Tvorca teórie chemickej štruktúry organických látok. Teória štruktúry organických látok

Tak ako v anorganickej chémii je základným teoretickým základom Periodický zákon a Periodický systém chemických prvkov D. I. Mendelejeva, tak aj v organickej chémii je vedúcim vedeckým základom teória štruktúry organických zlúčenín podľa Butlerova-Kekule-Coopera.

Ako každá iná vedecká teória, aj teória štruktúry organických zlúčenín bola výsledkom zovšeobecnenia najbohatšieho faktografického materiálu nahromadeného organickou chémiou, ktorý sa začal formovať ako veda na začiatku 19. storočia. Objavovalo sa stále viac nových zlúčenín uhlíka, ktorých počet lavínovite pribúdal (tab. 1).

stôl 1
Počet organických zlúčenín známych v rôznych rokoch

Na vysvetlenie tejto rozmanitosti organických zlúčenín vedci zo začiatku XIX storočia. nemohol. Ešte viac otázok vyvolal fenomén izomérie.

Napríklad etylalkohol a dimetyléter sú izoméry: tieto látky majú rovnaké zloženie C 2 H 6 O, ale inú štruktúru, teda iné poradie spojenia atómov v molekulách, a teda aj iné vlastnosti.

Vám už známy F. Wöhler v jednom zo svojich listov J. J. Berzeliusovi opísal organickú chémiu takto: „Organická chémia teraz môže poblázniť každého. Zdá sa mi to hustý les, plný úžasných vecí, nekonečná húština, z ktorej sa nemôžete dostať von, kam sa neodvažujete preniknúť ... “

Rozvoj chémie výrazne ovplyvnila práca anglického vedca E. Franklanda, ktorý opierajúc sa o myšlienky atomizmu zaviedol pojem valencia (1853).

V molekule vodíka H 2 vzniká jedna kovalentná chemická väzba H-H, teda vodík je monovalentný. Valencia chemického prvku môže byť vyjadrená počtom atómov vodíka, ktoré jeden atóm chemického prvku na seba naviaže alebo nahradí. Napríklad síra v sírovodíku a kyslík vo vode sú dvojmocné: H2S alebo H-S-H, H20 alebo H-O-H a dusík v amoniaku je trojmocný:

V organickej chémii je pojem „valencia“ analogický s pojmom „oxidačný stav“, s ktorým ste zvyknutí pracovať v rámci anorganickej chémie na základnej škole. Nie sú však rovnaké. Napríklad v molekule dusíka N2 je oxidačný stav dusíka nulový a valencia je tri:

V peroxide vodíka H202 je oxidačný stav kyslíka -1 a valencia je dve:

V amónnom ióne NH + 4 je oxidačný stav dusíka -3 a valencia je štyri:

Zvyčajne sa vo vzťahu k iónovým zlúčeninám (chlorid sodný NaCl a mnohé ďalšie anorganické látky s iónovou väzbou) nepoužíva pojem „valencia“ atómov, ale zvažuje sa ich oxidačný stav. Preto je v anorganickej chémii, kde má väčšina látok nemolekulárnu štruktúru, vhodnejšie použiť pojem „oxidačný stav“ a v organickej chémii, kde má väčšina zlúčenín molekulárnu štruktúru, spravidla použiť pojem „oxidačný stav“. „valencia“.

Teória chemickej štruktúry je výsledkom zovšeobecnenia myšlienok vynikajúcich organických vedcov z troch európskych krajín: Nemca F. Kekuleho, Angličana A. Coopera a Rusa A. Butlerova.

V roku 1857 F. Kekule klasifikoval uhlík ako štvormocný prvok a v roku 1858 spolu s A. Cooperom zaznamenal, že atómy uhlíka sa môžu navzájom spájať v rôznych reťazcoch: lineárnych, rozvetvených a uzavretých (cyklických).

Práce F. Kekuleho a A. Coopera poslúžili ako základ pre vypracovanie vedeckej teórie vysvetľujúcej fenomén izomérie, vzťah medzi zložením, štruktúrou a vlastnosťami molekúl organických zlúčenín. Takúto teóriu vytvoril ruský vedec A. M. Butlerov. Bola to jeho zvedavá myseľ, ktorá sa „odvážila preniknúť“ do „hustého lesa“ organickej chémie a začala premenu tejto „neobmedzenej húštiny“ na pravidelný park plný slnečných lúčov so systémom chodníkov a uličiek. Hlavné myšlienky tejto teórie prvýkrát vyslovil A. M. Butlerov v roku 1861 na zjazde nemeckých prírodovedcov a lekárov v Speyeri.

Stručne formulujte hlavné ustanovenia a dôsledky Butlerov-Kekule-Cooperovej teórie štruktúry organických zlúčenín nasledovne.

1. Atómy v molekulách látok sú spojené v určitom poradí podľa ich mocenstva. Uhlík v organických zlúčeninách je vždy štvormocný a jeho atómy sa môžu navzájom spájať a vytvárať rôzne reťazce (lineárne, rozvetvené a cyklické).

Organické zlúčeniny môžu byť usporiadané do sérií látok podobných zložením, štruktúrou a vlastnosťami - homologické série.

Butlerov Alexander Michajlovič (1828-1886), ruský chemik, profesor Kazanskej univerzity (1857 – 1868), v rokoch 1869 – 1885 – profesor Petrohradskej univerzity. Akademik Akadémie vied v Petrohrade (od roku 1874). Tvorca teórie chemickej štruktúry organických zlúčenín (1861). Predpovedal a študoval izomériu mnohých organických zlúčenín. Syntetizoval veľa látok.

Napríklad metán CH 4 je predchodcom homologickej série nasýtených uhľovodíkov (alkánov). Jeho najbližším homológom je etán C2H6 alebo CH3-CH3. Ďalšími dvoma členmi homologickej série metánu sú propán C3H8 alebo CH3-CH2-CH3 a bután C4H10 alebo CH3-CH2-CH2-CH3 atď.

Je ľahké vidieť, že pre homologické série je možné odvodiť všeobecný vzorec pre sériu. Takže pre alkány je tento všeobecný vzorec CnH2n + 2.

2. Vlastnosti látok závisia nielen od ich kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia, ale aj od štruktúry ich molekúl.

Táto pozícia teórie štruktúry organických zlúčenín vysvetľuje fenomén izomérie. Je zrejmé, že pre bután C4H10 je okrem molekuly lineárnej štruktúry CH3-CH2-CH2-CH3 možná aj rozvetvená štruktúra:

Ide o úplne novú látku s vlastnými individuálnymi vlastnosťami, ktoré sa líšia od vlastností lineárneho butánu.

Bután, v molekule ktorého sú atómy usporiadané vo forme lineárneho reťazca, sa nazýva normálny bután (n-bután) a bután, ktorého reťazec uhlíkových atómov je rozvetvený, sa nazýva izobután.

Existujú dva hlavné typy izomérie - štrukturálna a priestorová.

V súlade s prijatou klasifikáciou sa rozlišujú tri typy štruktúrnej izomérie.

Izoméria uhlíkového skeletu. Zlúčeniny sa líšia v poradí väzieb uhlík-uhlík, napríklad n-bután a izobután. Práve tento typ izomérie je charakteristický pre alkány.

Izoméria polohy násobnej väzby (C=C, C=C) alebo funkčnej skupiny (t.j. skupiny atómov, ktoré určujú, či zlúčenina patrí do určitej triedy organických zlúčenín), napríklad:

Medzitriedna izoméria. Izoméry tohto typu izomérie patria do rôznych tried organických zlúčenín, napríklad etylalkohol (trieda nasýtených jednosýtnych alkoholov) a dimetyléter (trieda éterov) diskutované vyššie.

Existujú dva typy priestorovej izomérie: geometrická a optická.

Geometrická izoméria je charakteristická predovšetkým pre zlúčeniny s dvojitou väzbou uhlík-uhlík, keďže molekula má v mieste takejto väzby plošnú štruktúru (obr. 6).

Ryža. 6.
Model molekuly etylénu

Napríklad pre butén-2, ak sú rovnaké skupiny atómov na atómoch uhlíka v dvojitej väzbe na rovnakej strane roviny väzby C=C, potom je molekula cizizomér, ak je na opačných stranách transizomér .

Optickú izomériu majú napríklad látky, ktorých molekuly majú asymetrický alebo chirálny atóm uhlíka viazaný na štyri rôzne poslancov. Optické izoméry sú vzájomnými zrkadlovými obrazmi ako dve dlane a nie sú kompatibilné. (Teraz sa vám už zrejme vyjasnil druhý názov tohto typu izomérie: grécky chiros – ruka – vzorka asymetrického útvaru.) Napríklad vo forme dvoch optických izomérov existuje 2-hydroxypropánová (mliečna ) kyselina obsahujúca jeden asymetrický atóm uhlíka.

Chirálne molekuly majú izomérne páry, v ktorých sú molekuly izomérov vo svojej priestorovej organizácii vzájomne prepojené rovnakým spôsobom ako objekt a jeho zrkadlový obraz. Pár takýchto izomérov má vždy rovnaké chemické a fyzikálne vlastnosti, s výnimkou optickej aktivity: ak jeden izomér otáča rovinu polarizovaného svetla v smere hodinových ručičiek, potom druhý nevyhnutne proti smeru hodinových ručičiek. Prvý izomér sa nazýva pravotočivý a druhý sa nazýva ľavotočivý.

Význam optickej izomérie v organizácii života na našej planéte je veľmi veľký, pretože optické izoméry sa môžu výrazne líšiť vo svojej biologickej aktivite aj v kompatibilite s inými prírodnými zlúčeninami.

3. Atómy v molekulách látok sa navzájom ovplyvňujú. Vzájomné ovplyvňovanie atómov v molekulách organických zlúčenín budete uvažovať v ďalšom štúdiu predmetu.

Moderná teória štruktúry organických zlúčenín je založená nielen na chemickej, ale aj na elektrónovej a priestorovej štruktúre látok, ktorá sa podrobne zvažuje na profilovej úrovni štúdia chémie.

V organickej chémii sa široko používa niekoľko typov chemických vzorcov.

Molekulový vzorec odráža kvalitatívne zloženie zlúčeniny, to znamená, že ukazuje počet atómov každého z chemických prvkov, ktoré tvoria molekulu látky. Napríklad molekulový vzorec propánu je C3H8.

Štruktúrny vzorec odráža poradie spojenia atómov v molekule podľa valencie. Štruktúrny vzorec propánu je:

Často nie je potrebné podrobne znázorňovať chemické väzby medzi atómami uhlíka a vodíka, preto sa vo väčšine prípadov používajú skrátené štruktúrne vzorce. Pre propán je takýto vzorec napísaný takto: CH3-CH2-CH3.

Štruktúra molekúl organických zlúčenín sa odráža pomocou rôznych modelov. Najznámejšie sú volumetrické (mierkové) a guľôčkové modely (obr. 7).

Ryža. 7.
Modely molekuly etánu:
1 - guľôčka a palica; 2 - mierka

Nové slová a pojmy

1. Izoméria, izoméry.
2. Valence.
3. Chemická štruktúra.
4. Teória štruktúry organických zlúčenín.
5. Homologický rad a homologický rozdiel.
6. Vzorce molekulové a štruktúrne.
7. Modely molekúl: objemové (mierkové) a sférické.

Otázky a úlohy

1. čo je valencia? Ako sa líši od oxidačného stavu? Uveďte príklady látok, v ktorých sú hodnoty oxidačného stavu a valencie atómov číselne rovnaké a rôzne,
2. Určte valenciu a oxidačný stav atómov v látkach, ktorých vzorce sú Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
3. Čo je izoméria; izoméry?
4. Čo je homológia; homológy?
5. Ako pomocou vedomostí o izomérii a homológii vysvetliť rozmanitosť zlúčenín uhlíka?
6. Čo znamená chemická štruktúra molekúl organických zlúčenín? Formulujte pozíciu teórie štruktúry, ktorá vysvetľuje rozdielnosť vlastností izomérov Formulujte pozíciu teórie štruktúry, ktorá vysvetľuje rozmanitosť organických zlúčenín.
7. Ako prispel k tejto teórii každý z vedcov – zakladateľov teórie chemickej štruktúry? Prečo zohral pri formovaní tejto teórie vedúcu úlohu prínos ruského chemika?
8. Je možné, že existujú tri izoméry zloženia C 5 H 12. Napíšte ich úplné a skrátené štruktúrne vzorce,
9. Podľa modelu molekuly látky uvedeného na konci odseku (pozri obr. 7) vytvorte jej molekulové a skrátené štruktúrne vzorce.
10. Vypočítajte hmotnostný zlomok uhlíka v molekulách prvých štyroch členov homologickej série alkánov.

Základom pre vytvorenie teórie chemickej štruktúry organických zlúčenín A.M. Butlerova bola atómová a molekulárna teória (práce A. Avagadra a S. Cannizzara). Bolo by nesprávne predpokladať, že pred jeho stvorením svet nevedel nič o organických látkach a nerobili sa žiadne pokusy dokázať štruktúru organických zlúčenín. Do roku 1861 (rok A.M. Butlerov vytvoril teóriu chemickej štruktúry organických zlúčenín) počet známych organických zlúčenín dosiahol státisíce a k oddeleniu organickej chémie ako samostatnej vedy došlo už v roku 1807 (J. Berzelius) .

Východiská teórie štruktúry organických zlúčenín

Široké štúdium organických zlúčenín sa začalo v 18. storočí prácou A. Lavoisiera, ktorý ukázal, že látky získané zo živých organizmov pozostávajú z viacerých prvkov – uhlíka, vodíka, kyslíka, dusíka, síry a fosforu. Veľký význam malo zavedenie pojmov „radikál“ a „izoméria“, ako aj formovanie teórie radikálov (L. Giton de Morvo, A. Lavoisier, J. Liebig, J. Dumas, J. Berzelius) , úspech v syntéze organických zlúčenín (močovina, anilín, kyselina octová, tuky, látky podobné cukru atď.).

Termín „chemická štruktúra“, ako aj základy klasickej teórie chemickej štruktúry, prvýkrát publikoval A.M. Butlerov 19. septembra 1861 vo svojej správe na kongrese nemeckých prírodovedcov a lekárov v Speyeri.

Hlavné ustanovenia teórie štruktúry organických zlúčenín A.M. Butlerov

1. Atómy, ktoré tvoria molekulu organickej látky, sú prepojené v určitom poradí a jedna alebo viac valencií z každého atómu sa vynakladá na vzájomné spojenie. Neexistujú žiadne voľné valencie.

Butlerov nazval postupnosť spojenia atómov „chemickou štruktúrou“. Graficky sú väzby medzi atómami naznačené čiarou alebo bodkou (obr. 1).

Ryža. 1. Chemická štruktúra molekuly metánu: A - štruktúrny vzorec, B - elektrónový vzorec

2. Vlastnosti organických zlúčenín závisia od chemickej štruktúry molekúl, t.j. vlastnosti organických zlúčenín závisia od poradia, v ktorom sú atómy v molekule spojené. Štúdiom vlastností môžete látku zobraziť.

Zoberme si príklad: látka má hrubý vzorec C 2 H 6 O. Je známe, že keď táto látka interaguje so sodíkom, uvoľňuje sa vodík a keď na ňu pôsobí kyselina, tvorí sa voda.

C2H60 + Na = C2H5ONa + H2

C2H6O + HCl \u003d C2H5Cl + H20

Táto látka môže zodpovedať dvom štruktúrnym vzorcom:

CH3-O-CH3-acetón (dimetylketón) a CH3-CH2-OH-etylalkohol (etanol),

na základe chemických vlastností charakteristických pre túto látku usudzujeme, že ide o etanol.

Izoméry sú látky, ktoré majú rovnaké kvalitatívne a kvantitatívne zloženie, ale odlišnú chemickú štruktúru. Existuje niekoľko typov izomérie: štruktúrna (lineárna, rozvetvená, uhlíkový skelet), geometrická (cis- a trans-izoméria, charakteristická pre zlúčeniny s viacnásobnou dvojitou väzbou (obr. 2)), optická (zrkadlová), stereo (priestorová, charakteristické pre látky, ktoré sa môžu v priestore nachádzať rôznymi spôsobmi (obr. 3).

Ryža. 2. Príklad geometrickej izomérie

3. Chemické vlastnosti organických zlúčenín ovplyvňujú aj ďalšie atómy prítomné v molekule. Takéto skupiny atómov sa nazývajú funkčné skupiny, pretože ich prítomnosť v molekule látky jej dáva špeciálne chemické vlastnosti. Napríklad: -OH (hydroxo skupina), -SH (tio skupina), -CO (karbonylová skupina), -COOH (karboxylová skupina). Navyše chemické vlastnosti organickej hmoty závisia v menšej miere od uhľovodíkového skeletu ako od funkčnej skupiny. Sú to funkčné skupiny, ktoré poskytujú rozmanitosť organických zlúčenín, vďaka čomu sa klasifikujú (alkoholy, aldehydy, karboxylové kyseliny atď. Funkčné skupiny niekedy zahŕňajú väzby uhlík-uhlík (viacnásobné dvojité a trojité). Ak existuje niekoľko rovnakých funkčné skupiny, potom sa nazýva homopolyfunkčná (CH 2 (OH) -CH (OH) -CH 2 (OH) - glycerol), ak je niekoľko, ale rôzne - heteropolyfunkčné (NH 2 -CH (R) -COOH - aminokyseliny) .

Obr.3. Príklad stereoizomérie: a - cyklohexán, "stoličková" forma, b - cyklohexán, "kúpeľová" forma

4. Valencia uhlíka v organických zlúčeninách je vždy štyri.

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

Pred A.M. Butlerova sa považovalo za nemožné poznať štruktúru molekuly, to znamená poradie chemickej väzby medzi atómami. Mnohí vedci dokonca popreli realitu atómov a molekúl.

A.M. Butlerov tento názor vyvrátil. Začal sprava 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 empiricky 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 zákonitosti. Základné princípy jeho teórie A.M. Butlerov uviedol v správe "O teórii chemickej štruktúry".

Hlavné ustanovenia teórie štruktúry sú nasledovné:

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

2) vlastnosti látky závisia nielen od toho, ktoré atómy a v akom množstve sú súčasťou jej molekuly, ale aj od poradia, v ktorom sú vzájomne prepojené, to znamená od chemickej štruktúry molekuly;

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

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

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

Hodnota teórie chemickej štruktúry A.M. Butlerov:

1) je základnou súčasťou teoretického základu organickej chémie;

2) vo význame ho možno porovnať s periodickým systémom prvkov 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) pripojených k atómom uhlíka aromatického jadra. Podľa počtu OH skupín sa monoatómový fosfor rozlišuje, napríklad oxybenzén C 6 H 5 OH, zvyčajne nazývaný jednoducho fenol, oxytoluény 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; dobre rozpustný v organických rozpúšťadlách (alkohol, éter, oenzol). F., ktoré majú kyslé vlastnosti, tvoria produkty podobné soliam - fenoláty: ArOH + NaOH (ArONa + H 2 O (Ar je aromatický radikál). Alkylácia a acylácia fenolátov vedie k F. esterom - jednoduchý ArOR a komplexný ArOCOR (R - 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 s veľkými ťažkosťami nahradená halogénom. Elektrofilná substitúcia v jadre F. (halogenácia, nitrácia, sulfonácia, alkylácia atď.) sa uskutočňuje oveľa ľahšie ako v nesubstituovaných aromatických uhľovodíkoch; náhradné skupiny sa posielajú na orto- a pár- polohy k OH skupine (pozri. Orientácie na pravidlá). Katalytická hydrogenácia F. vedie k alicyklickým alkoholom, napríklad C 6 H 5 OH sa redukuje na cyklohexanol. F. sa vyznačuje aj kondenzačnými reakciami, napr. s aldehydmi a ketónmi, čo sa v priemysle používa na získavanie fenol- a rezorcinol-formaldehydových živíc, difenylolpropánu a iných dôležitých produktov.

F. sa získava napríklad hydrolýzou zodpovedajúcich halogénderivátov, alkalickým tavením arylsulfónových kyselín ArSO 2 OH, izolovaných z uhoľného dechtu, hnedouhoľného dechtu atď. F. je dôležitou surovinou pri výrobe rôznych polymérov, lepidlá, farby a laky, farbivá a liečivá (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 F. sa používajú roztoky chloridu železitého, ktoré tvoria farebné produkty s F.. F. toxické (pozri. Odpadová voda.).

13 Alkány

všeobecné charakteristiky

Uhľovodíky sú najjednoduchšie organické zlúčeniny pozostávajúce z dvoch prvkov: uhlíka a vodíka. Limitné 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 prepojené jednoduchou (jednoduchou) väzbou a všetky ostatné valencie sú nasýtené atómami vodíka. Alkány sa tiež nazývajú nasýtené uhľovodíky alebo parafíny (pojem "parafíny" znamená "s nízkou afinitou").

Prvým členom homologického radu alkánov je metán CH 4 . 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. Sú to C5H12 pentán, C6H14 hexán, C7H16 heptán, C8H18 oktán, C9H20 nonán, C10H22 dekán atď.

V homologickej sérii sa pozoruje postupná zmena fyzikálnych vlastností uhľovodíkov: teploty varu a topenia sa zvyšujú a hustota sa zvyšuje. Za normálnych podmienok (teplota ~ 22 °C) sú prvé štyri členy série (metán, etán, propán, bután) plyny, C 5 H 12 až C 16 H 34 sú kvapaliny a 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 nerozvetvený uhlíkový reťazec, často sa k názvu 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 atóm vodíka oddelí od molekuly alkánu, vytvoria sa častice s jedným ventilom, ktoré sa nazývajú 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. Ak teda z kyseliny dusičnej odoberieme hydroxylovú skupinu OH, dostaneme jednoväzbový radikál - NO 2, nazývaný nitroskupina 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 -an nahradenou -ylidén (ak sú atómy vodíka oddelené od jedného atómu uhlíka) alebo -ylén (ak sú atómy vodíka oddelené od 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).

Pre názov izomérov sa široko používajú dve nomenklatúry: stará - racionálna a moderná - substitúcia, ktorá sa tiež nazýva 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 sú očíslované od konca najbližšieho k uhľovodíkovému zvyšku. Potom pomenujú: 1) číslo atómu uhlíka, ku ktorému je radikál priradený (počnúc najjednoduchším radikálom); 2) uhľovodík, ktorý zodpovedá dlhému reťazcu. Ak vzorec obsahuje niekoľko rovnakých zvyškov, potom pred ich názvom uveďte počet slovne (di-, tri-, tetra- atď.) a čísla zvyškov sú oddelené čiarkami. Tu je návod, ako by sa mali hexánové izoméry pomenovať 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 zaujímajú nerovnakú pozíciu. Atóm uhlíka, ktorý je pripojený iba k jednému atómu uhlíka v reťazci, sa nazýva primárny, s dvoma - sekundárnymi, s tromi - terciárnymi, so štyrmi - kvartérnymi. 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, s ktorým atómom uhlíka sú spojené: primárny, sekundárny alebo terciárny. 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. so zvýšením relatívnej molekulovej hmotnosti sa teploty varu a topenia alkánov zvyšujú. Pri rovnakom počte atómov uhlíka v molekule majú rozvetvené alkány nižšie teploty varu ako normálne alkány.

Alkány sú prakticky nerozpustné vo vode, keďže ich molekuly sú nízkopolárne a neinteragujú s molekulami vody, dobre sa rozpúšťajú v nepolárnych organických rozpúšťadlách ako 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.

Zo syntetických metód na získanie alkánov možno rozlíšiť:

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

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

2. Získavanie z halogénovaných. Keď sa monohalogénované alkány zahrievajú kovovým sodíkom, získajú sa alkány s dvojnásobným počtom atómov uhlíka (Wurtzova reakcia):

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

Podobná reakcia sa neuskutočňuje s dvoma rôznymi halogénmi substituovanými alkánmi, pretože tak vzniká zmes troch rôznych alkánov

3. Získavanie 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. Získavanie 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 \u003d 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 pôsobením aktívnych voľných radikálov. Preto sú alkány charakterizované radikálovými reakciami, v dôsledku ktorých sa získajú zlúčeniny, kde sú atómy vodíka nahradené inými atómami alebo skupinami atómov. Preto alkány vstupujú do reakcií prebiehajúcich podľa mechanizmu radikálovej substitúcie, označovaného symbolom SR (z angl. substitučná radikálová). Podľa tohto mechanizmu sa atómy vodíka najľahšie nahradia na terciárnych, potom na sekundárnych a primárnych atómoch uhlíka.

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

b) Reťazový rast. Radikál chlóru odoberá z molekuly alkánu atóm vodíka:

Cl + CH4 → HCl + CH3

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

CH3 + Cl2 -> CH3CI + Cl

Tieto reakcie sa opakujú, kým nedôjde k ukončeniu reťazca v jednej z nasledujúcich 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 terciárnom, potom na sekundárnom a primárnom atóme uhlíka. Vysvetľuje sa to tým, že väzba terciárneho atómu uhlíka s vodíkom sa najľahšie preruší homolyticky (energia väzby 376 kJ / mol), potom sekundárna (390 kJ / mol) a až potom primárna (415 kJ / mol). mol).

3. Izomerizácia. Normálne alkány môžu byť za určitých podmienok premenené na alkány s rozvetveným reťazcom:

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

C8H18 -> C4H10 + C4H8,

2CH4 → C2H2 + ZH2,

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:

Mäkká 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 + (Zn + 1) / 202 \u003d 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 v 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 „-an“ za „-en“; poloha dvojitej väzby je označená arabskou číslicou.

homologická séria

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

Fyzikálne vlastnosti

Teploty topenia a varu sa zvyšujú s molekulovou hmotnosťou a dĺžkou hlavného uhlíkového 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 ľahko 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 za ťažkých podmienok - alkén sa oxiduje na kyselinu:

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

Dvojitá väzba:
CH2=CH2+Br2 -> CH2Br-CH2Br

Oxidácia perkyselinami:
CH2=CH2 + CH3COOOOH →
alebo
CH2=CH2 + HCOOH -> HOCH2CH2OH

Prednáška 15

Teória štruktúry organických látok. Hlavné triedy organických zlúčenín.

Organická chémia - veda, ktorá študuje organickú hmotu. V opačnom prípade to možno definovať ako chémia zlúčenín uhlíka. Ten zaujíma osobitné miesto v periodickom systéme D.I. Mendelejeva, pokiaľ ide o 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 spracovávať tieto látky, aby získali rôzne cenné organické produkty: víno, ocot, mydlo atď. Pokrok v organickej chémii je založený na úspechoch v oblasti chémie bielkovín, nukleových kyselín, vitamínov atď. Organická chémia má veľký význam pre rozvoj medicíny, keďže drvivú väčšinu liečiv tvoria organické zlúčeniny nielen prírodného pôvodu, ale aj získané najmä syntézou. Výnimočná hodnota putovala makromolekulárne organické zlúčeniny (syntetické živice, plasty, vlákna, syntetické kaučuky, farbivá, herbicídy, insekticídy, fungicídy, defolianty...). Význam organickej chémie pre výrobu potravín a priemyselného tovaru je obrovský.

Moderná organická chémia prenikla hlboko do chemických procesov, ktoré sa vyskytujú pri skladovaní a spracovaní potravinárskych výrobkov: procesy sušenia, žltnutia a zmydelňovania olejov, fermentácia, pečenie, morenie, získavanie nápojov, pri výrobe mliečnych výrobkov atď. Významnú úlohu zohral aj objav a štúdium enzýmov, parfumov a kozmetiky.

Jedným z dôvodov veľkej rozmanitosti organických zlúčenín je zvláštnosť ich štruktúry, ktorá sa prejavuje tvorbou kovalentných väzieb a reťazcov atómami uhlíka, rôznych typov a dĺžky. Počet viazaných atómov uhlíka v nich môže dosiahnuť desiatky tisíc a konfigurácia uhlíkových reťazcov môže byť lineárna alebo cyklická. Okrem atómov uhlíka môže reťazec zahŕňať kyslík, dusík, síru, fosfor, arzén, kremík, cín, olovo, titán, železo atď.

Prejav týchto vlastností uhlíkom je spojený s viacerými dôvodmi. Potvrdilo sa, že energie väzieb C–C a C–O sú porovnateľné. Uhlík má schopnosť vytvárať tri typy hybridizácie orbitálov: štyri sp 3 - hybridné orbitály, ich orientácia v priestore je tetraedrická a zodpovedá jednoduché Kovalentné väzby; tri hybridné sp 2 - orbitály umiestnené v rovnakej rovine, v kombinácii s nehybridnou orbitálnou formou dvojité násobky spojenia (─С = С─); aj pomocou sp - vznikajú hybridné orbitály lineárnej orientácie a nehybridné orbitály medzi atómami uhlíka trojnásobné násobky väzby (─ C ≡ C ─).Tieto typy väzieb zároveň tvoria atómy uhlíka 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 vlastnosti.

Tiež plne potvrdzuje 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, otvorený uhlíkový reťazec - priamy alebo rozvetvený:

N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N N─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N N │ N

Normálny bután izobután (metylpropán)

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

cyklobután cyklohexán

b) aromatické zlúčeniny, v molekulách ktorých je benzénový skelet - šesťčlenný cyklus 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 rozlišujú:

1. Obmedzte nasýtené V uhlíkovej kostre sú len jednoduché väzby.

─С─С─С─

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

─С=С─ ─С≡С─

3. aromatický– neobmedzené 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

Typ vodíka:

Takéto vzorce sú trochu podobné tým moderným. Ale priaznivci teórie typov ich nepovažovali za odraz skutočnej štruktúry látok a napísali veľa rôznych vzorcov pre jednu zlúčeninu v závislosti od chemických reakcií, ktoré sa pokúšali napísať pomocou týchto vzorcov. Štruktúru molekúl považovali za zásadne nepoznateľnú, čo škodilo rozvoju vedy.

3. Zavedenie termínu „izoméria“ J. Berzeliusom v roku 1830 pre fenomén existencie látok rovnakého zloženia s rôznymi vlastnosťami.

4. Úspechy v syntéze organických zlúčenín, v dôsledku ktorých bola vyvrátená doktrína vitalizmu, teda „životnej sily“, pod vplyvom ktorej údajne vznikajú organické látky v tele živých bytostí:

V roku 1828 F. Wehler syntetizoval močovinu z anorganickej látky (kyanatan amónny);

V roku 1842 dostal ruský chemik N. N. Zinin anilín;

V roku 1845 nemecký chemik A. Kolbe syntetizoval kyselinu octovú;

V roku 1854 francúzsky chemik M. Berthelot syntetizoval tuky a napokon

V roku 1861 sám A. M. Butlerov syntetizoval látku podobnú cukru.

5. V polovici XVIII storočia. chémia sa stáva prísnejšou vedou. Výsledkom práce E. Franklanda a A. Kekuleho bola koncepcia valencie atómov chemických prvkov. Kekule vyvinul koncept tetravalencie uhlíka. Vďaka dielam Cannizzara sa koncepty atómových a molekulárnych hmotností stali jasnejšími, ich význam a metódy určovania sa spresnili.

V roku 1860 sa viac ako 140 popredných chemikov z rôznych európskych krajín zišlo na medzinárodnom kongrese v Karlsruhe. Kongres sa stal veľmi dôležitou udalosťou v dejinách chémie: boli zhrnuté úspechy vedy a pripravené podmienky pre novú etapu vo vývoji organickej chémie - vznik teórie chemickej štruktúry organických látok od A. M. Butlerova ( 1861), ako aj za zásadný objav D. I. Mendelejeva – Periodický zákon a sústava chemických prvkov (1869).

V roku 1861 vystúpil A. M. Butlerov na kongrese lekárov a prírodovedcov v meste Speyer so správou „O chemickej štruktúre tiel“. Načrtol v nej základy svojej teórie chemickej štruktúry organických zlúčenín. Pod chemickou štruktúrou vedec pochopil poradie spojenia atómov v molekulách.

Osobné vlastnosti A. M. Butlerova

A. M. Butlerov sa vyznačoval encyklopedickým charakterom chemických znalostí, schopnosťou analyzovať a zovšeobecňovať fakty a predpovedať. Predpovedal existenciu izoméru butánu a potom ho prijal, rovnako ako izomér butylénu - izobutylén.

Butlerov Alexander Michajlovič (1828-1886)

Ruský chemik, akademik Akadémie vied v Petrohrade (od roku 1874). Vyštudoval Kazanskú univerzitu (1849). Pôsobil tam (od roku 1857 - profesor, v rokoch 1860 a 1863 - rektor). Tvorca teórie chemickej štruktúry organických zlúčenín, ktorá je základom modernej chémie. Zdôvodnil myšlienku vzájomného vplyvu atómov v molekule. Predpovedal a vysvetlil izomériu mnohých organických zlúčenín. Napísal „Úvod do úplného štúdia organickej chémie“ (1864) – prvú príručku v dejinách vedy založenú na teórii chemickej štruktúry. Predseda Katedry chémie Ruskej fyzikálnej a chemickej spoločnosti (1878-1882).

A. M. Butlerov vytvoril prvú školu organických chemikov v Rusku, z ktorej vzišli brilantní vedci: V. V. Markovnikov, D. P. Konovalov, A. E. Favorskij a ďalší.

Niet divu, že D. I. Mendelejev napísal: „A. M. Butlerov je jeden z najväčších ruských vedcov, je Rusom tak vedeckým vzdelaním, ako aj originalitou svojich prác.“

Hlavné ustanovenia teórie štruktúry chemických zlúčenín

Teória chemickej štruktúry organických zlúčenín, ktorú predložil A. M. Butlerov v druhej polovici minulého storočia (1861), bola potvrdená prácou mnohých vedcov, vrátane Butlerovových študentov a jeho samotného. Ukázalo sa, že na jeho základe je možné vysvetliť mnohé javy, ktoré dovtedy nemali žiadnu interpretáciu: izoméria, homológia, prejav tetravalencie atómami uhlíka v organických látkach. Teória splnila aj svoju prognostickú funkciu: na jej základe vedci predpovedali existenciu zatiaľ neznámych zlúčenín, opísali vlastnosti a objavili ich.

Takže v rokoch 1862-1864. A. M. Butlerov zvážil izomériu propyl, butyl a amylalkoholov, určil počet možných izomérov a odvodil vzorce týchto látok. Ich existencia bola neskôr experimentálne dokázaná a niektoré z izomérov syntetizoval sám Butlerov.

Počas XX storočia. ustanovenia teórie chemickej štruktúry chemických zlúčenín boli vyvinuté na základe nových názorov, ktoré sa rozšírili vo vede: teória štruktúry atómu, teória chemickej väzby, predstavy o mechanizmoch chemických reakcií. V súčasnosti má táto teória univerzálny charakter, to znamená, že platí nielen pre organické látky, ale aj pre anorganické.

Prvá pozícia. Atómy v molekulách sú spojené v určitom poradí v súlade s ich mocnosťou. Uhlík vo všetkých organických a väčšine anorganických zlúčenín je štvormocný.

Je zrejmé, že poslednú časť prvého ustanovenia teórie možno ľahko vysvetliť skutočnosťou, že atómy uhlíka v zlúčeninách sú v excitovanom stave:

a) štvormocné atómy uhlíka sa môžu navzájom kombinovať a vytvárať rôzne reťazce:

otvorené rozvetvené
- otvorený nerozvetvený
- ZATVORENÉ

b) poradie spojenia atómov uhlíka v molekulách môže byť rôzne a závisí od typu kovalentnej chemickej väzby medzi atómami uhlíka – jednoduchá alebo viacnásobná (dvojitá a trojitá).

Druhá pozícia. Vlastnosti látok závisia nielen od ich kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia, ale aj od štruktúry ich molekúl.

Táto pozícia vysvetľuje fenomén izomérie. Látky, ktoré majú rovnaké zloženie, ale odlišnú chemickú alebo priestorovú štruktúru, a teda odlišné vlastnosti, sa nazývajú izoméry. Hlavné typy izomérií:

Štrukturálna izoméria, pri ktorej sa látky líšia v poradí väzby atómov v molekulách:

1) izoméria uhlíkového skeletu

3) izoméria homologickej série (medzitrieda)

Priestorová izoméria, pri ktorej sa molekuly látok líšia nie v poradí atómov, ale svojou polohou v priestore: cis-trans-izoméria (geometrická).

Táto izoméria je typická pre látky, ktorých molekuly majú rovinnú štruktúru: alkény, cykloalkány atď.

K priestorovej izomérii patrí aj optická (zrkadlová) izoméria.

Štyri jednoduché väzby okolo atómu uhlíka, ako už viete, sú usporiadané tetraedricky. Ak je atóm uhlíka naviazaný na štyri rôzne atómy alebo skupiny, potom je možné rôzne usporiadanie týchto skupín v priestore, to znamená dve priestorové izomérne formy.

Dve zrkadlové formy aminokyseliny alanínu (kyselina 2-aminopropánová) sú znázornené na obrázku 17.

Predstavte si, že molekula alanínu je umiestnená pred zrkadlom. Skupina -NH2 je bližšie k zrkadlu, takže v odraze bude vpredu a skupina -COOH bude v pozadí atď. (pozri obrázok vpravo). Alanya existuje v dvoch priestorových formách, ktoré sa pri prekrývaní navzájom nekombinujú.

Univerzálnosť druhej pozície teórie štruktúry chemických zlúčenín potvrdzuje existenciu anorganických izomérov.

Takže prvá zo syntéz organických látok - syntéza močoviny, ktorú uskutočnil Wehler (1828), ukázala, že anorganická látka - kyanát amónny a organická látka - močovina sú izomérne:

Ak nahradíte atóm kyslíka v močovine atómom síry, získate tiomočovinu, ktorá je izomérna s tiokyanátom amónnym, dobre známym činidlom pre ióny Fe 3+. Je zrejmé, že tiomočovina nespôsobuje túto kvalitatívnu reakciu.

Tretia pozícia. Vlastnosti látok závisia od vzájomného vplyvu atómov v molekulách.

Napríklad v kyseline octovej reaguje s alkáliou iba jeden zo štyroch atómov vodíka. Na základe toho možno predpokladať, že iba jeden atóm vodíka je viazaný na kyslík:

Na druhej strane zo štruktúrneho vzorca kyseliny octovej možno usudzovať, že obsahuje jeden mobilný atóm vodíka, to znamená, že je jednosýtna.

Pre overenie univerzálnosti postavenia teórie štruktúry na závislosti vlastností látok na vzájomnom ovplyvňovaní atómov v molekulách, ktorá existuje nielen v organických, ale aj v anorganických zlúčeninách, porovnávame vlastnosti atómov vodíka v r. vodíkové zlúčeniny nekovov. Majú molekulárnu štruktúru a za normálnych podmienok sú to plyny alebo prchavé kvapaliny. V závislosti od polohy nekovu v periodickom systéme D. I. Mendelejeva možno identifikovať vzor v zmene vlastností takýchto zlúčenín:

Metán neinteraguje s vodou. Nedostatok základných vlastností metánu sa vysvetľuje nasýtením valenčných schopností atómu uhlíka.

Amoniak vykazuje základné vlastnosti. Jeho molekula je schopná pripojiť k sebe vodíkový ión vďaka svojej príťažlivosti k osamelému elektrónovému páru atómu dusíka (mechanizmus tvorby väzby donor-akceptor).

Vo fosfíne PH3 sú základné vlastnosti slabo vyjadrené, čo súvisí s polomerom atómu fosforu. Je oveľa väčší ako polomer atómu dusíka, takže atóm fosforu priťahuje atóm vodíka k sebe slabšie.

V periódach zľava doprava sa zväčšujú náboje jadier atómov, zmenšujú sa polomery atómov, zvyšuje sa odpudivá sila atómu vodíka s čiastočným kladným nábojom G +, a preto kyslé vlastnosti vodíkových zlúčenín nekovov. sú vylepšené.

V hlavných podskupinách sa atómové polomery prvkov zhora nadol zväčšujú, nekovové atómy s 5- priťahujú atómy vodíka s 5+ slabšími, znižuje sa pevnosť zlúčenín vodíka, ľahko sa disociujú, a preto sa zvýrazňujú ich kyslé vlastnosti.

Rozdielna schopnosť vodíkových zlúčenín nekovov odstraňovať alebo pridávať vodíkové katióny v roztokoch sa vysvetľuje nerovnakým účinkom, ktorý má nekovový atóm na atómy vodíka.

Rozdielny vplyv atómov v molekulách hydroxidov tvorených prvkami rovnakého obdobia vysvetľuje aj zmenu ich acidobázických vlastností.

Základné vlastnosti hydroxidov klesajú, zatiaľ čo kyslé sa zvyšujú, so zvyšujúcim sa stupňom oxidácie centrálneho atómu sa preto zvyšuje energia jeho väzby s atómom kyslíka (8-) a odpudzovanie atómu vodíka (8+) o zvyšuje sa to.

Hydroxid sodný NaOH. Keďže polomer atómu vodíka je veľmi malý, priťahuje atóm kyslíka k sebe silnejšie a väzba medzi atómami vodíka a kyslíka bude silnejšia ako medzi atómami sodíka a kyslíka. Hydroxid hlinitý Al(OH)3 vykazuje amfotérne vlastnosti.

V kyseline chloristej HclO 4 je atóm chlóru s relatívne veľkým kladným nábojom silnejšie viazaný na atóm kyslíka a silnejšie odpudzuje atóm vodíka s 6+. Disociácia prebieha podľa typu kyseliny.

Hlavné smery vo vývoji teórie štruktúry chemických zlúčenín a jej význam

V dobe A. M. Butlerova boli v organickej chémii široko používané empirické (molekulárne) a štruktúrne vzorce. Posledne menované odrážajú poradie spojenia atómov v molekule podľa ich mocenstva, ktoré je označené pomlčkami.

Na uľahčenie zaznamenávania sa často používajú skrátené štruktúrne vzorce, v ktorých sú pomlčkami označené iba väzby medzi atómami uhlíka alebo uhlíka a kyslíka.

Skrátené štruktúrne vzorce

Potom, s rozvojom poznatkov o povahe chemickej väzby a vplyve elektrónovej štruktúry molekúl organických látok na ich vlastnosti, začali používať elektrónové vzorce, v ktorých sa kovalentná väzba konvenčne označuje dvoma bodkami. V takýchto vzorcoch je často znázornený smer posunu elektrónových párov v molekule.

Je to elektrónová štruktúra látok, ktorá vysvetľuje mezomérne a indukčné účinky.

Indukčný efekt je premiestnenie elektrónových párov gama väzieb z jedného atómu na druhý v dôsledku ich rozdielnej elektronegativity. Označené (->).

Indukčný efekt atómu (alebo skupiny atómov) je negatívny (-/), ak má tento atóm vysokú elektronegativitu (halogény, kyslík, dusík), priťahuje elektróny gama väzby a získava čiastočný záporný náboj. Atóm (alebo skupina atómov) má pozitívny indukčný účinok (+/), ak odpudzuje elektróny gama väzieb. Túto vlastnosť majú niektoré obmedzujúce radikály C2H5). Pamätajte na Markovnikovovo pravidlo o tom, ako sa vodík a halogén halogenovodíka pridávajú k alkénom (propén) a pochopíte, že toto pravidlo má osobitný charakter. Porovnajte tieto dva príklady reakčných rovníc:

[[Teória_chemických_zlúčenín_A._M._Butlerov| ]]

V molekulách jednotlivých látok sa súčasne prejavujú indukčné aj mezomérne účinky. V tomto prípade sa buď navzájom posilňujú (v aldehydoch, karboxylových kyselinách), alebo sa vzájomne oslabujú (vo vinylchloride).

Výsledkom vzájomného ovplyvňovania atómov v molekulách je prerozdelenie elektrónovej hustoty.

Myšlienku priestorového smerovania chemických väzieb prvýkrát vyjadrili francúzsky chemik J. A. Le Bel a holandský chemik J. X. Van't Hoff v roku 1874. Predpoklady vedcov plne potvrdila kvantová chémia. Vlastnosti látok výrazne ovplyvňuje priestorová štruktúra ich molekúl. Napríklad sme už uviedli vzorce pre cis- a trans-izoméry 2-buténu, ktoré sa líšia svojimi vlastnosťami (pozri obr. 16).

Priemerná väzbová energia, ktorá sa musí rozbiť pri prechode z jednej formy do druhej, je približne 270 kJ/mol; pri izbovej teplote nie je toľko energie. Na vzájomný prechod foriem buténu-2 z jednej na druhú je potrebné prerušiť jednu kovalentnú väzbu a namiesto toho vytvoriť inú. Inými slovami, tento proces je príkladom chemickej reakcie a obe formy buténu-2 sú rôzne chemické zlúčeniny.

Zrejme si pamätáte, že najdôležitejším problémom pri syntéze gumy bolo získanie stereoregulárnej gumy. Bolo potrebné vytvoriť polymér, v ktorom by boli štruktúrne jednotky usporiadané v prísnom poradí (napríklad prírodný kaučuk pozostáva iba z cis jednotiek), pretože od toho závisí taká dôležitá vlastnosť kaučuku, ako je jeho elasticita.

Moderná organická chémia rozlišuje dva hlavné typy izomérie: štrukturálnu (reťazcová izoméria, izoméria polohy viacnásobných väzieb, izoméria homologických sérií, izoméria pozície funkčných skupín) a stereoizoméria (geometrická, resp. cis-trans izoméria, optická, alebo zrkadlo, izoméria).

Takže ste sa mohli uistiť, že druhá pozícia teórie chemickej štruktúry, jasne formulovaná A. M. Butlerovom, bola neúplná. Z moderného hľadiska si toto ustanovenie vyžaduje doplnenia:
vlastnosti látok závisia nielen od ich kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia, ale aj od ich:

chemický,

elektronický,

Priestorová štruktúra.

Dôležitú úlohu v rozvoji organickej chémie zohralo vytvorenie teórie štruktúry látok. Z prevažne deskriptívnej vedy sa stáva kreatívna, syntetizujúca veda, bolo možné posudzovať vzájomný vplyv atómov v molekulách rôznych látok (pozri tabuľku 10). Teória štruktúry vytvorila predpoklady na vysvetlenie a predpovedanie rôznych typov izomérií organických molekúl, ako aj smerov a mechanizmov chemických reakcií.

Na základe tejto teórie organickí chemici vytvárajú látky, ktoré prírodné nielen nahrádzajú, ale svojimi vlastnosťami výrazne prevyšujú. Syntetické farbivá sú teda oveľa lepšie a lacnejšie ako mnohé prírodné, napríklad alizarín a indigo známe v staroveku. Syntetické kaučuky sa vyrábajú vo veľkých množstvách so širokou škálou vlastností. Plasty a vlákna sú široko používané, výrobky z nich sa používajú v strojárstve, každodennom živote, medicíne a poľnohospodárstve.

Hodnotu teórie chemickej štruktúry A. M. Butlerova pre organickú chémiu možno porovnať s hodnotou Periodického zákona a Periodického systému chemických prvkov D. I. Mendelejeva pre anorganickú chémiu. Nie nadarmo majú obe teórie toľko spoločného v spôsoboch ich formovania, smeroch vývoja a celkovom vedeckom význame. V dejinách akejkoľvek inej poprednej vedeckej teórie (teória Ch. Darwina, genetika, kvantová teória atď.) však možno nájsť takéto spoločné štádiá.

1. Stanovte paralely medzi dvoma vedúcimi teóriami chémie - periodickým zákonom a periodickou sústavou chemických prvkov od D. I. Mendelejeva a teóriou chemickej štruktúry organických zlúčenín od A. M. Butlerova na týchto základoch: bežné v predpokladoch, bežné v smery ich vývoja, bežné v prognostických rolách.

2. Akú úlohu zohrala teória štruktúry chemických zlúčenín pri tvorbe periodického zákona?

3. Aké príklady z anorganickej chémie potvrdzujú univerzálnosť každého z ustanovení teórie štruktúry chemických zlúčenín?

4. Kyselina fosforitá H3PO3 označuje dvojsýtne kyseliny. Navrhnite jej štruktúrny vzorec a zvážte vzájomný vplyv atómov v molekule tejto kyseliny.

5. Napíšte izoméry so zložením С3N8O. Pomenujte ich podľa systematického názvoslovia. Určite typy izomérií.

6. Sú známe nasledujúce vzorce kryštalických hydrátov chloridu chromitého: [Cr(H20)6]Cl3; [Cr(H20)5Cl]Cl2H20; [Cr(H20)4* C12]Cl 2H20. Ako by ste nazvali tento fenomén?