Teórie štruktúry organických zlúčenín. Typy väzieb v molekulách organických látok

Teória A.M. Butlerov

1. Atómy v molekulách sú vzájomne prepojené v určitom poradí chemickými väzbami v súlade s ich mocnosťou. Poradie väzby atómov sa nazýva ich chemická štruktúra. Uhlík vo všetkých organických zlúčeninách je štvormocný.

2. Vlastnosti látok určuje nielen kvalitatívne a kvantitatívne zloženie molekúl, ale aj ich štruktúra.

3. Atómy alebo skupiny atómov sa navzájom ovplyvňujú, od čoho závisí reaktivita molekuly.

4. Štruktúru molekúl možno stanoviť na základe štúdia ich chemických vlastností.

Organické zlúčeniny majú množstvo charakteristické znaky ktoré ich odlišujú od anorganických. Takmer všetky (až na zriedkavé výnimky) sú horľavé; väčšina Organické zlúčeniny nedisociuje na ióny, čo je spôsobené povahou kovalentnej väzby v organických látkach. Iónový typ väzby sa realizuje iba v soliach organických kyselín, napríklad CH3COONa.

homologická séria je nekonečný rad organických zlúčenín, ktoré majú podobnú štruktúru, a preto sú podobné Chemické vlastnosti a líšia sa od seba ľubovoľným počtom skupín CH2– (homologický rozdiel).

Už pred vytvorením teórie štruktúry boli známe látky rovnakého elementárneho zloženia, ale s rôznymi vlastnosťami. Takéto látky sa nazývali izoméry a samotný tento jav sa nazýval izoméria.

V srdci izomérie, ako ukazuje A.M. Butlerov, spočíva rozdiel v štruktúre molekúl pozostávajúcich z rovnakej sady atómov.

izoméria- ide o fenomén existencie zlúčenín, ktoré majú rovnaké kvalitatívne a kvantitatívne zloženie, ale odlišnú štruktúru a v dôsledku toho aj odlišné vlastnosti.

Existujú 2 typy izomérie: štrukturálne izoméria a priestorové izoméria.

Štrukturálna izoméria

Štrukturálne izoméry- zlúčeniny rovnakého kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia, líšiace sa poradím väzbových atómov, teda chemickou štruktúrou.

Priestorová izoméria

Priestorové izoméry(stereoizoméry) s rovnakým zložením a rovnakou chemickou štruktúrou sa líšia priestorovým usporiadaním atómov v molekule.
Priestorové izoméry sú optické a cis-trans izoméry (geometrické).

Cis-trans izoméria

spočíva v možnosti usporiadania substituentov jeden po druhom alebo po jednom rôzne strany rovina dvojitej väzby alebo nearomatického kruhu.In cis izoméry substituenty sú na rovnakej strane roviny kruhu alebo dvojitej väzby, v trans izoméry- rôznymi spôsobmi.

V molekule butén-2 CH3–CH=CH–CH3 môžu byť skupiny CH3 umiestnené buď na jednej strane dvojitej väzby, v cis izoméri, alebo na opačných stranách v trans izoméri.

Optická izoméria

Objaví sa, keď má uhlík štyri rôzne substituenty.
Ak sú ľubovoľné dva z nich zamenené, získa sa ďalší priestorový izomér rovnakého zloženia. Fyzikálno-chemické vlastnosti takýchto izomérov sa výrazne líšia. Zlúčeniny tohto typu sa vyznačujú schopnosťou otočiť rovinu polarizovaného svetla prechádzajúceho cez roztok takýchto zlúčenín o určité množstvo. V tomto prípade jeden izomér otáča rovinu polarizovaného svetla v jednom smere a jeho izomér v opačnom smere. Kvôli takýmto optickým efektom sa tento druh izomérie nazýva optická izoméria.

Hlavné ustanovenia teórie chemickej štruktúry A.M. Butlerov

1. Atómy v molekulách sú navzájom spojené v určitom poradí podľa ich valencie. Postupnosť medziatómových väzieb v molekule sa nazýva jej chemická štruktúra a odráža sa v jednom štruktúrnom vzorci (štruktúrny vzorec).

2. Chemická štruktúra môže byť stanovená chemickými metódami. (V súčasnosti sa používajú aj moderné fyzikálne metódy).

3. Vlastnosti látok závisia od ich chemickej štruktúry.

4. Podľa vlastností danej látky môžete určiť štruktúru jej molekuly a podľa štruktúry molekuly môžete predpovedať vlastnosti.

5. Atómy a skupiny atómov v molekule sa navzájom ovplyvňujú.

Butlerovova teória bola vedeckým základom organickej chémie a prispela k jej rýchlemu rozvoju. Na základe ustanovení teórie A.M. Butlerov podal vysvetlenie fenoménu izomérie, predpovedal existenciu rôznych izomérov a niektoré z nich získal po prvý raz.

Rozvoj teórie štruktúry uľahčili práce Kekuleho, Kolbeho, Coopera a van't Hoffa. Ich teoretické pozície však neuniesli všeobecný a slúžil hlavne na účely vysvetlenia experimentálneho materiálu.

2. Štruktúrne vzorce

Štruktúrny vzorec (štrukturálny vzorec) popisuje poradie spojenia atómov v molekule, t.j. jeho chemická štruktúra. Chemické väzby v štruktúrnom vzorci sú znázornené pomlčkami. Väzba medzi vodíkom a inými atómami sa zvyčajne neuvádza (takéto vzorce sa nazývajú skrátené štruktúrne vzorce).

Napríklad úplné (rozšírené) a skrátené štruktúrne vzorce n-butánu C4H10 sú:

Ďalším príkladom sú izobutánové vzorce.

Často využívané ešte viac krátky vstup vzorce, keď nepredstavujú nielen väzby s atómom vodíka, ale aj symboly atómov uhlíka a vodíka. Napríklad štruktúra benzénu C6H6 sa odráža vo vzorcoch:

Štrukturálne vzorce sa líšia od molekulárnych (hrubých) vzorcov, ktoré zobrazujú iba to, aké prvky a v akom pomere sú zahrnuté v zložení látky (t. j. kvalitatívne a kvantitatívne elementárne zloženie), ale neodrážajú poradie väzbových atómov.

Napríklad n-bután a izobután majú rovnaký molekulový vzorec C4H10, ale odlišnú sekvenciu väzieb.

Rozdiel v látkach je teda spôsobený nielen rozdielnym kvalitatívnym a kvantitatívnym elementárnym zložením, ale aj rôznymi chemickými štruktúrami, ktoré sa môžu prejaviť iba v štruktúrnych vzorcoch.

3. Pojem izoméria

V srdci izomérie, ako ukazuje A.M. Butlerov, spočíva rozdiel v štruktúre molekúl pozostávajúcich z rovnakej sady atómov. teda

izoméria je fenomén existencie zlúčenín, ktoré majú rovnaké kvalitatívne a kvantitatívne zloženie, ale odlišnú štruktúru a v dôsledku toho aj odlišné vlastnosti.

Napríklad, keď molekula obsahuje 4 atómy uhlíka a 10 atómov vodíka, je možná existencia 2 izomérnych zlúčenín:

V závislosti od povahy rozdielov v štruktúre izomérov sa rozlišuje štruktúrna a priestorová izoméria.

4. Štruktúrne izoméry

Štrukturálne izoméry sú zlúčeniny rovnakého kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia, líšia sa poradím väzbových atómov, t.j. chemickou štruktúrou.

Napríklad zloženie C5H12 zodpovedá 3 štruktúrnym izomérom:

Ďalší príklad:

5. Stereoizoméry

Priestorové izoméry (stereoizoméry) s rovnakým zložením a rovnakou chemickou štruktúrou sa líšia priestorovým usporiadaním atómov v molekule.

Priestorové izoméry sú optické a cis-trans izoméry (guličky rôznych farieb predstavujú rôzne atómy alebo atómové skupiny):

Molekuly takýchto izomérov sú priestorovo nekompatibilné.

Stereoizoméria hrá dôležitú úlohu v organickej chémii. Tieto otázky budú podrobnejšie zvážené pri štúdiu zlúčenín jednotlivých tried.

6. Elektronické reprezentácie v organickej chémii

Aplikácia elektrónovej teórie štruktúry atómu a chemickej väzby v organickej chémii bola jednou z najdôležitejších etáp vo vývoji teórie štruktúry organických zlúčenín. Koncepciu chemickej štruktúry ako postupnosti väzieb medzi atómami (A.M. Butlerov) doplnila elektrónová teória o predstavy o elektrónovej a priestorovej štruktúre a ich vplyve na vlastnosti organických zlúčenín. Práve tieto zobrazenia umožňujú pochopiť spôsoby prenosu vzájomného vplyvu atómov v molekulách (elektronické a priestorové efekty) a správanie molekúl pri chemických reakciách.

Podľa moderných koncepcií sú vlastnosti organických zlúčenín určené:

povaha a elektronická štruktúra atómov;

typ atómových orbitálov a povaha ich interakcie;

typ chemických väzieb;

chemická, elektronická a priestorová štruktúra molekúl.

7. Vlastnosti elektrónov

Elektrón má dvojakú povahu. V rôznych experimentoch môže vykazovať vlastnosti častíc aj vĺn. Pohyb elektrónu sa riadi zákonmi kvantovej mechaniky. Vzťah medzi vlnovými a korpuskulárnymi vlastnosťami elektrónu odráža de Broglieho vzťah.

Energiu a súradnice elektrónu, ako aj iných elementárnych častíc nie je možné súčasne merať s rovnakou presnosťou (Heisenbergov princíp neurčitosti). Pohyb elektrónu v atóme alebo molekule preto nemožno opísať pomocou trajektórie. Elektrón môže byť v ktoromkoľvek bode priestoru, ale s rôznymi pravdepodobnosťami.

Časť priestoru, v ktorej je vysoká pravdepodobnosť nájdenia elektrónu, sa nazýva orbitál alebo elektrónový oblak.

Napríklad:

8. Atómové orbitály

Atómový orbitál (AO) - oblasť najpravdepodobnejšieho pobytu elektrónu (elektrónového oblaku) v elektrickom poli atómového jadra.

Poloha prvku v Periodickom systéme určuje typ orbitálov jeho atómov (s-, p-, d-, f-AO atď.), ktoré sa líšia energiou, tvarom, veľkosťou a priestorovou orientáciou.

Prvky 1. periódy (H, He) sú charakterizované jednou AO - 1s.

V prvkoch 2. periódy obsadzujú elektróny päť AO na dvoch energetických úrovniach: prvá úroveň je 1s; druhá úroveň - 2s, 2px, 2py, 2pz. (čísla označujú číslo energetickej hladiny, písmená označujú tvar orbitálu).

Stav elektrónu v atóme je úplne opísaný kvantovými číslami.

Typ vodíka:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

V roku 1860 viac ako 140 popredných chemikov z rozdielne krajiny Európa sa zišla na medzinárodnom kongrese v Karlsruhe. Kongres sa stal veľmi dôležitá udalosť v dejinách chémie: zhrnuli sa úspechy vedy a pripravili sa podmienky pre novú etapu rozvoja organickej chémie - vznik teórie chemickej štruktúry organických látok A. M. Butlerova (1861), ako aj pre r. zásadný objav D. I. Mendelejeva – Periodický zákon a sústavy chemických prvkov (1869).

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

Osobné vlastnosti A. M. Butlerova

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

Butlerov Alexander Michajlovič (1828-1886)

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

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

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

Hlavné ustanovenia teórie štruktúry chemických zlúčenín

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

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

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

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

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

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

otvorené rozvetvené
- otvorený nerozvetvený
- ZATVORENÉ

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

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

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

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

1) izoméria uhlíkového skeletu

3) izoméria homologickej série (medzitrieda)

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

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

K priestorovej izomérii patrí aj optická (zrkadlová) izoméria.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hlavné smery vývoja teórie štruktúry chemických zlúčenín a jej význam

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

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

Skrátené štruktúrne vzorce

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

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

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

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

[[Theory_of_the_chemical_compounds_A._M._Butlerov| ]]

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

Výsledkom vzájomného ovplyvňovania atómov v molekulách je prerozdelenie elektrónovej hustoty.

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

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

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

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

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

chemický,

elektronický,

Priestorová štruktúra.

Zohralo sa vytvorenie teórie štruktúry látok zásadnú úlohu vo vývoji organickej chémie. Z prevažne deskriptívnej vedy sa stáva kreatívna, syntetizujúca veda, bolo možné posudzovať vzájomný vplyv atómov v molekulách rôznych látok (pozri tabuľku 10). Teória štruktúry vytvorila predpoklady na vysvetľovanie a predpovedanie rôzne druhy izoméria organické molekuly ako aj smery a mechanizmy chemických reakcií.

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

Hodnotu teórie chemickej štruktúry A. M. Butlerova pre organickú chémiu možno porovnať s hodnotou Periodického zákona a Periodického systému chemických prvkov D. I. Mendelejeva pre r. anorganická chémia. Nie nadarmo majú obe teórie toľko spoločného v spôsoboch ich formovania, smeroch vývoja a celkovom vedeckom význame. Avšak v histórii akéhokoľvek iného vedenia vedecká teória(teória Ch. Darwina, genetika, kvantová teória atď.) možno nájsť takéto všeobecné štádiá.

1. Stanovte paralely medzi dvoma poprednými teóriami chémie - Periodickým zákonom a Periodickou sústavou chemických prvkov od D. I. Mendelejeva a teóriou chemickej štruktúry organických zlúčenín od A. M. Butlerova podľa nasledujúce funkcie: bežné v predpokladoch, bežné v smeroch ich vývoja, bežné v prognostickej úlohe.

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

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

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

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

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

Ako sa formovala veda na začiatku 19. storočia, keď švédsky vedec J. J. Berzelius prvýkrát predstavil pojem organické látky a organickú chémiu. Prvou teóriou organickej chémie je teória radikálov. Chemici zistili, že počas chemických premien prechádzajú skupiny niekoľkých atómov nezmenené z molekuly jednej látky na molekulu inej látky, rovnako ako atómy prvkov prechádzajú z molekuly do molekuly. Takéto "nemenné" skupiny atómov sa nazývajú radikály.

Nie všetci vedci však súhlasili s teóriou radikálov. Mnohí vo všeobecnosti odmietli myšlienku atomizmu - myšlienku komplexnej štruktúry molekuly a existenciu atómu ako jej súčasti. Čo je nepopierateľne dokázané v našich dňoch a nespôsobuje najmenšie pochybnosti, v XIX storočí. bol predmetom búrlivých sporov.

Obsah lekcie zhrnutie lekcie podpora rámcová lekcia prezentácia akceleračné metódy interaktívne technológie Cvičte úlohy a cvičenia sebaskúšanie workshopy, školenia, prípady, questy domáce úlohy diskusia otázky rečnícke otázky študentov Ilustrácie audio, videoklipy a multimédiá fotografie, obrázky, grafika, tabuľky, schémy humor, anekdoty, vtipy, komiksové podobenstvá, výroky, krížovky, citáty Doplnky abstraktyčlánky čipy pre zvedavých cheat sheets učebnice základný a doplnkový slovník pojmov iné Zdokonaľovanie učebníc a vyučovacích hodínoprava chýb v učebnici aktualizácia fragmentu v učebnici prvky inovácie v lekcii nahradenie zastaraných vedomostí novými Len pre učiteľov perfektné lekcie kalendárny plán na rok usmernenia diskusné programy Integrované lekcie

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

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

stôl 1
Počet organických zlúčenín známych v rôznych rokoch

Vysvetlite vedcom túto rozmanitosť organických zlúčenín začiatkom XIX v. nemohol. Ešte viac otázok vyvolal fenomén izomérie.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Butlerov Alexander Michajlovič (1828-1886)

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

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

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

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

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

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

Existujú dva hlavné typy izomérie - štrukturálna a priestorová.

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

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

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

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

Existujú dva typy priestorovej izomérie: geometrická a optická.

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

Ryža. 6.
Model molekuly etylénu

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

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

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

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

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

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

V organickej chémii sa široko používa niekoľko typov chemických vzorcov.

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

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

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

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

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

Nové slová a pojmy

Izoméria, izoméry.
Valence.
Chemická štruktúra.
Teória štruktúry organických zlúčenín.
Homologický rad a homologický rozdiel.
Vzorce molekulové a štruktúrne.
Modely molekúl: objemové (mierkové) a sférické.

Otázky a úlohy

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

Ženský portál Flero