Teorija A.M. Butlerov

1. Atomi u molekulama međusobno su povezani u određenom slijedu kemijskim vezama u skladu s njihovom valencijom. Redoslijed vezanja atoma naziva se njihova kemijska struktura. Ugljik u svim organskim spojevima je četverovalentan.

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

3. Atomi ili skupine atoma međusobno utječu jedni na druge, o čemu ovisi reaktivnost molekule.

4. Struktura molekula može se utvrditi na temelju proučavanja njihovih kemijskih svojstava.

Organski spojevi imaju broj karakteristične značajke po čemu se razlikuju od anorganskih. Gotovo svi (s rijetkim iznimkama) su zapaljivi; većina organski spojevi ne disocira na ione, što je posljedica prirode kovalentne veze u organskim tvarima. Ionski tip veze ostvaruje se samo u solima organskih kiselina, na primjer, CH3COONa.

homologni niz je beskonačan niz organskih spojeva koji imaju sličnu strukturu i, stoga, slični Kemijska svojstva a međusobno se razlikuju po bilo kojem broju CH2– skupina (homologna razlika).

Još prije stvaranja teorije strukture bile su poznate tvari istog elementarnog sastava, ali s različitim svojstvima. Takve tvari su nazvane izomeri, a sam taj fenomen nazvan je izomerizam.

U srcu izomerizma, kao što je pokazao A.M. Butlerov, leži razlika u strukturi molekula koje se sastoje od istog skupa atoma.

izomerija- ovo je fenomen postojanja spojeva koji imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav, ali različitu strukturu i, posljedično, različita svojstva.

Postoje 2 vrste izomerizma: strukturni izomerija i prostorna izomerija.

Strukturni izomerizam

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

Prostorni izomerizam

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 izomerizam

sastoji se u mogućnosti raspoređivanja supstituenata jedan po jedan ili po različite strane ravnina dvostruke veze ili nearomatski prsten.In cis izomeri supstituenti su na istoj strani ravnine 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.

Optička izomerija

Pojavljuje se kada ugljik ima četiri različita supstituenta.
Ako se bilo koja dva od njih izmijene, dobije se drugi prostorni izomer istog sastava. Fizikalno-kemijska svojstva takvih izomera značajno se razlikuju. Spojevi ove vrste razlikuju se po svojoj sposobnosti da za određenu količinu rotiraju ravninu polarizirane svjetlosti koja prolazi kroz otopinu takvih spojeva. U tom slučaju jedan izomer rotira ravninu polarizirane svjetlosti u jednom smjeru, a njegov izomer u suprotnom smjeru. Zbog takvih optičkih učinaka ovakva izomerija se naziva optička izomerija.

Glavne odredbe teorije kemijske strukture A.M. Butlerov

1. Atomi u molekulama međusobno su povezani određenim slijedom prema svojim valencijama. Slijed međuatomskih veza u molekuli naziva se njezina kemijska struktura i odražava se jednom strukturnom formulom (strukturna formula).

2. Kemijska struktura se može utvrditi kemijskim metodama. (Trenutno se koriste i suvremene fizikalne metode).

3. Svojstva tvari ovise o njihovoj kemijskoj strukturi.

4. Po svojstvima dane tvari možete odrediti strukturu njezine molekule, a po strukturi molekule možete predvidjeti svojstva.

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

Butlerovljeva teorija bila je znanstveni temelj organske kemije i pridonijela je njezinu brzom razvoju. Na temelju odredbi teorije, A.M. Butlerov je dao objašnjenje za fenomen izomerizma, predvidio postojanje različitih izomera, a neke od njih dobio po prvi put.

Razvoj teorije strukture olakšan je radom Kekulea, Kolbea, Coopera i van't Hoffa. Međutim, njihove teorijske pozicije nisu nosile Općenito a služio je uglavnom u svrhu objašnjavanja eksperimentalnog materijala.

2. Strukturne formule

Formula strukture (strukturna formula) opisuje red povezanosti atoma u molekuli, t.j. njegovu kemijsku strukturu. Kemijske veze u strukturnoj formuli prikazane su crticama. Veza između vodika i drugih atoma obično nije naznačena (takve se formule nazivaju skraćenim strukturnim formulama).

Na primjer, pune (proširene) i skraćene strukturne formule n-butana C4H10 su:

Drugi primjer su formule izobutana.

Često se koristi i više kratki unos formule kada ne predstavljaju samo veze s atomom vodika, već i simbole atoma ugljika i vodika. Na primjer, struktura benzena C6H6 odražava se formulama:

Strukturne formule razlikuju se od molekularnih (bruto) formula, koje pokazuju samo koji su elementi i u kojem omjeru uključeni u sastav tvari (tj. kvalitativni i kvantitativni elementarni sastav), ali ne odražavaju redoslijed vezanja atoma.

Na primjer, n-butan i izobutan imaju istu molekularnu formulu C4H10, ali različit slijed veze.

Dakle, razlika u tvarima nije samo zbog različitog kvalitativnog i kvantitativnog sastava elemenata, već i zbog različitih kemijskih struktura, što se može odraziti samo u strukturnim formulama.

3. Pojam izomerizma

Još prije stvaranja teorije strukture bile su poznate tvari istog elementarnog sastava, ali s različitim svojstvima. Takve tvari su nazvane izomeri, a sam taj fenomen nazvan je izomerizam.

U srcu izomerizma, kao što je pokazao A.M. Butlerov, leži razlika u strukturi molekula koje se sastoje od istog skupa atoma. Tako,

izomerija je fenomen postojanja spojeva koji imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav, ali različitu strukturu i, posljedično, različita svojstva.

Na primjer, kada molekula sadrži 4 atoma ugljika i 10 atoma vodika, moguće je postojanje 2 izomerna spoja:

Ovisno o prirodi razlika u strukturi izomera, razlikuje se strukturni i prostorni izomerizam.

4. Strukturni izomeri

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

Na primjer, sastav C5H12 odgovara 3 strukturna izomera:

Još jedan primjer:

5. Stereoizomeri

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 (kuglice različitih boja predstavljaju različite atome ili atomske skupine):

Molekule takvih izomera su prostorno nekompatibilne.

Stereoizomerizam igra važnu ulogu u organskoj kemiji. Ova pitanja će se detaljnije razmotriti pri proučavanju spojeva pojedinih razreda.

6. Elektronički prikazi u organskoj kemiji

Primjena elektronske teorije strukture atoma i kemijske veze u organskoj kemiji bila je jedna od najvažnijih faza u razvoju teorije strukture organskih spojeva. Koncept kemijske strukture kao slijeda veza između atoma (A.M. Butlerov) dopunjen je elektroničkom teorijom s idejama o elektroničkoj i prostornoj strukturi i njihovom utjecaju na svojstva organskih spojeva. Upravo ti prikazi omogućuju razumijevanje načina prijenosa međusobnog utjecaja atoma u molekulama (elektronički i prostorni učinci) i ponašanja molekula u kemijskim reakcijama.

Prema modernim idejama, svojstva organskih spojeva određena su:

priroda i elektronska struktura atoma;

vrsta atomskih orbitala i priroda njihove interakcije;

vrsta kemijskih veza;

kemijska, elektronska i prostorna struktura molekula.

7. Svojstva elektrona

Elektron ima dvojaku prirodu. U različitim eksperimentima može pokazati svojstva i čestica i valova. Gibanje elektrona pokorava se zakonima kvantne mehanike. Veza između valnih i korpuskularnih svojstava elektrona odražava de Broglieovu relaciju.

Energija i koordinate elektrona, kao i drugih elementarnih čestica, ne mogu se istodobno mjeriti s istom točnošću (Heisenbergov princip nesigurnosti). Stoga se gibanje elektrona u atomu ili molekuli ne može opisati pomoću putanje. Elektron može biti u bilo kojoj točki u prostoru, ali s različitim vjerojatnostima.

Dio prostora u kojem je velika vjerojatnost pronalaska elektrona naziva se orbitala ili oblak elektrona.

Na primjer:

8. Atomske orbitale

Atomska orbitala (AO) - područje najvjerojatnijeg boravka elektrona (elektronski oblak) u električnom polju atomske jezgre.

Položaj elementa u Periodnom sustavu određuje vrstu orbitala njegovih atoma (s-, p-, d-, f-AO itd.), koje se razlikuju po energiji, obliku, veličini i prostornoj orijentaciji.

Elemente 1. perioda (H, He) karakterizira jedan AO - 1s.

U elementima 2. perioda, elektroni zauzimaju pet AO na dvije energetske razine: prva razina je 1s; druga razina - 2s, 2px, 2py, 2pz. (brojevi označavaju broj energetske razine, slova označavaju oblik orbitale).

Stanje elektrona u atomu u potpunosti je opisano kvantnim brojevima.

Vrsta vodika:

Takve formule donekle su slične modernim. No, pristaše teorije tipova nisu smatrali da one odražavaju stvarnu strukturu tvari i napisali su mnogo različitih formula za jedan spoj, ovisno o kemijskim reakcijama koje su pokušali napisati koristeći te formule. Smatrali su da je struktura molekula u osnovi nespoznatljiva, što je štetilo razvoju znanosti.

3. Uvođenje J. Berzeliusa 1830. pojma "izomerizam" za fenomen postojanja tvari istog sastava s različitim svojstvima.

4. Uspjesi u sintezi organskih spojeva, uslijed kojih je raspršena doktrina vitalizma, odnosno "životne sile", pod utjecajem koje navodno nastaju organske tvari u tijelu živih bića:

F. Wehler je 1828. sintetizirao ureu iz anorganske tvari (amonijev cijanat);

Godine 1842. ruski kemičar N. N. Zinin primio je anilin;

1845. njemački kemičar A. Kolbe sintetizirao je octenu kiselinu;

Godine 1854. francuski kemičar M. Berthelot sintetizirao je masti i, konačno,

Godine 1861. sam A. M. Butlerov sintetizirao je tvar nalik šećeru.

5. Sredinom XVIII stoljeća. kemija postaje rigoroznija znanost. Kao rezultat rada E. Franklanda i A. Kekulea, uspostavljen je koncept valencije atoma kemijskih elemenata. Kekule je razvio koncept tetravalencije ugljika. Zahvaljujući Cannizzarovim djelima, koncepti atomske i molekularne mase postali su jasniji, njihova su značenja i metode određivanja pročišćene.

Godine 1860. više od 140 vodećih kemičara iz različite zemlje Europa se okupila na međunarodnom kongresu u Karlsruheu. Kongres je postao vrlo važan događaj u povijesti kemije: sažeti su uspjesi znanosti i stvoreni uvjeti za novu etapu u razvoju organske kemije - pojavu teorije kemijske strukture organskih tvari A. M. Butlerova (1861.), kao i za temeljno otkriće D. I. Mendeljejeva - periodični zakon i sustavi kemijskih elemenata (1869.).

Godine 1861. A. M. Butlerov je govorio na kongresu liječnika i prirodoslovaca u gradu Speyeru s izvještajem "O kemijskoj strukturi tijela". U njemu je iznio temelje svoje teorije o kemijskoj strukturi organskih spojeva. Pod kemijskom strukturom znanstvenik je shvatio redoslijed povezivanja atoma u molekulama.

Osobne kvalitete A. M. Butlerova

A. M. Butlerov se odlikovao enciklopedijskom prirodom kemijskog znanja, sposobnošću analiziranja i generaliziranja činjenica te predviđanja. Predvidio je postojanje izomera butana, a zatim ga i dobio, kao i izomera butilena – izobutilena.

Butlerov Aleksandar Mihajlovič (1828-1886)

Ruski kemičar, akademik Petrogradske akademije znanosti (od 1874). Diplomirao na Kazanskom sveučilištu (1849). Ondje je radio (od 1857. - profesor, 1860. i 1863. - rektor). Tvorac teorije kemijske strukture organskih spojeva, koja je u osnovi moderne kemije. Potkrijepio ideju o međusobnom utjecaju atoma u molekuli. Predvidio je i objasnio izomeriju mnogih organskih spojeva. Napisao "Uvod u cjeloviti studij organske kemije" (1864.) - prvi priručnik u povijesti znanosti koji se temelji na teoriji kemijske strukture. Predsjednik Katedre za kemiju Ruskog fizičko-kemijskog društva (1878-1882).

A. M. Butlerov stvorio je prvu školu organskih kemičara u Rusiji, iz koje su proizašli sjajni znanstvenici: V. V. Markovnikov, D. P. Konovalov, A. E. Favorsky i drugi.

Nije ni čudo da je D. I. Mendeljejev napisao: „A. M. Butlerov je jedan od najvećih ruskih znanstvenika, on je Rus i po znanstvenoj naobrazbi i po originalnosti svojih radova.”

Glavne odredbe teorije strukture kemijskih spojeva

Teoriju o kemijskoj strukturi organskih spojeva, koju je iznio A. M. Butlerov u drugoj polovici prošlog stoljeća (1861.), potvrdili su radovi mnogih znanstvenika, uključujući Butlerovljeve učenike i njega samog. Pokazalo se da je na temelju njega moguće objasniti mnoge pojave koje do tada nisu imale tumačenje: izomerija, homologija, očitovanje tetravalencije ugljikovim atomima u organskim tvarima. Teorija je također ispunila svoju prognostičku funkciju: na njezinoj osnovi znanstvenici su predvidjeli postojanje još uvijek nepoznatih spojeva, opisali svojstva i otkrili ih.

Dakle, 1862-1864. A. M. Butlerov je razmatrao izomeriju propil, butil i amil alkohola, odredio broj mogućih izomera i izveo formule tih tvari. Njihovo postojanje kasnije je eksperimentalno dokazano, a neke od izomera sintetizirao je i sam Butlerov.

Tijekom XX stoljeća. odredbe teorije kemijske strukture kemijskih spojeva razvijene su na temelju novih pogleda koji su se proširili u znanosti: teorije strukture atoma, teorije kemijske veze, ideja o mehanizmima kemijskih reakcija. Trenutno ova teorija ima univerzalni karakter, odnosno vrijedi ne samo za organske tvari, već i za anorganske.

Prva pozicija. Atomi u molekulama povezani su određenim redoslijedom u skladu s njihovom valencijom. Ugljik u svim organskim i većini anorganskih spojeva je četverovalentan.

Očito je da se posljednji dio prve odredbe teorije lako može objasniti činjenicom da su atomi ugljika u spojevima u pobuđenom stanju:

a) četverovalentni ugljikovi atomi mogu se kombinirati jedni s drugima, tvoreći različite lance:

otvoren razgranat
- otvoren nerazgranat
- zatvoreno

b) redoslijed povezivanja ugljikovih atoma u molekulama može biti različit i ovisi o vrsti kovalentne kemijske veze između ugljikovih atoma – jednostruke ili višestruke (dvostruke i trostruke).

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

Ova pozicija objašnjava fenomen izomerizma. Tvari koje imaju isti sastav, ali različitu kemijsku ili prostornu strukturu, a time i različita svojstva, nazivaju se izomeri. Glavne vrste izomerizma:

Strukturni izomerizam, u kojem se tvari razlikuju po redoslijedu vezanja atoma u molekulama:

1) izomerija ugljikovog kostura

3) izomerizam homolognih nizova (međuklasa)

Prostorni izomerizam, u kojem se molekule tvari razlikuju ne po redoslijedu vezanja atoma, već po položaju u prostoru: cis-trans-izomerizam (geometrijski).

Ovaj izomerizam je tipičan za tvari čije molekule imaju planarnu strukturu: alkene, cikloalkane itd.

Optička (zrcalna) izomerija također spada u prostornu izomeriju.

Četiri jednostruke veze oko atoma ugljika, kao što već znate, raspoređene su tetraedaralno. Ako je atom ugljika vezan za četiri različita atoma ili skupine, tada je moguć drugačiji raspored tih skupina u prostoru, odnosno dva prostorna izomerna oblika.

Dva zrcalna oblika aminokiseline alanina (2-aminopropanoična kiselina) prikazana su na slici 17.

Zamislite da je molekula alanina postavljena ispred zrcala. Skupina -NH2 je bliža zrcalu, pa će biti ispred u refleksiji, a -COOH grupa će biti u pozadini itd. (vidi sliku desno). Alanya postoji u dva prostorna oblika, koji se, kada su postavljeni, ne kombiniraju jedan s drugim.

Univerzalnost drugog stava teorije strukture kemijskih spojeva potvrđuje postojanje anorganskih izomera.

Dakle, prva od sinteza organskih tvari - sinteza uree, koju je proveo Wehler (1828), pokazala je da su anorganska tvar - amonijev cijanat i organska tvar - urea izomerne:

Zamijenite li atom kisika u urei atomom sumpora, dobivate tioureu, koja je izomerna za amonijev tiocijanat, dobro poznati reagens za Fe 3+ ione. Očito, tiourea ne daje ovu kvalitativnu reakciju.

Treća pozicija. Svojstva tvari ovise o međusobnom utjecaju atoma u molekulama.

Na primjer, u octenoj kiselini samo jedan od četiri atoma vodika reagira s lužinom. Na temelju toga može se pretpostaviti da je samo jedan atom vodika vezan za kisik:

S druge strane, iz strukturne formule octene kiseline može se zaključiti da ona sadrži jedan mobilni atom vodika, odnosno da je jednobazna.

Kako bismo provjerili univerzalnost stajališta teorije strukture o ovisnosti svojstava tvari o međusobnom utjecaju atoma u molekulama, koji postoji ne samo u organskim, već i u anorganskim spojevima, uspoređujemo svojstva atoma vodika u vodikovi spojevi nemetala. Imaju molekularnu strukturu i u normalnim uvjetima su plinovi ili hlapljive tekućine. Ovisno o položaju nemetala u periodnom sustavu D. I. Mendelejeva, može se identificirati obrazac u promjeni svojstava takvih spojeva:

Metan ne stupa u interakciju s vodom. Nedostatak osnovnih svojstava metana objašnjava se zasićenošću valentnih sposobnosti atoma ugljika.

Amonijak pokazuje osnovna svojstva. Njegova molekula je sposobna vezati vodikov ion na sebe zbog svoje privlačnosti prema usamljenom elektronskom paru atoma dušika (mehanizam stvaranja veze donor-akceptor).

U fosfinu PH3 osnovna svojstva su slabo izražena, što je povezano s polumjerom atoma fosfora. Mnogo je veći od polumjera atoma dušika, pa atom fosfora slabije privlači atom vodika k sebi.

U razdobljima s lijeva na desno povećavaju se naboji jezgri atoma, smanjuju se radijusi atoma, povećava se odbojna sila atoma vodika s djelomičnim pozitivnim nabojem g +, a time i kisela svojstva vodikovih spojeva nemetala. su poboljšane.

U glavnim podskupinama atomski radijusi elemenata rastu od vrha do dna, atomi nemetala s 5- privlače atome vodika s 5+ slabije, snaga vodikovih spojeva se smanjuje, oni se lako disociraju, a samim time i pojačavaju njihova kisela svojstva.

Različita sposobnost vodikovih spojeva nemetala da uklanjaju ili dodaju vodikove katione u otopine objašnjava se nejednakim učinkom koji atom nemetala ima na atome vodika.

Različiti utjecaj atoma u molekulama hidroksida formiranih od elemenata istog razdoblja također objašnjava promjenu njihovih kiselinsko-baznih svojstava.

Glavna svojstva hidroksida se smanjuju, dok se kisela povećavaju, kako se povećava stupanj oksidacije središnjeg atoma, dakle energija njegove veze s atomom kisika (8-) i odbijanja atoma vodika (8+) od strane povećava se.

Natrijev hidroksid NaOH. Budući da je polumjer atoma vodika vrlo mali, on jače privlači atom kisika na sebe i veza između atoma vodika i kisika bit će jača nego između atoma natrija i kisika. Aluminijev hidroksid Al(OH)3 pokazuje amfoterna svojstva.

U perklornoj kiselini HclO 4 atom klora s relativno velikim pozitivnim nabojem jače je vezan za atom kisika i jače odbija atom vodika s 6+. Disocijacija se odvija prema tipu kiseline.

Glavni pravci razvoja teorije strukture kemijskih spojeva i njihov značaj

U vrijeme A. M. Butlerova, empirijske (molekularne) i strukturne formule bile su široko korištene u organskoj kemiji. Potonji odražavaju redoslijed povezivanja atoma u molekuli prema njihovoj valenciji, što je označeno crticama.

Radi lakšeg bilježenja često se koriste skraćene strukturne formule u kojima su crticama označene samo veze između atoma ugljika ili ugljika i kisika.

Skraćene strukturne formule

Zatim su se, razvojem znanja o prirodi kemijske veze i utjecaju elektroničke strukture molekula organskih tvari na njihova svojstva, počeli koristiti elektroničkim formulama u kojima se kovalentna veza konvencionalno označava s dvije točke. U takvim se formulama često prikazuje smjer pomaka elektronskih parova u molekuli.

Elektronička struktura tvari objašnjava mezomerne i indukcijske učinke.

Induktivni učinak je pomicanje elektronskih parova gama veza s jednog atoma na drugi zbog njihove različite elektronegativnosti. Označeno (->).

Indukcijski učinak atoma (ili skupine atoma) je negativan (-/), ako ovaj atom ima visoku elektronegativnost (halogeni, kisik, dušik), privlači elektrone gama veze i dobiva djelomični negativni naboj. Atom (ili skupina atoma) ima pozitivan induktivni učinak (+/) ako odbija elektrone gama veza. Ovo svojstvo posjeduju neki ograničavajući radikali C2H5). Sjetite se Markovnikova pravila o tome kako se vodik i halogen halogenovodika dodaju alkenima (propenu) i shvatit ćete da je ovo pravilo posebne prirode. Usporedite ova dva primjera jednadžbi reakcije:

[[Teorija_kemijskih_spojeva_A._M._Butlerov| ]]

U molekulama pojedinih tvari istovremeno se očituju i indukcijski i mezomerni učinci. U tom slučaju se ili pojačavaju (u aldehidima, karboksilnim kiselinama) ili međusobno slabe (u vinil kloridu).

Rezultat međusobnog utjecaja atoma u molekulama je preraspodjela elektronske gustoće.

Ideju o prostornom smjeru kemijskih veza prvi su izrazili francuski kemičar J. A. Le Bel i nizozemski kemičar J. X. Van't Hoff 1874. Pretpostavke znanstvenika u potpunosti je potvrdila kvantna kemija. Na svojstva tvari značajno utječe prostorna struktura njihovih molekula. Na primjer, već smo dali formule za cis- i trans-izomere butena-2, koji se razlikuju po svojim svojstvima (vidi sliku 16).

Prosječna energija veze koja se mora prekinuti tijekom prijelaza iz jednog oblika u drugi iznosi približno 270 kJ/mol; nema toliko energije na sobnoj temperaturi. Za međusobni prijelaz oblika butena-2 iz jednog u drugi, potrebno je prekinuti jednu kovalentnu vezu i umjesto nje formirati drugu. Drugim riječima, ovaj proces je primjer kemijske reakcije, a oba razmatrana oblika butena-2 su različiti kemijski spojevi.

Očito se sjećate da je najvažniji problem u sintezi gume bio dobivanje stereoregularne gume. Bilo je potrebno stvoriti polimer u kojem bi strukturne jedinice bile raspoređene u strogom redoslijedu (prirodna guma, na primjer, sastoji se samo od cis jedinica), jer o tome ovisi tako važno svojstvo gume kao što je njena elastičnost.

Moderna organska kemija razlikuje dvije glavne vrste izomerizma: strukturnu (lančani izomerizam, izomerizam položaja višestrukih veza, izomerizam homolognih nizova, izomerizam položaja funkcionalnih skupina) i stereoizomerizam (geometrijski, ili cis-trans-izomerizam, optički, ili zrcalo, izomerizam).

Dakle, uspjeli ste se uvjeriti da je druga pozicija teorije kemijske strukture, koju je jasno formulirao A. M. Butlerov, nepotpuna. Sa suvremenog stajališta, ova odredba zahtijeva dopune:
svojstva tvari ne ovise samo o njihovom kvalitativnom i kvantitativnom sastavu, već i o njihovom:

kemijski,

elektronički,

Prostorna struktura.

Igralo se stvaranje teorije strukture tvari bitnu ulogu u razvoju organske kemije. Od pretežno deskriptivne znanosti, ona se pretvara u kreativnu, sintetizirajuću znanost; postalo je moguće suditi o međusobnom utjecaju atoma u molekulama različitih tvari (vidi tablicu 10). Teorija strukture stvorila je preduvjete za objašnjavanje i predviđanje razne vrste izomerija organske molekule, kao i pravci i mehanizmi kemijskih reakcija.

Na temelju ove teorije, organski kemičari stvaraju tvari koje ne samo da zamjenjuju prirodne, već ih značajno nadmašuju po svojim svojstvima. Dakle, sintetičke boje su puno bolje i jeftinije od mnogih prirodnih, na primjer, alizarina i indiga poznatih u antici. Sintetička guma se proizvodi u velikim količinama s širokim rasponom svojstava. Plastika i vlakna imaju široku primjenu, proizvodi od kojih se koriste u strojarstvu, svakodnevnom životu, medicini i poljoprivredi.

Vrijednost teorije kemijske strukture A. M. Butlerova za organsku kemiju može se usporediti s vrijednošću periodnog zakona i periodnog sustava kemijskih elemenata D. I. Mendelejeva za anorganska kemija. Nije uzalud da obje teorije imaju toliko zajedničkog u načinima nastajanja, smjerovima razvoja i općem znanstvenom značenju. Međutim, u povijesti bilo kojeg drugog vodeći znanstvena teorija(Teorija Ch. Darwina, genetika, kvantna teorija itd.) mogu se pronaći takvi opći stadiji.

1. Uspostavite paralele između dviju vodećih teorija kemije - periodnog zakona i periodnog sustava kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva i teorije kemijske strukture organskih spojeva A. M. Butlerova prema sljedeće značajke: zajednički u preduvjetima, zajednički u smjerovima njihova razvoja, zajednički u prognostičkoj ulozi.

2. Koju je ulogu imala teorija strukture kemijskih spojeva u nastanku Periodnog zakona?

3. Koji primjeri iz anorganske kemije potvrđuju univerzalnost svake od odredbi teorije strukture kemijskih spojeva?

4. Fosforna kiselina H3PO3 odnosi se na dvobazne kiseline. Predložite njegovu strukturnu formulu i razmotrite međusobni utjecaj atoma u molekuli ove kiseline.

5. Napiši izomere sastava S3N8O. Imenujte ih prema sustavnoj nomenklaturi. Odredite vrste izomerizma.

6. Poznato sljedeće formule kristalni hidrati krom(III) klorida: [Cr(H20)6]Cl3; [Cr(H20)5Cl]Cl2H20; [Cr(H20)4 * C12]Cl 2H2O. Kako biste nazvali ovaj fenomen?

Kako se znanost oblikovala početkom 19. stoljeća, kada je švedski znanstvenik J. J. Berzelius prvi uveo pojam organskih tvari i organske kemije. Prva teorija u organskoj kemiji je teorija radikala. Kemičari su otkrili da tijekom kemijskih transformacija skupine od nekoliko atoma prelaze nepromijenjene s molekule jedne tvari na molekulu druge tvari, baš kao što atomi elemenata prelaze s molekule na molekulu. Takve "nepromjenjive" skupine atoma nazivaju se radikali.

Međutim, nisu se svi znanstvenici složili s teorijom radikala. Mnogi su općenito odbacili ideju atomizma - ideju složene strukture molekule i postojanja atoma kao njegovog sastavnog dijela. Ono što je nepobitno dokazano u naše dane i ne izaziva ni najmanju sumnju, u XIX stoljeću. bio predmet žestokih kontroverzi.

Sadržaj lekcije sažetak lekcije podrška okvir predavanja prezentacija akceleratorske metode interaktivne tehnologije Praksa zadaci i vježbe samoispitivanje radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća rasprava pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video isječke i multimediju fotografije, slike grafike, tablice, sheme humor, anegdote, vicevi, strip parabole, izreke, križaljke, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za znatiželjne cheat sheets udžbenici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje pogrešaka u udžbeniku ažuriranje ulomka u udžbeniku elementi inovacije u lekciji zamjena zastarjelih znanja novima Samo za učitelje savršene lekcije kalendarski plan za godinu smjernice raspravni programi Integrirane lekcije

Kao što je u anorganskoj kemiji temeljna teorijska osnova Periodični zakon i Periodni sustav kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva, tako je u organskoj kemiji vodeća znanstvena osnova teorija strukture organskih spojeva Butlerov-Kekule-Cooper.

Kao i svaka druga znanstvena teorija, teorija strukture organskih spojeva bila je rezultat generalizacije najbogatijeg činjeničnog materijala akumuliranog organskom kemijom, koja se kao znanost oblikovala početkom 19. stoljeća. Otkrivano je sve više novih spojeva ugljika, čiji se broj povećavao poput lavine (tablica 1.).

stol 1
Broj organskih spojeva poznatih u različitim godinama

Objasnite ovu raznolikost organskih spojeva znanstvenici početkom XIX u. ne mogu. Još više pitanja pokrenuo je fenomen izomerizma.

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

Vama već poznat F. Wöhler je u jednom od svojih pisama J. J. Berzeliusu ovako opisao organsku kemiju: „Organska kemija sada može izluditi svakoga. Čini mi se gusta šuma, puna nevjerojatnih stvari, bezgranična gustiš iz koje ne možete izaći, u koju se ne usuđujete prodrijeti ... "

Na razvoj kemije veliki je utjecaj imao rad engleskog znanstvenika E. Franklanda koji je, oslanjajući se na ideje atomizma, uveo pojam valencije (1853).

U molekuli vodika H 2 nastaje jedna kovalentna kemikalija H-H veza, tj. vodik je jednovalentan. Valencija kemijskog elementa može se izraziti brojem atoma vodika koje jedan atom kemijskog elementa veže na sebe ili zamjenjuje. 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 kemiji pojam "valentnosti" analogan je pojmu "oksidacijskog stanja" s kojim ste navikli raditi na tečaju anorganske kemije u osnovnoj školi. Međutim, oni nisu isti. Na primjer, u molekuli dušika N 2, oksidacijsko stanje dušika je nula, a valencija je tri:

U vodikovom peroksidu H 2 O 2 oksidacijsko stanje kisika je -1, a valencija je dva:

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

Obično se u odnosu na ionske spojeve (natrijev klorid NaCl i mnoge druge anorganske tvari s ionskom vezom) ne koristi pojam „valencija“ atoma, već se uzima u obzir njihovo oksidacijsko stanje. Stoga je u anorganskoj kemiji, gdje većina tvari ima nemolekularnu strukturu, poželjno koristiti koncept "oksidacijskog stanja", a u organskoj kemiji, gdje većina spojeva ima molekularnu strukturu, u pravilu se koristi koncept "valencija".

Teorija kemijske strukture rezultat je generalizacije ideja istaknutih organskih znanstvenika iz tri europske zemlje: Nijemca F. Kekulea, Engleza A. Coopera i Rusa A. Butlerova.

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

Radovi F. Kekulea i A. Coopera poslužili su kao osnova za razvoj znanstvene teorije koja objašnjava fenomen izomerizma, odnos između sastava, strukture i svojstava molekula organskih spojeva. Takvu teoriju stvorio je ruski znanstvenik A. M. Butlerov. Upravo se njegov radoznali um "usudio prodrijeti" u "gustu šumu" organske kemije i započeti transformaciju ove "bezgranične šipražje" u redoviti park ispunjen sunčevom svjetlošću sa sustavom staza i uličica. Glavne ideje ove teorije prvi je izrazio A. M. Butlerov 1861. na kongresu njemačkih prirodoslovaca i liječnika u Speyeru.

Ukratko formulirajte glavne odredbe i posljedice Butlerov-Kekule-Cooperove teorije strukture organskih spojeva kako slijedi.

1. Atomi u molekulama tvari povezani su određenim slijedom prema njihovoj valentnosti. Ugljik je u organskim spojevima uvijek četverovalentan, a njegovi atomi mogu se međusobno kombinirati tvoreći različite lance (linearne, razgranate i cikličke).

Organski spojevi mogu se poredati u nizove tvari sličnih sastava, strukture i svojstava – homologne serije.

Butlerov Aleksandar Mihajlovič (1828-1886), ruski kemičar, profesor na Kazanskom sveučilištu (1857-1868), od 1869. do 1885. - profesor na Sveučilištu u Sankt Peterburgu. Akademik Petrogradske akademije znanosti (od 1874). Tvorac teorije kemijske strukture organskih spojeva (1861). Predvidio i proučavao izomeriju mnogih organskih spojeva. Sintetizirao mnoge tvari.

Na primjer, metan CH 4 je predak homolognog niza zasićenih ugljikovodika (alkana). Njegov najbliži homolog je etan C2H6, ili CH3-CH3. Sljedeća 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 homologne nizove može izvesti opća formula za niz. Dakle, za alkane, ova opća formula je C n H 2n + 2.

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

Ovakav stav teorije strukture organskih spojeva objašnjava fenomen izomerizma. Očito, za butan C 4 H 10, osim molekule linearna struktura CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, moguća je i razgranana struktura:

Ovo je potpuno nova tvar s vlastitim individualnim svojstvima, drugačijim od linearnog butana.

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

Postoje dvije glavne vrste izomerizma - strukturna i prostorna.

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

Izomerizam ugljičnog kostura. Spojevi se razlikuju po redoslijedu veza ugljik-ugljik, na primjer, razmatrani su n-butan i izobutan. Upravo je ova vrsta izomerizma karakteristična za alkane.

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

Međuklasni izomerizam. Izomeri ove vrste izomerizma pripadaju različitim klasama organskih spojeva, na primjer, etilni alkohol (klasa zasićenih monohidričnih alkohola) i dimetil eter (klasa etera) o kojima je gore raspravljano.

Postoje dvije vrste prostorne izomerije: geometrijska i optička.

Geometrijska izomerija je prije svega karakteristična za spojeve s dvostrukom vezom ugljik-ugljik, budući da molekula na mjestu takve veze ima planarnu strukturu (slika 6).

Riža. 6.
Model molekule etilena

Na primjer, za buten-2, ako su iste skupine atoma na atomima ugljika u dvostrukoj vezi na istoj strani ravnine veze C=C, tada je molekula cizizomer, ako je na suprotnim stranama transizomer .

Optičku izomeriju posjeduju, na primjer, tvari čije molekule imaju asimetrični ili kiralni atom ugljika vezan za četiri razne zamjenici. Optički izomeri su zrcalne slike jedan drugog, poput dva dlana, i nisu kompatibilni. (Sada vam je, očito, drugi naziv ove vrste izomerizma postao jasan: grčki chiros - ruka - uzorak asimetrične figure.) Na primjer, u obliku dva optička izomera postoji 2-hidroksipropanoična (mliječna ) kiselina koja sadrži jedan asimetrični ugljikov atom.

Kiralne molekule imaju izomerne parove, u kojima su molekule izomera međusobno povezane u svojoj prostornoj organizaciji na isti način kao što su objekt i njegova zrcalna slika međusobno povezani. Par takvih izomera uvijek ima ista kemijska i fizikalna svojstva, s izuzetkom optičke aktivnosti: ako jedan izomer rotira ravninu polarizirane svjetlosti u smjeru kazaljke na satu, onda drugi nužno u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Prvi izomer se naziva desnorotirajući, a drugi levorotirajući.

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

3. Atomi u molekulama tvari utječu jedni na druge. U daljnjem proučavanju kolegija razmotrit ćete međusobni utjecaj atoma u molekulama organskih spojeva.

Suvremena teorija strukture organskih spojeva temelji se ne samo na kemijskoj, već i na elektroničkoj i prostornoj strukturi tvari, koja se detaljno razmatra na profilnoj razini studija kemije.

Nekoliko vrsta kemijskih formula se široko koristi u organskoj kemiji.

Molekularna formula odražava kvalitativni sastav spoja, odnosno pokazuje broj atoma svakog od kemijskih elemenata koji tvore molekulu tvari. Na primjer, molekulska formula propana je C 3 H 8 .

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

Često nema potrebe detaljno opisivati ​​kemijske veze između atoma ugljika i vodika, stoga se u većini slučajeva koriste skraćene strukturne formule. Za propan se takva formula piše na sljedeći način: CH 3 -CH 2 -CH 3.

Struktura molekula organskih spojeva odražava se na različitim modelima. Najpoznatiji su volumetrijski (skala) i modeli s kuglom i štapom (slika 7.).

Riža. 7.
Modeli molekule etana:
1 - lopta i palica; 2 - ljestvica

Nove riječi i pojmovi

1. Izomerizam, izomeri.
2. Valence.
3. Kemijska struktura.
4. Teorija strukture organskih spojeva.
5. Homološki niz i homološka razlika.
6. Formule molekularne i strukturne.
7. Modeli molekula: volumetrijski (skala) i sferni.

Pitanja i zadaci

1. Što je valencija? Po čemu se razlikuje od oksidacijskog stanja? Navedite primjere tvari u kojima su vrijednosti oksidacijskog stanja i valencije atoma brojčano iste i različite,
2. Odrediti valentnost i oksidacijsko stanje atoma u tvarima čije su formule Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
3. Što je izomerija; izomeri?
4. Što je homologija; homolozi?
5. Kako, koristeći znanje o izomeriji i homologiji, objasniti raznolikost ugljikovih spojeva?
6. Što se podrazumijeva pod kemijskom strukturom molekula organskih spojeva? Formulirajte položaj teorije strukture koji objašnjava razliku u svojstvima izomera Formulirajte položaj teorije strukture koji objašnjava raznolikost organskih spojeva.
7. Kakav je doprinos ovoj teoriji dao svaki od znanstvenika – utemeljitelja teorije kemijske strukture? Zašto je doprinos ruskog kemičara odigrao vodeću ulogu u formiranju ove teorije?
8. Moguće je da postoje tri izomera sastava C 5 H 12. Napišite njihove pune i skraćene strukturne formule,
9. Prema modelu molekule tvari prikazanom na kraju odlomka (vidi sliku 7), sastavite njezinu molekularnu i skraćenu strukturnu formulu.
10. Izračunajte maseni udio ugljika u molekulama prva četiri člana homolognog niza alkana.