Teori om strukturen af ​​organiske forbindelser. Typer af bindinger i molekyler af organiske stoffer. Foredrag om emnet: "Grundlæggende principper for teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser af A. M. Butlerov."

Brint type:

Sådanne formler ligner noget moderne. Men tilhængere af typeteorien anså dem ikke for at afspejle den virkelige struktur af stoffer og skrev mange forskellige formler for en forbindelse afhængigt af de kemiske reaktioner, som de forsøgte at skrive ved hjælp af disse formler. De anså strukturen af ​​molekyler for at være fundamentalt ukendelig, hvilket var skadeligt for videnskabens udvikling.

3. Introduktion af J. Berzelius i 1830 af udtrykket "isomerisme" for fænomenet med eksistensen af ​​stoffer af samme sammensætning med forskellige egenskaber.

4. Fremskridt i syntesen af ​​organiske forbindelser, som et resultat af hvilken læren om vitalisme, det vil sige "den vitale kraft", under påvirkning af hvilken organiske stoffer angiveligt dannes i kroppen af ​​levende væsener, blev fordrevet:

I 1828 syntetiserede F. Wöhler urinstof ud fra et uorganisk stof (ammoniumcyanat);

I 1842 opnåede den russiske kemiker N.N. Zinin anilin;

I 1845 syntetiserede den tyske kemiker A. Kolbe eddikesyre;

I 1854 syntetiserede den franske kemiker M. Berthelot fedtstoffer, og til sidst

I 1861 syntetiserede A.M. Butlerov selv et sukkerlignende stof.

5. I midten af ​​1700-tallet. kemi bliver en mere stringent videnskab. Som et resultat af E. Franklands og A. Kekules arbejde blev konceptet om valensen af ​​atomer af kemiske elementer etableret. Kekule udviklede ideen om kulstoftetravalens. Takket være Cannizzaros værker blev begreberne atom- og molekylmasser klarere, deres betydninger og metoder til bestemmelse blev afklaret.

I 1860 samledes mere end 140 førende kemikere fra forskellige europæiske lande til en international kongres i Karlsruhe. Kongressen blev en meget vigtig begivenhed i kemiens historie: videnskabens succeser blev opsummeret, og betingelserne blev forberedt til et nyt trin i udviklingen af ​​organisk kemi - fremkomsten af ​​A. M. Butlerovs teori om den kemiske struktur af organiske stoffer (1861) , såvel som for den grundlæggende opdagelse af D. I. Mendeleev - Periodisk lov og system af kemiske grundstoffer (1869).

I 1861 talte A. M. Butlerov på kongressen for læger og naturvidenskabsmænd i Speyer med en rapport "Om den kemiske struktur af legemer." I den skitserede han grundlaget for sin teori om den kemiske struktur af organiske forbindelser. Ved kemisk struktur forstod videnskabsmanden rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i molekyler.

Personlige egenskaber hos A. M. Butlerov

A. M. Butlerov var kendetegnet ved sin encyklopædiske kemiske viden, evne til at analysere og generalisere fakta og lave forudsigelser. Han forudsagde eksistensen af ​​butan-isomeren og fik den derefter, såvel som butylen-isomeren - isobutylen.

Butlerov Alexander Mikhailovich (1828-1886)

Russisk kemiker, akademiker ved Sankt Petersborgs Videnskabsakademi (siden 1874). Uddannet fra Kazan University (1849). Han arbejdede der (siden 1857 - professor, i 1860 og 1863 - rektor). Skaber af teorien om den kemiske struktur af organiske forbindelser, som ligger til grund for moderne kemi. Han underbyggede ideen om den gensidige påvirkning af atomer i et molekyle. Forudsagte og forklarede isomerismen af ​​mange organiske forbindelser. Skrev "An Introduction to the Complete Study of Organic Chemistry" (1864), den første manual i videnskabens historie baseret på teorien om kemisk struktur. Formand for kemiafdelingen i det russiske fysisk-kemiske selskab (1878-1882).

A. M. Butlerov skabte den første skole for organiske kemikere i Rusland, hvorfra strålende videnskabsmænd dukkede op: V. V. Markovnikov, D. P. Konovalov, A. E. Favorsky og andre.

Ikke underligt, at D.I. Mendeleev skrev: "A. M. Butlerov er en af ​​de største russiske videnskabsmænd, han er russisk både i sin videnskabelige uddannelse og i originaliteten af ​​sine værker.”

Grundlæggende principper for teorien om strukturen af ​​kemiske forbindelser

Teorien om den kemiske struktur af organiske forbindelser, fremsat af A. M. Butlerov i anden halvdel af forrige århundrede (1861), blev bekræftet af værker fra mange videnskabsmænd, herunder Butlerovs studerende og ham selv. Det viste sig at være muligt på dets grundlag at forklare mange fænomener, der endnu ikke var blevet fortolket: isomerisme, homologi, manifestationen af ​​tetravalens af carbonatomer i organiske stoffer. Teorien opfyldte også sin prædiktive funktion: på grundlag af den forudsagde videnskabsmænd eksistensen af ​​stadig ukendte forbindelser, beskrev deres egenskaber og opdagede dem.

Altså i 1862-1864. A. M. Butlerov undersøgte isomerismen af ​​propyl-, butyl- og amylalkoholer, bestemte antallet af mulige isomerer og udledte formlerne for disse stoffer. Deres eksistens blev senere eksperimentelt bevist, og nogle af isomererne blev syntetiseret af Butlerov selv.

I løbet af det 20. århundrede. bestemmelserne i teorien om den kemiske struktur af kemiske forbindelser blev udviklet på grundlag af nye synspunkter, der spredte sig i videnskaben: teorien om atomstruktur, teorien om kemiske bindinger, ideer om mekanismerne for kemiske reaktioner. I øjeblikket er denne teori universel, det vil sige, den er gyldig ikke kun for organiske stoffer, men også for uorganiske.

Første position. Atomer i molekyler er kombineret i en bestemt rækkefølge i henhold til deres valens. Kulstof i alle organiske og de fleste uorganiske forbindelser er tetravalent.

Det er klart, at den sidste del af teoriens første position let kan forklares ved, at i forbindelser er carbonatomerne i en exciteret tilstand:

a) tetravalente carbonatomer kan forbindes med hinanden og danne forskellige kæder:

Åben forgrenet
- åben uforgrenet
- lukket

b) rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​carbonatomer i molekyler kan være forskellig og afhænger af typen af ​​kovalent kemisk binding mellem carbonatomer - enkelt eller multiple (dobbelt og tredobbelt).

Anden position. Stoffers egenskaber afhænger ikke kun af deres kvalitative og kvantitative sammensætning, men også af strukturen af ​​deres molekyler.

Denne position forklarer fænomenet isomerisme. Stoffer, der har samme sammensætning, men forskellige kemiske eller rumlige strukturer, og derfor forskellige egenskaber, kaldes isomerer. Hovedtyper af isomerisme:

Strukturel isomeri, hvor stoffer adskiller sig i rækkefølgen af ​​binding af atomer i molekyler:

1) isomerisme af kulstofskelettet

3) isomerisme af homologe serier (interklasse)

Rumlig isomerisme, hvor stoffernes molekyler ikke adskiller sig i rækkefølgen af ​​binding af atomer, men i deres position i rummet: cis-trans isomerisme (geometrisk).

Denne isomerisme er karakteristisk for stoffer, hvis molekyler har en flad struktur: alkener, cycloalkaner osv.

Rumlig isomerisme omfatter også optisk (spejl)isomerisme.

De fire enkeltbindinger omkring carbonatomet er, som du allerede ved, arrangeret tetraedrisk. Hvis et carbonatom er bundet til fire forskellige atomer eller grupper, er forskellige arrangementer af disse grupper i rummet mulige, det vil sige to rumlige isomere former.

To spejlbilleder af aminosyren alanin (2-aminopropansyre) er vist i figur 17.

Forestil dig, at et alanin-molekyle er placeret foran et spejl. -NH2-gruppen er tættere på spejlet, så i reflektionen vil den være foran, og -COOH-gruppen vil være i baggrunden osv. (se billedet til højre). Alanya eksisterer i to rumlige former, som, når de overlejres, ikke kombineres med hinanden.

Universaliteten af ​​den anden position af teorien om strukturen af ​​kemiske forbindelser bekræfter eksistensen af ​​uorganiske isomerer.

Således viste den første af synteserne af organiske stoffer - syntesen af ​​urinstof, udført af Wöhler (1828), at det uorganiske stof - ammoniumcyanat og det organiske stof - urinstof er isomere:

Hvis man erstatter oxygenatomet i urinstof med et svovlatom, får man thiourinstof, som er isomerisk for ammoniumthiocyanat, et velkendt reagens for Fe 3+ ioner. Det er klart, at thiourinstof ikke giver denne kvalitative reaktion.

Tredje position. Stoffers egenskaber afhænger af den gensidige påvirkning af atomer i molekyler.

For eksempel i eddikesyre reagerer kun et af de fire hydrogenatomer med en alkali. Baseret på dette kan det antages, at kun ét brintatom er bundet til oxygen:

På den anden side kan vi ud fra strukturformlen for eddikesyre konkludere, at den indeholder et mobilt hydrogenatom, det vil sige, at det er monobasisk.

For at verificere universaliteten af ​​strukturteoriens position om afhængigheden af ​​stoffers egenskaber på den gensidige påvirkning af atomer i molekyler, som eksisterer ikke kun i organiske, men også i uorganiske forbindelser, lad os sammenligne egenskaberne af hydrogenatomer i brintforbindelser af ikke-metaller. De har en molekylær struktur og er under normale forhold gasser eller flygtige væsker. Afhængigt af positionen af ​​ikke-metallet i det periodiske system af D.I. Mendeleev kan man identificere et mønster i ændringen i sådanne forbindelsers egenskaber:

Metan interagerer ikke med vand. Manglen på basale egenskaber ved metan forklares med mætning af kulstofatomets valensmuligheder.

Ammoniak udviser grundlæggende egenskaber. Dets molekyle er i stand til at binde en brintion til sig selv på grund af dets tiltrækning til det enlige elektronpar i nitrogenatomet (donor-acceptorbindingsdannelsesmekanisme).

Fosfin PH3 har svagt udtrykte grundlæggende egenskaber, som er forbundet med phosphoratomets radius. Det er meget større end nitrogenatomets radius, så fosforatomet tiltrækker brintatomet mindre kraftigt.

I perioder fra venstre mod højre øges ladningerne af atomkerner, radius af atomer falder, frastødende kraft af et brintatom med en delvis positiv ladning §+ øges, og derfor øges de sure egenskaber af brintforbindelser af ikke-metaller.

I hovedundergrupperne stiger radierne af grundstoffernes atomer fra top til bund, ikke-metalatomer med 5- svagere tiltrækker brintatomer med 5+, styrken af ​​brintforbindelser falder, de dissocierer let, og derfor øges deres sure egenskaber .

Den forskellige evne hos hydrogenforbindelser af ikke-metaller til at eliminere eller tilføje hydrogenkationer i opløsninger forklares af den ulige indflydelse, som ikke-metalatomet har på brintatomerne.

Den forskellige indflydelse af atomer i hydroxidmolekyler dannet af grundstoffer fra samme periode forklarer også ændringen i deres syre-base egenskaber.

De grundlæggende egenskaber af hydroxyloxider falder, og de sure stiger, efterhånden som centralatomets oxidationstilstand øges, derfor energien af ​​dets binding til oxygenatomet (8-) og dets frastødning af hydrogenatomet (8+) stiger.

Natriumhydroxid NaOH. Da brintatomets radius er meget lille, tiltrækkes det stærkere af oxygenatomet, og bindingen mellem brint- og oxygenatomerne vil være stærkere end mellem natrium- og oxygenatomerne. Aluminiumhydroxid Al(OH)3 udviser amfotere egenskaber.

I perchlorsyre HClO 4 er kloratomet med en relativt stor positiv ladning tættere bundet til oxygenatomet og frastøder hydrogenatomet kraftigere med 6+. Dissociation sker i henhold til syretypen.

Hovedretninger for udvikling af teorien om strukturen af ​​kemiske forbindelser og dens betydning

På tidspunktet for A.M. Butlerov blev empiriske (molekylære) og strukturelle formler meget brugt i organisk kemi. Sidstnævnte afspejler rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i et molekyle i henhold til deres valens, hvilket er angivet med tankestreger.

For at lette registreringen bruges ofte forkortede strukturformler, hvor streger kun angiver bindingerne mellem kulstofatomer eller kulstof og oxygen.

Forkortede strukturformler

Efterhånden som viden om arten af ​​kemiske bindinger og indflydelsen af ​​den elektroniske struktur af molekyler af organiske stoffer udviklede sig på deres egenskaber, begyndte de at bruge elektroniske formler, hvor en kovalent binding konventionelt betegnes med to prikker. Sådanne formler viser ofte retningen for forskydning af elektronpar i et molekyle.

Det er den elektroniske struktur af stoffer, der forklarer de mesomere og induktive virkninger.

Induktionseffekten er forskydningen af ​​elektronpar af gammabindinger fra et atom til et andet på grund af deres forskellige elektronegativitet. Betegnes med (->).

Induktionseffekten af ​​et atom (eller en gruppe af atomer) er negativ (-/), hvis dette atom har en høj elektronegativitet (halogener, oxygen, nitrogen), tiltrækker gammabindingselektroner og får en delvis negativ ladning. Et atom (eller gruppe af atomer) har en positiv induktiv effekt (+/), hvis det frastøder gammabindingselektroner. Nogle begrænsende radikaler C2H5) har denne egenskab. Husk Markovnikovs regel om, hvordan brint og halogenet af hydrogenhalogenid tilsættes til alkener (propen), og du vil forstå, at denne regel er af en særlig karakter. Sammenlign disse to eksempler på reaktionsligninger:

[[Teori_om_strukturen_af_kemiske_forbindelser_A._M._Butlerov| ]]

I de enkelte stoffers molekyler optræder både induktive og mesomere virkninger samtidigt. I dette tilfælde styrker de enten hinanden (i aldehyder, carboxylsyrer) eller svækker hinanden (i vinylchlorid).

Resultatet af den gensidige påvirkning af atomer i molekyler er omfordelingen af ​​elektrondensiteten.

Ideen om den rumlige retning af kemiske bindinger blev først udtrykt af den franske kemiker J. A. Le Bel og den hollandske kemiker J. X. Van't Hoff i 1874. Forskernes antagelser blev fuldt ud bekræftet af kvantekemi. Stoffers egenskaber er væsentligt påvirket af den rumlige struktur af deres molekyler. For eksempel har vi allerede givet formlerne for cis- og trans-isomererne af buten-2, som adskiller sig i deres egenskaber (se fig. 16).

Den gennemsnitlige bindingsenergi, der skal brydes ved konvertering fra en form til en anden, er ca. 270 kJ/mol; Der er ikke så stor mængde energi ved stuetemperatur. For den gensidige overgang af former for buten-2 fra den ene til den anden er det nødvendigt at bryde en kovalent binding og danne en anden til gengæld. Med andre ord er denne proces et eksempel på en kemisk reaktion, og begge former for buten-2 er forskellige kemiske forbindelser.

Du husker tydeligvis, at det vigtigste problem i syntesen af ​​gummi var at få gummi med en stereoregulær struktur. Det var nødvendigt at skabe en polymer, hvor de strukturelle enheder ville blive arrangeret i en streng rækkefølge (naturgummi, for eksempel, består kun af cis-enheder), fordi en så vigtig egenskab ved gummi som dens elasticitet afhænger af dette.

Moderne organisk kemi skelner mellem to hovedtyper af isomerisme: strukturel (kæde-isomerisme, isomerisme af positionen af ​​multiple bindinger, isomerisme af homologe serier, isomerisme af positionen af ​​funktionelle grupper) og stereoisomerisme (geometrisk eller cis-trans-isomerisme, optisk eller spejl-isomerisme ).

Så du var i stand til at verificere, at den anden position i teorien om kemisk struktur, klart formuleret af A.M. Butlerov, var ufuldstændig. Fra et moderne synspunkt kræver denne bestemmelse tilføjelse:
stoffernes egenskaber afhænger ikke kun af deres kvalitative og kvantitative sammensætning, men også af deres:

Kemisk,

elektronisk,

Rumlig struktur.

Skabelsen af ​​teorien om strukturen af ​​stoffer spillede en afgørende rolle i udviklingen af ​​organisk kemi. Fra en overvejende beskrivende videnskab bliver det til en kreativ, syntetiserende videnskab, det er blevet muligt at bedømme den gensidige påvirkning af atomer i molekylerne af forskellige stoffer (se tabel 10). Strukturteorien skabte forudsætningerne for at forklare og forudsige forskellige typer af isomerisme af organiske molekyler, samt kemiske reaktioners retninger og mekanismer.

Baseret på denne teori skaber organiske kemikere stoffer, der ikke kun erstatter naturlige, men betydeligt overgår dem i deres egenskaber. Således er syntetiske farvestoffer meget bedre og billigere end mange naturlige, for eksempel alizarin og indigo, kendt i oldtiden. Syntetiske gummier med en lang række egenskaber produceres i store mængder. Plast og fibre er meget udbredt, hvoraf produkter bruges i teknologi, hverdagsliv, medicin og landbrug.

Betydningen af ​​teorien om kemisk struktur af A.M. Butlerov for organisk kemi kan sammenlignes med betydningen af ​​den periodiske lov og det periodiske system for kemiske elementer af D.I. Det er ikke for ingenting, at begge teorier har så meget tilfælles i deres dannelsesmåder, udviklingsretninger og generel videnskabelig betydning. Men i historien om enhver anden førende videnskabelig teori (Charles Darwins teori, genetik, kvanteteori osv.) kan man finde sådanne generelle stadier.

1. Etabler paralleller mellem de to førende teorier om kemi - den periodiske lov og det periodiske system for kemiske grundstoffer af D. I. Mendeleev og teorien om den kemiske struktur af organiske forbindelser af A. M. Butlerov i henhold til følgende karakteristika: almindelig i forudsætninger, almindelig i retningerne for deres udvikling, almindelige i prognostiske roller.

2. Hvilken rolle spillede teorien om strukturen af ​​kemiske forbindelser i dannelsen af ​​den periodiske lov?

3. Hvilke eksempler fra uorganisk kemi bekræfter universaliteten af ​​hver af bestemmelserne i teorien om strukturen af ​​kemiske forbindelser?

4. Fosforsyre H3PO3 er en dibasisk syre. Foreslå dens strukturformel og overvej den gensidige indflydelse af atomerne i denne syres molekyle.

5. Skriv isomerer med sammensætningen C3H8O. Navngiv dem ved hjælp af systematisk nomenklatur. Bestem typerne af isomeri.

6. Følgende formler for chrom(III)chloridkrystalhydrater er kendte: [Cr(H20)6]Cl3; [Cr(H20)5Cl]Cl2H20; [Cr(H20)4 * C12]Cl 2H20. Hvad vil du kalde det beskrevne fænomen?

Mennesket har længe lært at bruge forskellige stoffer til at tilberede mad, farvestoffer, tøj og medicin. Over tid er der ophobet en tilstrækkelig mængde information om visse stoffers egenskaber, hvilket har gjort det muligt at forbedre metoder til deres produktion, forarbejdning mv. Og det viste sig, at mange mineralske (uorganiske stoffer) kan fås direkte.

Men nogle stoffer brugt af mennesket blev ikke syntetiseret af ham, fordi de blev opnået fra levende organismer eller planter. Disse stoffer blev kaldt organiske. Organiske stoffer kunne ikke syntetiseres i laboratoriet. I begyndelsen af ​​det 19. århundrede udviklede en sådan doktrin som vitalisme (vita - liv) sig aktivt, ifølge hvilken organiske stoffer kun opstår takket være den "vitale kraft", og det er umuligt at skabe dem "kunstigt".

Men som tiden gik, og videnskaben udviklede sig, dukkede nye fakta op om organiske stoffer, der var i modstrid med den eksisterende vitalistiske teori.

I 1824 blev den tyske videnskabsmand F. Wöhler syntetiserede oxalsyre for første gang i den kemiske videnskabs historie – organisk stof fra uorganiske stoffer (cyanogen og vand):

(CN)2 + 4H2O → COOH - COOH + 2NH3

I 1828 opvarmede Wöller natriumcyanat med ammoniumsvovl og syntetiseret urinstof - affaldsprodukt fra animalske organismer:

NaOCN+ (NH 4) 2 SO 4 → NH 4 OCN → NH 2 OCNH 2

Disse opdagelser spillede en vigtig rolle i udviklingen af ​​videnskab i almindelighed og kemi i særdeleshed. Kemiske videnskabsmænd begyndte gradvist at bevæge sig væk fra vitalistisk undervisning, og princippet om at opdele stoffer i organiske og uorganiske afslørede dets inkonsistens.

I øjeblikket stoffer stadig opdelt i organisk og uorganisk, men adskillelseskriteriet er lidt anderledes.

Stoffer kaldes organiske indeholdende kulstof, kaldes de også kulstofforbindelser. Der er omkring 3 millioner sådanne forbindelser, de resterende forbindelser er omkring 300 tusind.

Stoffer, der ikke indeholder kulstof, kaldes uorganiske Og. Men der er undtagelser fra den generelle klassificering: der er en række forbindelser, der indeholder kul, men de tilhører uorganiske stoffer (kulilte og dioxid, kuldisulfid, kulsyre og dets salte). Alle af dem ligner uorganiske forbindelser i sammensætning og egenskaber.

I løbet af studiet af organiske stoffer er der opstået nye vanskeligheder: baseret på teorier om uorganiske stoffer er det umuligt at afsløre lovene for strukturen af ​​organiske forbindelser og forklare kulstofs valens. Kulstof i forskellige forbindelser havde forskellige valenser.

I 1861 blev den russiske videnskabsmand A.M. Butlerov var den første til at syntetisere et sukkerholdigt stof.

Når man studerer kulbrinter, ER. Butlerov indså, at de repræsenterer en helt speciel klasse af kemikalier. Ved at analysere deres struktur og egenskaber identificerede videnskabsmanden flere mønstre. De dannede grundlaget for teorier om kemisk struktur.

1. Ethvert organisk stofs molekyle er ikke tilfældigt. atomerne i molekylerne er forbundet med hinanden i en bestemt rækkefølge i henhold til deres valens. Kulstof i organiske forbindelser er altid tetravalent.

2. Rækkefølgen af ​​interatomiske bindinger i et molekyle kaldes dets kemiske struktur og afspejles af én strukturel formel (strukturformel).

3. Den kemiske struktur kan bestemmes ved hjælp af kemiske metoder. (Moderne fysiske metoder anvendes også i øjeblikket).

4. Stoffers egenskaber afhænger ikke kun af sammensætningen af ​​stoffets molekyler, men af ​​deres kemiske struktur (sekvensen af ​​kombinationen af ​​atomer af elementer).

5. Ved egenskaberne af et givet stof kan man bestemme strukturen af ​​dets molekyle, og ved strukturen af ​​molekylet – forudse egenskaber.

6. Atomer og grupper af atomer i et molekyle udøver gensidig indflydelse på hinanden.

Denne teori blev det videnskabelige grundlag for organisk kemi og fremskyndede dens udvikling. Med udgangspunkt i teoriens bestemmelser har A.M. Butlerov beskrev og forklarede fænomenet isomerisme, forudsagde eksistensen af ​​forskellige isomerer og opnåede nogle af dem for første gang.

Lad os overveje den kemiske struktur af ethan – C2H6. Efter at have udpeget valensen af ​​elementer med streger, vil vi afbilde ethanmolekylet i rækkefølgen af ​​forbindelse af atomer, det vil sige, vi vil skrive strukturformlen. Ifølge teorien om A.M. Butlerov, det vil have følgende form:

Hydrogen- og kulstofatomer er bundet til én partikel, brints valens er lig med én og kulstof – fire. To carbonatomer forbundet med en carbonbinding – kulstof (C – MED). Kulstofs evne til at danne C – C-bindingen er forståelig baseret på kulstofs kemiske egenskaber. Kulstofatomet har fire elektroner på sit ydre elektronlag evnen til at opgive elektroner er den samme som evnen til at få manglende. Derfor danner carbon oftest forbindelser med en kovalent binding, det vil sige på grund af dannelsen af ​​elektronpar med andre atomer, herunder carbonatomer med hinanden.

Dette er en af ​​grundene til mangfoldigheden af ​​organiske forbindelser.

Forbindelser, der har samme sammensætning, men forskellige strukturer, kaldes isomerer. Fænomenet isomerisme – en af ​​grundene til mangfoldigheden af ​​organiske forbindelser

Har du stadig spørgsmål? Vil du vide mere om teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser?
For at få hjælp fra en vejleder -.
Den første lektion er gratis!

blog.site, ved kopiering af materiale helt eller delvist kræves et link til den originale kilde.

Emne: Grundlæggende principper for teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser af A. M. Butlerov.

Teorien om den kemiske struktur af organiske forbindelser, fremsat af A. M. Butlerov i anden halvdel af forrige århundrede (1861), blev bekræftet af værker fra mange videnskabsmænd, herunder Butlerovs studerende og ham selv. Det viste sig at være muligt på dets grundlag at forklare mange fænomener, der indtil da ikke havde nogen fortolkning: homologi, manifestationen af ​​tetravalens af carbonatomer i organiske stoffer. Teorien opfyldte også sin forudsigende funktion: på grundlag af den forudsagde videnskabsmænd eksistensen af ​​stadig ukendte forbindelser, beskrev deres egenskaber og opdagede dem. Altså i 1862-1864. A. M. Butlerov undersøgte propyl-, butyl- og amylalkoholer, bestemte antallet af mulige isomerer og udledte formlerne for disse stoffer. Deres eksistens blev senere eksperimentelt bevist, og nogle af isomererne blev syntetiseret af Butlerov selv.

I løbet af det 20. århundrede. bestemmelserne i teorien om den kemiske struktur af kemiske forbindelser blev udviklet på grundlag af nye synspunkter, der spredte sig i videnskaben: teorien om atomstruktur, teorien om kemiske bindinger, ideer om mekanismerne for kemiske reaktioner. I øjeblikket er denne teori universel, det vil sige, den er gyldig ikke kun for organiske stoffer, men også for uorganiske.

Første position. Atomer i molekyler er kombineret i en bestemt rækkefølge i henhold til deres valens. Kulstof i alle organiske og de fleste uorganiske forbindelser er tetravalent.

Det er klart, at den sidste del af teoriens første position let kan forklares ved, at i forbindelser er carbonatomerne i en exciteret tilstand:

Tetravalente carbonatomer kan kombineres med hinanden for at danne forskellige kæder:

Rækkefølgen af ​​forbindelse af carbonatomer i molekyler kan være forskellig og afhænger af typen af ​​kovalent kemisk binding mellem carbonatomer - enkelt eller multiple (dobbelt og tredobbelt):

Anden position. Stoffers egenskaber afhænger ikke kun af deres kvalitative og kvantitative sammensætning, men også af strukturen af ​​deres molekyler.

Denne position forklarer fænomenet.

Stoffer, der har samme sammensætning, men forskellige kemiske eller rumlige strukturer, og derfor forskellige egenskaber, kaldes isomerer.

Hovedtyper:

Strukturel isomerisme, hvor stoffer adskiller sig i rækkefølgen af ​​binding af atomer i molekyler: kulstofskelet

positioner af flere obligationer:

suppleanter

funktionelle gruppers positioner

Tredje position. Stoffers egenskaber afhænger af den gensidige påvirkning af atomer i molekyler.

For eksempel i eddikesyre reagerer kun et af de fire hydrogenatomer med en alkali. Baseret på dette kan det antages, at kun ét brintatom er bundet til oxygen:

På den anden side kan vi ud fra strukturformlen for eddikesyre konkludere, at den indeholder et mobilt hydrogenatom, det vil sige, at det er monobasisk.

De vigtigste retninger for udvikling af teorien om strukturen af ​​kemiske forbindelser og dens betydning.

I løbet af A.M. Butlerovs tid blev organisk kemi meget brugt

empiriske (molekylære) og strukturelle formler. Sidstnævnte afspejler rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i et molekyle i henhold til deres valens, hvilket er angivet med tankestreger.

For at lette registreringen bruges ofte forkortede strukturformler, hvor streger kun angiver bindingerne mellem kulstofatomer eller kulstof og oxygen.

Og fibre, produkter som bruges i teknologi, hverdag, medicin og landbrug. Betydningen af ​​teorien om kemisk struktur af A.M. Butlerov for organisk kemi kan sammenlignes med betydningen af ​​den periodiske lov og det periodiske system for kemiske elementer af D.I. Det er ikke for ingenting, at begge teorier har så meget tilfælles i deres dannelsesmåder, udviklingsretninger og generel videnskabelig betydning.

Alexander Mikhailovich Butlerov blev født den 3. september (15), 1828 i byen Chistopol, Kazan-provinsen, i familien til en godsejer, en pensioneret officer. Han modtog sin første uddannelse på en privat kostskole og studerede derefter på gymnasium og Kazan Imperial University. Han underviste fra 1849, og blev i 1857 almindelig professor i kemi ved samme universitet. Han var dens rektor to gange. I 1851 forsvarede han sin kandidatafhandling "Om oxidation af organiske forbindelser", og i 1854 ved Moskva Universitet - sin doktorafhandling "Om æteriske olier". Siden 1868 var han en almindelig professor i kemi ved St. Petersburg University, og siden 1874 - en almindelig akademiker ved St. Petersburg Academy of Sciences. Ud over kemi var Butlerov opmærksom på praktiske spørgsmål om landbrug, havearbejde og biavl under hans ledelse, begyndte tedyrkningen i Kaukasus. Han døde i landsbyen Butlerovka, Kazan-provinsen, den 5. august (17), 1886.

Før Butlerov blev der gjort et betydeligt antal forsøg på at skabe en doktrin om den kemiske struktur af organiske forbindelser. Dette spørgsmål blev gentagne gange behandlet af datidens mest fremtrædende kemikere, hvis arbejde delvist blev brugt af den russiske videnskabsmand til hans teori om struktur. For eksempel konkluderede den tyske kemiker August Kekule, at kulstof kan danne fire bindinger med andre atomer. Desuden mente han, at der kunne eksistere flere formler for den samme forbindelse, men han tilføjede altid, at afhængigt af den kemiske omdannelse kunne denne formel være anderledes. Kekule mente, at formlerne ikke afspejler den rækkefølge, hvori atomerne i molekylet er forbundet. En anden fremtrædende tysk videnskabsmand, Adolf Kolbe, anså det generelt for fundamentalt umuligt at belyse molekylers kemiske struktur.

Butlerov udtrykte først sine grundlæggende ideer om strukturen af ​​organiske forbindelser i 1861 i en rapport "Om stoffets kemiske struktur", som han præsenterede for deltagerne i Kongressen for tyske naturforskere og læger i Speyer. I sin teori inkorporerede han ideer fra Kekule om valens (antallet af bindinger for et bestemt atom) og den skotske kemiker Archibald Cooper om, at kulstofatomer kunne danne kæder. Den grundlæggende forskel mellem Butlerovs teori og andre var bestemmelsen om den kemiske (og ikke mekaniske) struktur af molekyler - den måde, hvorpå atomer bandt sig til hinanden for at danne et molekyle. I dette tilfælde etablerede hvert atom en binding i overensstemmelse med den "kemiske kraft", der specifikt tilhører det. I sin teori skelnede videnskabsmanden klart mellem et frit atom og et atom, der har indgået en forbindelse med et andet (det forvandles til en ny form, og som et resultat af gensidig påvirkning, de forbundne atomer, afhængigt af det strukturelle miljø , har forskellige kemiske funktioner). Den russiske kemiker var overbevist om, at formler ikke kun skematisk afbilder molekyler, men også afspejler deres virkelige struktur. Desuden har hvert molekyle en specifik struktur, som kun ændres under kemiske transformationer. Af teoriens bestemmelser fulgte (senere bekræftet eksperimentelt), at en organisk forbindelses kemiske egenskaber er bestemt af dens struktur. Denne erklæring er særlig vigtig, da den gjorde det muligt at forklare og forudsige kemiske omdannelser af stoffer. Der er også et omvendt forhold: strukturformlen kan bruges til at bedømme et stofs kemiske og fysiske egenskaber. Derudover gjorde videnskabsmanden opmærksom på, at forbindelsernes reaktivitet forklares af den energi, som atomerne binder sig til.

Ved hjælp af den skabte teori var Butlerov i stand til at forklare isomerisme. Isomerer er forbindelser, hvor mængden og "kvaliteten" af atomer er den samme, men samtidig har de forskellige kemiske egenskaber, og derfor en anden struktur. Teorien gjorde det muligt klart at forklare kendte tilfælde af isomerisme. Butlerov mente, at det var muligt at bestemme det rumlige arrangement af atomer i et molekyle. Hans forudsigelser blev senere bekræftet, hvilket gav skub til udviklingen af ​​en ny gren af ​​organisk kemi - stereokemi. Det skal bemærkes, at videnskabsmanden var den første til at opdage og forklare fænomenet dynamisk isomerisme. Dens betydning er, at to eller flere isomerer under visse betingelser let kan omdannes til hinanden. Generelt set var det isomerisme, der blev en seriøs test for teorien om kemisk struktur og blev glimrende forklaret af den.

De uigendrivelige bestemmelser formuleret af Butlerov bragte meget snart teorien universel anerkendelse. Rigtigheden af ​​de fremsatte ideer blev bekræftet af eksperimenter fra videnskabsmanden og hans tilhængere. I deres proces beviste de hypotesen om isomerisme: Butlerov syntetiserede en af ​​de fire butylalkoholer forudsagt af teorien og dechiffrerede dens struktur. I overensstemmelse med reglerne for isomerisme, som direkte fulgte af teorien, blev muligheden for eksistensen af ​​fire baldriansyrer også foreslået. De blev senere modtaget.

Disse er blot isolerede fakta i en kæde af opdagelser: Den kemiske teori om strukturen af ​​organiske forbindelser havde en fantastisk forudsigelsesevne.

I løbet af en relativt kort periode blev en lang række nye organiske stoffer og deres isomerer opdaget, syntetiseret og undersøgt. Som et resultat gav Butlerovs teori fremdrift til den hurtige udvikling af kemisk videnskab, herunder syntetisk organisk kemi. Butlerovs talrige synteser er således hovedprodukterne i hele industrier.

Teorien om kemisk struktur fortsatte med at udvikle sig, hvilket bragte mange revolutionære ideer til organisk kemi på det tidspunkt. For eksempel foreslog Kekule benzens cykliske struktur og bevægelsen af ​​dets dobbeltbindinger i molekylet, de særlige egenskaber ved forbindelser med konjugerede bindinger og meget mere. Desuden gjorde den nævnte teori organisk kemi mere visuel - det blev muligt at tegne molekylære formler.

Og dette markerede igen begyndelsen på klassificeringen af ​​organiske forbindelser. Det var brugen af ​​strukturformler, der hjalp med at bestemme måder at syntetisere nye stoffer på og etablere strukturen af ​​komplekse forbindelser, det vil sige, det bestemte den aktive udvikling af kemisk videnskab og dens grene. For eksempel begyndte Butlerov at udføre seriøs forskning i polymerisationsprocessen. I Rusland blev dette initiativ videreført af hans elever, hvilket i sidste ende gjorde det muligt at opdage en industriel metode til fremstilling af syntetisk gummi.

Teori om strukturen af ​​organiske forbindelser: homologi og isomeri (strukturel og rumlig). Gensidig påvirkning af atomer i molekyler

Teori om den kemiske struktur af organiske forbindelser af A. M. Butlerov

Ligesom for uorganisk kemi er grundlaget for udviklingen den periodiske lov og det periodiske system af kemiske grundstoffer af D. I. Mendeleev, for organisk kemi blev teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser af A. M. Butlerov fundamental.

Hovedpostulatet i Butlerovs teori er holdningen vedr et stofs kemiske struktur, som henviser til rækkefølgen, rækkefølgen af ​​gensidig forbindelse af atomer til molekyler, dvs. kemisk binding.

Kemisk struktur refererer til rækkefølgen af ​​kombinationen af ​​atomer af kemiske elementer i et molekyle i henhold til deres valens.

Denne rækkefølge kan vises ved hjælp af strukturformler, hvor atomernes valenser er angivet med bindestreger: en streg svarer til valensenheden for et atom i et kemisk grundstof. For eksempel, for det organiske stof methan, som har molekylformlen $CH_4$, ser strukturformlen således ud:

De vigtigste bestemmelser i teorien om A. M. Butlerov

1. Atomer i molekyler af organiske stoffer er bundet til hinanden i henhold til deres valens. Kulstof i organiske forbindelser er altid tetravalent, og dets atomer er i stand til at kombinere med hinanden og danner forskellige kæder.
2. Stoffers egenskaber bestemmes ikke kun af deres kvalitative og kvantitative sammensætning, men også af rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i molekylet, det vil sige den kemiske struktur af stoffet.
3. Egenskaberne af organiske forbindelser afhænger ikke kun af stoffets sammensætning og rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i dets molekyle, men også af den gensidige påvirkning af atomer og grupper af atomer på hinanden.

Teorien om strukturen af ​​organiske forbindelser er en dynamisk og udviklende doktrin. Efterhånden som viden om kemiske bindingers beskaffenhed og indflydelsen af ​​den elektroniske struktur af molekyler af organiske stoffer udviklede sig, begyndte de at bruge, ud over empirisk Og strukturel, elektronisk formler. Sådanne formler angiver retningen for forskydning af elektronpar i molekylet.

Kvantekemi og kemien af ​​strukturen af ​​organiske forbindelser har bekræftet doktrinen om den rumlige retning af kemiske bindinger ( cis- Og trans-isomerisme), undersøgte energiegenskaberne ved gensidige overgange i isomerer, gjorde det muligt at bedømme den gensidige indflydelse af atomer i molekylerne af forskellige stoffer og skabte forudsætningerne for at forudsige typerne af isomerisme og retningen og mekanismen af ​​kemiske reaktioner.

Organiske stoffer har en række funktioner:

1. Alle organiske stoffer indeholder kulstof og brint, så ved forbrænding danner de kuldioxid og vand.
2. Organiske stoffer er komplekse og kan have en enorm molekylvægt (proteiner, fedtstoffer, kulhydrater).
3. Organiske stoffer kan arrangeres i rækker af homologer, der ligner sammensætning, struktur og egenskaber.
4. For organiske stoffer er det karakteristisk isomerisme.

Isomerisme og homologi af organiske stoffer

Egenskaberne af organiske stoffer afhænger ikke kun af deres sammensætning, men også af rækkefølgen af ​​forbindelsen af ​​atomer i molekylet.

Isomerisme- dette er fænomenet med eksistensen af ​​forskellige stoffer - isomerer med samme kvalitative og kvantitative sammensætning, dvs. med samme molekylære formel.

Der er to typer isomerisme: strukturel Og rumlig (stereoisomerisme). Strukturelle isomerer adskiller sig fra hinanden i bindingsrækkefølgen af ​​atomerne i molekylet; stereoisomerer - arrangementet af atomer i rummet med samme rækkefølge af bindinger mellem dem.

Der skelnes mellem følgende typer af strukturel isomerisme: isomerisme af kulstofskelettet, positionel isomerisme, isomerisme af forskellige klasser af organiske forbindelser (interclass isomerism).

Strukturel isomerisme

Isomerisme af kulstofskelettet skyldes den forskellige rækkefølge af bindinger mellem de kulstofatomer, der danner skelettet af molekylet. Som det allerede er blevet vist, svarer molekylformlen $C_4H_(10)$ til to carbonhydrider: n-butan og isobutan. For kulbrinte $С_5Н_(12)$ er tre isomerer mulige: pentan, isopentan og neopentan:

$CH_3-CH_2-(CH_2)↙(pentan)-CH_2-CH_3$

Når antallet af kulstofatomer i et molekyle stiger, stiger antallet af isomerer hurtigt. For kulbrinte $С_(10)Н_(22)$ er der allerede $75$, og for kulbrinte $С_(20)Н_(44)$ - $366.319$.

Position isomeri er forårsaget af forskellige positioner af multipelbindingen, substituent, funktionel gruppe med det samme kulstofskelet i molekylet:

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

$(CH_3-CH_2-CH_2-OH)↙(n-propylalkohol(propanol-1))$

Isomerisme af forskellige klasser af organiske forbindelser (interclass isomerism) er forårsaget af forskellige positioner og kombinationer af atomer i molekyler af stoffer, der har samme molekylære formel, men tilhører forskellige klasser. Således svarer molekylformlen $C_6H_(12)$ til det umættede carbonhydrid hexen-1 og det cykliske carbonhydrid cyclohexan:

Isomererne er et carbonhydrid relateret til alkyner - butin-1 og et carbonhydrid med to dobbeltbindinger i butadien-1,3-kæden:

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

Diethylether og butylalkohol har samme molekylformel $C_4H_(10)O$:

$(CH_3CH_2OCH_2CH_3)↙(\text"diethylether")$ $(CH_3CH_2CH_2CH_2OH)↙(\text"n-butylalkohol (1-butanol)")$

De strukturelle isomerer er aminoeddikesyre og nitroethan, svarende til molekylformlen $C_2H_5NO_2$:

Isomerer af denne type indeholder forskellige funktionelle grupper og tilhører forskellige klasser af stoffer. Derfor adskiller de sig i fysiske og kemiske egenskaber meget mere end kulstofskeletisomerer eller positionsisomerer.

Rumlig isomeri

Rumlig isomeri er opdelt i to typer: geometrisk og optisk. Geometrisk isomeri er karakteristisk for forbindelser, der indeholder dobbeltbindinger og cykliske forbindelser. Da fri rotation af atomer omkring en dobbeltbinding eller i en ring er umulig, kan substituenter være placeret enten på den ene side af dobbeltbindingens eller ringens plan ( cis-position), eller på modsatte sider ( trance-position). Betegnelser cis- Og trance- normalt omtalt som et par identiske substituenter:

Geometriske isomerer adskiller sig i fysiske og kemiske egenskaber.

Optisk isomeri opstår, når molekylet er uforeneligt med sit billede i spejlet. Dette er muligt, når carbonatomet i molekylet har fire forskellige substituenter. Dette atom kaldes asymmetrisk. Et eksempel på et sådant molekyle er $α$-aminopropionsyre ($α$-alanin) molekylet $CH_3CH(NH_2)COOH$.

$α$-alanin-molekylet kan ikke falde sammen med dets spejlbillede, uanset hvordan det bevæger sig. Sådanne rumlige isomerer kaldes spejl, optiske antipoder, eller enantiomerer. Alle fysiske og næsten alle kemiske egenskaber af sådanne isomerer er identiske.

Studiet af optisk isomerisme er nødvendigt, når man overvejer mange reaktioner, der forekommer i kroppen. De fleste af disse reaktioner sker under påvirkning af enzymer - biologiske katalysatorer. Disse stoffers molekyler skal passe til molekylerne af de forbindelser, som de virker på, som en nøgle til en lås, derfor er den rumlige struktur, den indbyrdes indretning af sektioner af molekylerne og andre rumlige faktorer af stor betydning for forløbet; disse reaktioner. Sådanne reaktioner kaldes stereoselektiv.

De fleste naturlige forbindelser er individuelle enantiomerer, og deres biologiske virkning adskiller sig markant fra egenskaberne af deres optiske antipoder opnået i laboratoriet. En sådan forskel i biologisk aktivitet er af stor betydning, da den ligger til grund for den vigtigste egenskab for alle levende organismer - metabolisme.

Homolog serie er en række stoffer arrangeret i stigende rækkefølge af deres relative molekylmasser, ens i struktur og kemiske egenskaber, hvor hvert medlem adskiller sig fra det foregående ved den homologiske forskel $CH_2$. For eksempel: $CH_4$ - metan, $C_2H_6$ - ethan, $C_3H_8$ - propan, $C_4H_(10)$ - butan osv.

Typer af bindinger i molekyler af organiske stoffer. Hybridisering af carbonatomorbitaler. Radikal. Funktionel gruppe.

Typer af bindinger i molekyler af organiske stoffer.

I organiske forbindelser er kulstof altid tetravalent. I den exciterede tilstand brydes et par $2s^3$ elektroner i dets atom, og en af ​​dem bevæger sig til p-orbitalen:

Et sådant atom har fire uparrede elektroner og kan deltage i dannelsen af ​​fire kovalente bindinger.

Baseret på den givne elektroniske formel for valensniveauet af et carbonatom, ville man forvente, at det indeholder en $s$-elektron (sfærisk symmetrisk orbital) og tre $p$-elektroner med indbyrdes vinkelrette orbitaler ($2р_х, 2р_у, 2p_z $- orbital). I virkeligheden er alle fire valenselektroner i carbonatomet fuldstændig tilsvarende og vinklerne mellem deres orbitaler er lig med $109°28"$. Derudover viser beregninger, at hver af de fire kemiske bindinger af kulstof i et metanmolekyle ($CH_4$) er $25%$ $s-$ og $75%$ $p $-forbindelse, dvs. blanding$s-$ og $p-$ elektronernes tilstande. Dette fænomen kaldes hybridisering, og blandede orbitaler - hybrid.

Et carbonatom i $sp^3$-valenstilstanden har fire orbitaler, som hver indeholder en elektron. I overensstemmelse med teorien om kovalente bindinger har den evnen til at danne fire kovalente bindinger med atomer af ethvert monovalent grundstof ($CH_4, CHCl_3, CCl_4$) eller med andre carbonatomer. Sådanne forbindelser kaldes $σ$-forbindelser. Hvis et carbonatom har én $C-C$-binding, så kaldes det primær($Н_3С-СН_3$), hvis to - sekundær($Н_3С-СН_2-СН_3$), hvis tre - tertiære (), og hvis fire - kvartær ().

Et af de karakteristiske træk ved carbonatomer er deres evne til at danne kemiske bindinger ved kun at dele $p$ elektroner. Sådanne forbindelser kaldes $π$-forbindelser. $π$-bindinger i molekyler af organiske forbindelser dannes kun i nærvær af $σ$-bindinger mellem atomer. I ethylenmolekylet $H_2C=CH_2$ er carbonatomerne således forbundet med $σ-$ og en $π$ binding, i acetylenmolekylet $HC=CH$ - med en $σ-$ og to $π$ bindinger . Kemiske bindinger dannet med deltagelse af $π$ bindinger kaldes multipler(i et ethylenmolekyle - dobbelt, i et acetylenmolekyle - tredobbelt), og forbindelser med flere bindinger - umættet.

Fænomen$sp^3$-, $sp^2$- Og$sp$ - hybridisering af carbonatomet.

Når $π$-bindinger dannes, ændres hybridtilstanden af ​​carbonatomets atomare orbitaler. Da dannelsen af ​​$π$-bindinger sker på grund af p-elektroner, vil elektronerne i molekyler med en dobbeltbinding have $sp^2$-hybridisering (der var $sp^3$, men en p-elektron går til $π$- orbital), og med en tredobbelt - $sp$-hybridisering (to p-elektroner gik til $π$-orbital). Karakteren af ​​hybridisering ændrer retningen af ​​$σ$-bindinger. Hvis de under $sp^3$-hybridisering danner rumligt forgrenede strukturer ($a$), så ligger alle atomer under $sp^2$-hybridisering i samme plan, og vinklerne mellem $σ$-bindinger er lig med $120° $(b) , og med $sp$-hybridisering er molekylet lineært (c):

I dette tilfælde er $π$-orbitalernes akser vinkelrette på $σ$-bindingens akse.

Både $σ$- og $π$-bindinger er kovalente, hvilket betyder, at de skal være karakteriseret ved længde, energi, rumlig retning og polaritet.

Karakteristika for enkelt- og multiple bindinger mellem C-atomer.

Radikal. Funktionel gruppe.

Et af kendetegnene ved organiske forbindelser er, at deres molekyler i kemiske reaktioner ikke udveksler individuelle atomer, men grupper af atomer. Hvis denne gruppe af atomer kun består af kulstof- og brintatomer, så kaldes den kulbrinteradikal, hvis det har atomer af andre grundstoffer, så kaldes det funktionel gruppe. Så for eksempel er methyl ($СН_3$-) og ethyl ($С_2Н_5$-) carbonhydridradikaler, og hydroxygruppen (-$ОН$), aldehydgruppen ( ), nitrogruppe (-$NO_2$) osv. er de funktionelle grupper af henholdsvis alkoholer, aldehyder og nitrogenholdige forbindelser.

Typisk er den funktionelle gruppe bestemmende for en organisk forbindelses kemiske egenskaber og er derfor grundlaget for deres klassificering.