Dom » Očne bolesti » Znanstvenik koji je stvorio teoriju kemijske strukture organskih tvari. Butlerov Aleksandar Mihajlovič

Znanstvenik koji je stvorio teoriju kemijske strukture organskih tvari. Butlerov Aleksandar Mihajlovič

U ovom je članku opisan doprinos kemiji ruskog kemičara, akademika Sankt Peterburške akademije znanosti i profesora Sveučilišta u Sankt Peterburgu, tvorca teorije kemijske strukture.

Butlerov Alexander Mikhailovich doprinos hemiji:

Aleksandar Mihajlovič 1858. otvoren novi put sinteza metilen jodida. Pritom je obavljao mnoge poslove i radove na njegovim izvedenicama.

Kemičar je uspio sintetizirati metilen diacetat i u procesu saponifikacije dobio polimer formaldehida. Na temelju toga, 1861. godine, Butlerov je prvi dobio urotropin i metileneitan, dok je izvršio prvu sintezu elementa šećera.

Butlerovljev doprinos proučavanju kemije u potpunosti je otkriven u njegovom otkrivajućem izvješću iz 1861. U njemu on:

Dokazao je nesavršenost teorija kemije koje su postojale u to vrijeme.
Naglasio je važnost teorije atomizma.
Definirao pojam kemijske strukture.
Formulirano 8 pravila za stvaranje kemijskih spojeva.
Butlerov je prvi pokazao razliku između reaktivnosti različitih spojeva.

Aleksandar Mihajlovič iznio je ideju da atomi u molekulama međusobno utječu jedni na druge. Objasnio je 1864. proces izomerizma većine spojeva organskog porijekla. U procesu eksperimenata, u korist svoje ideje, znanstvenik je istražio strukturu butil tercijarnog alkohola i izobutilena. Također je izvršio polimerizaciju etilenskih ugljikovodika.

Glavna uloga Butlerova u kemiji je da je utemeljitelj teorije tautomerizma, postavljajući njezine temelje.

Predavanje 15

Teorija strukture organskih tvari. Glavne klase organskih spojeva.

Organska kemija - znanost koja proučava organsku tvar. Inače se može definirati kao kemija ugljikovih spojeva. Potonji zauzima posebno mjesto u periodičnom sustavu D. I. Mendeljejeva u pogledu raznolikosti spojeva, kojih je poznato oko 15 milijuna, dok je broj anorganskih spojeva petsto tisuća. Organske tvari čovječanstvu su od davnina poznate kao šećer, biljne i životinjske masti, boje, mirisne i ljekovite tvari. Postupno su ljudi naučili prerađivati te tvari kako bi dobili razne vrijedne organske proizvode: vino, ocat, sapun itd. Napredak organske kemije temelji se na dostignućima u području kemije proteina, nukleinskih kiselina, vitamina itd. Organska kemija je od velike važnosti za razvoj medicine, budući da velika većina lijekovi su organski spojevi ne samo prirodnog podrijetla, već i dobiveni uglavnom sintezom. Iznimna vrijednost lutala makromolekularni organski spojevi (sintetičke smole, plastika, vlakna, sintetička guma, bojila, herbicidi, insekticidi, fungicidi, defolijanti…). Važnost organske kemije za proizvodnju hrane i industrijskih dobara je ogromna.

Suvremena organska kemija duboko je prodrla u kemijske procese koji nastaju tijekom skladištenja i prerade prehrambenih proizvoda: procese sušenja, užeglosti i saponifikacije ulja, fermentacije, pečenja, kiseljenja, dobivanja pića, u proizvodnji mliječnih proizvoda itd. Važnu ulogu odigralo je i otkriće i proučavanje enzima, parfema i kozmetike.

Jedan od razloga velike raznolikosti organskih spojeva je osobitost njihove strukture koja se očituje u stvaranju kovalentnih veza i lanaca ugljikovih atoma, različitih po vrsti i duljini. Broj vezanih ugljikovih atoma u njima može doseći desetke tisuća, a konfiguracija ugljikovih lanaca može biti linearna ili ciklička. Osim ugljikovih atoma, lanac može uključivati kisik, dušik, sumpor, fosfor, arsen, silicij, kositar, olovo, titan, željezo itd.

Manifestacija ovih svojstava ugljikom povezana je s nekoliko razloga. Potvrđeno je da su energije C–C i C–O veza usporedive. Ugljik ima sposobnost formiranja tri vrste hibridizacije orbitala: četiri sp 3 - hibridne orbitale, njihova orijentacija u prostoru je tetraedarska i odgovara jednostavan kovalentne veze; tri hibridne sp 2 - orbitale smještene u istoj ravnini, u kombinaciji s nehibridnim orbitalnim oblikom dvostruki višekratnici veze (─S = S─); također uz pomoć sp - hibridnih orbitala linearne orijentacije i nehibridnih orbitala između ugljikovih atoma nastaju trostruki višekratnici veze (─ C ≡ C ─) Istodobno, ove vrste veza tvore atome ugljika ne samo međusobno, već i s drugim elementima. Dakle, moderna teorija strukture tvari objašnjava ne samo značajan broj organskih spojeva, već i utjecaj njihove kemijske strukture na svojstva.

Također u potpunosti potvrđuje osnove teorije kemijske strukture, koji je razvio veliki ruski znanstvenik A.M. Butlerov. NJEGOVE glavne odredbe:

1) u organskim molekulama atomi su međusobno povezani u određeni red prema njihovoj valenciji, koja određuje strukturu molekula;

2) svojstva organskih spojeva ovise o prirodi i broju njihovih sastavnih atoma, kao i o kemijskoj strukturi molekula;

3) svaka kemijska formula odgovara određenom broju mogućih izomernih struktura;

4) svaki organski spoj ima jednu formulu i ima određena svojstva;

5) u molekulama postoji međusobni utjecaj atoma jedan na drugog.

Klase organskih spojeva

Prema teoriji, organski spojevi se dijele u dvije serije - acikličke i cikličke spojeve.

1. Aciklički spojevi.(alkani, alkeni) sadrže otvoreni, otvoreni ugljikov lanac - ravan ili razgranat:

N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N N─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N │ N

Normalni butan izobutan (metil propan)

2. a) Aliciklički spojevi- spojevi koji imaju zatvorene (cikličke) ugljikove lance u molekulama:

ciklobutan cikloheksan

b) aromatični spojevi, u čijim se molekulama nalazi benzenski kostur - šesteročlani ciklus s naizmjeničnim jednostrukim i dvostrukim vezama (areni):

c) Heterociklički spojevi- ciklički spojevi koji osim ugljikovih atoma sadrže dušik, sumpor, kisik, fosfor i neke elemente u tragovima, koji se nazivaju heteroatomi.

furan pirol piridin

U svakom redu organske tvari podijeljene su u klase - ugljikovodici, alkoholi, aldehidi, ketoni, kiseline, esteri, u skladu s prirodom funkcionalnih skupina njihovih molekula.

Također postoji klasifikacija prema stupnju zasićenosti i funkcionalnim skupinama. Prema stupnju zasićenosti razlikuju se:

1. Granica zasićena U ugljičnom kosturu postoje samo jednostruke veze.

─S─S─S─

2. Nezasićeno nezasićeno– u ugljičnom kosturu postoji više (=, ≡) veza.

─S=S─ ─S≡S─

3. aromatična– neograničeni ciklusi s prstenastom konjugacijom (4n + 2) π-elektrona.

Po funkcionalnim skupinama

1. Alkoholi R-CH 2 OH

2. Fenoli

3. Aldehidi R─COH Ketoni R─C─R

4. Karboksilne kiseline R─COOH O

5. Esteri R─COOR 1

slajd 1>

Ciljevi predavanja:

Obrazovni:
- formirati pojmove o biti teorije kemijske strukture organskih tvari, na temelju znanja učenika o elektroničkoj strukturi atoma elemenata, njihovom položaju u Periodnom sustavu D.I. Mendeljejev, o stupnju oksidacije, prirodi kemijske veze i drugim glavnim teoretskim odredbama:
  - slijed ugljikovih atoma u lancu,
  - međusobni utjecaj atoma u molekuli,
  - ovisnost svojstava organskih tvari o strukturi molekula;
- formirati ideju o razvoju teorija u organskoj kemiji;
- naučiti pojmove: izomeri i izomerija;
- objasniti značenje strukturnih formula organskih tvari i njihove prednosti u odnosu na molekularne;
- pokazati nužnost i preduvjete za stvaranje teorije kemijske strukture;
- Nastavite razvijati svoje vještine pisanja.
obrazovne:
- razvijati mentalne tehnike analize, usporedbe, generalizacije;
- razviti apstraktno mišljenje;
- uvježbati pozornost učenika u percepciji veće količine gradiva;
- razviti sposobnost analize informacija i isticanja najvažnijeg materijala.
Obrazovni:
- u svrhu domoljubnog i međunarodnog odgoja učenicima pružiti povijesne podatke o životu i radu znanstvenika.

TIJEKOM NASTAVE

1. Organizacijski dio

- Pozdrav
- Priprema učenika za nastavu
- Dobivanje informacija o odsutnim.

2. Učenje novih stvari

Plan predavanja:<dodatak 1 . Slajd 2>

I. Predstrukturne teorije:
- vitalizam;
– teorija radikala;
- teorija tipova.
II. Kratki podaci o stanju kemijske znanosti do 60-ih godina XIX stoljeća. Uvjeti za stvaranje teorije kemijske strukture tvari:
- potreba za stvaranjem teorije;
- preduvjeti za teoriju kemijske strukture.
III. Bit teorije kemijske strukture organskih tvari A.M. Butlerov. Pojam izomerizma i izomera.
IV. Vrijednost teorije kemijske strukture organskih tvari A.M. Butlerov i njegov razvoj.

3. Domaća zadaća: sinopsis, str. 2.

4. Predavanje

I. Znanja o organskim tvarima postupno su se gomilala od davnina, ali kao samostalna znanost organska kemija nastaje tek početkom 19. stoljeća. Registracija neovisnosti org.kemije povezuje se s imenom švedskog znanstvenika J. Berzeliusa<dodatak 1 . Slajd 3>. Godine 1808.-1812. objavio je svoj veliki priručnik o kemiji, u kojem je prvotno namjeravao uz mineralne tvari razmotriti i tvari životinjskog i biljnog podrijetla. Ali dio udžbenika posvećen organskim tvarima pojavio se tek 1827. godine.
Najznačajniju razliku između anorganskih i organskih tvari J. Berzelius je vidio u tome što se prve mogu sintetički dobiti u laboratorijima, dok druge navodno nastaju samo u živim organizmima pod utjecajem određene "životne sile" - kemijskog sinonima. za "dušu", "duh", "božansko porijeklo" živih organizama i njihovih sastavnih organskih supstanci.
Nazvana je teorija koja je objasnila nastanak organskih spojeva intervencijom "životne sile". vitalizam. Već neko vrijeme je popularna. U laboratoriju je bilo moguće sintetizirati samo najjednostavnije tvari koje sadrže ugljik, kao što su ugljični dioksid - CO 2, kalcijev karbid - CaC 2, kalij cijanid - KCN.
Tek 1828. njemački znanstvenik Wöhler<dodatak 1 . Slide 4> uspio je dobiti organsku tvar ureu iz anorganske soli - amonij cijanata - NH 4 CNO.
NH 4 CNO -- t –> CO (NH 2) 2
Godine 1854. francuski znanstvenik Berthelot<dodatak 1 . Slajd 5>Primljeni trigliceridi. To je dovelo do potrebe za promjenom definicije organske kemije.
Znanstvenici su pokušali razotkriti prirodu molekula organskih tvari na temelju sastava i svojstava, nastojali stvoriti sustav koji bi omogućio povezivanje različitih činjenica koje su se nakupile početkom 19. stoljeća.
Prvi pokušaj stvaranja teorije koja je nastojala generalizirati dostupne podatke o organskim tvarima povezuje se s imenom francuskog kemičara J. Dumasa<dodatak 1 . Slajd 6>. Bio je to pokušaj da se sa jedinstvenog gledišta razmotri prilično velika skupina organskih spojeva, koje bismo danas nazvali derivatima etilena. Pokazalo se da su organski spojevi derivati nekog radikala C 2 H 4 - eterina:
C 2 H 4 * HCl - etil klorid (eterin hidroklorid)
Ideja ugrađena u ovu teoriju – pristup organskoj tvari koja se sastoji od 2 dijela – kasnije je bila temelj šire teorije radikala (J. Berzelius, J. Liebig, F. Wöhler). Ova teorija temelji se na pojmu "dualističke strukture" tvari. J. Berzelius je napisao: “svaka organska tvar se sastoji od 2 sastavni dijelovi noseći suprotan električni naboj. Jednu od tih komponenti, odnosno elektronegativni dio, J. Berzelius je smatrao kisikom, dok je ostatak, zapravo organski, trebao biti elektropozitivni radikal.

Glavne odredbe teorije radikala:<dodatak 1 . Slajd 7>

- sastav organskih tvari uključuje radikale koji nose pozitivan naboj;
- radikali su uvijek konstantni, ne prolaze kroz promjene, prelaze bez promjena s jedne molekule na drugu;
- radikali mogu postojati u slobodnom obliku.

Postupno je znanost akumulirala činjenice koje su bile u suprotnosti s teorijom radikala. Tako je J. Dumas izvršio zamjenu vodika klorom u ugljikovodičnim radikalima. Znanstvenici, pristaše teorije radikala, činilo se nevjerojatnim da klor, negativno nabijen, igra ulogu vodika, pozitivno nabijenog u spojevima. Godine 1834. J. Dumas je dobio zadatak istražiti neugodan incident tijekom bala u palači francuskog kralja: svijeće su ispuštale zagušljiv dim kada su gorele. J. Dumas je otkrio da je vosak od kojeg su napravljene svijeće tretiran klorom za izbjeljivanje. Istodobno, klor je ušao u molekulu voska, zamjenjujući dio vodika koji se nalazi u njoj. Ispostavilo se da je zagušljiva para koja je uplašila kraljevske goste bila klorovodik (HCl). Kasnije je J. Dumas dobio trikloroctenu kiselinu iz octene kiseline.
Tako je elektropozitivni vodik zamijenjen izrazito elektronegativnim elementom klorom, dok su svojstva spoja ostala gotovo nepromijenjena. Zatim je J. Dumas zaključio da dualistički pristup treba zamijeniti pristupom organizacijskoj povezanosti u cjelini.

Radikalna teorija postupno je napuštena, ali je ostavila dubok trag na organsku kemiju:<dodatak 1 . Slajd 8>
- koncept "radikala" je čvrsto utemeljen u kemiji;
- pokazalo se točnom tvrdnja o mogućnosti postojanja slobodnih radikala, o prijelazu u ogromnom broju reakcija određenih skupina atoma iz jednog spoja u drugi.

U 40-im godinama. 19. stoljeća Pokrenuta je doktrina homologije koja je omogućila razjašnjenje nekih odnosa između sastava i svojstava spojeva. Otkrivene su homološke serije, homološke razlike, što je omogućilo razvrstavanje organskih tvari. Klasifikacija organskih tvari na temelju homologije dovela je do pojave teorije tipova (40-50-te godine XIX stoljeća, C. Gerard, A. Kekule i drugi)<dodatak 1 . slajd 9>

Bit teorije tipova<dodatak 1 . Slajd 10>

– teorija se temelji na analogiji u reakcijama između organskih i nekih anorganskih tvari, uzetih kao vrste (vrste: vodik, voda, amonijak, klorovodik itd.). Zamjenjujući atome vodika u vrsti tvari s drugim skupinama atoma, znanstvenici su predvidjeli različite derivate. Na primjer, zamjena atoma vodika u molekuli vode metilnim radikalom dovodi do stvaranja molekule alkohola. Supstitucija dva atoma vodika - do pojave molekule etera<dodatak 1 . slajd 11>

C. Gerard je u tom pogledu izravno rekao da je formula tvari samo skraćeni zapis njezinih reakcija.

Sve org. tvari su se smatrale derivatima najjednostavnijih anorganskih tvari - vodika, klorovodika, vode, amonijaka<dodatak 1 . slajd 12>

<dodatak 1 . slajd 13>

- molekule organskih tvari su sustav koji se sastoji od atoma, čiji je redoslijed povezivanja nepoznat; na svojstva spojeva utječe ukupnost svih atoma molekule;
- nemoguće je znati strukturu tvari, budući da se molekule mijenjaju tijekom reakcije. Formula tvari ne odražava strukturu, već reakcije u kojima se dana tvar. Za svaku tvar može se napisati onoliko racionalnih formula koliko ima različitih vrsta transformacija koje tvar može doživjeti. Teorija tipova dopuštala je mnoštvo "racionalnih formula" za tvari, ovisno o tome koje reakcije žele izraziti s tim formulama.

Teorija tipova odigrala je veliku ulogu u razvoju organske kemije <dodatak 1 . slajd 14>

- dopušteno predviđanje i otkrivanje niza tvari;
- pozitivno utjecao na razvoj doktrine valencije;
- skrenuo pozornost na proučavanje kemijskih transformacija organskih spojeva, što je omogućilo dublje proučavanje svojstava tvari, kao i svojstava predviđenih spojeva;
- izradio za ono vrijeme savršenu sistematizaciju organskih spojeva.

Ne treba zaboraviti da su u stvarnosti teorije nastale i smjenjivale jedna drugu ne sekvencijalno, nego su postojale istovremeno. Kemičari su se često pogrešno razumjeli. F. Wöhler je 1835. rekao da “organska kemija sada može izluditi svakoga. Čini mi se gusta šuma puna divnih stvari, golema šipražja bez izlaza, bez kraja, u koju se ne usuđuješ prodrijeti...”.

Nijedna od ovih teorija nije postala teorija organske kemije u punom smislu te riječi. Glavni razlog neuspjeha ovih ideja je njihova idealistička bit: unutarnja struktura molekula smatrana je fundamentalno nespoznatljivom, a svako razmišljanje o njoj bilo je nadrilekarstvo.

Bila je potrebna nova teorija koja bi stajala na materijalističkim pozicijama. Takva je teorija bila teorija kemijske strukture A.M. Butlerov <dodatak 1 . Slajdovi 15, 16>, koji je nastao 1861. Sve što je racionalno i vrijedno što je bilo u teorijama radikala i tipova, naknadno je asimilirano teorijom kemijske strukture.

Potrebu za pojavom teorije diktirali su:<dodatak 1 . Slajd 17>

– povećani industrijski zahtjevi za organsku kemiju. Tekstilnu industriju bilo je potrebno osigurati bojama. Za razvoj prehrambene industrije bilo je potrebno unaprijediti metode prerade poljoprivrednih proizvoda.
U vezi s tim problemima počele su se razvijati nove metode za sintezu organskih tvari. Međutim, znanstvenici su imali ozbiljnih poteškoća u znanstvenom potkrijepljenju tih sinteza. Tako je, na primjer, bilo nemoguće objasniti valenciju ugljika u spojevima koristeći staru teoriju.
Ugljik nam je poznat kao 4-valentni element (To je eksperimentalno dokazano). Ali ovdje se čini da zadržava ovu valenciju samo u metanu CH 4. U etanu C 2 H 6, prema našim zamislima, trebao bi biti ugljik. 3-valentna, au propanu C 3 H 8 - frakcijska valencija. (A znamo da valencija treba biti izražena samo cijelim brojevima).
Kolika je valencija ugljika u organskim spojevima?

Nije bilo jasno zašto postoje tvari istog sastava, ali različitih svojstava: C 6 H 12 O 6 je molekularna formula glukoze, ali ista formula je i fruktoza (šećerna tvar - sastavni dio meda).

Predstrukturne teorije nisu mogle objasniti raznolikost organskih tvari. (Zašto ugljik i vodik, dva elementa, mogu tvoriti tako velik broj različitih spojeva?).

Bilo je potrebno sistematizirati postojeće znanje s jedinstvenog stajališta i razviti jedinstvenu kemijsku simboliku.

Znanstveno potkrijepljen odgovor na ova pitanja dala je teorija kemijske strukture organskih spojeva koju je stvorio ruski znanstvenik A.M. Butlerov.

Osnovni preduvjeti koji su utrli put nastanku teorije kemijske strukture bili su<dodatak 1 . Slajd 18>

- doktrina valentnosti. Godine 1853. E. Frankland je uveo koncept valencije, utvrdio valenciju za niz metala, istražujući organometalne spojeve. Postupno se koncept valencije proširio na mnoge elemente.

Važno otkriće za organsku kemiju bila je hipoteza o sposobnosti ugljikovih atoma da tvore lance (A. Kekule, A. Cooper).

Jedan od preduvjeta bio je razvoj ispravnog razumijevanja atoma i molekula. Sve do 2. polovice 50-ih godina. 19. stoljeća Nije bilo općeprihvaćenih kriterija za definiranje pojmova: "atom", "molekula", "atomska masa", "molekularna masa". Tek na Međunarodnom kongresu kemičara u Karlsruheu (1860.) ti su pojmovi jasno definirani, što je predodredilo razvoj teorije valencije, nastanak teorije kemijske strukture.

Glavne odredbe teorije kemijske strukture A.M. Butlerov(1861.)

prijepodne Butlerov je najvažnije ideje teorije strukture organskih spojeva formulirao u obliku osnovnih odredbi, koje se mogu podijeliti u 4 skupine.<dodatak 1 . Slajd 19>

1. Svi atomi koji tvore molekule organskih tvari povezani su određenim slijedom prema svojoj valentnosti (tj. molekula ima strukturu).

<dodatak 1 . Slajdovi 19, 20>

U skladu s tim idejama, valentnost elemenata konvencionalno se prikazuje crticama, na primjer, u metanu CH 4.<dodatak 1 . Slajd 20> >

Takav shematski prikaz strukture molekula naziva se strukturne formule i strukturne formule. Na temelju odredbi o 4-valenciji ugljika i sposobnosti njegovih atoma da tvore lance i cikluse, strukturne formule organskih tvari mogu se prikazati na sljedeći način:<dodatak 1 . Slajd 20>

U ovim spojevima ugljik je četverovalentan. (Crta simbolizira kovalentnu vezu, par elektrona).

2. Svojstva tvari ne ovise samo o tome koji su atomi i koliko ih je dio molekula, već i o redoslijedu povezivanja atoma u molekulama (tj. svojstva ovise o strukturi) <dodatak 1 . Slajd 19>

Ovakav stav teorije strukture organskih tvari objasnio je, posebice, fenomen izomerizma. Postoje spojevi koji sadrže isti broj atoma istih elemenata, ali su vezani različitim redoslijedom. Takvi spojevi imaju različita svojstva i nazivaju se izomeri.
Fenomen postojanja tvari istog sastava, ali različite strukture i svojstava naziva se izomerizam.<dodatak 1 . Slajd 21>

Postojanje izomera organskih tvari objašnjava njihovu raznolikost. Fenomen izomerizma je predvidio i dokazao (eksperimentalno) A.M. Butlerov na primjeru butana

Tako, na primjer, sastav C 4 H 10 odgovara dvije strukturne formule:<dodatak 1 . Slajd 22>

Razno međusobni dogovor atoma ugljika u y/w molekulama pojavljuje se samo s butanom. Broj izomera raste s brojem ugljikovih atoma odgovarajućeg ugljikovodika, na primjer, pentan ima tri izomera, a dekan sedamdeset pet.

3. Po svojstvima dane tvari može se odrediti struktura njezine molekule, a po strukturi molekule mogu se predvidjeti svojstva. <dodatak 1 . Slajd 19>

Iz kolegija anorganske kemije poznato je da svojstva anorganskih tvari ovise o strukturi kristalnih rešetki. Različita svojstva atoma od iona objašnjavaju se njihovom strukturom. U budućnosti ćemo vidjeti da se organske tvari s istim molekularnim formulama, ali različite strukture, razlikuju ne samo po fizičkim, već i po kemijskim svojstvima.

4. Atomi i skupine atoma u molekulama tvari međusobno utječu jedni na druge.

<dodatak 1 . Slajd 19>

Kao što već znamo, svojstva anorganskih spojeva koji sadrže hidrokso skupine ovise o tome jesu li vezani za atome metala ili nemetala. Na primjer, i baze i kiseline sadrže hidrokso skupinu:<dodatak 1 . Slajd 23>

Međutim, svojstva ovih tvari su potpuno različita. Razlog različite kemijske prirode skupine - OH (u vodenoj otopini) je zbog utjecaja atoma i skupina atoma koji su s njom povezani. S povećanjem nemetalnih svojstava središnjeg atoma slabi se disocijacija prema vrsti baze i povećava se disocijacija prema vrsti kiseline.

Organski spojevi također mogu imati različita svojstva, koja ovise o tome na koje su atome ili skupine atoma hidroksilne skupine vezane.

Pitanje međusobne infuzije atoma A.M. Butlerov je detaljno analizirao 17. travnja 1879. na sastanku Ruskog fizikalnog i kemijskog društva. Rekao je da ako su dva različita elementa povezana s ugljikom, na primjer, Cl i H, onda “oni ovdje ne ovise jedan o drugom u istoj mjeri kao o ugljiku: između njih nema ovisnosti, te veze koja postoji u čestica klorovodične kiseline... Ali proizlazi li iz toga da nema veze između vodika i klora u spoju CH 2 Cl 2? Na ovo odgovaram odlučnim poricanjem.”

Kao konkretan primjer dalje navodi povećanje pokretljivosti klora tijekom transformacije CH 2 Cl grupe u COCl i u vezi s tim kaže: „Očito je da se karakter klora u čestici promijenio pod utjecajem kisika, iako se ovaj potonji nije izravno spojio s klorom.”<dodatak 1 . Slajd 23>

Pitanje međusobnog utjecaja izravno nevezanih atoma bila je glavna teorijska jezgra V.V. Morkovnikov.

U povijesti čovječanstva poznato je relativno malo znanstvenika čija su otkrića od svjetskog značaja. U području organske kemije takve zasluge pripadaju A.M. Butlerov. U smislu značaja, teorija A.M. Butlerov se uspoređuje s periodičnim zakonom.

Teorija kemijske strukture A.M. Butlerov:<dodatak 1 . Slajd 24>

- omogućila sistematizaciju organskih tvari;
– odgovorio na sva pitanja koja su se do tada pojavila u organskoj kemiji (vidi gore);
- omogućilo je teorijski predvidjeti postojanje nepoznatih tvari, pronaći načine njihove sinteze.

Prošlo je gotovo 140 godina otkako je TCS organskih spojeva stvorio A.M. Butlerov, ali i sada ga kemičari svih zemalja koriste u svom radu. Najnovija dostignuća znanosti nadopunjuju ovu teoriju, pojašnjavaju i pronalaze nove potvrde ispravnosti njezinih temeljnih ideja.

Teorija kemijske strukture i danas ostaje temelj organske kemije.

TCS organskih spojeva A.M. Butlerova je dala značajan doprinos stvaranju opće znanstvene slike svijeta, pridonijela dijalektičko-materijalističkom razumijevanju prirode:<dodatak 1 . Slajd 25>

– zakon prijelaza kvantitativnih promjena u kvalitativne može se pratiti na primjeru alkana:<dodatak 1 . Slajd 25>.

Mijenja se samo broj ugljikovih atoma.

– zakon jedinstva i borbe suprotnosti prati fenomen izomerizma<dodatak 1 . Slajd 26>

Jedinstvo - u sastavu (isto), mjesto u prostoru.
Suprotno je u strukturi i svojstvima (različiti slijed rasporeda atoma).
Ove dvije tvari koegzistiraju zajedno.

– zakon negacije negacije - o izomerizmu.<dodatak 1 . Slajd 27>

Izomeri koji koegzistiraju međusobno se negiraju svojim postojanjem.

Nakon što je razvio teoriju, A.M. Butlerov ga nije smatrao apsolutnim i nepromjenjivim. Tvrdio je da se to treba razvijati. TCS organskih spojeva nije ostao nepromijenjen. Njegov se daljnji razvoj odvijao uglavnom u 2 međusobno povezana smjera:<dodatak 1 . Slajd 28>

Stereokemija je proučavanje prostorne strukture molekula.

Doktrina o elektroničkoj strukturi atoma (omogućuje razumijevanje prirode kemijske veze atoma, suštine međusobnog utjecaja atoma, objašnjavanje razloga za očitovanje određenih kemijskih svojstava tvari).

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

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

stol 1
Broj organskih spojeva poznatih u različitim godinama

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

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

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

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

U molekuli vodika H 2 nastaje jedna kovalentna kemikalija H-H veza, tj. vodik je jednovalentan. Valencija kemijskog elementa može se izraziti brojem atoma vodika koje jedan atom kemijskog elementa veže na sebe ili zamjenjuje. Na primjer, sumpor u sumporovodiku i kisik u vodi su dvovalentni: H 2 S, ili H-S-H, H 2 O ili H-O-H, a dušik u amonijaku je trovalentan:

U organskoj kemiji pojam "valentnosti" analogan je pojmu "oksidacijskog stanja" s kojim ste navikli raditi na tečaju anorganske kemije u osnovnoj školi. Međutim, oni nisu isti. Na primjer, u molekuli dušika N 2, oksidacijsko stanje dušika je nula, a valencija je tri:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Butlerov Aleksandar Mihajlovič (1828-1886)

Na primjer, metan CH 4 je predak homolognog niza zasićenih ugljikovodika (alkana). Njegov najbliži homolog je etan C2H6, ili CH3-CH3. Sljedeća dva člana homolognog niza metana su propan C 3 H 8, ili CH 3 -CH 2 -CH 3, i butan C 4 H 10, ili CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, itd.

Lako je vidjeti da se za homologne nizove može izvesti opća formula za niz. Dakle, za alkane, ova opća formula je C n H 2n + 2.

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

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

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

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

Postoje dvije glavne vrste izomerizma - strukturna i prostorna.

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

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

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

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

Postoje dvije vrste prostorne izomerije: geometrijska i optička.

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

Riža. 6.
Model molekule etilena

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

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

Izomerni parovi nastaju u kiralnim molekulama, u kojima su molekule izomera međusobno povezane u svojoj prostornoj organizaciji na isti način kao što su predmet i njegova zrcalna slika međusobno povezani. Par takvih izomera uvijek ima istu kemijsku i fizikalna svojstva, s izuzetkom optičke aktivnosti: ako jedan izomer rotira ravninu polarizirane svjetlosti u smjeru kazaljke na satu, onda je drugi nužno u suprotnom smjeru. Prvi izomer se naziva desnorotirajući, a drugi levorotirajući.

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

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

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

Nekoliko vrsta kemijskih formula se široko koristi u organskoj kemiji.

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

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

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

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

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

Nove riječi i pojmovi

Izomerizam, izomeri.
Valence.
Kemijska struktura.
Teorija strukture organskih spojeva.
Homološki niz i homološka razlika.
Formule molekularne i strukturne.
Modeli molekula: volumetrijski (skala) i sferni.

Pitanja i zadaci

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

Predavanje 11. razred povišena razina Teorija organske strukture. Alkani, cikloalkani

Glavne odredbe teorije kemijske strukture A.M. Butlerov

1) Atomi u molekulama povezani su jedni s drugima određenim slijedom prema njihovoj valencije.

Slijed međuatomskih veza u molekuli naziva se njezinom kemijskom strukturom i ogleda se u jednoj strukturna formula(formula strukture).

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

3) Svojstva tvari ovise o njihovoj kemijskoj strukturi.

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

5) Atomi i skupine atoma u molekuli imaju međusobnog utjecaja Jedno drugo.

1) Struktura atoma ugljika.

Elektronska struktura atoma ugljika prikazana je na sljedeći način: 1s 2 2s 2 2p 2 ili shematski

Ugljik u organskim spojevima je četverovalentan.

To je zbog činjenice da tijekom formiranja kovalentne veze, atom ugljika prelazi u pobuđeno stanje, u kojem se elektronski par u 2s orbitali odvaja i jedan elektron zauzima praznu p orbitu. shematski:

Kao rezultat toga, više ne postoje dva, već četiri nesparena elektrona.

2) Sigma i pi-veze.

Preklapajuće atomske orbitale duž linije koja spaja jezgre atoma, dovodi do formiranja σ-veze.

Između dva atoma u kemijskoj čestici moguće je samo jedna σ-veza. Sve σ-veze imaju aksijalnu simetriju u odnosu na međunuklearnu os.

Na dodatni preklapanje atomske orbitale okomite na komunikacijsku liniju i paralelne jedna s drugom, 1s2 2s2 3s2

π veze.

Kao rezultat toga, između atoma postoje višestruke veze:

pojedinačni (σ)	dvostruko (σ+π)	trostruko (σ + π + π)
S-S, S-N, S-O		S≡S i S≡N

3) Hibridizacija.

Budući da su četiri elektrona atoma ugljika različita (2s- i 2p-elektroni), i veze bi trebale biti različite, no poznato je da su veze u molekuli metana ekvivalentne. Stoga se za objašnjenje prostorne strukture organskih molekula koristi metoda hibridizacija.

1. Kada socijalizacija četiri orbitale pobuđenog atoma ugljika (jedna 2s- i tri 2p-orbitale) formirana četiri nove ekvivalentne sp 3 hibridne orbitale u obliku izdužene bučice. Zbog međusobnog odbijanja sp 3- hibridne orbitale su usmjerene u prostoru prema vrhovima tetraedar a kutovi između njih su jednaki 109 0 28" (najbolja lokacija). Ovo stanje atoma ugljika naziva se prvo valentno stanje.

2. Kada sp 2 hibridizacije jedna s i dvije p orbitale se miješaju kako bi formirale tri hibridne orbitale, čije su osi smještene u istoj ravnini i usmjerene jedna prema drugoj pod kutom od 120°. Ovo stanje atoma ugljika naziva se drugo valentno stanje.

3. Kada sp hibridizacija, jedna s i jedna p orbitala se spajaju i nastaju dvije hibridne orbitale,čije su osi smještene na istoj ravnoj crti i usmjerene u različitim smjerovima od jezgre razmatranog atoma ugljika pod kutom od 180°. Ovo stanje atoma ugljika naziva se treće valentno stanje.

VRSTE HIBRIDIZACIJE u organskim tvarima.

4) Izomerizam.

Izomeri su tvari koje imaju isti sastav (broj atoma svake vrste), ali različit međusobni raspored atoma – različitu strukturu.

Na primjer, postoje dvije tvari s molekulskom formulom C 4 H 10:

n-butan (s linearnim kosturom): CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 i izo-butan, ili 2-metilpropan:CH 3 - CH - CH 3

‌ │

CH 3Oni su izomeri.

Događa se izomerizam strukturne i prostorne.

Strukturni izomerizam.

1.izomerija ugljični kostur- zbog različitog reda komunikacije između ugljikovih atoma koji čine kostur molekule (vidi butan i izobutan).

2.Izomerizam položaja višestruke veze ili funkcionalne skupine- zbog različitog položaja bilo koje reaktivne skupine s istim ugljikovim kosturom molekula. Dakle, propan odgovara dva izomerna alkohola:

CH 3 - CH 2 - CH 2 - OH - propanol-1 ili n-propil alkohol

i CH 3 - CH - CH 3

OH - propanol-2 ili izopropil alkohol.

izomerija višestruki položaji veza, npr. u butenu-1 i butenu-2

CH 3 - CH 2 - CH \u003d CH 2 - buten-1

CH 3 - CH \u003d CH - CH 3 - buten-2.

3. Međuklasni izomerizam- izomerija tvari povezanih s različitim klasama organskih spojeva:

Alkeni i cikloalkani (sa C 3)

Alkini i dieni (sa C 3)

Alkoholi i eteri (sa C 2)

Aldehidi i ketoni (sa C 3)

Monobazične ograničavajuće karboksilne kiseline i esteri (sa C 2)

Prostorni izomerizam- podijeljen u dvije vrste: geometrijski(ili cis-trans-izomerija) i optički.

geometrijski izomerizam karakterističan za spojeve koji sadrže dvostruke veze ili ciklopropanski prsten; to je zbog nemogućnosti slobodne rotacije atoma oko dvostruke veze ili u ciklusu. U tim slučajevima, supstituenti se mogu nalaziti ili na jednoj strani ravnine dvostruke veze ili prstena (cis - položaj), ili na suprotnim stranama (trans - položaj).

Izrazi "cis" i "trans" obično se odnose na par identičnih supstituenti, a ako su svi supstituenti različiti, onda uvjetno na jedan od parova.
- dva oblika etilen-1,2-dikarboksilne kiseline - cis oblik ili maleinska kiselina (I), i trans oblik, ili fumarna kiselina (II) OBLIK \* MERGEFORMAT

Optički izomerija karakteristično za molekule organskih tvari koje nisu kompatibilne s njihovom zrcalnom slikom (tj. s molekulom koja odgovara ovoj zrcalnoj slici). Najčešće je optička aktivnost posljedica prisutnosti u molekuli asimetričnaatom ugljik, tj. ugljikov atom vezan na četiri različita supstituenta. Primjer je mliječna kiselina:

OH (asimetrični atom ugljika označen je zvjezdicom).

Molekula mliječne kiseline, bez kretanja u prostoru, može se podudarati sa svojom zrcalno slikom. Ova dva oblika kiseline međusobno su povezana kao desna ruka lijevo, a nazivaju se optičkim antipodima (enantiomeri).

Fizički i Kemijska svojstva optički izomeri su često vrlo slični, ali se mogu jako razlikovati u biološkoj aktivnosti, okusu i mirisu.

Klasifikacija organskih tvari.

Klasa tvari	Karakteristično	Općenito formula	Sufiks ili prefiks
C o bric	alkani	Sve veze su jednostruke	C n H 2n+2
alkeni	1 dupli C=C veza	C n H 2n
diene	2 dupla C=C veze	C n H 2n-2
alkini	1 trostruka veza S≡S	C n H 2n-2
Cikloalkani	Ugljični lanac zatvorenog prstena	C n H 2n
Areni (aromatski ugljikovodici)		C n H 2n-6	…-benzen
Sadrži kisik veze	Alkoholi		C n H 2n+2 O CH3OH
Fenoli	benzenski prsten i u njemu	C n H 2n-6O C6H5OH
Aldehidi		C n H 2n O NSNO
Ketoni		C n H 2n O C 3 H 6 O
karboksilne kiseline		C n H 2n O 2 UNSD	…-malene kiseline
Esteri		C n H 2n O 2
	Nitro spojevi		C n H 2n+1 NO 2
amini		C n H 2n+3 N CH 3 NH 2
Aminokiseline	Sadrži -NH 2 i -COOH	C n H 2n+1 NO 2