Aleksandar Mihajlovič Butlerov rođen je 3 (15) septembra 1828. godine u gradu Čistopolju, Kazanska gubernija, u porodici veleposednika, penzionisanog oficira. Prvo obrazovanje stekao je u privatnom internatu, zatim studirao u gimnaziji i na Kazanskom carskom univerzitetu. Predavao je od 1849. godine, a 1857. postao je redovni profesor hemije na istom univerzitetu. Dva puta je bio njen rektor. Godine 1851. odbranio je magistarski rad „O oksidaciji organskih jedinjenja“, a 1854. na Moskovskom univerzitetu odbranio je doktorsku tezu „O esencijalna ulja" Od 1868. bio je običan profesor hemije na Univerzitetu u Sankt Peterburgu, a od 1874. - obični akademik Peterburške akademije nauka. Pored hemije, Butlerov je posvetio pažnju praktična pitanja Poljoprivreda, baštovanstvo, pčelarstvo, a pod njegovim vodstvom na Kavkazu je počeo uzgoj čaja. Preminuo je u selu Butlerovka, Kazanska gubernija, 5. (17.) avgusta 1886. godine.
Prije Butlerova, učinjen je znatan broj pokušaja da se stvori doktrina o hemijskoj strukturi organskih jedinjenja. Ovim pitanjem su se više puta bavili najeminentniji hemičari tog vremena, čiji je rad ruski naučnik delimično koristio za svoju teoriju strukture. Na primjer, njemački hemičar August Kekule zaključio je da ugljik može formirati četiri veze s drugim atomima. Štoviše, vjerovao je da za isti spoj može postojati nekoliko formula, ali je uvijek dodao da u zavisnosti od hemijske transformacije ova formula može biti drugačija. Kekule je vjerovao da formule ne odražavaju redoslijed u kojem su atomi u molekuli povezani. Drugi istaknuti njemački naučnik, Adolf Kolbe, generalno je smatrao da je to suštinski nemoguće otkriti hemijska struktura molekule.
Butlerov je prvi put iznio svoje osnovne ideje o strukturi organskih jedinjenja 1861. godine u izvještaju „O hemijskoj strukturi materije“, koji je predstavio učesnicima Kongresa njemačkih prirodnjaka i doktora u Speyeru. U svoju teoriju ugradio je ideje Kekulea o valenciji (broj veza za određeni atom) i škotskog hemičara Archibalda Coopera da atomi ugljika mogu formirati lance. Osnovna razlika između Butlerovljeve teorije i drugih bila je odredba o hemijskoj (a ne mehaničkoj) strukturi molekula – načinu na koji su se atomi međusobno vezali da bi formirali molekul. U ovom slučaju, svaki atom je uspostavio vezu u skladu sa „hemijskom silom“ koja mu pripada. U svojoj teoriji, naučnik je napravio jasnu razliku između slobodnog atoma i atoma koji je ušao u vezu sa drugim (prelazi u novi oblik, a kao rezultat međusobnog uticaja, povezani atomi, u zavisnosti od strukturnog okruženja , imaju različite hemijske funkcije). Ruski hemičar je bio uvjeren da formule ne samo da shematski prikazuju molekule, već odražavaju i njihovu stvarnu strukturu. Štaviše, svaki molekul ima specifičnu strukturu koja se menja samo tokom hemijske transformacije. Iz odredbi teorije slijedi (kasnije eksperimentalno potvrđeno) da su hemijska svojstva organskog jedinjenja određena njegovom strukturom. Ova izjava je posebno važna, jer je omogućila objašnjenje i predviđanje hemijskih transformacija supstanci. Postoji i obrnuti odnos: strukturna formula se može koristiti za suđenje hemijskih i fizičkih svojstava supstance. Osim toga, naučnik je skrenuo pažnju na činjenicu da reaktivnost jedinjenja se objašnjava energijom s kojom se atomi vezuju.
Uz pomoć stvorene teorije, Butlerov je uspio objasniti izomerizam. Izomeri su jedinjenja u kojima su kvantitet i „kvalitet“ atoma isti, ali u isto vreme imaju različita hemijska svojstva, a samim tim i različitu strukturu. Teorija je omogućila da se jasno objasne poznati slučajevi izomerizma. Butlerov je vjerovao da je moguće odrediti prostorni raspored atoma u molekulu. Njegova predviđanja su kasnije potvrđena, što je dalo podsticaj razvoju nove grane organske hemije - stereohemije. Treba napomenuti da je naučnik prvi otkrio i objasnio fenomen dinamičkog izomerizma. Njegovo značenje je da se dva ili više izomera pod određenim uslovima mogu lako transformisati jedan u drugi. Uopšteno govoreći, izomerizam je postao ozbiljan test za teoriju hemijske strukture i njome je sjajno objašnjen.
Nepobitne odredbe koje je formulisao Butlerov vrlo su brzo donijele teoriji univerzalno priznanje. Ispravnost iznesenih ideja potvrđena je eksperimentima naučnika i njegovih sljedbenika. U svom procesu dokazali su hipotezu izomerizma: Butlerov je sintetizirao jedan od četiri butil alkohola predviđena teorijom i dešifrirao njegovu strukturu. U skladu sa pravilima izomerizma, koja su direktno proizašla iz teorije, sugerisana je i mogućnost postojanja četiri valerijanske kiseline. Kasnije su primljeni.
Ovo su samo izolovane činjenice u nizu otkrića: hemijska teorija strukture organskih jedinjenja imala je neverovatnu prediktivnu sposobnost.
U relativno kratkom periodu, veliki broj novih organska materija i njihovi izomeri. Kao rezultat toga, Butlerovljeva teorija dala je poticaj brzom razvoju kemijske nauke, uključujući i sintetičku nauku. organska hemija. Tako su Butlerovljeve brojne sinteze glavni proizvodi čitavih industrija.
Teorija hemijske strukture je nastavila da se razvija, što je donelo mnoge revolucionarne ideje u organsku hemiju tog vremena. Na primjer, Kekule je predložio cikličku strukturu benzena i kretanje njegovih dvostrukih veza u molekuli, posebna svojstva spojeva s konjugiranim vezama i još mnogo toga. Štoviše, spomenuta teorija je organsku hemiju učinila vizualnijom – postalo je moguće crtati molekularne formule.
A to je, zauzvrat, označilo početak klasifikacije organskih jedinjenja. Upravo je upotreba strukturnih formula pomogla da se odrede načini sinteze novih supstanci i da se uspostavi struktura složenih jedinjenja, odnosno odredila je aktivni razvoj hemijske nauke i njenih grana. Na primjer, Butlerov je počeo ozbiljno istraživati proces polimerizacije. U Rusiji su ovu inicijativu nastavili njegovi studenti, što je na kraju omogućilo otkrivanje industrijske metode za proizvodnju sintetičke gume.
Teorija A.M. Butlerov
1. Atomi u molekulima povezani su jedni s drugima u određenom nizu hemijskim vezama u skladu sa svojom valencijom. Redosled kojim se atomi vezuju naziva se njihova hemijska struktura. Ugljik u svim organskim jedinjenjima je četverovalentan.
2. Svojstva supstanci određuju ne samo kvalitativni i kvantitativni sastav molekula, već i njihova struktura.
3. Atomi ili grupe atoma međusobno utiču jedni na druge, što određuje reaktivnost molekula.
4. Struktura molekula se može utvrditi na osnovu njihovog proučavanja hemijska svojstva.
Organska jedinjenja imaju niz karakteristične karakteristike, što ih razlikuje od neorganskih. Gotovo svi (sa rijetkim izuzecima) su zapaljivi; Većina organskih spojeva ne disocira na ione, što je zbog prirode kovalentnih veza u organskim tvarima. Jonski tip veze ostvaruje se samo u solima organskih kiselina, na primjer, CH3COONa.
Homologna serija- ovo je beskonačan niz organskih jedinjenja koja imaju sličnu strukturu, a samim tim i slična hemijska svojstva i međusobno se razlikuju po bilo kom broju CH2– grupa (homologna razlika).
I prije stvaranja teorije strukture bile su poznate tvari istog elementarnog sastava, ali različitih svojstava. Takve supstance su nazvane izomeri, a sam ovaj fenomen nazvan je izomerizam.
Osnova izomerizma, kako to pokazuje A.M. Butlerov, leži razlika u strukturi molekula koje se sastoje od istog skupa atoma.
Izomerizam- ovo je fenomen postojanja spojeva koji imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav, ali različite strukture i, samim tim, različita svojstva.
Postoje 2 vrste izomerizma: strukturalni izomerizam i prostorni izomerizam.
Strukturni izomerizam
Strukturni izomeri– jedinjenja istog kvalitativnog i kvantitativnog sastava, koji se razlikuju po redosledu vezivanja atoma, odnosno hemijskoj strukturi.
Prostorni izomerizam
Prostorni izomeri(stereoizomeri) istog sastava i iste hemijske strukture razlikuju se po prostornom rasporedu atoma u molekulu.
Prostorni izomeri su optički i cis-trans izomeri (geometrijski).
Cis-trans izomerizam
leži u mogućnosti raspoređivanja supstituenata jedan po jedan ili jedan po jedan različite strane ravan dvostruke veze ili nearomatičnog prstena.B cis izomeri supstituenti su na jednoj strani ravni prstena ili dvostruke veze, u trans izomeri- na različite načine.
U molekuli butena-2 CH3–CH=CH–CH3, CH3 grupe mogu se nalaziti ili na jednoj strani dvostruke veze - u cis izomeru, ili na suprotnim stranama - u trans izomeru.
Optički izomerizam
Pojavljuje se kada ugljenik ima četiri različita supstituenta.
Ako zamijenite bilo koja dva od njih, dobićete još jedan prostorni izomer istog sastava. Fizičko-hemijske karakteristike Ovi izomeri se značajno razlikuju. Jedinjenja ove vrste odlikuju se svojom sposobnošću da rotiraju ravninu takvih jedinjenja koja prolazi kroz otopinu polarizovano svetlo za određeni iznos. U ovom slučaju, jedan izomer rotira ravan polarizirane svjetlosti u jednom smjeru, a njegov izomer rotira u suprotnom smjeru. Zbog takvih optički efekti ova vrsta izomerizma se naziva optička izomerija. 
Čovjek je odavno naučio da koristi razne tvari za pripremu hrane, boja, odjeće i lijekova. Vremenom se akumulirala dovoljna količina informacija o svojstvima pojedinih supstanci, što je omogućilo poboljšanje metoda njihove proizvodnje, obrade itd. I pokazalo se da mnogo minerala ( neorganske supstance) mogu se dobiti direktno.
Ali neke tvari koje je čovjek koristio nije sintetizirao, jer su dobivene iz živih organizama ili biljaka. Ove supstance su nazivane organskim. Organske tvari nisu mogle biti sintetizirane u laboratoriju. Početkom 19. stoljeća aktivno se razvijala takva doktrina kao što je vitalizam (vita - život), prema kojoj organske tvari nastaju samo zahvaljujući „vitalnoj sili“ i nemoguće ih je „vještački“ stvoriti.
Ali kako je vrijeme prolazilo i nauka se razvijala, pojavile su se nove činjenice o organskim supstancama koje su bile u suprotnosti s postojećom vitalističkom teorijom.
Godine 1824. njemački naučnik F. Wöhler sintetizovao oksalnu kiselinu po prvi put u istoriji hemijske nauke – organske tvari iz anorganskih tvari (cijanogena i vode):
(CN) 2 + 4H 2 O → COOH - COOH + 2NH 3
Godine 1828. Wöller je zagrijao natrijum cijanat sa amonijum sumporom i sintetizovanom ureom - otpadni proizvodi životinjskih organizama:
NaOCN + (NH 4) 2 SO 4 → NH 4 OCN → NH 2 OCNH 2
Ova otkrića su odigrala ulogu važnu ulogu u razvoju nauke uopšte, a posebno hemije. Hemičari su se počeli postepeno udaljavati od vitalističkog učenja, a princip podjele supstanci na organske i neorganske otkrio je njegovu nedosljednost.
Trenutno supstance još uvijek dijelimo na organske i neorganske, ali kriterij razdvajanja je malo drugačiji.
Supstance se nazivaju organskim koji sadrže ugljenik, nazivaju se i ugljeničnim jedinjenjima. Takvih jedinjenja ima oko 3 miliona, preostalih je oko 300 hiljada.
Supstance koje ne sadrže ugljenik nazivaju se neorganskim I. Ali postoje izuzeci opšta klasifikacija: postoji niz spojeva koji sadrže ugljik, ali pripadaju anorganskim tvarima (ugljični monoksid i dioksid, ugljični disulfid, ugljična kiselina i njegove soli). Svi su po sastavu i svojstvima slični neorganskim jedinjenjima.
U toku proučavanja organskih supstanci pojavile su se nove poteškoće: na osnovu teorija o neorganskim supstancama, nemoguće je otkriti zakone strukture organskih jedinjenja i objasniti valenciju ugljenika. Ugljik u različitim jedinjenjima imao je različite valencije.
Godine 1861. ruski naučnik A.M. Butlerov je bio prvi koji je sintetizirao šećernu supstancu.
Prilikom proučavanja ugljovodonika, A.M. Butlerov shvatili da su u potpunosti posebna klasa hemijske supstance. Analizirajući njihovu strukturu i svojstva, naučnik je identifikovao nekoliko obrazaca. Oni su činili osnovu teorije hemijske strukture.
1. Molekul bilo koje organske supstance nije nasumičan; atomi u molekulima povezani su jedni s drugima u određenom nizu prema svojim valencijama. Ugljik u organskim jedinjenjima je uvijek četverovalentan.
2. Redoslijed međuatomskih veza u molekulu naziva se njegova kemijska struktura i odražava se jednom strukturnom formulom (strukturna formula).
3. Hemijska struktura se može odrediti hemijskim metodama. (Trenutno se koriste i moderne fizikalne metode).
4. Svojstva tvari ne ovise samo o sastavu molekula tvari, već i o njihovoj kemijskoj strukturi (slijedu kombinacije atoma elemenata).
5. Po svojstvima date supstance može se odrediti struktura njene molekule, a po strukturi molekula – predviđaju svojstva.
6. Atomi i grupe atoma u molekulu međusobno utiču jedni na druge.
Ova teorija je postala naučna osnova organske hemije i ubrzala njen razvoj. Na osnovu odredbi teorije, A.M. Butlerov je opisao i objasnio fenomen izomerizam, predvidio postojanje različitih izomera i po prvi put dobio neke od njih.
Razmotrite hemijsku strukturu etana – C2H6. Nakon što smo crticama označili valencu elemenata, prikazat ćemo molekulu etana redoslijedom veze atoma, odnosno napisati strukturnu formulu. Prema teoriji A.M. Butlerov, imat će sljedeći oblik:
Atomi vodika i ugljika vezani su u jednu česticu, valencija vodika je jednaka jedan, a ugljika – četiri. Dva atoma ugljika povezana ugljičnom vezom – ugljenik (C – WITH). Sposobnost ugljenika da formira C – C-veza je razumljiva na osnovu hemijskih svojstava ugljenika. Atom ugljika ima četiri elektrona na svom vanjskom elektronskom sloju; sposobnost odustajanja od elektrona je ista kao i sposobnost dobivanja onih koji nedostaju. Stoga ugljik najčešće stvara spojeve s kovalentnom vezom, odnosno zbog stvaranja elektronskih parova s drugim atomima, uključujući atome ugljika međusobno.
To je jedan od razloga raznolikosti organskih jedinjenja.
Spojevi koji imaju isti sastav, ali različite strukture nazivaju se izomeri. Fenomen izomerizma – jedan od razloga raznolikosti organskih jedinjenja
Imate još pitanja? Želite li saznati više o teoriji strukture organskih jedinjenja?
Za pomoć od tutora -.
Prva lekcija je besplatna!
blog.site, pri kopiranju materijala u cijelosti ili djelimično, potrebna je veza do originalnog izvora.
Hemijska priroda organskih jedinjenja, svojstva koja ih razlikuju od neorganskih jedinjenja, kao i njihova raznolikost objašnjeni su u teoriji hemijske strukture koju je formulisao Butlerov 1861. (vidi § 38).
Prema ovoj teoriji, svojstva jedinjenja su određena njihovim kvalitativnim i kvantitativnim sastavom, hemijskom strukturom, odnosno sekvencijalnim redosledom veze između atoma koji čine molekul, i njihovim međusobnim uticajem. Teorija strukture organskih jedinjenja, razvijena i dopunjena najnovijim gledištima iz oblasti hemije i fizike atoma i molekula, posebno idejama o prostornoj strukturi molekula, prirodi hemijskih veza i prirodi međusobnog uticaja atoma, čini teorijska osnova organska hemija.
IN moderna teorija struktura organskih jedinjenja zasniva se na sledećim principima.
1. Sve karakteristike organskih jedinjenja određene su, prije svega, svojstvima elementa ugljika.
U skladu sa mestom koje ugljenik zauzima u periodnom sistemu, u spoljašnjem elektronskom sloju njegovog atoma (-ljuske) nalaze se četiri elektrona. Ne pokazuje izraženu tendenciju doniranja ili dobijanja elektrona, u tom pogledu zauzima srednju poziciju između metala i nemetala i odlikuje se izraženom sposobnošću formiranja kovalentnih veza. Struktura vanjskog elektronskog sloja atoma ugljika može se predstaviti sljedećim dijagramima:
Pobuđeni atom ugljika može sudjelovati u formiranju četiri kovalentne veze. Stoga, u velikoj većini svojih jedinjenja, ugljenik pokazuje kovalenciju od četiri.
Dakle, najjednostavniji organski spoj, ugljovodonik metan, ima sastav . Njegova struktura se može prikazati strukturnim (a) ili elektronsko-strukturalnim (ili elektronskim) (b) formulama:
Elektronska formula pokazuje da atom ugljika u molekuli metana ima stabilnu vanjsku ljusku od osam elektrona (elektronski oktet), a atomi vodika imaju stabilnu ljusku od dva elektrona (elektronski dublet).
Sve četiri kovalentne ugljične veze u metanu (i u drugim sličnim spojevima) su jednake i simetrično usmjerene u prostoru. Atom ugljika se nalazi, takoreći, u središtu tetraedra (pravilne tetraedarske piramide), a četiri atoma su povezana s njim (u slučaju metana, četiri atoma u vrhovima tetraedra (slika 120). Uglovi između smjerova bilo kojeg para veza (uglovi ugljične veze) su isti i iznose 109°28".
To se objašnjava činjenicom da u atomu ugljika, kada formira kovalentne veze sa četiri druga atoma, od jedne s- i tri p-orbitale, kao rezultat -hibridizacije, nastaju četiri hibridne -orbitale simetrično smještene u prostoru, izduženo prema vrhovima tetraedra.
Rice. 120. Tetraedarski model molekula metana.
Rice. 121. Šema stvaranja -veza u molekulu metana.
Kao rezultat preklapanja -hibridnih elektronskih oblaka ugljika sa elektronskim oblacima drugih atoma (u metanu sa sferičnim oblacima -elektrona atoma vodika), formiraju se četiri tetraedarsko orijentisane kovalentne -veze (slika 121; vidi takođe str. 131).
Tetraedarska struktura molekula metana jasno je izražena njegovim prostornim modelima - sfernim (Sl. 122) ili segmentnim (Sl. 123). Bijele kuglice (segmenti) predstavljaju atome vodika, crne predstavljaju atome ugljika. Model lopte karakterizira samo relativni prostorni raspored atoma, segmentni model također daje ideju o relativnim međuatomskim udaljenostima (udaljenosti između jezgara. Kao što je prikazano na slici 122, strukturna formula metana može se smatrati projekcijom njegov prostorni model na ravni crteža.
2. Izuzetno svojstvo ugljika, koje određuje raznolikost organskih jedinjenja, je sposobnost njegovih atoma da se međusobno povezuju jakim kovalentnim vezama, formirajući ugljikove lance gotovo neograničene dužine.
Valencije atoma ugljika koji nisu bili međusobno povezani služe za vezivanje drugih atoma ili grupa (kod ugljikovodika - za dodavanje vodika).
Dakle, ugljikovodici etan i propan sadrže lance od dva i tri atoma ugljika, respektivno.
Rice. 122. Model kugle molekula metana.
Rice. 123. Segmentni model molekula metana.
Njihova struktura je izražena sljedećim strukturnim i elektronskim formulama:
Poznati su spojevi koji sadrže stotine ili više atoma ugljika u svojim lancima.
Povećanje ugljičnog lanca za jedan atom ugljika dovodi do povećanja sastava po grupama. Takva kvantitativna promjena sastava dovodi do novog spoja koji ima nešto drugačija svojstva, tj. već se kvalitativno razlikuje od originalnog spoja; kako god opšti karakter veze se održavaju. Dakle, pored ugljovodonika metan, etan, propan, postoje butan, pentan itd. Tako se u ogromnoj raznolikosti organskih supstanci mogu identifikovati nizovi sličnih jedinjenja, u kojima se svaki sledeći član razlikuje od prethodnog po grupa. Takvi nizovi se nazivaju homološki nizovi, njihovi članovi su homolozi jedni prema drugima, a postojanje takvih nizova naziva se fenomen homologije.
Shodno tome, ugljovodonici metan, stadijum, propan, butan itd. su homolozi istog niza, koji se naziva niz zasićenih, odnosno zasićenih ugljovodonika (alkana) ili, prema prvom predstavniku, metanski niz.
Zbog tetraedarske orijentacije ugljikovih veza, njegovi atomi uključeni u lanac nisu smješteni pravolinijski, već cik-cak, a zbog mogućnosti rotacije atoma oko ose veze, lanac u prostoru može uzmi raznih oblika(konformacije):
Ova struktura lanaca omogućava da se terminalni (b) ili drugi nesusedni atomi ugljenika (c) približe; Kao rezultat stvaranja veza između ovih atoma, ugljikovi lanci se mogu zatvoriti u prstenove (cikluse), na primjer:
Dakle, raznolikost organskih jedinjenja određena je činjenicom da kada isti broj mogući su atomi ugljika u molekulu, spojevi s otvorenim, nezatvorenim lancem atoma ugljika, kao i tvari čiji molekuli sadrže cikluse (ciklična jedinjenja).
3. Kovalentne veze između atoma ugljika formirane jednim parom generaliziranih elektrona nazivaju se jednostavne (ili obične) veze.
Veza između atoma ugljika može se izvesti ne jednim, već dva ili tri zajednička para elektrona. Tada dobijamo lance sa višestrukim - dvostrukim ili trostrukim vezama; Ove veze se mogu prikazati na sljedeći način:
Najjednostavniji spojevi koji sadrže višestruke veze su ugljikovodici etilen (s dvostrukom vezom) i acetilen (sa trostrukom vezom):
Ugljikovodici s višestrukim vezama nazivaju se nezasićeni ili nezasićeni. Etilen i acetilen su prvi predstavnici dva homologna niza - etilen i acetilen ugljovodonika.
Rice. 124. Šema stvaranja -veza u molekulu etana.
Jednostavna kovalentna veza (ili C:C), nastala preklapanjem dva -hibridna elektronska oblaka duž linije koja povezuje centre atoma (duž ose veze), kao, na primjer, u etanu (slika 124), je -obveznica (vidi § 42). Veze su takođe -veze - formiraju se preklapanjem duž ose veze -hibridnog oblaka C atoma i sfernog oblaka -elektrona H atoma.
Priroda višestrukih veza ugljik-ugljik je nešto drugačija. Dakle, u molekulu etilena, kada se formira dvostruka kovalentna veza (ili) u svakom od atoma ugljika, u hibridizaciji učestvuju jedna -orbitala i samo dvije p-orbitale (-hibridizacija); jedna od p orbitala svakog C atoma ne hibridizira. Kao rezultat, formiraju se tri -hibridna elektronska oblaka, koji učestvuju u formiranju tri -veze. U molekulu etilena postoji ukupno pet veza (četiri i jedna); svi se nalaze u istoj ravni pod uglovima od oko 120° jedan prema drugom (slika 125).
Dakle, jedan od elektronskih parova u vezi izvodi -vezu, a drugi je formiran od p-elektrona koji ne učestvuju u hibridizaciji; njihovi oblaci zadržavaju oblik zapreminske osmice, orijentisani su okomito na ravan u kojoj se nalaze -veze i preklapaju se iznad i ispod ove ravni (slika 126), formirajući -vezu (videti § 42).
Rice. 125. Šema stvaranja -veza u molekulu etilena.
Rice. 126. Šema stvaranja -veze u molekulu etilena.
Dakle, dvostruka veza C=C je kombinacija jedne i jedne -veze.
Trostruka veza (ili ) je kombinacija jedne veze i dvije veze. Na primjer, kada se molekula acetilena formira u svakom od atoma ugljika, jedna -orbitala i samo jedna p-orbitala (-hibridizacija) učestvuju u hibridizaciji; Kao rezultat, formiraju se dva -hibridna elektronska oblaka, koji učestvuju u formiranju dvije -veze. Oblaci od dva p-elektrona svakog C atoma se ne hibridiziraju, zadržavaju svoju konfiguraciju i učestvuju u formiranju dvije -veze. Dakle, u acetilenu postoje samo tri -veze (jedna i dve) usmerene duž jedne prave, i dve -veze orijentisane u dve međusobno okomite ravni (sl. 127).
Višestruke (tj. dvostruke i trostruke) veze se lako pretvaraju u jednostavne veze tokom reakcija; trojka se prvo pretvara u duplu, a posljednju u prostu. To je zbog njihove visoke reaktivnosti i događa se kada se bilo koji atom doda paru ugljikovih atoma povezanih višestrukom vezom.
Prelazak višestrukih veza u jednostavne objašnjava se činjenicom da obično - veze imaju manju čvrstoću i samim tim veću labilnost u odnosu na - veze. Kada se β-veze formiraju, p-elektronski oblaci s paralelnim osama preklapaju se u mnogo manjoj mjeri nego oblaci elektrona koji se preklapaju duž ose veze (tj. hibridni, β-elektronski ili p-elektronski oblaci orijentirani prema osi veze).
Rice. 127. Šema stvaranja -veza u molekulu acetilena.
Rice. 128. Modeli molekula etilena: a - sferni; b - segmentno.
Višestruke veze su jače od jednostavnih. Dakle, energija prekida veze je samo , veze i veze.
Iz navedenog proizilazi da u formulama dvije crtice od tri u vezi i jedna crtica od dvije u vezi izražavaju veze koje su manje jake od jednostavne veze.
Na sl. 128 i 129 prikazani su sferni i segmentirani prostorni modeli spojeva s dvostrukim (etilen) i trostrukim (acetilen) vezama.
4. Teorija strukture objasnila je brojne slučajeve izomerizma u organskim jedinjenjima.
Lanci atoma ugljika mogu biti ravni ili razgranati:
Dakle, sastav ima tri zasićena ugljovodonika (pentan) sa drugačija struktura lanci - jedan sa nerazgranatim lancem ( normalna struktura) i dva sa razgranatim (izostruktura):
Sastav ima tri nezasićena ugljovodonika, dva normalne strukture, ali izomerna na poziciji dvostruke veze, i jedan izostrukturne:
Rice. 129. Modeli molekula acetilena: a sferni; b - segmentno.
Ova nezasićena jedinjenja su izomeri dva ciklična ugljovodonika, koji takođe imaju sastav i međusobno su izomerni u smislu veličine ciklusa:
Sa istim sastavom, jedinjenja se mogu razlikovati po strukturi zbog različitih pozicija u ugljikovom lancu i drugim neugljičnim atomima, na primjer:
Izomerizam može biti uzrokovan ne samo drugačijim redoslijedom povezivanja atoma. Poznato je nekoliko tipova prostorne izomerije (stereoizometrije), koja se sastoji u tome što se odgovarajući izomeri (stereoizomeri) sa istim sastavom i redoslijedom povezanosti atoma razlikuju po različitom rasporedu atoma (ili grupa atoma) u prostoru.
Dakle, ako spoj sadrži atom ugljika vezan za četiri različita atoma ili grupe atoma (asimetrični atom), tada su moguća dva prostorno izomerna oblika takvog spoja. Na sl. 130 prikazuje dva tetraedarska modela mliječne kiseline, u kojima se asimetrični atom ugljika (označen zvjezdicom u formuli) nalazi u središtu tetraedra. Lako je primijetiti da se ovi modeli ne mogu kombinirati u prostoru: izgrađeni su poput zrcala i odražavaju prostornu konfiguraciju molekula dva razne supstance(u ovom primjeru mliječne kiseline), koje se razlikuju po nekim fizičkim, a uglavnom biološkim svojstvima. Takav izomerizam se naziva zrcalni stereoizomerizam, a odgovarajući izomeri se nazivaju zrcalni izomeri.
Rice. 130. Tetraedarski modeli molekula zrcalnih izomera mliječne kiseline.
Razlika u prostornoj strukturi zrcalnih izomera takođe se može prikazati pomoću strukturnih formula, koje pokazuju različit raspored atomskih grupa kod asimetričnog atoma; na primjer, za one prikazane na sl. 130 zrcalnih izomera mliječne kiseline:
Kao što je već navedeno, atomi ugljika; povezani dvostrukom vezom, leže u istoj ravni sa četiri veze koje ih povezuju s drugim atomima; uglovi između pravaca ovih veza su približno isti (slika 126). Kada su različiti atomi ili grupe povezani sa svakim od atoma ugljika u dvostrukoj vezi, moguća je takozvana geometrijska stereoizomerija ili cis-trans izomerizam. Primjer su prostorni geometrijski izomeri dikloretilena
U molekulima jednog izomera atomi klora nalaze se na jednoj strani dvostruke veze, au molekulima drugog - na suprotnim stranama. Prva konfiguracija se zove cis, druga - trans konfiguracija. Geometrijski izomeri se međusobno razlikuju po fizičkim i hemijskim svojstvima.
Njihovo postojanje je zbog činjenice da dvostruka veza isključuje mogućnost slobodne rotacije povezanih atoma oko ose veze (takva rotacija zahtijeva prekid -veze; vidi sliku 126).
5. Uzajamni uticaj u molekulima organskih supstanci manifestuje se prvenstveno atomima koji su međusobno direktno povezani. U ovom slučaju, to je određeno prirodom kemijske veze između njih, stupnjem razlike u njihovoj relativnoj elektronegativnosti i, posljedično, stupnjem polariteta veze.
Na primjer, sudeći po sažetim formulama, tada bi u molekuli metana iu molekuli metil alkohola sva četiri atoma vodika trebala imati ista svojstva. Ali, kao što će se kasnije pokazati, u metil alkoholu jedan od atoma vodika može biti zamijenjen alkalni metal, dok u metanu atomi vodonika ne pokazuju ovu sposobnost. To se objašnjava činjenicom da je u alkoholu atom vodika direktno vezan ne za ugljik, već za kisik
U datim strukturnim formulama, strelice na linijama veze konvencionalno označavaju pomicanje parova elektrona koji formiraju kovalentnu vezu zbog različite elektronegativnosti atoma. U metanu je takav pomak u vezi mali, jer elektronegativnost ugljika (2.5) samo malo premašuje elektronegativnost vodonika u tabeli. 6, str. 118). U ovom slučaju, molekul metana je simetričan. U molekuli alkohola, veza je značajno polarizirana, budući da kisik (elektronegativnost 3,5) mnogo više privlači elektronski par; stoga atom vodika povezan s atomom kisika dobiva veću pokretljivost, odnosno lakše se odvaja u obliku protona.
U organskim molekulima važan je i međusobni utjecaj atoma koji nisu međusobno direktno povezani. Tako se u metil alkoholu pod uticajem kiseonika povećava reaktivnost ne samo atoma vodika povezanog sa kiseonikom, već i atoma vodika koji nisu direktno povezani sa kiseonikom, ali su povezani sa ugljenikom. Zbog toga se metil alkohol prilično lako oksidira, dok je metan relativno otporan na oksidirajuća sredstva. To se objašnjava činjenicom da kisik hidroksilne grupe značajno privlači par elektrona na sebe u vezi koja ga povezuje s ugljikom, koji ima nižu elektronegativnost.
Kao rezultat, efektivni naboj atoma ugljika postaje pozitivniji, što uzrokuje dodatno pomicanje elektronskih parova također u vezama u metil alkoholu, u poređenju sa istim vezama u molekulu metana. Pod dejstvom oksidacionih sredstava, atomi H koji su vezani za isti atom ugljika sa kojim je vezana OH grupa mnogo se lakše razbiju nego u ugljovodonicima i spoje se sa kiseonikom, formirajući vodu. U ovom slučaju, atom ugljenika povezan sa OH grupom podleže daljoj oksidaciji (videti § 171).
Međusobni utjecaj atoma koji nisu direktno povezani jedan s drugim može se prenositi na znatnu udaljenost duž lanca atoma ugljika i objašnjava se pomjeranjem gustoće elektronskih oblaka u cijeloj molekuli pod utjecajem atoma ili grupa različite elektronegativnosti. prisutan u njemu. Uzajamni uticaj se može prenositi i kroz prostor koji okružuje molekul, kao rezultat preklapanja elektronskih oblaka atoma koji se približavaju.
Baš kao u neorganska hemija osnovna teorijska osnova je Periodični zakon I Periodni sistem hemijski elementi D. I. Mendeljejev, tako vodeći u organskoj hemiji naučne osnove služi kao Butlerov-Kekule-Cooperova teorija strukture organskih jedinjenja.
Kao i svaka druga naučna teorija, teorija strukture organskih jedinjenja bila je rezultat generalizacije najbogatijeg činjeničnog materijala koji je organska hemija, koja se kao nauka oblikovala početkom 19. veka, akumulirala. Otkrivano je sve više novih spojeva ugljika, čiji se broj povećavao poput lavine (Tablica 1).
Tabela 1
Broj organskih jedinjenja poznatih u različitim godinama
Naučnici objašnjavaju ovu raznolikost organskih jedinjenja početkom XIX V. nije mogao. Fenomen izomerizma pokrenuo je još više pitanja.
Na primjer, etil alkohol i dimetil eter su izomeri: ove tvari imaju isti sastav C 2 H 6 O, ali različitu strukturu, odnosno drugačiji red povezanosti atoma u molekulima, a samim tim i različita svojstva.
F. Wöhler, koji vam je već poznat, opisao je organsku hemiju u jednom od svojih pisama J. J. Berzeliusu: „Organska hemija sada može svakoga izluditi. Čini mi se kao gusta šuma, puna nevjerovatnih stvari, bezgranična gustiš iz koje se ne može izaći, u koju se ne usuđuješ prodrijeti...”
Na razvoj hemije veliki uticaj imao je rad engleskog naučnika E. Franklanda, koji je, na osnovu ideja atomizma, uveo koncept valencije (1853).
U molekulu vodonika H2 nastaje jedna kovalentna hemikalija N-N veza, odnosno vodonik je jednovalentan. Valentnost hemijskog elementa može se izraziti brojem atoma vodika koje jedan atom hemijskog elementa dodaje sebi ili zamenjuje. Na primjer, sumpor u sumporovodiku i kisik u vodi su dvovalentni: H 2 S, ili H-S-H, H 2 O ili H-O-H, a dušik u amonijaku je trovalentan:
U organskoj hemiji pojam „valentnosti“ je analog koncepta „oksidacionog stanja“ sa kojim ste navikli da radite u okviru neorganske hemije u osnovnoj školi. Međutim, ovo nije ista stvar. Na primjer, u molekuli dušika N2, oksidacijsko stanje dušika je nula, a valencija je tri:
U vodikovom peroksidu H2O2, oksidacijsko stanje kisika je -1, a valencija je dvije:
U amonijum jonu NH + 4, oksidaciono stanje dušika je -3, a valencija četiri:
Obično se u odnosu na jonska jedinjenja (natrijum hlorid NaCl i mnoge druge anorganske supstance sa jonskim vezama) ne koristi termin „valencija“ atoma, već se uzima u obzir njihovo oksidaciono stanje. Stoga je u neorganskoj hemiji, gdje većina tvari ima nemolekularnu strukturu, poželjnije koristiti koncept „oksidacijskog stanja“, au organskoj hemiji, gdje većina spojeva ima molekularnu strukturu, po pravilu, koncept „ valencija” se koristi.
Teorija hemijske strukture rezultat je generalizacije ideja istaknutih organskih naučnika iz tri evropske zemlje: Nijemac F. Kekule, Englez A. Cooper i Rus A. Butlerov.
Godine 1857. F. Kekule je klasifikovao ugljenik kao četvorovalentni element, a 1858. je zajedno sa A. Cooperom primetio da se atomi ugljenika mogu međusobno povezati u različite lance: linearne, razgranate i zatvorene (ciklične).
Radovi F. Kekulea i A. Coopera poslužili su kao osnova za razvoj naučna teorija, koji objašnjava fenomen izomerizma, odnos između sastava, strukture i svojstava molekula organskih jedinjenja. Ovu teoriju stvorio je ruski naučnik A.M. Butlerov. Njegov radoznali um se "usudio da prodre" u "gustu šumu" organske hemije i počne pretvarati ovu "bezgraničnu gustiš" u poplavljeno sunčeva svetlost redovan park sa sistemom staza i uličica. Osnovne ideje ove teorije prvi je iznio A. M. Butlerov 1861. godine na kongresu njemačkih prirodnjaka i ljekara u Speyeru.
Glavne odredbe i posljedice Butlerov-Kekule-Cooperove teorije strukture organskih jedinjenja mogu se ukratko formulirati na sljedeći način.
1. Atomi u molekulima supstanci povezani su u određenom nizu prema njihovoj valentnosti. Ugljik u organskim jedinjenjima je uvijek četverovalentan, a njegovi atomi su u stanju da se kombinuju jedni s drugima, formirajući različite lance (linearne, razgranate i ciklične).
Organska jedinjenja mogu se poredati u redove supstanci sličnih po sastavu, strukturi i svojstvima - homologne redove.
- Butlerov Aleksandar Mihajlovič (1828-1886), ruski hemičar, profesor na Kazanskom univerzitetu (1857-1868), od 1869. do 1885. - profesor na Univerzitetu u Sankt Peterburgu. Akademik Petrogradske akademije nauka (od 1874). Tvorac teorije hemijske strukture organskih jedinjenja (1861). Predvidio i proučavao izomeriju mnogih organskih jedinjenja. Sintetizirao mnoge supstance.
Na primjer, metan CH 4 je predak homologne serije zasićeni ugljovodonici (alkani). Njegov najbliži homolog je etan C 2 H 6, ili CH 3 -CH 3. Sledeća dva člana homolognog niza metana su propan C 3 H 8, ili CH 3 -CH 2 -CH 3, i butan C 4 H 10, ili CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, itd.
Lako je vidjeti da se za homološke nizove može izvesti opća formula za niz. Dakle, za alkane ovo opšta formula C n H 2n + 2 .
2. Svojstva supstanci ne zavise samo od njihovog kvalitativnog i kvantitativnog sastava, već i od strukture njihovih molekula.
Ovakav stav teorije strukture organskih jedinjenja objašnjava fenomen izomerizma. Očigledno je da je za butan C 4 H 10, pored molekule sa linearnom strukturom CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, moguća i razgranata struktura:
Ovo je potpuno nova supstanca sa svojim individualnim svojstvima, drugačijim od svojstava butana linearne strukture.
Butan, u čijoj molekuli su atomi raspoređeni u linearni lanac, naziva se normalni butan (n-butan), a butan, čiji je lanac atoma ugljika razgranat, naziva se izobutan.
Postoje dvije glavne vrste izomerizma - strukturna i prostorna.
U skladu sa prihvaćenom klasifikacijom, razlikuju se tri tipa strukturne izomerije.
Izomerizam ugljeničnog skeleta. Jedinjenja se razlikuju po redoslijedu veza ugljik-ugljik, na primjer, n-butan i izobutan o kojima se raspravlja. Upravo je ova vrsta izomerizma karakteristična za alkane.
Izomerizam položaja višestruke veze (C=C, C=C) ili funkcionalne grupe (tj. grupe atoma koja određuje da li jedinjenje pripada određenoj klasi organskih jedinjenja), na primjer:
Međuklasni izomerizam. Izomeri ove vrste izomerizma pripadaju različitim klasama organskih jedinjenja, na primjer, etil alkohol (klasa zasićenih monohidričnih alkohola) i dimetil eter (klasa etera) o kojima se raspravljalo gore.
Postoje dvije vrste prostorne izomerije: geometrijska i optička.
Geometrijska izomerija je karakteristična, prije svega, za spojeve s dvostrukom vezom ugljik-ugljik, budući da na mjestu takve veze molekul ima planarnu strukturu (slika 6).
Rice. 6.
Model molekula etilena
Na primjer, za buten-2, ako su identične grupe atoma na atomima ugljika na dvostrukoj vezi na jednoj strani ravni C=C veze, tada je molekula cis izomer, ako je na suprotnim stranama trans izomer.
Optički izomerizam se opaža, na primjer, u supstancama čije molekule imaju asimetrični ili kiralni atom ugljika vezan za četiri razne poslanika. Optički izomeri su zrcalne slike jedan drugog, kao dva dlana, i nisu kompatibilni. (Sada, očito, razumijete drugi naziv ove vrste izomerizma: grčki chiros - ruka - primjer asimetrične figure.) Na primjer, 2-hidroksipropanoična (mliječna) kiselina, koja sadrži jedan asimetrični atom ugljika, postoji u obliku dva optička izomera.
U kiralnim molekulima nastaju izomerni parovi u kojima su molekuli izomera međusobno povezani u svojoj prostornoj organizaciji na isti način kao što su predmet i njegova zrcalna slika povezani jedni s drugima. Par takvih izomera uvijek ima istu hemikaliju i fizička svojstva, s izuzetkom optičke aktivnosti: ako jedan izomer rotira ravan polarizirane svjetlosti u smjeru kazaljke na satu, onda se drugi nužno rotira u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Prvi izomer se naziva desnorotirajući, a drugi levorotacioni.
Značaj optičkog izomerizma u organizaciji života na našoj planeti je vrlo velik, budući da se optički izomeri mogu značajno razlikovati kako po svojoj biološkoj aktivnosti tako i po kompatibilnosti s drugim prirodnim spojevima.
3. Atomi u molekulima supstanci utječu jedni na druge. Uzajamni uticaj atoma u molekulima organskih jedinjenja razmatraćete tokom daljeg proučavanja predmeta.
Savremena teorija strukture organskih jedinjenja zasniva se ne samo na hemijskoj, već i na elektronskoj i prostornoj strukturi supstanci, o čemu se detaljno govori na profilnom nivou izučavanja hemije.
U organskoj hemiji se široko koristi nekoliko tipova hemijskih formula.
Molekularna formula odražava kvalitativni sastav spoja, odnosno pokazuje broj atoma svakog od kemijskih elemenata koji čine molekulu tvari. Na primjer, molekulska formula propana je: C 3 H 8.
Strukturna formula odražava redoslijed povezivanja atoma u molekulu prema valenciji. Strukturna formula propana je:
Često nema potrebe da se detaljno prikazuje hemijske veze između atoma ugljika i vodika, stoga se u većini slučajeva koriste skraćenice strukturne formule. Za propan, ova formula se piše na sljedeći način: CH 3 -CH 2 -CH 3.
Struktura molekula organskih jedinjenja odražava se korišćenjem razni modeli. Najpoznatiji su volumetrijski (skala) i modeli sa kuglom i štapom (slika 7).
Rice. 7.
Modeli molekula etana:
1 - kugla i šipka; 2 - skala
Nove riječi i koncepti
- Izomerizam, izomeri.
- Valence.
- Hemijska struktura.
- Teorija strukture organskih jedinjenja.
- Homologni niz i homologna razlika.
- Molekularne i strukturne formule.
- Modeli molekula: volumetrijski (skala) i loptasti i štapić.
Pitanja i zadaci
- Šta je valencija? Po čemu se razlikuje od oksidacionog stanja? Navedite primjere tvari u kojima su vrijednosti oksidacijskog stanja i valencije atoma brojčano iste i različite,
- Odrediti valentno i oksidaciono stanje atoma u supstancama čije su formule Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
- Šta je izomerizam; izomeri?
- Šta je homologija; homolozi?
- Kako, koristeći znanje o izomeriji i homologiji, objasniti raznolikost jedinjenja ugljika?
- Šta se podrazumeva pod hemijskom strukturom molekula organskih jedinjenja? Formulisati odredbe teorije strukture koje objašnjavaju razliku u svojstvima izomera Formulisati odredbe teorije strukture koje objašnjavaju raznolikost organskih jedinjenja.
- Kakav je doprinos ovoj teoriji dao svaki od naučnika - osnivača teorije hemijske strukture? Zašto je doprinos ruskog hemičara odigrao vodeću ulogu u razvoju ove teorije?
- Mogu postojati tri izomera sastava C 5 H 12. Zapišite njihove pune i skraćene strukturne formule,
- Na osnovu modela molekula supstance predstavljenog na kraju pasusa (vidi sliku 7), sastavite njene molekularne i skraćene strukturne formule.
- Izračunati maseni udio ugljenik u molekulima prva četiri člana homolognog niza alkana.