Fondamenti della struttura dei composti organici. Teoria della struttura dei composti organici. Principi di base della teoria della struttura chimica di A.M. Butlerov

Proprio come nella chimica inorganica la base teorica fondamentale è la legge periodica e la tavola periodica degli elementi chimici di D.I. Mendeleev, così nella chimica organica la base scientifica principale è la teoria Butlerov-Kekule-Cooper della struttura dei composti organici.

Come ogni altra teoria scientifica, la teoria della struttura dei composti organici era il risultato di una generalizzazione del più ricco materiale fattuale che la chimica organica, che prese forma come scienza all'inizio del XIX secolo, aveva accumulato. Furono scoperti sempre più nuovi composti del carbonio, il cui numero aumentò come una valanga (Tabella 1).

Tabella 1
Numero di composti organici conosciuti nei diversi anni

Gli scienziati dell'inizio del XIX secolo spiegarono questa diversità di composti organici. non poteva. Il fenomeno dell’isomeria ha sollevato ancora più domande.

Ad esempio, l'alcol etilico e l'etere dimetilico sono isomeri: queste sostanze hanno la stessa composizione C 2 H 6 O, ma una struttura diversa, cioè un diverso ordine di connessione degli atomi nelle molecole, e quindi proprietà diverse.

F. Wöhler, a voi già noto, in una delle sue lettere a J. J. Berzelius ha descritto la chimica organica: “La chimica organica può ormai far impazzire chiunque. Mi sembra una foresta fitta, piena di cose sorprendenti, una selva sconfinata da cui non puoi uscire, in cui non osi penetrare...”

Lo sviluppo della chimica fu fortemente influenzato dal lavoro dello scienziato inglese E. Frankland, che, basandosi sulle idee dell'atomismo, introdusse il concetto di valenza (1853).

Nella molecola di idrogeno H2 si forma un legame chimico covalente H-H, cioè l'idrogeno è monovalente. La valenza di un elemento chimico può essere espressa dal numero di atomi di idrogeno che un atomo dell'elemento chimico aggiunge a se stesso o sostituisce. Ad esempio, lo zolfo nell'idrogeno solforato e l'ossigeno nell'acqua sono bivalenti: H 2 S, o H-S-H, H 2 O, o H-O-H, e l'azoto nell'ammoniaca è trivalente:

In chimica organica il concetto di “valenza” è un analogo del concetto di “stato di ossidazione”, con cui sei abituato a lavorare nel corso di chimica inorganica nella scuola di base. Tuttavia, questa non è la stessa cosa. Ad esempio, nella molecola di azoto N2, lo stato di ossidazione dell'azoto è zero e la valenza è tre:

Nel perossido di idrogeno H2O2, lo stato di ossidazione dell'ossigeno è -1 e la valenza è due:

Nello ione ammonio NH + 4, lo stato di ossidazione dell'azoto è -3 e la valenza è quattro:

Di solito, in relazione ai composti ionici (cloruro di sodio NaCl e molte altre sostanze inorganiche con legami ionici), non viene utilizzato il termine “valenza” degli atomi, ma viene considerato il loro stato di ossidazione. Pertanto, nella chimica inorganica, dove la maggior parte delle sostanze ha una struttura non molecolare, è preferibile utilizzare il concetto di "stato di ossidazione", e nella chimica organica, dove la maggior parte dei composti ha una struttura molecolare, di norma, il concetto di " valenza”.

La teoria della struttura chimica è il risultato di una generalizzazione delle idee di eminenti scienziati organici di tre paesi europei: il tedesco F. Kekule, l'inglese A. Cooper e il russo A. Butlerov.

Nel 1857 F. Kekule classificò il carbonio come un elemento tetravalente e nel 1858, insieme ad A. Cooper, notò che gli atomi di carbonio sono in grado di connettersi tra loro in varie catene: lineari, ramificate e chiuse (cicliche).

I lavori di F. Kekule e A. Cooper sono serviti come base per lo sviluppo di una teoria scientifica che spiega il fenomeno dell'isomeria, la relazione tra composizione, struttura e proprietà delle molecole dei composti organici. Questa teoria è stata creata dallo scienziato russo A.M. Fu la sua mente curiosa che “osò penetrare” nella “fitta foresta” della chimica organica e iniziò a trasformare questo “boschetto sconfinato” in un parco regolare inondato di luce solare con un sistema di sentieri e vicoli. Le idee di base di questa teoria furono espresse per la prima volta da A. M. Butlerov nel 1861 al congresso dei naturalisti e medici tedeschi a Spira.

Le principali disposizioni e conseguenze della teoria Butlerov-Kekule-Cooper sulla struttura dei composti organici possono essere brevemente formulate come segue.

1. Gli atomi nelle molecole delle sostanze sono collegati in una certa sequenza in base alla loro valenza. Il carbonio nei composti organici è sempre tetravalente e i suoi atomi sono in grado di combinarsi tra loro formando varie catene (lineari, ramificate e cicliche).

I composti organici possono essere disposti in file di sostanze simili per composizione, struttura e proprietà - file omologhe.

Butlerov Aleksandr Michajlovič (1828-1886), chimico russo, professore all'Università di Kazan (1857-1868), dal 1869 al 1885 - professore all'Università di San Pietroburgo. Accademico dell'Accademia delle scienze di San Pietroburgo (dal 1874). Creatore della teoria della struttura chimica dei composti organici (1861). Previsto e studiato l'isomeria di molti composti organici. Sintetizzato molte sostanze.

Ad esempio, il metano CH 4 è l'antenato della serie omologa degli idrocarburi saturi (alcani). Il suo omologo più vicino è l'etano C 2 H 6, o CH 3 -CH 3. I successivi due membri della serie omologa del metano sono il propano C 3 H 8, o CH 3 -CH 2 -CH 3, e il butano C 4 H 10, o CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, ecc.

È facile vedere che per le serie omologhe si può ricavare una formula generale per la serie. Quindi, per gli alcani questa formula generale è C n H 2n + 2.

2. Le proprietà delle sostanze dipendono non solo dalla loro composizione qualitativa e quantitativa, ma anche dalla struttura delle loro molecole.

Questa posizione della teoria della struttura dei composti organici spiega il fenomeno dell'isomeria. È ovvio che per il butano C 4 H 10, oltre ad una molecola con struttura lineare CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, è possibile anche una struttura ramificata:

Questa è una sostanza completamente nuova con proprietà individuali, diverse dalle proprietà del butano con una struttura lineare.

Il butano, nella molecola i cui atomi sono disposti in una catena lineare, è chiamato butano normale (n-butano) e il butano, la cui catena di atomi di carbonio è ramificata, è chiamato isobutano.

Esistono due tipi principali di isomeria: strutturale e spaziale.

Secondo la classificazione accettata, si distinguono tre tipi di isomeria strutturale.

Isomeria dello scheletro carbonioso. I composti differiscono nell'ordine dei legami carbonio-carbonio, ad esempio vengono discussi n-butano e isobutano. È questo tipo di isomerismo che è caratteristico degli alcani.

Isomeria della posizione di un legame multiplo (C=C, C=C) o di un gruppo funzionale (cioè un gruppo di atomi che determina se un composto appartiene a una particolare classe di composti organici), ad esempio:

Isomeria interclasse. Gli isomeri di questo tipo di isomerismo appartengono a diverse classi di composti organici, ad esempio l'alcol etilico (classe di alcoli monoidrici saturi) e l'etere dimetilico (classe di eteri) discussi sopra.

Esistono due tipi di isomeria spaziale: geometrica e ottica.

L'isomeria geometrica è caratteristica, prima di tutto, dei composti con un doppio legame carbonio-carbonio, poiché nel sito di tale legame la molecola ha una struttura planare (Fig. 6).

Riso. 6.
Modello della molecola di etilene

Ad esempio, per il butene-2, se gruppi identici di atomi negli atomi di carbonio nel doppio legame si trovano su un lato del piano del legame C=C, allora la molecola è un isomero cis, se sui lati opposti è un isomero isomero trans.

L'isomeria ottica si osserva, ad esempio, nelle sostanze le cui molecole hanno un atomo di carbonio asimmetrico, o chirale, legato a quattro vari deputati. Gli isomeri ottici sono immagini speculari l'uno dell'altro, come due palmi, e non sono compatibili. (Ora, ovviamente, capisci il secondo nome di questo tipo di isomerismo: greco chiros - mano - un esempio di figura asimmetrica.) Ad esempio, l'acido 2-idrossipropanoico (lattico), contenente un atomo di carbonio asimmetrico, esiste nella forma di due isomeri ottici.

Nelle molecole chirali si formano coppie isomeriche in cui le molecole isomeriche sono correlate tra loro nella loro organizzazione spaziale allo stesso modo in cui un oggetto e la sua immagine speculare sono correlati tra loro. Una coppia di tali isomeri ha sempre le stesse proprietà chimiche e fisiche, ad eccezione dell'attività ottica: se un isomero ruota il piano della luce polarizzata in senso orario, l'altro ruota necessariamente in senso antiorario. Il primo isomero è detto destrogiro, il secondo levogiro.

L'importanza dell'isomeria ottica nell'organizzazione della vita sul nostro pianeta è molto grande, poiché gli isomeri ottici possono differire in modo significativo sia nella loro attività biologica che nella compatibilità con altri composti naturali.

3. Gli atomi nelle molecole delle sostanze si influenzano a vicenda. Considererai l'influenza reciproca degli atomi nelle molecole dei composti organici durante gli approfondimenti del corso.

La moderna teoria della struttura dei composti organici si basa non solo sulla struttura chimica, ma anche su quella elettronica e spaziale delle sostanze, che viene discussa in dettaglio a livello di profilo dello studio della chimica.

Nella chimica organica sono ampiamente utilizzati diversi tipi di formule chimiche.

La formula molecolare riflette la composizione qualitativa del composto, ovvero mostra il numero di atomi di ciascuno degli elementi chimici che compongono la molecola della sostanza. Ad esempio, la formula molecolare del propano è: C 3 H 8.

La formula strutturale riflette l'ordine di connessione degli atomi in una molecola in base alla valenza. La formula strutturale del propano è:

Spesso non è necessario descrivere in dettaglio i legami chimici tra gli atomi di carbonio e di idrogeno, quindi nella maggior parte dei casi vengono utilizzate formule strutturali abbreviate. Per il propano, questa formula è scritta come segue: CH 3 -CH 2 -CH 3.

La struttura delle molecole dei composti organici viene riflessa utilizzando vari modelli. I più noti sono i modelli volumetrici (scala) e ball-and-stick (Fig. 7).

Riso. 7.
Modelli di molecole di etano:
1 - sfera e asta; 2 - scala

Nuove parole e concetti

1. Isomeria, isomeri.
2. Valenza.
3. Struttura chimica.
4. Teoria della struttura dei composti organici.
5. Serie omologhe e differenza omologa.
6. Formule molecolari e strutturali.
7. Modelli di molecole: volumetrico (scala) e ball-and-stick.

Domande e compiti

1. Cos'è la valenza? In cosa differisce dallo stato di ossidazione? Fornire esempi di sostanze in cui i valori dello stato di ossidazione e della valenza degli atomi sono numericamente uguali e diversi,
2. Determina la valenza e lo stato di ossidazione degli atomi nelle sostanze le cui formule sono Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
3. Cos'è l'isomeria; isomeri?
4. Cos'è l'omologia; omologhi?
5. Come, utilizzando la conoscenza dell'isomeria e dell'omologia, spiegare la diversità dei composti del carbonio?
6. Cosa si intende per struttura chimica delle molecole dei composti organici? Formulare le disposizioni della teoria della struttura, che spiega la differenza nelle proprietà degli isomeri. Formulare le disposizioni della teoria della struttura, che spiegano la diversità dei composti organici.
7. Quale contributo ha dato ciascuno degli scienziati, i fondatori della teoria della struttura chimica, a questa teoria? Perché il contributo del chimico russo ha avuto un ruolo di primo piano nello sviluppo di questa teoria?
8. Possono esserci tre isomeri della composizione C 5 H 12. Annotare le loro formule strutturali complete e abbreviate,
9. Sulla base del modello della molecola della sostanza presentato alla fine del paragrafo (vedi Fig. 7), componi le sue formule molecolari e strutturali abbreviate.
10. Calcolare la frazione in massa del carbonio nelle molecole dei primi quattro membri della serie omologa degli alcani.

Nella prima metà del XIX secolo nel campo della chimica organica era stata accumulata un'enorme quantità di materiale fattuale, il cui ulteriore studio era ostacolato dalla mancanza di basi sistematiche. A partire dagli anni '20 del XIX secolo iniziarono ad apparire teorie successive che pretendevano di essere una descrizione generalizzata della struttura dei composti organici. Uno di questi era la teoria dei tipi, sviluppata negli anni '60 dallo scienziato francese C. Gerard. Secondo questa teoria tutti i composti organici erano considerati derivati ​​delle sostanze inorganiche più semplici, prese come tipi.Sh. Gerardo

Poco prima della comparsa della teoria della struttura di A.M. Butlerov, il chimico tedesco F.A. Kekule (1857) sviluppò la teoria della valenza in relazione ai composti organici, che stabilì fatti come la tetravalenza dell'atomo di carbonio e la sua capacità di formare catene di carbonio a causa della combinazione con atomi di carbonio.A. M. Butlerova F.A. Kekulé

Gli sviluppi teorici del periodo pre-Butler diedero un certo contributo alla conoscenza della struttura dei composti organici. Ma nessuna delle prime teorie era universale. E solo A.M. Butlerov riuscì a creare una teoria della struttura così logicamente completa, che fino ad oggi funge da base scientifica della chimica organica. Teoria della struttura di A.M. Butlerov si basa su un approccio materialistico a una molecola reale e procede dalla possibilità di conoscerne sperimentalmente la struttura. SONO. Butlerov attribuiva un'importanza fondamentale alle reazioni chimiche nello stabilire la struttura delle sostanze. Teoria della struttura di A.M. Butlerova non solo ha spiegato fatti già noti, ma il suo significato scientifico risiede nel prevedere l'esistenza di nuovi composti organici A.M. Butlerov A.M. Butlerova A.M. Butlerov A.M. Butlerov

Gli isomeri sono sostanze che hanno la stessa formula molecolare, ma strutture chimiche diverse e quindi hanno proprietà diverse. L'isomeria ricevette una vera spiegazione solo nella seconda metà del XIX secolo sulla base della teoria della struttura chimica di A.M. Butlerov (isomerismo strutturale) e gli insegnamenti stereochimici di Ya. G. Van't Hoff (isomerismo spaziale Ya. G. van't Hoff

FormulaName Numero di isomeri CH 4 metano1 C4H6C4H6 etano1 C3H8C3H8 propano1 C 4 H 10 butano2 C 5 H 12 pentano3 C 6 H 14 esano5 C 7 H 16 eptano9 C 8 H 18 ottano18 C 9 H 20 nonano35 C 10 H 22 decano75 C 11 H 2 4 undecano159 C 12 H 26 dodecano355 C 13 H 28 tridecano802 C 14 H 30 tetradecano1 858 C 15 H 32 pentadecano4 347 C 20 H 42 eicosano C 25 H 52 pentacosano C 30 H 62 triacontano C 40 H 82 tetracontano

Gli isomeri strutturali sono quelli che corrispondono a diverse formule strutturali di composti organici (con diversi ordini di atomi). Gli isomeri spaziali hanno gli stessi sostituenti su ciascun atomo di carbonio e differiscono solo per la loro posizione relativa nello spazio.

Isomeri spaziali (stereoisomeri). Gli stereoisomeri possono essere suddivisi in due tipi: isomeri geometrici e isomeri ottici. L'isomeria geometrica è caratteristica dei composti contenenti un doppio legame o anello. In tali molecole è spesso possibile disegnare un piano convenzionale in modo tale che i sostituenti su diversi atomi di carbonio possano trovarsi sullo stesso lato (cis-) o su lati opposti (trans-) di questo piano. Se il cambiamento nell'orientamento di questi sostituenti rispetto al piano è possibile solo a causa della rottura di uno dei legami chimici, allora si parla della presenza di isomeri geometrici. Gli isomeri geometrici differiscono nelle loro proprietà fisiche e chimiche.

È stato scoperto un nuovo metodo per ottenere isomeri ottici di molecole organiche Quando Alice si ritrovò nella sua stanza, ma “a specchio”, rimase sorpresa: la stanza sembrava simile, ma comunque completamente diversa. Gli isomeri specchio delle molecole chimiche differiscono allo stesso modo: sembrano simili, ma si comportano diversamente. Un'area critica della chimica organica è la separazione e la sintesi di queste varianti dello specchio. (Illustrazione di John Tenniel per il libro di Lewis Carroll "Alice attraverso lo specchio")

Gli scienziati americani hanno imparato a ottenere isomeri ottici di composti a base di aldeidi, realizzando finalmente un'importante reazione su cui i chimici lavorano da molti anni. Nell'esperimento hanno combinato due catalizzatori che operano secondo principi diversi. Come risultato dell'azione combinata di questi catalizzatori si formano due molecole organiche attive che si combinano per formare la sostanza desiderata. Usando questa reazione come esempio, viene dimostrata la possibilità di sintetizzare un'intera classe di composti organici biologicamente importanti.

Sono ormai note almeno 130 reazioni di sintesi organica in cui si ottengono isomeri chirali più o meno puri. Se il catalizzatore stesso ha proprietà chirali, allora da un substrato otticamente inattivo si otterrà un prodotto otticamente attivo. Questa regola è stata derivata all'inizio del XX secolo e rimane fondamentale anche oggi. Il principio dell'azione selettiva di un catalizzatore rispetto agli isomeri ottici è simile a una stretta di mano: è “conveniente” che il catalizzatore si leghi solo a uno degli isomeri chirali, e quindi solo una delle reazioni è preferenzialmente catalizzata. A proposito, il termine “chirale” deriva dalla mano greca chéir.

Contenuto della lezione: Teorie della struttura dei composti organici: prerequisiti per la loro creazione, principi di base. Struttura chimica come ordine di connessione e influenza reciproca degli atomi nelle molecole. Omologia, isomeria. Dipendenza delle proprietà delle sostanze dalla struttura chimica. Principali direzioni di sviluppo della teoria della struttura chimica. La dipendenza della comparsa di tossicità nei composti organici dalla composizione e dalla struttura delle loro molecole (la lunghezza della catena di carbonio e il grado della sua ramificazione, la presenza di legami multipli, la formazione di cicli e ponti di perossido, la presenza di alogeni atomi), nonché sulla solubilità e volatilità del composto.

Obiettivi della lezione:

• Organizzare attività degli studenti per familiarizzare e consolidare inizialmente i principi di base della teoria della struttura chimica.
• Mostra agli studenti la natura universale della teoria della struttura chimica usando l'esempio degli isomeri inorganici e l'influenza reciproca degli atomi nelle sostanze inorganiche.

Durante le lezioni:

1. Momento organizzativo.

2. Aggiornamento delle conoscenze degli studenti.

1) Cosa studia la chimica organica?

2) Quali sostanze sono chiamate isomeri?

3) Quali sostanze sono dette omologhe?

4) Nomina le teorie a te note sorte nella chimica organica all'inizio del XIX secolo.

5) Quali carenze aveva la teoria dei radicali?

6) Quali difetti aveva la teoria dei tipi?

3. Stabilire scopi e obiettivi per la lezione.

Il concetto di valenza costituiva una parte importante della teoria della struttura chimica di A.M.. Butlerov nel 1861

La legge periodica formulata dal D.I. Mendeleev nel 1869, rivelò la dipendenza della valenza di un elemento dalla sua posizione nella tavola periodica.

L’ampia varietà di sostanze organiche che hanno la stessa composizione qualitativa e quantitativa, ma proprietà diverse, rimaneva poco chiara. Ad esempio, erano note circa 80 sostanze diverse che corrispondevano alla composizione C 6 H 12 O 2. Jens Jakob Berzelius ha proposto di chiamare queste sostanze isomeri.

Scienziati di molti paesi con il loro lavoro hanno aperto la strada alla creazione di una teoria che spiega la struttura e le proprietà delle sostanze organiche.

Ad un congresso di naturalisti e medici tedeschi nella città di Spira fu letto un rapporto intitolato “Qualcosa nella struttura chimica dei corpi”. L'autore del rapporto è stato il professore dell'Università di Kazan Alexander Mikhailovich Butlerov. Fu proprio questo “qualcosa” a costituire la teoria della struttura chimica, che costituì la base delle nostre idee moderne sui composti chimici.

La chimica organica ha ricevuto solide basi scientifiche, che ne hanno assicurato il rapido sviluppo nel secolo successivo fino ai giorni nostri. Questa teoria ha permesso di prevedere l'esistenza di nuovi composti e le loro proprietà. Il concetto di struttura chimica ha permesso di spiegare un fenomeno così misterioso come l'isomeria.

I principi fondamentali della teoria della struttura chimica sono i seguenti:
1. Gli atomi nelle molecole di sostanze organiche sono combinati in una certa sequenza in base alla loro valenza.

2. Le proprietà delle sostanze sono determinate dalla composizione qualitativa, quantitativa, dall'ordine di connessione e dall'influenza reciproca di atomi e gruppi di atomi nella molecola.

3. La struttura delle molecole può essere stabilita sulla base dello studio delle loro proprietà.

Consideriamo queste disposizioni in modo più dettagliato. Le molecole delle sostanze organiche contengono atomi di carbonio (valenza IV), idrogeno (valenza I), ossigeno (valenza II), azoto (valenza III). Ogni atomo di carbonio nelle molecole di sostanze organiche forma quattro legami chimici con altri atomi e gli atomi di carbonio possono essere collegati in catene e anelli. Basandoci sul primo principio della teoria della struttura chimica, elaboreremo formule strutturali delle sostanze organiche. Ad esempio, è stato stabilito che il metano ha la composizione CH 4. Tenendo conto delle valenze degli atomi di carbonio e di idrogeno, si può proporre una sola formula strutturale del metano:

La struttura chimica di altre sostanze organiche può essere descritta dalle seguenti formule:

etanolo

La seconda posizione della teoria della struttura chimica descrive la relazione a noi nota: composizione - struttura - proprietà. Vediamo la manifestazione di questo schema usando l'esempio delle sostanze organiche.

L'etano e l'alcol etilico hanno composizioni qualitative diverse. La molecola di alcol, a differenza dell'etano, contiene un atomo di ossigeno. In che modo ciò influirà sulle proprietà?

L'introduzione di un atomo di ossigeno in una molecola cambia radicalmente le proprietà fisiche della sostanza. Ciò conferma la dipendenza delle proprietà dalla composizione qualitativa.

Confrontiamo la composizione e la struttura degli idrocarburi metano, etano, propano e butano.

Metano, etano, propano e butano hanno la stessa composizione qualitativa, ma diversa quella quantitativa (il numero di atomi di ciascun elemento). Secondo la seconda posizione della teoria della struttura chimica, dovrebbero avere proprietà diverse.

Sostanza	Temperatura di ebollizione,°C	Temperatura di fusione,°C
CAP 4	– 182,5	– 161,5
C2H6	– 182,8	– 88,6
C3H8	– 187,6	– 42,1
C4H10	– 138,3	– 0,5

Come si può vedere dalla tabella, all'aumentare del numero di atomi di carbonio in una molecola, aumentano le temperature di ebollizione e di fusione, il che conferma la dipendenza delle proprietà dalla composizione quantitativa delle molecole.

La formula molecolare C4H10 corrisponde non solo al butano, ma anche al suo isomero isobutano:

Gli isomeri hanno la stessa composizione qualitativa (atomi di carbonio e idrogeno) e quantitativa (4 atomi di carbonio e dieci atomi di idrogeno), ma differiscono l'uno dall'altro nell'ordine di connessione degli atomi (struttura chimica). Vediamo come la differenza nella struttura degli isomeri influenzerà le loro proprietà.

Un idrocarburo ramificato (isobutano) ha punti di ebollizione e di fusione più elevati rispetto a un normale idrocarburo (butano). Ciò può essere spiegato dalla maggiore vicinanza delle molecole tra loro nel butano, che aumenta le forze di attrazione intermolecolare e, quindi, richiede più energia per separarle.

La terza posizione della teoria della struttura chimica mostra il feedback tra composizione, struttura e proprietà delle sostanze: composizione - struttura - proprietà. Consideriamolo usando l'esempio dei composti con la composizione C 2 H 6 O.

Immaginiamo di avere campioni di due sostanze con la stessa formula molecolare C 2 H 6 O, che è stata determinata mediante analisi qualitativa e quantitativa. Ma come possiamo scoprire la struttura chimica di queste sostanze? Lo studio delle loro proprietà fisiche e chimiche aiuterà a rispondere a questa domanda. Quando la prima sostanza interagisce con il sodio metallico, la reazione non avviene, ma la seconda interagisce attivamente con esso, liberando idrogeno. Determiniamo il rapporto quantitativo delle sostanze nella reazione. Per fare ciò, aggiungi una certa massa di sodio alla massa nota della seconda sostanza. Misuriamo il volume dell'idrogeno. Calcoliamo le quantità di sostanze. In questo caso, risulta che da due moli della sostanza in studio viene rilasciata una mole di idrogeno. Pertanto, ogni molecola di questa sostanza è la fonte di un atomo di idrogeno. Quale conclusione si può trarre? Solo un atomo di idrogeno differisce nelle proprietà e, quindi, nella struttura (a quali atomi è associato) da tutti gli altri. Tenendo conto della valenza degli atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno, per una determinata sostanza si può proporre una sola formula:

Per la prima sostanza si può proporre una formula in cui tutti gli atomi di idrogeno hanno la stessa struttura e proprietà:

Un risultato simile può essere ottenuto studiando le proprietà fisiche di queste sostanze.

Pertanto, basandosi sullo studio delle proprietà delle sostanze, possiamo trarre una conclusione sulla sua struttura chimica.

L’importanza della teoria della struttura chimica difficilmente può essere sopravvalutata. Ha armato i chimici con una base scientifica per studiare la struttura e le proprietà delle sostanze organiche. La Legge Periodica formulata da D.I. Mendeleev. La teoria della struttura riassumeva tutte le visioni scientifiche prevalenti in chimica a quel tempo. Gli scienziati sono riusciti a spiegare il comportamento delle sostanze organiche durante le reazioni chimiche. Secondo la teoria di A.M. Butlerov predisse l'esistenza di isomeri di alcune sostanze, che furono successivamente ottenuti. Proprio come la legge periodica, la teoria della struttura chimica ha ricevuto il suo ulteriore sviluppo dopo la formazione della teoria della struttura atomica, del legame chimico e della stereochimica.

Lezione 15

Teoria della struttura delle sostanze organiche. Principali classi di composti organici.

Chimica organica - la scienza che studia la materia organica. Altrimenti può essere definito come chimica dei composti del carbonio. Quest'ultimo occupa un posto speciale nella tavola periodica di D.I. Mendeleev per la varietà dei composti, di cui se ne conoscono circa 15 milioni, mentre il numero dei composti inorganici è di cinquecentomila. Le sostanze organiche sono note all'umanità da molto tempo, come zucchero, grassi vegetali e animali, coloranti, sostanze aromatiche e medicinali. A poco a poco, le persone hanno imparato a trasformare queste sostanze per ottenere una varietà di preziosi prodotti biologici: vino, aceto, sapone, ecc. I progressi nella chimica organica si basano sui risultati nel campo della chimica delle sostanze proteiche, degli acidi nucleici, delle vitamine, ecc. la chimica è di grande importanza per lo sviluppo della medicina, poiché la stragrande maggioranza dei medicinali sono composti organici non solo di origine naturale, ma anche ottenuti principalmente attraverso la sintesi. L'eccezionale significato del alto peso molecolare composti organici (resine sintetiche, plastiche, fibre, gomme sintetiche, coloranti, erbicidi, insetticidi, fungicidi, defolianti...). La chimica organica è di grande importanza per la produzione di beni alimentari e industriali.

La moderna chimica organica è profondamente penetrata nei processi chimici che si verificano durante lo stoccaggio e la lavorazione dei prodotti alimentari: i processi di essiccazione, irrancidimento e saponificazione degli oli, fermentazione, cottura al forno, fermentazione, produzione di bevande, nella produzione di latticini, ecc. Anche la scoperta e lo studio degli enzimi, dei profumi e dei cosmetici hanno avuto un ruolo importante.

Uno dei motivi dell'ampia varietà di composti organici è l'unicità della loro struttura, che si manifesta nella formazione di legami covalenti e catene da parte di atomi di carbonio, diversi per tipo e lunghezza. Inoltre, il numero di atomi di carbonio legati al loro interno può raggiungere decine di migliaia e la configurazione delle catene di carbonio può essere lineare o ciclica. Oltre agli atomi di carbonio, le catene possono contenere ossigeno, azoto, zolfo, fosforo, arsenico, silicio, stagno, piombo, titanio, ferro, ecc.

La manifestazione di queste proprietà da parte del carbonio è dovuta a diversi motivi. È stato confermato che le energie dei legami C–C e C–O sono comparabili. Il carbonio ha la capacità di formare tre tipi di ibridazione orbitale: quattro sp 3 - orbitali ibridi, il loro orientamento nello spazio è tetraedrico e corrisponde a semplice legami covalenti; si formano tre orbitali ibridi sp 2 situati sullo stesso piano, in combinazione con un orbitale non ibrido doppi multipli connessioni (─С = С─); anche con l'aiuto di sp - si formano orbitali ibridi con orientamento lineare e orbitali non ibridi tra atomi di carbonio tripli multipli legami (─ C ≡ C ─ Inoltre, gli atomi di carbonio formano questi tipi di legami non solo tra loro, ma anche con altri elementi. Pertanto, la moderna teoria della struttura della materia spiega non solo un numero significativo di composti organici, ma anche l'influenza della loro struttura chimica sulle loro proprietà.

Inoltre conferma pienamente le basi teorie della struttura chimica, sviluppato dal grande scienziato russo A.M. Le sue principali disposizioni:

1) nelle molecole organiche, gli atomi sono collegati tra loro in un certo ordine in base alla loro valenza, che determina la struttura delle molecole;

2) le proprietà dei composti organici dipendono dalla natura e dal numero degli atomi che li costituiscono, nonché dalla struttura chimica delle molecole;

3) ciascuna formula chimica corrisponde ad un certo numero di possibili strutture isomeriche;

4) ogni composto organico ha una formula e ha determinate proprietà;

5) nelle molecole c'è un'influenza reciproca degli atomi l'uno sull'altro.

Classi di composti organici

Secondo la teoria, i composti organici sono divisi in due serie: composti aciclici e ciclici.

1. Composti aciclici.(alcani, alcheni) contengono una catena di carbonio aperta e non chiusa, diritta o ramificata:

N N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N H─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N N │ N

Normale isobutano butano (metilpropano)

2. a) Composti aliciclici– composti che hanno catene di carbonio chiuse (cicliche) nelle loro molecole:

ciclobutano cicloesano

b) Composti aromatici, le cui molecole contengono uno scheletro di benzene - un anello a sei membri con legami singoli e doppi alternati (areni):

c) Composti eterociclici– composti ciclici contenenti, oltre agli atomi di carbonio, azoto, zolfo, ossigeno, fosforo e alcuni oligoelementi, detti eteroatomi.

furano pirrolo piridina

In ogni riga, le sostanze organiche sono distribuite in classi: idrocarburi, alcoli, aldeidi, chetoni, acidi, esteri in base alla natura dei gruppi funzionali delle loro molecole.

Esiste anche una classificazione in base al grado di saturazione e ai gruppi funzionali. In base al grado di saturazione si distinguono:

1. Estremamente saturo– lo scheletro carbonioso contiene solo legami singoli.

─С─С─С─

2. Insaturo insaturo– nello scheletro carbonioso sono presenti più legami (=, ≡).

─С=С─ ─С≡С─

3. Aromatico– cicli insaturi con coniugazione ad anello (4n + 2) elettroni π.

Per gruppi funzionali

1. Alcoli R-CH 2 OH

2. Fenoli

3. Aldeidi R─COH Chetoni R─C─R

4. Acidi carbossilici R─COOH O

5. Esteri R─COOR 1

Alexander Mikhailovich Butlerov è nato il 3 (15) settembre 1828 nella città di Chistopol, nella provincia di Kazan, nella famiglia di un proprietario terriero, un ufficiale in pensione. Ha ricevuto la sua prima educazione in un collegio privato, poi ha studiato al ginnasio e all'Università Imperiale di Kazan. Insegnò dal 1849, e nel 1857 divenne professore ordinario di chimica presso la stessa università. Ne fu rettore due volte. Nel 1851 difese la sua tesi di master "Sull'ossidazione dei composti organici" e nel 1854 all'Università di Mosca - la sua tesi di dottorato "Sugli oli essenziali". Dal 1868 fu professore ordinario di chimica all'Università di San Pietroburgo e dal 1874 - accademico ordinario dell'Accademia delle scienze di San Pietroburgo. Oltre alla chimica, Butlerov prestò attenzione alle questioni pratiche dell'agricoltura, del giardinaggio e dell'apicoltura, sotto la sua guida iniziò la coltivazione del tè nel Caucaso; Morì nel villaggio di Butlerovka, provincia di Kazan, il 5 (17) agosto 1886.

Prima di Butlerov furono fatti numerosi tentativi per creare una dottrina della struttura chimica dei composti organici. Questo problema fu più volte affrontato dai chimici più eminenti dell'epoca, il cui lavoro fu parzialmente utilizzato dallo scienziato russo per la sua teoria della struttura. Ad esempio, il chimico tedesco August Kekule concluse che il carbonio può formare quattro legami con altri atomi. Inoltre credeva che potessero esistere più formule per lo stesso composto, ma aggiungeva sempre che a seconda della trasformazione chimica questa formula poteva essere diversa. Kekule credeva che le formule non riflettessero l'ordine in cui sono collegati gli atomi nella molecola. Un altro eminente scienziato tedesco, Adolf Kolbe, riteneva generalmente impossibile chiarire la struttura chimica delle molecole.

Butlerov espresse per la prima volta le sue idee di base sulla struttura dei composti organici nel 1861 in un rapporto "Sulla struttura chimica della materia", che presentò ai partecipanti al Congresso dei naturalisti e medici tedeschi a Spira. Nella sua teoria, incorporò le idee di Kekule sulla valenza (il numero di legami per un particolare atomo) e del chimico scozzese Archibald Cooper secondo cui gli atomi di carbonio potrebbero formare catene. La differenza fondamentale tra la teoria di Butlerov e le altre era la disposizione sulla struttura chimica (e non meccanica) delle molecole, il modo in cui gli atomi si legavano tra loro per formare una molecola. In questo caso, ciascun atomo ha stabilito un legame secondo la “forza chimica” che gli appartiene specificatamente. Nella sua teoria, lo scienziato ha fatto una chiara distinzione tra un atomo libero e un atomo che è entrato in connessione con un altro (si trasforma in una nuova forma e, come risultato dell'influenza reciproca, gli atomi collegati, a seconda dell'ambiente strutturale , hanno funzioni chimiche diverse). Il chimico russo era convinto che le formule non rappresentino solo schematicamente le molecole, ma riflettano anche la loro struttura reale. Inoltre, ogni molecola ha una struttura specifica, che cambia solo durante le trasformazioni chimiche. Dalle previsioni della teoria risultava (poi confermato sperimentalmente) che le proprietà chimiche di un composto organico sono determinate dalla sua struttura. Questa affermazione è particolarmente importante perché ha permesso di spiegare e prevedere le trasformazioni chimiche delle sostanze. Esiste anche una relazione inversa: la formula strutturale può essere utilizzata per giudicare le proprietà chimiche e fisiche di una sostanza. Inoltre, lo scienziato ha attirato l'attenzione sul fatto che la reattività dei composti è spiegata dall'energia con cui si legano gli atomi.

Con l'aiuto della teoria creata, Butlerov è stato in grado di spiegare l'isomeria. Gli isomeri sono composti in cui la quantità e la “qualità” degli atomi sono le stesse, ma allo stesso tempo hanno proprietà chimiche diverse, e quindi una struttura diversa. La teoria ha permesso di spiegare chiaramente casi noti di isomeria. Butlerov credeva che fosse possibile determinare la disposizione spaziale degli atomi in una molecola. Le sue previsioni furono successivamente confermate, il che diede impulso allo sviluppo di una nuova branca della chimica organica: la stereochimica. Va notato che lo scienziato fu il primo a scoprire e spiegare il fenomeno dell'isomeria dinamica. Il suo significato è che due o più isomeri in determinate condizioni possono facilmente trasformarsi l'uno nell'altro. In generale, è stato l'isomeria a diventare un serio test per la teoria della struttura chimica e ad essere brillantemente spiegato da esso.

Le disposizioni inconfutabili formulate da Butlerov portarono ben presto la teoria al riconoscimento universale. La correttezza delle idee avanzate è stata confermata dagli esperimenti dello scienziato e dei suoi seguaci. Nel loro processo, hanno dimostrato l'ipotesi dell'isomeria: Butlerov ha sintetizzato uno dei quattro alcoli butilici previsti dalla teoria e ne ha decifrato la struttura. Secondo le regole dell'isomeria, che derivavano direttamente dalla teoria, fu suggerita anche la possibilità dell'esistenza di quattro acidi valerici. Successivamente furono ricevuti.

Questi sono solo fatti isolati in una catena di scoperte: la teoria chimica della struttura dei composti organici aveva una straordinaria capacità predittiva.

In un periodo relativamente breve furono scoperte, sintetizzate e studiate un gran numero di nuove sostanze organiche e dei loro isomeri. Di conseguenza, la teoria di Butlerov diede impulso al rapido sviluppo della scienza chimica, compresa la chimica organica sintetica. Pertanto, le numerose sintesi di Butlerov sono i principali prodotti di interi settori.

La teoria della struttura chimica continuò a svilupparsi, portando molte idee rivoluzionarie alla chimica organica dell'epoca. Ad esempio, Kekule ha suggerito la struttura ciclica del benzene e il movimento dei suoi doppi legami nella molecola, le proprietà speciali dei composti con legami coniugati e molto altro. Inoltre, la teoria citata ha reso la chimica organica più visiva: è diventato possibile disegnare formule molecolari.

E questo, a sua volta, segnò l'inizio della classificazione dei composti organici. È stato l'uso di formule strutturali che ha contribuito a determinare le modalità di sintesi di nuove sostanze e a stabilire la struttura di composti complessi, cioè a determinare lo sviluppo attivo della scienza chimica e dei suoi rami. Ad esempio, Butlerov iniziò a condurre ricerche serie sul processo di polimerizzazione. In Russia, questa iniziativa è stata portata avanti dai suoi studenti, che alla fine ha permesso di scoprire un metodo industriale per produrre gomma sintetica.