نظرية بنية المركبات العضوية وأنواع الروابط. نظرية التركيب الكيميائي للمركبات العضوية أ.م.

كما هو الحال في الكيمياء غير العضوية، فإن الأساس النظري الأساسي هو القانون الدوري والجدول الدوري للعناصر الكيميائية من تأليف دي آي مندليف، كذلك فإن الأساس العلمي الرائد في الكيمياء العضوية هو نظرية بتليروف-كيكولي-كوبر لبنية المركبات العضوية.

مثل أي نظرية علمية أخرى، كانت نظرية بنية المركبات العضوية نتيجة لتعميم أغنى مادة واقعية تراكمت لدى الكيمياء العضوية، التي اتخذت شكل علم في بداية القرن التاسع عشر. تم اكتشاف المزيد والمزيد من مركبات الكربون الجديدة، والتي زاد عددها مثل الانهيار الجليدي (الجدول 1).

الجدول 1
عدد المركبات العضوية المعروفة في سنوات مختلفة

وأوضح علماء أوائل القرن التاسع عشر هذا التنوع في المركبات العضوية. لا يمكن. أثارت ظاهرة الأيزومرية المزيد من الأسئلة.

على سبيل المثال، الكحول الإيثيلي وإيثر ثنائي ميثيل هما أيزومرات: هذه المواد لها نفس التركيب C 2 H 6 O، ولكن بنية مختلفة، أي ترتيب مختلف لاتصال الذرات في الجزيئات، وبالتالي خصائص مختلفة.

وصف F. Wöhler، الذي تعرفه بالفعل، الكيمياء العضوية في إحدى رسائله إلى J. J. Berzelius: "يمكن للكيمياء العضوية الآن أن تدفع أي شخص إلى الجنون. تبدو لي مثل غابة كثيفة، مليئة بالأشياء المدهشة، غابة لا حدود لها لا يمكنك الخروج منها، ولا تجرؤ على اختراقها..."

تأثر تطور الكيمياء بشكل كبير بعمل العالم الإنجليزي إي. فرانكلاند، الذي قدم مفهوم التكافؤ (1853) بناءً على أفكار الذرية.

في جزيء الهيدروجين H2، تتشكل رابطة كيميائية تساهمية واحدة H-H، أي أن الهيدروجين أحادي التكافؤ. يمكن التعبير عن تكافؤ العنصر الكيميائي بعدد ذرات الهيدروجين التي تضيفها ذرة واحدة من العنصر الكيميائي إلى نفسها أو تستبدلها. على سبيل المثال، الكبريت الموجود في كبريتيد الهيدروجين والأكسجين في الماء ثنائي التكافؤ: H 2 S أو H-S-H أو H 2 O أو H-O-H، والنيتروجين في الأمونيا ثلاثي التكافؤ:

في الكيمياء العضوية، يعد مفهوم "التكافؤ" مشابهًا لمفهوم "حالة الأكسدة" الذي اعتدت على التعامل معه في سياق الكيمياء غير العضوية في المدرسة الأساسية. ومع ذلك، هذا ليس نفس الشيء. على سبيل المثال، في جزيء النيتروجين N2، تكون حالة أكسدة النيتروجين صفرًا، ويكون التكافؤ ثلاثة:

في بيروكسيد الهيدروجين H2O2، تكون حالة أكسدة الأكسجين -1، ويكون التكافؤ اثنين:

في أيون الأمونيوم NH + 4، تكون حالة أكسدة النيتروجين -3، والتكافؤ أربعة:

عادة، فيما يتعلق بالمركبات الأيونية (كلوريد الصوديوم NaCl والعديد من المواد غير العضوية الأخرى ذات الروابط الأيونية)، لا يتم استخدام مصطلح "تكافؤ" الذرات، ولكن يتم أخذ حالة الأكسدة الخاصة بها في الاعتبار. لذلك، في الكيمياء غير العضوية، حيث معظم المواد لها بنية غير جزيئية، يفضل استخدام مفهوم “حالة الأكسدة”، وفي الكيمياء العضوية، حيث معظم المركبات لها بنية جزيئية، كقاعدة عامة، مفهوم “حالة الأكسدة”. يستخدم التكافؤ ".

إن نظرية التركيب الكيميائي هي نتيجة تعميم أفكار علماء عضويين بارزين من ثلاث دول أوروبية: الألماني ف. كيكولي، والإنجليزي أ. كوبر، والروسي أ. بتليروف.

في عام 1857، صنف F. Kekule الكربون كعنصر رباعي التكافؤ، وفي عام 1858، أشار مع A. Cooper إلى أن ذرات الكربون قادرة على التواصل مع بعضها البعض في سلاسل مختلفة: خطية، متفرعة ومغلقة (دورية).

كانت أعمال F. Kekule و A. Cooper بمثابة الأساس لتطوير نظرية علمية تشرح ظاهرة الأيزومرية والعلاقة بين تكوين وبنية وخصائص جزيئات المركبات العضوية. تم إنشاء هذه النظرية من قبل العالم الروسي أ.م.بتليروف. لقد كان عقله الفضولي هو الذي "تجرأ على اختراق" "الغابة الكثيفة" للكيمياء العضوية والبدء في تحويل هذه "الغابة اللامحدودة" إلى حديقة عادية تغمرها أشعة الشمس بنظام من المسارات والأزقة. تم التعبير عن الأفكار الأساسية لهذه النظرية لأول مرة بواسطة A. M. Butlerov في عام 1861 في مؤتمر علماء الطبيعة والأطباء الألمان في شباير.

يمكن صياغة الأحكام والعواقب الرئيسية لنظرية بتليروف-كيكولي-كوبر لتركيب المركبات العضوية بإيجاز على النحو التالي.

1. ترتبط الذرات الموجودة في جزيئات المواد بتسلسل معين وفقًا لتكافؤها. الكربون الموجود في المركبات العضوية هو دائما رباعي التكافؤ، وذراته قادرة على الاتحاد مع بعضها البعض، وتشكيل سلاسل مختلفة (خطية، متفرعة ودورية).

يمكن ترتيب المركبات العضوية في صفوف من المواد المتشابهة في التركيب والبنية والخصائص - صفوف متماثلة.

بتليروف ألكسندر ميخائيلوفيتش (1828-1886)

على سبيل المثال، الميثان CH 4 هو سلف السلسلة المتماثلة من الهيدروكربونات المشبعة (الألكانات). أقرب متماثل له هو الإيثان C2H6، أو CH3-CH3. العضوان التاليان في سلسلة الميثان المتجانسة هما البروبان C 3 H 8، أو CH 3 -CH 2 -CH 3، والبيوتان C 4 H 10، أو CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3، إلخ.

من السهل أن نرى أنه بالنسبة للمتسلسلة المتماثلة يمكن استخلاص صيغة عامة لهذه السلسلة. لذلك، بالنسبة للألكانات، هذه الصيغة العامة هي C n H 2n + 2.

2. خصائص المواد لا تعتمد فقط على تركيبها النوعي والكمي، ولكن أيضا على بنية جزيئاتها.

وهذا الموقف من نظرية بنية المركبات العضوية يفسر ظاهرة الأيزومرية. من الواضح أنه بالنسبة للبيوتان C 4 H 10، بالإضافة إلى الجزيء ذو البنية الخطية CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3، من الممكن أيضًا وجود بنية متفرعة:

هذه مادة جديدة تمامًا لها خصائصها الفردية، وتختلف عن خصائص البيوتان ذات البنية الخطية.

يسمى البيوتان، في الجزيء الذي يتم ترتيب ذراته في سلسلة خطية، بالبيوتان العادي (ن-بيوتان)، والبيوتان، الذي تتفرع منه سلسلة ذرات الكربون، يسمى إيزوبيوتان.

هناك نوعان رئيسيان من الأيزومرية - الهيكلية والمكانية.

وفقا للتصنيف المقبول، هناك ثلاثة أنواع من الأيزومرية الهيكلية.

الايزومرية للهيكل العظمي الكربوني. تختلف المركبات في ترتيب روابط الكربون-كربون، على سبيل المثال، ن-البيوتان والأيزوبيوتان التي تمت مناقشتها. هذا النوع من الأيزومرية هو الذي يميز الألكانات.

تصاوغ موضع الرابطة المتعددة (C=C, C=C) أو المجموعة الوظيفية (أي مجموعة الذرات التي تحدد ما إذا كان المركب ينتمي إلى فئة معينة من المركبات العضوية)، على سبيل المثال:

الايزومرية بين الطبقات. تنتمي أيزومرات هذا النوع من الأيزومرية إلى فئات مختلفة من المركبات العضوية، على سبيل المثال، الكحول الإيثيلي (فئة الكحول الأحادي الهيدريك المشبع) وإيثر ثنائي ميثيل (فئة الإيثرات) التي تمت مناقشتها أعلاه.

هناك نوعان من الأيزومرية المكانية: هندسية وبصرية.

تعتبر الأيزومرية الهندسية مميزة في المقام الأول للمركبات ذات رابطة الكربون والكربون المزدوجة، حيث أن الجزيء له بنية مستوية في موقع هذه الرابطة (الشكل 6).

أرز. 6.
نموذج جزيء الإيثيلين

على سبيل المثال، بالنسبة للبيوتين-2، إذا كانت مجموعات متماثلة من الذرات عند ذرات الكربون في الرابطة المزدوجة موجودة على جانب واحد من مستوى الرابطة C=C، فإن الجزيء يكون أيزومرًا مقرونًا، وإذا كان على الجانبين المتقابلين فهو أيزومر مقرمش. الأيزومر العابر.

تُلاحظ الأيزومرية الضوئية، على سبيل المثال، في المواد التي تحتوي جزيئاتها على ذرة كربون غير متماثلة أو مراوانية مرتبطة بأربعة متنوعالنواب. الأيزومرات الضوئية هي صور مرآة لبعضها البعض، مثل كفين اليد، وهي غير متوافقة. (الآن، من الواضح أنك تفهم الاسم الثاني لهذا النوع من الأيزومرية: تشيروس اليونانية - اليد - مثال على الشكل غير المتماثل.) على سبيل المثال، حمض 2-هيدروكسي بروبانويك (اللاكتيك)، الذي يحتوي على ذرة كربون واحدة غير متماثلة، موجود في الشكل من اثنين من الايزومرات الضوئية.

في الجزيئات اللولبية، تنشأ أزواج أيزومرية ترتبط فيها جزيئات الأيزومر ببعضها البعض في تنظيمها المكاني بنفس الطريقة التي يرتبط بها الجسم وصورته المرآة ببعضها البعض. يتمتع زوج من هذه الأيزومرات دائمًا بنفس الخصائص الكيميائية والفيزيائية، باستثناء النشاط البصري: إذا قام أحد الأيزومرات بتدوير مستوى الضوء المستقطب في اتجاه عقارب الساعة، فإن الآخر يدور بالضرورة عكس اتجاه عقارب الساعة. الأيزومر الأول يسمى dextrorotatory، والثاني يسمى levorotatory.

إن أهمية الأيزومرية الضوئية في تنظيم الحياة على كوكبنا كبيرة جدًا، حيث يمكن أن تختلف الأيزومرات الضوئية بشكل كبير في نشاطها البيولوجي وفي التوافق مع المركبات الطبيعية الأخرى.

3. الذرات الموجودة في جزيئات المواد تؤثر على بعضها البعض. سوف تفكر في التأثير المتبادل للذرات في جزيئات المركبات العضوية خلال الدراسة الإضافية للدورة.

لا تعتمد النظرية الحديثة لبنية المركبات العضوية على المادة الكيميائية فحسب، بل تعتمد أيضًا على البنية الإلكترونية والمكانية للمواد، والتي تتم مناقشتها بالتفصيل على مستوى دراسة الكيمياء.

في الكيمياء العضوية، يتم استخدام عدة أنواع من الصيغ الكيميائية على نطاق واسع.

وتعكس الصيغة الجزيئية التركيب النوعي للمركب، أي أنها توضح عدد ذرات كل عنصر من العناصر الكيميائية التي تشكل جزيء المادة. على سبيل المثال، الصيغة الجزيئية للبروبان هي: C3H8.

تعكس الصيغة الهيكلية ترتيب ارتباط الذرات في الجزيء حسب التكافؤ. الصيغة الهيكلية للبروبان هي:

في كثير من الأحيان ليست هناك حاجة لتصوير الروابط الكيميائية بين ذرات الكربون والهيدروجين بالتفصيل، لذلك يتم استخدام الصيغ الهيكلية المختصرة في معظم الحالات. بالنسبة للبروبان، تتم كتابة هذه الصيغة على النحو التالي: CH 3 -CH 2 -CH 3.

وينعكس هيكل جزيئات المركبات العضوية باستخدام نماذج مختلفة. الأكثر شهرة هي نماذج الحجمي (المقياس) والكرة والعصا (الشكل 7).

أرز. 7.
نماذج جزيء الإيثان:
1 - الكرة والقضيب. 2 - الميزان

كلمات ومفاهيم جديدة

الايزومرية، الايزومرات.
التكافؤ.
التركيب الكيميائي.
نظرية بنية المركبات العضوية.
المتسلسلة المتماثلة والفرق المتماثل.
الصيغ الجزيئية والهيكلية.
نماذج الجزيئات: الحجمي (المقياس) والكرة والعصا.

الأسئلة والمهام

ما هو التكافؤ؟ وكيف تختلف عن حالة الأكسدة؟ أعط أمثلة على المواد التي تكون فيها قيم حالة الأكسدة وتكافؤ الذرات متماثلة ومختلفة عدديا،
تحديد حالة التكافؤ والأكسدة للذرات في المواد التي تكون صيغها Cl 2، CO 2، C 2 H 6، C 2 H 4.
ما هي الايزومرية؟ نظائر؟
ما هو التماثل؟ المتماثلون؟
كيف يمكن، باستخدام معرفة الأيزومرية والتماثل، تفسير تنوع مركبات الكربون؟
ما المقصود بالتركيب الكيميائي لجزيئات المركبات العضوية؟ صياغة أحكام نظرية التركيب التي توضح الاختلاف في خواص المتماكبات. صياغة أحكام نظرية التركيب التي توضح تنوع المركبات العضوية.
ما هي المساهمة التي قدمها كل من العلماء - مؤسسي نظرية التركيب الكيميائي - لهذه النظرية؟ لماذا لعبت مساهمة الكيميائي الروسي دورا رائدا في تطوير هذه النظرية؟
قد يكون هناك ثلاثة أيزومرات من التركيبة C 5 H 12. اكتب صيغها الهيكلية الكاملة والمختصرة،
بناءً على نموذج جزيء المادة المعروض في نهاية الفقرة (انظر الشكل 7)، قم بتكوين صيغه الهيكلية الجزيئية والمختصرة.
احسب الجزء الكتلي للكربون في جزيئات العناصر الأربعة الأولى من سلسلة الألكانات المتماثلة.

نظرية أ.م. بتليروف

1. ترتبط الذرات الموجودة في الجزيئات ببعضها البعض بتسلسل معين بواسطة روابط كيميائية وفقا لتكافؤها. الترتيب الذي يتم به ربط الذرات يسمى تركيبها الكيميائي. الكربون في جميع المركبات العضوية رباعي التكافؤ.

2. يتم تحديد خصائص المواد ليس فقط من خلال التركيب النوعي والكمي للجزيئات، ولكن أيضًا من خلال بنيتها.

3. الذرات أو مجموعات الذرات تؤثر بشكل متبادل على بعضها البعض، مما يحدد تفاعل الجزيء.

4. يمكن إنشاء بنية الجزيئات بناءً على دراسة خواصها الكيميائية.

تحتوي المركبات العضوية على عدد من السمات المميزة التي تميزها عن المركبات غير العضوية. جميعها تقريبًا (مع استثناءات نادرة) قابلة للاشتعال؛ معظم المركبات العضوية لا تتفكك إلى أيونات، وذلك بسبب طبيعة الروابط التساهمية في المواد العضوية. ويتحقق النوع الأيوني من الرابطة فقط في أملاح الأحماض العضوية، على سبيل المثال، CH3COONa.

سلسلة متجانسة- هذه سلسلة لا نهاية لها من المركبات العضوية التي لها بنية مماثلة، وبالتالي، خصائص كيميائية مماثلة وتختلف عن بعضها البعض بأي عدد من مجموعات CH2- (الفرق المتماثل).

حتى قبل إنشاء نظرية البنية، كانت المواد التي لها نفس التركيب العنصري، ولكن بخصائص مختلفة، معروفة. كانت تسمى هذه المواد الأيزومرات، وكانت هذه الظاهرة نفسها تسمى الأيزومرية.

أساس الأيزومرية، كما أظهرها أ.م. بتلروف، يكمن الاختلاف في بنية الجزيئات التي تتكون من نفس مجموعة الذرات.

الايزومرية- هذه هي ظاهرة وجود المركبات التي لها نفس التركيب النوعي والكمي، ولكن هياكل مختلفة، وبالتالي خصائص مختلفة.

هناك نوعان من الأيزومرية: الهيكليالايزومرية و مكانيالأيزومرية.

الايزومرية الهيكلية

الايزومرات الهيكلية– مركبات لها نفس التركيب النوعي والكمي، وتختلف في ترتيب ترابط الذرات، أي التركيب الكيميائي.

الايزومرية المكانية

الايزومرات المكانية(الأيزومرات المجسمة) التي لها نفس التركيب ونفس التركيب الكيميائي تختلف في الترتيب المكاني للذرات في الجزيء.
الأيزومرات المكانية هي أيزومرات بصرية ورابطة الدول المستقلة (هندسية).

رابطة الدول المستقلة عبر الأيزومرية

تكمن في إمكانية وضع البدائل على أحد الجانبين أو على جانبين متقابلين من مستوى الرابطة المزدوجة أو الحلقة غير العطرية B ايزومرات رابطة الدول المستقلةالبدائل موجودة على جانب واحد من مستوى الحلقة أو الرابطة المزدوجة، في الايزومرات العابرة- بطرق مختلفة.

في جزيء البيوتين-2 CH3–CH=CH–CH3، يمكن أن توجد مجموعات CH3 إما على جانب واحد من الرابطة المزدوجة - في أيزومر رابطة الدول المستقلة، أو على الجوانب المقابلة - في الأيزومر العابر.

الايزومرية البصرية

يظهر عندما يكون للكربون أربعة بدائل مختلفة.
إذا قمت بتبديل أي اثنين منهم، فستحصل على أيزومر مكاني آخر بنفس التركيبة. تختلف الخصائص الفيزيائية والكيميائية لهذه الأيزومرات بشكل كبير. تتميز المركبات من هذا النوع بقدرتها على تدوير مستوى الضوء المستقطب المنقول عبر محلول من هذه المركبات بمقدار معين. في هذه الحالة، يقوم أحد الأيزومر بتدوير مستوى الضوء المستقطب في اتجاه واحد، ويدور الأيزومر الخاص به في الاتجاه المعاكس. وبسبب هذه التأثيرات البصرية، يسمى هذا النوع من الأيزومرية الأيزومرية البصرية.

كان أكبر حدث في تطور الكيمياء العضوية هو إنشاء العالم الروسي العظيم أ.م. نظرية بتليروف في التركيب الكيميائي للمركبات العضوية.

قبل صباحا واعتبر بتلروف أنه من المستحيل معرفة بنية الجزيء، أي ترتيب الروابط الكيميائية بين الذرات. حتى أن العديد من العلماء أنكروا حقيقة الذرات والجزيئات.

أكون. ونفى بتليروف هذا الرأي. انطلق من الأفكار المادية والفلسفية الصحيحة حول حقيقة وجود الذرات والجزيئات، وحول إمكانية معرفة الرابطة الكيميائية للذرات في الجزيء. وأظهر أنه يمكن إنشاء بنية الجزيء تجريبيا من خلال دراسة التحولات الكيميائية للمادة. وعلى العكس من ذلك، فبمعرفة بنية الجزيء، يمكن للمرء استنتاج الخواص الكيميائية للمركب.

تشرح نظرية التركيب الكيميائي تنوع المركبات العضوية. ويرجع ذلك إلى قدرة الكربون رباعي التكافؤ على تكوين سلاسل وحلقات كربونية واتحادها مع ذرات العناصر الأخرى ووجود الأيزومرية في التركيب الكيميائي للمركبات العضوية. وضعت هذه النظرية الأسس العلمية للكيمياء العضوية وشرحت أهم قوانينها. المبادئ الأساسية لنظريته أ.م. وقد أوضحها بتليروف في تقريره "حول نظرية التركيب الكيميائي".

المبادئ الرئيسية لنظرية البنية هي كما يلي:

1) في الجزيئات، ترتبط الذرات ببعضها البعض بتسلسل معين وفقًا لتكافؤها. الترتيب الذي يسمى به رابطة الذرات التركيب الكيميائي؛

2) لا تعتمد خصائص المادة فقط على الذرات والكمية الموجودة في جزيئها، ولكن أيضًا على ترتيب ارتباطها ببعضها البعض، أي على التركيب الكيميائي للجزيء؛

3) الذرات أو مجموعات الذرات التي تشكل الجزيء تؤثر بشكل متبادل على بعضها البعض.

في نظرية التركيب الكيميائي، يتم إيلاء الكثير من الاهتمام للتأثير المتبادل للذرات ومجموعات الذرات في الجزيء.

تسمى الصيغ الكيميائية التي تصور ترتيب ارتباط الذرات في الجزيئات بالصيغ الهيكلية أو الصيغ الهيكلية.

أهمية نظرية التركيب الكيميائي لـ A.M. بتلروفا:

1) هو الجزء الأكثر أهمية في الأساس النظري للكيمياء العضوية؛

2) من حيث الأهمية يمكن مقارنتها بالجدول الدوري للعناصر بواسطة D.I. مندليف.

3) جعل من الممكن تنظيم كمية هائلة من المواد العملية؛

4) جعل من الممكن التنبؤ مسبقا بوجود مواد جديدة، وكذلك الإشارة إلى طرق الحصول عليها.

تعتبر نظرية التركيب الكيميائي بمثابة الأساس التوجيهي لجميع الأبحاث في الكيمياء العضوية.

5. الايزومرية. التركيب الإلكتروني لذرات العناصر ذات الفترات القصيرة

خصائص المواد العضوية لا تعتمد فقط على تركيبها، ولكن أيضا على ترتيب اتصال الذرات في الجزيء.

الأيزومرات هي مواد لها نفس التركيب ونفس الكتلة المولية، ولكن لها هياكل جزيئية مختلفة، وبالتالي لها خصائص مختلفة.

الأهمية العلمية لنظرية التركيب الكيميائي:

1) يعمق فهم المادة؛

2) يشير إلى الطريق إلى معرفة البنية الداخلية للجزيئات؛

3) يجعل من الممكن فهم الحقائق المتراكمة في الكيمياء؛ التنبؤ بوجود مواد جديدة وإيجاد طرق لتركيبها.

مع كل هذا، ساهمت النظرية بشكل كبير في مواصلة تطوير الكيمياء العضوية والصناعة الكيميائية.

أعرب العالم الألماني أ.كيكولي عن فكرة ربط ذرات الكربون مع بعضها البعض في سلسلة.

عقيدة التركيب الإلكتروني للذرات.

ملامح عقيدة التركيب الإلكتروني للذرات: 1) جعلت من الممكن فهم طبيعة الرابطة الكيميائية للذرات؛ 2) معرفة جوهر التأثير المتبادل للذرات.

حالة الإلكترونات في الذرات وبنية الأغلفة الإلكترونية.

السحب الإلكترونية هي المناطق ذات الاحتمالية الأكبر لوجود الإلكترونات، والتي تختلف في شكلها وحجمها واتجاهها في الفضاء.

في ذرة هيدروجينيشكل الإلكترون الواحد عندما يتحرك سحابة سالبة الشحنة ذات شكل كروي (كروي).

إلكترونات S هي إلكترونات تشكل سحابة كروية.

تحتوي ذرة الهيدروجين على إلكترون واحد.

في ذرة هيليوم– اثنين من الإلكترونات.

مميزات ذرة الهيليوم: 1) سحب لها نفس الشكل الكروي؛ 2) أعلى كثافة بعيدة بنفس القدر عن القلب؛ 3) يتم دمج السحب الإلكترونية؛ 4) تشكل سحابة مشتركة ثنائية الإلكترون.

مميزات ذرة الليثيوم: 1) تحتوي على طبقتين إلكترونيتين؛ 2) تحتوي على سحابة كروية، ولكنها أكبر حجمًا بكثير من السحابة الداخلية ثنائية الإلكترون؛ 3) إلكترون الطبقة الثانية ينجذب إلى النواة أضعف من الأولين؛ 4) يتم التقاطها بسهولة بواسطة الذرات الأخرى في تفاعلات الأكسدة والاختزال؛ 5) لديه إلكترون s.

مميزات ذرة البريليوم: 1) الإلكترون الرابع هو إلكترون s؛ 2) يتم دمج السحابة الكروية مع سحابة الإلكترون الثالث؛ 3) يوجد إلكترونين s مقترنين في الطبقة الداخلية وإلكترونين s مقترنين في الطبقة الخارجية.

كلما زاد تداخل السحب الإلكترونية عندما تتحد الذرات، كلما تم إطلاق المزيد من الطاقة وأصبحت أقوى الرابطة الكيميائية.

نظرية بنية المركبات العضوية: التماثل والتصاوغ (البنيوي والمكاني). التأثير المتبادل للذرات في الجزيئات

نظرية التركيب الكيميائي للمركبات العضوية بقلم A. M. Butlerov

تمامًا كما هو الحال بالنسبة للكيمياء غير العضوية، فإن أساس التطور هو القانون الدوري والجدول الدوري للعناصر الكيميائية لـ D. I. Mendeleev، أما بالنسبة للكيمياء العضوية، فقد أصبحت نظرية بنية المركبات العضوية لـ A. M. Butlerov أساسية.

الافتراض الرئيسي لنظرية بتليروف هو الموقف التركيب الكيميائي للمادة، والذي يشير إلى الترتيب، وتسلسل الاتصال المتبادل للذرات في الجزيئات، أي. الرابطة الكيميائية.

يشير التركيب الكيميائي إلى ترتيب مجموعة ذرات العناصر الكيميائية في الجزيء وفقًا لتكافؤها.

يمكن عرض هذا الترتيب باستخدام الصيغ الهيكلية التي يُشار فيها إلى تكافؤ الذرات بشرطات: شرطة واحدة تتوافق مع وحدة التكافؤ لذرة عنصر كيميائي. على سبيل المثال، بالنسبة للمادة العضوية الميثان، التي لها الصيغة الجزيئية $CH_4$، تبدو الصيغة الهيكلية كما يلي:

الأحكام الرئيسية لنظرية A. M. Butlerov

ترتبط الذرات الموجودة في جزيئات المواد العضوية ببعضها البعض حسب تكافؤها. الكربون الموجود في المركبات العضوية هو دائما رباعي التكافؤ، وذراته قادرة على الاتحاد مع بعضها البعض، وتشكيل سلاسل مختلفة.
يتم تحديد خصائص المواد ليس فقط من خلال تركيبها النوعي والكمي، ولكن أيضًا من خلال ترتيب ارتباط الذرات في الجزيء، أي التركيب الكيميائي للمادة.
لا تعتمد خصائص المركبات العضوية على تركيب المادة وترتيب ارتباط الذرات في جزيئها فحسب، بل تعتمد أيضًا على التأثير المتبادل للذرات ومجموعات الذرات على بعضها البعض.

تعتبر نظرية بنية المركبات العضوية عقيدة ديناميكية ومتطورة. ومع تطور المعرفة بطبيعة الروابط الكيميائية وتأثير التركيب الإلكتروني لجزيئات المواد العضوية، بدأوا في استخدامها، بالإضافة إلى تجريبيو الهيكلية والإلكترونيةالصيغ. تشير هذه الصيغ إلى اتجاه إزاحة أزواج الإلكترون في الجزيء.

لقد أكدت كيمياء الكم وكيمياء بنية المركبات العضوية عقيدة الاتجاه المكاني للروابط الكيميائية ( رابطة الدول المستقلة-و الأيزومرية العابرة) ، درس خصائص الطاقة للتحولات المتبادلة في الأيزومرات، وجعل من الممكن الحكم على التأثير المتبادل للذرات في جزيئات المواد المختلفة، وخلق المتطلبات الأساسية للتنبؤ بأنواع الأيزومرية واتجاه وآلية التفاعلات الكيميائية.

المواد العضوية لديها عدد من الميزات:

تحتوي جميع المواد العضوية على الكربون والهيدروجين، لذلك عند احتراقها يتكون ثاني أكسيد الكربون والماء.
المواد العضوية معقدة ويمكن أن يكون لها وزن جزيئي ضخم (البروتينات والدهون والكربوهيدرات).
يمكن ترتيب المواد العضوية في صفوف من المتجانسات المتشابهة في التركيب والبنية والخصائص.
بالنسبة للمواد العضوية فهي مميزة الأيزومرية.

الايزومرية وتماثل المواد العضوية

خصائص المواد العضوية لا تعتمد فقط على تركيبها، ولكن أيضا على ترتيب اتصال الذرات في الجزيء.

الايزومرية- هذه هي ظاهرة وجود مواد مختلفة - أيزومرات لها نفس التركيب النوعي والكمي، أي. بنفس الصيغة الجزيئية.

هناك نوعان من الأيزومرية: الهيكليو المكانية (الأيزومرية المجسمة).تختلف الأيزومرات الهيكلية عن بعضها البعض في ترتيب رابطة الذرات في الجزيء؛ المتصاوغات الفراغية - ترتيب الذرات في الفضاء بنفس ترتيب الروابط بينها.

تتميز الأنواع التالية من الأيزومرية الهيكلية: الأيزومرية الهيكلية الكربونية ، الأيزومرية الموضعية ، الأيزومرية لفئات مختلفة من المركبات العضوية (الأيزومرية بين الطبقات).

الايزومرية الهيكلية

ايزومرية الهيكل العظمي الكربونيويرجع ذلك إلى اختلاف ترتيب الروابط بين ذرات الكربون التي تشكل الهيكل العظمي للجزيء. كما سبق أن أوضحنا، فإن الصيغة الجزيئية $C_4H_(10)$ تقابل اثنين من الهيدروكربونات: n-بيوتان وإيزوبيوتان. بالنسبة للهيدروكربون $С_5Н_(12)$ هناك ثلاثة أيزومرات ممكنة: البنتان، الأيزوبنتان والنيوبنتان:

$CH_3-CH_2-(CH_2)↙(بنتان)-CH_2-CH_3$

مع زيادة عدد ذرات الكربون في الجزيء، يزداد عدد الأيزومرات بسرعة. بالنسبة للهيدروكربون $С_(10)Н_(22)$ هناك بالفعل 75$، وبالنسبة للهيدروكربون $С_(20)Н_(44)$ - 366,319$.

الايزومرية الموضعيةبسبب الموقع المختلف للرابطة المتعددة، المجموعة الوظيفية البديلة، مع نفس الهيكل الكربوني للجزيء:

$CH_2=(CH-CH_2)↙(بيوتين-1)-CH_3$ $CH_3-(CH=CH)↙(بيوتين-2)-CH_3$

$(CH_3-CH_2-CH_2-OH)↙(ن- كحول البروبيل (بروبانول -1))$

الايزومرية لفئات مختلفة من المركبات العضوية (الايزومرية بين الطبقات)يحدث بسبب اختلاف مواقع ومجموعات الذرات في جزيئات المواد التي لها نفس الصيغة الجزيئية، ولكنها تنتمي إلى فئات مختلفة. وبالتالي، فإن الصيغة الجزيئية $C_6H_(12)$ تتوافق مع الهيدروكربون غير المشبع الهكسين -1 والهيدروكربون الحلقي الهكسان الحلقي:

الأيزومرات عبارة عن هيدروكربون مرتبط بالألكينات - البيوتين -1 وهيدروكربون ذو رابطتين مزدوجتين في سلسلة البيوتادين -1،3:

$CH≡C-(CH_2)↙(بوتين-1)-CH_2$ $CH_2=(CH-CH)↙(بوتادين-1,3)=CH_2$

ثنائي إيثيل إيثر وكحول البوتيل لهما نفس الصيغة الجزيئية $C_4H_(10)O$:

$(CH_3CH_2OCH_2CH_3)↙(\text"ثنائي إيثيل الإيثر")$ $(CH_3CH_2CH_2CH_2OH)↙(\text"ن-كحول البوتيل (1-بيوتانول)")$

الأيزومرات الهيكلية هي حمض الأمينو أسيتيك والنيتروإيثان، المقابلة للصيغة الجزيئية $C_2H_5NO_2$:

تحتوي الأيزومرات من هذا النوع على مجموعات وظيفية مختلفة وتنتمي إلى فئات مختلفة من المواد. ولذلك، فهي تختلف في الخواص الفيزيائية والكيميائية أكثر بكثير من أيزومرات هيكل الكربون أو أيزومرات موضعية.

الايزومرية المكانية

الايزومرية المكانيةوينقسم إلى نوعين: هندسية وبصرية. الأيزومرية الهندسية هي سمة من سمات المركبات التي تحتوي على روابط مزدوجة ومركبات دورية. نظرًا لأن الدوران الحر للذرات حول رابطة مزدوجة أو في حلقة أمر مستحيل، فيمكن وضع البدائل إما على جانب واحد من مستوى الرابطة المزدوجة أو الحلقة ( رابطة الدول المستقلة- الموقف)، أو على الجانبين المتقابلين ( نشوة-موضع). التسميات رابطة الدول المستقلة-و نشوة-يُشار إليه عادةً على أنه زوج من البدائل المتطابقة:

تختلف الأيزومرات الهندسية في الخواص الفيزيائية والكيميائية.

الايزومرية البصريةيحدث عندما يكون الجزيء غير متوافق مع صورته في المرآة. وهذا ممكن عندما يكون لذرة الكربون في الجزيء أربعة بدائل مختلفة. تسمى هذه الذرة غير متماثل.مثال على هذا الجزيء هو جزيء $α$-aminopropionic acid ($α$-alanine) $CH_3CH(NH_2)COOH$.

لا يمكن لجزيء $α$-alanine أن يتطابق مع صورته في المرآة بغض النظر عن كيفية تحركه. تسمى هذه الايزومرات المكانية مرآة، الأضداد البصرية، أو متصاوغات ضوئية.جميع الخصائص الفيزيائية وجميع الخصائص الكيميائية تقريبًا لهذه الأيزومرات متطابقة.

تعتبر دراسة الأيزومرية الضوئية ضرورية عند النظر في العديد من التفاعلات التي تحدث في الجسم. تحدث معظم هذه التفاعلات تحت تأثير الإنزيمات - المحفزات البيولوجية. يجب أن تتناسب جزيئات هذه المواد مع جزيئات المركبات التي تعمل عليها، مثل مفتاح القفل، وبالتالي فإن البنية المكانية والترتيب النسبي لأقسام الجزيئات والعوامل المكانية الأخرى لها أهمية كبيرة في سير العمل. ردود الفعل هذه. تسمى ردود الفعل هذه انتقائي.

معظم المركبات الطبيعية هي عبارة عن مضادات متبلورة فردية، ويختلف تأثيرها البيولوجي بشكل حاد عن خصائص أضدادها الضوئية التي يتم الحصول عليها في المختبر. مثل هذا الاختلاف في النشاط البيولوجي له أهمية كبيرة، لأنه يكمن وراء الخاصية الأكثر أهمية لجميع الكائنات الحية - التمثيل الغذائي.

سلسلة متجانسةهي سلسلة من المواد مرتبة ترتيبا تصاعديا لكتلتها الجزيئية النسبية، متشابهة في التركيب والخصائص الكيميائية، حيث يختلف كل عضو عن سابقه بالفرق المتماثل $CH_2$. على سبيل المثال: $CH_4$ - الميثان، $C_2H_6$ - الإيثان، $C_3H_8$ - البروبان، $C_4H_(10)$ - البيوتان، إلخ.

أنواع الروابط في جزيئات المواد العضوية. تهجين المدارات الذرية للكربون. متطرف. المجموعة الوظيفية.

أنواع الروابط في جزيئات المواد العضوية.

في المركبات العضوية، يكون الكربون دائمًا رباعي التكافؤ. في الحالة المثارة، ينكسر زوج من الإلكترونات $2s^3$ في ذرته وينتقل أحدهما إلى المدار p:

تحتوي هذه الذرة على أربعة إلكترونات غير متزاوجة ويمكنها المشاركة في تكوين أربع روابط تساهمية.

استنادًا إلى الصيغة الإلكترونية المعطاة لمستوى التكافؤ لذرة الكربون، يتوقع المرء أنها تحتوي على إلكترون $s$ واحد (مدار كروي متماثل) وثلاثة إلكترونات $p$ لها مدارات متعامدة بشكل متبادل ($2r_kh, 2r_у, 2p_z $- المداري). في الواقع، جميع إلكترونات التكافؤ الأربعة لذرة الكربون يعادل تماماوالزوايا بين مداراتها تساوي $109°28"$. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الحسابات أن كل من الروابط الكيميائية الأربعة للكربون في جزيء الميثان ($CH_4$) تبلغ $25%$ $s-$ و$75%$ $p $-اتصال، أي. خلط$s-$ و $p-$ حالات الإلكترونات.وتسمى هذه الظاهرة تهجين،والمدارات المختلطة - هجين.

تحتوي ذرة الكربون في حالة التكافؤ $sp^3$ على أربعة مدارات، يحتوي كل منها على إلكترون واحد. وفقا لنظرية الروابط التساهمية فإنه لديه القدرة على تكوين أربع روابط تساهمية مع ذرات أي عنصر أحادي التكافؤ ($CH_4, CHCl_3, CCl_4$) أو مع ذرات الكربون الأخرى. تسمى هذه الاتصالات اتصالات $σ$. إذا كانت ذرة الكربون تحتوي على رابطة $C-C$ واحدة، فإنها تسمى أساسي($Н_3С-СН_3$)، إذا كان اثنان - ثانوي($Н_3С-СН_2-СН_3$)، إذا كان ثلاثة - بعد الثانوي ()، وإذا كان أربعة - رباعي ().

إحدى السمات المميزة لذرات الكربون هي قدرتها على تكوين روابط كيميائية من خلال مشاركة الإلكترونات $p$ فقط. تسمى هذه الاتصالات اتصالات $π$. تتشكل الروابط $π$ في جزيئات المركبات العضوية فقط في وجود روابط $σ$ بين الذرات. وهكذا، في جزيء الإيثيلين $H_2C=CH_2$، ترتبط ذرات الكربون برابطة $σ-$ ورابطة $π$ واحدة، في جزيء الأسيتيلين $HC=CH$ - برابطة $σ-$ واحدة ورابطتين $π$ . تسمى الروابط الكيميائية التي تتكون بمشاركة روابط $π$ مضاعفات(في جزيء الإيثيلين - مزدوج، في جزيء الأسيتيلين - ثلاثية)، والمركبات ذات الروابط المتعددة - غير مشبعة.

ظاهرة$sp^3$-, $sp^2$- و$س$ - تهجين ذرة الكربون .

عندما تتشكل روابط $π$، تتغير الحالة الهجينة للمدارات الذرية لذرة الكربون. نظرًا لأن تكوين روابط $π$ يحدث بسبب إلكترونات p، ففي الجزيئات ذات الرابطة المزدوجة، سيكون للإلكترونات تهجين $sp^2$ (كان هناك $sp^3$، ولكن يذهب إلكترون واحد إلى $π$- المداري)، ومع تهجين ثلاثي - $sp$ (ذهب إلكترونان p إلى المدار $π$). طبيعة التهجين تغير اتجاه السندات $σ$. إذا كانت أثناء التهجين $sp^3$ تشكل هياكل متفرعة مكانيًا ($a$)، فعند التهجين $sp^2$، تقع جميع الذرات في نفس المستوى وتكون الزوايا بين روابط $σ$ تساوي $120° $(b) ومع التهجين $sp$ يكون الجزيء خطيًا (c):

في هذه الحالة، تكون محاور المدارات $π$ متعامدة مع محور الرابطة $σ$.

كل من الروابط $σ$- و $π$- تساهمية، مما يعني أنها يجب أن تتميز بالطول والطاقة والاتجاه المكاني والقطبية.

خصائص الروابط الفردية والمتعددة بين ذرات C.

متطرف. المجموعة الوظيفية.

إحدى سمات المركبات العضوية هي أنه في التفاعلات الكيميائية، لا تتبادل جزيئاتها الذرات الفردية، بل مجموعات من الذرات. وإذا كانت هذه المجموعة من الذرات تتكون فقط من ذرات الكربون والهيدروجين فإنها تسمى جذري الهيدروكربونفإذا كان به ذرات عناصر أخرى فإنه يسمى المجموعة الوظيفية. لذلك، على سبيل المثال، الميثيل ($СН_3$-) والإيثيل ($С_2Н_5$-) هما من جذور الهيدروكربون، ومجموعة الهيدروكسي (-$ОН$)، مجموعة الألدهيد ( )، مجموعة النيترو (-$NO_2$)، وما إلى ذلك هي المجموعات الوظيفية للكحولات والألدهيدات والمركبات المحتوية على النيتروجين، على التوالي.

عادة، تحدد المجموعة الوظيفية الخواص الكيميائية للمركب العضوي، وبالتالي فهي أساس تصنيفها.

ولد ألكسندر ميخائيلوفيتش بتلروف في 3 (15) سبتمبر 1828 في مدينة تشيستوبول بمقاطعة كازان لعائلة مالك أرض وضابط متقاعد. تلقى تعليمه الأول في مدرسة داخلية خاصة، ثم درس في صالة الألعاب الرياضية وجامعة كازان الإمبراطورية. قام بالتدريس منذ عام 1849، وفي عام 1857 أصبح أستاذًا عاديًا للكيمياء في نفس الجامعة. وكان رئيس الجامعة مرتين. في عام 1851 دافع عن أطروحة الماجستير "حول أكسدة المركبات العضوية"، وفي عام 1854 في جامعة موسكو - أطروحة الدكتوراه "عن الزيوت الأساسية". منذ عام 1868 كان أستاذا عاديا للكيمياء في جامعة سانت بطرسبرغ، ومنذ عام 1874 - أكاديمي عادي في أكاديمية سانت بطرسبرغ للعلوم. بالإضافة إلى الكيمياء، اهتم بتليروف بالقضايا العملية المتعلقة بالزراعة والبستنة وتربية النحل؛ وتحت قيادته، بدأت زراعة الشاي في القوقاز. توفي في قرية بتليروفكا بمقاطعة كازان في 5 (17) أغسطس 1886.

قبل بتليروف، تم إجراء عدد كبير من المحاولات لإنشاء عقيدة التركيب الكيميائي للمركبات العضوية. تمت معالجة هذه المشكلة مرارًا وتكرارًا من قبل أبرز الكيميائيين في ذلك الوقت، والذين استخدم العالم الروسي أعمالهم جزئيًا في نظريته حول البنية. على سبيل المثال، استنتج الكيميائي الألماني أوغست كيكولي أن الكربون يمكن أن يشكل أربع روابط مع ذرات أخرى. علاوة على ذلك، كان يعتقد أنه يمكن وجود عدة صيغ لنفس المركب، لكنه أضاف دائمًا أنه اعتمادًا على التحول الكيميائي، يمكن أن تكون هذه الصيغة مختلفة. يعتقد كيكولي أن الصيغ لا تعكس الترتيب الذي ترتبط به الذرات في الجزيء. عالم ألماني بارز آخر، أدولف كولبي، اعتبر بشكل عام أنه من المستحيل بشكل أساسي توضيح التركيب الكيميائي للجزيئات.

أعرب بتليروف لأول مرة عن أفكاره الأساسية حول بنية المركبات العضوية في عام 1861 في تقرير بعنوان "حول التركيب الكيميائي للمادة"، والذي قدمه إلى المشاركين في مؤتمر علماء الطبيعة والأطباء الألمان في شباير. في نظريته، قام بدمج أفكار من كيكولي حول التكافؤ (عدد الروابط لذرة معينة) والكيميائي الاسكتلندي أرشيبالد كوبر بأن ذرات الكربون يمكن أن تشكل سلاسل. كان الاختلاف الأساسي بين نظرية بتليروف ونظرية أخرى هو النص على التركيب الكيميائي (وليس الميكانيكي) للجزيئات - الطريقة التي ترتبط بها الذرات مع بعضها البعض لتكوين جزيء. وفي هذه الحالة، أنشأت كل ذرة رابطة وفقًا لـ "القوة الكيميائية" التي تنتمي إليها تحديدًا. وقد ميز العالم في نظريته بشكل واضح بين الذرة الحرة والذرة التي دخلت في اتصال مع أخرى (تتحول إلى شكل جديد، ونتيجة للتأثير المتبادل، فإن الذرات المتصلة، تبعا للبيئة الهيكلية ، لها وظائف كيميائية مختلفة). كان الكيميائي الروسي مقتنعا بأن الصيغ لا تصور الجزيئات بشكل تخطيطي فحسب، بل تعكس أيضا بنيتها الحقيقية. علاوة على ذلك، فإن كل جزيء له بنية محددة، والتي تتغير فقط أثناء التحولات الكيميائية. ومن أحكام النظرية يتبع (تم تأكيدها تجريبيًا لاحقًا) أن الخواص الكيميائية للمركب العضوي يتم تحديدها من خلال بنيته. هذا البيان مهم بشكل خاص، لأنه جعل من الممكن شرح والتنبؤ بالتحولات الكيميائية للمواد. هناك أيضًا علاقة عكسية: يمكن استخدام الصيغة البنائية للحكم على الخواص الكيميائية والفيزيائية للمادة. بالإضافة إلى ذلك، لفت العالم الانتباه إلى حقيقة أن تفاعلية المركبات تفسر بالطاقة التي ترتبط بها الذرات.

بمساعدة النظرية التي تم إنشاؤها، كان بتلروف قادرا على شرح الأيزومرية. الأيزومرات عبارة عن مركبات تكون فيها كمية و"نوعية" الذرات هي نفسها، ولكن في نفس الوقت لها خصائص كيميائية مختلفة، وبالتالي بنية مختلفة. جعلت النظرية من الممكن شرح حالات الأيزومرية المعروفة بوضوح. يعتقد بتلروف أنه من الممكن تحديد الترتيب المكاني للذرات في الجزيء. تم تأكيد توقعاته في وقت لاحق، مما أعطى قوة دافعة لتطوير فرع جديد من الكيمياء العضوية - الكيمياء المجسمة. وتجدر الإشارة إلى أن العالم هو أول من اكتشف وشرح ظاهرة الأيزومرية الديناميكية. معناها هو أن اثنين أو أكثر من الأيزومرات في ظل ظروف معينة يمكن أن تتحول بسهولة إلى بعضها البعض. بشكل عام، كانت الأيزومرية هي التي أصبحت اختبارًا جديًا لنظرية التركيب الكيميائي وتم شرحها ببراعة.

وسرعان ما جلبت الأحكام التي لا يمكن دحضها والتي صاغها بتليروف الاعتراف العالمي بالنظرية. تم تأكيد صحة الأفكار المطروحة من خلال تجارب العالم وأتباعه. في عمليتهم، أثبتوا فرضية الأيزومرية: قام بتلروف بتوليف أحد كحولات البوتيل الأربعة التي تنبأت بها النظرية وقام بفك رموز بنيتها. وفقا لقواعد الأيزومرية، التي تنبع مباشرة من النظرية، تم اقتراح إمكانية وجود أربعة أحماض فاليريك. وتم استقبالهم فيما بعد.

هذه مجرد حقائق معزولة ضمن سلسلة من الاكتشافات: النظرية الكيميائية لتركيب المركبات العضوية تتمتع بقدرة تنبؤية مذهلة.

وفي فترة قصيرة نسبيا، تم اكتشاف وتصنيع ودراسة عدد كبير من المواد العضوية الجديدة وإيزومراتها. ونتيجة لذلك، أعطت نظرية بتليروف قوة دافعة للتطور السريع في العلوم الكيميائية، بما في ذلك الكيمياء العضوية الاصطناعية. وبالتالي، فإن تركيبات بتليروف العديدة هي المنتجات الرئيسية لصناعات بأكملها.

استمرت نظرية التركيب الكيميائي في التطور، مما جلب العديد من الأفكار الثورية إلى الكيمياء العضوية في ذلك الوقت. على سبيل المثال، اقترح كيكولي البنية الدورية للبنزين وحركة روابطه المزدوجة في الجزيء، والخصائص الخاصة للمركبات ذات الروابط المترافقة، وأكثر من ذلك بكثير. علاوة على ذلك، فإن النظرية المذكورة جعلت الكيمياء العضوية أكثر وضوحا - وأصبح من الممكن رسم الصيغ الجزيئية.

وهذا بدوره يمثل بداية تصنيف المركبات العضوية. لقد كان استخدام الصيغ الهيكلية هو الذي ساعد في تحديد طرق تصنيع مواد جديدة وإنشاء بنية المركبات المعقدة، أي أنه حدد التطور النشط لعلم الكيمياء وفروعه. على سبيل المثال، بدأ بتليروف في إجراء بحث جدي في عملية البلمرة. وفي روسيا، واصل طلابه هذه المبادرة، مما جعل من الممكن في النهاية اكتشاف طريقة صناعية لإنتاج المطاط الصناعي.