Butlerovljeva teorija kemijske strukture organskih tvari. Radikal. Funkcionalna grupa

Aleksandar Mihajlovič Butlerov rođen je 3. (15.) rujna 1828. godine u gradu Čistopolju, Kazanska gubernija, u obitelji zemljoposjednika, umirovljenog časnika. Prvo obrazovanje stekao je u privatnom internatu, zatim je studirao u gimnaziji i na Kazanskom carskom sveučilištu. Predavao je od 1849., a 1857. postao je redovnim profesorom kemije na istom sveučilištu. Dva puta je bio njezin rektor. Godine 1851. obranio je magistarski rad "O oksidaciji organskih spojeva", a 1854. na Moskovskom sveučilištu obranio je doktorsku tezu "O esencijalna ulja" Od 1868. bio je redoviti profesor kemije na Sveučilištu u St. Petersburgu, a od 1874. - redoviti akademik Akademije znanosti u St. Osim kemije, Butlerov je obratio pozornost praktična pitanja Poljoprivreda, vrtlarstvo, pčelarstvo, a pod njegovim vodstvom počeo je uzgoj čaja na Kavkazu. Umro je u selu Butlerovka Kazanske gubernije 5. (17.) kolovoza 1886. godine.

Prije Butlerova učinjen je znatan broj pokušaja stvaranja doktrine o kemijskoj strukturi organskih spojeva. Tim su se pitanjem u više navrata bavili najeminentniji kemičari tog vremena, čiji je rad ruski znanstvenik djelomično iskoristio za svoju teoriju strukture. Na primjer, njemački kemičar 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 dodavao da ovisno o kemijskoj transformaciji ta formula može biti različita. Kekule je vjerovao da formule ne odražavaju redoslijed kojim su povezani atomi u molekuli. Još jedan istaknuti njemački znanstvenik, Adolf Kolbe, općenito je smatrao da je to fundamentalno nemoguće saznati kemijska struktura molekule.

Butlerov je prvi put izrazio svoje osnovne ideje o strukturi organskih spojeva 1861. godine u izvješću "O kemijskoj strukturi tvari", koje je predstavio sudionicima Kongresa njemačkih prirodoslovaca i liječnika u Speyeru. U svoju je teoriju uključio ideje Kekulea o valenciji (broju veza za određeni atom) i škotskog kemičara Archibalda Coopera da ugljikovi atomi mogu tvoriti lance. Temeljna razlika između Butlerovljeve teorije i drugih bila je odredba o kemijskoj (a ne mehaničkoj) strukturi molekula – načinu na koji su se atomi međusobno vezali u molekulu. U ovom slučaju, svaki atom uspostavio je vezu u skladu s "kemijskom silom" koja mu pripada. Znanstvenik je u svojoj teoriji napravio jasnu razliku između slobodnog atoma i atoma koji je ušao u vezu s drugim (on prelazi u novi oblik, a kao rezultat međusobnog utjecaja, povezani atomi, ovisno o strukturnom okruženju , imaju različite kemijske funkcije). Ruski kemičar bio je uvjeren da formule ne samo da shematski prikazuju molekule, već odražavaju i njihovu stvarnu strukturu. Štoviše, svaka molekula ima specifičnu strukturu, koja se mijenja samo tijekom kemijske transformacije. Iz odredaba teorije proizlazilo je (kasnije eksperimentalno potvrđeno) da su kemijska svojstva organskog spoja određena njegovom strukturom. Ova izjava je posebno važna jer je omogućila objašnjenje i predviđanje kemijskih transformacija tvari. Postoji i obrnuti odnos: strukturna formula se može koristiti za prosuđivanje kemijskih i fizičkih svojstava tvari. Osim toga, znanstvenik je skrenuo pozornost na činjenicu da reaktivnost spojeva objašnjava se energijom kojom se atomi vežu.

Uz pomoć stvorene teorije, Butlerov je uspio objasniti izomerizam. Izomeri su spojevi u kojima je količina i “kvaliteta” atoma ista, ali istovremeno imaju različita kemijska svojstva, a samim time i različitu strukturu. Teorija je omogućila jasno objašnjenje poznatih slučajeva izomerije. Butlerov je vjerovao da je moguće odrediti prostorni raspored atoma u molekuli. Kasnije su njegova predviđanja potvrđena, što je dalo poticaj razvoju nove grane organske kemije - stereokemije. Valja napomenuti da je znanstvenik prvi otkrio i objasnio fenomen dinamičke izomerije. Njegovo značenje je da dva ili više izomera pod određenim uvjetima mogu lako prijeći jedan u drugi. Općenito govoreći, upravo je izomerija postala ozbiljan test za teoriju kemijske strukture i njome je briljantno objašnjena.

Nepobitne odredbe koje je formulirao Butlerov vrlo su brzo donijele teoriji opće priznanje. Ispravnost iznesenih ideja potvrđena je eksperimentima znanstvenika i njegovih sljedbenika. U svom procesu dokazali su hipotezu o izomeriji: Butlerov je sintetizirao jedan od četiri butil alkohola predviđena teorijom i dešifrirao njegovu strukturu. U skladu s pravilima izomerije, koja izravno proizlaze iz teorije, također je sugerirana mogućnost postojanja četiriju valerijanskih kiselina. Kasnije su primljeni.

Ovo su samo izolirane činjenice u nizu otkrića: kemijska teorija strukture organskih spojeva imala je nevjerojatnu sposobnost predviđanja.

U relativno kratkom razdoblju veliki broj novih organska tvar i njihovi izomeri. Kao rezultat toga, Butlerovljeva teorija dala je poticaj brzom razvoju kemijske znanosti, uključujući znanost o sintezi organska kemija. Stoga su brojne Butlerovljeve sinteze glavni proizvodi cijelih industrija.

Teorija kemijske strukture nastavila se razvijati, što je donijelo mnoge revolucionarne ideje u organsku kemiju 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 je teorija organsku kemiju učinila vizualnijom – postalo je moguće crtati molekularne formule.

A to je pak označilo početak klasifikacije organskih spojeva. Upravo je korištenje strukturnih formula pomoglo u određivanju načina sinteze novih tvari i utvrđivanju strukture složenih spojeva, odnosno odredilo je aktivan razvoj kemijske znanosti i njezinih grana. Na primjer, Butlerov je počeo ozbiljno istraživati proces polimerizacije. U Rusiji su ovu inicijativu nastavili njegovi studenti, što je u konačnici omogućilo otkrivanje industrijske metode za proizvodnju sintetičke gume.

Teorija A.M. Butlerov

1. Atomi u molekulama međusobno su povezani u određenom nizu kemijskim vezama u skladu sa svojom valencijom. Redoslijed kojim se atomi vezuju naziva se njihova kemijska struktura. Ugljik je u svim organskim spojevima četverovalentan.

2. Svojstva tvari određena su ne samo kvalitativnim i kvantitativnim sastavom molekula, već i njihovom strukturom.

3. Atomi ili skupine atoma međusobno utječu jedni na druge što određuje reaktivnost molekule.

4. Struktura molekula može se ustanoviti na temelju njihovog proučavanja kemijska svojstva.

Organski spojevi imaju niz karakteristične značajke, koji ih razlikuju od anorganskih. Gotovo svi (uz rijetke iznimke) su zapaljivi; Većina organskih spojeva ne disocira na ione, što je zbog prirode kovalentnih veza u organskim tvarima. Ionski tip veze ostvaruje se samo u solima organskih kiselina, na primjer, CH3COONa.

Homologne serije- ovo je beskonačan niz organskih spojeva koji imaju sličnu strukturu i, prema tome, slična kemijska svojstva te se međusobno razlikuju po bilo kojem broju CH2– skupina (homologna razlika).

I prije nastanka teorije strukture bile su poznate tvari istog elementarnog sastava, ali različitih svojstava. Takve tvari su nazvane izomeri, a sama ova pojava izomerija.

Osnova izomerije, kako je pokazao A.M. Butlerov, leži razlika u strukturi molekula koje se sastoje od istog skupa atoma.

Izomerija- to je pojava postojanja spojeva koji imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav, ali različite strukture, a time i različita svojstva.

Postoje 2 vrste izomerije: strukturalni izomerija i prostorni izomerija.

Strukturna izomerija

Strukturni izomeri– spojevi istog kvalitativnog i kvantitativnog sastava, koji se razlikuju po redoslijedu vezanja atoma, odnosno kemijskoj strukturi.

Prostorna izomerija

Prostorni izomeri(stereoizomeri) istog sastava i iste kemijske strukture razlikuju se po prostornom rasporedu atoma u molekuli.
Prostorni izomeri su optički i cis-trans izomeri (geometrijski).

Cis-trans izomerija

leži u mogućnosti raspoređivanja supstituenata jedan po jedan ili jedan po jedan različite strane ravnina dvostruke veze ili nearomatski prsten.B cis izomeri supstituenti su na jednoj strani ravnine prstena ili dvostruke veze, in trans izomeri- na različite načine.

U molekuli butena-2 CH3–CH=CH–CH3, CH3 skupine mogu se nalaziti ili na jednoj strani dvostruke veze - u cis izomeru, ili na suprotnim stranama - u trans izomeru.

Optička izomerija

Pojavljuje se kada ugljik ima četiri različita supstituenta.
Ako zamijenite bilo koja dva od njih, dobit ćete još jedan prostorni izomer istog sastava. Fizikalno-kemijske karakteristike Ovi se izomeri značajno razlikuju. Spojevi ovog tipa odlikuju se svojom sposobnošću rotacije ravnine takvih spojeva koji prolaze kroz otopinu polarizirana svjetlost određenim iznosom. U tom slučaju jedan izomer rotira ravninu polarizirane svjetlosti u jednom smjeru, a njegov izomer rotira u suprotnom smjeru. Zbog takvih optički efekti ova vrsta izomerije naziva se optička izomerija.

Čovjek je odavno naučio koristiti različite tvari za pripremu hrane, boja, odjeće i lijekova. S vremenom se nakupila dovoljna količina informacija o svojstvima pojedinih tvari, što je omogućilo poboljšanje metoda njihove proizvodnje, prerade itd. I pokazalo se da mnogo minerala ( anorganske tvari) mogu se dobiti izravno.

Ali neke tvari koje koristi čovjek nije sam sintetizirao, jer su dobivene iz živih organizama ili biljaka. Te su tvari nazvane organskim. Organske tvari nisu se mogle sintetizirati u laboratoriju. Početkom 19. stoljeća aktivno se razvijala doktrina vitalizma (vita - život), prema kojoj organske tvari nastaju samo zahvaljujući "vitalnoj sili" i nemoguće ih je stvoriti "umjetno".

Ali kako je vrijeme prolazilo i znanost se razvijala, pojavile su se nove činjenice o organskim tvarima koje su bile u suprotnosti s postojećom vitalističkom teorijom.

Godine 1824. njemački znanstvenik F. Wöhler prvi put u povijesti kemijske znanosti sintetizirao oksalnu kiselinu – organske tvari od anorganskih tvari (cijanogena i vode):

(CN) 2 + 4H 2 O → COOH - COOH + 2NH 3

Wöller je 1828. zagrijao natrijev cijanat s amonijevim sumporom i sintetizirao ureu - otpadni produkt životinjskih organizama:

NaOCN + (NH 4) 2 SO 4 → NH 4 OCN → NH 2 OCNH 2

Ta su otkrića odigrala ulogu važna uloga u razvoju znanosti općenito, a posebno kemije. Kemijski znanstvenici počeli su se postupno udaljavati od vitalističkog učenja, a načelo podjele tvari na organske i anorganske pokazalo je svoju nedosljednost.

Trenutno tvari još dijele se na organske i anorganske, ali je kriterij razdvajanja nešto drugačiji.

Tvari se nazivaju organske koji sadrže ugljik, nazivaju se i ugljikovi spojevi. Postoji oko 3 milijuna takvih spojeva, preostalih spojeva je oko 300 tisuća.

Tvari koje ne sadrže ugljik nazivamo anorganskima I. Ali postoje iznimke opća klasifikacija: postoji niz spojeva koji sadrže ugljik, ali spadaju u anorganske tvari (ugljikov monoksid i dioksid, ugljikov disulfid, karbonska kiselina i njegove soli). Svi su po sastavu i svojstvima slični anorganskim spojevima.

U tijeku proučavanja organskih tvari pojavile su se nove poteškoće: na temelju teorija o anorganskim tvarima nemoguće je otkriti zakone strukture organskih spojeva i objasniti valenciju ugljika. Ugljik u različitim spojevima imao je različite valencije.

Godine 1861. ruski znanstvenik A.M. Butlerov je prvi sintetizirao šećernu tvar.

Pri proučavanju ugljikovodika, prije podne Butlerov shvatio da su potpuno posebna klasa kemijske tvari. Analizirajući njihovu strukturu i svojstva, znanstvenik je identificirao nekoliko obrazaca. Oni su činili osnovu za teorije kemijske strukture.

1. Molekula bilo koje organske tvari nije slučajna; atomi u molekulama povezani su jedni s drugima u određenom nizu prema svojim valencijama. Ugljik u organskim spojevima uvijek je četverovalentan.

2. Redoslijed međuatomskih veza u molekuli naziva se njezina kemijska struktura i odražava se jednom strukturnom formulom (strukturna formula).

3. Kemijska struktura može se odrediti kemijskim metodama. (Trenutno se koriste i suvremene fizikalne metode).

4. Svojstva tvari ne ovise samo o sastavu molekula tvari, već io njihovoj kemijskoj strukturi (slijed spajanja atoma elemenata).

5. Po svojstvima određene tvari može se odrediti struktura njezine molekule, a po strukturi molekule – anticipirati svojstva.

6. Atomi i skupine atoma u molekuli međusobno utječu jedni na druge.

Ta je teorija postala znanstveni temelj organske kemije i ubrzala njezin razvoj. Na temelju odredbi teorije, A.M. Butlerov je opisao i objasnio fenomen izomerija, predvidio postojanje raznih izomera i neke od njih prvi put dobio.

Razmotrite kemijsku strukturu etana – C2H6. Nakon što smo crticama označili valenciju elemenata, molekulu etana ćemo prikazati redoslijedom spajanja atoma, odnosno napisat ćemo strukturnu formulu. Prema teoriji A.M. Butlerov, imat će sljedeći oblik:

Atomi vodika i ugljika vezani su u jednu česticu, valencija vodika jednaka je jedinici, a ugljika – četiri. Dva atoma ugljika povezana ugljikovom vezom – ugljik (C – S). Sposobnost ugljika da formira C – C-veza je razumljiva na temelju kemijskih svojstava ugljika. Atom ugljika ima četiri elektrona na svom vanjskom sloju elektrona; sposobnost da se predaju elektroni jednaka je sposobnosti da se dobiju oni koji nedostaju. Stoga ugljik najčešće tvori spojeve s kovalentnom vezom, odnosno zbog stvaranja elektronskih parova s drugim atomima, uključujući atome ugljika međusobno.

To je jedan od razloga raznolikosti organskih spojeva.

Spojevi koji imaju isti sastav, ali različite strukture nazivaju se izomeri. Fenomen izomerije – jedan od razloga raznolikosti organskih spojeva

Još uvijek imate pitanja? Želite li znati više o teoriji strukture organskih spojeva?
Dobiti pomoć od učitelja -.
Prvi sat je besplatan!

blog.site, pri kopiranju materijala u cijelosti ili djelomično, poveznica na izvorni izvor je obavezna.

Kemijska priroda organskih spojeva, svojstva koja ih razlikuju od anorganskih spojeva, kao i njihova raznolikost objašnjeni su u teoriji kemijske strukture koju je formulirao Butlerov 1861. (vidi § 38).

Prema ovoj teoriji, svojstva spojeva određena su njihovim kvalitativnim i kvantitativnim sastavom, kemijskom strukturom, tj. redoslijedom veza između atoma koji tvore molekulu, te njihovim međusobnim utjecajem. Teorija strukture organskih spojeva, razvijena i dopunjena najnovijim pogledima na području kemije i fizike atoma i molekula, posebice idejama o prostornoj strukturi molekula, prirodi kemijskih veza i prirodi međusobnog utjecaja atoma, čini teorijska osnova organska kemija.

U moderna teorija struktura organskih spojeva temelji se na sljedećim principima.

1. Sve značajke organskih spojeva određene su, prije svega, svojstvima elementa ugljika.

U skladu s mjestom koje ugljik zauzima u periodnom sustavu, u vanjskom elektronskom sloju njegovog atoma (-ljusci) nalaze se četiri elektrona. Ne pokazuje izraženu tendenciju doniranja ili dobivanja elektrona, u tom smislu zauzima srednji položaj između metala i nemetala i karakterizira ga izražena sposobnost stvaranja kovalentnih veza. Struktura vanjskog elektronskog sloja ugljikovog atoma može se prikazati sljedećim dijagramima:

Pobuđeni ugljikov atom može sudjelovati u stvaranju četiri kovalentne veze. Stoga, u velikoj većini svojih spojeva, ugljik pokazuje kovalentnost četiri.

Tako najjednostavniji organski spoj, ugljikovodik metan, ima sastav . Njegova se struktura može opisati strukturnim (a) ili elektroničko-strukturnim (ili elektroničkim) (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 ugljikove veze u metanu (i drugim sličnim spojevima) jednake su i simetrično usmjerene u prostoru. Atom ugljika nalazi se takoreći u središtu tetraedra (pravilne tetraedarske piramide), a s njime su povezana četiri atoma (u slučaju metana, četiri atoma u vrhovima tetraedra (sl. 120). Kutovi između smjerova bilo kojeg para veza (kutovi ugljične veze) su isti i iznose 109 ° 28".

To se objašnjava činjenicom da u atomu ugljika, kada tvori kovalentne veze s četiri druga atoma, iz jedne s- i tri p-orbitale, kao rezultat -hibridizacije, nastaju četiri hibridne -orbitale simetrično smještene u prostoru, izduženi prema vrhovima tetraedra.

Riža. 120. Tetraedarski model molekule metana.

Riža. 121. Shema nastanka -veza u molekuli metana.

Kao rezultat preklapanja -hibridnih elektronskih oblaka ugljika s elektronskim oblacima drugih atoma (u metanu sa sfernim oblacima -elektrona atoma vodika) nastaju četiri tetraedarski orijentirane kovalentne -veze (sl. 121; vidi i str. 131).

Tetraedarska struktura molekule metana jasno je izražena njezinim prostornim modelima - sfernim (slika 122) ili segmentnim (slika 123). Bijele kuglice (segmenti) predstavljaju atome vodika, crne predstavljaju atome ugljika. Model lopte karakterizira samo relativni prostorni raspored atoma, model segmenta također daje ideju o relativnim međuatomskim udaljenostima (udaljenosti između jezgri. Kao što je prikazano na slici 122, strukturna formula metana može se smatrati projekcijom svoj prostorni model na ravninu crteža.

2. Izuzetno svojstvo ugljika, koje određuje raznolikost organskih spojeva, jest sposobnost njegovih atoma da se međusobno povezuju jakim kovalentnim vezama, tvoreći ugljikove lance gotovo neograničene duljine

Valencije ugljikovih atoma koji nisu prošli međusobnu vezu koriste se za spajanje drugih atoma ili skupina (u ugljikovodicima - za dodavanje vodika).

Dakle, ugljikovodici etan i propan sadrže lance od dva odnosno tri ugljikova atoma.

Riža. 122. Loptasti model molekule metana.

Riža. 123. Segmentni model molekule metana.

Njihova se struktura izražava sljedećim strukturnim i elektroničkim formulama:

Poznati su spojevi koji sadrže stotine ili više ugljikovih atoma u svojim lancima.

Povećanje ugljikovog lanca za jedan ugljikov atom dovodi do povećanja sastava po skupinama. Takva kvantitativna promjena u sastavu dovodi do novog spoja koji ima malo drugačija svojstva, tj. već se kvalitativno razlikuje od izvornog spoja; međutim opći karakter veze se održavaju. Dakle, uz ugljikovodike metan, etan, propan, postoje butan, pentan itd. Dakle, u ogromnoj raznolikosti organskih tvari mogu se identificirati nizovi sličnih spojeva, u kojima se svaki sljedeći član razlikuje od prethodnog po grupa. Takvi nizovi se nazivaju homološkim nizovima, njihovi članovi su homolozi jedni prema drugima, a postojanje takvih nizova naziva se fenomen homologije.

Prema tome, ugljikovodici metan, stupanj, propan, butan itd. homolozi su istog niza, koji se naziva niz zasićenih, ili zasićenih, ugljikovodika (alkana) ili, prema prvom predstavniku, niz metana.

Zbog tetraedarske orijentacije ugljikovih veza, njegovi atomi uključeni u lanac nisu smješteni pravocrtno, već cik-cak, a zbog mogućnosti rotacije atoma oko osi veze, lanac u prostoru može uzeti raznih oblika(konformacije):

Ova struktura lanaca omogućuje da se krajnji (b) ili drugi nesusjedni atomi ugljika (c) približe; Kao rezultat stvaranja veza između ovih atoma, ugljikovi lanci se mogu zatvoriti u prstenove (cikluse), na primjer:

Dakle, raznolikost organskih spojeva određena je činjenicom da kada isti broj ugljikovih atoma u molekuli, mogući su spojevi s otvorenim, nezatvorenim lancem ugljikovih atoma, kao i tvari čije molekule sadrže cikluse (ciklički spojevi).

3. Kovalentne veze između atoma ugljika koje tvori jedan par generaliziranih elektrona nazivamo jednostavnim (ili običnim) vezama.

Veza između atoma ugljika može se ostvariti ne jednim, već dvama ili trima zajedničkim parovima elektrona. Tada dobivamo lance s višestrukim – dvostrukim ili trostrukim vezama; Ove veze mogu se prikazati na sljedeći način:

Najjednostavniji spojevi koji sadrže višestruke veze su ugljikovodici etilen (s dvostrukom vezom) i acetilen (s trostrukom vezom):

Ugljikovodike s višestrukim vezama nazivamo nezasićenim ili nezasićenim. Etilen i acetilen prvi su predstavnici dvaju homolognih nizova - ugljikovodika etilena i acetilena.

Riža. 124. Shema nastanka -veza u molekuli etana.

Jednostavna kovalentna veza (ili C:C), nastala preklapanjem dva -hibridna elektronska oblaka duž crte koja povezuje središta atoma (duž osi veze), kao, na primjer, u etanu (slika 124), je -veza (vidi § 42). Veze su također -veze - nastaju preklapanjem duž osi veze -hibridnog oblaka C atoma i sferičnog oblaka -elektrona H atoma.

Priroda višestrukih veza ugljik-ugljik je nešto drugačija. Dakle, u molekuli etilena, kada se u svakom od ugljikovih atoma stvara dvostruka kovalentna veza (ili), u hibridizaciji sudjeluju jedna -orbitala i samo dvije p-orbitale (-hibridizacija); jedna od p orbitala svakog C atoma ne hibridizira. Kao rezultat toga nastaju trohibridni oblaci elektrona, koji sudjeluju u stvaranju trostrukih veza. U molekuli etilena postoji ukupno pet veza (četiri i jedna); svi se nalaze u istoj ravnini pod kutovima od oko 120° jedan prema drugom (slika 125).

Dakle, jedan od elektronskih parova u vezi provodi -vezu, a drugi je formiran od p-elektrona koji ne sudjeluju u hibridizaciji; njihovi oblaci zadržavaju oblik volumetrijske osmice, orijentirani su okomito na ravninu u kojoj se nalaze -veze i preklapaju se iznad i ispod ove ravnine (slika 126), tvoreći -vezu (vidi § 42).

Riža. 125. Shema nastanka -veza u molekuli etilena.

Riža. 126. Shema nastanka -veze u molekuli 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 u svakom od ugljikovih atoma formira molekula acetilena, u hibridizaciji sudjeluje jedna -orbitala i samo jedna p-orbitala (-hibridizacija); Kao rezultat toga nastaju dva -hibridna elektronska oblaka, koji sudjeluju u formiranju dvije -veze. Oblaci od dva p-elektrona svakog C atoma ne hibridiziraju, zadržavaju svoju konfiguraciju i sudjeluju u stvaranju dviju -veza. Dakle, u acetilenu postoje samo tri -veze (jedna i dvije) usmjerene duž jedne ravne crte, i dvije -veze orijentirane u dvije međusobno okomite ravnine (slika 127).

Višestruke (tj. dvostruke i trostruke) veze lako se pretvaraju u jednostavne veze tijekom reakcija; trostruka prva prelazi u dvostruku, a posljednja u prostu. To je zbog njihove visoke reaktivnosti i događa se kada se bilo koji atom doda paru ugljikovih atoma povezanih višestrukom vezom.

Prijelaz višestrukih veza u jednostavne objašnjava se činjenicom da obično - veze imaju manju čvrstoću i stoga veću labilnost u odnosu na - veze. Kada se formiraju β-veze, oblaci p-elektrona s paralelnim osima preklapaju se u puno manjoj mjeri nego oblaci elektrona koji se preklapaju duž osi veze (tj. hibridni, β-elektronski oblaci ili oblaci p-elektrona orijentirani na os veze).

Riža. 127. Shema nastanka -veza u molekuli acetilena.

Riža. 128. Modeli molekule etilena: a - sferni; b - segmentalno.

Višestruke veze jače su od jednostavnih. Dakle, energija kidanja veze je , veze i samo veze .

Iz navedenog proizlazi da u formulama dvije crtice od tri u vezi i jedna crtica od dvije u vezi izražavaju veze koje su slabije od jednostavne veze.

Na sl. 128 i 129 prikazani su sferni i segmentirani prostorni modeli spojeva s dvostrukom (etilen) i trostrukom (acetilen) vezom.

4. Teorija strukture objasnila je brojne slučajeve izomerije u organskim spojevima.

Lanci ugljikovih atoma mogu biti ravni ili razgranati:

Dakle, sastav ima tri zasićena ugljikovodika (pentan) sa drugačija struktura lanci - jedan s nerazgranatim lancem ( normalna struktura) i dva s razgranatom (izostrukturom):

Sastav ima tri nezasićena ugljikovodika, dva normalne strukture, ali izomerna na položaju dvostruke veze, i jedan izostrukture:

Riža. 129. Modeli molekule acetilena: a sferični; b - segmentalno.

Ovi nezasićeni spojevi su izomeri dva ciklička ugljikovodika, koji također imaju sastav i međusobno su izomerni u smislu veličine ciklusa:

S istim sastavom, spojevi se mogu razlikovati u strukturi zbog različitih položaja u ugljikovom lancu i drugim neugljikovim atomima, na primjer:

Izomerija može biti uzrokovana ne samo različitim redoslijedom povezivanja atoma. Poznato je više vrsta prostorne izomerije (stereoizometrije), koja se sastoji u tome da se odgovarajući izomeri (stereoizomeri) s istim sastavom i redoslijedom veza atoma razlikuju u različitom rasporedu atoma (ili skupina atoma) u prostoru.

Dakle, ako spoj sadrži atom ugljika vezan na 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: oni su zrcalno građeni i odražavaju prostornu konfiguraciju molekula dva razne tvari(u ovom primjeru, mliječne kiseline), razlikuju se u nekim fizičkim, a uglavnom biološkim svojstvima. Takva se izomerija naziva zrcalna stereoizomerija, a odgovarajući izomeri nazivaju se zrcalni izomeri.

Riža. 130. Tetraedarski modeli molekula zrcalnih izomera mliječne kiseline.

Razlika u prostornoj strukturi zrcalnih izomera također se može prikazati pomoću strukturnih formula, koje pokazuju različit raspored atomskih skupina kod asimetričnog atoma; na primjer, za one prikazane na sl. 130 zrcalnih izomera mliječne kiseline:

Kao što je već naznačeno, atomi ugljika; povezani dvostrukom vezom, leže u istoj ravnini s četiri veze koje ih povezuju s drugim atomima; kutovi između pravaca tih veza približno su jednaki (slika 126). Kada su različiti atomi ili skupine povezani sa svakim od ugljikovih atoma dvostrukom vezom, moguća je takozvana geometrijska stereoizomerija ili cis-trans izomerija. Primjer su prostorno geometrijski izomeri dikloretilena

U molekulama jednog izomera, atomi klora nalaze se na jednoj strani dvostruke veze, au molekulama drugog - na suprotnim stranama. Prva konfiguracija se naziva cis, druga - trans konfiguracija. Geometrijski izomeri međusobno se razlikuju po fizikalnim i kemijskim svojstvima.

Njihovo postojanje je posljedica činjenice da dvostruka veza isključuje mogućnost slobodne rotacije povezanih atoma oko osi veze (takva rotacija zahtijeva kidanje -veze; vidi sl. 126).

5. Međusobni utjecaj u molekulama organskih tvari očituje se prvenstveno međusobno izravno povezanim atomima. 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 prema zbirnim formulama, tada bi u molekuli metana i u molekuli metilnog alkohola sva četiri atoma vodika trebala imati ista svojstva. Ali, kao što će se kasnije pokazati, u metilnom alkoholu može se zamijeniti jedan od atoma vodika alkalni metal, dok u metanu atomi vodika ne pokazuju tu sposobnost. To se objašnjava činjenicom da je u alkoholu atom vodika izravno vezan ne na ugljik, već na kisik

U danim strukturnim formulama strelice na linijama veze konvencionalno označavaju pomak parova elektrona koji tvore kovalentnu vezu zbog različite elektronegativnosti atoma. U metanu je takav pomak u vezi malen, budući da elektronegativnost ugljika (2.5) samo malo premašuje elektronegativnost vodika u tablici. 6, str. 118). U ovom slučaju, molekula metana je simetrična. U molekuli alkohola, veza je značajno polarizirana, budući da kisik (elektronegativnost 3,5) puno više privlači elektronski par; stoga atom vodika povezan s atomom kisika dobiva veću pokretljivost, tj. lakše se odvaja u obliku protona.

U organskim molekulama važan je i međusobni utjecaj atoma koji međusobno nisu izravno povezani. Dakle, u metilnom alkoholu, pod utjecajem kisika, povećava se reaktivnost ne samo atoma vodika povezanog s kisikom, već i atoma vodika koji nisu izravno povezani s kisikom, ali povezani su s ugljikom. Zbog toga se metilni alkohol vrlo lako oksidira, dok je metan relativno otporan na oksidirajuća sredstva. To se objašnjava činjenicom da kisik hidroksilne skupine značajno privlači par elektrona na sebe u vezi koja ga povezuje s ugljikom, koji ima manju elektronegativnost.

Kao rezultat toga, efektivni naboj ugljikovog atoma postaje pozitivniji, što uzrokuje dodatno pomicanje elektronskih parova iu vezama u metilnom alkoholu, u usporedbi s istim vezama u molekuli metana. Pod djelovanjem oksidacijskih sredstava, atomi H vezani na isti atom ugljika s kojim je vezana OH skupina mnogo se lakše odvajaju nego u ugljikovodicima i spajaju s kisikom, tvoreći vodu. U tom slučaju, atom ugljika povezan s OH skupinom podvrgava se daljnjoj oksidaciji (vidi § 171).

Međusobni utjecaj atoma koji nisu međusobno izravno povezani može se prenijeti na značajnu udaljenost duž lanca ugljikovih atoma i objašnjava se pomakom u gustoći elektronskih oblaka u cijeloj molekuli pod utjecajem atoma ili skupina različite elektronegativnosti. prisutan u njemu. Uzajamni utjecaj može se prenositi i kroz prostor koji okružuje molekulu, kao rezultat preklapanja elektronskih oblaka atoma koji se približavaju.

Baš kao u anorganska kemija temeljna teorijska osnova je Periodični zakon I Periodni sustav elemenata kemijski elementi D. I. Mendeljejev, tako vodeći u organskoj kemiji znanstvena osnova služi kao Butlerov-Kekule-Cooperova teorija strukture organskih spojeva.

Kao i svaka druga znanstvena teorija, teorija o građi organskih spojeva nastala je generalizacijom najbogatijeg činjeničnog materijala što ga je organska kemija, koja se kao znanost oblikovala početkom 19. stoljeća, nakupila. Otkrivano je sve više novih spojeva ugljika, čiji je broj rastao poput lavine (tablica 1).

stol 1
Broj organskih spojeva poznatih u različitim godinama

Znanstvenici objašnjavaju ovu raznolikost organskih spojeva početkom XIX V. ne mogu. Fenomen izomerije potaknuo je još više pitanja.

Na primjer, etilni alkohol i dimetil eter su izomeri: ove tvari imaju isti sastav C 2 H 6 O, ali drugačiju strukturu, odnosno drugačiji redoslijed povezivanja atoma u molekulama, a time i različita svojstva.

Vama već poznati F. Wöhler opisao je organsku kemiju u jednom od svojih pisama J. J. Berzeliusu: “Organska kemija sada svakoga može izluditi. Čini mi se kao gusta šuma, puna nevjerojatnih stvari, beskrajna šikara iz koje ne možeš izaći, u koju se ne usuđuješ prodrijeti...”

Na razvoj kemije velik je utjecaj imao rad engleskog znanstvenika E. Franklanda, koji je na temelju ideja atomizma uveo pojam valencije (1853.).

U molekuli vodika H2 nastaje jedna kovalentna kemikalija N-N veza, tj. vodik je jednovalentan. Valencija kemijskog elementa može se izraziti brojem atoma vodika koje jedan atom kemijskog elementa dodaje sebi ili nadomješta. Na primjer, sumpor u vodikovom sulfidu 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 kemiji, koncept "valencije" analogan je konceptu "oksidacijskog stanja", s kojim ste navikli raditi u tečaju anorganske kemije u osnovnoj školi. Međutim, to 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 dva:

U amonijevom ionu NH + 4, oksidacijsko stanje dušika je -3, a valencija je četiri:

Obično se u odnosu na ionske spojeve (natrijev klorid NaCl i mnoge druge anorganske tvari s ionskim vezama) ne koristi izraz "valencija" atoma, već se razmatra njihovo oksidacijsko stanje. Stoga je u anorganskoj kemiji, gdje većina tvari ima nemolekularnu strukturu, poželjno koristiti koncept "oksidacijskog stanja", au organskoj kemiji, gdje većina spojeva ima molekularnu strukturu, u pravilu, koncept " valencija”.

Teorija kemijske strukture rezultat je generalizacije ideja izvanrednih organskih znanstvenika iz tri evropske zemlje: Nijemac F. Kekule, Englez A. Cooper i Rus A. Butlerov.

Godine 1857. F. Kekule je klasificirao ugljik kao četverovalentni element, a 1858. je zajedno s A. Cooperom primijetio da se atomi ugljika mogu međusobno povezivati u različite lance: linearne, razgranate i zatvorene (cikličke).

Kao osnova za razvoj poslužila su djela F. Kekulea i A. Coopera znanstvena teorija, koji objašnjava pojavu izomerije, odnos između sastava, strukture i svojstava molekula organskih spojeva. Ovu teoriju stvorio je ruski znanstvenik A.M. Butlerov. Upravo se njegov radoznali um “usudio prodrijeti” u “gustu šumu” organske kemije i početi pretvarati tu “bezgraničnu šikaru” u poplavno područje. sunčeva svjetlost pravilan park sa sustavom staza i aleja. Osnovne ideje ove teorije prvi je iznio A. M. Butlerov 1861. godine na kongresu njemačkih prirodoslovaca i liječnika u Speyeru.

Glavne odredbe i posljedice Butlerov-Kekule-Cooperove teorije o strukturi organskih spojeva mogu se ukratko formulirati na sljedeći način.

1. Atomi u molekulama tvari povezani su u određenom nizu prema svojoj valenciji. Ugljik u organskim spojevima je uvijek četverovalentan, a njegovi atomi mogu se međusobno spajati, tvoreći različite lance (linearne, razgranate i cikličke).

Organski spojevi mogu se poredati u nizove tvari sličnih po sastavu, strukturi i svojstvima – homologne redove.

Butlerov Aleksandar Mihajlovič (1828.-1886.)

Na primjer, metan CH 4 je predak homologne serije zasićeni ugljikovodici (alkani). Njegov najbliži homolog je etan C 2 H 6, ili CH 3 -CH 3. Sljedeća dva člana homolognog niza metana su propan C3H8, ili CH3-CH2-CH3, i butan C4H10, ili CH3-CH2-CH2-CH3, itd.

Lako je vidjeti da se za homološki niz može izvesti opća formula za niz. Dakle, za alkane ovo opća formula C n H 2n + 2 .

2. Svojstva tvari ovise ne samo o njihovom kvalitativnom i kvantitativnom sastavu, već i o strukturi njihovih molekula.

Ovo stajalište teorije strukture organskih spojeva objašnjava pojavu izomerije. Očito je da je za butan C 4 H 10, osim molekule s linearnom strukturom CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, također moguća razgranata struktura:

Ovo je potpuno nova tvar sa svojim individualnim svojstvima, različitim od svojstava butana s linearnom strukturom.

Butan, u čijoj su molekuli atomi raspoređeni u linearni lanac, naziva se normalni butan (n-butan), a butan, čiji je lanac ugljikovih atoma razgranat, naziva se izobutan.

Postoje dvije glavne vrste izomerije - strukturna i prostorna.

U skladu s prihvaćenom klasifikacijom, razlikuju se tri vrste strukturne izomerije.

Izomerija ugljikovog skeleta. Spojevi se razlikuju po redoslijedu ugljik-ugljik veza, na primjer, raspravljani n-butan i izobutan. Upravo je ovaj tip izomerije karakterističan za alkane.

Izomerija položaja višestruke veze (C=C, C=C) ili funkcionalne skupine (tj. skupine atoma koja određuje pripada li spoj određenoj klasi organskih spojeva), na primjer:

Međuklasna izomerija. Izomeri ovog tipa izomerije pripadaju različitim klasama organskih spojeva, na primjer, etilni 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 karakteristična je, prije svega, za spojeve s dvostrukom vezom ugljik-ugljik, budući da na mjestu takve veze molekula ima ravnu strukturu (slika 6).

Riža. 6.
Model molekule etilena

Na primjer, za buten-2, ako su identične skupine atoma na atomima ugljika na dvostrukoj vezi na jednoj strani ravnine C=C veze, tada je molekula cis izomer, ako je na suprotnim stranama trans izomer.

Optička izomerija opažena je, na primjer, u tvarima čije molekule imaju asimetrične, ili kiralne, atome ugljika vezane na četiri razne zastupnici. Optički izomeri su zrcalne slike jedan drugoga, kao dva dlana, i nisu kompatibilni. (Sada, očito, razumijete drugo ime ove vrste izomerije: grčki chiros - ruka - primjer asimetrične figure.) Na primjer, 2-hidroksipropanska (mliječna) kiselina, koja sadrži jedan asimetrični atom ugljika, postoji u obliku dvaju optičkih izomera.

U kiralnim molekulama nastaju izomerni parovi u kojima su molekule izomera povezane jedna s drugom u svojoj prostornoj organizaciji na isti način kao što su predmet i njegova zrcalna slika međusobno povezani. Par takvih izomera uvijek ima isti kemijski i fizička svojstva, s iznimkom optičke aktivnosti: ako jedan izomer rotira ravninu polarizirane svjetlosti u smjeru kazaljke na satu, onda drugi nužno rotira suprotno od kazaljke na satu. Prvi izomer naziva se desnorotirajući, a drugi lijevorotirajući.

Važnost optičke izomerije u organizaciji života na našem planetu je vrlo velika, budući da se optički izomeri mogu značajno razlikovati kako u svojoj biološkoj aktivnosti tako iu kompatibilnosti s drugim prirodnim spojevima.

3. Atomi u molekulama tvari utječu jedni na druge. Međusobni utjecaj atoma u molekulama organskih spojeva razmotrit ćete tijekom daljnjeg proučavanja kolegija.

Suvremena teorija strukture organskih spojeva temelji se ne samo na kemijskoj, već i na elektronskoj i prostornoj strukturi tvari, o čemu se detaljno govori na profilnoj razini studija kemije.

U organskoj kemiji naširoko se koristi nekoliko vrsta kemijskih formula.

Molekularna formula odražava kvalitativni sastav spoja, odnosno pokazuje broj atoma svakog od kemijskih elemenata koji tvore molekulu tvari. Na primjer, molekularna formula propana je: C3H8.

Strukturna formula odražava redoslijed veze atoma u molekuli prema valenciji. Strukturna formula propana je:

Često nema potrebe za detaljnim prikazom kemijske veze između atoma ugljika i vodika, stoga se u većini slučajeva koriste kratice strukturne formule. Za propan, ova formula je napisana na sljedeći način: CH 3 -CH 2 -CH 3.

Struktura molekula organskih spojeva odražava se pomoću razni modeli. Najpoznatiji su volumetrijski (vaga) i modeli s kuglom i štapićem (slika 7).

Riža. 7.
Modeli molekule etana:
1 - kugla i šipka; 2 - ljestvica

Nove riječi i pojmovi

Izomerija, izomeri.
Valencija.
Kemijska struktura.
Teorija strukture organskih spojeva.
Homologni niz i homologna razlika.
Molekulske i strukturne formule.
Modeli molekula: volumetrijski (vaga) i kuglični.

Pitanja i zadaci

Što je valencija? Kako se razlikuje od oksidacijskog stanja? Navedite primjere tvari kod kojih su vrijednosti oksidacijskog stanja i valencije atoma brojčano iste i različite,
Odredite valenciju i oksidacijsko stanje atoma u tvarima čije su formule Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
Što je izomerija; izomeri?
Što je homologija; homolozi?
Kako pomoću znanja o izomeriji i homologiji objasniti raznolikost ugljikovih spojeva?
Što se podrazumijeva pod kemijskom građom molekula organskih spojeva? Formulirajte odredbe teorije strukture, koje objašnjavaju razliku u svojstvima izomera, Formulirajte odredbe teorije strukture, koje objašnjavaju raznolikost organskih spojeva.
Kakav je doprinos ovoj teoriji dao svaki od znanstvenika - utemeljitelja teorije kemijske strukture? Zašto je doprinos ruskog kemičara odigrao vodeću ulogu u razvoju ove teorije?
Mogu postojati tri izomera sastava C 5 H 12. Napiši njihove pune i skraćene strukturne formule,
Na temelju modela molekule tvari prikazanog na kraju odlomka (vidi sl. 7.) sastavite njezinu molekulsku i skraćenu strukturnu formulu.
Izračunati maseni udio ugljik u molekulama prva četiri člana homolognog niza alkana.