Teoria budowy związków organicznych, rodzaje wiązań. Teoria budowy chemicznej związków organicznych A.M.

Tak jak w chemii nieorganicznej podstawową podstawą teoretyczną jest Prawo Okresowości i Układ Okresowy Pierwiastków Chemicznych D.I. Mendelejewa, tak w chemii organicznej wiodącą podstawą naukową jest teoria budowy związków organicznych Butlerova-Kekule-Coopera.

Jak każda inna teoria naukowa, teoria struktury związków organicznych była wynikiem uogólnienia najbogatszego materiału faktycznego, jaki zgromadziła chemia organiczna, która ukształtowała się jako nauka na początku XIX wieku. Odkryto coraz więcej nowych związków węgla, których ilość rosła jak lawina (tab. 1).

Tabela 1
Liczba związków organicznych znanych w różnych latach

Naukowcy z początku XIX wieku wyjaśnili tę różnorodność związków organicznych. nie móc. Zjawisko izomerii rodziło jeszcze więcej pytań.

Na przykład alkohol etylowy i eter dimetylowy są izomerami: substancje te mają ten sam skład C 2 H 6 O, ale inną strukturę, to znaczy inną kolejność łączenia atomów w cząsteczkach, a zatem różne właściwości.

Znany już Państwu F. Wöhler w jednym z listów do J. J. Berzeliusa tak opisał chemię organiczną: „Chemia organiczna może teraz doprowadzić każdego do szaleństwa. Wydaje mi się, że to gęsty las, pełen zdumiewających rzeczy, bezgraniczna gęstwina, z której nie można się wydostać, do której nie odważy się przeniknąć…”

Na rozwój chemii duży wpływ miała praca angielskiego naukowca E. Franklanda, który w oparciu o idee atomizmu wprowadził pojęcie wartościowości (1853).

W cząsteczce wodoru H2 powstaje jedno kowalencyjne wiązanie chemiczne H-H, czyli wodór jest jednowartościowy. Wartościowość pierwiastka chemicznego można wyrazić liczbą atomów wodoru, które jeden atom pierwiastka chemicznego dodaje do siebie lub zastępuje. Na przykład siarka w siarkowodorze i tlen w wodzie są dwuwartościowe: H 2 S lub H-S-H, H 2 O lub H-O-H, a azot w amoniaku jest trójwartościowy:

W chemii organicznej pojęcie „wartościowości” jest analogią pojęcia „stanu utlenienia”, z którym jesteś przyzwyczajony do pracy na lekcjach chemii nieorganicznej w szkole podstawowej. Jednak to nie to samo. Na przykład w cząsteczce azotu N2 stopień utlenienia azotu wynosi zero, a wartościowość wynosi trzy:

W nadtlenku wodoru H2O2 stopień utlenienia tlenu wynosi -1, a wartościowość wynosi dwa:

W jonie amonowym NH + 4 stopień utlenienia azotu wynosi -3, a wartościowość wynosi cztery:

Zwykle w odniesieniu do związków jonowych (chlorek sodu NaCl i wiele innych substancji nieorganicznych z wiązaniami jonowymi) nie używa się określenia „wartościowość” atomów, ale bierze się pod uwagę ich stopień utlenienia. Dlatego w chemii nieorganicznej, gdzie większość substancji ma strukturę niemolekularną, lepiej jest stosować pojęcie „stanu utlenienia”, a w chemii organicznej, gdzie większość związków ma strukturę molekularną, z reguły pojęcie „ wartościowość”.

Teoria budowy chemicznej jest wynikiem uogólnienia idei wybitnych naukowców zajmujących się organiką z trzech krajów europejskich: Niemca F. Kekule, Anglika A. Coopera i Rosjanina A. Butlerowa.

W 1857 r. F. Kekule zaklasyfikował węgiel do pierwiastka czterowartościowego, a w 1858 r. wraz z A. Cooperem zauważył, że atomy węgla potrafią łączyć się ze sobą w różne łańcuchy: liniowe, rozgałęzione i zamknięte (cykliczne).

Prace F. Kekule i A. Coopera posłużyły jako podstawa do opracowania teorii naukowej wyjaśniającej zjawisko izomerii, czyli związek pomiędzy składem, strukturą i właściwościami cząsteczek związków organicznych. Teorię tę stworzył rosyjski naukowiec A.M. Butlerov. To jego dociekliwy umysł „odważył się wniknąć” w „gęsty las” chemii organicznej i zaczął przekształcać ten „bezkresny gąszcz” w regularny, zalany słońcem park z systemem ścieżek i alejek. Podstawowe idee tej teorii po raz pierwszy wyraził A. M. Butlerov w 1861 roku na zjeździe niemieckich przyrodników i lekarzy w Speyer.

Główne postanowienia i konsekwencje teorii budowy związków organicznych Butlerova-Kekule-Coopera można w skrócie sformułować w następujący sposób.

1. Atomy w cząsteczkach substancji są połączone w określonej kolejności, zgodnie z ich wartościowością. Węgiel w związkach organicznych jest zawsze czterowartościowy, a jego atomy potrafią łączyć się ze sobą, tworząc różne łańcuchy (liniowe, rozgałęzione i cykliczne).

Związki organiczne można układać w rzędy substancji o podobnym składzie, strukturze i właściwościach - rzędy homologiczne.

Butlerow Aleksander Michajłowicz (1828-1886)

Na przykład metan CH 4 jest przodkiem homologicznej serii nasyconych węglowodorów (alkanów). Jego najbliższym homologiem jest etan C2H6 lub CH3-CH3. Następnymi dwoma członkami homologicznej serii metanu są propan C 3 H 8 lub CH 3 -CH 2 -CH 3 i butan C 4 H 10 lub CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 itd.

Łatwo zauważyć, że dla szeregu homologicznego można wyprowadzić wzór ogólny na szereg. Zatem dla alkanów ten ogólny wzór to C n H 2n + 2.

2. Właściwości substancji zależą nie tylko od ich składu jakościowego i ilościowego, ale także od struktury ich cząsteczek.

Takie stanowisko teorii budowy związków organicznych wyjaśnia zjawisko izomerii. Oczywiste jest, że w przypadku butanu C 4 H 10 oprócz cząsteczki o strukturze liniowej CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 możliwa jest również struktura rozgałęziona:

Jest to zupełnie nowa substancja posiadająca swoje indywidualne właściwości, odmienne od właściwości butanu o budowie liniowej.

Butan, w cząsteczce, której atomy są ułożone w liniowy łańcuch, nazywany jest butanem normalnym (n-butan), a butan, którego łańcuch atomów węgla jest rozgałęziony, nazywany jest izobutanem.

Istnieją dwa główne typy izomerii – strukturalna i przestrzenna.

Zgodnie z przyjętą klasyfikacją wyróżnia się trzy rodzaje izomerii strukturalnej.

Izomeria szkieletu węglowego. Związki różnią się kolejnością wiązań węgiel-węgiel, omawiane są na przykład n-butan i izobutan. Ten typ izomerii jest charakterystyczny dla alkanów.

Izomeria położenia wiązania wielokrotnego (C=C, C=C) lub grupy funkcyjnej (czyli grupy atomów decydującej o przynależności związku do określonej klasy związków organicznych), np.:

Izomeria międzyklasowa. Izomery tego typu izomerii należą do różnych klas związków organicznych, np. alkoholu etylowego (klasa nasyconych alkoholi jednowodorotlenowych) i eteru dimetylowego (klasa eterów) omówionych powyżej.

Istnieją dwa rodzaje izomerii przestrzennej: geometryczna i optyczna.

Izomeria geometryczna jest charakterystyczna przede wszystkim dla związków z podwójnym wiązaniem węgiel-węgiel, ponieważ w miejscu takiego wiązania cząsteczka ma płaską strukturę (ryc. 6).

Ryż. 6.
Model cząsteczki etylenu

Przykładowo dla butenu-2, jeżeli identyczne grupy atomów przy atomach węgla przy wiązaniu podwójnym znajdują się po jednej stronie płaszczyzny wiązania C=C, to cząsteczka jest izomerem cis, jeżeli po przeciwnych stronach jest izomer trans.

Izomerię optyczną obserwuje się na przykład w substancjach, których cząsteczki mają asymetryczny lub chiralny atom węgla związany z czterema różny posłowie. Izomery optyczne są swoimi lustrzanymi odbiciami, jak dwie dłonie, i nie są kompatybilne. (Teraz oczywiście rozumiesz drugą nazwę tego typu izomerii: greckie chiros - ręka - przykład figury asymetrycznej.) Na przykład kwas 2-hydroksypropanowy (mlekowy), zawierający jeden asymetryczny atom węgla, występuje w postaci dwóch izomerów optycznych.

W cząsteczkach chiralnych powstają pary izomeryczne, w których cząsteczki izomerów są ze sobą powiązane w swojej organizacji przestrzennej w taki sam sposób, jak obiekt i jego lustrzane odbicie są ze sobą powiązane. Para takich izomerów ma zawsze te same właściwości chemiczne i fizyczne, z wyjątkiem aktywności optycznej: jeśli jeden izomer obraca płaszczyznę światła spolaryzowanego zgodnie z ruchem wskazówek zegara, wówczas drugi koniecznie obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Pierwszy izomer nazywa się prawoskrętnym, a drugi lewoskrętnym.

Znaczenie izomerii optycznej w organizacji życia na naszej planecie jest bardzo duże, ponieważ izomery optyczne mogą znacznie różnić się zarówno aktywnością biologiczną, jak i zgodnością z innymi związkami naturalnymi.

3. Atomy w cząsteczkach substancji wpływają na siebie. W trakcie dalszej nauki kursu będziesz uwzględniał wzajemne oddziaływanie atomów w cząsteczkach związków organicznych.

Współczesna teoria budowy związków organicznych opiera się nie tylko na strukturze chemicznej, ale także elektronowej i przestrzennej substancji, co jest szczegółowo omawiane na poziomie profilowym studiowania chemii.

W chemii organicznej powszechnie stosuje się kilka rodzajów wzorów chemicznych.

Wzór cząsteczkowy odzwierciedla skład jakościowy związku, to znaczy pokazuje liczbę atomów każdego pierwiastka chemicznego tworzącego cząsteczkę substancji. Na przykład wzór cząsteczkowy propanu to: C 3 H 8.

Wzór strukturalny odzwierciedla kolejność łączenia atomów w cząsteczce według wartościowości. Wzór strukturalny propanu to:

Często nie ma potrzeby szczegółowego opisywania wiązań chemicznych pomiędzy atomami węgla i wodoru, dlatego w większości przypadków stosuje się skrócone wzory strukturalne. W przypadku propanu wzór ten zapisuje się w następujący sposób: CH 3 -CH 2 -CH 3.

Strukturę cząsteczek związków organicznych odzwierciedla się za pomocą różnych modeli. Najbardziej znane są modele wolumetryczne (w skali) i kulowo-kijowe (ryc. 7).

Ryż. 7.
Modele cząsteczek etanu:
1 - kula i pręt; 2 - skala

Nowe słowa i pojęcia

Izomeria, izomery.
Wartościowość.
Struktura chemiczna.
Teoria budowy związków organicznych.
Szereg homologiczny i różnica homologiczna.
Wzory molekularne i strukturalne.
Modele cząsteczek: wolumetryczne (w skali) i kulowo-kijowe.

Pytania i zadania

Co to jest wartościowość? Czym różni się od stopnia utlenienia? Podaj przykłady substancji, w których wartości stopnia utlenienia i wartościowości atomów są liczbowo takie same i różne,
Określ wartościowość i stopień utlenienia atomów w substancjach o wzorach Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
Co to jest izomeria; izomery?
Co to jest homologia; homologi?
Jak wykorzystując wiedzę o izomerii i homologii wyjaśnić różnorodność związków węgla?
Co należy rozumieć przez budowę chemiczną cząsteczek związków organicznych? Formułować przepisy teorii struktury wyjaśniające różnicę we właściwościach izomerów Formułować przepisy teorii struktury wyjaśniające różnorodność związków organicznych.
Jaki wkład w tę teorię wniósł każdy z naukowców – twórców teorii struktury chemicznej? Dlaczego wkład rosyjskiego chemika odegrał wiodącą rolę w rozwoju tej teorii?
W składzie C 5 H 12 mogą występować trzy izomery. Zapisz ich pełne i skrócone wzory strukturalne,
Na podstawie modelu cząsteczki substancji przedstawionego na końcu akapitu (patrz ryc. 7) ułóż jej molekularne i skrócone wzory strukturalne.
Oblicz udział masowy węgla w cząsteczkach pierwszych czterech członków homologicznego szeregu alkanów.

Teoria AM Butlerow

1. Atomy w cząsteczkach są połączone ze sobą w określonej kolejności wiązaniami chemicznymi, zgodnie z ich wartościowością. Kolejność wiązania atomów nazywana jest ich strukturą chemiczną. Węgiel we wszystkich związkach organicznych jest czterowartościowy.

2. O właściwościach substancji decyduje nie tylko jakościowy i ilościowy skład cząsteczek, ale także ich struktura.

3. Atomy lub grupy atomów wzajemnie na siebie wpływają, co decyduje o reaktywności cząsteczki.

4. Strukturę cząsteczek można ustalić na podstawie badania ich właściwości chemicznych.

Związki organiczne posiadają szereg charakterystycznych cech odróżniających je od związków nieorganicznych. Prawie wszystkie (z nielicznymi wyjątkami) są łatwopalne; Większość związków organicznych nie dysocjuje na jony, co wynika z natury wiązań kowalencyjnych w substancjach organicznych. Wiązanie jonowe realizuje się tylko w solach kwasów organicznych, na przykład CH3COONa.

Szereg homologiczny- jest to nieskończony szereg związków organicznych, które mają podobną budowę, a co za tym idzie podobne właściwości chemiczne i różnią się od siebie dowolną liczbą grup CH2– (różnica homologiczna).

Jeszcze przed stworzeniem teorii struktury znane były substancje o tym samym składzie pierwiastkowym, ale o różnych właściwościach. Substancje takie nazywano izomerami, a samo to zjawisko nazywano izomerią.

Podstawy izomerii, jak pokazał A.M. Butlerov, polega na różnicy w budowie cząsteczek składających się z tego samego zestawu atomów.

Izomeria- jest to zjawisko istnienia związków, które mają ten sam skład jakościowy i ilościowy, ale inną strukturę, a co za tym idzie, różne właściwości.

Istnieją 2 rodzaje izomerii: strukturalny izomeria i przestrzenny izomeria.

Izomeria strukturalna

Izomery strukturalne– związki o tym samym składzie jakościowym i ilościowym, różniące się kolejnością wiązania atomów, czyli budową chemiczną.

Izomeria przestrzenna

Izomery przestrzenne(stereoizomery) o tym samym składzie i tej samej budowie chemicznej różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów w cząsteczce.
Izomery przestrzenne to izomery optyczne i izomery cis-trans (geometryczne).

Izomeria cis-trans

polega na możliwości umieszczenia podstawników po jednej lub przeciwnych stronach płaszczyzny wiązania podwójnego lub pierścienia niearomatycznego.B izomery cis podstawniki znajdują się po jednej stronie płaszczyzny pierścienia lub wiązania podwójnego, w izomery trans- na różne sposoby.

W cząsteczce butenu-2 CH3–CH=CH–CH3 grupy CH3 mogą znajdować się albo po jednej stronie wiązania podwójnego – w izomerze cis, albo po przeciwnych stronach – w izomerze trans.

Izomeria optyczna

Pojawia się, gdy węgiel ma cztery różne podstawniki.
Jeśli zamienisz dowolne dwa z nich, otrzymasz kolejny izomer przestrzenny o tym samym składzie. Właściwości fizykochemiczne takich izomerów znacznie się różnią. Związki tego typu wyróżniają się zdolnością do obracania o określoną wartość płaszczyzny światła spolaryzowanego przechodzącego przez roztwór takich związków. W tym przypadku jeden izomer obraca płaszczyznę światła spolaryzowanego w jednym kierunku, a jego izomer obraca się w przeciwnym kierunku. Ze względu na takie efekty optyczne ten typ izomerii nazywany jest izomerią optyczną.

Największym wydarzeniem w rozwoju chemii organicznej było utworzenie w 1961 roku przez wielkiego rosyjskiego naukowca A.M. Teoria Butlerowa dotycząca budowy chemicznej związków organicznych.

przed południem Butlerov uważał za niemożliwe poznanie struktury cząsteczki, czyli kolejności wiązań chemicznych między atomami. Wielu naukowców zaprzeczało nawet istnieniu atomów i cząsteczek.

JESTEM. Butlerov zaprzeczył tej opinii. Wychodził z prawidłowych idei materialistycznych i filozoficznych o realności istnienia atomów i cząsteczek, o możliwości poznania wiązań chemicznych atomów w cząsteczce. Pokazał, że strukturę cząsteczki można ustalić eksperymentalnie, badając przemiany chemiczne substancji. I odwrotnie, znając strukturę cząsteczki, można wywnioskować właściwości chemiczne związku.

Teoria budowy chemicznej wyjaśnia różnorodność związków organicznych. Wynika to ze zdolności węgla czterowartościowego do tworzenia łańcuchów i pierścieni węglowych, łączenia się z atomami innych pierwiastków oraz obecności izomerii w strukturze chemicznej związków organicznych. Teoria ta położyła podwaliny naukowe chemii organicznej i wyjaśniła jej najważniejsze prawa. Podstawowe zasady jego teorii A.M. Butlerov opisał to w swoim raporcie „O teorii struktury chemicznej”.

Główne zasady teorii konstrukcji są następujące:

1) w cząsteczkach atomy są połączone ze sobą w określonej kolejności, zgodnie z ich wartościowością. Kolejność wiązania atomów nazywana jest strukturą chemiczną;

2) właściwości substancji zależą nie tylko od tego, jakie atomy i w jakiej ilości wchodzą w skład jej cząsteczki, ale także od kolejności ich łączenia, czyli od budowy chemicznej cząsteczki;

3) atomy lub grupy atomów tworzące cząsteczkę wzajemnie na siebie wpływają.

W teorii budowy chemicznej wiele uwagi poświęca się wzajemnemu wpływowi atomów i grup atomów w cząsteczce.

Wzory chemiczne przedstawiające kolejność łączenia atomów w cząsteczkach nazywane są wzorami strukturalnymi lub wzorami strukturalnymi.

Znaczenie teorii struktury chemicznej A.M. Butlerova:

1) stanowi najważniejszą część teoretycznych podstaw chemii organicznej;

2) pod względem ważności można go porównać z układem okresowym pierwiastków D.I. Mendelejew;

3) umożliwiło usystematyzowanie ogromnej ilości materiału praktycznego;

4) pozwoliła przewidzieć z wyprzedzeniem istnienie nowych substancji i wskazać sposoby ich otrzymywania.

Teoria struktury chemicznej służy jako podstawa wiodąca dla wszystkich badań w chemii organicznej.

5. Izomeria. Budowa elektronowa atomów pierwiastków o krótkich okresach.Wiązanie chemiczne

Właściwości substancji organicznych zależą nie tylko od ich składu, ale także od kolejności łączenia atomów w cząsteczce.

Izomery to substancje, które mają ten sam skład i tę samą masę molową, ale różne struktury molekularne, a zatem mają różne właściwości.

Znaczenie naukowe teorii budowy chemicznej:

1) pogłębia zrozumienie materii;

2) wskazuje drogę do poznania wewnętrznej struktury cząsteczek;

3) umożliwia zrozumienie faktów nagromadzonych w chemii; przewidzieć istnienie nowych substancji i znaleźć sposoby na ich syntezę.

Dzięki temu teoria w znacznym stopniu przyczyniła się do dalszego rozwoju chemii organicznej i przemysłu chemicznego.

Niemiecki naukowiec A. Kekule wyraził pomysł łączenia ze sobą atomów węgla w łańcuch.

Doktryna budowy elektronowej atomów.

Cechy doktryny o budowie elektronowej atomów: 1) umożliwiły zrozumienie natury wiązania chemicznego atomów; 2) poznać istotę wzajemnego oddziaływania atomów.

Stan elektronów w atomach i budowa powłok elektronowych.

Chmury elektronowe to obszary o największym prawdopodobieństwie obecności elektronów, różniące się kształtem, rozmiarem i kierunkiem w przestrzeni.

W atomie wodór Pojedynczy elektron podczas ruchu tworzy ujemnie naładowaną chmurę o kulistym (sferycznym) kształcie.

Elektrony S to elektrony tworzące kulistą chmurę.

Atom wodoru ma jeden elektron.

W atomie hel– dwa s-elektrony.

Cechy atomu helu: 1) chmury o tym samym kulistym kształcie; 2) największa gęstość jest jednakowo oddalona od rdzenia; 3) chmury elektronów łączą się; 4) tworzą wspólną chmurę dwóch elektronów.

Cechy atomu litu: 1) ma dwie warstwy elektroniczne; 2) ma chmurę kulistą, ale jest znacznie większa niż wewnętrzna chmura dwuelektronowa; 3) elektron drugiej warstwy jest słabiej przyciągany do jądra niż dwa pierwsze; 4) łatwo wychwytywane przez inne atomy w reakcjach redoks; 5) ma s-elektron.

Cechy atomu berylu: 1) czwarty elektron to s-elektron; 2) chmura sferyczna łączy się z chmurą trzeciego elektronu; 3) w warstwie wewnętrznej znajdują się dwa sparowane s-elektrony, a w warstwie zewnętrznej dwa sparowane s-elektrony.

Im więcej chmur elektronów nakłada się na siebie, gdy atomy się łączą, tym więcej energii jest uwalnianej i tym silniejsze wiązanie chemiczne.

Teoria budowy związków organicznych: homologia i izomeria (strukturalna i przestrzenna). Wzajemne oddziaływanie atomów w cząsteczkach

Teoria struktury chemicznej związków organicznych A. M. Butlerowa

Podobnie jak w przypadku chemii nieorganicznej podstawą rozwoju jest prawo okresowe i układ okresowy pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa, tak dla chemii organicznej teoria struktury związków organicznych A. M. Butlerowa stała się fundamentalna.

Głównym postulatem teorii Butlerowa jest stanowisko o struktura chemiczna substancji, co odnosi się do porządku, sekwencji wzajemnego łączenia atomów w cząsteczki, tj. wiązanie chemiczne.

Struktura chemiczna odnosi się do kolejności kombinacji atomów pierwiastków chemicznych w cząsteczce zgodnie z ich wartościowością.

Kolejność tę można wyświetlić za pomocą wzorów strukturalnych, w których wartościowość atomów jest oznaczona myślnikami: jedna kreska odpowiada jednostce wartościowości atomu pierwiastka chemicznego. Na przykład dla substancji organicznej metanu, która ma wzór cząsteczkowy $CH_4$, wzór strukturalny wygląda następująco:

Główne postanowienia teorii A. M. Butlerowa

Atomy w cząsteczkach substancji organicznych są ze sobą powiązane zgodnie z ich wartościowością. Węgiel w związkach organicznych jest zawsze czterowartościowy, a jego atomy potrafią łączyć się ze sobą, tworząc różne łańcuchy.
O właściwościach substancji decyduje nie tylko ich skład jakościowy i ilościowy, ale także kolejność łączenia atomów w cząsteczce, czyli budowa chemiczna substancji.
Właściwości związków organicznych zależą nie tylko od składu substancji i kolejności połączeń atomów w jej cząsteczce, ale także od wzajemnego oddziaływania atomów i grup atomów na siebie.

Teoria budowy związków organicznych jest doktryną dynamiczną i rozwijającą się. W miarę rozwoju wiedzy o naturze wiązań chemicznych i wpływie struktury elektronowej cząsteczek substancji organicznych zaczęto stosować, oprócz empiryczny I konstrukcyjny, elektroniczny formuły. Takie wzory wskazują kierunek przemieszczenia par elektronów w cząsteczce.

Chemia kwantowa i chemia struktury związków organicznych potwierdziły doktrynę przestrzennego kierunku wiązań chemicznych ( cis- I izomeria trans), badał charakterystykę energetyczną wzajemnych przejść w izomerach, pozwolił ocenić wzajemny wpływ atomów w cząsteczkach różnych substancji i stworzył przesłanki do przewidywania rodzajów izomerii oraz kierunku i mechanizmu reakcji chemicznych.

Substancje organiczne mają szereg cech:

Wszystkie substancje organiczne zawierają węgiel i wodór, więc podczas spalania tworzą dwutlenek węgla i wodę.
Substancje organiczne są złożone i mogą mieć ogromną masę cząsteczkową (białka, tłuszcze, węglowodany).
Substancje organiczne można układać w rzędy homologów o podobnym składzie, strukturze i właściwościach.
Dla substancji organicznych jest to charakterystyczne izomeria.

Izomeria i homologia substancji organicznych

Właściwości substancji organicznych zależą nie tylko od ich składu, ale także od kolejności łączenia atomów w cząsteczce.

Izomeria- jest to zjawisko istnienia różnych substancji - izomerów o tym samym składzie jakościowym i ilościowym, tj. o tym samym wzorze molekularnym.

Istnieją dwa rodzaje izomerii: strukturalny I przestrzenny (stereoizomeria). Izomery strukturalne różnią się między sobą kolejnością wiązania atomów w cząsteczce; stereoizomery - ułożenie atomów w przestrzeni z tą samą kolejnością wiązań między nimi.

Wyróżnia się następujące typy izomerii strukturalnej: izomeria szkieletu węglowego, izomeria pozycyjna, izomeria różnych klas związków organicznych (izomeria międzyklasowa).

Izomeria strukturalna

Izomeria szkieletu węglowego wynika z różnej kolejności wiązań pomiędzy atomami węgla tworzącymi szkielet cząsteczki. Jak już wykazano, wzór cząsteczkowy $C_4H_(10)$ odpowiada dwóm węglowodorom: n-butanowi i izobutanowi. Dla węglowodoru $С_5Н_(12)$ możliwe są trzy izomery: pentan, izopentan i neopentan:

$CH_3-CH_2-(CH_2)↙(pentan)-CH_2-CH_3$

Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce gwałtownie rośnie liczba izomerów. Za węglowodory $С_(10)Н_(22)$ jest już 75$, a za węglowodory $С_(20)Н_(44)$ - 366.319$.

Izomeria pozycji ze względu na inną pozycję wiązania wielokrotnego, podstawnika, grupy funkcyjnej z tym samym szkieletem węglowym cząsteczki:

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

$(CH_3-CH_2-CH_2-OH)↙(alkohol n-propylowy(propanol-1))$

Izomeria różnych klas związków organicznych (izomeria międzyklasowa) jest spowodowane różnymi pozycjami i kombinacjami atomów w cząsteczkach substancji, które mają ten sam wzór cząsteczkowy, ale należą do różnych klas. Zatem wzór cząsteczkowy $C_6H_(12)$ odpowiada nienasyconemu węglowodorowi heksenowi-1 i cyklicznemu cykloheksanowi węglowodorowemu:

Izomery to węglowodór pokrewny alkinom – butyn-1 oraz węglowodór z dwoma podwójnymi wiązaniami w łańcuchu butadienu-1,3:

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

Eter dietylowy i alkohol butylowy mają ten sam wzór cząsteczkowy $C_4H_(10)O$:

$(CH_3CH_2OCH_2CH_3)↙(\text"eter dietylowy")$ $(CH_3CH_2CH_2CH_2OH)↙(\text"alkohol n-butylowy (1-butanol)")$

Izomery strukturalne to kwas aminooctowy i nitroetan, odpowiadające wzorowi cząsteczkowemu $C_2H_5NO_2$:

Izomery tego typu zawierają różne grupy funkcyjne i należą do różnych klas substancji. Dlatego znacznie bardziej różnią się właściwościami fizycznymi i chemicznymi niż izomery szkieletu węglowego czy izomery pozycyjne.

Izomeria przestrzenna

Izomeria przestrzenna dzieli się na dwa typy: geometryczny i optyczny. Izomeria geometryczna jest charakterystyczna dla związków zawierających wiązania podwójne i związków cyklicznych. Ponieważ swobodny obrót atomów wokół wiązania podwójnego lub w pierścieniu jest niemożliwy, podstawniki mogą znajdować się albo po jednej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego, albo w pierścieniu ( cis-pozycja) lub po przeciwnych stronach ( trans-pozycja). Oznaczenia cis- I trans- zwykle określane jako para identycznych podstawników:

Izomery geometryczne różnią się właściwościami fizycznymi i chemicznymi.

Izomeria optyczna występuje, gdy cząsteczka jest niezgodna ze swoim obrazem w lustrze. Jest to możliwe, gdy atom węgla w cząsteczce ma cztery różne podstawniki. Ten atom nazywa się asymetryczny. Przykładem takiej cząsteczki jest cząsteczka kwasu $α$-aminopropionowego ($α$-alaniny) $CH_3CH(NH_2)COOH$.

Cząsteczka $α$-alaniny nie może pokrywać się ze swoim lustrzanym odbiciem, niezależnie od tego, jak się porusza. Takie izomery przestrzenne nazywane są lustro, antypody optyczne, Lub enancjomery. Wszystkie właściwości fizyczne i prawie wszystkie właściwości chemiczne takich izomerów są identyczne.

Badanie izomerii optycznej jest konieczne przy rozważaniu wielu reakcji zachodzących w organizmie. Większość tych reakcji zachodzi pod działaniem enzymów – katalizatorów biologicznych. Cząsteczki tych substancji muszą pasować do cząsteczek związków, na które działają, jak klucz do zamka, dlatego też struktura przestrzenna, względne rozmieszczenie odcinków cząsteczek i inne czynniki przestrzenne mają ogromne znaczenie dla przebiegu te reakcje. Takie reakcje nazywane są stereoselektywny.

Większość naturalnych związków to pojedyncze enancjomery, a ich działanie biologiczne znacznie różni się od właściwości ich optycznych antypodów uzyskanych w laboratorium. Taka różnica w aktywności biologicznej ma ogromne znaczenie, ponieważ leży u podstaw najważniejszej właściwości wszystkich żywych organizmów - metabolizmu.

Szereg homologiczny to szereg substancji ułożonych w kolejności rosnącej według ich względnych mas cząsteczkowych, o podobnej strukturze i właściwościach chemicznych, przy czym każdy element różni się od poprzedniego różnicą homologiczną $CH_2$. Na przykład: $CH_4$ - metan, $C_2H_6$ - etan, $C_3H_8$ - propan, $C_4H_(10)$ - butan itp.

Rodzaje wiązań w cząsteczkach substancji organicznych. Hybrydyzacja orbitali atomowych węgla. Rodnik. Grupa funkcyjna.

Rodzaje wiązań w cząsteczkach substancji organicznych.

W związkach organicznych węgiel jest zawsze czterowartościowy. W stanie wzbudzonym para elektronów $2s^3$ zostaje rozbita w atomie i jeden z nich przemieszcza się na orbital p:

Taki atom ma cztery niesparowane elektrony i może brać udział w tworzeniu czterech wiązań kowalencyjnych.

Bazując na podanym elektronicznym wzorze na poziom wartościowości atomu węgla, można by oczekiwać, że zawiera on jeden $s$-elektron (sferyczny orbital symetryczny) i trzy $p$-elektrony posiadające wzajemnie prostopadłe orbitale ($2р_х, 2р_у, 2p_z $- orbitalny). W rzeczywistości wszystkie cztery elektrony walencyjne atomu węgla całkowicie równoważne a kąty między ich orbitalami są równe $109°28"$. Ponadto obliczenia pokazują, że każde z czterech wiązań chemicznych węgla w cząsteczce metanu ($CH_4$) wynosi $25%$ $s-$ i $75%$ $p $-połączenie, czyli dzieje się mieszanie$s-$ i $p-$ stany elektronów. Zjawisko to nazywa się hybrydyzacja, i orbitale mieszane - hybrydowy.

Atom węgla w stanie $sp^3$-walencyjnym ma cztery orbitale, z których każdy zawiera jeden elektron. Zgodnie z teorią wiązań kowalencyjnych ma zdolność tworzenia czterech wiązań kowalencyjnych z atomami dowolnych pierwiastków jednowartościowych ($CH_4, CHCl_3, CCl_4$) lub z innymi atomami węgla. Takie połączenia nazywane są połączeniami $σ$. Jeśli atom węgla ma jedno wiązanie $C-C$, wówczas nazywa się to podstawowy($Н_3С-СН_3$), jeśli dwa - wtórny($Н_3С-СН_2-СН_3$), jeśli trzy - trzeciorzędowy (), a jeśli cztery - czwartorzędowy ().

Jedną z charakterystycznych cech atomów węgla jest ich zdolność do tworzenia wiązań chemicznych poprzez współdzielenie jedynie elektronów $p$. Takie połączenia nazywane są połączeniami $π$. Wiązania $π$ w cząsteczkach związków organicznych powstają tylko w obecności wiązań $σ$ pomiędzy atomami. Zatem w cząsteczce etylenu $H_2C=CH_2$ atomy węgla są połączone $σ-$ i jednym wiązaniem $π$, w cząsteczce acetylenu $HC=CH$ - jednym $σ-$ i dwoma wiązaniami $π$ . Nazywa się wiązania chemiczne utworzone z udziałem wiązań $π$ wielokrotności(w cząsteczce etylenu - podwójnie, w cząsteczce acetylenu - potroić) i związki z wiązaniami wielokrotnymi - nienasycone.

Zjawisko$sp^3$-, $sp^2$- I$sp$ - hybrydyzacja atomu węgla.

Kiedy powstają wiązania $π$, zmienia się stan hybrydowy orbitali atomowych atomu węgla. Ponieważ tworzenie wiązań $π$ następuje dzięki p-elektronom, to w cząsteczkach z wiązaniem podwójnym elektrony będą miały hybrydyzację $sp^2$ (było $sp^3$, ale jeden p-elektron trafia do $π$- orbital), a przy potrójnej - hybrydyzacja $sp$ (dwa p-elektrony trafiły na orbital $π$). Charakter hybrydyzacji zmienia kierunek wiązań $σ$. Jeśli podczas $sp^3$-hybrydyzacji tworzą one przestrzennie rozgałęzione struktury ($a$), to podczas $sp^2$-hybrydyzacji wszystkie atomy leżą w tej samej płaszczyźnie, a kąty pomiędzy $σ$-wiązaniami są równe $120° $(b) , a przy hybrydyzacji $sp$ cząsteczka jest liniowa (c):

W tym przypadku osie orbitali $π$ są prostopadłe do osi wiązania $σ$.

Zarówno wiązania $σ$-, jak i $π$- są kowalencyjne, co oznacza, że muszą charakteryzować się długością, energią, kierunkiem przestrzennym i polarnością.

Charakterystyka wiązań pojedynczych i wielokrotnych pomiędzy atomami C.

Rodnik. Grupa funkcyjna.

Jedną z cech związków organicznych jest to, że w reakcjach chemicznych ich cząsteczki wymieniają nie pojedyncze atomy, ale grupy atomów. Jeśli ta grupa atomów składa się tylko z atomów węgla i wodoru, wówczas nazywa się ją rodnik węglowodorowy, jeśli ma atomy innych pierwiastków, to nazywa się to Grupa funkcyjna. Na przykład metyl ($СН_3$-) i etyl ($С_2Н_5$-) to rodniki węglowodorowe, a grupa hydroksylowa (-$ОН$), grupa aldehydowa ( ), grupa nitrowa (-$NO_2$) itp. to grupy funkcyjne odpowiednio alkoholi, aldehydów i związków zawierających azot.

Zwykle grupa funkcyjna określa właściwości chemiczne związku organicznego i dlatego jest podstawą ich klasyfikacji.

Aleksander Michajłowicz Butlerow urodził się 3 (15) września 1828 r. w mieście Czystopol w prowincji Kazań, w rodzinie właściciela ziemskiego, emerytowanego oficera. Pierwszą edukację otrzymał w prywatnej szkole z internatem, następnie studiował w gimnazjum i Cesarskim Uniwersytecie Kazańskim. Od 1849 wykładał, a w 1857 został profesorem zwyczajnym chemii na tej samej uczelni. Dwukrotnie był jej rektorem. W 1851 obronił pracę magisterską „O utlenianiu związków organicznych”, a w 1854 na Uniwersytecie Moskiewskim rozprawę doktorską „O olejkach eterycznych”. Od 1868 r. był profesorem zwyczajnym chemii na Uniwersytecie w Petersburgu, a od 1874 r. - zwykłym pracownikiem naukowym petersburskiej Akademii Nauk. Oprócz chemii Butlerov zwracał uwagę na praktyczne zagadnienia rolnictwa, ogrodnictwa i pszczelarstwa, a pod jego kierownictwem na Kaukazie rozpoczęła się uprawa herbaty. Zmarł we wsi Butlerovka w obwodzie kazańskim 5 (17) sierpnia 1886 r.

Przed Butlerowem podejmowano znaczną liczbę prób stworzenia doktryny budowy chemicznej związków organicznych. Kwestię tę wielokrotnie podejmowali najwybitniejsi chemicy tamtych czasów, których prace częściowo wykorzystał rosyjski naukowiec w swojej teorii struktury. Na przykład niemiecki chemik August Kekule doszedł do wniosku, że węgiel może tworzyć cztery wiązania z innymi atomami. Ponadto uważał, że dla tego samego związku może istnieć kilka wzorów, zawsze jednak dodawał, że w zależności od przemiany chemicznej wzór ten może być inny. Kekule uważał, że wzory nie odzwierciedlają kolejności, w jakiej atomy w cząsteczce są połączone. Inny wybitny niemiecki naukowiec, Adolf Kolbe, ogólnie uważał, że wyjaśnienie struktury chemicznej cząsteczek jest zasadniczo niemożliwe.

Butlerov po raz pierwszy wyraził swoje podstawowe poglądy na temat budowy związków organicznych w 1861 roku w raporcie „O chemicznej strukturze materii”, który przedstawił uczestnikom Kongresu Niemieckich Przyrodników i Lekarzy w Speyer. Do swojej teorii włączył pomysły Kekule'a dotyczące wartościowości (liczby wiązań w konkretnym atomie) i szkockiego chemika Archibalda Coopera, że atomy węgla mogą tworzyć łańcuchy. Zasadnicza różnica między teorią Butlerowa a innymi polegała na zapisie dotyczącym chemicznej (a nie mechanicznej) struktury cząsteczek – sposobu, w jaki atomy łączą się ze sobą, tworząc cząsteczkę. W tym przypadku każdy atom utworzył wiązanie zgodnie z przynależną mu „siłą chemiczną”. W swojej teorii naukowiec dokonał wyraźnego rozróżnienia pomiędzy wolnym atomem a atomem, który wszedł w połączenie z innym (przekształca się w nową formę i w wyniku wzajemnego oddziaływania połączone atomy, w zależności od środowiska strukturalnego , mają różne funkcje chemiczne). Rosyjski chemik był przekonany, że formuły nie tylko schematycznie przedstawiają cząsteczki, ale także odzwierciedlają ich rzeczywistą strukturę. Ponadto każda cząsteczka ma specyficzną strukturę, która zmienia się jedynie podczas przemian chemicznych. Z założeń teorii wynikało (potwierdzone później eksperymentalnie), że o właściwościach chemicznych związku organicznego decyduje jego budowa. Stwierdzenie to jest szczególnie ważne, ponieważ pozwoliło wyjaśnić i przewidzieć przemiany chemiczne substancji. Istnieje również odwrotna zależność: wzór strukturalny można wykorzystać do oceny właściwości chemicznych i fizycznych substancji. Ponadto naukowiec zwrócił uwagę na fakt, że reaktywność związków tłumaczy się energią, z jaką łączą się atomy.

Za pomocą stworzonej teorii Butlerov był w stanie wyjaśnić izomerię. Izomery to związki, w których ilość i „jakość” atomów jest taka sama, ale jednocześnie mają różne właściwości chemiczne, a co za tym idzie inną budowę. Teoria umożliwiła jasne wyjaśnienie znanych przypadków izomerii. Butlerov uważał, że możliwe jest określenie przestrzennego rozmieszczenia atomów w cząsteczce. Jego przewidywania potwierdziły się później, co dało impuls do rozwoju nowej gałęzi chemii organicznej – stereochemii. Warto zaznaczyć, że naukowiec jako pierwszy odkrył i wyjaśnił zjawisko izomerii dynamicznej. Oznacza to, że dwa lub więcej izomerów w pewnych warunkach może łatwo przekształcić się w siebie. Ogólnie rzecz biorąc, to izomeria stała się poważnym sprawdzianem teorii budowy chemicznej i została przez nią znakomicie wyjaśniona.

Niepodważalne postanowienia sformułowane przez Butlerowa bardzo szybko przyniosły teorii powszechne uznanie. Słuszność przedstawionych pomysłów została potwierdzona eksperymentami naukowca i jego zwolenników. W swoim procesie udowodnili hipotezę izomerii: Butlerov zsyntetyzował jeden z czterech przewidzianych przez teorię alkoholi butylowych i rozszyfrował jego strukturę. Zgodnie z prawami izomerii, które bezpośrednio wynikały z teorii, sugerowano także możliwość istnienia czterech kwasów walerianowych. Później je otrzymano.

To tylko pojedyncze fakty w łańcuchu odkryć: chemiczna teoria struktury związków organicznych miała niesamowitą zdolność przewidywania.

W stosunkowo krótkim czasie odkryto, zsyntetyzowano i zbadano dużą liczbę nowych substancji organicznych i ich izomerów. W rezultacie teoria Butlerowa dała impuls do szybkiego rozwoju nauk chemicznych, w tym syntetycznej chemii organicznej. Zatem liczne syntezy Butlerowa są głównymi produktami całych gałęzi przemysłu.

Nadal rozwijała się teoria budowy chemicznej, która wniosła wówczas do chemii organicznej wiele rewolucyjnych pomysłów. Na przykład Kekule zasugerował cykliczną strukturę benzenu i ruch jego podwójnych wiązań w cząsteczce, specjalne właściwości związków z wiązaniami sprzężonymi i wiele więcej. Co więcej, wspomniana teoria uczyniła chemię organiczną bardziej wizualną - stało się możliwe rysowanie wzorów molekularnych.

A to z kolei zapoczątkowało klasyfikację związków organicznych. To właśnie zastosowanie wzorów strukturalnych pomogło w określeniu sposobów syntezy nowych substancji i ustaleniu struktury związków złożonych, czyli zdeterminowało aktywny rozwój nauk chemicznych i ich gałęzi. Na przykład Butlerov zaczął prowadzić poważne badania nad procesem polimeryzacji. W Rosji inicjatywę tę kontynuowali jego studenci, co ostatecznie umożliwiło odkrycie przemysłowej metody produkcji kauczuku syntetycznego.