تمامًا كما هو الحال في الكيمياء غير العضوية، فإن الأساس النظري الأساسي هو القانون الدوري والجدول الدوري للعناصر الكيميائية من تأليف د.آي مندليف، كذلك فإن الأساس العلمي الرئيسي في الكيمياء العضوية هو نظرية بتليروف-كيكولي-كوبر لبنية المركبات العضوية.
مثل أي نظرية علمية أخرى، كانت نظرية بنية المركبات العضوية نتيجة لتعميم أغنى مادة واقعية تراكمت لدى الكيمياء العضوية، التي اتخذت شكل علم في بداية القرن التاسع عشر. تم اكتشاف المزيد والمزيد من مركبات الكربون الجديدة، والتي زاد عددها مثل الانهيار الجليدي (الجدول 1).
الجدول 1
عدد المركبات العضوية المعروفة في سنوات مختلفة
وأوضح علماء أوائل القرن التاسع عشر هذا التنوع في المركبات العضوية. لم يتمكنوا من ذلك. أثارت ظاهرة الأيزومرية المزيد من الأسئلة.
على سبيل المثال، الكحول الإيثيلي وإيثر ثنائي ميثيل هما أيزومرات: هذه المواد لها نفس التركيب C 2 H 6 O، ولكن بنية مختلفة، أي ترتيب مختلف لاتصال الذرات في الجزيئات، وبالتالي خصائص مختلفة.
وصف F. Wöhler، الذي تعرفه بالفعل، الكيمياء العضوية في إحدى رسائله إلى J. J. Berzelius: "يمكن للكيمياء العضوية الآن أن تدفع أي شخص إلى الجنون. تبدو لي مثل غابة كثيفة، مليئة بالأشياء المدهشة، غابة لا حدود لها لا يمكنك الخروج منها، ولا تجرؤ على اختراقها..."
تأثر تطور الكيمياء بشكل كبير بعمل العالم الإنجليزي إي. فرانكلاند، الذي قدم مفهوم التكافؤ (1853) بناءً على أفكار الذرية.
في جزيء الهيدروجين H2، تتشكل رابطة كيميائية تساهمية واحدة H-H، أي أن الهيدروجين أحادي التكافؤ. يمكن التعبير عن تكافؤ العنصر الكيميائي بعدد ذرات الهيدروجين التي تضيفها ذرة واحدة من العنصر الكيميائي إلى نفسها أو تستبدلها. على سبيل المثال، الكبريت الموجود في كبريتيد الهيدروجين والأكسجين في الماء ثنائي التكافؤ: H 2 S أو H-S-H أو H 2 O أو H-O-H، والنيتروجين في الأمونيا ثلاثي التكافؤ:
في الكيمياء العضوية، يعد مفهوم "التكافؤ" مشابهًا لمفهوم "حالة الأكسدة" الذي اعتدت على التعامل معه في سياق الكيمياء غير العضوية في المدرسة الأساسية. ومع ذلك، هذا ليس نفس الشيء. على سبيل المثال، في جزيء النيتروجين N2، تكون حالة أكسدة النيتروجين صفرًا، ويكون التكافؤ ثلاثة:
في بيروكسيد الهيدروجين H2O2، تكون حالة أكسدة الأكسجين -1، ويكون التكافؤ اثنين:
في أيون الأمونيوم NH + 4، تكون حالة أكسدة النيتروجين -3، والتكافؤ أربعة:
عادة، فيما يتعلق بالمركبات الأيونية (كلوريد الصوديوم NaCl والعديد من المواد غير العضوية الأخرى ذات الروابط الأيونية)، لا يتم استخدام مصطلح "تكافؤ" الذرات، ولكن يتم أخذ حالة الأكسدة الخاصة بها في الاعتبار. لذلك، في الكيمياء غير العضوية، حيث معظم المواد لها بنية غير جزيئية، يفضل استخدام مفهوم “حالة الأكسدة”، وفي الكيمياء العضوية، حيث معظم المركبات لها بنية جزيئية، كقاعدة عامة، مفهوم “حالة الأكسدة”. يتم استخدام التكافؤ.
إن نظرية التركيب الكيميائي هي نتيجة تعميم أفكار علماء عضويين بارزين من ثلاث دول أوروبية: الألماني ف. كيكولي، والإنجليزي أ. كوبر، والروسي أ. بتليروف.
في عام 1857، صنف F. Kekule الكربون كعنصر رباعي التكافؤ، وفي عام 1858، أشار مع A. Cooper إلى أن ذرات الكربون قادرة على التواصل مع بعضها البعض في سلاسل مختلفة: خطية، متفرعة ومغلقة (دورية).
كانت أعمال F. Kekule و A. Cooper بمثابة الأساس لتطوير نظرية علمية تشرح ظاهرة الأيزومرية، والعلاقة بين تكوين وبنية وخصائص جزيئات المركبات العضوية. تم إنشاء هذه النظرية من قبل العالم الروسي أ.م.بتليروف. لقد كان عقله الفضولي هو الذي "تجرأ على اختراق" "الغابة الكثيفة" للكيمياء العضوية والبدء في تحويل هذه "الغابة اللامحدودة" إلى حديقة عادية تغمرها أشعة الشمس بنظام من المسارات والأزقة. تم التعبير عن الأفكار الأساسية لهذه النظرية لأول مرة بواسطة أ.م.بتليروف في عام 1861 في مؤتمر علماء الطبيعة والأطباء الألمان في شباير.
يمكن صياغة الأحكام والعواقب الرئيسية لنظرية بتليروف-كيكولي-كوبر لتركيب المركبات العضوية بإيجاز على النحو التالي.
1. ترتبط الذرات الموجودة في جزيئات المواد بتسلسل معين وفقًا لتكافؤها. الكربون الموجود في المركبات العضوية هو دائما رباعي التكافؤ، وذراته قادرة على الاتحاد مع بعضها البعض، وتشكيل سلاسل مختلفة (خطية، متفرعة ودورية).
يمكن ترتيب المركبات العضوية في صفوف من المواد المتشابهة في التركيب والبنية والخصائص - صفوف متماثلة.
- بتليروف ألكسندر ميخائيلوفيتش (1828-1886)، كيميائي روسي، أستاذ بجامعة كازان (1857-1868)، من 1869 إلى 1885 - أستاذ بجامعة سانت بطرسبرغ. أكاديمي في أكاديمية سانت بطرسبرغ للعلوم (منذ عام 1874). منشئ نظرية التركيب الكيميائي للمركبات العضوية (1861). توقع ودرس تصاوغ العديد من المركبات العضوية. توليفها العديد من المواد.
على سبيل المثال، الميثان CH 4 هو سلف السلسلة المتماثلة من الهيدروكربونات المشبعة (الألكانات). أقرب متماثل له هو الإيثان C2H6، أو CH3-CH3. العضوان التاليان في سلسلة الميثان المتجانسة هما البروبان C 3 H 8، أو CH 3 -CH 2 -CH 3، والبيوتان C 4 H 10، أو CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3، إلخ.
من السهل أن نرى أنه بالنسبة للمتسلسلة المتماثلة يمكن استخلاص صيغة عامة لهذه السلسلة. لذلك، بالنسبة للألكانات، هذه الصيغة العامة هي C n H 2n + 2.
2. خصائص المواد لا تعتمد فقط على تركيبها النوعي والكمي، ولكن أيضا على بنية جزيئاتها.
وهذا الموقف من نظرية بنية المركبات العضوية يفسر ظاهرة الأيزومرية. من الواضح أنه بالنسبة للبيوتان C 4 H 10، بالإضافة إلى الجزيء ذو البنية الخطية CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3، من الممكن أيضًا وجود بنية متفرعة:
هذه مادة جديدة تمامًا لها خصائصها الفردية، وتختلف عن خصائص البيوتان ذات البنية الخطية.
يسمى البيوتان، في الجزيء الذي يتم ترتيب ذراته في سلسلة خطية، بالبيوتان العادي (ن-بيوتان)، والبيوتان، الذي تتفرع منه سلسلة ذرات الكربون، يسمى إيزوبيوتان.
هناك نوعان رئيسيان من الأيزومرية - الهيكلية والمكانية.
وفقا للتصنيف المقبول، هناك ثلاثة أنواع من الأيزومرية الهيكلية.
الايزومرية للهيكل العظمي الكربوني. تختلف المركبات في ترتيب روابط الكربون-كربون، على سبيل المثال، ن-البيوتان والأيزوبيوتان التي تمت مناقشتها. هذا النوع من الأيزومرية هو الذي يميز الألكانات.
تصاوغ موضع الرابطة المتعددة (C=C, C=C) أو المجموعة الوظيفية (أي مجموعة الذرات التي تحدد ما إذا كان المركب ينتمي إلى فئة معينة من المركبات العضوية)، على سبيل المثال:
الايزومرية بين الطبقات. تنتمي أيزومرات هذا النوع من الأيزومرية إلى فئات مختلفة من المركبات العضوية، على سبيل المثال، الكحول الإيثيلي (فئة الكحول الأحادي الهيدريك المشبع) وإيثر ثنائي ميثيل (فئة الإيثرات) التي تمت مناقشتها أعلاه.
هناك نوعان من الأيزومرية المكانية: هندسية وبصرية.
تعتبر الأيزومرية الهندسية مميزة في المقام الأول للمركبات ذات رابطة الكربون والكربون المزدوجة، حيث أن الجزيء له بنية مستوية في موقع مثل هذه الرابطة (الشكل 6).
أرز. 6.
نموذج جزيء الإيثيلين
على سبيل المثال، بالنسبة للبيوتين-2، إذا كانت مجموعات متماثلة من الذرات عند ذرات الكربون في الرابطة المزدوجة موجودة على جانب واحد من مستوى الرابطة C=C، فإن الجزيء يكون أيزومرًا مقرونًا، وإذا كان على الجانبين المتقابلين فهو أيزومر مقرمش. الأيزومر العابر.
تُلاحظ الأيزومرية الضوئية، على سبيل المثال، في المواد التي تحتوي جزيئاتها على ذرة كربون غير متماثلة أو مراوانية مرتبطة بأربعة ذرات كربون متنوعالنواب. الأيزومرات الضوئية هي صور مرآة لبعضها البعض، مثل كفين اليد، وهي غير متوافقة. (الآن، من الواضح أن الاسم الثاني لهذا النوع من الأيزومرية أصبح واضحًا لك: تشيروس اليوناني - اليد - مثال على شكل غير متماثل.) على سبيل المثال، يوجد حمض 2-هيدروكسي بروبانويك (اللاكتيك)، الذي يحتوي على ذرة كربون واحدة غير متماثلة. على شكل اثنين من الايزومرات الضوئية.
في الجزيئات اللولبية، تنشأ أزواج أيزومرية ترتبط فيها جزيئات الأيزومر ببعضها البعض في تنظيمها المكاني بنفس الطريقة التي يرتبط بها الجسم وصورته المرآة ببعضها البعض. يتمتع زوج من هذه الأيزومرات دائمًا بنفس الخصائص الكيميائية والفيزيائية، باستثناء النشاط البصري: إذا قام أحد الأيزومرات بتدوير مستوى الضوء المستقطب في اتجاه عقارب الساعة، فإن الآخر يدور بالضرورة عكس اتجاه عقارب الساعة. الأيزومر الأول يسمى dextrorotatory، والثاني يسمى levorotatory.
إن أهمية الأيزومرية الضوئية في تنظيم الحياة على كوكبنا كبيرة جدًا، حيث يمكن أن تختلف الأيزومرات الضوئية بشكل كبير في نشاطها البيولوجي وفي التوافق مع المركبات الطبيعية الأخرى.
3. تؤثر الذرات الموجودة في جزيئات المواد على بعضها البعض. سوف تفكر في التأثير المتبادل للذرات في جزيئات المركبات العضوية خلال الدراسة الإضافية للدورة.
لا تعتمد النظرية الحديثة لبنية المركبات العضوية على المادة الكيميائية فحسب، بل تعتمد أيضًا على البنية الإلكترونية والمكانية للمواد، والتي تتم مناقشتها بالتفصيل على مستوى دراسة الكيمياء.
في الكيمياء العضوية، يتم استخدام عدة أنواع من الصيغ الكيميائية على نطاق واسع.
وتعكس الصيغة الجزيئية التركيب النوعي للمركب، أي أنها توضح عدد ذرات كل عنصر من العناصر الكيميائية التي تشكل جزيء المادة. على سبيل المثال، الصيغة الجزيئية للبروبان هي: C3H8.
تعكس الصيغة الهيكلية ترتيب ارتباط الذرات في الجزيء حسب التكافؤ. الصيغة الهيكلية للبروبان هي:
في كثير من الأحيان ليست هناك حاجة لتصوير الروابط الكيميائية بين ذرات الكربون والهيدروجين بالتفصيل، لذلك يتم استخدام الصيغ الهيكلية المختصرة في معظم الحالات. بالنسبة للبروبان، تتم كتابة هذه الصيغة على النحو التالي: CH 3 -CH 2 -CH 3.
وينعكس هيكل جزيئات المركبات العضوية باستخدام نماذج مختلفة. الأكثر شهرة هي النماذج الحجمية (المقياس) والنماذج الكروية والعصا (الشكل 7).
أرز. 7.
نماذج جزيء الإيثان:
1 - الكرة والقضيب. 2 - الميزان
كلمات ومفاهيم جديدة
- الايزومرية، الايزومرات.
- التكافؤ.
- التركيب الكيميائي.
- نظرية بنية المركبات العضوية.
- المتسلسلة المتماثلة والفرق المتماثل.
- الصيغ الجزيئية والهيكلية.
- نماذج الجزيئات: الحجمي (المقياس) والكرة والعصا.
الأسئلة والمهام
- ما هو التكافؤ؟ وكيف تختلف عن حالة الأكسدة؟ أعط أمثلة على المواد التي تكون فيها قيم حالة الأكسدة وتكافؤ الذرات متماثلة ومختلفة عدديا،
- تحديد حالة التكافؤ والأكسدة للذرات في المواد التي تكون صيغها Cl 2، CO 2، C 2 H 6، C 2 H 4.
- ما هي الايزومرية؟ الايزومرات؟
- ما هو التماثل؟ المتماثلون؟
- كيف يمكن، باستخدام معرفة الأيزومرية والتماثل، تفسير تنوع مركبات الكربون؟
- ما المقصود بالتركيب الكيميائي لجزيئات المركبات العضوية؟ صياغة أحكام نظرية التركيب التي توضح الاختلاف في خواص المتماكبات. صياغة أحكام نظرية التركيب التي توضح تنوع المركبات العضوية.
- ما هي المساهمة التي قدمها كل من العلماء - مؤسسي نظرية التركيب الكيميائي - في هذه النظرية؟ لماذا لعبت مساهمة الكيميائي الروسي دورا رائدا في تطوير هذه النظرية؟
- قد يكون هناك ثلاثة أيزومرات من التركيبة C 5 H 12. اكتب صيغها الهيكلية الكاملة والمختصرة،
- بناءً على نموذج جزيء المادة المعروض في نهاية الفقرة (انظر الشكل 7)، قم بتكوين صيغه الهيكلية الجزيئية والمختصرة.
- احسب الجزء الكتلي للكربون في جزيئات العناصر الأربعة الأولى من سلسلة الألكانات المتماثلة.
بحلول النصف الأول من القرن التاسع عشر، تراكمت كمية هائلة من المواد الواقعية في الكيمياء العضوية، والتي أعاقت دراستها الإضافية بسبب عدم وجود أي أساس منهجي. وبدءًا من عشرينيات القرن التاسع عشر، بدأت نظريات متتالية في الظهور، تدعي تقديم وصف عام لبنية المركبات العضوية. إحداها كانت نظرية الأنواع، التي طورها العالم الفرنسي سي. جيرارد في الستينيات. ووفقا لهذه النظرية اعتبرت جميع المركبات العضوية مشتقات من أبسط المواد غير العضوية مأخوذة على أنها أنواع. جيرارد
قبل وقت قصير من ظهور نظرية الهيكل، قام الكيميائي الألماني ف. طور كيكولي (1857) نظرية التكافؤ فيما يتعلق بالمركبات العضوية، والتي أسست حقائق مثل رباعي التكافؤ لذرة الكربون وقدرتها على تكوين سلاسل الكربون بسبب الاتحاد مع ذرات الكربون. م. بتلروفا إف. كيكولي
قدمت التطورات النظرية في فترة ما قبل بتلر مساهمة معينة في معرفة بنية المركبات العضوية. لكن لم تكن أي من النظريات المبكرة عالمية. وفقط أ.م. تمكن بتليروف من إنشاء مثل هذه النظرية المنطقية الكاملة للبنية، والتي تعمل حتى يومنا هذا كأساس علمي للكيمياء العضوية. نظرية هيكل أ.م. يعتمد بتليروف على مقاربة مادية للجزيء الحقيقي وينطلق من إمكانية معرفة بنيته تجريبيًا. أكون. يعلق بتليروف أهمية أساسية على التفاعلات الكيميائية عند تحديد بنية المواد. نظرية هيكل أ.م. لم تشرح بتلروفا الحقائق المعروفة بالفعل فحسب، بل تكمن أهميتها العلمية في التنبؤ بوجود مركبات عضوية جديدة. بتليروف أ.م. بتلروفا إيه إم. بتليروف أ.م. بتليروف
الأيزومرات هي مواد لها نفس الصيغة الجزيئية، ولكن لها تركيب كيميائي مختلف، وبالتالي لها خصائص مختلفة. تلقت الأيزومرية تفسيرًا حقيقيًا فقط في النصف الثاني من القرن التاسع عشر على أساس نظرية التركيب الكيميائي التي كتبها أ.م. بتلروف (الإيزومرية الهيكلية) والنظرية الكيميائية المجسمة لـ Ya. Van't Hoff (الإيزومرية المكانية). جي فانت هوف
اسم الصيغة عدد الأيزومرات CH 4 ميثان 1 C4H6C4H6 إيثان 1 C3H8C3H8 بروبان 1 C 4 H 10 بوتان 2 C 5 H 12 بنتان 3 C 6 H 14 هكسان 5 C 7 H 16 هيبتان 9 C 8 H 18 أوكتان 18 C 9 H 20 نونان 35 C 10 H 22 ديكان 75 C 11 H 2 4 undecane159 C 12 H 26 Dodecane355 C 13 H 28 TrideCane802 C 14 H 30 Tetradecane1 858 C 15 H 32 Pentadecane4 347 C 20 H 42 Eicosane C 25 H 52 Pentacosane C 30 H 62 Triacontane C 40 H 82 Tetracontane
الأيزومرات الهيكلية هي تلك التي تتوافق مع الصيغ الهيكلية المختلفة للمركبات العضوية (مع اختلاف رتب الذرات). الأيزومرات المكانية لها بدائل متطابقة على كل ذرة كربون وتختلف فقط في موقعها النسبي في الفضاء.
الايزومرات المكانية (الأيزومرات المجسمة). يمكن تقسيم الأيزومرات الفراغية إلى نوعين: الأيزومرات الهندسية والأيزومرات الضوئية. الأيزومرية الهندسية هي سمة من سمات المركبات التي تحتوي على رابطة مزدوجة أو حلقة. في مثل هذه الجزيئات، يكون من الممكن في كثير من الأحيان رسم مستوى تقليدي بحيث تكون البدائل الموجودة على ذرات الكربون المختلفة على نفس الجانب (cis-) أو على الجانبين المتقابلين (trans-) لهذا المستوى. إذا كان التغيير في اتجاه هذه البدائل بالنسبة للطائرة ممكنا فقط بسبب كسر أحد الروابط الكيميائية، فإنهم يتحدثون عن وجود أيزومرات هندسية. تختلف الأيزومرات الهندسية في خواصها الفيزيائية والكيميائية.
تم اكتشاف طريقة جديدة للحصول على الأيزومرات الضوئية للجزيئات العضوية. عندما وجدت أليس نفسها في غرفتها الخاصة، ولكن "المرآة"، تفاجأت: الغرفة بدت متشابهة، لكنها لا تزال مختلفة تمامًا. تختلف الأيزومرات المرآة للجزيئات الكيميائية بنفس الطريقة: فهي تبدو متشابهة، ولكنها تتصرف بشكل مختلف. أحد المجالات الحاسمة في الكيمياء العضوية هو فصل وتركيب هذه المتغيرات المرآة. (رسم توضيحي لجون تينيل لكتاب لويس كارول "أليس من خلال المرآة")
لقد تعلم العلماء الأمريكيون كيفية الحصول على الأيزومرات الضوئية للمركبات القائمة على الألدهيدات، وأجروا أخيرًا تفاعلًا مهمًا ظل الكيميائيون يعملون عليه لسنوات عديدة. في التجربة، قاموا بدمج اثنين من المحفزات التي تعمل على مبادئ مختلفة. ونتيجة للعمل المشترك لهذه المحفزات، يتم تشكيل جزيئين عضويين نشطين، يتحدان لتكوين المادة المطلوبة. وباستخدام هذا التفاعل كمثال، تم إثبات إمكانية تصنيع فئة كاملة من المركبات العضوية ذات الأهمية البيولوجية.
من المعروف الآن ما لا يقل عن 130 تفاعل تخليق عضوي يتم من خلالها الحصول على أيزومرات كيرالية أكثر أو أقل نقية. إذا كان للمحفز نفسه خصائص مراوانية، فسيتم الحصول على منتج نشط بصريًا من ركيزة غير نشطة بصريًا. تم اشتقاق هذه القاعدة في بداية القرن العشرين ولا تزال أساسية حتى اليوم. يشبه مبدأ العمل الانتقائي للمحفز فيما يتعلق بالإيزومرات الضوئية المصافحة: من "المريح" أن يرتبط المحفز بواحد فقط من الأيزومرات اللولبية، وبالتالي يتم تحفيز تفاعل واحد فقط من التفاعلات بشكل تفضيلي. بالمناسبة، مصطلح "chiral" يأتي من اليد اليونانية.
محتوى الدرس:نظريات بنية المركبات العضوية: المتطلبات الأساسية لإنشائها والمبادئ الأساسية. التركيب الكيميائي هو ترتيب الاتصال والتأثير المتبادل للذرات في الجزيئات. التماثل، الايزومرية. اعتماد خصائص المواد على التركيب الكيميائي. الاتجاهات الرئيسية لتطوير نظرية التركيب الكيميائي. اعتماد مظهر السمية في المركبات العضوية على تركيب وبنية جزيئاتها (طول سلسلة الكربون ودرجة تفرعها، وجود روابط متعددة، تكوين الدورات وجسور البيروكسيد، وجود الهالوجين الذرات)، وكذلك على ذوبان وتطاير المركب.
أهداف الدرس:
- تنظيم الأنشطة الطلابية للتعرف على المبادئ الأساسية لنظرية التركيب الكيميائي وترسيخها بشكل مبدئي.
- أظهر للطلاب الطبيعة العالمية لنظرية التركيب الكيميائي باستخدام مثال الأيزومرات غير العضوية والتأثير المتبادل للذرات في المواد غير العضوية.
تقدم الدرس:
1. اللحظة التنظيمية.
2. تحديث معارف الطلاب.
1) ماذا تدرس الكيمياء العضوية؟
2) ما هي المواد التي تسمى الايزومرات؟
3) ما هي المواد التي تسمى المتجانسات؟
4) قم بتسمية النظريات المعروفة لك والتي نشأت في الكيمياء العضوية في بداية القرن التاسع عشر.
5) ما هي عيوب نظرية المتطرفين؟
6) ما هي عيوب نظرية النوع؟
3. تحديد الأهداف والغايات للدرس.
شكل مفهوم التكافؤ جزءًا مهمًا من نظرية التركيب الكيميائي لـ A.M.. بتليروف في عام 1861
القانون الدوري الذي صاغه د. كشف مندلييف في عام 1869 عن اعتماد تكافؤ العنصر على موقعه في الجدول الدوري.
ظلت المجموعة الواسعة من المواد العضوية التي لها نفس التركيب النوعي والكمي، ولكن في خصائص مختلفة، غير واضحة. على سبيل المثال، كان من المعروف أن حوالي 80 مادة مختلفة تتوافق مع التركيبة C 6 H 12 O 2. اقترح ينس جاكوب بيرسيليوس تسمية هذه المواد بالإيزومرات.
لقد مهد العلماء من العديد من البلدان من خلال عملهم الطريق لإنشاء نظرية تشرح بنية وخصائص المواد العضوية.
وفي مؤتمر لعلماء الطبيعة والأطباء الألمان في مدينة شباير، تمت قراءة تقرير بعنوان "شيء ما في التركيب الكيميائي للأجسام". مؤلف التقرير هو البروفيسور في جامعة كازان ألكسندر ميخائيلوفيتش بتلروف. لقد كان هذا "الشيء" ذاته هو الذي شكل نظرية التركيب الكيميائي، والتي شكلت أساس أفكارنا الحديثة حول المركبات الكيميائية.
تلقت الكيمياء العضوية أساسًا علميًا متينًا، مما ضمن تطورها السريع في القرن التالي وحتى يومنا هذا. مكنت هذه النظرية من التنبؤ بوجود مركبات جديدة وخصائصها. جعل مفهوم التركيب الكيميائي من الممكن تفسير ظاهرة غامضة مثل الأيزومرية.
المبادئ الرئيسية لنظرية التركيب الكيميائي هي كما يلي:
1. تتحد الذرات الموجودة في جزيئات المواد العضوية بتسلسل معين حسب تكافؤها.
2. يتم تحديد خصائص المواد من خلال التركيب النوعي والكمي وترتيب الاتصال والتأثير المتبادل للذرات ومجموعات الذرات في الجزيء.
3. يمكن إنشاء بنية الجزيئات بناءً على دراسة خصائصها.
دعونا نفكر في هذه الأحكام بمزيد من التفصيل. تحتوي جزيئات المواد العضوية على ذرات الكربون (التكافؤ IV)، الهيدروجين (التكافؤ I)، الأكسجين (التكافؤ II)، النيتروجين (التكافؤ III). تشكل كل ذرة كربون في جزيئات المواد العضوية أربع روابط كيميائية مع ذرات أخرى، ويمكن ربط ذرات الكربون في سلاسل وحلقات. انطلاقاً من المبدأ الأول لنظرية التركيب الكيميائي، سوف نقوم بصياغة الصيغ البنائية للمواد العضوية. على سبيل المثال، ثبت أن الميثان يحتوي على تركيبة CH4. مع الأخذ في الاعتبار تكافؤ ذرات الكربون والهيدروجين، يمكن اقتراح صيغة هيكلية واحدة فقط للميثان:
يمكن وصف التركيب الكيميائي للمواد العضوية الأخرى بالصيغ التالية:
الإيثانول
أما الموقف الثاني من نظرية التركيب الكيميائي فيصف العلاقة المعروفة لدينا: التركيب – التركيب – الخواص. دعونا نرى مظهر هذا النمط باستخدام مثال المواد العضوية.
يحتوي الإيثان والكحول الإيثيلي على تركيبات نوعية مختلفة. يحتوي جزيء الكحول، على عكس الإيثان، على ذرة أكسجين. كيف سيؤثر هذا على الخصائص؟
يؤدي إدخال ذرة الأكسجين إلى الجزيء إلى تغيير الخصائص الفيزيائية للمادة بشكل كبير. وهذا يؤكد اعتماد الخصائص على التركيب النوعي.
دعونا نقارن تكوين وبنية الهيدروكربونات مثل الميثان والإيثان والبروبان والبيوتان.
الميثان والإيثان والبروبان والبيوتان لها نفس التركيب النوعي، ولكن تختلف في الكمية (عدد ذرات كل عنصر). ووفقا للموقف الثاني من نظرية التركيب الكيميائي، ينبغي أن يكون لها خصائص مختلفة.
| مادة | نقطة الغلياندرجة مئوية | نقطة الانصهار،درجة مئوية |
| الفصل 4 | – 182,5 | – 161,5 |
| ج2ح6 | – 182,8 | – 88,6 |
| ج3ح8 | – 187,6 | – 42,1 |
| ج4ح10 | – 138,3 | – 0,5 |
وكما يتبين من الجدول، مع زيادة عدد ذرات الكربون في الجزيء، تزداد درجات حرارة الغليان والانصهار، مما يؤكد اعتماد الخواص على التركيب الكمي للجزيئات.
الصيغة الجزيئية C4H10 لا تتوافق فقط مع البيوتان، ولكن أيضًا مع الأيزوبيوتان الأيزومري الخاص به:
تمتلك الأيزومرات نفس التركيب النوعي (ذرات الكربون والهيدروجين) والكمي (4 ذرات كربون وعشر ذرات هيدروجين)، ولكنها تختلف عن بعضها البعض في ترتيب ارتباط الذرات (التركيب الكيميائي). دعونا نرى كيف سيؤثر الاختلاف في بنية الأيزومرات على خصائصها.
يحتوي الهيدروكربون المتفرع (الأيزوبيوتان) على نقاط غليان وانصهار أعلى من الهيدروكربون العادي (البيوتان). ويمكن تفسير ذلك من خلال قرب الجزيئات من بعضها البعض في البيوتان، مما يزيد من قوى الجذب بين الجزيئات، وبالتالي يتطلب المزيد من الطاقة لفصلها.
أما الموضع الثالث من نظرية التركيب الكيميائي فيوضح العلاقة الارتجاعية بين تركيب المواد وبنيتها وخواصها: التركيب - البنية - الخواص. لنفكر في ذلك باستخدام مثال المركبات ذات التركيبة C 2 H 6 O.
لنتخيل أن لدينا عينات من مادتين لهما نفس الصيغة الجزيئية C2H6O، والتي تم تحديدها من خلال التحليل النوعي والكمي. ولكن كيف يمكننا معرفة التركيب الكيميائي لهذه المواد؟ إن دراسة خصائصها الفيزيائية والكيميائية ستساعد في الإجابة على هذا السؤال. عندما تتفاعل المادة الأولى مع الصوديوم المعدني، لا يحدث التفاعل، لكن المادة الثانية تتفاعل معه بشكل نشط، ويطلق الهيدروجين. دعونا نحدد النسبة الكمية للمواد في التفاعل. وللقيام بذلك، أضف كتلة معينة من الصوديوم إلى الكتلة المعروفة للمادة الثانية. دعونا نقيس حجم الهيدروجين. دعونا نحسب كميات المواد. في هذه الحالة يتبين أنه من أصل مولين من المادة قيد الدراسة يتم إطلاق مول واحد من الهيدروجين. ولذلك فإن كل جزيء من هذه المادة هو مصدر لذرة هيدروجين واحدة. ما الاستنتاج الذي يمكن استخلاصه؟ تختلف ذرة هيدروجين واحدة فقط في خصائصها، وبالتالي في بنيتها (أي الذرات المرتبطة بها) عن جميع الذرات الأخرى. مع الأخذ في الاعتبار تكافؤ ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين، يمكن اقتراح صيغة واحدة فقط لمادة معينة:
بالنسبة للمادة الأولى، يمكن اقتراح صيغة تكون فيها جميع ذرات الهيدروجين لها نفس البنية والخصائص:
ويمكن الحصول على نتيجة مماثلة من خلال دراسة الخواص الفيزيائية لهذه المواد.
وبالتالي، استنادا إلى دراسة خصائص المواد، يمكننا استخلاص استنتاج حول تركيبها الكيميائي.
لا يمكن المبالغة في تقدير أهمية نظرية التركيب الكيميائي. قامت بتسليح الكيميائيين بأساس علمي لدراسة بنية وخصائص المواد العضوية. القانون الدوري الذي صاغه D.I له معنى مماثل. مندليف. وقد لخصت نظرية التركيب جميع الآراء العلمية السائدة في الكيمياء في ذلك الوقت. تمكن العلماء من تفسير سلوك المواد العضوية أثناء التفاعلات الكيميائية. بناءً على نظرية أ.م. وتوقع بتليروف وجود أيزومرات بعض المواد التي تم الحصول عليها فيما بعد. تمامًا مثل القانون الدوري، تلقت نظرية التركيب الكيميائي تطورًا إضافيًا بعد تشكيل نظرية التركيب الذري والترابط الكيميائي والكيمياء المجسمة.
المحاضرة 15
نظرية هيكل المواد العضوية. الفئات الرئيسية للمركبات العضوية.
الكيمياء العضوية –العلم الذي يهتم بدراسة المواد العضوية. وإلا فإنه يمكن تعريفها بأنها كيمياء مركبات الكربون. ويحتل الأخير مكانة خاصة في الجدول الدوري لـ D.I. Mendeleev لتنوع المركبات التي يُعرف منها حوالي 15 مليونًا، في حين يبلغ عدد المركبات غير العضوية خمسمائة ألف. المواد العضوية معروفة لدى الإنسان منذ زمن طويل، مثل السكر والدهون النباتية والحيوانية والأصباغ والمواد العطرية والطبية. تدريجيًا، تعلم الناس من خلال معالجة هذه المواد الحصول على مجموعة متنوعة من المنتجات العضوية القيمة: النبيذ والخل والصابون وما إلى ذلك. يعتمد التقدم في الكيمياء العضوية على الإنجازات في مجال كيمياء المواد البروتينية والأحماض النووية والفيتامينات وما إلى ذلك. للكيمياء أهمية كبيرة في تطوير الطب، حيث أن الغالبية العظمى من الأدوية عبارة عن مركبات عضوية ليس فقط من أصل طبيعي، ولكن يتم الحصول عليها أيضًا بشكل أساسي من خلال التوليف. الأهمية الاستثنائية لل ارتفاع الوزن الجزيئيالمركبات العضوية (الراتنجات الاصطناعية، البلاستيك، الألياف، المطاط الصناعي، الأصباغ، مبيدات الأعشاب، المبيدات الحشرية، مبيدات الفطريات، مزيلات الأوراق...). للكيمياء العضوية أهمية كبيرة في إنتاج المواد الغذائية والسلع الصناعية.
لقد تغلغلت الكيمياء العضوية الحديثة بعمق في العمليات الكيميائية التي تحدث أثناء تخزين ومعالجة المنتجات الغذائية: عمليات تجفيف الزيوت وتزنخها وتصبنها، والتخمير، والخبز، والتخمير، وإنتاج المشروبات، وفي إنتاج منتجات الألبان، وما إلى ذلك. كما لعب اكتشاف ودراسة الإنزيمات والعطور ومستحضرات التجميل دورًا رئيسيًا.
أحد أسباب التنوع الكبير للمركبات العضوية هو تفرد بنيتها، والذي يتجلى في تكوين روابط وسلاسل تساهمية بواسطة ذرات الكربون، تختلف في النوع والطول. علاوة على ذلك، يمكن أن يصل عدد ذرات الكربون المرتبطة بها إلى عشرات الآلاف، ويمكن أن يكون تكوين سلاسل الكربون خطيًا أو دوريًا. بالإضافة إلى ذرات الكربون، قد تحتوي السلاسل على الأكسجين والنيتروجين والكبريت والفوسفور والزرنيخ والسيليكون والقصدير والرصاص والتيتانيوم والحديد وغيرها.
إن ظهور هذه الخصائص بواسطة الكربون يرجع إلى عدة أسباب. تم التأكيد على أن طاقات الروابط C – C و C – O قابلة للمقارنة. يمتلك الكربون القدرة على تكوين ثلاثة أنواع من التهجين المداري: أربعة sp3 - مدارات هجينة، اتجاهها في الفضاء رباعي السطوح ويتوافق مع بسيطروابط تساهمية؛ ثلاثة مدارات هجينة sp 2 تقع في نفس المستوى، مع شكل مداري غير هجين مضاعفات مزدوجةالاتصالات (─С = С─)؛ أيضًا بمساعدة sp - تنشأ مدارات هجينة ذات اتجاه خطي ومدارات غير هجينة بين ذرات الكربون مضاعفات ثلاثيةالروابط (─ C ≡ C ─)، علاوة على ذلك، تشكل ذرات الكربون هذه الأنواع من الروابط ليس فقط مع بعضها البعض، ولكن أيضًا مع العناصر الأخرى. وهكذا، فإن النظرية الحديثة لبنية المادة لا تشرح عددًا كبيرًا من المركبات العضوية فحسب، بل تشرح أيضًا تأثير تركيبها الكيميائي على خصائصها.
كما أنه يؤكد بشكل كامل الأساسيات نظريات التركيب الكيميائي، الذي طوره العالم الروسي العظيم أ.م. الأحكام الرئيسية لها:
1) في الجزيئات العضوية، ترتبط الذرات ببعضها البعض بترتيب معين حسب تكافؤها، وهو ما يحدد بنية الجزيئات؛
2) تعتمد خصائص المركبات العضوية على طبيعة وعدد الذرات المكونة لها، وكذلك على التركيب الكيميائي للجزيئات؛
3) تتوافق كل صيغة كيميائية مع عدد معين من الهياكل المتصاوغة المحتملة؛
4) كل مركب عضوي له صيغة واحدة وله خصائص معينة؛
5) في الجزيئات يوجد تأثير متبادل للذرات على بعضها البعض.
فئات المركبات العضوية
وفقا للنظرية، تنقسم المركبات العضوية إلى سلسلتين - مركبات غير حلقية ودورية.
1. المركبات الحلقية.(الألكانات، الألكينات) تحتوي على سلسلة كربون مفتوحة وغير مغلقة - مستقيمة أو متفرعة:
ن ن ن ن ن ن
│ │ │ │ │ │ │
N─ S─S─S─S─ N H─S─S─S─N
│ │ │ │ │ │ │
ن ن ن ن │ ن
إيزوبيوتان البيوتان العادي (ميثيل بروبان)
2. أ) المركبات الحلقية– المركبات التي تحتوي على سلاسل كربون مغلقة (حلقية) في جزيئاتها:
سيكلوبوتان سيكلو هكسان
ب) المركبات العطرية،تحتوي جزيئاتها على هيكل بنزين - حلقة مكونة من ستة أعضاء مع روابط مفردة ومزدوجة متناوبة (أرين):
ج) المركبات الحلقية غير المتجانسة– مركبات حلقية تحتوي بالإضافة إلى ذرات الكربون على النيتروجين والكبريت والأكسجين والفوسفور وبعض العناصر النزرة والتي تسمى الذرات غير المتجانسة.
فوران بيرول بيريدين
في كل صف، يتم توزيع المواد العضوية إلى فئات - الهيدروكربونات والكحوليات والألدهيدات والكيتونات والأحماض والإسترات وفقًا لطبيعة المجموعات الوظيفية لجزيئاتها.
كما يوجد تصنيف حسب درجة التشبع والمجموعات الوظيفية. حسب درجة التشبع يتم تمييزها:
1. مشبعة للغاية– يحتوي الهيكل الكربوني على روابط مفردة فقط.
─С─С─С─
2. غير مشبعة غير مشبعة- يوجد في الهيكل الكربوني روابط متعددة (=، ≡).
─С=С─ ─С≡С─
3. عطرية- دورات غير مشبعة مع اقتران حلقة (4n + 2) إلكترونات.
بواسطة المجموعات الوظيفية
1. الكحوليات R-CH 2 OH
2. الفينولات 
3. الألدهيدات R─COH والكيتونات R─C─R
4. الأحماض الكربوكسيلية R─COOH O
5. استرات R─COOR 1
ولد ألكسندر ميخائيلوفيتش بتلروف في 3 (15) سبتمبر 1828 في مدينة تشيستوبول بمقاطعة كازان لعائلة مالك أرض وضابط متقاعد. تلقى تعليمه الأول في مدرسة داخلية خاصة، ثم درس في صالة الألعاب الرياضية وجامعة كازان الإمبراطورية. قام بالتدريس منذ عام 1849، وفي عام 1857 أصبح أستاذًا عاديًا للكيمياء في نفس الجامعة. وكان رئيس الجامعة مرتين. في عام 1851 دافع عن أطروحة الماجستير "حول أكسدة المركبات العضوية"، وفي عام 1854 في جامعة موسكو - أطروحة الدكتوراه "عن الزيوت الأساسية". منذ عام 1868 كان أستاذا عاديا للكيمياء في جامعة سانت بطرسبرغ، ومنذ عام 1874 - أكاديمي عادي في أكاديمية سانت بطرسبرغ للعلوم. بالإضافة إلى الكيمياء، اهتم بتليروف بالقضايا العملية المتعلقة بالزراعة والبستنة وتربية النحل؛ وتحت قيادته، بدأت زراعة الشاي في القوقاز. توفي في قرية بتليروفكا بمقاطعة كازان في 5 (17) أغسطس 1886.
قبل بتليروف، تم إجراء عدد كبير من المحاولات لإنشاء عقيدة التركيب الكيميائي للمركبات العضوية. تمت معالجة هذه المشكلة مرارًا وتكرارًا من قبل أبرز الكيميائيين في ذلك الوقت، والذين استخدم العالم الروسي أعمالهم جزئيًا في نظريته حول البنية. على سبيل المثال، استنتج الكيميائي الألماني أوغست كيكولي أن الكربون يمكن أن يشكل أربع روابط مع ذرات أخرى. علاوة على ذلك، كان يعتقد أنه يمكن أن توجد عدة صيغ لنفس المركب، لكنه أضاف دائمًا أنه اعتمادًا على التحول الكيميائي، يمكن أن تكون هذه الصيغة مختلفة. يعتقد كيكولي أن الصيغ لا تعكس التسلسل الذي ترتبط به الذرات الموجودة في الجزيء. عالم ألماني بارز آخر، أدولف كولبي، اعتبر بشكل عام أنه من المستحيل بشكل أساسي توضيح التركيب الكيميائي للجزيئات.
أعرب بتليروف لأول مرة عن أفكاره الأساسية حول بنية المركبات العضوية في عام 1861 في تقرير بعنوان "حول التركيب الكيميائي للمادة"، والذي قدمه إلى المشاركين في مؤتمر علماء الطبيعة والأطباء الألمان في شباير. في نظريته، قام بدمج أفكار من كيكولي حول التكافؤ (عدد الروابط لذرة معينة) والكيميائي الاسكتلندي أرشيبالد كوبر بأن ذرات الكربون يمكن أن تشكل سلاسل. كان الاختلاف الأساسي بين نظرية بتليروف ونظرية أخرى هو النص على التركيب الكيميائي (وليس الميكانيكي) للجزيئات - الطريقة التي ترتبط بها الذرات مع بعضها البعض لتكوين جزيء. وفي هذه الحالة، أنشأت كل ذرة رابطة وفقًا لـ "القوة الكيميائية" التي تنتمي إليها تحديدًا. وقد ميز العالم في نظريته بشكل واضح بين الذرة الحرة والذرة التي دخلت في اتصال مع أخرى (تتحول إلى شكل جديد، ونتيجة للتأثير المتبادل، فإن الذرات المتصلة، تبعا للبيئة الهيكلية ، لها وظائف كيميائية مختلفة). كان الكيميائي الروسي مقتنعا بأن الصيغ لا تصور الجزيئات بشكل تخطيطي فحسب، بل تعكس أيضا بنيتها الحقيقية. علاوة على ذلك، فإن كل جزيء له بنية محددة، والتي تتغير فقط أثناء التحولات الكيميائية. ومن أحكام النظرية يتبع (تم تأكيدها تجريبيًا لاحقًا) أن الخواص الكيميائية للمركب العضوي يتم تحديدها من خلال بنيته. هذا البيان مهم بشكل خاص، لأنه جعل من الممكن شرح والتنبؤ بالتحولات الكيميائية للمواد. هناك أيضًا علاقة عكسية: يمكن استخدام الصيغة البنائية للحكم على الخواص الكيميائية والفيزيائية للمادة. بالإضافة إلى ذلك، لفت العالم الانتباه إلى حقيقة أن تفاعلية المركبات تفسر بالطاقة التي ترتبط بها الذرات.
بمساعدة النظرية التي تم إنشاؤها، كان بتلروف قادرا على شرح الأيزومرية. الأيزومرات عبارة عن مركبات تكون فيها كمية و"نوعية" الذرات هي نفسها، ولكن في نفس الوقت لها خصائص كيميائية مختلفة، وبالتالي بنية مختلفة. جعلت النظرية من الممكن شرح حالات الأيزومرية المعروفة بطريقة يسهل الوصول إليها. يعتقد بتلروف أنه من الممكن تحديد الترتيب المكاني للذرات في الجزيء. تم تأكيد توقعاته في وقت لاحق، مما أعطى قوة دافعة لتطوير فرع جديد من الكيمياء العضوية - الكيمياء المجسمة. وتجدر الإشارة إلى أن العالم هو أول من اكتشف وشرح ظاهرة الأيزومرية الديناميكية. معناه هو أن اثنين أو أكثر من الأيزومرات في ظل ظروف معينة يمكن أن تتحول بسهولة إلى بعضها البعض. بشكل عام، كانت الأيزومرية هي التي أصبحت اختبارًا جديًا لنظرية التركيب الكيميائي وتم شرحها ببراعة.
وسرعان ما جلبت الأحكام التي لا يمكن دحضها والتي صاغها بتليروف الاعتراف العالمي بالنظرية. تم تأكيد صحة الأفكار المطروحة من خلال تجارب العالم وأتباعه. في عمليتهم، أثبتوا فرضية الأيزومرية: قام بتلروف بتوليف أحد كحولات البوتيل الأربعة التي تنبأت بها النظرية وقام بفك رموز بنيتها. وفقا لقواعد الأيزومرية، التي تنبع مباشرة من النظرية، تم اقتراح إمكانية وجود أربعة أحماض فاليريك. وقد تم استقبالهم في وقت لاحق.
هذه مجرد حقائق معزولة ضمن سلسلة من الاكتشافات: النظرية الكيميائية لتركيب المركبات العضوية تتمتع بقدرة تنبؤية مذهلة.
وفي فترة قصيرة نسبيا، تم اكتشاف وتصنيع ودراسة عدد كبير من المواد العضوية الجديدة وايزومراتها. ونتيجة لذلك، أعطت نظرية بتليروف قوة دافعة للتطور السريع في العلوم الكيميائية، بما في ذلك الكيمياء العضوية الاصطناعية. وبالتالي، فإن تركيبات بتليروف العديدة هي المنتجات الرئيسية لصناعات بأكملها.
استمرت نظرية التركيب الكيميائي في التطور، مما جلب العديد من الأفكار الثورية إلى الكيمياء العضوية في ذلك الوقت. على سبيل المثال، اقترح كيكولي البنية الدورية للبنزين وحركة روابطه المزدوجة في الجزيء، والخصائص الخاصة للمركبات ذات الروابط المترافقة، وأكثر من ذلك بكثير. علاوة على ذلك، فإن النظرية المذكورة جعلت الكيمياء العضوية أكثر وضوحا - وأصبح من الممكن رسم الصيغ الجزيئية.
وهذا بدوره يمثل بداية تصنيف المركبات العضوية. لقد كان استخدام الصيغ الهيكلية هو الذي ساعد في تحديد طرق تصنيع مواد جديدة وإنشاء بنية المركبات المعقدة، أي أنه حدد التطور النشط لعلم الكيمياء وفروعه. على سبيل المثال، بدأ بتليروف في إجراء بحث جدي في عملية البلمرة. وفي روسيا، واصل طلابه هذه المبادرة، مما جعل من الممكن في النهاية اكتشاف طريقة صناعية لإنتاج المطاط الصناعي.