Teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser, typer af bindinger. Teori om organiske forbindelsers kemiske struktur A.M.

Ligesom i uorganisk kemi er det grundlæggende teoretiske grundlag den periodiske lov og det periodiske system af kemiske grundstoffer af D.I. Mendeleev, så er det førende videnskabelige grundlag i organisk kemi Butlerov-Kekule-Cooper-teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser.

Som enhver anden videnskabelig teori var teorien om organiske forbindelsers struktur resultatet af en generalisering af det rigeste faktuelle materiale, som den organiske kemi, der tog form som en videnskab i begyndelsen af ​​det 19. århundrede, havde akkumuleret. Flere og flere nye kulstofforbindelser blev opdaget, hvis antal steg som en lavine (tabel 1).

tabel 1
Antal organiske forbindelser kendt i forskellige år

Forskere fra det tidlige 19. århundrede forklarede denne mangfoldighed af organiske forbindelser. kunne ikke. Fænomenet isomerisme rejste endnu flere spørgsmål.

For eksempel er ethylalkohol og dimethylether isomerer: disse stoffer har samme sammensætning C 2 H 6 O, men en anden struktur, det vil sige en anden rækkefølge af forbindelse af atomer i molekyler, og derfor forskellige egenskaber.

F. Wöhler, du allerede kender, beskrev organisk kemi i et af sine breve til J. J. Berzelius: ”Organisk kemi kan nu drive enhver til vanvid. Det forekommer mig som en tæt skov, fuld af fantastiske ting, et grænseløst krat, hvorfra du ikke kan komme ud, som du ikke tør trænge ind i...”

Udviklingen af ​​kemi var i høj grad påvirket af den engelske videnskabsmand E. Franklands arbejde, som med udgangspunkt i atomismens ideer introducerede begrebet valens (1853).

I brintmolekylet H2 dannes én kovalent kemisk binding H-H, dvs. hydrogen er monovalent. Valensen af ​​et kemisk grundstof kan udtrykkes ved antallet af brintatomer, som et atom af det kemiske grundstof tilføjer til sig selv eller erstatter. For eksempel er svovl i svovlbrinte og oxygen i vand divalente: H 2 S eller H-S-H, H 2 O eller H-O-H, og nitrogen i ammoniak er trivalent:

I organisk kemi er begrebet ”valens” en analog til begrebet ”oxidationstilstand”, som du er vant til at arbejde med i forløbet i uorganisk kemi i grundskolen. Dette er dog ikke det samme. For eksempel i nitrogenmolekylet N2 er nitrogens oxidationstilstand nul, og valensen er tre:

I hydrogenperoxid H2O2 er oxygenets oxidationstilstand -1, og valensen er to:

I ammoniumionen NH + 4 er nitrogens oxidationstilstand -3, og valensen er fire:

Normalt, i forhold til ioniske forbindelser (natriumchlorid NaCl og mange andre uorganiske stoffer med ionbindinger), bruges udtrykket "valens" af atomer ikke, men deres oxidationstilstand tages i betragtning. Derfor er det i uorganisk kemi, hvor de fleste stoffer har en ikke-molekylær struktur, at foretrække at bruge begrebet "oxidationstilstand", og i organisk kemi, hvor de fleste forbindelser har en molekylær struktur, som regel begrebet " valens” bruges.

Teorien om kemisk struktur er resultatet af en generalisering af ideerne fra fremragende organiske videnskabsmænd fra tre europæiske lande: tyskeren F. Kekule, englænderen A. Cooper og russeren A. Butlerov.

I 1857 klassificerede F. Kekule kulstof som et tetravalent grundstof, og i 1858 bemærkede han sammen med A. Cooper, at kulstofatomer er i stand til at forbinde med hinanden i forskellige kæder: lineære, forgrenede og lukkede (cykliske).

F. Kekules og A. Coopers værker tjente som grundlag for udviklingen af ​​en videnskabelig teori, der forklarer fænomenet isomerisme, forholdet mellem sammensætning, struktur og egenskaber af molekyler af organiske forbindelser. Denne teori blev skabt af den russiske videnskabsmand A.M. Butlerov. Det var hans nysgerrige sind, der "vovede at trænge ind" i den "tætte skov" af organisk kemi og begynde at omdanne dette "grænseløse krat" til en regulær park oversvømmet med sollys med et system af stier og stræder. De grundlæggende ideer i denne teori blev først udtrykt af A. M. Butlerov i 1861 på kongressen for tyske naturforskere og læger i Speyer.

De vigtigste bestemmelser og konsekvenser af Butlerov-Kekule-Cooper-teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser kan kort formuleres som følger.

1. Atomer i molekyler af stoffer er forbundet i en bestemt rækkefølge i henhold til deres valens. Kulstof i organiske forbindelser er altid tetravalent, og dets atomer er i stand til at kombinere med hinanden og danner forskellige kæder (lineære, forgrenede og cykliske).

Organiske forbindelser kan arrangeres i rækker af stoffer, der ligner sammensætning, struktur og egenskaber - homologe rækker.

Butlerov Alexander Mikhailovich (1828-1886), russisk kemiker, professor ved Kazan Universitet (1857-1868), fra 1869 til 1885 - professor ved St. Petersborg Universitet. Akademiker ved Sankt Petersborgs Videnskabsakademi (siden 1874). Skaber af teorien om den kemiske struktur af organiske forbindelser (1861). Forudsagte og studerede isomerismen af ​​mange organiske forbindelser. Syntetiserede mange stoffer.

For eksempel er methan CH 4 stamfaderen til den homologe serie af mættede carbonhydrider (alkaner). Dens nærmeste homolog er ethan C2H6 eller CH3-CH3. De næste to medlemmer af den homologe serie af methan er propan C3H8 eller CH3-CH2-CH3 og butan C4H10 eller CH3-CH2-CH2-CH3 osv.

Det er let at se, at man for homologiske serier kan udlede en generel formel for rækken. Så for alkaner er denne generelle formel C n H 2n + 2.

2. Stoffers egenskaber afhænger ikke kun af deres kvalitative og kvantitative sammensætning, men også af strukturen af ​​deres molekyler.

Denne position af teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser forklarer fænomenet isomerisme. Det er indlysende, at for butan C 4 H 10, ud over et molekyle med en lineær struktur CH3-CH2-CH2-CH3, er en forgrenet struktur også mulig:

Dette er et helt nyt stof med sine egne individuelle egenskaber, der adskiller sig fra egenskaberne for butan med en lineær struktur.

Butan, i hvis molekyle atomerne er arrangeret i en lineær kæde, kaldes normal butan (n-butan), og butan, hvis kæde af carbonatomer er forgrenet, kaldes isobutan.

Der er to hovedtyper af isomerisme - strukturel og rumlig.

I overensstemmelse med den accepterede klassifikation skelnes der mellem tre typer af strukturel isomerisme.

Isomerisme af kulstofskelettet. Forbindelser adskiller sig i rækkefølgen af ​​carbon-carbon-bindinger, for eksempel diskuteret n-butan og isobutan. Det er denne type isomerisme, der er karakteristisk for alkaner.

Isomerisme af positionen af ​​en multipelbinding (C=C, C=C) eller en funktionel gruppe (dvs. en gruppe atomer, der bestemmer, om en forbindelse tilhører en bestemt klasse af organiske forbindelser), for eksempel:

Interklasse-isomerisme. Isomerer af denne type isomerisme tilhører forskellige klasser af organiske forbindelser, for eksempel ethylalkohol (klasse af mættede monovalente alkoholer) og dimethylether (klasse af ethere) diskuteret ovenfor.

Der er to typer af rumlig isomerisme: geometrisk og optisk.

Geometrisk isomerisme er først og fremmest karakteristisk for forbindelser med en dobbelt carbon-carbon-binding, da molekylet på stedet for en sådan binding har en plan struktur (fig. 6).

Ris. 6.
Ethylen molekyle model

For eksempel, for buten-2, hvis identiske grupper af atomer ved carbonatomerne ved dobbeltbindingen er på den ene side af planet for C=C-bindingen, så er molekylet en cis-isomer, hvis det på modsatte sider er en trans-isomer.

Optisk isomeri observeres for eksempel i stoffer, hvis molekyler har et asymmetrisk eller chiralt carbonatom bundet til fire forskellige suppleanter. Optiske isomerer er spejlbilleder af hinanden, ligesom to håndflader, og er ikke kompatible. (Nu forstår du åbenbart det andet navn for denne type isomerisme: græsk chiros - hånd - et eksempel på en asymmetrisk figur.) For eksempel findes 2-hydroxypropansyre (mælkesyre), der indeholder et asymmetrisk carbonatom, i formen af to optiske isomerer.

I chirale molekyler opstår isomere par, hvor isomermolekylerne er relateret til hinanden i deres rumlige organisation på samme måde som et objekt og dets spejlbillede er relateret til hinanden. Et par af sådanne isomerer har altid de samme kemiske og fysiske egenskaber, med undtagelse af optisk aktivitet: hvis en isomer roterer planet af polariseret lys med uret, så roterer den anden nødvendigvis mod uret. Den første isomer kaldes højredrejende, og den anden kaldes venstredrejende.

Betydningen af ​​optisk isomerisme i organiseringen af ​​livet på vores planet er meget stor, da optiske isomerer kan afvige betydeligt både i deres biologiske aktivitet og i kompatibilitet med andre naturlige forbindelser.

3. Atomer i molekyler af stoffer påvirker hinanden. Du vil overveje den gensidige indflydelse af atomer i molekylerne af organiske forbindelser under videre studier af kurset.

Den moderne teori om strukturen af ​​organiske forbindelser er ikke kun baseret på den kemiske, men også på den elektroniske og rumlige struktur af stoffer, som diskuteres i detaljer på profilniveauet for at studere kemi.

I organisk kemi er flere typer kemiske formler meget brugt.

Molekylformlen afspejler den kvalitative sammensætning af forbindelsen, det vil sige, den viser antallet af atomer af hvert af de kemiske elementer, der danner stoffets molekyle. For eksempel er molekylformlen for propan: C 3 H 8.

Strukturformlen afspejler rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i et molekyle i henhold til valens. Strukturformlen for propan er:

Der er ofte ikke behov for at afbilde i detaljer de kemiske bindinger mellem kulstof- og brintatomer, så i de fleste tilfælde bruges forkortede strukturformler. For propan er denne formel skrevet som følger: CH 3 -CH 2 -CH 3.

Strukturen af ​​molekyler af organiske forbindelser afspejles ved hjælp af forskellige modeller. De mest kendte er volumetriske (skala) og ball-and-stick-modeller (fig. 7).

Ris. 7.
Ethan molekyle modeller:
1 - kugle-og-stang; 2 - skala

Nye ord og begreber

1. Isomerisme, isomerer.
2. Valence.
3. Kemisk struktur.
4. Teori om strukturen af ​​organiske forbindelser.
5. Homolog serie og homolog forskel.
6. Molekylære og strukturelle formler.
7. Modeller af molekyler: volumetrisk (skala) og ball-and-stick.

Spørgsmål og opgaver

1. Hvad er valens? Hvordan adskiller det sig fra oxidationstilstand? Giv eksempler på stoffer, hvor værdierne af oxidationstilstanden og valensen af ​​atomerne er numerisk ens og forskellige,
2. Bestem valensen og oxidationstilstanden for atomer i stoffer, hvis formler er Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
3. Hvad er isomerisme; isomerer?
4. Hvad er homologi; homologer?
5. Hvordan, ved hjælp af viden om isomerisme og homologi, forklare mangfoldigheden af ​​kulstofforbindelser?
6. Hvad menes med den kemiske struktur af molekyler af organiske forbindelser? Formuler bestemmelserne i strukturteorien, som forklarer forskellen i isomers egenskaber Formuler strukturteoriens bestemmelser, som forklarer mangfoldigheden af ​​organiske forbindelser.
7. Hvilket bidrag ydede hver af videnskabsmændene - grundlæggerne af teorien om kemisk struktur - til denne teori? Hvorfor spillede den russiske kemikers bidrag en ledende rolle i udviklingen af ​​denne teori?
8. Der kan være tre isomerer af sammensætningen C 5 H 12. Skriv deres fulde og forkortede strukturformler ned,
9. Baseret på modellen af ​​stofmolekylet præsenteret i slutningen af ​​afsnittet (se fig. 7), komponer dets molekylære og forkortede strukturformler.
10. Beregn massefraktionen af ​​kulstof i molekylerne af de første fire medlemmer af den homologe serie af alkaner.

Teori A.M. Butlerov

1. Atomer i molekyler er forbundet med hinanden i en bestemt rækkefølge ved kemiske bindinger i overensstemmelse med deres valens. Den rækkefølge, hvori atomer binder, kaldes deres kemiske struktur. Kulstof i alle organiske forbindelser er tetravalent.

2. Stoffers egenskaber bestemmes ikke kun af den kvalitative og kvantitative sammensætning af molekyler, men også af deres struktur.

3. Atomer eller grupper af atomer påvirker hinanden gensidigt, hvilket bestemmer molekylets reaktivitet.

4. Strukturen af ​​molekyler kan etableres baseret på studiet af deres kemiske egenskaber.

Organiske forbindelser har en række karakteristiske træk, der adskiller dem fra uorganiske. Næsten alle af dem (med sjældne undtagelser) er brandfarlige; De fleste organiske forbindelser dissocierer ikke til ioner, hvilket skyldes arten af ​​kovalente bindinger i organiske stoffer. Den ioniske type binding realiseres kun i salte af organiske syrer, for eksempel CH3COONa.

Homolog serie- dette er en endeløs række af organiske forbindelser, der har en lignende struktur og derfor ens kemiske egenskaber og adskiller sig fra hinanden med et vilkårligt antal CH2-grupper (homolog forskel).

Allerede før skabelsen af ​​teorien om struktur var stoffer med samme grundstofsammensætning, men med forskellige egenskaber kendt. Sådanne stoffer blev kaldt isomerer, og selve dette fænomen blev kaldt isomerisme.

Grundlaget for isomerisme, som vist af A.M. Butlerov, ligger forskellen i strukturen af ​​molekyler, der består af det samme sæt atomer.

Isomerisme- dette er fænomenet med eksistensen af ​​forbindelser, der har den samme kvalitative og kvantitative sammensætning, men forskellige strukturer og derfor forskellige egenskaber.

Der er 2 typer isomerisme: strukturel isomerisme og rumlige isomerisme.

Strukturel isomeri

Strukturelle isomerer- forbindelser af samme kvalitative og kvantitative sammensætning, der adskiller sig i rækkefølgen af ​​bindinger af atomer, dvs. kemisk struktur.

Rumlig isomerisme

Rumlige isomerer(stereoisomerer) med samme sammensætning og samme kemiske struktur adskiller sig i det rumlige arrangement af atomer i molekylet.
Rumlige isomerer er optiske og cis-trans-isomerer (geometriske).

Cis-trans isomeri

ligger i muligheden for at placere substituenter på den ene eller modsatte sider af planet af en dobbeltbinding eller ikke-aromatisk ring. cis-isomerer substituenterne er på den ene side af ringens plan eller dobbeltbindingen, i trans-isomerer- på forskellige måder.

I buten-2-molekylet CH3–CH=CH–CH3 kan CH3-grupper være placeret enten på den ene side af dobbeltbindingen - i cis-isomeren, eller på modsatte sider - i trans-isomeren.

Optisk isomeri

Vises, når et kulstof har fire forskellige substituenter.
Hvis du bytter to af dem, får du en anden rumlig isomer af samme sammensætning. De fysisk-kemiske egenskaber af sådanne isomerer adskiller sig væsentligt. Forbindelser af denne type er kendetegnet ved deres evne til at rotere planet af polariseret lys transmitteret gennem en opløsning af sådanne forbindelser med en vis mængde. I dette tilfælde roterer en isomer planet af polariseret lys i én retning, og dens isomer roterer i den modsatte retning. På grund af sådanne optiske effekter kaldes denne type isomerisme optisk isomerisme.

Den største begivenhed i udviklingen af ​​organisk kemi var oprettelsen i 1961 af den store russiske videnskabsmand A.M. Butlerovs teori om den kemiske struktur af organiske forbindelser.

Inden A.M. Butlerov anså det for umuligt at kende strukturen af ​​et molekyle, det vil sige rækkefølgen af ​​kemiske bindinger mellem atomer. Mange videnskabsmænd benægtede endda virkeligheden af ​​atomer og molekyler.

ER. Butlerov benægtede denne udtalelse. Han gik ud fra de korrekte materialistiske og filosofiske ideer om virkeligheden af ​​eksistensen af ​​atomer og molekyler, om muligheden for at kende den kemiske binding af atomer i et molekyle. Han viste, at strukturen af ​​et molekyle kan etableres eksperimentelt ved at studere de kemiske omdannelser af et stof. Omvendt kan man ved at kende strukturen af ​​molekylet udlede forbindelsens kemiske egenskaber.

Teorien om kemisk struktur forklarer mangfoldigheden af ​​organiske forbindelser. Det skyldes evnen af ​​tetravalent kulstof til at danne kulstofkæder og -ringe, kombinere med atomer af andre elementer og tilstedeværelsen af ​​isomerisme i den kemiske struktur af organiske forbindelser. Denne teori lagde det videnskabelige grundlag for organisk kemi og forklarede dens vigtigste love. De grundlæggende principper i hans teori A.M. Butlerov skitserede det i sin rapport "Om teorien om kemisk struktur."

Hovedprincipperne i teorien om struktur er som følger:

1) i molekyler er atomer forbundet med hinanden i en bestemt rækkefølge i overensstemmelse med deres valens. Den rækkefølge, hvori atomerne binder sig, kaldes kemisk struktur;

2) et stofs egenskaber afhænger ikke blot af, hvilke atomer og i hvilken mængde der indgår i dets molekyle, men også af den rækkefølge, hvori de er forbundet med hinanden, altså af molekylets kemiske struktur;

3) atomer eller grupper af atomer, der danner et molekyle, påvirker hinanden gensidigt.

I teorien om kemisk struktur lægges der stor vægt på den gensidige påvirkning af atomer og grupper af atomer i et molekyle.

Kemiske formler, der afbilder rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i molekyler, kaldes strukturformler eller strukturformler.

Betydningen af ​​teorien om kemisk struktur af A.M. Butlerova:

1) er den vigtigste del af det teoretiske grundlag for organisk kemi;

2) i betydning kan den sammenlignes med grundstoffernes periodiske system af D.I. Mendeleev;

3) det gjorde det muligt at systematisere en enorm mængde praktisk materiale;

4) gjorde det muligt på forhånd at forudsige eksistensen af ​​nye stoffer samt angive måder at opnå dem på.

Teorien om kemisk struktur fungerer som det rettesnor for al forskning i organisk kemi.

5. Isomerisme. Elektronisk struktur af atomer af elementer af korte perioder Kemisk binding

Egenskaberne af organiske stoffer afhænger ikke kun af deres sammensætning, men også af rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i molekylet.

Isomerer er stoffer, der har samme sammensætning og samme molære masse, men forskellige molekylære strukturer, og derfor har forskellige egenskaber.

Videnskabelig betydning af teorien om kemisk struktur:

1) uddyber forståelsen af ​​stof;

2) angiver vejen til viden om molekylers indre struktur;

3) gør det muligt at forstå de fakta, der er akkumuleret i kemi; forudsige eksistensen af ​​nye stoffer og finde måder at syntetisere dem på.

Med alt dette bidrog teorien i høj grad til den videre udvikling af organisk kemi og den kemiske industri.

Den tyske videnskabsmand A. Kekule udtrykte ideen om at forbinde kulstofatomer med hinanden i en kæde.

Læren om atomers elektroniske struktur.

Træk i læren om atomernes elektroniske struktur: 1) gjorde det muligt at forstå arten af ​​atomernes kemiske binding; 2) find ud af essensen af ​​atomernes gensidige indflydelse.

Elektronernes tilstand i atomer og strukturen af ​​elektronskaller.

Elektronskyer er områder med størst sandsynlighed for elektrontilstedeværelse, som adskiller sig i deres form, størrelse og retning i rummet.

I et atom brint En enkelt elektron danner, når den bevæger sig, en negativt ladet sky af sfærisk (sfærisk) form.

S-elektroner er elektroner, der danner en sfærisk sky.

Et brintatom har en elektron.

I et atom helium– to s-elektroner.

Heliumatomets egenskaber: 1) skyer af samme sfæriske form; 2) den højeste tæthed er lige langt fra kernen; 3) elektronskyer kombineres; 4) danner en fælles to-elektronsky.

Egenskaber ved lithiumatomet: 1) har to elektroniske lag; 2) har en sfærisk sky, men er væsentligt større i størrelse end den indre to-elektronsky; 3) elektronen i det andet lag er svagere tiltrukket af kernen end de to første; 4) er let fanget af andre atomer i redoxreaktioner; 5) har en s-elektron.

Egenskaber ved berylliumatomet: 1) den fjerde elektron er s-elektronen; 2) den sfæriske sky er kombineret med skyen af ​​den tredje elektron; 3) der er to parrede s-elektroner i det indre lag og to parrede s-elektroner i det ydre lag.

Jo flere elektronskyer overlapper, når atomer slutter sig sammen, jo mere energi frigives og jo stærkere er kemisk binding.

Teori om strukturen af ​​organiske forbindelser: homologi og isomeri (strukturel og rumlig). Gensidig påvirkning af atomer i molekyler

Teori om den kemiske struktur af organiske forbindelser af A. M. Butlerov

Ligesom for uorganisk kemi er grundlaget for udviklingen den periodiske lov og det periodiske system af kemiske grundstoffer af D. I. Mendeleev, for organisk kemi blev teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser af A. M. Butlerov fundamental.

Hovedpostulatet i Butlerovs teori er holdningen vedr kemiske struktur af et stof, som henviser til rækkefølgen, rækkefølgen af ​​gensidig forbindelse af atomer til molekyler, dvs. kemisk binding.

Kemisk struktur refererer til rækkefølgen af ​​kombination af atomer af kemiske elementer i et molekyle i henhold til deres valens.

Denne rækkefølge kan vises ved hjælp af strukturformler, hvor atomernes valenser er angivet med bindestreger: en streg svarer til valensenheden for et atom i et kemisk grundstof. For eksempel, for det organiske stof methan, som har molekylformlen $CH_4$, ser strukturformlen således ud:

De vigtigste bestemmelser i teorien om A. M. Butlerov

1. Atomer i molekyler af organiske stoffer er bundet til hinanden i henhold til deres valens. Kulstof i organiske forbindelser er altid tetravalent, og dets atomer er i stand til at kombinere med hinanden og danner forskellige kæder.
2. Stoffers egenskaber bestemmes ikke kun af deres kvalitative og kvantitative sammensætning, men også af rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i molekylet, det vil sige den kemiske struktur af stoffet.
3. Egenskaberne af organiske forbindelser afhænger ikke kun af stoffets sammensætning og rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i dets molekyle, men også af den gensidige påvirkning af atomer og grupper af atomer på hinanden.

Teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser er en dynamisk og udviklende doktrin. Efterhånden som viden om kemiske bindingers beskaffenhed og indflydelsen af ​​den elektroniske struktur af molekyler af organiske stoffer udviklede sig, begyndte de at bruge, ud over empirisk Og strukturel, elektronisk formler. Sådanne formler angiver retningen for forskydning af elektronpar i molekylet.

Kvantekemi og kemien af ​​strukturen af ​​organiske forbindelser har bekræftet doktrinen om den rumlige retning af kemiske bindinger ( cis- Og trans-isomerisme), undersøgte energiegenskaberne ved gensidige overgange i isomerer, gjorde det muligt at bedømme den gensidige indflydelse af atomer i molekylerne af forskellige stoffer og skabte forudsætningerne for at forudsige typerne af isomerisme og retningen og mekanismen af ​​kemiske reaktioner.

Organiske stoffer har en række funktioner:

1. Alle organiske stoffer indeholder kulstof og brint, så ved forbrænding danner de kuldioxid og vand.
2. Organiske stoffer er komplekse og kan have en enorm molekylvægt (proteiner, fedtstoffer, kulhydrater).
3. Organiske stoffer kan arrangeres i rækker af homologer, der ligner sammensætning, struktur og egenskaber.
4. For organiske stoffer er det karakteristisk isomerisme.

Isomerisme og homologi af organiske stoffer

Egenskaberne af organiske stoffer afhænger ikke kun af deres sammensætning, men også af rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i molekylet.

Isomerisme- dette er fænomenet med eksistensen af ​​forskellige stoffer - isomerer med samme kvalitative og kvantitative sammensætning, dvs. med samme molekylære formel.

Der er to typer isomerisme: strukturel Og rumlig (stereoisomerisme). Strukturelle isomerer adskiller sig fra hinanden i rækkefølgen af ​​binding af atomer i molekylet; stereoisomerer - arrangementet af atomer i rummet med samme rækkefølge af bindinger mellem dem.

Der skelnes mellem følgende typer af strukturel isomerisme: kulstofskelet-isomerisme, positionel isomerisme, isomerisme af forskellige klasser af organiske forbindelser (interklasse-isomerisme).

Strukturel isomeri

Isomerisme af kulstofskelettet skyldes den forskellige rækkefølge af bindinger mellem carbonatomerne, der danner skelettet af molekylet. Som det allerede er blevet vist, svarer molekylformlen $C_4H_(10)$ til to carbonhydrider: n-butan og isobutan. For kulbrættet $С_5Н_(12)$ er tre isomerer mulige: pentan, isopentan og neopentan:

$CH_3-CH_2-(CH_2)↙(pentan)-CH_2-CH_3$

Når antallet af kulstofatomer i et molekyle stiger, stiger antallet af isomerer hurtigt. For kulbrinte $С_(10)Н_(22)$ er der allerede $75$, og for kulbrinte $С_(20)Н_(44)$ - $366.319$.

Position isomeri på grund af den forskellige position af multipelbindingen, substituent, funktionel gruppe med det samme kulstofskelet af molekylet:

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

$(CH_3-CH_2-CH_2-OH)↙(n-propylalkohol(propanol-1))$

Isomerisme af forskellige klasser af organiske forbindelser (interclass isomerism) er forårsaget af forskellige positioner og kombinationer af atomer i molekyler af stoffer, der har samme molekylære formel, men tilhører forskellige klasser. Således svarer molekylformlen $C_6H_(12)$ til det umættede carbonhydrid hexen-1 og det cykliske carbonhydrid cyclohexan:

Isomererne er et carbonhydrid relateret til alkyner - butin-1 og et carbonhydrid med to dobbeltbindinger i butadien-1,3-kæden:

$CH≡C-(CH_2)↙(butyn-1)-CH_2$ $CH_2=(CH-CH)↙(butadien-1,3)=CH_2$

Diethylether og butylalkohol har samme molekylformel $C_4H_(10)O$:

$(CH_3CH_2OCH_2CH_3)↙(\text"diethylether")$ $(CH_3CH_2CH_2CH_2OH)↙(\text"n-butylalkohol (1-butanol)")$

De strukturelle isomerer er aminoeddikesyre og nitroethan, svarende til molekylformlen $C_2H_5NO_2$:

Isomerer af denne type indeholder forskellige funktionelle grupper og tilhører forskellige klasser af stoffer. Derfor adskiller de sig i fysiske og kemiske egenskaber meget mere end kulstofskeletisomerer eller positionsisomerer.

Rumlig isomerisme

Rumlig isomerisme er opdelt i to typer: geometrisk og optisk. Geometrisk isomeri er karakteristisk for forbindelser, der indeholder dobbeltbindinger og cykliske forbindelser. Da fri rotation af atomer omkring en dobbeltbinding eller i en ring er umulig, kan substituenter være placeret enten på den ene side af dobbeltbindingens eller ringens plan ( cis-position), eller på modsatte sider ( trance-position). Betegnelser cis- Og trance- normalt omtalt som et par identiske substituenter:

Geometriske isomerer adskiller sig i fysiske og kemiske egenskaber.

Optisk isomeri opstår, når molekylet er uforeneligt med sit billede i spejlet. Dette er muligt, når carbonatomet i molekylet har fire forskellige substituenter. Dette atom kaldes asymmetrisk. Et eksempel på et sådant molekyle er $α$-aminopropionsyre ($α$-alanin) molekylet $CH_3CH(NH_2)COOH$.

$α$-alanin-molekylet kan ikke falde sammen med dets spejlbillede, uanset hvordan det bevæger sig. Sådanne rumlige isomerer kaldes spejl, optiske antipoder, eller enantiomerer. Alle fysiske og næsten alle kemiske egenskaber af sådanne isomerer er identiske.

Studiet af optisk isomerisme er nødvendigt, når man overvejer mange reaktioner, der forekommer i kroppen. De fleste af disse reaktioner forekommer under påvirkning af enzymer - biologiske katalysatorer. Disse stoffers molekyler skal passe til molekylerne af de forbindelser, de virker på, som en nøgle til en lås; derfor er den rumlige struktur, den relative indretning af molekylernes sektioner og andre rumlige faktorer af stor betydning for forløbet af molekylerne. disse reaktioner. Sådanne reaktioner kaldes stereoselektiv.

De fleste naturlige forbindelser er individuelle enantiomerer, og deres biologiske virkning adskiller sig markant fra egenskaberne af deres optiske antipoder opnået i laboratoriet. En sådan forskel i biologisk aktivitet er af stor betydning, da den ligger til grund for den vigtigste egenskab for alle levende organismer - metabolisme.

Homolog serie er en række stoffer arrangeret i stigende rækkefølge af deres relative molekylmasser, ens i struktur og kemiske egenskaber, hvor hvert medlem adskiller sig fra det foregående ved den homologiske forskel $CH_2$. For eksempel: $CH_4$ - metan, $C_2H_6$ - ethan, $C_3H_8$ - propan, $C_4H_(10)$ - butan osv.

Typer af bindinger i molekyler af organiske stoffer. Hybridisering af carbonatomorbitaler. Radikal. Funktionel gruppe.

Typer af bindinger i molekyler af organiske stoffer.

I organiske forbindelser er kulstof altid tetravalent. I den exciterede tilstand brydes et par $2s^3$ elektroner i dets atom, og en af ​​dem bevæger sig til p-orbitalen:

Et sådant atom har fire uparrede elektroner og kan deltage i dannelsen af ​​fire kovalente bindinger.

Baseret på den givne elektroniske formel for valensniveauet for et carbonatom ville man forvente, at det indeholder en $s$-elektron (sfærisk symmetrisk orbital) og tre $p$-elektroner med indbyrdes vinkelrette orbitaler ($2р_х, 2р_у, 2p_z $- orbital). I virkeligheden er alle fire valenselektroner i carbonatomet fuldstændig tilsvarende og vinklerne mellem deres orbitaler er lig med $109°28"$. Derudover viser beregninger, at hver af de fire kemiske bindinger af kulstof i et metanmolekyle ($CH_4$) er $25%$ $s-$ og $75%$ $p $-forbindelse, dvs. sker blanding$s-$ og $p-$ elektronernes tilstande. Dette fænomen kaldes hybridisering, og blandede orbitaler - hybrid.

Et carbonatom i $sp^3$-valenstilstanden har fire orbitaler, som hver indeholder en elektron. I overensstemmelse med teorien om kovalente bindinger har den evnen til at danne fire kovalente bindinger med atomer af ethvert monovalent grundstof ($CH_4, CHCl_3, CCl_4$) eller med andre carbonatomer. Sådanne forbindelser kaldes $σ$-forbindelser. Hvis et carbonatom har én $C-C$-binding, så kaldes det primær($Н_3С-СН_3$), hvis to - sekundær($Н_3С-СН_2-СН_3$), hvis tre - tertiære (), og hvis fire - kvartær ().

Et af de karakteristiske træk ved carbonatomer er deres evne til at danne kemiske bindinger ved kun at dele $p$ elektroner. Sådanne forbindelser kaldes $π$-forbindelser. $π$-bindinger i molekyler af organiske forbindelser dannes kun i nærvær af $σ$-bindinger mellem atomer. I ethylenmolekylet $H_2C=CH_2$ er carbonatomerne således forbundet med $σ-$ og en $π$ binding, i acetylenmolekylet $HC=CH$ - med en $σ-$ og to $π$ bindinger . Kemiske bindinger dannet med deltagelse af $π$ bindinger kaldes multipla(i et ethylenmolekyle - dobbelt, i et acetylenmolekyle - tredobbelt), og forbindelser med flere bindinger - umættet.

Fænomen$sp^3$-, $sp^2$- Og$sp$ - hybridisering af carbonatomet.

Når $π$-bindinger dannes, ændres hybridtilstanden af ​​carbonatomets atomare orbitaler. Da dannelsen af ​​$π$-bindinger sker på grund af p-elektroner, vil elektronerne i molekyler med en dobbeltbinding have $sp^2$-hybridisering (der var $sp^3$, men en p-elektron går til $π$- orbital), og med en tredobbelt - $sp$-hybridisering (to p-elektroner gik til $π$-orbital). Naturen af ​​hybridisering ændrer retningen af ​​$σ$-bindinger. Hvis de under $sp^3$-hybridisering danner rumligt forgrenede strukturer ($a$), så ligger alle atomer under $sp^2$-hybridisering i samme plan, og vinklerne mellem $σ$-bindinger er lig med $120° $(b) , og med $sp$-hybridisering er molekylet lineært (c):

I dette tilfælde er $π$-orbitalernes akser vinkelrette på $σ$-bindingens akse.

Både $σ$- og $π$-bindinger er kovalente, hvilket betyder, at de skal være karakteriseret ved længde, energi, rumlig retning og polaritet.

Karakteristika for enkelt- og multiple bindinger mellem C-atomer.

Radikal. Funktionel gruppe.

Et af kendetegnene ved organiske forbindelser er, at deres molekyler i kemiske reaktioner ikke udveksler individuelle atomer, men grupper af atomer. Hvis denne gruppe af atomer kun består af kulstof- og brintatomer, så kaldes den kulbrinteradikal, hvis det har atomer af andre grundstoffer, så kaldes det funktionel gruppe. Så for eksempel er methyl ($СН_3$-) og ethyl ($С_2Н_5$-) carbonhydridradikaler, og hydroxygruppen (-$ОН$), aldehydgruppen ( ), nitrogruppe (-$NO_2$) osv. er de funktionelle grupper af henholdsvis alkoholer, aldehyder og nitrogenholdige forbindelser.

Typisk er den funktionelle gruppe bestemmende for en organisk forbindelses kemiske egenskaber og er derfor grundlaget for deres klassificering.

Alexander Mikhailovich Butlerov blev født den 3. september (15), 1828 i byen Chistopol, Kazan-provinsen, i familien til en godsejer, en pensioneret officer. Han modtog sin første uddannelse på en privat kostskole og studerede derefter på gymnasium og Kazan Imperial University. Han underviste fra 1849, og blev i 1857 almindelig professor i kemi ved samme universitet. Han var dens rektor to gange. I 1851 forsvarede han sin kandidatafhandling "Om oxidation af organiske forbindelser", og i 1854 ved Moskva Universitet - sin doktorafhandling "Om æteriske olier". Siden 1868 var han en almindelig professor i kemi ved St. Petersburg University, og siden 1874 - en almindelig akademiker ved St. Petersburg Academy of Sciences. Ud over kemi var Butlerov opmærksom på praktiske spørgsmål om landbrug, havearbejde og biavl; under hans ledelse begyndte tedyrkningen i Kaukasus. Han døde i landsbyen Butlerovka, Kazan-provinsen, den 5. august (17), 1886.

Før Butlerov blev der gjort et betydeligt antal forsøg på at skabe en doktrin om den kemiske struktur af organiske forbindelser. Dette spørgsmål blev gentagne gange behandlet af datidens mest fremtrædende kemikere, hvis arbejde delvist blev brugt af den russiske videnskabsmand til hans teori om struktur. For eksempel konkluderede den tyske kemiker August Kekule, at kulstof kan danne fire bindinger med andre atomer. Desuden mente han, at der kunne eksistere flere formler for den samme forbindelse, men han tilføjede altid, at afhængigt af den kemiske omdannelse kunne denne formel være anderledes. Kekule mente, at formlerne ikke afspejler den rækkefølge, hvori atomerne i molekylet er forbundet. En anden fremtrædende tysk videnskabsmand, Adolf Kolbe, anså det generelt for fundamentalt umuligt at belyse molekylers kemiske struktur.

Butlerov udtrykte først sine grundlæggende ideer om strukturen af ​​organiske forbindelser i 1861 i en rapport "Om stoffets kemiske struktur", som han præsenterede for deltagerne i Kongressen for tyske naturforskere og læger i Speyer. I sin teori inkorporerede han ideer fra Kekule om valens (antallet af bindinger for et bestemt atom) og den skotske kemiker Archibald Cooper om, at kulstofatomer kunne danne kæder. Den grundlæggende forskel mellem Butlerovs teori og andre var bestemmelsen om den kemiske (og ikke mekaniske) struktur af molekyler - den måde, hvorpå atomer bandt sig til hinanden for at danne et molekyle. I dette tilfælde etablerede hvert atom en binding i overensstemmelse med den "kemiske kraft", der specifikt tilhører det. I sin teori skelnede videnskabsmanden klart mellem et frit atom og et atom, der har indgået en forbindelse med et andet (det forvandles til en ny form, og som et resultat af gensidig påvirkning, de forbundne atomer, afhængigt af det strukturelle miljø , har forskellige kemiske funktioner). Den russiske kemiker var overbevist om, at formler ikke kun skematisk afbilder molekyler, men også afspejler deres virkelige struktur. Desuden har hvert molekyle en specifik struktur, som kun ændres under kemiske transformationer. Af teoriens bestemmelser fulgte (senere bekræftet eksperimentelt), at en organisk forbindelses kemiske egenskaber er bestemt af dens struktur. Denne erklæring er især vigtig, da den gjorde det muligt at forklare og forudsige kemiske omdannelser af stoffer. Der er også et omvendt forhold: strukturformlen kan bruges til at bedømme et stofs kemiske og fysiske egenskaber. Derudover gjorde videnskabsmanden opmærksom på, at forbindelsernes reaktivitet forklares af den energi, som atomerne binder sig til.

Ved hjælp af den skabte teori var Butlerov i stand til at forklare isomerisme. Isomerer er forbindelser, hvor mængden og "kvaliteten" af atomer er den samme, men samtidig har de forskellige kemiske egenskaber, og derfor en anden struktur. Teorien gjorde det muligt klart at forklare kendte tilfælde af isomerisme. Butlerov mente, at det var muligt at bestemme det rumlige arrangement af atomer i et molekyle. Hans forudsigelser blev senere bekræftet, hvilket gav skub til udviklingen af ​​en ny gren af ​​organisk kemi - stereokemi. Det skal bemærkes, at videnskabsmanden var den første til at opdage og forklare fænomenet dynamisk isomerisme. Dens betydning er, at to eller flere isomerer under visse betingelser let kan omdannes til hinanden. Generelt set var det isomerisme, der blev en seriøs test for teorien om kemisk struktur og blev glimrende forklaret af den.

De uigendrivelige bestemmelser formuleret af Butlerov bragte meget snart teorien universel anerkendelse. Rigtigheden af ​​de fremsatte ideer blev bekræftet af eksperimenter fra videnskabsmanden og hans tilhængere. I deres proces beviste de hypotesen om isomerisme: Butlerov syntetiserede en af ​​de fire butylalkoholer forudsagt af teorien og dechiffrerede dens struktur. I overensstemmelse med reglerne for isomerisme, som direkte fulgte af teorien, blev muligheden for eksistensen af ​​fire baldriansyrer også foreslået. De blev senere modtaget.

Disse er blot isolerede fakta i en kæde af opdagelser: Den kemiske teori om strukturen af ​​organiske forbindelser havde en fantastisk forudsigelsesevne.

I løbet af en relativt kort periode blev en lang række nye organiske stoffer og deres isomerer opdaget, syntetiseret og undersøgt. Som et resultat gav Butlerovs teori fremdrift til den hurtige udvikling af kemisk videnskab, herunder syntetisk organisk kemi. Butlerovs talrige synteser er således hovedprodukterne i hele industrier.

Teorien om kemisk struktur fortsatte med at udvikle sig, hvilket bragte mange revolutionære ideer til organisk kemi på det tidspunkt. For eksempel foreslog Kekule benzens cykliske struktur og bevægelsen af ​​dets dobbeltbindinger i molekylet, de særlige egenskaber ved forbindelser med konjugerede bindinger og meget mere. Desuden gjorde den nævnte teori organisk kemi mere visuel - det blev muligt at tegne molekylære formler.

Og dette markerede igen begyndelsen på klassificeringen af ​​organiske forbindelser. Det var brugen af ​​strukturformler, der hjalp med at bestemme måder at syntetisere nye stoffer på og etablere strukturen af ​​komplekse forbindelser, det vil sige, det bestemte den aktive udvikling af kemisk videnskab og dens grene. For eksempel begyndte Butlerov at udføre seriøs forskning i polymerisationsprocessen. I Rusland blev dette initiativ videreført af hans elever, hvilket i sidste ende gjorde det muligt at opdage en industriel metode til fremstilling af syntetisk gummi.