doma » Očesne bolezni » Znanstvenik, ki je ustvaril teorijo kemične strukture organskih snovi. Butlerov Aleksander Mihajlovič

Znanstvenik, ki je ustvaril teorijo kemične strukture organskih snovi. Butlerov Aleksander Mihajlovič

V tem članku je opisan prispevek k kemiji ruskega kemika, akademika Sankt Peterburške akademije znanosti in profesorja Univerze v Sankt Peterburgu, ustvarjalca teorije kemijske strukture.

Butlerov Aleksander Mihajlovič prispevek k kemiji:

Aleksander Mihajlovič leta 1858 odprl nov način sinteza metilen jodida. Pri tem je opravljal številne naloge in dela na njenih izpeljankah.

Kemik je uspel sintetizirati metilen diacetat in v procesu umiljenja pridobil polimer formaldehida. Na njegovi podlagi je Butlerov leta 1861 prvi pridobil urotropin in metileneitan, medtem ko je izvedel prvo sintezo sladkornega elementa.

Butlerovov prispevek k študiju kemije je bil v celoti razkrit v njegovem razkrivajočem poročilu iz leta 1861. V njem je:

Dokazal je nepopolnost takratnih kemijskih teorij.
Poudaril je pomen teorije atomicnosti.
Opredelil je pojem kemijske strukture.
Formuliranih 8 pravil za tvorbo kemičnih spojin.
Butlerov je prvi pokazal razliko med reaktivnostjo različnih spojin.

Aleksander Mihajlovič je predstavil idejo, da atomi v molekulah medsebojno vplivajo drug na drugega. Leta 1864 je razložil proces izomerizma večine spojin organskega izvora. V procesu eksperimentov je znanstvenik v korist svoje ideje raziskal strukturo butil terciarnega alkohola in izobutilena. Izvedel je tudi polimerizacijo etilenskih ogljikovodikov.

Glavna vloga Butlerova v kemiji je, da je ustanovitelj teorije tavtomerizma, ki je postavil njene temelje.

Predavanje 15

Teorija zgradbe organskih snovi. Glavni razredi organskih spojin.

organska kemija - znanost, ki preučuje organske snovi. V nasprotnem primeru se lahko opredeli kot kemija ogljikovih spojin. Slednji zavzema posebno mesto v periodnem sistemu D. I. Mendelejeva po raznolikosti spojin, ki jih je znanih približno 15 milijonov, medtem ko je število anorganskih spojin petsto tisoč. Organske snovi so človeštvu že dolgo poznane kot sladkor, rastlinske in živalske maščobe, barvila, dišeče in zdravilne snovi. Postopoma so se ljudje naučili predelati te snovi, da bi dobili različne dragocene organske proizvode: vino, kis, milo itd. Napredek organske kemije temelji na dosežkih na področju kemije beljakovin, nukleinskih kislin, vitaminov itd. Organska kemija je velikega pomena za razvoj medicine, saj velika večina zdravila so organske spojine ne le naravnega izvora, temveč tudi pridobljene predvsem s sintezo. Izjemna vrednost blodnja makromolekularno organske spojine (sintetične smole, plastika, vlakna, sintetični kavčuk, barvila, herbicidi, insekticidi, fungicidi, defolianti…). Pomen organske kemije za proizvodnjo hrane in industrijskih izdelkov je ogromen.

Sodobna organska kemija je globoko prodrla v kemične procese, ki se pojavljajo pri skladiščenju in predelavi živil: procesi sušenja, žarkosti in umiljenja olj, fermentacija, peka, fermentacija, pridobivanje pijač, pri proizvodnji mlečnih izdelkov itd. Pomembno vlogo je odigralo tudi odkrivanje in preučevanje encimov, parfumov in kozmetike.

Eden od razlogov za veliko raznolikost organskih spojin je posebnost njihove strukture, ki se kaže v tvorbi kovalentnih vezi in verig z atomi ogljika, različnih po vrsti in dolžini. Število vezanih ogljikovih atomov v njih lahko doseže več deset tisoč, konfiguracija ogljikovih verig pa je lahko linearna ali ciklična. Poleg ogljikovih atomov lahko veriga vključuje kisik, dušik, žveplo, fosfor, arzen, silicij, kositer, svinec, titan, železo itd.

Manifestacija teh lastnosti z ogljikom je povezana z več razlogi. Potrjeno je, da sta energiji C–C in C–O vezi primerljivi. Ogljik ima sposobnost tvoriti tri vrste hibridizacije orbital: štiri sp 3 - hibridne orbitale, njihova orientacija v prostoru je tetraedrična in ustreza preprosta kovalentne vezi; tri hibridne sp 2 - orbitale, ki se nahajajo v isti ravnini, v kombinaciji z nehibridno orbitalno obliko dvojni večkratniki povezave (─С = С─); tudi s pomočjo sp - nastanejo hibridne orbitale linearne orientacije in nehibridne orbitale med ogljikovimi atomi trojni večkratniki vezi (─ C ≡ C ─). Hkrati te vrste vezi tvorijo atome ogljika ne le med seboj, ampak tudi z drugimi elementi. Tako sodobna teorija strukture snovi pojasnjuje ne le veliko število organskih spojin, temveč tudi vpliv njihove kemične strukture na lastnosti.

Prav tako v celoti potrjuje osnove teorije kemijske strukture, ki ga je razvil veliki ruski znanstvenik A. M. Butlerov. Njegove glavne določbe:

1) v organskih molekulah so atomi med seboj povezani v določen vrstni red glede na njihovo valenco, ki določa zgradbo molekul;

2) lastnosti organskih spojin so odvisne od narave in števila njihovih sestavnih atomov, pa tudi od kemične strukture molekul;

3) vsaka kemijska formula ustreza določenemu številu možnih izomernih struktur;

4) vsaka organska spojina ima eno formulo in ima določene lastnosti;

5) v molekulah obstaja medsebojni vpliv atomov drug na drugega.

Razredi organskih spojin

Po teoriji so organske spojine razdeljene v dve vrsti - aciklične in ciklične spojine.

1. Aciklične spojine.(alkani, alkeni) vsebujejo odprto, odprto ogljikovo verigo - ravno ali razvejano:

N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N N─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N │ N

Običajni butan izobutan (metil propan)

2. a) Aliciklične spojine- spojine, ki imajo zaprte (ciklične) ogljikove verige v molekulah:

ciklobutan cikloheksan

b) aromatične spojine, v molekulah katerih je benzenski skelet - šestčlenski cikel z izmeničnimi enojnimi in dvojnimi vezmi (areni):

c) Heterociklične spojine- ciklične spojine, ki vsebujejo poleg ogljikovih atomov dušik, žveplo, kisik, fosfor in nekatere elemente v sledovih, ki jih imenujemo heteroatomi.

furan pirol piridin

V vsaki vrstici so organske snovi razdeljene v razrede - ogljikovodiki, alkoholi, aldehidi, ketoni, kisline, estri, v skladu z naravo funkcionalnih skupin njihovih molekul.

Obstaja tudi razvrstitev glede na stopnjo nasičenosti in funkcionalne skupine. Glede na stopnjo nasičenosti razlikujejo:

1. Meja nasičena V ogljikovem skeletu so samo enojne vezi.

─С─С─С─

2. Nenasičeno nenasičeno– v ogljikovem skeletu je več (=, ≡) vezi.

─С=С─ ─С≡С─

3. aromatičen– neomejeni cikli z obročno konjugacijo (4n + 2) π-elektronov.

Po funkcionalnih skupinah

1. Alkoholi R-CH 2 OH

2. Fenoli

3. Aldehidi R─COH Ketoni R─C─R

4. Karboksilne kisline R─COOH О

5. Estri R─COOR 1

diapozitiv 1>

Cilji predavanja:

Izobraževalni:
- oblikovati pojme o bistvu teorije kemijske strukture organskih snovi, ki temeljijo na znanju študentov o elektronski zgradbi atomov elementov, njihovem položaju v periodnem sistemu D.I. Mendelejev o stopnji oksidacije, naravi kemične vezi in drugih glavnih teoretičnih določilih:
  - zaporedje ogljikovih atomov v verigi,
  - medsebojni vpliv atomov v molekuli,
  - odvisnost lastnosti organskih snovi od strukture molekul;
- oblikovati predstavo o razvoju teorij v organski kemiji;
- spoznajo pojme: izomeri in izomerija;
- pojasniti pomen strukturnih formul organskih snovi in njihove prednosti pred molekularnimi;
- pokazati nujnost in predpogoje za oblikovanje teorije kemijske zgradbe;
- Še naprej razvijajte svoje pisne sposobnosti.
Izobraževalni:
- razvijati miselne tehnike analize, primerjave, posploševanja;
- razviti abstraktno razmišljanje;
- uriti pozornost učencev pri zaznavanju velike količine gradiva;
- razvijati sposobnost analiziranja informacij in poudarjanja najpomembnejšega gradiva.
Izobraževalni:
- za namen domoljubne in mednarodne vzgoje študentom posredovati zgodovinske podatke o življenju in delu znanstvenikov.

MED POUKOM

1. Organizacijski del

- Pozdravi
- Priprava učencev na lekcijo
- Pridobivanje informacij o odsotnih.

2. Učenje novih stvari

Načrt predavanja:<Dodatek 1 . Diapozitiv 2>

I. Predstrukturne teorije:
- vitalizem;
– teorija radikalov;
- teorija tipov.
II. Kratke informacije o stanju kemijske znanosti do 60-ih let XIX stoletja. Pogoji za ustvarjanje teorije kemične strukture snovi:
- potreba po ustvarjanju teorije;
- predpogoji za teorijo kemijske strukture.
III. Bistvo teorije kemijske strukture organskih snovi A.M. Butlerov. Koncept izomerizma in izomerov.
IV. Vrednost teorije kemijske strukture organskih snovi A.M. Butlerov in njegov razvoj.

3. Domača naloga: povzetek, str. 2.

4. Predavanje

I. Znanje o organskih snoveh se je postopoma kopičilo že od antičnih časov, vendar je organska kemija kot samostojna znanost nastala šele v začetku 19. stoletja. Registracija neodvisnosti org.chemistry je povezana z imenom švedskega znanstvenika J. Berzeliusa<Dodatek 1 . Diapozitiv 3>. V letih 1808-1812. izdal je svoj velik priročnik o kemiji, v katerem je prvotno nameraval poleg mineralnih snovi upoštevati tudi snovi živalskega in rastlinskega izvora. Toda del učbenika, posvečen organskim snovem, se je pojavil šele leta 1827.
Najpomembnejšo razliko med anorganskimi in organskimi snovmi je J. Berzelius videl v tem, da je prve mogoče sintetično pridobiti v laboratorijih, medtem ko naj bi druge nastajale le v živih organizmih pod vplivom določene »življenjske sile« – kemičnega sinonima. za "dušo", "duh", "božanski izvor" živih organizmov in njihovih sestavnih organskih snovi.
Imenovala se je teorija, ki je razlagala nastanek organskih spojin s posredovanjem "življenjske sile". vitalizem.Že nekaj časa je priljubljena. V laboratoriju je bilo mogoče sintetizirati le najpreprostejše snovi, ki vsebujejo ogljik, kot so ogljikov dioksid - CO 2, kalcijev karbid - CaC 2, kalijev cianid - KCN.
Šele leta 1828 je nemški znanstvenik Wöhler<Dodatek 1 . Diapozitivu 4> je uspelo pridobiti organsko snov sečnino iz anorganske soli - amonijevega cianata - NH 4 CNO.
NH 4 CNO -- t –> CO (NH 2) 2
Leta 1854 je francoski znanstvenik Berthelot<Dodatek 1 . Diapozitiv 5>Prejeti trigliceridi. To je privedlo do potrebe po spremembi definicije organske kemije.
Znanstveniki so poskušali razkriti naravo molekul organskih snovi na podlagi sestave in lastnosti, skušali ustvariti sistem, ki bi omogočil povezovanje različnih dejstev, ki so se nabrala do začetka 19.
Prvi poskus ustvarjanja teorije, ki je želela posplošiti razpoložljive podatke o organskih snoveh, je povezan z imenom francoskega kemika J. Dumasa.<Dodatek 1 . Diapozitiv 6>. Šlo je za poskus, da bi z enotnega vidika obravnavali precej veliko skupino organskih spojin, ki bi jih danes imenovali etilenski derivati. Izkazalo se je, da so organske spojine derivati nekaterih radikalov C 2 H 4 - eterina:
C 2 H 4 * HCl - etil klorid (eterinijev klorid)
Ideja, ki je bila vpeta v to teorijo – pristop k organski snovi kot sestavljeni iz 2 delov – je kasneje postala osnova širše teorije radikalov (J. Berzelius, J. Liebig, F. Wöhler). Ta teorija temelji na pojmu "dualistične strukture" snovi. J. Berzelius je zapisal: »vsaka organska snov je sestavljena iz 2 sestavni deli nosi nasprotni električni naboj. Eno od teh komponent, in sicer elektronegativni del, je J. Berzelius smatral za kisik, medtem ko bi preostanek, pravzaprav organski, moral biti elektropozitivni radikal.

Glavne določbe teorije radikalov:<Dodatek 1 . Diapozitiv 7>

- sestava organskih snovi vključuje radikale, ki nosijo pozitiven naboj;
- radikali so vedno konstantni, se ne spreminjajo, brez sprememb prehajajo iz ene molekule v drugo;
- radikali lahko obstajajo v prosti obliki.

Postopoma je znanost kopičila dejstva, ki so bila v nasprotju s teorijo radikalov. Tako je J. Dumas izvedel zamenjavo vodika s klorom v ogljikovodikovih radikalih. Znanstveniki, privrženci teorije radikalov, se je zdelo neverjetno, da je klor, nabit negativno, igral vlogo vodika, pozitivno nabitega v spojinah. Leta 1834 je J. Dumas dobil nalogo, da razišče neprijeten incident med balom v palači francoskega kralja: sveče so pri gorenju oddajale zadušljiv dim. J. Dumas je ugotovil, da je bil vosek, iz katerega so bile izdelane sveče, obdelan s klorom za beljenje. Hkrati je klor vstopil v molekulo voska in nadomestil del vodika, ki ga vsebuje. Izkazalo se je, da so zadušljivi hlapi, ki so prestrašili kraljeve goste, vodikov klorid (HCl). Kasneje je J. Dumas prejel trikloroocetno kislino iz ocetne kisline.
Tako je bil elektropozitivni vodik nadomeščen z izredno elektronegativnim elementom klorom, lastnosti spojine pa so ostale skoraj nespremenjene. Nato je J. Dumas zaključil, da je treba dualistični pristop nadomestiti s pristopom k organizacijski povezavi kot celoti.

Radikalna teorija je bila postopoma opuščena, vendar je pustila globok pečat v organski kemiji:<Dodatek 1 . Diapozitiv 8>
- koncept "radikala" je trdno uveljavljen v kemiji;
- trditev o možnosti obstoja prostih radikalov, o prehodu v ogromnem številu reakcij določenih skupin atomov iz ene spojine v drugo se je izkazala za resnično.

V 40-ih letih. 19. stoletje Začela se je doktrina homologije, ki je omogočila razjasnitev nekaterih razmerij med sestavo in lastnostmi spojin. Ugotovljene so bile homološke serije, homološka razlika, ki je omogočila razvrščanje organskih snovi. Razvrstitev organskih snovi na podlagi homologije je privedla do nastanka teorije tipov (40-50. leta XIX stoletja, C. Gerard, A. Kekule in drugi)<Dodatek 1 . diapozitiv 9>

Bistvo teorije tipov<Dodatek 1 . Diapozitiv 10>

– teorija temelji na analogiji v reakcijah med organskimi in nekaterimi anorganskimi snovmi, vzetimi kot vrste (vrste: vodik, voda, amoniak, vodikov klorid itd.). Znanstveniki so z zamenjavo vodikovih atomov v vrsti snovi z drugimi skupinami atomov napovedali različne derivate. Na primer, zamenjava atoma vodika v molekuli vode z metilnim radikalom vodi do tvorbe molekule alkohola. Substitucija dveh vodikovih atomov - do pojava molekule etra<Dodatek 1 . diapozitiv 11>

C. Gerard je v zvezi s tem neposredno dejal, da je formula snovi le skrajšani zapis njenih reakcij.

Vse org. snovi so veljale za derivate najpreprostejših anorganskih snovi - vodika, vodikovega klorida, vode, amoniaka<Dodatek 1 . diapozitiv 12>

<Dodatek 1 . diapozitiv 13>

- molekule organskih snovi so sistem, sestavljen iz atomov, katerih vrstni red povezave ni znan; na lastnosti spojin vpliva celota vseh atomov molekule;
- nemogoče je poznati zgradbo snovi, saj se molekule med reakcijo spreminjajo. Formula snovi ne odraža strukture, temveč reakcije, v katerih se dana snov. Za vsako snov lahko napišemo toliko racionalnih formul, kolikor obstaja različnih vrst transformacij, ki jih snov lahko doživi. Teorija tipov je dopuščala množico "racionalnih formul" za snovi, odvisno od tega, katere reakcije želijo izraziti s temi formulami.

Teorija tipov je imela veliko vlogo pri razvoju organske kemije <Dodatek 1 . diapozitiv 14>

- dovoljeno predvideti in odkriti številne snovi;
- pozitivno vplival na razvoj doktrine valence;
- opozoril na preučevanje kemijskih transformacij organskih spojin, ki je omogočilo globlje preučevanje lastnosti snovi, pa tudi lastnosti napovedanih spojin;
- ustvarili za tisti čas popolno sistematizacijo organskih spojin.

Ne smemo pozabiti, da so v resnici teorije nastajale in sledile druga drugo ne zaporedno, ampak so obstajale hkrati. Kemiki so se pogosto narobe razumeli. F. Wöhler je leta 1835 dejal, da »organska kemija lahko zdaj vsakogar obnori. Zdi se mi gost gozd, poln čudovitih stvari, ogromna goščava brez izhoda, brez konca, kamor si ne upaš prodreti ... «.

Nobena od teh teorij ni postala teorija organske kemije v polnem pomenu besede. Glavni razlog za neuspeh teh idej je njihovo idealistično bistvo: notranja struktura molekul je veljala za v osnovi nespoznavno in vsakršno razmišljanje o njej je bilo šarlatanstvo.

Potrebna je bila nova teorija, ki bi stala na materialističnih pozicijah. Takšna teorija je bila teorija kemijske strukture A.M. Butlerov <Dodatek 1 . Diapozitivi 15, 16>, ki je nastala leta 1861. Vse racionalno in dragoceno, kar je bilo v teorijah radikalov in tipov, je pozneje asimilirala teorija kemijske strukture.

Potrebo po pojavu teorije so narekovali:<Dodatek 1 . Diapozitiv 17>

– povečane industrijske zahteve za organsko kemijo. Treba je bilo oskrbeti tekstilno industrijo z barvili. Za razvoj živilske industrije je bilo potrebno izboljšati metode predelave kmetijskih pridelkov.
V zvezi s temi problemi so se začele razvijati nove metode za sintezo organskih snovi. Vendar so imeli znanstveniki resne težave pri znanstveni utemeljitvi teh sintez. Tako je bilo na primer nemogoče razložiti valenco ogljika v spojinah s staro teorijo.
Ogljik je pri nas znan kot 4-valentni element (To je bilo eksperimentalno dokazano). Toda tukaj se zdi, da ohrani to valenco le v metanu CH 4. V etanu C 2 H 6 bi po naših zamislih moral biti ogljik. 3-valentna, v propanu C 3 H 8 - frakcijska valenca. (In vemo, da je treba valenco izraziti le v celih številih).
Kakšna je valenca ogljika v organskih spojinah?

Ni bilo jasno, zakaj obstajajo snovi z enako sestavo, a z različnimi lastnostmi: C 6 H 12 O 6 je molekulska formula glukoze, enaka formula pa je tudi fruktoza (sladkorna snov - sestavni del medu).

Predstrukturne teorije niso mogle razložiti raznolikosti organskih snovi. (Zakaj lahko ogljik in vodik, dva elementa, tvorita tako veliko število različnih spojin?).

Treba je bilo sistematizirati obstoječe znanje z enotnega vidika in razviti enotno kemično simboliko.

Znanstveno utemeljen odgovor na ta vprašanja je dala teorija kemijske strukture organskih spojin, ki jo je ustvaril ruski znanstvenik A.M. Butlerov.

Osnovni predpogoji ki so utrli pot nastanku teorije kemijske strukture so<Dodatek 1 . Diapozitiv 18>

- doktrina valence. Leta 1853 je E. Frankland uvedel koncept valence, določil valenco za številne kovine in raziskoval organokovinske spojine. Postopoma se je koncept valence razširil na številne elemente.

Pomembno odkritje za organsko kemijo je bila hipoteza o sposobnosti ogljikovih atomov, da tvorijo verige (A. Kekule, A. Cooper).

Eden od predpogojev je bil razvoj pravilnega razumevanja atomov in molekul. Do 2. polovice 50. let. 19. stoletje Ni bilo splošno sprejetih meril za opredelitev pojmov: "atom", "molekula", "atomska masa", "molekulska masa". Šele na mednarodnem kongresu kemikov v Karlsruheju (1860) so bili ti koncepti jasno opredeljeni, kar je vnaprej določilo razvoj teorije valence, nastanek teorije kemijske strukture.

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

A.M. Butlerov je najpomembnejše ideje teorije strukture organskih spojin oblikoval v obliki osnovnih določb, ki jih lahko razdelimo v 4 skupine.<Dodatek 1 . Diapozitiv 19>

1. Vsi atomi, ki tvorijo molekule organskih snovi, so povezani v določenem zaporedju glede na njihovo valenco (t.j. molekula ima strukturo).

<Dodatek 1 . Diapozitivi 19, 20>

V skladu s temi idejami je valenca elementov običajno prikazana s črticami, na primer v metanu CH 4.<Dodatek 1 . Diapozitiv 20> >

Takšen shematski prikaz strukture molekul imenujemo strukturne formule in strukturne formule. Na podlagi določil o 4-valentnosti ogljika in sposobnosti njegovih atomov, da tvorijo verige in cikle, lahko strukturne formule organskih snovi opišemo takole:<Dodatek 1 . Diapozitiv 20>

V teh spojinah je ogljik štirivalenten. (Pomišljaj simbolizira kovalentno vez, par elektronov).

2. Lastnosti snovi niso odvisne le od tega, kateri atomi in koliko jih je del molekul, temveč tudi od vrstnega reda povezovanja atomov v molekulah (tj. lastnosti so odvisne od strukture) <Dodatek 1 . Diapozitiv 19>

To stališče teorije strukture organskih snovi je pojasnilo zlasti pojav izomerizma. Obstajajo spojine, ki vsebujejo enako število atomov istih elementov, vendar so vezane v drugačnem vrstnem redu. Takšne spojine imajo različne lastnosti in se imenujejo izomeri.
Pojav obstoja snovi z enako sestavo, vendar drugačno strukturo in lastnostmi se imenuje izomerija.<Dodatek 1 . Diapozitiv 21>

Obstoj izomerov organskih snovi pojasnjuje njihovo raznolikost. Fenomen izomerizma je napovedal in dokazal (eksperimentalno) A.M. Butlerov na primeru butana

Tako na primer sestava C 4 H 10 ustreza dvema strukturnima formulama:<Dodatek 1 . Diapozitiv 22>

Razno medsebojni dogovor atomov ogljika v molekulah y / w se pojavi le z butanom. Število izomerov narašča s številom ogljikovih atomov ustreznega ogljikovodika, na primer pentan ima tri izomere, dekan pa petindvajset.

3. Po lastnostih dane snovi lahko določimo strukturo njene molekule, po strukturi molekule pa lahko napovemo lastnosti. <Dodatek 1 . Diapozitiv 19>

Iz tečaja anorganske kemije je znano, da so lastnosti anorganskih snovi odvisne od strukture kristalnih rešetk. Različne lastnosti atomov od ionov so razložene z njihovo strukturo. V prihodnosti bomo videli, da se organske snovi z enakimi molekularnimi formulami, a različno strukturo, razlikujejo ne le po fizikalnih, temveč tudi po kemičnih lastnostih.

4. Atomi in skupine atomov v molekulah snovi medsebojno vplivajo drug na drugega.

<Dodatek 1 . Diapozitiv 19>

Kot že vemo, so lastnosti anorganskih spojin, ki vsebujejo hidrokso skupine, odvisne od tega, ali so vezane na atome kovin ali nekovin. Na primer, tako baze kot kisline vsebujejo hidrokso skupino:<Dodatek 1 . Diapozitiv 23>

Vendar so lastnosti teh snovi popolnoma drugačne. Razlog za različno kemijsko naravo skupine - OH (v vodni raztopini) je posledica vpliva atomov in z njo povezanih skupin atomov. S povečanjem nekovinskih lastnosti osrednjega atoma se disociacija glede na vrsto baze oslabi in disociacija glede na vrsto kisline narašča.

Organske spojine imajo lahko tudi različne lastnosti, ki so odvisne od tega, na katere atome ali skupine atomov so vezane hidroksilne skupine.

Vprašanje medsebojne infuzije atomov A.M. Butlerov je podrobno analiziral 17. aprila 1879 na sestanku Ruskega fizikalnega in kemijskega društva. Rekel je, da če sta dva različna elementa povezana z ogljikom, na primer Cl in H, potem "tu nista odvisna drug od drugega v enaki meri kot od ogljika: med njima ni odvisnosti, tista povezava, ki obstaja v delček klorovodikove kisline … Toda ali iz tega sledi, da v spojini CH 2 Cl 2 med vodikom in klorom ni povezave? Na to odgovarjam z odločnim zanikanjem."

Kot konkreten primer navaja nadaljevanje povečanja mobilnosti klora pri transformaciji skupine CH 2 Cl v COCl in v zvezi s tem pravi: »Očitno je, da se je pod vplivom klora v delcu spremenil značaj kisika, čeprav se ta ni neposredno povezal s klorom."<Dodatek 1 . Diapozitiv 23>

Vprašanje medsebojnega vpliva neposredno nevezanih atomov je bilo glavno teoretično jedro V.V. Morkovnikov.

V zgodovini človeštva je znanih razmeroma malo znanstvenikov, katerih odkritja so svetovnega pomena. Na področju organske kemije takšne zasluge pripadajo A.M. Butlerov. Po pomenu je teorija A.M. Butlerov primerjajo s periodičnim zakonom.

Teorija kemijske strukture A.M. Butlerov:<Dodatek 1 . Diapozitiv 24>

- omogočila sistematizacijo organskih snovi;
– odgovorili na vsa vprašanja, ki so se do takrat pojavila v organski kemiji (glej zgoraj);
- omogočilo teoretično predvidevanje obstoja neznanih snovi, iskanje načinov njihove sinteze.

Skoraj 140 let je minilo, odkar je TCS organskih spojin ustvaril A.M. Butlerov, toda tudi zdaj ga pri svojem delu uporabljajo kemiki vseh držav. Najnovejši dosežki znanosti dopolnjujejo to teorijo, razjasnijo in najdejo nove potrditve pravilnosti njenih temeljnih idej.

Teorija kemijske strukture ostaja temelj organske kemije danes.

TCS organskih spojin A.M. Butlerova je pomembno prispevala k ustvarjanju splošne znanstvene slike sveta, prispevala k dialektično-materialističnemu razumevanju narave:<Dodatek 1 . Diapozitiv 25>

– zakon prehoda kvantitativnih sprememb v kvalitativne je mogoče zaslediti na primeru alkanov:<Dodatek 1 . Diapozitiv 25>.

Spremeni se le število ogljikovih atomov.

– zakon enotnosti in boja nasprotij sledi fenomenu izomerizma<Dodatek 1 . Diapozitiv 26>

Enost - v sestavi (enako), lokacija v prostoru.
Nasprotno je v strukturi in lastnostih (različno zaporedje razporeditve atomov).
Ti dve snovi sobivata skupaj.

– zakon negacije negacije - o izomerizmu.<Dodatek 1 . Diapozitiv 27>

Soobstoječi izomeri drug drugega zanikajo s svojim obstojem.

Ko je razvil teorijo, je A.M. Butlerov ga ni smatral za absolutnega in nespremenljivega. Trdil je, da se mora razvijati. TCS organskih spojin ni ostal nespremenjen. Njegov nadaljnji razvoj je potekal predvsem v dveh medsebojno povezanih smereh:<Dodatek 1 . Diapozitiv 28>

Stereokemija je študija prostorske strukture molekul.

Nauk o elektronski strukturi atomov (omogoča razumevanje narave kemične vezi atomov, bistvo medsebojnega vpliva atomov, razlaga razloga za manifestacijo določenih kemičnih lastnosti s snovjo).

Tako kot je v anorganski kemiji temeljna teoretična osnova periodični zakon in periodični sistem kemičnih elementov D. I. Mendelejeva, tako je v organski kemiji vodilna znanstvena osnova teorija strukture organskih spojin Butlerov-Kekule-Cooper.

Kot vsaka druga znanstvena teorija je bila tudi teorija zgradbe organskih spojin rezultat posploševanja najbogatejšega dejanskega gradiva, ki ga je nabrala organska kemija, ki se je kot znanost izoblikovala v začetku 19. stoletja. Odkrivali so vedno več novih ogljikovih spojin, katerih število se je plazovito povečevalo (tabela 1).

Tabela 1
Število organskih spojin, znanih v različnih letih

Znanstveniki pojasnite to vrsto organskih spojin začetek XIX v ne bi mogel. Še več vprašanj je sprožil pojav izomerizma.

Na primer, etilni alkohol in dimetil eter sta izomera: te snovi imata enako sestavo C 2 H 6 O, vendar drugačna struktura, torej drugačen vrstni red povezovanja atomov v molekulah in zato različne lastnosti.

Vam že poznani F. Wöhler je v enem od svojih pisem J. J. Berzeliusu takole opisal organsko kemijo: »Organska kemija lahko zdaj obnori vsakogar. Zdi se mi gost gozd, poln neverjetnih stvari, brezmejna gošča, iz katere ne moreš izstopiti, kamor si ne upaš prodreti ... "

Na razvoj kemije je močno vplivalo delo angleškega znanstvenika E. Franklanda, ki je, opirajoč se na ideje atomizma, uvedel pojem valence (1853).

V molekuli vodika H 2 nastane ena kovalentna kemikalija H-H povezava vodik je enovalenten. Valenco kemijskega elementa lahko izrazimo s številom vodikovih atomov, ki jih en atom kemičnega elementa pritrdi ali nadomesti. Na primer, žveplo v vodikovem sulfidu in kisik v vodi sta dvovalentna: H 2 S ali H-S-H, H 2 O ali H-O-H, dušik v amoniaku pa je trivalenten:

V organski kemiji je pojem "valenca" podoben pojmu "oksidacijsko stanje", s katerim ste vajeni delati pri anorganski kemiji v osnovni šoli. Vendar pa niso enaki. Na primer, v molekuli dušika N 2 je oksidacijsko stanje dušika nič, valenca pa tri:

V vodikovem peroksidu H 2 O 2 je oksidacijsko stanje kisika -1, valenca pa dve:

V amonijevem ionu NH + 4 je oksidacijsko stanje dušika -3, valenca pa štiri:

Običajno se v zvezi z ionskimi spojinami (natrijev klorid NaCl in številne druge anorganske snovi z ionsko vezjo) izraz "valenca" atomov ne uporablja, ampak se upošteva njihovo oksidacijsko stanje. Zato je v anorganski kemiji, kjer ima večina snovi nemolekularno strukturo, zaželeno uporabiti pojem »oksidacijsko stanje«, v organski kemiji, kjer ima večina spojin molekularno strukturo, pa praviloma uporabljamo koncept "valenca".

Teorija kemijske strukture je rezultat posploševanja idej izjemnih organskih znanstvenikov iz treh evropskih držav: Nemca F. Kekuleja, Angleža A. Cooperja in Rusa A. Butlerova.

Leta 1857 je F. Kekule ogljik uvrstil med štirivalentne elemente, leta 1858 pa je hkrati z A. Cooperjem ugotovil, da se ogljikovi atomi lahko med seboj kombinirajo v različne verige: linearne, razvejene in zaprte (ciklične).

Dela F. Kekuleja in A. Cooperja so služila kot osnova za razvoj znanstvene teorije, ki pojasnjuje pojav izomerizma, odnos med sestavo, strukturo in lastnostmi molekul organskih spojin. Takšno teorijo je ustvaril ruski znanstvenik A. M. Butlerov. Njegov radovedni um si je "upal prodreti" v "gosti gozd" organske kemije in začeti preoblikovanje te "brezmejne goščave" v običajen park, poln sončne svetlobe, s sistemom poti in uličic. Glavne ideje te teorije je prvi izrazil A. M. Butlerov leta 1861 na kongresu nemških naravoslovcev in zdravnikov v Speyerju.

Na kratko formulirajte glavne določbe in posledice Butlerov-Kekule-Cooperjeve teorije strukture organskih spojin, kot sledi.

1. Atomi v molekulah snovi so povezani v določenem zaporedju glede na njihovo valenco. Ogljik v organskih spojinah je vedno štirivalenten, njegovi atomi pa se lahko združujejo med seboj in tvorijo različne verige (linearne, razvejane in ciklične).

Organske spojine lahko razporedimo v nize snovi, podobnih po sestavi, zgradbi in lastnostih – homologne serije.

Butlerov Aleksander Mihajlovič (1828-1886)

Na primer, metan CH 4 je prednik homologne serije nasičenih ogljikovodikov (alkanov). Njegov najbližji homolog je etan C2H6 ali CH3-CH3. Naslednja dva člana homolognega niza metana sta propan C 3 H 8 ali CH 3 -CH 2 -CH 3 in butan C 4 H 10 ali CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 itd.

Zlahka je videti, da je za homologne serije mogoče izpeljati splošno formulo za serijo. Torej, za alkane je ta splošna formula C n H 2n + 2.

2. Lastnosti snovi niso odvisne le od njihove kvalitativne in kvantitativne sestave, temveč tudi od strukture njihovih molekul.

To stališče teorije strukture organskih spojin pojasnjuje pojav izomerizma. Očitno je za butan C 4 H 10 poleg linearne strukture molekule CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 možna tudi razvejana struktura:

To je popolnoma nova snov z lastnimi lastnostmi, ki se razlikujejo od lastnosti linearnega butana.

Butan, v molekuli katerega so atomi razporejeni v obliki linearne verige, se imenuje normalni butan (n-butan), butan, katerega veriga ogljikovih atomov je razvejana, pa se imenuje izobutan.

Obstajata dve glavni vrsti izomerizma - strukturna in prostorska.

V skladu s sprejeto klasifikacijo ločimo tri vrste strukturne izomerije.

Izomerija ogljikovega skeleta. Spojine se razlikujejo po vrstnem redu vezi ogljik-ogljik, na primer obravnavana n-butan in izobutan. Prav ta vrsta izomerizma je značilna za alkane.

Izomerija položaja večkratne vezi (C=C, C=C) ali funkcionalne skupine (tj. skupine atomov, ki določajo, ali spojina pripada določenemu razredu organskih spojin), na primer:

Medrazredna izomerija. Izomeri te vrste izomerizma spadajo v različne razrede organskih spojin, na primer etilni alkohol (razred nasičenih monohidričnih alkoholov) in dimetil eter (razred etrov), o katerem smo razpravljali zgoraj.

Obstajata dve vrsti prostorske izomerije: geometrijska in optična.

Geometrijska izomerija je značilna predvsem za spojine z dvojno vezjo ogljik-ogljik, saj ima molekula planarno strukturo na mestu takšne vezi (slika 6).

riž. 6.
Model molekule etilena

Na primer, za buten-2, če so enake skupine atomov pri atomih ogljika v dvojni vezi na eni strani ravnine vezi C=C, potem je molekula cizisomer, če je na nasprotnih straneh transizomer.

Optično izomerizem imajo na primer snovi, katerih molekule imajo asimetrični ali kiralni atom ogljika, vezan na štiri različno poslanci. Optični izomeri so zrcalne slike drug drugega, kot dve dlani, in niso združljivi. (Zdaj vam je očitno postalo jasno drugo ime te vrste izomerizma: grški chiros - roka - vzorec asimetrične figure.) Na primer, v obliki dveh optičnih izomerov obstaja 2-hidroksipropanoična (mlečna ) kislina, ki vsebuje en asimetrični ogljikov atom.

Izomerni pari nastanejo v kiralnih molekulah, pri katerih so izomerne molekule v svoji prostorski organizaciji povezane med seboj na enak način, kot je predmet in njegova zrcalna podoba med seboj. Par takšnih izomerov ima vedno isto kemikalijo in fizične lastnosti, z izjemo optične aktivnosti: če en izomer vrti ravnino polarizirane svetlobe v smeri urinega kazalca, potem je drugi nujno v nasprotni smeri urnega kazalca. Prvi izomer se imenuje desnorotacijski, drugi pa levorotacijski.

Pomen optične izomerije pri organizaciji življenja na našem planetu je zelo velik, saj se optični izomeri lahko bistveno razlikujejo tako po svoji biološki aktivnosti kot po združljivosti z drugimi naravnimi spojinami.

3. Atomi v molekulah snovi vplivajo drug na drugega. Pri nadaljnjem študiju predmeta boste upoštevali medsebojni vpliv atomov v molekulah organskih spojin.

Sodobna teorija zgradbe organskih spojin ne temelji le na kemični, temveč tudi na elektronski in prostorski strukturi snovi, ki je podrobno obravnavana na profilni ravni študija kemije.

V organski kemiji se pogosto uporablja več vrst kemičnih formul.

Molekulska formula odraža kvalitativno sestavo spojine, to pomeni, da prikazuje število atomov vsakega od kemičnih elementov, ki tvorijo molekulo snovi. Na primer, molekulska formula propana je C 3 H 8 .

Strukturna formula odraža vrstni red povezovanja atomov v molekuli glede na valenco. Strukturna formula propana je:

Pogosto ni treba podrobno prikazati kemičnih vezi med atomi ogljika in vodika, zato se v večini primerov uporabljajo skrajšane strukturne formule. Za propan je taka formula zapisana na naslednji način: CH 3 -CH 2 -CH 3.

Z različnimi modeli se odraža struktura molekul organskih spojin. Najbolj znani so volumetrični (v merilu) in modeli s kroglo in palico (slika 7).

riž. 7.
Modeli molekule etana:
1 - krogla in palica; 2 - lestvica

Nove besede in koncepti

Izomerija, izomeri.
Valence.
Kemična struktura.
Teorija strukture organskih spojin.
Homološke vrste in homološke razlike.
Formule molekularne in strukturne.
Modeli molekul: volumetrični (skala) in sferični.

Vprašanja in naloge

Kaj je valenca? Kako se razlikuje od oksidacijskega stanja? Navedite primere snovi, pri katerih sta vrednosti oksidacijskega stanja in valence atomov številčno enaki in različni,
Določite valenco in oksidacijsko stanje atomov v snoveh, katerih formule so Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
Kaj je izomerija; izomeri?
Kaj je homologija; homologi?
Kako z uporabo znanja izomerizma in homologije razložiti raznolikost ogljikovih spojin?
Kaj pomeni kemijska zgradba molekul organskih spojin? Formulirajte stališče teorije strukture, ki pojasnjuje razliko v lastnostih izomerov, Formulirajte stališče teorije strukture, ki pojasnjuje raznolikost organskih spojin.
Kakšen prispevek je k tej teoriji prispeval vsak od znanstvenikov - ustanoviteljev teorije kemijske strukture? Zakaj je prispevek ruskega kemika igral vodilno vlogo pri oblikovanju te teorije?
Možno je, da obstajajo trije izomeri sestave C 5 H 12. Zapišite njihove polne in skrajšane strukturne formule,
Glede na model molekule snovi, ki je predstavljen na koncu odstavka (glej sliko 7), sestavite njene molekularne in skrajšane strukturne formule.
Izračunajte masni delež ogljika v molekulah prvih štirih članov homolognega niza alkanov.

Predavanje 11. razred povišana raven Teorija organske strukture. Alkani, cikloalkani

Glavne določbe teorije kemijske strukture A.M. Butlerov

1) Atomi v molekulah so med seboj povezani v določenem zaporedju glede na njihovo valence.

Zaporedje medatomskih vezi v molekuli se imenuje njena kemična struktura in se odraža v enem strukturna formula(strukturna formula).

2) Kemijsko strukturo je mogoče določiti s kemičnimi metodami. Trenutno se uporabljajo tudi sodobne fizikalne metode.

3) Lastnosti snovi so odvisne od njihove kemične strukture.

4) Po lastnostih dane snovi lahko določite strukturo njene molekule, po strukturi molekule pa lahko napovete lastnosti.

5) Atomi in skupine atomov v molekuli imajo medsebojni vpliv Drug drugega.

1) Struktura ogljikovega atoma.

Elektronska struktura ogljikovega atoma je prikazana na naslednji način: 1s 2 2s 2 2p 2 ali shematično

Ogljik v organskih spojinah je štirivalenten.

To je posledica dejstva, da med tvorbo kovalentne vezi ogljikov atom preide v vzbujeno stanje, v katerem se elektronski par v 2s orbitali loči in en elektron zasede prazno p orbitalo. Shematično:

Posledično ni več dva, ampak štirje neparni elektroni.

2) Sigma in pi-vezi.

Prekrivajoče se atomske orbitale vzdolž črte, ki povezuje jedra atomov, vodi do nastanka σ-vezi.

V kemičnem delcu je možno med dvema atomoma samo ena σ-vez. Vse σ-vezi imajo aksialno simetrijo glede na medjedrsko os.

Pri dodatno prekrivanje atomske orbitale pravokotne na komunikacijsko linijo in vzporedne ena z drugo, 1s2 2s2 3s2

π vezi.

Kot rezultat, med atomi obstajajo več obveznic:

samski (σ)	dvojno (σ+π)	trojni (σ + π + π)
S-S, S-N, S-O		С≡С in С≡N

3) Hibridizacija.

Ker so štirje elektroni ogljikovega atoma različni (2s- in 2p-elektroni), bi morale biti tudi vezi različne, vendar je znano, da so vezi v molekuli metana enakovredne. Zato se za razlago prostorske strukture organskih molekul uporablja metoda hibridizacija.

1. Kdaj socializacija štirih orbital vzbujenega ogljikovega atoma (ena 2s- in tri 2p-orbitale) oblikovana štiri nove enakovredne hibridne orbitale sp 3 v obliki podolgovate uteži. Zaradi medsebojnega odbijanja sp 3- hibridne orbitale so usmerjene v prostoru na oglišča tetraeder in koti med njimi so enaki 109 0 28" (najboljša lokacija). To stanje ogljikovega atoma imenujemo prvo valenčno stanje.

2. Kdaj sp 2 hibridizacije ena s in dve p orbitali se mešata, da tvorijo tri hibridne orbitale, katerih osi se nahajajo v isti ravnini in so usmerjene druga glede na drugo pod kotom 120°. To stanje ogljikovega atoma imenujemo drugo valenčno stanje.

3. Kdaj sp hibridizacija, ena s in ena p orbitala se združita in nastaneta dve hibridni orbitali, katere osi se nahajajo na isti ravni črti in so usmerjene v različne smeri od jedra obravnavanega ogljikovega atoma pod kotom 180 °. To stanje ogljikovega atoma imenujemo tretje valenčno stanje.

VRSTE HIBRIDIZACIJE v organskih snoveh.

4) Izomerija.

Izomeri so snovi, ki imajo enako sestavo (število atomov vsake vrste), vendar drugačno medsebojno razporeditev atomov - različno strukturo.

Na primer, obstajata dve snovi z molekulsko formulo C 4 H 10:

n-butan (z linearnim okostjem): CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 in izo-butan, ali 2-metilpropan:CH 3 - CH - CH 3

‌ │

CH 3so izomeri.

Pojavi se izomerija strukturno in prostorsko.

Strukturna izomerija.

1.izomerija ogljikov skelet- zaradi drugačnega reda komunikacije med ogljikovimi atomi, ki tvorijo okostje molekule (glej butan in izobutan).

2.Izomerija položaja večkratne vezi ali funkcionalne skupine- zaradi različnega položaja katere koli reaktivne skupine z enakim ogljikovim skeletom molekul. Torej, propan ustreza dvema izomernim alkoholoma:

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

in CH 3 - CH - CH 3

OH - propanol-2 ali izopropil alkohol.

izomerija več položajev vezi, na primer v butenu-1 in butenu-2

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

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

3. Medrazredna izomerija- izomerija snovi, povezanih z različnimi razredi organskih spojin:

Alkeni in cikloalkani (s C 3)

Alkini in dieni (s C 3)

Alkoholi in etri (s C 2)

Aldehidi in ketoni (s C 3)

Enobazične omejujoče karboksilne kisline in estri (s C 2)

Prostorska izomerija- razdeljen na dve vrsti: geometrijski(oz cis-trans-izomerija) in optični.

geometrijska izomerija značilnost spojin, ki vsebujejo dvojne vezi ali ciklopropanski obroč; je posledica nezmožnosti prostega vrtenja atomov okoli dvojne vezi ali v ciklu. V teh primerih se lahko substituenti nahajajo bodisi na eni strani ravnine dvojne vezi ali obroča (cis - položaj) ali na nasprotnih straneh (trans - položaj).

Izraza "cis" in "trans" se običajno nanašata par enakih substituenti, in če so vsi substituenti različni, potem pogojno na enega od parov.
- dve obliki etilen-1,2-dikarboksilne kisline - cis oblika ali maleinska kislina (I) in trans oblika, ali fumarna kislina (II) OBLIKA \* MERGEFORMAT

Optični izomerija značilnost molekul organskih snovi, ki niso združljive z njihovo zrcalno sliko (tj. z molekulo, ki ustreza tej zrcalni sliki). Najpogosteje je optična aktivnost posledica prisotnosti v molekuli asimetričnaatom ogljik, t.j. ogljikov atom, vezan na štiri različne substituente. Primer je mlečna kislina:

OH (asimetrični ogljikov atom je označen z zvezdico).

Molekula mlečne kisline brez premikanja v prostoru lahko sovpada s svojo zrcalno sliko. Ti dve obliki kisline sta med seboj povezani kot desno roko levo in se imenujejo optični antipodi (enantiomeri).

Fizični in Kemijske lastnosti optični izomeri so si pogosto zelo podobni, vendar se lahko močno razlikujejo po biološki aktivnosti, okusu in vonju.

Razvrstitev organskih snovi.

Razred snovi	Značilnost	General formula	Pripona ali predpona
C o bric	alkani	Vse povezave so enojne	C n H 2n+2
alkeni	1 dvojna C=C povezava	C n H 2n
diene	2 dvojni C=C povezave	C n H 2n-2
alkini	1 trojna vez С≡С	C n H 2n-2
Cikloalkani	Ogljikova veriga z zaprtim obročem	C n H 2n
Areni (aromatični ogljikovodiki)		C n H 2n-6	…-benzen
Vsebuje kisik povezave	Alkoholi		C n H 2n+2 O CH3OH
fenoli	benzenski obroč in v njem	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 kisline		C n H 2n O 2 UNSD	...-ojska kislina
estri		C n H 2n O 2
	Nitro spojine		C n H 2n+1 NO 2
amini		C n H 2n+3 N CH 3 NH 2
Amino kisline	Vsebuje -NH2 in -COOH	C n H 2n+1 NO 2