšlienky teórie štruktúry organických zlúčenín vo forme základných princípov, ktoré možno rozdeliť do 4 skupín.<Príloha 1 . Snímka 19>

1. Všetky atómy, ktoré tvoria molekuly organických látok, sú spojené v určitom poradí podľa ich mocenstva (t.j. molekula má štruktúru).

<Príloha 1 . Snímky 19, 20>

V súlade s týmito myšlienkami je valencia prvkov konvenčne znázornená pomlčkami, napríklad v metáne CH 4.<Príloha 1 . Snímka 20> >

Takéto schematické znázornenie štruktúry molekúl sa nazýva štruktúrne vzorce a vzorce. Na základe ustanovení o 4-valencii uhlíka a schopnosti jeho atómov vytvárať reťazce a cykly možno štruktúrne vzorce organických látok znázorniť takto:<Príloha 1 . Snímka 20>

V týchto zlúčeninách je uhlík štvormocný. (Pomlčka symbolizuje kovalentnú väzbu, pár elektrónov).

2. Vlastnosti látky závisia nielen od toho, aké atómy a koľko z nich je v molekulách obsiahnuté, ale aj od poradia spojenia atómov v molekulách (t.j. vlastnosti závisia od štruktúry) <Príloha 1 . Snímka 19>

Tento postoj teórie štruktúry organických látok vysvetľoval najmä fenomén izomérie. Existujú zlúčeniny, ktoré obsahujú rovnaký počet atómov rovnakých prvkov, ale viazaných v inom poradí. Takéto zlúčeniny majú rôzne vlastnosti a nazývajú sa izoméry.
Fenomén existencie látok s rovnakým zložením, ale odlišnou štruktúrou a vlastnosťami sa nazýva izoméria.<Príloha 1 . Snímka 21>

Existencia izomérov organických látok vysvetľuje ich rozmanitosť. Fenomén izomérie predpovedal a (experimentálne) dokázal A.M. Butlerov na príklade butánu

Takže napríklad zloženie C4H10 zodpovedá dvom štruktúrnym vzorcom:<Príloha 1 . Snímka 22>

Rôzne vzájomné polohy atómov uhlíka v molekulách oxidu uhličitého sa objavujú iba pri butáne. Počet izomérov sa zvyšuje s počtom atómov uhlíka zodpovedajúceho uhľovodíka, napríklad pentán má tri izoméry a dekán má sedemdesiatpäť.

3. Podľa vlastností danej látky možno určiť štruktúru jej molekuly a podľa štruktúry molekuly možno predpovedať vlastnosti. <Príloha 1 . Snímka 19>

Z kurzu anorganickej chémie je známe, že vlastnosti anorganických látok závisia od štruktúry kryštálových mriežok. Charakteristické vlastnosti atómov z iónov sú vysvetlené ich štruktúrou. V budúcnosti sa postaráme o to, aby sa organické látky s rovnakým molekulárnym vzorcom, ale odlišnou štruktúrou líšili nielen fyzikálnymi, ale aj chemickými vlastnosťami.

4. Atómy a skupiny atómov v molekulách látok sa navzájom ovplyvňujú.

<Príloha 1 . Snímka 19>

Ako už vieme, vlastnosti anorganických zlúčenín obsahujúcich hydroxoskupiny závisia od toho, s ktorými atómami sú spojené - atómami kovu alebo nekovov. Napríklad zásady aj kyseliny obsahujú hydroxoskupinu:<Príloha 1 . Snímka 23>

Vlastnosti týchto látok sú však úplne odlišné. Príčina odlišného chemického charakteru OH skupiny (vo vodnom roztoku) je spôsobená vplyvom atómov a skupín atómov s ňou spojených. So zvyšujúcimi sa nekovovými vlastnosťami centrálneho atómu sa oslabuje disociácia podľa typu bázy a zvyšuje sa disociácia podľa typu kyseliny.

Organické zlúčeniny môžu mať tiež rôzne vlastnosti, ktoré závisia od toho, na ktoré atómy alebo skupiny atómov sú hydroxylové skupiny viazané.

Otázka vzájomnej infúzie atómov A.M. Butlerov o tom podrobne diskutoval 17. apríla 1879 na stretnutí Ruskej fyzikálno-chemickej spoločnosti. Povedal, že ak sú s uhlíkom spojené dva rôzne prvky, napríklad Cl a H, potom „nezávisia na sebe do takej miery ako na uhlíku: neexistuje medzi nimi žiadna závislosť, spojenie, ktoré existuje v častici kyseliny chlorovodíkovej ... Ale vyplýva z toho, že v zlúčenine CH 2 Cl 2 nie je vzťah medzi vodíkom a chlórom? Na to odpovedám rozhodným odmietnutím."

Ako konkrétny príklad ďalej uvádza zvýšenie mobility chlóru pri transformácii skupiny CH 2 Cl na COCl a pri tejto príležitosti hovorí: „Je zrejmé, že charakter chlóru prítomného v častici sa zmenil pod vplyvom tzv. vplyvu kyslíka, hoci ten sa priamo nezlúčil s chlórom.<Príloha 1 . Snímka 23>

Otázka vzájomného vplyvu priamo neviazaných atómov bola hlavným teoretickým jadrom prác V.V. Morkovnikova.

V dejinách ľudstva je pomerne málo vedcov, ktorých objavy majú celosvetový význam. V oblasti organickej chémie patria takéto zásluhy A.M. Butlerov. Podľa významu teórie A.M. Butlerov sa porovnáva s periodickým zákonom.

Teória chemickej štruktúry A.M. Butlerová:<Príloha 1 . Snímka 24>

– umožnila systematizáciu organických látok;
– odpovedal na všetky otázky, ktoré dovtedy v organickej chémii vyvstali (pozri vyššie);
– umožnil teoreticky predpovedať existenciu neznámych látok a nájsť spôsoby ich syntézy.

Uplynulo takmer 140 rokov odvtedy, čo TCS organických zlúčenín vytvoril A.M. Butlerov, ale aj teraz ho vo svojej práci používajú chemici zo všetkých krajín. Najnovšie výdobytky vedy dopĺňajú túto teóriu, objasňujú ju a nachádzajú nové potvrdenie správnosti jej základných myšlienok.

Základom organickej chémie dnes zostáva teória chemickej štruktúry.

TCS organických zlúčenín A.M. Butlerova významne prispela k vytvoreniu všeobecného vedeckého obrazu sveta, prispela k dialekticko-materialistickému chápaniu prírody:<Príloha 1 . Snímka 25>

– zákon prechodu kvantitatívnych zmien na kvalitatívne možno vidieť na príklade alkánov:<Príloha 1 . Snímka 25>.

Mení sa len počet atómov uhlíka.

– zákon jednoty a boja protikladov možno vysledovať k fenoménu izomérie<Príloha 1 . Snímka 26>

Jednota – v kompozícii (identická), umiestnenie v priestore.
Opakom je štruktúra a vlastnosti (rôzna postupnosť usporiadania atómov).
Tieto dve látky koexistujú spolu.

– zákon negácie negácie - o izomérii.<Príloha 1 . Snímka 27>

Koexistujúce izoméry sa svojou existenciou navzájom popierajú.

Po vypracovaní teórie A.M. Butlerov to nepovažoval za absolútne a nemenné. Tvrdil, že sa to musí rozvíjať. TCS organických zlúčenín nezostali nezmenené. Jeho ďalší vývoj sa uberal najmä v dvoch vzájomne súvisiacich smeroch:<Príloha 1 . Snímka 28>

Stereochémia je štúdium priestorovej štruktúry molekúl.

Náuka o elektrónovej štruktúre atómov (umožnila nám pochopiť podstatu chemickej väzby atómov, podstatu vzájomného ovplyvňovania atómov a vysvetliť dôvod prejavu určitých chemických vlastností látkou).

Chemická štruktúra molekuly predstavuje jeho najcharakteristickejší a jedinečný aspekt, pretože určuje jeho všeobecné vlastnosti (mechanické, fyzikálne, chemické a biochemické). Akákoľvek zmena v chemickej štruktúre molekuly má za následok zmenu jej vlastností. V prípade menších štruktúrnych zmien zavedených do jednej molekuly nasledujú malé zmeny jej vlastností (zvyčajne ovplyvňujú fyzikálne vlastnosti), ale ak molekula prešla hlbokými štruktúrnymi zmenami, potom sa jej vlastnosti (najmä chemické) hlboko zmenia.

Napríklad kyselina alfa-aminopropiónová (alfa-alanín) má nasledujúcu štruktúru:

Alfa alanín

Čo vidíme:

1. Prítomnosť určitých atómov (C, H, O, N),
2. určitý počet atómov patriacich do každej triedy, ktoré sú viazané v určitom poradí;

Všetky tieto konštrukčné vlastnosti určujú množstvo vlastností Alfa-alanínu, ako sú: pevný stav agregácie, bod varu 295 °C, rozpustnosť vo vode, optická aktivita, chemické vlastnosti aminokyselín atď.

Keď je aminoskupina naviazaná na iný atóm uhlíka (t. j. nastala menšia štrukturálna zmena), čo zodpovedá beta-alanínu:

Beta-alanín

Všeobecné chemické vlastnosti stále zostávajú charakteristické pre aminokyseliny, ale bod varu je už 200 ° C a nedochádza k žiadnej optickej aktivite.

Ak sú napríklad dva atómy v tejto molekule spojené atómom N v tomto poradí (hlboká štrukturálna zmena):

potom je vytvorená látka - 1-nitropropán, vo svojich fyzikálnych a chemických vlastnostiach úplne odlišná od aminokyselín: 1-nitro-propán je žltá kvapalina s teplotou varu 131 ° C, nerozpustná vo vode.

teda vzťah medzi štruktúrou a majetkom umožňuje popísať všeobecné vlastnosti látky so známou štruktúrou a naopak umožňuje nájsť chemickú štruktúru látky s vedomím jej všeobecných vlastností.

Všeobecné princípy teórie štruktúry organických zlúčenín

Podstatou určovania štruktúry organickej zlúčeniny sú nasledujúce princípy, ktoré vyplývajú zo vzťahu medzi ich štruktúrou a vlastnosťami:

a) organické látky v analyticky čistom stave majú rovnaké zloženie bez ohľadu na spôsob ich prípravy;

b) organické látky v analyticky čistom stave majú konštantné fyzikálne a chemické vlastnosti;

c) organické látky so stálym zložením a vlastnosťami, majú len jednu jedinečnú štruktúru.

V roku 1861 veľký ruský vedec A. M. Butlerov vo svojom článku „O chemickej štruktúre hmoty“ odhalil hlavnú myšlienku teórie chemickej štruktúry, ktorá spočíva v vplyve spôsobu, akým sú atómy v organickej látke spojené na jej vlastnosti. Všetky v tom čase dostupné poznatky a predstavy o štruktúre chemických zlúčenín zhrnul do teórie štruktúry organických zlúčenín.

Hlavné ustanovenia teórie A. M. Butlerova

možno zhrnúť takto:

1. V molekule organickej zlúčeniny sú atómy spojené v určitom poradí, ktoré určuje jej štruktúru.
2. Atóm uhlíka v organických zlúčeninách má štvormocnosť.
3. Pri rovnakom zložení molekuly je možných niekoľko možností vzájomného spojenia atómov tejto molekuly. Takéto zlúčeniny, ktoré majú rovnaké zloženie, ale odlišnú štruktúru, sa nazývali izoméry a podobný jav - izoméria.
4. Keď poznáme štruktúru organickej zlúčeniny, môžeme predpovedať jej vlastnosti; Keď poznáme vlastnosti organickej zlúčeniny, môžeme predpovedať jej štruktúru.
5. Atómy, ktoré tvoria molekulu, podliehajú vzájomnému vplyvu, ktorý určuje ich reaktivitu. Priamo viazané atómy majú na seba väčší vplyv, zatiaľ čo vplyv priamo neviazaných atómov je oveľa slabší.

Študent A.M. Butlerová — V. V. Markovnikov pokračoval v štúdiu problematiky vzájomného ovplyvňovania atómov, čo sa prejavilo v roku 1869 v jeho dizertačnej práci „Materiály k problematike vzájomného ovplyvňovania atómov v chemických zlúčeninách“.

Úver spoločnosti A.M. Butlerova a dôležitosť teórie chemickej štruktúry je pre chemickú syntézu mimoriadne veľká. Otvorila sa príležitosť predpovedať základné vlastnosti organických zlúčenín a predvídať cesty ich syntézy. Vďaka teórii chemickej štruktúry chemici najprv ocenili molekulu ako usporiadaný systém s prísnym poradím väzieb medzi atómami. A v súčasnosti sú hlavné ustanovenia Butlerovovej teórie, napriek zmenám a objasneniam, základom moderných teoretických konceptov organickej chémie.

Kategórie ,

Obsah lekcie: Teórie štruktúry organických zlúčenín: predpoklady ich vzniku, základné princípy. Chemická štruktúra ako poradie spojenia a vzájomného ovplyvňovania atómov v molekulách. Homológia, izoméria. Závislosť vlastností látok od chemickej štruktúry. Hlavné smery vývoja teórie chemickej štruktúry. Závislosť výskytu toxicity v organických zlúčeninách od zloženia a štruktúry ich molekúl (dĺžka uhlíkového reťazca a stupeň jeho rozvetvenia, prítomnosť viacnásobných väzieb, tvorba cyklov a peroxidových mostíkov, prítomnosť halogénu atómov), ako aj na rozpustnosť a prchavosť zlúčeniny.

Ciele lekcie:

• Organizovať študentské aktivity na oboznámenie a prvotné upevnenie základných princípov teórie chemickej štruktúry.
• Ukázať žiakom univerzálnosť teórie chemickej štruktúry na príklade anorganických izomérov a vzájomného ovplyvňovania atómov v anorganických látkach.

Počas tried:

1. Organizačný moment.

2. Aktualizácia vedomostí žiakov.

1) Čo študuje organická chémia?

2) Aké látky sa nazývajú izoméry?

3) Aké látky sa nazývajú homológy?

4) Vymenujte vám známe teórie, ktoré vznikli v organickej chémii na začiatku 19. storočia.

5) Aké nedostatky mala teória radikálov?

6) Aké nedostatky mala teória typov?

3. Stanovenie cieľov a zámerov pre lekciu.

Koncept valencie tvoril dôležitú súčasť A.M. teórie chemickej štruktúry. Butlerov v roku 1861

Periodický zákon formulovaný D.I. Mendelejev v roku 1869 odhalil závislosť valencie prvku od jeho polohy v periodickej tabuľke.

Široká škála organických látok, ktoré majú rovnaké kvalitatívne a kvantitatívne zloženie, ale odlišné vlastnosti, zostala nejasná. Napríklad bolo známych asi 80 rôznych látok, ktoré zodpovedali zloženiu C6H1202. Jens Jakob Berzelius navrhol nazývať tieto látky izomérmi.

Vedci z mnohých krajín svojou prácou vydláždili cestu k vytvoreniu teórie vysvetľujúcej štruktúru a vlastnosti organických látok.

Na kongrese nemeckých prírodovedcov a lekárov v meste Speyer bola prečítaná správa s názvom „Niečo v chemickej štruktúre tiel“. Autorom správy bol profesor Kazanskej univerzity Alexander Michajlovič Butlerov. Práve toto „niečo“ vytvorilo teóriu chemickej štruktúry, ktorá vytvorila základ našich moderných predstáv o chemických zlúčeninách.

Organická chémia dostala solídny vedecký základ, ktorý zabezpečil jej prudký rozvoj v ďalšom storočí až do súčasnosti. Táto teória umožnila predpovedať existenciu nových zlúčenín a ich vlastnosti. Koncept chemickej štruktúry umožnil vysvetliť taký záhadný jav, akým je izoméria.

Hlavné princípy teórie chemickej štruktúry sú nasledovné:
1. Atómy v molekulách organických látok sa spájajú v určitom poradí podľa ich mocenstva.

2. Vlastnosti látok určuje kvalitatívne, kvantitatívne zloženie, poradie spojenia a vzájomné ovplyvňovanie atómov a skupín atómov v molekule.

3. Štruktúru molekúl možno stanoviť na základe štúdia ich vlastností.

Pozrime sa na tieto ustanovenia podrobnejšie. Molekuly organických látok obsahujú atómy uhlíka (valencia IV), vodíka (valencia I), kyslíka (valencia II), dusíka (valencia III). Každý atóm uhlíka v molekulách organických látok tvorí štyri chemické väzby s inými atómami a atómy uhlíka môžu byť spojené do reťazcov a kruhov. Na základe prvého princípu teórie chemickej štruktúry zostavíme štruktúrne vzorce organických látok. Napríklad sa zistilo, že metán má zloženie CH4. Ak vezmeme do úvahy valencie atómov uhlíka a vodíka, možno navrhnúť iba jeden štruktúrny vzorec metánu:

Chemická štruktúra iných organických látok môže byť opísaná nasledujúcimi vzorcami:

etanol

Druhá pozícia teórie chemickej štruktúry popisuje nám známy vzťah: zloženie – štruktúra – vlastnosti. Pozrime sa na prejav tohto vzoru na príklade organických látok.

Etán a etylalkohol majú rôzne kvalitatívne zloženie. Molekula alkoholu na rozdiel od etánu obsahuje atóm kyslíka. Ako to ovplyvní vlastnosti?

Zavedenie atómu kyslíka do molekuly dramaticky mení fyzikálne vlastnosti látky. To potvrdzuje závislosť vlastností od kvalitatívneho zloženia.

Porovnajme si zloženie a štruktúru uhľovodíkov metán, etán, propán a bután.

Metán, etán, propán a bután majú rovnaké kvalitatívne zloženie, ale odlišné kvantitatívne (počet atómov každého prvku). Podľa druhej pozície teórie chemickej štruktúry by mali mať odlišné vlastnosti.

Látka	Teplota varu,°C	Teplota topenia,°C
CH 4	– 182,5	– 161,5
C2H6	– 182,8	– 88,6
C3H8	– 187,6	– 42,1
C4H10	– 138,3	– 0,5

Ako je zrejmé z tabuľky, s nárastom počtu atómov uhlíka v molekule sa zvyšuje teplota varu a topenia, čo potvrdzuje závislosť vlastností od kvantitatívneho zloženia molekúl.

Molekulový vzorec C4H10 zodpovedá nielen butánu, ale aj jeho izoméru izobutánu:

Izoméry majú rovnaké kvalitatívne (atómy uhlíka a vodíka) a kvantitatívne (4 atómy uhlíka a desať atómov vodíka) zloženie, líšia sa však od seba v poradí spojenia atómov (chemická štruktúra). Pozrime sa, ako rozdiel v štruktúre izomérov ovplyvní ich vlastnosti.

Rozvetvený uhľovodík (izobután) má vyššie teploty varu a topenia ako normálny uhľovodík (bután). To možno vysvetliť bližšou vzájomnou blízkosťou molekúl v butáne, čo zvyšuje sily medzimolekulovej príťažlivosti, a preto si vyžaduje viac energie na ich oddelenie.

Tretia pozícia teórie chemickej štruktúry ukazuje spätnú väzbu medzi zložením, štruktúrou a vlastnosťami látok: zloženie – štruktúra – vlastnosti. Uvažujme o tom na príklade zlúčenín so zložením C2H6O.

Predstavme si, že máme vzorky dvoch látok s rovnakým molekulovým vzorcom C 2 H 6 O, ktorý bol stanovený pomocou kvalitatívnej a kvantitatívnej analýzy. Ako však môžeme zistiť chemickú štruktúru týchto látok? Štúdium ich fyzikálnych a chemických vlastností pomôže odpovedať na túto otázku. Keď prvá látka interaguje s kovovým sodíkom, reakcia nenastane, ale druhá látka s ňou aktívne interaguje a uvoľňuje vodík. Stanovme kvantitatívny pomer látok v reakcii. Za týmto účelom pridajte určitú hmotnosť sodíka k známej hmotnosti druhej látky. Zmeriame objem vodíka. Vypočítajme množstvá látok. V tomto prípade sa ukazuje, že z dvoch mólov skúmanej látky sa uvoľní jeden mól vodíka. Preto je každá molekula tejto látky zdrojom jedného atómu vodíka. Aký záver možno vyvodiť? Len jeden atóm vodíka sa líši vlastnosťami, a teda aj štruktúrou (s ktorými atómami je spojený) od všetkých ostatných. Ak vezmeme do úvahy mocnosť atómov uhlíka, vodíka a kyslíka, pre danú látku možno navrhnúť iba jeden vzorec:

Pre prvú látku možno navrhnúť vzorec, v ktorom majú všetky atómy vodíka rovnakú štruktúru a vlastnosti:

Podobný výsledok možno dosiahnuť štúdiom fyzikálnych vlastností týchto látok.

Na základe štúdia vlastností látok teda môžeme vyvodiť záver o jej chemickej štruktúre.

Význam teórie chemickej štruktúry možno len ťažko preceňovať. Vyzbrojila chemikov vedeckým základom pre štúdium štruktúry a vlastností organických látok. Periodický zákon formulovaný D.I. má podobný význam. Mendelejev. Teória štruktúry zhŕňala všetky vedecké názory prevládajúce v tej dobe v chémii. Vedcom sa podarilo vysvetliť správanie sa organických látok počas chemických reakcií. Na základe teórie A.M. Butlerov predpovedal existenciu izomérov niektorých látok, ktoré boli neskôr získané. Rovnako ako periodický zákon, aj teória chemickej štruktúry sa ďalej rozvíjala po vytvorení teórie atómovej štruktúry, chemickej väzby a stereochémie.