Théorie de A.M. Butlerov

1. Les atomes dans les molécules sont interconnectés dans une certaine séquence par des liaisons chimiques en fonction de leur valence. L'ordre de liaison des atomes est appelé leur structure chimique. Le carbone dans tous les composés organiques est tétravalent.

2. Les propriétés des substances sont déterminées non seulement par la composition qualitative et quantitative des molécules, mais aussi par leur structure.

3. Les atomes ou groupes d'atomes s'influencent mutuellement, dont dépend la réactivité de la molécule.

4. La structure des molécules peut être établie sur la base de l'étude de leurs propriétés chimiques.

Les composés organiques ont un certain nombre traits caractéristiques qui les distinguent des inorganiques. Presque tous (à de rares exceptions près) sont combustibles ; majorité composés organiques ne se dissocie pas en ions, ce qui est dû à la nature de la liaison covalente dans les substances organiques. Le type de liaison ionique n'est réalisé que dans les sels d'acides organiques, par exemple CH3COONa.

série homologue est une série infinie de composés organiques qui ont une structure similaire et, par conséquent, similaire Propriétés chimiques et différant les uns des autres par un nombre quelconque de groupes CH2– (différence homologue).

Même avant la création de la théorie de la structure, des substances de la même composition élémentaire, mais avec des propriétés différentes, étaient connues. Ces substances étaient appelées isomères, et ce phénomène lui-même était appelé isomérie.

Au cœur de l'isomérie, comme le montre A.M. Butlerov, réside la différence dans la structure des molécules constituées du même ensemble d'atomes.

isomérie- c'est le phénomène de l'existence de composés qui ont la même composition qualitative et quantitative, mais une structure différente et, par conséquent, des propriétés différentes.

Il existe 2 types d'isomérie : de construction isomérie et spatial isomérie.

Isomérie structurale

Isomères structuraux- composés de même composition qualitative et quantitative, différant par l'ordre des atomes de liaison, c'est-à-dire la structure chimique.

Isomérie spatiale

Isomères spatiaux(stéréoisomères) de même composition et de même structure chimique diffèrent par la disposition spatiale des atomes dans la molécule.
Les isomères spatiaux sont les isomères optiques et cis-trans (géométriques).

Isomérie cis-trans

consiste en la possibilité d'agencer les substituants un par un ou par différents côtés plan d'une double liaison ou d'un cycle non aromatique. isomères cis les substituants sont du même côté du plan du cycle ou de la double liaison, dans isomères trans- en différentes manières.

Dans la molécule de butène-2 CH3–CH=CH–CH3, les groupes CH3 peuvent être situés soit sur un côté de la double liaison, dans l'isomère cis, soit sur des côtés opposés, dans l'isomère trans.

Isomérie optique

Apparaît lorsque le carbone a quatre substituants différents.
Si deux d'entre eux sont interchangés, un autre isomère spatial de même composition est obtenu. Les propriétés physicochimiques de ces isomères diffèrent considérablement. Les composés de ce type se distinguent par leur capacité à faire tourner le plan de lumière polarisée traversant la solution de ces composés d'une certaine quantité. Dans ce cas, un isomère fait tourner le plan de la lumière polarisée dans une direction et son isomère dans la direction opposée. En raison de tels effets optiques, ce type d'isomérie est appelé isomérie optique.

Les principales dispositions de la théorie de la structure chimique de A.M. Butlerov

1. Les atomes dans les molécules sont connectés les uns aux autres dans un certain ordre en fonction de leurs valences. La séquence de liaisons interatomiques dans une molécule est appelée sa structure chimique et est reflétée par une formule structurelle (formule structurelle).

2. La structure chimique peut être établie par des méthodes chimiques. (Actuellement, des méthodes physiques modernes sont également utilisées).

3. Les propriétés des substances dépendent de leur structure chimique.

4. Par les propriétés d'une substance donnée, vous pouvez déterminer la structure de sa molécule, et par la structure de la molécule, vous pouvez prédire les propriétés.

5. Les atomes et les groupes d'atomes d'une molécule s'influencent mutuellement.

La théorie de Butlerov était le fondement scientifique de la chimie organique et a contribué à son développement rapide. Sur la base des dispositions de la théorie, A.M. Butlerov a expliqué le phénomène d'isomérie, prédit l'existence de divers isomères et en a obtenu certains pour la première fois.

Le développement de la théorie de la structure a été facilité par les travaux de Kekule, Kolbe, Cooper et van't Hoff. Cependant, leurs positions théoriques ne portaient pas général et a servi principalement aux fins d'expliquer le matériel expérimental.

2. Formules structurées

La formule de structure (formule structurelle) décrit l'ordre de connexion des atomes dans une molécule, c'est-à-dire sa structure chimique. Les liaisons chimiques dans la formule structurale sont représentées par des tirets. La liaison entre l'hydrogène et les autres atomes n'est généralement pas indiquée (ces formules sont appelées formules structurelles abrégées).

Par exemple, les formules structurelles complètes (développées) et abrégées du n-butane C4H10 sont :

Un autre exemple est les formules d'isobutane.

Souvent encore plus utilisé entrée courte formules lorsqu'elles ne représentent pas seulement des liaisons avec l'atome d'hydrogène, mais aussi les symboles des atomes de carbone et d'hydrogène. Par exemple, la structure du benzène C6H6 se traduit par les formules :

Les formules structurelles diffèrent des formules moléculaires (grossières), qui indiquent uniquement quels éléments et dans quel rapport sont inclus dans la composition de la substance (c'est-à-dire la composition élémentaire qualitative et quantitative), mais ne reflètent pas l'ordre des atomes de liaison.

Par exemple, le n-butane et l'isobutane ont la même formule moléculaire C4H10 mais une séquence de liaison différente.

Ainsi, la différence de substances est due non seulement à une composition élémentaire qualitative et quantitative différente, mais également à des structures chimiques différentes, qui ne peuvent être reflétées que dans les formules structurelles.

3. Le concept d'isomérie

Même avant la création de la théorie de la structure, des substances de la même composition élémentaire, mais avec des propriétés différentes, étaient connues. Ces substances étaient appelées isomères, et ce phénomène lui-même était appelé isomérie.

Au cœur de l'isomérie, comme le montre A.M. Butlerov, réside la différence dans la structure des molécules constituées du même ensemble d'atomes. De cette façon,

l'isomérie est le phénomène de l'existence de composés qui ont la même composition qualitative et quantitative, mais une structure différente et, par conséquent, des propriétés différentes.

Par exemple, lorsqu'une molécule contient 4 atomes de carbone et 10 atomes d'hydrogène, l'existence de 2 composés isomères est possible :

Selon la nature des différences dans la structure des isomères, on distingue l'isomérie structurelle et spatiale.

4. Isomères structuraux

Isomères structuraux - composés de la même composition qualitative et quantitative, différant par l'ordre des atomes de liaison, c'est-à-dire par la structure chimique.

Par exemple, la composition de C5H12 correspond à 3 isomères structuraux :

Un autre exemple:

5. Stéréoisomères

Les isomères spatiaux (stéréoisomères) de même composition et de même structure chimique diffèrent par la disposition spatiale des atomes dans la molécule.

Les isomères spatiaux sont des isomères optiques et cis-trans (des boules de différentes couleurs représentent différents atomes ou groupes atomiques) :

Les molécules de ces isomères sont spatialement incompatibles.

La stéréoisomérie joue un rôle important en chimie organique. Ces questions seront examinées plus en détail lors de l'étude des composés de classes individuelles.

6. Représentations électroniques en chimie organique

L'application de la théorie électronique de la structure de l'atome et des liaisons chimiques en chimie organique a été l'une des étapes les plus importantes du développement de la théorie de la structure des composés organiques. Le concept de structure chimique en tant que séquence de liaisons entre atomes (A.M. Butlerov) a été complété par la théorie électronique avec des idées sur la structure électronique et spatiale et leur influence sur les propriétés des composés organiques. Ce sont ces représentations qui permettent de comprendre les modalités de transfert de l'influence mutuelle des atomes dans les molécules (effets électroniques et spatiaux) et le comportement des molécules dans les réactions chimiques.

Selon les idées modernes, les propriétés des composés organiques sont déterminées par :

la nature et la structure électronique des atomes ;

le type d'orbitales atomiques et la nature de leur interaction ;

type de liaisons chimiques;

structure chimique, électronique et spatiale des molécules.

7. Propriétés des électrons

L'électron a une double nature. Dans différentes expériences, il peut présenter les propriétés des particules et des ondes. Le mouvement d'un électron obéit aux lois de la mécanique quantique. La connexion entre les propriétés ondulatoires et corpusculaires d'un électron reflète la relation de Broglie.

L'énergie et les coordonnées d'un électron, ainsi que d'autres particules élémentaires, ne peuvent pas être mesurées simultanément avec la même précision (principe d'incertitude de Heisenberg). Par conséquent, le mouvement d'un électron dans un atome ou une molécule ne peut pas être décrit à l'aide d'une trajectoire. Un électron peut se trouver à n'importe quel point de l'espace, mais avec des probabilités différentes.

La partie de l'espace dans laquelle la probabilité de trouver un électron est élevée est appelée orbitale ou nuage d'électrons.

Par exemple:

8. Orbitales atomiques

Orbitale atomique (AO) - la région du séjour le plus probable d'un électron (nuage d'électrons) dans le champ électrique du noyau atomique.

La position d'un élément dans le système périodique détermine le type d'orbitales de ses atomes (s-, p-, d-, f-AO, etc.), qui diffèrent par leur énergie, leur forme, leur taille et leur orientation spatiale.

Les éléments de la 1ère période (H, He) sont caractérisés par un AO - 1s.

Dans les éléments de la 2ème période, les électrons occupent cinq AO à deux niveaux d'énergie : le premier niveau est 1s ; deuxième niveau - 2s, 2px, 2py, 2pz. (les chiffres indiquent le numéro du niveau d'énergie, les lettres indiquent la forme de l'orbitale).

L'état d'un électron dans un atome est complètement décrit par des nombres quantiques.

Type d'hydrogène :

Ces formules sont quelque peu similaires aux formules modernes. Mais les partisans de la théorie des types ne les considéraient pas comme reflétant la structure réelle des substances et écrivaient de nombreuses formules différentes pour un composé, en fonction des réactions chimiques qu'ils essayaient d'écrire à l'aide de ces formules. Ils considéraient la structure des molécules comme fondamentalement inconnaissable, ce qui a nui au développement de la science.

3. L'introduction par J. Berzelius en 1830 du terme "isomérie" pour le phénomène de l'existence de substances de même composition avec des propriétés différentes.

4. Succès dans la synthèse de composés organiques, à la suite desquels la doctrine du vitalisme, c'est-à-dire la "force vitale", sous l'influence de laquelle des substances organiques se seraient formées dans le corps des êtres vivants, a été dissipée:

En 1828, F. Wehler synthétise l'urée à partir d'une substance inorganique (cyanate d'ammonium) ;

En 1842, le chimiste russe N. N. Zinin reçut de l'aniline ;

En 1845, le chimiste allemand A. Kolbe a synthétisé l'acide acétique ;

En 1854, le chimiste français M. Berthelot a synthétisé les graisses, et, enfin,

En 1861, A. M. Butlerov lui-même a synthétisé une substance semblable à du sucre.

5. Au milieu du XVIIIe siècle. la chimie devient une science plus rigoureuse. À la suite des travaux d'E. Frankland et d'A. Kekule, le concept de valence des atomes d'éléments chimiques a été établi. Kekule a développé le concept de tétravalence du carbone. Grâce aux travaux de Cannizzaro, les concepts de masses atomiques et moléculaires sont devenus plus clairs, leurs significations et leurs méthodes de détermination se sont affinées.

En 1860, plus de 140 grands chimistes de différents pays L'Europe réunie pour un congrès international à Karlsruhe. Le Congrès est devenu très événement important dans l'histoire de la chimie: les succès de la science ont été résumés et les conditions ont été préparées pour une nouvelle étape dans le développement de la chimie organique - l'émergence de la théorie de la structure chimique des substances organiques par A. M. Butlerov (1861), ainsi que pour la découverte fondamentale de D. I. Mendeleev - la loi périodique et les systèmes d'éléments chimiques (1869).

En 1861, A. M. Butlerov a pris la parole au congrès des médecins et naturalistes de la ville de Spire avec un rapport "Sur la structure chimique des corps". Il y expose les fondements de sa théorie de la structure chimique des composés organiques. Sous la structure chimique, le scientifique a compris l'ordre de connexion des atomes dans les molécules.

Qualités personnelles de A. M. Butlerov

A. M. Butlerov se distinguait par la nature encyclopédique des connaissances chimiques, la capacité d'analyser et de généraliser les faits et de prédire. Il a prédit l'existence d'un isomère de butane, puis l'a reçu, ainsi que l'isomère de butylène - isobutylène.

Butlerov Alexandre Mikhaïlovitch (1828-1886)

Chimiste russe, académicien de l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg (depuis 1874). Diplômé de l'Université de Kazan (1849). Il y travailla (depuis 1857 - professeur, en 1860 et 1863 - recteur). Créateur de la théorie de la structure chimique des composés organiques, qui sous-tend la chimie moderne. Justifié l'idée de l'influence mutuelle des atomes dans une molécule. Il a prédit et expliqué l'isomérie de nombreux composés organiques. A écrit "Introduction à l'étude complète de la chimie organique" (1864) - le premier manuel de l'histoire des sciences basé sur la théorie de la structure chimique. Président du Département de chimie de la Société russe de physique et de chimie (1878-1882).

A. M. Butlerov a créé la première école de chimistes organiques en Russie, d'où sont sortis de brillants scientifiques: V. V. Markovnikov, D. P. Konovalov, A. E. Favorsky et d'autres.

Pas étonnant que D. I. Mendeleïev ait écrit : « A. M. Butlerov est l'un des plus grands scientifiques russes, il est russe tant par sa formation scientifique que par l'originalité de ses travaux.

Les principales dispositions de la théorie de la structure des composés chimiques

La théorie de la structure chimique des composés organiques, avancée par A. M. Butlerov dans la seconde moitié du siècle dernier (1861), a été confirmée par les travaux de nombreux scientifiques, dont les étudiants de Butlerov et lui-même. Il s'est avéré possible sur sa base d'expliquer de nombreux phénomènes jusque-là sans interprétation: isomérie, homologie, manifestation de la tétravalence par les atomes de carbone dans les substances organiques. La théorie remplissait également sa fonction pronostique : sur sa base, les scientifiques prédisaient l'existence de composés encore inconnus, décrivaient des propriétés et les découvraient.

Ainsi, en 1862-1864. A. M. Butlerov a examiné l'isomérie des alcools propylique, butylique et amylique, a déterminé le nombre d'isomères possibles et a dérivé les formules de ces substances. Leur existence a ensuite été prouvée expérimentalement et certains des isomères ont été synthétisés par Butlerov lui-même.

Au cours du XXe siècle. les dispositions de la théorie de la structure chimique des composés chimiques ont été développées sur la base de nouvelles vues qui se sont répandues dans la science: la théorie de la structure de l'atome, la théorie de la liaison chimique, les idées sur les mécanismes des réactions chimiques. À l'heure actuelle, cette théorie a un caractère universel, c'est-à-dire qu'elle est valable non seulement pour les substances organiques, mais également pour les substances inorganiques.

Première position. Les atomes dans les molécules sont connectés dans un certain ordre en fonction de leur valence. Le carbone dans tous les composés organiques et la plupart des composés inorganiques est tétravalent.

Il est évident que la dernière partie de la première disposition de la théorie peut être facilement expliquée par le fait que les atomes de carbone dans les composés sont dans un état excité :

a) les atomes de carbone tétravalent peuvent se combiner entre eux, formant différentes chaînes :

ouvert ramifié
- ouvert non ramifié
- fermé

b) l'ordre de connexion des atomes de carbone dans les molécules peut être différent et dépend du type de liaison chimique covalente entre les atomes de carbone - simple ou multiple (double et triple).

Deuxième place. Les propriétés des substances dépendent non seulement de leur composition qualitative et quantitative, mais aussi de la structure de leurs molécules.

Cette position explique le phénomène d'isomérie. Les substances qui ont la même composition, mais une structure chimique ou spatiale différente, et donc des propriétés différentes, sont appelées isomères. Les principaux types d'isomérie:

Isomérie structurelle , dans laquelle les substances diffèrent dans l'ordre de liaison des atomes dans les molécules:

1) isomérie du squelette carboné

3) isomérie des séries homologues (interclasse)

Isomérie spatiale, dans laquelle les molécules de substances ne diffèrent pas par l'ordre de liaison des atomes, mais par leur position dans l'espace : cis-trans-isomérie (géométrique).

Cette isomérie est typique des substances dont les molécules ont une structure plane : alcènes, cycloalcanes, etc.

L'isomérie optique (miroir) appartient également à l'isomérie spatiale.

Les quatre liaisons simples autour de l'atome de carbone, comme vous le savez déjà, sont disposées en tétraèdre. Si un atome de carbone est lié à quatre atomes ou groupes différents, alors un arrangement différent de ces groupes dans l'espace est possible, c'est-à-dire deux formes isomères spatiales.

Deux formes miroirs de l'acide aminé alanine (acide 2-aminopropanoïque) sont présentées à la figure 17.

Imaginez qu'une molécule d'alanine soit placée devant un miroir. Le groupe -NH2 est plus proche du miroir, il sera donc devant dans la réflexion, et le groupe -COOH sera en arrière-plan, etc. (voir image à droite). Alanya existe sous deux formes spatiales qui, lorsqu'elles sont superposées, ne se combinent pas.

L'universalité de la deuxième position de la théorie de la structure des composés chimiques confirme l'existence d'isomères inorganiques.

Ainsi, la première des synthèses de substances organiques - la synthèse de l'urée, réalisée par Wehler (1828), a montré qu'une substance inorganique - le cyanate d'ammonium et une substance organique - l'urée sont isomères :

Si vous remplacez l'atome d'oxygène dans l'urée par un atome de soufre, vous obtenez la thiourée, qui est isomère du thiocyanate d'ammonium, un réactif bien connu pour les ions Fe 3+. Évidemment, la thiourée ne donne pas cette réaction qualitative.

Troisième place. Les propriétés des substances dépendent de l'influence mutuelle des atomes dans les molécules.

Par exemple, dans l'acide acétique, un seul des quatre atomes d'hydrogène réagit avec l'alcali. Sur cette base, on peut supposer qu'un seul atome d'hydrogène est lié à l'oxygène :

D'autre part, à partir de la formule structurelle de l'acide acétique, on peut conclure qu'il contient un atome d'hydrogène mobile, c'est-à-dire qu'il est monobasique.

Pour vérifier l'universalité de la position de la théorie de la structure sur la dépendance des propriétés des substances à l'influence mutuelle des atomes dans les molécules, qui existe non seulement dans les composés organiques, mais aussi dans les composés inorganiques, nous comparons les propriétés des atomes d'hydrogène dans composés hydrogènes de non-métaux. Ils ont une structure moléculaire et dans des conditions normales sont des gaz ou des liquides volatils. En fonction de la position du non-métal dans le système périodique de D. I. Mendeleev, un schéma peut être identifié dans le changement des propriétés de ces composés :

Le méthane n'interagit pas avec l'eau. Le manque de propriétés de base du méthane s'explique par la saturation des capacités de valence de l'atome de carbone.

L'ammoniac présente des propriétés basiques. Sa molécule est capable de se fixer un ion hydrogène en raison de son attraction sur la paire d'électrons isolés de l'atome d'azote (mécanisme de formation de la liaison donneur-accepteur).

Dans la phosphine PH3, les propriétés de base sont faiblement exprimées, ce qui est associé au rayon de l'atome de phosphore. Il est beaucoup plus grand que le rayon de l'atome d'azote, de sorte que l'atome de phosphore attire plus faiblement l'atome d'hydrogène vers lui.

Dans les périodes de gauche à droite, les charges des noyaux des atomes augmentent, les rayons des atomes diminuent, la force répulsive de l'atome d'hydrogène avec une charge positive partielle G + augmente, et donc les propriétés acides des composés hydrogènes des non-métaux sont rehaussés.

Dans les sous-groupes principaux, les rayons atomiques des éléments augmentent de haut en bas, les atomes non métalliques avec 5- attirent les atomes d'hydrogène avec 5+ plus faibles, la force des composés d'hydrogène diminue, ils se dissocient facilement et, par conséquent, leurs propriétés acides sont améliorées.

La capacité différente des composés hydrogène des non-métaux à éliminer ou à ajouter des cations hydrogène dans les solutions s'explique par l'effet inégal qu'un atome non métallique a sur les atomes d'hydrogène.

L'influence différente des atomes dans les molécules d'hydroxydes formées par des éléments de la même période explique également l'évolution de leurs propriétés acido-basiques.

Les propriétés basiques des hydroxydes diminuent, tandis que les acides augmentent, à mesure que le degré d'oxydation de l'atome central augmente, par conséquent, l'énergie de sa liaison avec l'atome d'oxygène (8-) et la répulsion de l'atome d'hydrogène (8+) par ça augmente.

Hydroxyde de sodium NaOH. Comme le rayon de l'atome d'hydrogène est très petit, il attire plus fortement l'atome d'oxygène vers lui et la liaison entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène sera plus forte qu'entre les atomes de sodium et d'oxygène. L'hydroxyde d'aluminium Al(OH)3 présente des propriétés amphotères.

Dans l'acide perchlorique HclO 4, l'atome de chlore avec une charge positive relativement importante est plus fortement lié à l'atome d'oxygène et repousse plus fortement l'atome d'hydrogène avec 6+. La dissociation se déroule selon le type d'acide.

Les principales directions dans le développement de la théorie de la structure des composés chimiques et sa signification

À l'époque de A. M. Butlerov, les formules empiriques (moléculaires) et structurelles étaient largement utilisées en chimie organique. Ces derniers reflètent l'ordre de connexion des atomes dans une molécule selon leur valence, qui est indiquée par des tirets.

Pour faciliter l'enregistrement, des formules structurelles abrégées sont souvent utilisées, dans lesquelles seules les liaisons entre les atomes de carbone ou de carbone et d'oxygène sont indiquées par des tirets.

Formules structurelles abrégées

Puis, avec le développement des connaissances sur la nature de la liaison chimique et l'influence de la structure électronique des molécules de substances organiques sur leurs propriétés, ils ont commencé à utiliser des formules électroniques dans lesquelles la liaison covalente est classiquement désignée par deux points. Dans de telles formules, la direction de déplacement des paires d'électrons dans une molécule est souvent indiquée.

C'est la structure électronique des substances qui explique les effets mésomères et d'induction.

L'effet inductif est le déplacement de paires d'électrons de liaisons gamma d'un atome à un autre en raison de leur électronégativité différente. Noté (->).

L'effet d'induction d'un atome (ou d'un groupe d'atomes) est négatif (-/), si cet atome a une forte électronégativité (halogènes, oxygène, azote), attire les électrons de la liaison gamma et acquiert une charge partiellement négative. Un atome (ou groupe d'atomes) a un effet inductif positif (+/) s'il repousse les électrons des liaisons gamma. Cette propriété est possédée par certains radicaux limitants C2H5). Rappelez-vous la règle de Markovnikov sur la façon dont l'hydrogène et un halogène d'un halogénure d'hydrogène sont ajoutés aux alcènes (propène) et vous comprendrez que cette règle est d'une nature particulière. Comparez ces deux exemples d'équations de réaction :

[[Théorie_des_composés_chimiques_A._M._Butlerov| ]]

Dans les molécules de substances individuelles, les effets d'induction et mésomères se manifestent simultanément. Dans ce cas, soit ils se renforcent (dans les aldéhydes, les acides carboxyliques), soit ils s'affaiblissent mutuellement (dans le chlorure de vinyle).

Le résultat de l'influence mutuelle des atomes dans les molécules est la redistribution de la densité électronique.

L'idée de la direction spatiale des liaisons chimiques a été exprimée pour la première fois par le chimiste français J. A. Le Bel et le chimiste néerlandais J. X. Van't Hoff en 1874. Les hypothèses des scientifiques ont été pleinement confirmées par la chimie quantique. Les propriétés des substances sont considérablement affectées par la structure spatiale de leurs molécules. Par exemple, nous avons déjà donné les formules des isomères cis et trans du butène-2, qui diffèrent par leurs propriétés (voir Fig. 16).

L'énergie moyenne de liaison qui doit être rompue lors du passage d'une forme à une autre est d'environ 270 kJ/mol ; il n'y a pas autant d'énergie à température ambiante. Pour la transition mutuelle des formes butène-2 ​​de l'une à l'autre, il est nécessaire de rompre une liaison covalente et d'en former une autre à la place. En d'autres termes, ce processus est un exemple de réaction chimique, et les deux formes de butène-2 considérées sont des composés chimiques différents.

Vous vous souvenez évidemment que le problème le plus important dans la synthèse du caoutchouc était d'obtenir du caoutchouc stéréorégulier. Il était nécessaire de créer un polymère dans lequel les unités structurelles seraient disposées dans un ordre strict (le caoutchouc naturel, par exemple, ne se compose que d'unités cis), car une propriété aussi importante du caoutchouc que son élasticité en dépend.

La chimie organique moderne distingue deux grands types d'isomérie : structurale (isomérie des chaînes, isomérie de la position des liaisons multiples, isomérie des séries homologues, isomérie de la position des groupes fonctionnels) et stéréoisomérie (géométrique, ou cis-trans-isomérie, optique, ou miroir, isomérie).

Ainsi, vous avez pu vous assurer que la deuxième position de la théorie de la structure chimique, clairement formulée par A. M. Butlerov, était incomplète. D'un point de vue moderne, cette disposition nécessite des ajouts :
les propriétés des substances dépendent non seulement de leur composition qualitative et quantitative, mais aussi de leur :

Chimique,

électronique,

Structure spatiale.

La création de la théorie de la structure des substances a joué rôle essentiel dans le développement de la chimie organique. D'une science à prédominance descriptive, elle se mue en une science créatrice, synthétisante ; il devient possible de juger de l'influence mutuelle des atomes dans les molécules de diverses substances (voir tableau 10). La théorie de la structure a créé les conditions préalables pour expliquer et prédire diverses sortes isomérie molécules organiques, ainsi que les directions et les mécanismes des réactions chimiques.

Sur la base de cette théorie, les chimistes organiques créent des substances qui non seulement remplacent les substances naturelles, mais les surpassent considérablement dans leurs propriétés. Ainsi, les colorants synthétiques sont bien meilleurs et moins chers que de nombreux colorants naturels, par exemple l'alizarine et l'indigo connus dans l'Antiquité. Les caoutchoucs synthétiques sont produits en grandes quantités avec une grande variété de propriétés. Les plastiques et les fibres sont largement utilisés, dont les produits sont utilisés dans l'ingénierie, la vie quotidienne, la médecine et l'agriculture.

La valeur de la théorie de la structure chimique de A. M. Butlerov pour la chimie organique peut être comparée à la valeur de la loi périodique et du système périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleev pour chimie inorganique. Ce n'est pas pour rien que les deux théories ont tant en commun dans les voies de leur formation, leurs directions de développement et leur signification scientifique générale. Cependant, dans l'histoire de tout autre chef de file théorie scientifique(théorie de Ch. Darwin, génétique, théorie quantique, etc.) on peut trouver de telles étapes générales.

1. Établir des parallèles entre les deux principales théories de la chimie - la loi périodique et le tableau périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleev et la théorie de la structure chimique des composés organiques de A. M. Butlerov selon les fonctionnalités suivantes: communs dans les prérequis, communs dans les directions de leur développement, communs dans le rôle pronostique.

2. Quel rôle la théorie de la structure des composés chimiques a-t-elle joué dans la formation de la loi périodique ?

3. Quels exemples tirés de la chimie inorganique confirment l'universalité de chacune des dispositions de la théorie de la structure des composés chimiques ?

4. L'acide phosphoreux H3PO3 fait référence aux acides dibasiques. Proposez sa formule structurelle et considérez l'influence mutuelle des atomes dans la molécule de cet acide.

5. Écrivez les isomères ayant la composition С3Н8O. Nommez-les selon la nomenclature systématique. Déterminer les types d'isomérie.

6. Connu les formules suivantes hydrates cristallins de chlorure de chrome(III) : [Cr(H20)6]Cl3 ; [Cr(H20)5Cl]Cl2H20; [Cr(H20)4 * C12]Cl2H2O. Comment appelleriez-vous ce phénomène ?

Comment la science a pris forme au début du XIXe siècle, lorsque le scientifique suédois J. J. Berzelius a introduit pour la première fois le concept de substances organiques et de chimie organique. La première théorie en chimie organique est la théorie des radicaux. Les chimistes ont découvert que lors des transformations chimiques, des groupes de plusieurs atomes passent inchangés d'une molécule d'une substance à une molécule d'une autre substance, tout comme les atomes des éléments passent de molécule en molécule. Ces groupes d'atomes "immuables" sont appelés radicaux.

Cependant, tous les scientifiques n'étaient pas d'accord avec la théorie des radicaux. Beaucoup ont généralement rejeté l'idée d'atomisme - l'idée de la structure complexe de la molécule et de l'existence de l'atome en tant que partie constituante. Ce qui est indéniablement prouvé de nos jours et ne suscite pas le moindre doute, au XIXème siècle. a fait l'objet d'une polémique féroce.

Contenu de la leçon résumé de la leçon support cadre leçon présentation méthodes accélératrices technologies interactives Pratique tâches et exercices auto-examen ateliers, formations, cas, quêtes devoirs questions de discussion questions rhétoriques des élèves Illustrations audio, clips vidéo et multimédia photographies, images graphiques, tableaux, schémas humoristiques, anecdotes, blagues, paraboles BD, dictons, mots croisés, citations Modules complémentaires résumés articles puces pour les curieux aide-mémoire manuels glossaire de base et supplémentaire des termes autre Améliorer les manuels et les courscorriger les erreurs dans le manuel mise à jour d'un fragment dans le manuel éléments d'innovation dans la leçon remplacement des connaissances obsolètes par de nouvelles Uniquement pour les enseignants leçons parfaites plan de calendrier pour un an des lignes directrices programmes de discussion Leçons intégrées

Tout comme en chimie inorganique, la base théorique fondamentale est la loi périodique et le système périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleev, de même en chimie organique, la principale base scientifique est la théorie de la structure des composés organiques de Butlerov-Kekule-Cooper.

Comme toute autre théorie scientifique, la théorie de la structure des composés organiques est le résultat d'une généralisation du matériel factuel le plus riche accumulé par la chimie organique, qui a pris forme en tant que science au début du XIXe siècle. De plus en plus de nouveaux composés carbonés ont été découverts, dont le nombre a augmenté comme une avalanche (tableau 1).

Tableau 1
Nombre de composés organiques connus à différentes années

Expliquez cette variété de composés organiques scientifiques début XIX dans. ne pouvait pas. Encore plus de questions ont été soulevées par le phénomène de l'isomérie.

Par exemple, l'alcool éthylique et l'éther diméthylique sont des isomères : ces substances ont la même composition C 2 H 6 O, mais une structure différente, c'est-à-dire un ordre différent de connexion des atomes dans les molécules, et donc des propriétés différentes.

F. Wöhler, que vous connaissez déjà, dans une de ses lettres à J. J. Berzelius, décrivait ainsi la chimie organique : « La chimie organique peut maintenant rendre fou n'importe qui. Cela me semble une forêt dense, pleine de choses étonnantes, un bosquet sans fin d'où vous ne pouvez pas sortir, où vous n'osez pas pénétrer ... "

Le développement de la chimie a été fortement influencé par les travaux du scientifique anglais E. Frankland, qui, s'appuyant sur les idées de l'atomisme, a introduit le concept de valence (1853).

Dans la molécule d'hydrogène H 2, un produit chimique covalent est formé Connexion H-H, c'est-à-dire que l'hydrogène est monovalent. La valence d'un élément chimique peut être exprimée par le nombre d'atomes d'hydrogène qu'un atome d'un élément chimique se fixe ou remplace. Par exemple, le soufre dans le sulfure d'hydrogène et l'oxygène dans l'eau sont divalents : H 2 S, ou H-S-H, H 2 O ou H-O-H, et l'azote dans l'ammoniac est trivalent :

En chimie organique, le concept de "valence" est analogue au concept d'"état d'oxydation", avec lequel vous avez l'habitude de travailler dans le cours de chimie inorganique à l'école primaire. Cependant, ce ne sont pas les mêmes. Par exemple, dans une molécule d'azote N 2, l'état d'oxydation de l'azote est nul et la valence est de trois :

Dans le peroxyde d'hydrogène H 2 O 2, l'état d'oxydation de l'oxygène est -1 et la valence est de deux :

Dans l'ion ammonium NH + 4, l'état d'oxydation de l'azote est -3 et la valence est quatre :

Habituellement, en ce qui concerne les composés ioniques (chlorure de sodium NaCl et de nombreuses autres substances inorganiques à liaison ionique), le terme «valence» des atomes n'est pas utilisé, mais leur état d'oxydation est pris en compte. Par conséquent, en chimie inorganique, où la plupart des substances ont une structure non moléculaire, il est préférable d'utiliser le concept d '«état d'oxydation», et en chimie organique, où la plupart des composés ont une structure moléculaire, en règle générale, utilisez le concept de "valence".

La théorie de la structure chimique est le résultat d'une généralisation des idées d'éminents scientifiques organiques de trois pays européens: l'Allemand F. Kekule, l'Anglais A. Cooper et le Russe A. Butlerov.

En 1857, F. Kekule a classé le carbone comme élément tétravalent, et en 1858, avec A. Cooper, il a noté que les atomes de carbone peuvent se combiner les uns aux autres dans diverses chaînes : linéaires, ramifiées et fermées (cycliques).

Les travaux de F. Kekule et A. Cooper ont servi de base au développement d'une théorie scientifique expliquant le phénomène d'isomérie, la relation entre la composition, la structure et les propriétés des molécules de composés organiques. Une telle théorie a été créée par le scientifique russe A. M. Butlerov. C'est son esprit curieux qui « a osé pénétrer » la « forêt dense » de la chimie organique et amorcer la transformation de ce « fourré sans limites » en un parc régulier inondé de soleil avec un système de sentiers et d'allées. Les idées principales de cette théorie ont été exprimées pour la première fois par A. M. Butlerov en 1861 lors du congrès des naturalistes et médecins allemands à Speyer.

Formulez brièvement les principales dispositions et conséquences de la théorie Butlerov-Kekule-Cooper de la structure des composés organiques comme suit.

1. Les atomes dans les molécules des substances sont connectés dans un certain ordre en fonction de leur valence. Le carbone dans les composés organiques est toujours tétravalent et ses atomes sont capables de se combiner entre eux pour former diverses chaînes (linéaires, ramifiées et cycliques).

Les composés organiques peuvent être disposés en séries de substances similaires dans la composition, la structure et les propriétés - séries homologues.

Butlerov Alexandre Mikhaïlovitch (1828-1886), chimiste russe, professeur à l'Université de Kazan (1857-1868), de 1869 à 1885 - professeur à l'Université de Saint-Pétersbourg. Académicien de l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg (depuis 1874). Créateur de la théorie de la structure chimique des composés organiques (1861). Prédit et étudié l'isomérie de nombreux composés organiques. Synthétisé de nombreuses substances.

Par exemple, le méthane CH 4 est l'ancêtre de la série homologue des hydrocarbures saturés (alcanes). Son homologue le plus proche est l'éthane C 2 H 6, ou CH 3 -CH 3. Les deux membres suivants de la série homologue du méthane sont le propane C 3 H 8, ou CH 3 -CH 2 -CH 3, et le butane C 4 H 10, ou CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, etc.

Il est facile de voir que pour les séries homologues, on peut dériver une formule générale de la série. Ainsi, pour les alcanes, cette formule générale est C n H 2n + 2.

2. Les propriétés des substances dépendent non seulement de leur composition qualitative et quantitative, mais aussi de la structure de leurs molécules.

Cette position de la théorie de la structure des composés organiques explique le phénomène d'isomérie. Évidemment, pour le butane C 4 H 10, en plus de la molécule structure linéaire CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, une structure ramifiée est également possible :

Il s'agit d'une substance complètement nouvelle avec ses propres propriétés individuelles, différentes de celles du butane linéaire.

Le butane, dans la molécule dont les atomes sont disposés sous la forme d'une chaîne linéaire, est appelé butane normal (n-butane) et le butane, dont la chaîne d'atomes de carbone est ramifiée, est appelé isobutane.

Il existe deux principaux types d'isomérie - structurelle et spatiale.

Conformément à la classification acceptée, on distingue trois types d'isomérie structurelle.

Isomérie du squelette carboné. Les composés diffèrent dans l'ordre des liaisons carbone-carbone, par exemple, le n-butane et l'isobutane considérés. C'est ce type d'isomérie qui est caractéristique des alcanes.

Isomérie de la position d'une liaison multiple (C=C, C=C) ou d'un groupe fonctionnel (c'est-à-dire un groupe d'atomes qui détermine si un composé appartient à une classe particulière de composés organiques), par exemple :

Isomérie interclasse. Les isomères de ce type d'isomérie appartiennent à différentes classes de composés organiques, par exemple, l'alcool éthylique (la classe des alcools monohydriques saturés) et l'éther diméthylique (la classe des éthers) discutés ci-dessus.

Il existe deux types d'isomérie spatiale : géométrique et optique.

L'isomérie géométrique est caractéristique, tout d'abord, des composés à double liaison carbone-carbone, puisque la molécule a une structure plane au site d'une telle liaison (Fig. 6).

Riz. 6.
Modèle de la molécule d'éthylène

Par exemple, pour le butène-2, si les mêmes groupes d'atomes au niveau des atomes de carbone dans la double liaison sont du même côté du plan de liaison C = C, alors la molécule est un cisisomère, si sur les côtés opposés c'est un transisomère .

L'isomérie optique est possédée, par exemple, par des substances dont les molécules ont un atome de carbone asymétrique, ou chiral, lié à quatre divers députés. Les isomères optiques sont des images miroir l'un de l'autre, comme deux paumes, et ne sont pas compatibles. (Maintenant, évidemment, le deuxième nom de ce type d'isomérie est devenu clair pour vous: chiros grec - main - un échantillon d'une figure asymétrique.) Par exemple, sous la forme de deux isomères optiques, il y a 2-hydroxypropanoïque (lactique ) acide contenant un atome de carbone asymétrique.

Les molécules chirales ont des paires d'isomères, dans lesquelles les molécules d'isomères sont liées les unes aux autres dans leur organisation spatiale de la même manière qu'un objet et son image miroir sont liées les unes aux autres. Une paire de tels isomères a toujours les mêmes propriétés chimiques et physiques, à l'exception de l'activité optique : si un isomère fait tourner le plan de la lumière polarisée dans le sens des aiguilles d'une montre, alors l'autre nécessairement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le premier isomère est appelé dextrogyre et le second est appelé lévogyre.

L'importance de l'isomérie optique dans l'organisation de la vie sur notre planète est très grande, car les isomères optiques peuvent différer considérablement tant par leur activité biologique que par leur compatibilité avec d'autres composés naturels.

3. Les atomes des molécules des substances s'influencent mutuellement. Vous examinerez l'influence mutuelle des atomes dans les molécules de composés organiques dans la suite de l'étude du cours.

La théorie moderne de la structure des composés organiques est basée non seulement sur la structure chimique, mais également sur la structure électronique et spatiale des substances, qui est considérée en détail au niveau du profil de l'étude de la chimie.

Plusieurs types de formules chimiques sont largement utilisés en chimie organique.

La formule moléculaire reflète la composition qualitative du composé, c'est-à-dire qu'elle indique le nombre d'atomes de chacun des éléments chimiques qui forment la molécule de la substance. Par exemple, la formule moléculaire du propane est C 3 H 8 .

La formule structurelle reflète l'ordre de connexion des atomes dans une molécule en fonction de la valence. La formule structurale du propane est :

Souvent, il n'est pas nécessaire de décrire en détail les liaisons chimiques entre les atomes de carbone et d'hydrogène. Par conséquent, dans la plupart des cas, des formules structurelles abrégées sont utilisées. Pour le propane, une telle formule s'écrit comme suit : CH 3 -CH 2 -CH 3.

La structure des molécules de composés organiques est reflétée à l'aide de divers modèles. Les plus connus sont les modèles volumétriques (échelle) et boule-et-bâton (Fig. 7).

Riz. sept.
Modèles de la molécule d'éthane :
1 - balle et bâton ; 2 - échelle

Nouveaux mots et concepts

1. Isomérie, isomères.
2. Valence.
3. Structure chimique.
4. Théorie de la structure des composés organiques.
5. Série homologique et différence homologique.
6. Formules moléculaires et structurelles.
7. Modèles de molécules : volumétrique (échelle) et sphérique.

Questions et tâches

1. Qu'est-ce que la valence ? Quelle est la différence avec l'état d'oxydation ? Donner des exemples de substances dans lesquelles les valeurs de l'état d'oxydation et de la valence des atomes sont numériquement identiques et différentes,
2. Déterminer la valence et l'état d'oxydation des atomes dans les substances dont les formules sont Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
3. Qu'est-ce que l'isomérie ? isomères ?
4. Qu'est-ce que l'homologie ; homologues ?
5. Comment, en utilisant la connaissance de l'isomérie et de l'homologie, expliquer la diversité des composés carbonés ?
6. Qu'entend-on par structure chimique des molécules de composés organiques ? Formuler la position de la théorie de la structure, qui explique la différence dans les propriétés des isomères Formuler la position de la théorie de la structure, qui explique la variété des composés organiques.
7. Quelle contribution chacun des scientifiques - les fondateurs de la théorie de la structure chimique - a-t-il apportée à cette théorie ? Pourquoi la contribution du chimiste russe a-t-elle joué un rôle de premier plan dans la formation de cette théorie ?
8. Il est possible qu'il existe trois isomères de la composition C 5 H 12. Notez leurs formules développées complètes et abrégées,
9. Selon le modèle de la molécule de substance présenté à la fin du paragraphe (voir Fig. 7), composez ses formules moléculaires et structurelles abrégées.
10. Calculez la fraction massique de carbone dans les molécules des quatre premiers membres de la série homologue des alcanes.