Крупнейшим событием в развитии органической химии было создание в 1961 г. великим русским ученым А.М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений.

До А.М. Бутлерова считалось невозможным познать строение молекулы, т. е. порядок химической связи между атомами. Многие ученые даже отрицали реальность атомов и молекул.

А.М. Бутлеров опроверг это мнение. Он исходил из правильных материалистических и философских представлений о реальности существования атомов и молекул, о возможности познания химической связи атомов в молекуле. Он показал, что строение молекулы можно установить опытным путем, изучая химические превращения вещества. И наоборот, зная строение молекулы, можно вывести химические свойства соединения.

Теория химического строения объясняет многообразие органических соединений. Оно обусловлено способностью четырехвалентного углерода образовывать углеродные цепи и кольца, соединяться с атомами других элементов и наличием изомерии химического строения органических соединений. Эта теория заложила научные основы органической химии и объяснила ее важнейшие закономерности. Основные принципы своей теории А.М. Бутлеров изложил в докладе «О теории химического строения».

Основные положения теории строения сводятся к следующему:

1) в молекулах атомы соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется химическим строением;

2) свойства вещества зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав его молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой, т. е. от химического строения молекулы;

3) атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга.

В теории химического строения большое внимание уделяется взаимному влиянию атомов и групп атомов в молекуле.

Химические формулы, в которых изображен порядок соединения атомов в молекулах, называются структурными формулами или формулами строения.

Значение теории химического строения А.М. Бутлерова:

1) является важнейшей частью теоретического фундамента органической химии;

2) по значимости ее можно сопоставить с Периодической системой элементов Д.И. Менделеева;

3) она дала возможность систематизировать огромный практический материал;

4) дала возможность заранее предсказать существование новых веществ, а также указать пути их получения.

Теория химического строения служит руководящей основой во всех исследованиях по органической химии.

12 Фенолы, оксипроизводные ароматических соединений , содержащие одну или несколько гидроксильных групп (– OH), связанных с атомами углерода ароматического ядра. По числу ОН-групп различают одноатомные Ф., например оксибензол C 6 H 5 OH, называется обычно просто фенолом , окситолуолы CH 3 C 6 H 4 OH – так называемые крезолы , оксинафталины – нафтолы , двухатомные, например диоксибензолы C 6 H 4 (OH) 2 (гидрохинон , пирокатехин , резорцин ), многоатомные, например пирогаллол , флороглюцин . Ф. – бесцветные с характерным запахом кристаллы, реже жидкости; хорошо растворимы в органических растворителях (спирт, эфир, оензол). Обладая кислотными свойствами, Ф. образуют солеобразные продукты – феноляты: ArOH + NaOH (ArONa + H 2 O (Ar – ароматический радикал). Алкилирование и ацилирование фенолятов приводит к эфирам Ф. – простым ArOR и сложным ArOCOR (R – органический радикал). Сложные эфиры могут быть получены непосредственным взаимодействием Ф. с карбоновыми кислотами, их ангидридами и хлорангидридами. При нагревании фенолов с CO 2 образуются фенолокислоты, например салициловая кислота . В отличие от спиртов , гидроксильная группа Ф. с большим трудом замещается на галоген. Электрофильное замещение в ядре Ф. (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование и др.) осуществляется гораздо легче, чем у незамещённых ароматических углеводородов; замещающие группы при этом направляются в орто - и пара -положения к ОН-группе (см. Ориентации правила ). Каталитическое гидрирование Ф. приводит к алициклическим спиртам, например C 6 H 5 OH восстанавливается до циклогексанола . Для Ф. характерны также реакции конденсации, например с альдегидами и кетонами, что используется в промышленности для получения феноло- и резорцино-формальдегидных смол, дифенилолпропана и др. важных продуктов.

Получают Ф., например, гидролизом соответствующих галогенопроизводных, щелочным плавлением арилсульфокислот ArSO 2 OH, выделяют из каменно-угольной смолы, дёгтя бурых углей и др. Ф. – важное сырьё в производстве различных полимеров, клеев, лакокрасочных материалов, красителей, лекарственных препаратов (фенолфталеин, салициловая кислота, салол), поверхностноактивных и душистых веществ. Некоторые Ф. применяют как антисептики и антиокислители (например, полимеров, смазочных масел). Для качественной идентификации Ф. используют растворы хлорного железа, образующие с Ф. окрашенные продукты. Ф. токсичны (см. Сточные воды .).

13 Алканы

Общая характеристика

Углеводороды - простейшие органические соединения, состоящие из двух элементов: углерода и водорода. Предельными углеводородами, или алканами (международное название), называются соединения, состав которых выражается общей формулой С n Н 2n+2 , где n - число атомов углерода. В молекулах предельных углеводородов атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Алканы называют также насыщенными углеводородами или парафинами (Термин «парафины» означает «имеющие малое сродство»).

Первым членом гомологического ряда алканов является метан СН 4 . Окончание -ан является характерным для названий предельных углеводородов. Далее следует этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 . Начиная с пятого углеводорода, название образуется из греческого числительного, указывающего число углеродных атомов в молекуле, и окончания -ан. Это пентан С 5 Н 12 гексан С 6 Н 14 , гептан С 7 Н 16 , октан С 8 Н 18 , нонан С 9 Н 20 , декан С 10 Н 22 и т. д.

В гомологическом ряду наблюдается постепенное изменение физических свойств углеводородов: повышаются температуры кипения и плавления, возрастает плотность. При обычных условиях (температура ~ 22°С) первые четыре члена ряда (метан, этан, пропан, бутан) - газы, с С 5 Н 12 до С 16 Н 34 - жидкости, а с С 17 Н 36 - твердые вещества.

Алканы, начиная с четвертого члена ряда (бутана), имеют изомеры.

Все алканы насыщены водородом до предела (максимально). Их атомы углерода находятся в состоянии sp 3 -гибридизации, а значит, имеют простые (одинарные) связи.

Номенклатура

Названия первых десяти членов ряда предельных углеводородов уже даны. Чтобы подчеркнуть, что алкан имеет неразветвленную углеродную цепь, часто к названию добавляют слово нормальный (н-), например:

СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СH 2 -СН 3

н-бутан н-гептан

(нормальный бутан) (нормальный гептан)

При отрыве атома водорода от молекулы алкана образуются одновалетные частицы, называемые углеводородными радикалами (сокращенно обозначаются буквой R). Названия одновалентных радикалов производятся от названий соответствующих углеводородов с заменой окончания –ан на -ил. Вот соответствующие примеры:

Радикалы образуются не только органическими, но и неорганическими соединениями. Так, если от азотной кислоты отнять гидроксильную группу ОН, то получится одновалентный радикал - NO 2 , называемый нитрогруппой, и т. д.

При отнятии от молекулы углеводорода двух атомов водорода получаются двухвалентные радикалы. Их названия также производятся от названий соответствующих предельных углеводородов с заменой окончания -ан на -илиден (если атомы водорода оторваны от одного атома углерода) или -илен (если атомы водорода оторваны от двух соседних атомов углерода). Радикал СН 2 = имеет название метилен.

Названия радикалов используются в номенклатуре многих производных углеводородов. Например: СН 3 I - йодистый метил, С 4 Н 9 Сl -хлористый бутил, СН 2 Сl 2 - хлористый метилен, С 2 Н 4 Вr 2 - бромистый этилен (если атомы брома связаны с разными атомами углерода) или бромистый этилиден (если атомы брома связаны с одним атомом углерода).

Для названия изомеров широко применяют две номенклатуры: старую - рациональную и современную - заместительную, которую также называют систематической или международной (предложена Международным союзом теоретической и прикладной химии ИЮПАК).

По рациональной номенклатуре углеводороды рассматриваются как производные метана, у которого один или несколько атомов водорода замещены на радикалы. Если в формуле одинаковые радикалы повторяются несколько раз, то их указывают греческими числительными: ди - два, три - три, тетра - четыре, пента - пять, гекса - шесть и т. д. Например:

Рациональная номенклатура удобна для не очень сложных соединений.

По заместительной номенклатуре основой для названия служит одна углеродная цепь, а все другие фрагменты молекулы рассматриваются как заместители. В этом случае выбирают наиболее длинную цепь углеродных атомов и атомы цепи нумеруют с того конца, к которому ближе стоит углеводородный радикал. Затем называют: 1) номер углеродного атома, с которым связан радикал (начиная с простейшего радикала); 2) углеводород, которому соответствует длинная цепь. Если в формуле содержится несколько одинаковых радикалов, то перед их названием указывают число прописью (ди-, три-, тетра- и т. д.), а номера радикалов разделяют запятыми. Вот как по этой номенклатуре следует назвать изомеры гексана:

А вот более сложный пример:

Как заместительная, так и рациональная номенклатура применяются не только для углеводородов, но и для других классов органических соединений. Для некоторых органических соединений используются исторически сложившиеся (эмпирические) или так называемые тривиальные названия (муравьиная кислота, серный эфир, мочевина и др.).

При написании формул изомеров легко заметить, что атомы углерода занимают в них неодинаковое положение. Атом углерода, который связан только с одним атомом углерода в цепи, называется первичным, с двумя - вторичным, с тремя - третичным, с четырьмя - четвертичным. Так, например, в последнем примере атомы углерода 1 и 7 - первичные, 4 и 6 - вторичные, 2 и 3 - третичные, 5 - четвертичный. Свойства атомов водорода, других атомов и функциональных групп зависят от того, с каким углеродным атомом они связаны: с первичным, вторичным или третичным. Это всегда надо учитывать.

Получение. Свойства.

Физические свойства. В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С 1 - С 4) - газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (C 5 - C 17) - жидкости, начиная с С 18 и выше - твердые вещества. По мере увеличения числа атомов углерода в цепи, т.е. с ростом относительной молекулярной массы, возрастают температуры кипения и плавления алканов. При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы.

Алканы практически нерастворимы в воде, так как их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды, они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан и др. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом.

Основные природные источники алканов - нефть и природный газ. Различные фракции нефти содержат алканы от C 5 H 12 до С 30 Н 62 . Природный газ состоит из метана (95%) с примесью этана и пропана.

Из синтетических методов получения алканов можно выделить следующие:

1. Получение из ненасыщенных углеводородов. Взаимодействие алкенов или алкинов с водородом ("гидрирование") происходит в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pd) при
нагревании:

СН з -C≡СН + 2Н 2 → СН 3 -СН 2 -СН 3 .

2. Получение из галогенпротводных. При нагревании моногалогензамещенных алканов с металлическим натрием получают алканы с удвоенным числом атомов углерода (реакция Вюрца):

С 2 Н 5 Br + 2Na + Br-C 2 H 5 → C 2 H 5 -C 2 H 5 + 2NaBr.

Подобную реакцию не проводят с двумя разными галогензамещенными алканами, поскольку при этом получается смесь трех различных алканов

3. Получение из солей карбоновых кислот. При сплавлении безводных солей карбоновых кислот с щелочами получаются алканы, содержащие на один атом углерода меньше по сравнению с углеродной цепью исходных карбоновых кислот:

4.Получение метана. В электрической дуге, горящей в атмосфере водорода, образуется значительное количество метана:

С + 2Н 2 → СН 4 .

Такая же реакция идет при нагревании углерода в атмосфере водорода до 400-500 °С при повышенном давлении в присутствии катализатора.

В лабораторных условиях метан часто получают из карбида алюминия:

Аl 4 С 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4Аl(ОН) 3 .

Химические свойства. В обычных условиях алканы химически инертны. Они устойчивы к действию многих реагентов: не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами, с концентрированными и расплавленными щелочами, не окисляются сильными окислителями - перманганатом калия KMnО 4 и т.п.

Химическая устойчивость алканов объясняется высокой прочностью s-связей С-С и С-Н, а также их неполярностью. Неполярные связи С-С и С-Н в алканах не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому для алканов характерны радикальные реакции, в результате которых получаются соединения, где атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов. Следовательно, алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения, обозначаемого символом S R (от англ, substitution radicalic). По этому механизму легче всего замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.

1. Галогенирование. При взаимодействии алканов с галогенами (хлором и бромом) под действием УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов. Общая схема этой реакции показана на примере метана:

б) Рост цепи. Радикал хлора отнимает у молекулы алкана атом водорода:

Cl·+ СН 4 →НСl + СН 3 ·

При этом образуется алкильный радикал, который отнимает атом хлора у молекулы хлора:

СН 3 · + Сl 2 →СН 3 Сl + Сl·

Эти реакции повторяются до тех пор, пока не произойдет обрыв цепи по одной из реакций:

Cl· + Cl· → Сl 2 , СН 3 · + СН 3 · → С 2 Н 6 , СН 3 · + Cl· → СН 3 Сl·

Суммарное уравнение реакции:

При радикальных реакциях (галогенирование, нитрование) в первую очередь замешаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода. Это объясняется тем, что легче всего разрывается гомолитически связь третичного атома углерода с водородом (энергия связи 376 кДж/моль), затем - вторичного (390 кДж/моль) и только потом - первичного (415 кДж/моль).

3. Изомеризация. Нормальные алканы при определенных условиях могут превращаться в алканы с разветвленной цепью:

4. Крекинг - это гемолитический разрыв связей С-С, который протекает при нагревании и под действием катализаторов.
При крекинге высших алканов образуются алкены и низшие алканы, при крекинге метана и этана образуются ацетилен:

C 8 H 18 → C 4 H 10 + С 4 Н 8 ,

2СН 4 → С 2 Н 2 + ЗН 2 ,

С 2 Н 6 → С 2 Н 2 + 2Н 2 .

Эти реакции имеют большое промышленное значение. Таким путем высококипящие фракции нефти (мазут) превращают в бензин, керосин и другие ценные продукты.

5. Окисление. При мягком окислении метана кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота:

Мягкое каталитическое окисление бутана кислородом воздуха - один из промышленных способов получения уксусной кислоты:

t°
2C 4 H 10 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2Н 2 О.
кат

На воздухе алканы сгорают до СО 2 и Н 2 О:

С n Н 2n+2 + (Зn+1)/2О 2 = nСО 2 + (n+1)Н 2 О.

Алкены

Алкены (иначе олефины или этиленовые углеводороды) - ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp² гибридизации.

Простейшим алкеном является этен (C2H4). По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.

Гомологический ряд

Алкены, число атомов углерода в которых больше трёх, имеют изомеры. Для алкенов характерны изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и геометрическая.

этен	C2H4
пропен	C3H6
н-бутен	C4H8
н-пентен	C5H10
н-гексен	C6H12
н-гептен	C7H14
н-октен	C8H16
н-нонен	C9H18
н-децен	C10H20

Физические свойства

Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи.
При нормальных условиях алкены с C2H4 до C4H8 - газы; с C5H10 до C17H34 - жидкости, после C18H36 - твёрдые тела. Алкены не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.

Химические свойства

Алкены химически активны. Их химические свойства определяются наличием двойной связи.
Озонолиз: алкен окисляется до альдегидов (в случае монозамещенных вицинальных углеродов), кетонов (в случае дизамещенных вицинальных углеродов) или смеси альдегида и кетона (в случае три-замещенного у двойной связи алкена):

R1–CH=CH–R2 + O3 → R1–C(H)=O + R2C(H)=O + H2O
R1–C(R2)=C(R3)–R4+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(R4)=O + H2O
R1–C(R2)=CH–R3+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(H)=O + H2O

Озонолиз в жёстких условиях - алкен окисляется до кислоты:

R"–CH=CH–R" + O3 → R"–COOH + R"–COOH + H2O

Присоединение по двойной связи:
CH2=CH2 +Br2 → CH2Br-CH2Br

Окисление надкислотами:
CH2=CH2 + CH3COOOH →
или
CH2=CH2 + HCOOH → HOCH2CH2OH

Тип водорода:

Такие формулы несколько похожи на современные. Но сторонники теории типов не считали их отражающими реальное строение веществ и писали множество различных формул одного соединения в зависимости от химических реакций, которые пытались записать с помощью этих формул. Строение молекул они считали принципиально непознаваемым, что наносило вред развитию науки.

3. Введение Й. Берцелиусом в 1830 г. термина «изомерия » для явления существования веществ одинакового состава, обладающих различными свойствами.

4. Успехи в синтезе органических соединений, в результате которых было развеяно учение о витализме, то есть о «жизненной силе», под влиянием которой якобы в организме живых существ образуются органические вещества:

В 1828 г. Ф. Велер из неорганического вещества (цианата аммония) синтезировал мочевину;

В 1842 г. русский химик Н. Н. Зинин получил анилин;

В 1845 г. немецкий химик А. Кольбе синтезировал уксусную кислоту;

В 1854 г. французский химик М. Бертло синтезировал жиры, и, наконец,

В 1861 г. сам А. М. Бутлеров синтезировал сахароподобное вещество.

5. В середине XVIII в. химия становится более строгой наукой. В результате работ Э. Франкланда и А. Кекуле утвердилось понятие о валентности атомов химических элементов. Кекуле развил представление о четырехвалентности углерода. Благодаря трудам Канниццаро четче стали понятия об атомных и молекулярных массах, уточнены их значения и способы определения.

В 1860 г. более 140 ведущих химиков из разных стран Европы собрались на международный конгресс в г. Карлсруэ. Конгресс стал очень важным событием в истории химии: были обобщены успехи науки и подготовлены условия для нового этапа в развитии органической химии - появления теории химического строения органических веществ А. М. Бутлерова (1861 г.), а также для фундаментального открытия Д. И. Менделеева - Периодического закона и системы химических элементов (1869 г.).

В 1861 г. А. М. Бутлеров выступил на съезде врачей и естествоиспытателей в г. Шпейере с докладом «О химическом строении тел». В нем он изложил основы разработанной им теории химического строения органических соединений. Под химическим строением ученый понимал порядок соединения атомов в молекулах.

Личностные качества А. М. Бутлерова

А. М. Бутлерова отличали энциклопедичность химических знаний, умение анализировать и обобщать факты, прогнозировать. Он предсказал существование изомера бутана, а затем получил его, равно как изомер бутилена - изобутилен.

Бутлеров Александр Михайлович (1828-1886)

Русский химик, академик Петербургской АН (с 1874 г.). Окончил Казанский университет (1849 г.). Работал там же (с 1857 г. - профессор, в 1860 и 1863 гг. - ректор). Создатель теории химического строения органических соединений, лежащей в основе современной химии. Обосновал идею о взаимном влиянии атомов в молекуле. Предсказал и объяснил изомерию многих органических соединений. Написал «Введение к полному изучению органической химии» (1864 г.) - первое в истории науки руководство, основанное на теории химического строения. Председатель Отделения химии Русского физико-химического общества (1878-1882).

А. М. Бутлеров создал первую в России школу химиков-органиков, из которой вышли блестящие ученые: В. В. Марковников, Д. П. Коновалов, А. Е. Фаворский и др.

Недаром Д. И. Менделеев писал: «А. М. Бутлеров - один из величайших русских ученых, он русский и по ученому образованию, и по оригинальности трудов».

Основные положения теории строения химических соединений

Теория химического строения органических соединений, выдвинутая А. М. Бутлеровым во второй половине прошлого века (1861 г.), была подтверждена работами многих ученых, в том числе учениками Бутлерова и им самим. Оказалось возможным на ее основе объяснить многие явления, до той поры не имевшие толкования: изомерию, гомологию, проявление атомами углерода четырехвалентности в органических веществах. Теория выполнила и свою прогностическую функцию: на ее основе ученые предсказывали существование неизвестных еще соединений, описывали свойства и открывали их.

Так, в 1862-1864 гг. А. М. Бутлеров рассмотрел изомерию пропиловых, бутиловых и амиловых спиртов, определил число возможных изомеров и вывел формулы этих веществ. Существование их позднее было экспериментально доказано, причем некоторые из изомеров синтезировал сам Бутлеров.

В течение XX в. положения теории химического строения химических соединений были развиты на основе новых воззрений, распространившихся в науке: теории строения атома, теории химической связи, представлений о механизмах химических реакций. В настоящее время эта теория имеет универсальный характер, то есть справедлива не только для органических веществ, но и для неорганических.

Первое положение. Атомы в молекулах соединяются в определенном порядке в соответствии с их валентностью. Углерод во всех органических и в большинстве неорганических соединений четырехвалентен.

Очевидно, что последнюю часть первого положения теории легко объяснить тем, что в соединениях атомы углерода находятся в возбужденном состоянии:

а) атомы четырехвалентного углерода могут соединяться друг с другом, образуя различные цепи:

Открытые разветвленные
- открытые неразветвленные
- замкнутые

б) порядок соединения атомов углерода в молекулах может быть различным и зависит от вида ковалентной химической связи между атомами углерода - одинарной или кратной (двойной и тройной).

Второе положение. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул.

Это положение объясняет явление изомерии. Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое или пространственное строение, а следовательно, и разные свойства, называют изомерами. Основные виды изомерии:

Структурная изомерия, при которой вещества различаются порядком связи атомов в молекулах:

1) изомерия углеродного скелета

3) изомерия гомологических рядов (межклассовая)

Пространственная изомерия, при которой молекулы веществ отличаются не порядком связи атомов, а положением их в пространстве: цис-транс-изомерия (геометрическая).

Эта изомерия характерна для веществ, молекулы которых имеют плоское строение: алкенов, циклоалканов и др.

К пространственной изомерии относится и оптическая (зеркальная) изомерия.

Четыре одинарные связи вокруг атома углерода, как вы уже знаете, расположены тетраэдрически. Если атом углерода связан с четырьмя различными атомами или группами, то возможно разное расположение этих групп в пространстве, то есть две пространственные изомерные формы.

Две зеркальные формы аминокислоты аланина (2-аминопропановой кислоты) изображены на рисунке 17.

Представьте себе, что молекулу аланина поместили перед зеркалом. Группа -NH2 находится ближе к зеркалу, поэтому в отражении она будет впереди, а группа -СООН - на заднем плане и т. д. (см. изображение справа). Алании существует в двух пространственных формах, которые при наложении не совмещаются одна с другой.

Универсальность второго положения теории строения химических соединений подтверждает существование неорганических изомеров.

Так, первый из синтезов органических веществ - синтез мочевины, проведенный Велером (1828 г.), показал, что изомерны неорганическое вещество - цианат аммония и органическое - мочевина:

Если заменить атом кислорода в мочевине на атом серы, то получится тиомочевина, которая изомерна роданиду аммония, хорошо известному вам реактиву на ионы Fе 3+ . Очевидно, что тиомочевина не дает этой качественной реакции.

Третье положение. Свойства веществ зависят от взаимного влияния атомов в молекулах.

Например, в уксусной кислоте в реакцию со щелочью вступает только один из четырех атомов водорода. На основании этого можно предположить, что только один атом водорода связан с кислородом:

С другой стороны, из структурной формулы уксусной кислоты можно сделать вывод о наличии в ней одного подвижного атома водорода, то есть о ее одноосновности.

Чтобы убедиться в универсальности положения теории строения о зависимости свойств веществ от взаимного влияния атомов в молекулах, которое существует не только у органических, но и у неорганических соединений, сравним свойства атомов водорода в водородных соединениях неметаллов. Они имеют молекулярное строение и в обычных условиях представляют собой газы или летучие жидкости. В зависимости от положения неметалла в Периодической системе Д. И. Менделеева можно выявить закономерность в изменении свойств таких соединений:

Метан не взаимодействует с водой. Отсутствие основных свойств у метана объясняется насыщенностью валентных возможностей атома углерода.

Аммиак проявляет основные свойства. Его молекула способна присоединять к себе ион водорода за счет его притяжения к неподеленной электронной паре атома азота (донорно-акцепторный механизм образования связи).

У фосфина РН3 основные свойства слабо выражены, что связано с радиусом атома фосфора. Он значительно больше радиуса атома азота, поэтому атом фосфора слабее притягивает к себе атом водорода.

В периодах слева направо увеличиваются заряды ядер атомов, уменьшаются радиусы атомов, увеличивается сила отталкивания атома водорода с частичным положительным зарядом §+, а потому кислотные свойства водородных соединений неметаллов усиливаются.

В главных подгруппах сверху вниз увеличиваются радиусы атомов элементов, атомы неметаллов с 5- слабее притягивают атомы водорода с 5+, уменьшается прочность водородных соединений, они легко диссоциируют, а потому их кислотные свойства усиливаются.

Различная способность водородных соединений неметаллов к отщеплению или присоединению катионов водорода в растворах объясняется неодинаковым влиянием, которое оказывает атом неметалла на атомы водорода.

Различным влиянием атомов в молекулах гидроксидов, образованных элементами одного периода, объясняется также изменение их кислотно-основных свойств.

Основные свойства гндроксидов убывают, а кислотные усиливаются, так как увеличивается степень окисления центрального атома, следовательно, растет энергия связи его с атомом кислорода (8-) и отталкивание им атома водорода (8+).

Гидроксид натрия NаОН. Так как у атома водорода радиус очень мал, его сильнее Притягивает к себе атом кислорода и связь между атомами водорода и кислорода будет более прочной, чем между атомами натрия и кислорода. Гидроксид алюминия Аl(0Н)3 проявляет амфотерные свойства.

В хлорной кислоте НСlO 4 атом хлора с относительно большим положительным зарядом прочнее связан с атомом кислорода и сильнее отталкивает от себя атом водорода с 6+. Диссоциация происходит по кислотному типу.

Основные направления развития теории строения химических соединений и ее значение

Во времена А. М. Бутлерова в органической химии широко использовали эмпирические (молекулярные) и структурные формулы. Последние отражают порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности, которая обозначается черточками.

Для простоты записи часто используют сокращенные структурные формулы, в которых черточками обозначают только связи между атомами углерода или углерода и кислорода.

Сокращенные структурные формулы

Затем, по мере развития знаний о природе химической связи и о влиянии электронного строения молекул органических веществ на их свойства, стали пользоваться электронными формулами, в которых ковалентную связь условно обозначают двумя точками. В таких формулах часто показывают направление смещения электронных пар в молекуле.

Именно электронным строением веществ объясняют мезомерный и индукционный эффекты.

Индукционный эффект - смещение электронных пар гамма-связей от одного атома к другому вследствие их разной электроотрицательности. Обозначается (->).

Индукционный эффект атома (или группы атомов) отрицательный (-/), если этот атом имеет большую электроотрицательность (галогены, кислород, азот), притягивает к себе электроны гамма-связи и приобретает при этом частичный отрицательный заряд. Атом (или группа атомов) имеет положительный индукционный эффект (+/), если он отталкивает электроны гамма-связей. Этим свойством обладают некоторые предельные радикалы С2H5). Вспомните правило Марковникова о том, как присоединяется к алкенам (пропену) водород и галоген галогеноводорода и вы поймете, что это правило носит частный характер. Сравните эти два примера уравнений реакций:

[[Теория_строения_химических_соединений_А._М._Бутлерова|]]

В молекулах отдельных веществ проявляются и индукционный, и мезомерный эффекты одновременно. В этом случае они или усиливают друг друга (в альдегидах, карбоновых кислотах), или взаимно ослабляются (в хлорвиниле).

Результатом взаимного влияния атомов в молекулах является перераспределение электронной плотности.

Идею о пространственном направлении химических связей впервые высказали французский химик Ж. А. Ле Бель и голландский химик Я. X. Вант-Гофф в 1874 г. Предположения ученых полностью подтвердила квантовая химия. На свойства веществ значительное влияние оказывает пространственное строение их молекул. Например, мы уже приводили формулы цис- и транс-изомеров бутена-2, которые отличаются по своим свойствам (см. рис. 16).

Средняя энергия связи, которую необходимо разорвать при переходе одной формы в другую, равна примерно 270 кДж/моль; такого большого количества энергии при комнатной температуре нет. Для взаимного перехода форм бутена-2 из одной в другую необходимо одну ковалентную связь разорвать и взамен образовать другую. Иными словами, этот процесс - пример химической реакции, а обе рассмотренные формы бутена-2 представляют собой различные химические соединения.

Вы, очевидно, помните, что важнейшей проблемой при синтезе каучука было получение каучука стереорегулярного строения. Необходимо было создать такой полимер, в котором структурные звенья располагались бы в строгом порядке (натуральный каучук, например, состоит только из цис-звеньев), ведь от этого зависит такое важнейшее свойство каучука, как его эластичность.

Современная органическая химия различает два основных типа изомерии: структурную (изомерию цепи, изомерию положения кратных связей, изомерию гомологических рядов, изомерию положения функциональных групп) и стереоизоме-рию (геометрическую, или цис-транс-изомерию, оптическую, или зеркальную, изомерию).

Итак, вы смогли убедиться в том, что второе положение теории химического строения, четко сформулированное А. М. Бутлеровым, было неполным. С современных позиций это положение требует дополнения:
свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от их:

Химического,

Электронного,

Пространственного строения.

Создание теории строения веществ сыграло важнейшую роль в развитии органической химии. Из науки преимущественно описательной она превращается в науку созидательную, синтезирующую, появилась возможность судить о взаимном влиянии атомов в молекулах различных веществ (см. табл. 10). Теория строения создала предпосылки для объяснения и прогнозирования различных видов изомерии органических молекул, а также направлений и механизмов протекания химических реакций.

На основе этой теории химики-органики создают вещества, которые не только заменяют природные, но по своим свойствам значительно их превосходят. Так, синтетические красители гораздо лучше и дешевле многих природных, например известных в древности ализарина и индиго. В больших количествах производят синтетические каучуки с самыми разнообразными свойствами. Широкое применение находят пластмассы и волокна, изделия из которых используют в технике , быту, медицине, сельском хозяйстве.

Значение теории химического строения А. М. Бутлерова для органической химии можно сравнить со значением Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева для неорганической химии. Недаром в обеих теориях так много общего в путях их становления, направлениях развития и общенаучном значении. Впрочем, в истории любой другой ведущей научной теории (теории Ч. Дарвина, генетике, квантовой теории и т. д.) можно найти такие общие этапы.

1. Установите параллели между двумя ведущими теориями химии - Периодическим законом и Периодической системой химических элементов Д. И. Менделеева и теорией химического строения органических соединений А. М. Бутлерова по следующим признакам: общее в предпосылках, общее в направлениях их развития, общее в прогностической роли.

2. Какую роль сыграла теория строения химических соединений в становлении Периодического закона?

3. Какие примеры из неорганической химии подтверждают универсальность каждого из положений теории строения химических соединений?

4. Фосфористая кислота Н3РО3 относится к двухосновным кислотам. Предложите ее структурную формулу и рассмотрите взаимное влияние атомов в молекуле этой кислоты.

5. Напишите изомеры, имеющие состав С3Н8O. Назовите их по систематической номенклатуре. Определите виды изомерии.

6. Известны следующие формулы кристаллогидратов хлорида хрома(III): [Сг(Н20)6]Сl3; [Сг(Н20)5Сl]Сl2 Н20; [Сг(Н20)4 * С12]Сl 2Н2О. Как вы назовете описанное явление?

Подобно тому как в неорганической химии основополагающей теоретической базой являются Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, так в органической химии ведущей научной основой служит теория строения органических соединений Бутлерова-Кекуле-Купера.

Как и любая другая научная теория, теория строения органических соединений явилась результатом обобщения богатейшего фактологического материала, который накопила органическая химия, оформившаяся как наука в начале XIX в. Открывались все новые и новые соединения углерода, количество которых лавинообразно возрастало (табл. 1).

Таблица 1
Число органических соединений, известных в разные годы

Объяснить это многообразие органических соединений ученые начала XIX в. не могли. Еще больше вопросов вызывало явление изомерии.

Например, этиловый спирт и диметиловый эфир - изомеры: эти вещества имеют одинаковый состав С 2 Н 6 О, но разное строение, т. е. различный порядок соединения атомов в молекулах, а потому и разные свойства.

Уже известный вам Ф. Вёлер в одном из писем к Й. Я. Берцелиусу так описывал органическую химию: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она кажется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть...»

Большое влияние на развитие химии оказали работы английского ученого Э. Франкланда, который, опираясь на идеи атомистики, ввел понятие валентность (1853).

В молекуле водорода Н 2 образуется одна ковалентная химическая связь Н-Н, т. е. водород одновалентен. Валентность химического элемента можно выразить числом атомов водорода, которые присоединяет к себе или замещает один атом химического элемента. Например, сера в сероводороде и кислород в воде двухвалентны: H 2 S, или Н-S-Н, Н 2 O, или Н-О-Н, а азот в аммиаке трехвалентен:

В органической химии понятие «валентность» является аналогом понятия «степень окисления», с которым вы привыкли работать в курсе неорганической химии в основной школе. Однако это не одно и то же. Например, в молекуле азота N 2 степень окисления азота равна нулю, а валентность - трем:

В пероксиде водорода Н 2 O 2 степень окисления кислорода равна -1, а валентность - двум:

В ионе аммония NH + 4 степень окисления азота равна -3, а валентность - четырем:

Обычно по отношению к ионным соединениям (хлорид натрия NaCl и многие другие неорганические вещества с ионной связью) не используют термин «валентность» атомов, а рассматривают их степень окисления. Поэтому в неорганической химии, где большинство веществ имеют немолекулярное строение, предпочтительнее применять понятие «степень окисления», а в органической химии, где большинство соединений имеют молекулярное строение, как правило, используют понятие «валентность».

Теория химического строения - результат обобщения идей выдающихся ученых-органиков из трех европейских стран: немца Ф. Кекуле, англичанина А. Купера и русского А. Бутлерова.

В 1857 г. Ф. Кекуле отнес углерод к четырехвалентным элементам, а в 1858 г. он одновременно с А. Купером отметил, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в различные цепи: линейные, разветвленные и замкнутые (циклические).

Работы Ф. Кекуле и А. Купера послужили основой для разработки научной теории, объясняющей явление изомерии, взаимосвязь состава, строения и свойств молекул органических соединений. Такую теорию создал русский ученый А. М. Бутлеров. Именно его пытливый ум «осмелился проникнуть» в «дремучий лес» органической химии и начать преобразование этой «безграничной чащи» в залитый солнечным светом регулярный парк с системой дорожек и аллей. Основные идеи этой теории впервые были высказаны А. М. Бутлеровым в 1861 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в г. Шпейере.

Кратко сформулировать основные положения и следствия теории строения органических соединений Бутлерова-Кекуле-Купера можно следующим образом.

1. Атомы в молекулах веществ соединены в определенной последовательности согласно их валентности. Углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен, а его атомы способны соединяться друг с другом, образуя различные цепи (линейные, разветвленные и циклические).

Органические соединения можно расположить в ряды сходных по составу, строению и свойствам веществ - гомологические ряды.

Бутлеров Александр Михайлович (1828-1886)

Например, метан СН 4 - родоначальник гомологического ряда предельных углеводородов (алканов). Его ближайший гомолог - этан С 2 Н 6 , или СН 3 -СН 3 . Следующие два члена гомологического ряда метана - пропан С 3 Н 8 , или СН 3 -СН 2 -СН 3 , и бутан С 4 Н 10 , или СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 , и т. д.

Нетрудно заметить, что для гомологических рядов можно вывести общую формулу ряда. Так, для алканов эта общая формула С n Н 2n + 2 .

2. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул.

Это положение теории строения органических соединений объясняет явление изомерии. Очевидно, что для бутана С 4 Н 10 , помимо молекулы линейного строения СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 , возможно также и разветвленное строение:

Это уже совершенно новое вещество со своими индивидуальными свойствами, отличными от свойств бутана линейного строения.

Бутан, в молекуле которого атомы расположены в виде линейной цепочки, называют нормальным бутаном (н-бутаном), а бутан, цепь атомов углерода которого разветвлена, называют изобутаном.

Существует два основных типа изомерии - структурная и пространственная.

В соответствии с принятой классификацией различают три вида структурной изомерии.

Изомерия углеродного скелета. Соединения отличаются порядком расположения углерод-углеродных связей, например рассмотренные н-бутан и изобутан. Именно этот вид изомерии характерен для алканов.

Изомерия положения кратной связи (С=С, С=С) или функциональной группы (т. е. группы атомов, определяющих принадлежность соединения к тому или иному классу органических соединений), например:

Межклассовая изомерия . Изомеры этого вида изомерии относятся к разным классам органических соединений, например рассмотренные выше этиловый спирт (класс предельных одноатомных спиртов) и диметиловый эфир (класс простых эфиров).

Различают два вида пространственной изомерии: геометрическую и оптическую.

Геометрическая изомерия характерна, прежде всего, для соединений с двойной углерод-углеродной связью, так как по месту такой связи молекула имеет плоскостное строение (рис. 6).

Рис. 6.
Модель молекулы этилена

Например, для бутена-2, если одинаковые группы атомов у атомов углерода при двойной связи находятся по одну сторону от плоскости С=С-связи, то молекула является цисизомером, если по разные стороны - трансизомером.

Оптической изомерией обладают, например, вещества, молекулы которых имеют асимметрический, или хиральный, атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Оптические изомеры являются зеркальным изображением друг друга, подобно двум ладоням, и не совместимы. (Теперь вам, очевидно, стало понятным второе название этого вида изомерии: греч. хирос - рука - образец несимметричной фигуры.) Например, в виде двух оптических изомеров существует 2-оксипропановая (молочная) кислота, содержащая один асимметрический атом углерода.

У хиральных молекул возникают изомерные пары, в которых молекулы изомеров относятся по своей пространственной организации одна к другой так же, как соотносятся между собой предмет и его зеркальное отображение. Пара таких изомеров всегда обладает одинаковыми химическими и физическими свойствами, за исключением оптической активности: если один изомер вращает плоскость поляризованного света по часовой стрелке, то другой - обязательно против. Первый изомер называют правовращающим, а второй - левовращающим.

Значение оптической изомерии в организации жизни на нашей планете очень велико, так как оптические изомеры могут существенно отличаться как по своей биологической активности, так и по совместимости с другими природными соединениями.

3. Атомы в молекулах веществ влияют друг на друга. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений вы рассмотрите при дальнейшем изучении курса.

Современная теория строения органических соединений основывается не только на химическом, но и на электронном и на пространственном строении веществ, которое подробно рассматривается на профильном уровне изучения химии.

В органической химии широко используют несколько видов химических формул.

Молекулярная формула отражает качественный состав соединения, т. е. показывает число атомов каждого из химических элементов, образующих молекулу вещества. Например, молекулярная формула пропана: С 3 Н 8 .

Структурная формула отражает порядок соединения атомов в молекуле согласно валентности. Структурная формула пропана такова:

Часто нет необходимости детально изображать химические связи между атомами углерода и водорода, поэтому в большинстве случаев используют сокращенные структурные формулы. Для пропана такую формулу записывают так: СН 3 -СН 2 -СН 3 .

Строение молекул органических соединений отражают с помощью различных моделей. Наиболее известны объемные (масштабные) и шаростержневые модели (рис. 7).

Рис. 7.
Модели молекулы этана:
1 - шаростержневая; 2 - масштабная

Новые слова и понятия

Изомерия, изомеры.
Валентность.
Химическое строение.
Теория строения органических соединений.
Гомологический ряд и гомологическая разность.
Формулы молекулярные и структурные.
Модели молекул: объемные (масштабные) и шаростержневые.

Вопросы и задания

Что такое валентность? Чем она отличается от степени окисления? Приведите примеры веществ, в которых значения степени окисления и валентности атомов численно одинаковы и различны,
Определите валентность и степень окисления атомов в веществах, формулы которых Сl 2 , СО 2 , С 2 Н 6 , С 2 Н 4 .
Что такое изомерия; изомеры?
Что такое гомология; гомологи?
Как, используя знания об изомерии и гомологии, объяснить многообразие соединений углерода?
Что понимают под химическим строением молекул органических соединений? Сформулируйте положение теории строения, которое объясняет различие в свойствах изомеров, Сформулируйте положения теории строения, которые объясняют многообразие органических соединений.
Какой вклад внес каждый из ученых - основоположников теории химического строения - в эту теорию? Почему ведущую роль в становление этой теории сыграл вклад русского химика?
Возможно существование трех изомеров состава С 5 Н 12 , Запишите их полные и сокращенные структурные формулы,
По представленной в конце параграфа модели молекулы вещества (см, рис. 7) составьте его молекулярную и сокращенную структурную формулы.
Рассчитайте массовую долю углерода в молекулах первых четырех членов гомологического ряда алканов.

ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Еще со времени открытия огня человек разделил вещества на горючие и негорючие. К первой группе относились в основном продукты растительного и животного происхождения, а ко второй – преимущественно минерального происхождения. Таким образом, между способностью вещества к горению и принадлежностью его к живому и неживому миру существовала определенная связь.

В 1867 г. Й. Берцелиус предложил называть соединения первой группы органическими, а вещества, подобные воде и солям, которые характерны для неживой природы, определил, как неорганические.

Некоторые органические вещества в более или менее чистом виде известны человеку с незапамятных времен (уксус, многие органические красители). Ряд органических соединений, как, например, мочевина, этиловый спирт, «серный эфир» были получены еще алхимиками. Очень многие вещества, особенно органические кислоты (щавелевая, лимонная, молочная и др.) и органические основания (алкалоиды), были выделены из растений и животных во второй половине XVIII века и первых годах XIX века. Это время и следует считать началом научной органической химии.

v Теория витализма . В XVIII веке и первой четверти XIX века господствовало убеждение, что химия живой природы принципиально отлична от химии мертвой природы (минеральной химии), и что организмы строят свои вещества с участием особой жизненной силы, без которой искусственно, в колбе, их создать нельзя. То время было временем господства витализма – учения, рассматривающего жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил.

Защитником витализма веком раньше был Г. Шталь, основатель теории флогистона. По его мнению, химики, имевшие дело с самыми обычными веществами, осуществить их превращения, требовавшие участия жизненных сил, естественно, не могли.

Первые сомнения в состоятельности виталистической теории заронил ученик Й. Берцелиуса немецкий химик Ф. Велер, который синтезировал из цианата аммония, безоговорочно причисленного к неорганическим веществам, мочевину:

Не надо переоценивать значения этой работы, т.к. мочевина фактически является перестроенной молекулой цианата аммония, но, тем не менее, нельзя и отрицать значение открытия Ф. Велера, т.к. оно способствовало низвержению витализма и вдохновило химиков на синтез органических веществ.

В 1845 г. А. Кольбе, ученик Ф. Велера, осуществил синтез из элементов, т.е. полный синтез, уксусной кислоты. Французский химик П. Бертло получил метиловый и этиловый спирты, метан. Тем не менее, существовало мнение, что синтез столь сложного вещества, как сахар, никогда не будет осуществлен. Однако уже в 1861 г. А. Бутлеров синтезировал сахароподобное вещество – метиленитан.

Одновременно с этими этапными для органической химии синтезами быстро росло общее число синтезированных углеродосодержащих соединений, не встречающихся в природе. Так, в 1825 г. М. Фарадей получил бензол, еще ранее стали известны этилен, бромистый этилен и ряд производных бензола. В 1842 г. Н. Зинин из нитробензола получил анилин, а в 50-х годах того же столетия из анилина были синтезированы первые «анилиновые красители» – мовеин У. Перкина и фуксин. К середине 50-х годов ХIХ в. виталистическая теория потерпела крах окончательно.

v Дуалистическая теория Й. Берцелиуса . Основы структурной химии органических веществ заложил Й. Берцелиус, который вслед за А. Лавуазье распространил на органические объекты количественный анализ и создал для объяснения их природы дуалистическую (электрохимическую ) теорию – первую научную теорию в химии. По Й. Берцелиусу, атом элемента соединяется с кислородом вследствие того, что он электроположителен, а кислород электроотрицателен; при соединении заряды нейтрализуются. Й. Берцелиус считал, что его теория применима и к органической химии, с той разницей, что в органических соединениях радикалы в оксидах более сложные, например, углеводородные. Иначе эту теорию еще называют «теорией сложных радикалов ».

По А. Лавуазье радикалы органических соединений состоят из углерода, водорода и кислорода, к которым в случае веществ животного происхождения добавляется еще азот и фосфор.

v Теория радикалов . Развитием теории Берцелиуса стала теория радикалов. В 1810 г. Ж. Гей-Люссак заметил, что группа СN (цианидная группа) может переходить из соединения в соединение, не разделяясь на отдельные атомы углерода и азота. Такие группы стали называть радикалами .

Постепенно радикалы стали рассматривать, как неизменные составные части органических веществ (подобные элементам в неорганических соединениях), которые переходят в реакциях из одного соединения в другое. Некоторые исследователи, особенно немецкой школы (Ф. Велер, Ю. Либих), вдохновленные открытием серии новых элементов, руководствовались идеей поиска новых радикалов. В частности, они нашли радикалы бензоил С 6 Н 5 СО и ацетил СН 3 СО. К этому времени стало известно также, что вещества, называющиеся сейчас этиловым спиртом, диэтиловым эфиром, хлористым этилом и этилнитритом, содержат радикал этил –С 2 Н 5 . Подобным же способом были идентифицированы и другие радикалы , т.е. группы атомов, остающиеся неизменными при различных химических превращениях.

Множественные попытки выделить радикалы в свободном состоянии оказались неудачными или проводили к ошибочным результатам. Так, до установления закона Авогадро этан, выделенный по реакции Вюрца:

считался сначала радикалом метилом –СН 3 , и лишь последующее определение молекулярной массы показало ее удвоенную величину.

Общее признание принципа неизменности радикалов, было поколеблено, когда французский химик Ж. Дюма и его ученик О. Лоран открыли реакцию металепсии . При действии хлора на органические соединения хлор вступает в вещество так, что на каждый вступивший эквивалент хлора из вещества удаляется один эквивалент водорода в виде хлороводорода. При этом химический характер соединения не меняется. Противоречие с теорией Й. Берцелиуса было разительным: хлор, «отрицательно заряженный элемент», входил на место «положительного заряженного водорода», и молекула не только сохранялась, но и не изменялся ее химический характер. Оказалось возможным заменять водород на другие электроотрицательные элементы – галогены, кислород, серу и т. д., и электрохимическая дуалистическая теория Й. Берцелиуса рухнула. Все очевиднее становилось, что неизменных радикалов не существует, и что в одних реакциях радикалы переходят во вновь образующиеся молекулы целиком, а в других подвергаются изменениям.

v Теория типов . Попытки найти что-то общее в природе органических молекул заставили отказаться от безуспешных поисков неизменяемой части молекулы и перейти к наблюдениям за ее наиболее изменяемой частью, которую мы теперь называем функциональной группой . Эти наблюдения привели к теории типов Ш. Жерара.

В спиртах и кислотах Ш. Жерар увидел аналоги воды, в хлорпроизводных углеводородов – аналоги хлористого водорода, в алканах – водорода, во вновь открытых аминах – аммиака.

Большинство сторонников теории типов (Ш. Жерар, А. Кольбе, А. Кекуле) исходили из того, что невозможно определить строение веществ экспериментальным путем. Их можно только классифицировать. В зависимости от того, в какие реакции вещество вступает, одно и то же органическое соединение можно относить к разным типам. Теория с большой натяжкой классифицировала огромный опытный материал, а о возможности целенаправленного синтеза не могло быть и речи. Органическая химия в те годы представлялась, по словам Ф. Велера, «…дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть». Дальнейшее развитие химии требовало создания новой, более прогрессивной теории.

Одним из недостатков теории типов является стремление уложить все органические соединения в более или менее формальные схемы. Заслуга этой теории состоит в уточнении понятий о гомологических рядах и химических функциях, окончательно освоенных органической химией. Ее роль в развитии науки несомненна, т.к. она привела к понятию валентности и открыла путь к теории строения органических соединений.

v Теория строения органических соединений . Ряд исследований предшествовал появлению основополагающей теории строения органических соединений. Так, А. Вильямсон в 1851 г. ввел понятие о так называемых многоатомных радикалах, т. е. о радикалах, способных заместить два и более атомов водорода. Тем самым стало возможным относить вещества сразу к двум и более типам, например, аминоуксусная кислота может быть отнесена к типам воды и аммиака:

Такие вещества мы сейчас называем гетерофункциональными соединениями.

Чтобы соблюсти постоянство валентности углерода и кислорода, оказалось необходимым также принять существование двойной связи в этилене (С=С), в альдегидах и кетонах (С=О).

Шотландский химик Л. Купер предложил современное изображение формул, в которых знак элемента снабжался числом черточек, равным его валентности:

Однако и А. Кекуле и Л. Куперу еще чужда была идея неразрывной связи химических и физических свойств молекул с ее строением, выраженным формулой, идея единственности этого строения. А. Кекуле допускал описание одного и того же соединения посредством нескольких разных формул, в зависимости от того, какую совокупность реакций данного вещества хотели выразить формулой. По существу, это были так называемые реакционные формулы.

Основные положения теории строения органических соединений были обнародованы А. Бутлеровым в 1861 г. Ему же принадлежит и сам термин строение или структура . Теория Бутлерова базировалась на материалистических представлениях, основанных на атомистическом учении М. Ломоносова и Д. Дальтона. Сущность этой теории сводится к следующим основным положениям:

1. Химическая природа каждой сложной молекулы определяется природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением.

2. Химическое строение – это определенный порядок чередования атомов в молекуле, взаимное влияние атомов друг на друга.

3. Химическое строение веществ определяет их физические и химические свойства.

4. Изучение свойств веществ позволяет определить их химическое строение.

Химическим строением А. Бутлеров назвал последовательность атомов в молекуле. Он указал, каким путем на основании изучения химических реакций данного вещества можно установить его структуру, которая для каждого химического индивидуума является адекватной. В соответствии с этой формулой можно и синтезировать данные соединения. Свойства определенного атома в соединении, прежде всего, зависят от того, с каким атомом связан интересующий нас атом. Пример – поведение различных атомов водорода в спиртах.

Теория строения включила и растворила в себе теорию радикалов, поскольку любая часть молекулы, переходящая в реакции из одной молекулы в другую является радикалом, но уже не обладает прерогативой неизменности. Она вобрала в себя и теорию типов, ибо присутствующие в молекуле неорганические или содержащие углерод группы, ведущие свое начало от воды (гидроксил –ОН), аммиака (аминогруппа –NH 2), угольной кислоты (карбоксил –COOH), в первую очередь определяли химическое поведение (функцию) молекулы и делали его сходным с поведением прототипа.

Структурная теория строения органических соединений позволила классифицировать огромный экспериментальный материал и указала пути целенаправленного синтеза органических веществ.

Следует отметить, что установление структуры вещества химическим путем осуществляют каждый раз индивидуально. Нужна уверенность в индивидуальности веществ и знание количественного элементного состава и молекулярной массы. Если известны состав соединения и его молекулярная масса, можно вывести молекулярную формулу. Приведем пример выведения структурных формул для веществ с составом С 2 Н 6 О.

Первое вещество реагирует с натрием по типу воды, выделяя один атом водорода на один атом натрия, причем натрий входит в состав молекулы продукта реакции вместо ушедшего водорода.

2C 2 H 6 O + 2Na → H 2 + 2C 2 H 5 ONa

В полученное соединение уже не удается ввести второй атом натрия. То есть, можно предположить, что вещество содержало гидроксильную группу и, выделяя ее в формуле соединения, последнее можно записать так: С 2 Н 5 ОН. Подтверждением этого вывода служит то, что при действии на исходное вещество бромида фосфора(III) гидроксильная группа уходит из молекулы как целое, переходя к атому фосфора и заменяясь на атом брома.

2C 2 H 5 OH + PBr 3 → 3C 2 H 5 Br + H 3 PO 3

Изомерное ему вещество, т.е. имеющее такую же брутто-формулу, не реагирует с металлическим натрием, а при взаимодействии с иодоводородом разлагается по уравнению:

C 2 H 6 O + HI → CH 3 I + CH 4 O .

Из этого можно сделать вывод, что в исходном веществе два атома углерода не связаны друг с другом, т. к. иодоводород не способен разрывать С–С-связь. В нем нет и особого водорода, способного замещаться на натрий. После разрыва молекулы этого вещества при действии иодоводорода образуются СН 4 О и СН 3 I. Последнему нельзя приписать иную структуру, чем указанную ниже, поскольку и водород, и иод одновалентны.

Второе из образовавшихся веществ, СН 4 О, ведет себя в реакции не только с натрием, но и с бромидом фосфора(III), подобно этиловому спирту.

2CH 4 O + 2Na → 2CH 3 ONa + H 2

3CH 4 O + PBr 3 → CH 3 Br + P(OH) 3

Естественно предположить, что иодоводород разорвал связь двух метильных групп, осуществляющуюся атомом кислорода.

Действительно, при действии одного из продуктов этой реакции на натриевое производное другого удается осуществить синтез исходного вещества, изомерного этиловому спирту, и подтвердить принятую для него структуру диметилового эфира.

Первым пробным камнем проверки теории строения органических соединений явился синтез предсказанных, но неизвестных в то время трет -бутилового спирта и изобутилена, осуществленный автором созданной теории и его учеником А. Зайцевым. Другой ученик А. Бутлерова – В. Марковников синтезировал теоретически предсказанную изомасляную кислоту и на ее основе изучил взаимное влияние атомов в молекуле.

Следующий этап в развитии теоретических вопросов связывают с возникновением стереохимических представлений, развитых в работах Я. Вант-Гоффа и Ж. Ле Беля.

В начале ХХ в. закладываются представления об электронном строении атомов и молекул. На электронном уровне трактуется природа химической связи и реакционной способности органических молекул.

Создание теории органических веществ послужило основой синтетических методов не только в лаборатории, но и в промышленности. Возникают производства синтетических красителей, взрывчатых веществ и медикаментов. В органический синтез широко внедряются катализаторы и высокие давления.

В области органического синтеза осуществлено получение многих природных веществ (хлорофилл, витамины, антибиотики, гормоны). Выявлена роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственности.

Решение многих вопросов в строении сложных органических молекул стало эффективным благодаря привлечению современных спектральных методов.

Шталь Г. (1659-1734) – немецкий химик и врач. Создатель теории флогистона – первой химической теории, позволившей покончить с теоретическими возрениями алхимии.

Кольбе А. (1818 – 1884) – немецкий химик-органик, создатель теории радикалов. Синтезировал ряд органических кислот. Разработал электрохимический метод получения алканов – метод Кольбе.

Бертло П. (1827-1907) – французский химик. Один из основоположников органической химии. Фундаментальные работы в области термохимии.

Фарадей М. (1791-1867) – английский физик и химик. Один из основателей учения об электромагнетизме. Открыл количественные законы электролиза. Исследования в области сжиженных газов, стекла, органической химии.

Перкин У. ст. (1838-1907) –английский химик. Разработал промышленное производство красителей мовеина, ализарина. Открыл реакцию конденсации ароматических альдегидов с ангидридами карбоновых кислот (реакция Перкина ).

Вюрц Ш. (1817-1884) – французский химик Учился у Ю. Либиха, ассистент Ж. Дюма. Синтезировал амины, фенолы, этиленгликоль, молочную кислоту, провел альдольную и кротоновую конденсацию.

Дюма Ж. (1800-1884) – французский химик. Создал теорию радикалов. Открыл реакцию хлорирования, установил существование гомологического ряда – ряда муравьиной кислоты. Предложил способ количественного определения азота.

Лоран О. (1807-1853) – французский химик. Изучал продукты каменноугольной смолы. Открыл фталевую кислоту, индиго и нафталин.

Кекуле Ф. (1829 - 1896) – немецкий химик. Основные труды в области теоретической органической химии. Синтезировал антрахинон, трифенилметан.

Купер Л. (1834 - 1891) – шотландский химик, основные работы посвящены теоретическим проблемам химии.

Все вещества, которые содержат углеродный атом, помимо карбонатов, карбидов, цианидов, тиоционатов и угольной кислоты, представляют собой органические соединения. Это значит, что они способны создаваться живыми организмами из атомов углерода посредством ферментативных или прочих реакций. На сегодняшний день многие органические вещества можно синтезировать искусственно, что позволяет развивать медицину и фармакологию, а также создавать высокопрочные полимерные и композитные материалы.

Классификация органических соединений

Органические соединения являются самым многочисленным классом веществ. Здесь присутствует порядка 20 видов веществ. Они различны по химическим свойствам, отличаются физическими качествами. Их температура плавления, масса, летучесть и растворимость, а также агрегатное состояние при нормальных условиях также различны. Среди них:

углеводороды (алканы, алкины, алкены, алкадиены, циклоалканы, ароматические углеводороды);
альдегиды;
кетоны;
спирты (двухатомные, одноатомные, многоатомные);
простые эфиры;
сложные эфиры;
карбоновые кислоты;
амины;
аминокислоты;
углеводы;
жиры;
белки;
биополимеры и синтетические полимеры.

Данная классификация отражает особенности химического строения и наличие специфических атомных групп, определяющих разность свойств того или иного вещества. В общем виде классификация, в основе которой лежит конфигурация углеродного скелета, не учитывающая особенностей химических взаимодействий, выглядит по-другому. Соответственно ее положениям, органические соединения делятся на:

алифатические соединения;
ароматические вещества;
гетероциклические вещества.

Данные классы органических соединений могут иметь изомеры в разных группах веществ. Свойства изомеров различны, хотя их атомный состав может быть одинаковым. Это вытекает из положений, заложенных А. М. Бутлеровым. Также теория строения органических соединений является руководящей основой при проведении всех исследований в органической химии. Ее ставят на один уровень с менделеевским Периодическим законом.

Само понятие о химическом строении ввел А. М. Бутлеров. В истории химии оно появилось 19 сентября 1861 года. Ранее в науке существовали различные мнения, а часть ученых вовсе отрицало наличие молекул и атомов. Потому в органической и неорганической химии не было никакого порядка. Более того, не существовало закономерностей, по которым можно было судить о свойствах конкретных веществ. При этом были и соединения, которые при одинаковом составе проявляли разные свойства.

Утверждения А. М. Бутлерова во многом направили развитие химии в нужное русло и создали для нее прочнейший фундамент. Посредством нее удалось систематизировать накопленные факты, а именно, химические или же физические свойства некоторых веществ, закономерности вступления их в реакции и прочее. Даже предсказание путей получения соединений и наличие некоторых общих свойств стало возможным благодаря данной теории. А главное, А. М. Бутлеров показал, что структуру молекулы вещества можно объяснить с точки зрения электрических взаимодействий.

Логика теории строения органических веществ

Поскольку до 1861 года в химии многие отвергали существование атома или же молекулы, то теория органических соединений стала революционным предложением для ученого мира. И поскольку сам Бутлеров А. М. исходит лишь из материалистических умозаключений, то ему удалось опровергнуть философские представления об органике.

Ему удалось показать, что молекулярное строение можно распознать опытным путем посредством химических реакций. К примеру, состав любого углевода можно выяснить посредством сжигания его определенного количества и подсчета образовавшейся воды и углекислого газа. Количество азота в молекуле амина подсчитывается также при сжигании путем измерения объема газов и выделения химического количества молекулярного азота.

Если рассматривать суждения Бутлерова о химическом строении, зависящем от структуры, в обратном направлении, то напрашивается новый вывод. А именно: зная химическое строение и состав вещества, можно эмпирически предположить его свойства. Но самое главное - Бутлеров объяснил, что в органике встречается огромное количество веществ, проявляющих разные свойства, но имеющие одинаковый состав.

Общие положения теории

Рассматривая и исследуя органические соединения, Бутлеров А. М. вывел некоторые важнейшие закономерности. Он объединил их в положения теории, объясняющей строение химических веществ органического происхождения. Положения теории таковы:

в молекулах органических веществ атомы соединены между собой в строго определенной последовательности, которая зависит от валентности;
химическое строение - это непосредственный порядок, согласно которому соединены атомы в органических молекулах;
химическое строение обуславливает наличие свойств органического соединения;
в зависимости от строения молекул с одинаковым количественным составом возможно появление различных свойств вещества;
все атомные группы, участвующие в образовании химического соединения, имеют взаимное влияние друг на друга.

Все классы органических соединений построены согласно принципам данной теории. Заложив основы, Бутлеров А. М. смог расширить химию как область науки. Он пояснил, что благодаря тому, что в органических веществах углерод проявляет валентность равную четырем, обуславливается многообразие данные соединений. Наличие множества активных атомных групп определяет принадлежность вещества к определенному классу. И именно за счет наличия специфических атомных групп (радикалов) появляются физические и химические свойства.

Углеводороды и их производные

Данные органические соединения углерода и водорода являются самыми простыми по составу среди всех веществ группы. Они представлены подклассом алканов и циклоалканов (насыщенных углеводородов), алкенов, алкадиенов и алкатриенов, алкинов (непредельных углеводородов), а также подклассом ароматических веществ. В алканах все атомы углерода соединены только одинарной С-С связью, из-за чего в состав углеводорода уже не может быть встроен ни один атом Н.

В непредельных углеводородах водород может встраиваться по месту наличия двойной С=С связи. Также С-С связь может быть тройной (алкины). Это позволяет данным веществам вступать во множество реакций, связанных с восстановлением или присоединением радикалов. Все остальные вещества для удобства изучения их способности вступать в реакции рассматриваются как производные одного из классов углеводородов.

Спирты

Спиртами называются более сложные, чем углеводороды органические химические соединения. Они синтезируются в результате протекания ферментативных реакций в живых клетках. Самым типичным примером является синтез этанола из глюкозы в результате брожения.

В промышленности спирты получают из галогеновых производных углеводородов. В результате замещения галогенового атома на гидроксильную группу и образуются спирты. Одноатомные спирты содержат лишь одну гидроксильную групп, многоатомные - две и более. Примером двухатомного спирта является этиленгликоль. Многоатомный спирт - это глицерин. Общая формула спиртов R-OH (R - углеродная цепь).

Альдегиды и кетоны

После того как спирты вступают в реакции органических соединений, связанные с отщеплением водорода от спиртовой (гидроксильной) группы, замыкается двойная связь между кислородом и углеродом. Если данная реакция проходит по спиртовой группе, расположенной у концевого углеродного атома, то в результате ее образуется альдегид. Если углеродный атом со спиртовой расположен не на конце углеродной цепи, то результатом реакции дегидратации является получение кетона. Общая формула кетонов - R-CO-R, альдегидов R-COH (R - углеводородный радикал цепи).

Эфиры (простые и сложные)

Химическое строение органических соединений данного класса усложненное. Простые эфиры рассматриваются как продукты реакции между двумя молекулами спиртов. При отщеплении воды от них образуется соединение образца R-O-R. Механизм реакции: отщепление протона водорода от одного спирта и гидроксильной группы от другого спирта.

Сложные эфиры - продукты реакции между спиртом и органической карбоновой кислотой. Механизм реакции: отщепление воды от спиртовой и карбоновой группы обеих молекул. Водород отщепляется от кислоты (по гидроксильной группе), а сама ОН-группа отделяется от спирта. Полученное соединение изображается как R-CO-O-R, где буковой R обозначены радикалы - остальные участки углеродной цепи.

Карбоновые кислоты и амины

Карбоновыми кислотами называются особенные вещества, играющие важную роль в функционировании клетки. Химическое строение органических соединений такое: углеводородный радикал (R) с присоединенной к нему карбоксильной группой (-СООН). Карбоксильная группа может располагаться только у крайнего атома углерода, потому как валентность С в группе (-СООН) равна 4.

Амины - это более простые соединения, которые являются производными углеводородов. Здесь у любого атома углерода располагается аминный радикал (-NH2). Существуют первичные амины, у которых группа (-NH2) присоединяется к одному углероду (общая формула R-NH2). У вторичных аминов азот соединяется с двумя углеродными атомами (формула R-NH-R). У третичных аминов азот соединен с тремя углеродными атомами (R3N), где р - радикал, углеродная цепь.

Аминокислоты

Аминокислоты - комплексные соединения, которые проявляют свойства и аминов, и кислот органического происхождения. Существует несколько их видов в зависимости от расположения аминной группы по отношению к карбоксильной. Наиболее важны альфа-аминокислоты. Здесь аминная группа расположена у атома углерода, к которому присоединена карбоксильная. Это позволяет создавать пептидную связь и синтезировать белки.

Углеводы и жиры

Углеводы являются альдегидоспиртами или кетоспиртами. Это соединения с линейной или циклической структурой, а также полимеры (крахмал, целлюлоза и прочие). Их важнейшая роль в клетке - структурная и энергетическая. Жиры, а точнее липиды, выполняют те же функции, только участвуют в других биохимических процессах. С точки зрения химического строения жир является сложным эфиром органических кислот и глицерина.

Теория строения органических соединений. Теория строения А.М. Бутлерова