Tipo di idrogeno:
Tali formule sono in qualche modo simili a quelle moderne. Ma i sostenitori della teoria dei tipi non li consideravano riflettenti la struttura reale delle sostanze e scrivevano molte formule diverse per un composto a seconda delle reazioni chimiche che cercavano di scrivere usando queste formule. Consideravano la struttura delle molecole fondamentalmente inconoscibile, il che era dannoso per lo sviluppo della scienza.
3. Introduzione da parte di J. Berzelius nel 1830 del termine “isomerismo” per il fenomeno dell'esistenza di sostanze della stessa composizione aventi proprietà diverse.
4. Progressi nella sintesi di composti organici, a seguito dei quali è stata dissipata la dottrina del vitalismo, cioè la "forza vitale", sotto l'influenza della quale si suppone che le sostanze organiche si formino nel corpo degli esseri viventi:
Nel 1828 F. Wöhler sintetizzò l'urea da una sostanza inorganica (cianato di ammonio);
Nel 1842, il chimico russo N.N Zinin ottenne l'anilina;
Nel 1845, il chimico tedesco A. Kolbe sintetizzò l'acido acetico;
Nel 1854, il chimico francese M. Berthelot sintetizzò i grassi e infine
Nel 1861, lo stesso A.M. Butlerov sintetizzò una sostanza simile allo zucchero.
5. A metà del XVIII secolo. la chimica diventa una scienza più rigorosa. Come risultato del lavoro di E. Frankland e A. Kekule, fu stabilito il concetto di valenza degli atomi degli elementi chimici. Kekule sviluppò l’idea della tetravalenza del carbonio. Grazie ai lavori di Cannizzaro i concetti di massa atomica e molecolare divennero più chiari, ne furono chiariti il significato e i metodi di determinazione.
Nel 1860, più di 140 importanti chimici provenienti da diversi paesi europei si riunirono in un congresso internazionale a Karlsruhe. Il Congresso divenne un evento molto importante nella storia della chimica: furono riassunti i successi della scienza e furono preparate le condizioni per una nuova fase nello sviluppo della chimica organica: l'emergere della teoria di A. M. Butlerov sulla struttura chimica delle sostanze organiche (1861) , nonché per la scoperta fondamentale di D. I. Mendeleev - Legge periodica e sistema degli elementi chimici (1869).
Nel 1861, A. M. Butlerov parlò al congresso di medici e scienziati naturali a Spira con un rapporto "Sulla struttura chimica dei corpi". In esso, ha delineato le basi della sua teoria sulla struttura chimica dei composti organici. Secondo la struttura chimica, lo scienziato ha compreso l'ordine di connessione degli atomi nelle molecole.
Qualità personali di A. M. Butlerov
A. M. Butlerov si distingueva per la sua conoscenza chimica enciclopedica, la capacità di analizzare e generalizzare i fatti e fare previsioni. Ha predetto l'esistenza dell'isomero del butano, e poi lo ha ottenuto, così come l'isomero del butilene - isobutilene.
Butlerov Aleksandr Michajlovič (1828-1886)
Chimico russo, accademico dell'Accademia delle scienze di San Pietroburgo (dal 1874). Laureato all'Università di Kazan (1849). Lavorò lì (dal 1857 - professore, nel 1860 e 1863 - rettore). Creatore della teoria della struttura chimica dei composti organici, che è alla base della chimica moderna. Ha confermato l'idea dell'influenza reciproca degli atomi in una molecola. Previsto e spiegato l'isomeria di molti composti organici. Scrisse “Un'introduzione allo studio completo della chimica organica” (1864), il primo manuale nella storia della scienza basato sulla teoria della struttura chimica. Presidente del dipartimento di chimica della società fisica-chimica russa (1878-1882).
A. M. Butlerov creò la prima scuola di chimici organici in Russia, dalla quale emersero brillanti scienziati: V. V. Markovnikov, D. P. Konovalov, A. E. Favorsky e altri.
Non c'è da stupirsi che D.I. Mendeleev abbia scritto: “A. M. Butlerov è uno dei più grandi scienziati russi, è russo sia nella sua formazione scientifica che nell’originalità delle sue opere”.
Principi di base della teoria della struttura dei composti chimici
La teoria della struttura chimica dei composti organici, avanzata da A. M. Butlerov nella seconda metà del secolo scorso (1861), fu confermata dal lavoro di molti scienziati, compresi gli studenti di Butlerov e lui stesso. Sulla base di esso è stato possibile spiegare molti fenomeni che non erano ancora stati interpretati: isomerismo, omologia, manifestazione della tetravalenza da parte degli atomi di carbonio nelle sostanze organiche. La teoria ha anche svolto la sua funzione predittiva: sulla base di essa gli scienziati hanno predetto l'esistenza di composti ancora sconosciuti, ne hanno descritto le proprietà e li hanno scoperti.
Quindi, nel 1862-1864. A. M. Butlerov esaminò l'isomeria degli alcoli propilico, butilico e amilico, determinò il numero di possibili isomeri e derivò le formule di queste sostanze. La loro esistenza fu successivamente dimostrata sperimentalmente e alcuni isomeri furono sintetizzati dallo stesso Butlerov.
Durante il 20 ° secolo. le disposizioni della teoria della struttura chimica dei composti chimici sono state sviluppate sulla base di nuove visioni che si sono diffuse nella scienza: la teoria della struttura atomica, la teoria dei legami chimici, idee sui meccanismi delle reazioni chimiche. Attualmente questa teoria è universale, vale cioè non solo per le sostanze organiche, ma anche per quelle inorganiche.
Prima posizione. Gli atomi nelle molecole sono combinati in un ordine specifico in base alla loro valenza. Il carbonio in tutti i composti organici e nella maggior parte dei composti inorganici è tetravalente.
Ovviamente l’ultima parte della prima posizione della teoria può essere facilmente spiegata dal fatto che nei composti gli atomi di carbonio si trovano in uno stato eccitato: 
a) gli atomi di carbonio tetravalenti possono connettersi tra loro, formando catene diverse:
Ramificato aperto
- aperto non ramificato
- Chiuso
b) l'ordine di connessione degli atomi di carbonio nelle molecole può essere diverso e dipende dal tipo di legame chimico covalente tra gli atomi di carbonio: singolo o multiplo (doppio e triplo).
Seconda posizione. Le proprietà delle sostanze dipendono non solo dalla loro composizione qualitativa e quantitativa, ma anche dalla struttura delle loro molecole.
Questa posizione spiega il fenomeno dell'isomeria. Le sostanze che hanno la stessa composizione, ma diverse strutture chimiche o spaziali, e quindi diverse proprietà, sono chiamate isomeri. Principali tipi di isomeria:
Isomeria strutturale, in cui le sostanze differiscono nell'ordine di legame degli atomi nelle molecole:
1) isomeria dello scheletro carbonioso 
3) isomerismo di serie omologhe (interclasse) 
Isomeria spaziale, in cui le molecole delle sostanze differiscono non per l'ordine di legame degli atomi, ma per la loro posizione nello spazio: isomeria cis-trans (geometrica).
Questo isomerismo è tipico delle sostanze le cui molecole hanno una struttura piatta: alcheni, cicloalcani, ecc.
L'isomeria spaziale include anche l'isomeria ottica (a specchio).
Come già sapete, i quattro legami singoli attorno all'atomo di carbonio sono disposti in modo tetraedrico. Se un atomo di carbonio è legato a quattro atomi o gruppi diversi, sono possibili diverse disposizioni di questi gruppi nello spazio, cioè due forme isomeriche spaziali.
Nella Figura 17 sono mostrate due forme speculari dell'amminoacido alanina (acido 2-amminopropanoico).
Immagina che una molecola di alanina sia posta davanti a uno specchio. Il gruppo -NH2 è più vicino allo specchio, quindi nel riflesso sarà davanti e il gruppo -COOH sarà sullo sfondo, ecc. (vedi immagine a destra). Alanya esiste in due forme spaziali che, se sovrapposte, non si combinano tra loro.
L'universalità della seconda posizione della teoria della struttura dei composti chimici conferma l'esistenza degli isomeri inorganici.
Pertanto, la prima delle sintesi di sostanze organiche - la sintesi dell'urea, effettuata da Wöhler (1828), ha dimostrato che la sostanza inorganica - cianato di ammonio e la sostanza organica - urea sono isomeriche: 
Se sostituisci l'atomo di ossigeno nell'urea con un atomo di zolfo, ottieni la tiourea, che è isomerica del tiocianato di ammonio, un noto reagente per gli ioni Fe 3+. Ovviamente la tiourea non dà questa reazione qualitativa.
Terza posizione. Le proprietà delle sostanze dipendono dall'influenza reciproca degli atomi nelle molecole.
Ad esempio, nell'acido acetico solo uno dei quattro atomi di idrogeno reagisce con un alcali. Sulla base di ciò, si può presumere che solo un atomo di idrogeno sia legato all'ossigeno:
D'altra parte, dalla formula strutturale dell'acido acetico possiamo concludere che contiene un atomo di idrogeno mobile, cioè che è monobasico.
Per verificare l'universalità della posizione della teoria della struttura sulla dipendenza delle proprietà delle sostanze dall'influenza reciproca degli atomi nelle molecole, che esiste non solo nei composti organici, ma anche in quelli inorganici, confrontiamo le proprietà degli atomi di idrogeno nei composti idrogeno dei non metalli. Hanno una struttura molecolare e in condizioni normali sono gas o liquidi volatili. A seconda della posizione del non metallo nella tavola periodica di D.I. Mendeleev, si può identificare uno schema nel cambiamento delle proprietà di tali composti: 
Il metano non interagisce con l'acqua. La mancanza di proprietà di base del metano è spiegata dalla saturazione delle capacità di valenza dell'atomo di carbonio.
L'ammoniaca presenta proprietà basilari. La sua molecola è in grado di legare a sé uno ione idrogeno grazie alla sua attrazione verso la coppia elettronica solitaria dell'atomo di azoto (meccanismo di formazione del legame donatore-accettore).
La fosfina PH3 ha proprietà di base debolmente espresse, che sono associate al raggio dell'atomo di fosforo. È molto più grande del raggio dell'atomo di azoto, quindi l'atomo di fosforo attrae meno fortemente l'atomo di idrogeno.
Nei periodi da sinistra a destra, le cariche dei nuclei atomici aumentano, i raggi degli atomi diminuiscono, aumenta la forza repulsiva di un atomo di idrogeno con una carica positiva parziale §+ e quindi aumentano le proprietà acide dei composti dell'idrogeno dei non metalli. 
Nei sottogruppi principali, i raggi degli atomi degli elementi aumentano dall'alto verso il basso, gli atomi non metallici con 5- più deboli attraggono gli atomi di idrogeno con 5+, la forza dei composti dell'idrogeno diminuisce, si dissociano facilmente e quindi le loro proprietà acide aumento.
Le diverse capacità dei composti idrogeno dei non metalli di eliminare o aggiungere cationi idrogeno nelle soluzioni sono spiegate dall'influenza ineguale che l'atomo non metallico ha sugli atomi di idrogeno.
La diversa influenza degli atomi nelle molecole di idrossido formate da elementi dello stesso periodo spiega anche il cambiamento delle loro proprietà acido-base.
Le proprietà basiche degli ossidi idrossilici diminuiscono, e quelle acide aumentano, man mano che aumenta lo stato di ossidazione dell'atomo centrale, quindi, l'energia del suo legame con l'atomo di ossigeno (8-) e la sua repulsione con l'atomo di idrogeno (8+) aumenta.
Idrossido di sodio NaOH. Poiché il raggio dell'atomo di idrogeno è molto piccolo, è attratto più fortemente dall'atomo di ossigeno e il legame tra gli atomi di idrogeno e di ossigeno sarà più forte che tra gli atomi di sodio e di ossigeno. L'idrossido di alluminio Al(0H)3 presenta proprietà anfotere.
Nell'acido perclorico HClO 4, l'atomo di cloro con una carica positiva relativamente grande è legato più strettamente all'atomo di ossigeno e respinge più fortemente l'atomo di idrogeno con 6+. La dissociazione avviene in base al tipo di acido.
Principali direzioni di sviluppo della teoria della struttura dei composti chimici e suo significato
Al tempo di A.M. Butlerov, le formule empiriche (molecolari) e strutturali erano ampiamente utilizzate nella chimica organica. Questi ultimi riflettono l'ordine di connessione degli atomi in una molecola in base alla loro valenza, indicata da trattini.
Per facilitare la registrazione, vengono spesso utilizzate formule strutturali abbreviate, in cui i trattini indicano solo i legami tra atomi di carbonio o carbonio e ossigeno.
Formule strutturali abbreviate
Quindi, con lo sviluppo della conoscenza sulla natura dei legami chimici e sull'influenza della struttura elettronica delle molecole delle sostanze organiche sulle loro proprietà, iniziarono a utilizzare formule elettroniche in cui un legame covalente è convenzionalmente indicato da due punti. Tali formule spesso mostrano la direzione dello spostamento delle coppie di elettroni in una molecola.
È la struttura elettronica delle sostanze che spiega gli effetti mesomerici e induttivi.
L'effetto di induzione è lo spostamento delle coppie di elettroni dei legami gamma da un atomo all'altro a causa della loro diversa elettronegatività. Indicato con (->).
L'effetto di induzione di un atomo (o gruppo di atomi) è negativo (-/), se questo atomo ha un'elevata elettronegatività (alogeni, ossigeno, azoto), attrae gli elettroni del legame gamma e acquisisce una carica negativa parziale. Un atomo (o un gruppo di atomi) ha un effetto induttivo positivo (+/) se respinge gli elettroni del legame gamma. Alcuni radicali limitanti C2H5) hanno questa proprietà. Ricordate la regola di Markovnikov su come l’idrogeno e l’alogeno dell’alogenuro vengono aggiunti agli alcheni (propene) e capirete che questa regola è di natura particolare. Confronta queste due equazioni di reazione di esempio:
[[Teoria_della_struttura_dei_composti_chimici_A._M._Butlerov| 
]]
Nelle molecole delle singole sostanze compaiono simultaneamente sia effetti induttivi che mesomerici. In questo caso, si rafforzano a vicenda (nelle aldeidi, negli acidi carbossilici) o si indeboliscono a vicenda (nel cloruro di vinile).
Il risultato dell'influenza reciproca degli atomi nelle molecole è la ridistribuzione della densità elettronica.
L'idea della direzione spaziale dei legami chimici fu espressa per la prima volta dal chimico francese J. A. Le Bel e dal chimico olandese J. X. Van't Hoff nel 1874. Le ipotesi degli scienziati furono pienamente confermate dalla chimica quantistica. Le proprietà delle sostanze sono significativamente influenzate dalla struttura spaziale delle loro molecole. Ad esempio, abbiamo già fornito le formule degli isomeri cis e trans del butene-2, che differiscono nelle loro proprietà (vedi Fig. 16).
L'energia media di legame che deve essere spezzata durante la conversione da una forma all'altra è di circa 270 kJ/mol; Non esiste una quantità così grande di energia a temperatura ambiente. Per la transizione reciproca delle forme di butene-2 dall'una all'altra, è necessario rompere un legame covalente e formarne un altro in cambio. In altre parole, questo processo è un esempio di reazione chimica ed entrambe le forme di butene-2 discusse sono composti chimici diversi.
Ovviamente ricorderete che il problema più importante nella sintesi della gomma era ottenere una gomma con struttura stereoregolare. Era necessario creare un polimero in cui le unità strutturali fossero disposte in un ordine rigoroso (la gomma naturale, ad esempio, è composta solo da unità cis), perché da questo dipende una proprietà così importante della gomma come la sua elasticità.
La chimica organica moderna distingue due tipi principali di isomerismo: strutturale (isomeria della catena, isomerismo della posizione di legami multipli, isomerismo delle serie omologhe, isomerismo della posizione dei gruppi funzionali) e stereoisomeria (isomerismo geometrico o cis-trans, isomerismo ottico o a specchio ).
Avete così potuto verificare che la seconda posizione della teoria della struttura chimica, chiaramente formulata da A.M. Butlerov, era incompleta. Da un punto di vista moderno, questa disposizione richiede l’aggiunta:
le proprietà delle sostanze dipendono non solo dalla loro composizione qualitativa e quantitativa, ma anche dalla loro:
Chimico,
Elettronico,
Struttura spaziale.
La creazione della teoria della struttura delle sostanze ha svolto un ruolo vitale nello sviluppo della chimica organica. Da scienza prevalentemente descrittiva si trasforma in scienza creativa e sintetizzante, è diventato possibile giudicare l'influenza reciproca degli atomi nelle molecole di varie sostanze (vedi Tabella 10). La teoria della struttura ha creato i prerequisiti per spiegare e prevedere vari tipi di isomeria delle molecole organiche, nonché le direzioni e i meccanismi delle reazioni chimiche.
Sulla base di questa teoria, i chimici organici creano sostanze che non solo sostituiscono quelle naturali, ma le superano significativamente nelle loro proprietà. Pertanto, i coloranti sintetici sono molto migliori e più economici di molti naturali, ad esempio l'alizarina e l'indaco, conosciuti nell'antichità. Gomme sintetiche con un'ampia varietà di proprietà vengono prodotte in grandi quantità. La plastica e le fibre sono ampiamente utilizzate, i cui prodotti vengono utilizzati nella tecnologia, nella vita quotidiana, nella medicina e nell'agricoltura.
Il significato della teoria della struttura chimica di A.M. Butlerov per la chimica organica può essere paragonato al significato della legge periodica e della tavola periodica degli elementi chimici di D.I. Non per niente entrambe le teorie hanno così tanto in comune nelle modalità della loro formazione, nelle direzioni di sviluppo e nel significato scientifico generale. Tuttavia, nella storia di qualsiasi altra teoria scientifica leader (la teoria di Charles Darwin, la genetica, la teoria quantistica, ecc.) si possono trovare fasi generali simili.
1. Stabilire parallelismi tra le due principali teorie della chimica: la legge periodica e la tavola periodica degli elementi chimici di D. I. Mendeleev e la teoria della struttura chimica dei composti organici di A. M. Butlerov secondo le seguenti caratteristiche: comune nelle premesse, comune nelle direzioni del loro sviluppo, comuni nei ruoli prognostici.
2. Che ruolo ha giocato la teoria della struttura dei composti chimici nella formazione della legge periodica?
3. Quali esempi tratti dalla chimica inorganica confermano l'universalità di ciascuna delle disposizioni della teoria della struttura dei composti chimici?
4. L'acido fosforoso H3PO3 è un acido dibasico. Proporre la sua formula strutturale e considerare l'influenza reciproca degli atomi nella molecola di questo acido.
5. Scrivi gli isomeri con la composizione C3H8O. Assegna loro un nome utilizzando una nomenclatura sistematica. Determinare i tipi di isomeria.
6. Sono note le seguenti formule dei cristalli di cloruro di cromo (III) idrati: [Cr(H20)6]Cl3; [Cr(H20)5Cl]Cl2H20; [Cr(H20)4 * C12]Cl·2H2O. Come chiameresti il fenomeno descritto?
L'uomo ha imparato da tempo a utilizzare varie sostanze per preparare cibi, coloranti, vestiti e medicinali. Nel corso del tempo si è accumulata una quantità sufficiente di informazioni sulle proprietà di alcune sostanze, che ha permesso di migliorare i metodi per la loro produzione, lavorazione, ecc. E si è scoperto che molti minerali (sostanze inorganiche) possono essere ottenuti direttamente.
Ma alcune sostanze utilizzate dall'uomo non sono state da lui sintetizzate, perché ottenute da organismi viventi o piante. Queste sostanze erano chiamate organiche. Le sostanze organiche non potevano essere sintetizzate in laboratorio. All'inizio del XIX secolo si stava sviluppando attivamente una dottrina come il vitalismo (vita - life), secondo la quale le sostanze organiche nascono solo grazie alla “forza vitale” ed è impossibile crearle “artificialmente”.
Ma col passare del tempo e lo sviluppo della scienza, apparvero nuovi fatti sulle sostanze organiche che andavano contro la teoria vitalista esistente.
Nel 1824, lo scienziato tedesco F. Wöhler sintetizzato per la prima volta nella storia della scienza chimica l’acido ossalico – materia organica da sostanze inorganiche (cianogeno e acqua):
(CN) 2 + 4H 2 O → COOH - COOH + 2NH 3
Nel 1828 Wöller riscaldò il cianato di sodio con zolfo di ammonio e urea sintetizzata - prodotto di scarto di organismi animali:
NaOCN + (NH 4) 2 SO 4 → NH 4 OCN → NH 2 OCNH 2
Queste scoperte hanno svolto un ruolo importante nello sviluppo della scienza in generale e della chimica in particolare. Gli scienziati chimici iniziarono gradualmente ad allontanarsi dall'insegnamento vitalistico e il principio di dividere le sostanze in organiche e inorganiche rivelò la sua incoerenza.
Attualmente sostanze Ancora divisi in organici e inorganici, ma il criterio di separazione è leggermente diverso.
Le sostanze sono chiamate organiche contenenti carbonio, sono anche chiamati composti del carbonio. Esistono circa 3 milioni di tali composti, i restanti composti sono circa 300mila.
Le sostanze che non contengono carbonio sono chiamate inorganiche E. Ma ci sono delle eccezioni alla classificazione generale: esistono numerosi composti che contengono carbonio, ma appartengono a sostanze inorganiche (monossido e biossido di carbonio, disolfuro di carbonio, acido carbonico e suoi sali). Tutti sono simili per composizione e proprietà ai composti inorganici.
Nel corso dello studio delle sostanze organiche sono sorte nuove difficoltà: sulla base delle teorie sulle sostanze inorganiche, è impossibile rivelare le regolarità della struttura dei composti organici e spiegare la valenza del carbonio. Il carbonio in diversi composti aveva valenze diverse.
Nel 1861, lo scienziato russo A.M. Butlerov fu il primo a sintetizzare una sostanza zuccherina.
Quando si studiano gli idrocarburi, SONO. Butlerov si resero conto che rappresentano una classe di sostanze chimiche del tutto speciale. Analizzando la loro struttura e proprietà, lo scienziato ha identificato diversi modelli. Costituirono la base del teorie della struttura chimica.
1. La molecola di qualsiasi sostanza organica non è casuale; gli atomi nelle molecole sono collegati tra loro in una certa sequenza in base alle loro valenze. Il carbonio nei composti organici è sempre tetravalente.
2. La sequenza di legami interatomici in una molecola è chiamata la sua struttura chimica e si riflette in una formula strutturale (formula strutturale).
3. La struttura chimica può essere determinata utilizzando metodi chimici. (Attualmente vengono utilizzati anche metodi fisici moderni).
4. Le proprietà delle sostanze dipendono non solo dalla composizione delle molecole della sostanza, ma dalla loro struttura chimica (la sequenza di combinazione di atomi di elementi).
5. Dalle proprietà di una data sostanza si può determinare la struttura della sua molecola e dalla struttura della molecola – anticipare le proprietà.
6. Atomi e gruppi di atomi in una molecola esercitano un'influenza reciproca.
Questa teoria divenne il fondamento scientifico della chimica organica e ne accelerò lo sviluppo. Sulla base di quanto previsto dalla teoria, A.M. Butlerov ha descritto e spiegato il fenomeno isomeria, predisse l'esistenza di vari isomeri e ne ottenne alcuni per la prima volta.
Consideriamo la struttura chimica dell'etano – C2H6. Dopo aver designato la valenza degli elementi con trattini, rappresenteremo la molecola di etano nell'ordine di connessione degli atomi, cioè scriveremo la formula strutturale. Secondo la teoria di A.M. Butlerov, avrà la seguente forma:
Gli atomi di idrogeno e carbonio sono legati in un'unica particella, la valenza dell'idrogeno è uguale a uno e quella del carbonio – quattro. Due atomi di carbonio collegati da un legame di carbonio – carbonio (c – CON). Capacità del carbonio di formare C – Il legame C è comprensibile in base alle proprietà chimiche del carbonio. L'atomo di carbonio ha quattro elettroni sul suo strato elettronico esterno; la capacità di cedere elettroni è la stessa di acquisire quelli mancanti. Pertanto, il carbonio forma molto spesso composti con un legame covalente, cioè a causa della formazione di coppie di elettroni con altri atomi, inclusi atomi di carbonio tra loro.
Questo è uno dei motivi della diversità dei composti organici.
I composti che hanno la stessa composizione ma strutture diverse sono chiamati isomeri. Il fenomeno dell'isomeria – uno dei motivi della diversità dei composti organici
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Argomento: principi di base della teoria della struttura dei composti organici di A. M. Butlerov.
La teoria della struttura chimica dei composti organici, avanzata da A. M. Butlerov nella seconda metà del secolo scorso (1861), fu confermata dal lavoro di molti scienziati, compresi gli studenti di Butlerov e lui stesso. Sulla base di esso è stato possibile spiegare molti fenomeni che non erano ancora stati interpretati: l'omologia, la manifestazione della tetravalenza da parte degli atomi di carbonio nelle sostanze organiche. La teoria ha anche svolto la sua funzione predittiva: sulla base di essa gli scienziati hanno predetto l'esistenza di composti ancora sconosciuti, ne hanno descritto le proprietà e li hanno scoperti. Quindi, nel 1862-1864. A. M. Butlerov esaminò gli alcoli propilico, butilico e amilico, determinò il numero di possibili isomeri e derivò le formule di queste sostanze. La loro esistenza fu successivamente dimostrata sperimentalmente e alcuni isomeri furono sintetizzati dallo stesso Butlerov.
Durante il 20 ° secolo. le disposizioni della teoria della struttura chimica dei composti chimici sono state sviluppate sulla base di nuove visioni che si sono diffuse nella scienza: la teoria della struttura atomica, la teoria dei legami chimici, idee sui meccanismi delle reazioni chimiche. Attualmente questa teoria è universale, vale cioè non solo per le sostanze organiche, ma anche per quelle inorganiche.
Prima posizione. Gli atomi nelle molecole sono combinati in un ordine specifico in base alla loro valenza. Il carbonio in tutti i composti organici e nella maggior parte dei composti inorganici è tetravalente.
Ovviamente l’ultima parte della prima posizione della teoria può essere facilmente spiegata dal fatto che nei composti gli atomi di carbonio si trovano in uno stato eccitato:
Gli atomi di carbonio tetravalenti possono combinarsi tra loro per formare diverse catene:
L'ordine di connessione degli atomi di carbonio nelle molecole può essere diverso e dipende dal tipo di legame chimico covalente tra gli atomi di carbonio: singolo o multiplo (doppio e triplo):
Questa posizione spiega il fenomeno.
Le sostanze che hanno la stessa composizione, ma diverse strutture chimiche o spaziali, e quindi diverse proprietà, sono chiamate isomeri.
Tipi principali:
Isomeria strutturale, in cui le sostanze differiscono nell'ordine di legame degli atomi nelle molecole: scheletro di carbonio
Terza posizione. Le proprietà delle sostanze dipendono dall'influenza reciproca degli atomi nelle molecole.
Ad esempio, nell'acido acetico solo uno dei quattro atomi di idrogeno reagisce con un alcali. Sulla base di ciò, si può presumere che solo un atomo di idrogeno sia legato all'ossigeno:
D'altra parte, dalla formula strutturale dell'acido acetico possiamo concludere che contiene un atomo di idrogeno mobile, cioè che è monobasico.Le principali direzioni di sviluppo della teoria della struttura dei composti chimici e il suo significato.
Al tempo di A.M. Butlerov, la chimica organica era ampiamente utilizzata
formule empiriche (molecolari) e strutturali. Questi ultimi riflettono l'ordine di connessione degli atomi in una molecola in base alla loro valenza, indicata da trattini.
Per facilitare la registrazione, vengono spesso utilizzate formule strutturali abbreviate, in cui i trattini indicano solo i legami tra atomi di carbonio o carbonio e ossigeno.
E fibre, i cui prodotti vengono utilizzati nella tecnologia, nella vita quotidiana, nella medicina e nell'agricoltura. Il significato della teoria della struttura chimica di A.M. Butlerov per la chimica organica può essere paragonato al significato della legge periodica e della tavola periodica degli elementi chimici di D.I. Non per niente entrambe le teorie hanno così tanto in comune nelle modalità della loro formazione, nelle direzioni di sviluppo e nel significato scientifico generale.
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 Kekulé 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 menzionata 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.
Teoria della struttura dei composti organici: omologia e isomeria (strutturale e spaziale). Influenza reciproca degli atomi nelle molecole
Teoria della struttura chimica dei composti organici di A. M. Butlerov
Proprio come per la chimica inorganica la base dello sviluppo è la legge periodica e la tavola periodica degli elementi chimici di D. I. Mendeleev, per la chimica organica divenne fondamentale la teoria della struttura dei composti organici di A. M. Butlerov.
Il postulato principale della teoria di Butlerov è la posizione riguardo struttura chimica di una sostanza, che si riferisce all'ordine, alla sequenza della connessione reciproca degli atomi nelle molecole, ad es. legame chimico.
La struttura chimica si riferisce all'ordine di combinazione degli atomi degli elementi chimici in una molecola in base alla loro valenza.
Questo ordine può essere visualizzato utilizzando formule strutturali in cui le valenze degli atomi sono indicate da trattini: un trattino corrisponde all'unità di valenza di un atomo di un elemento chimico. Ad esempio, per la sostanza organica metano, che ha la formula molecolare $CH_4$, la formula di struttura è simile alla seguente:
Le principali disposizioni della teoria di A. M. Butlerov
- Gli atomi nelle molecole delle sostanze organiche sono legati tra loro 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.
- Le proprietà delle sostanze sono determinate non solo dalla loro composizione qualitativa e quantitativa, ma anche dall'ordine di connessione degli atomi nella molecola, cioè dalla struttura chimica della sostanza.
- Le proprietà dei composti organici dipendono non solo dalla composizione della sostanza e dall'ordine di connessione degli atomi nella sua molecola, ma anche dall'influenza reciproca di atomi e gruppi di atomi l'uno sull'altro.
La teoria della struttura dei composti organici è una dottrina dinamica e in via di sviluppo. Man mano che si sviluppavano le conoscenze sulla natura dei legami chimici e sull'influenza della struttura elettronica delle molecole delle sostanze organiche, si cominciò a utilizzare, oltre a empirico E strutturale, elettronico formule. Tali formule indicano la direzione dello spostamento delle coppie di elettroni nella molecola.
La chimica quantistica e la chimica della struttura dei composti organici hanno confermato la dottrina della direzione spaziale dei legami chimici ( cis- E isomeria trans), ha studiato le caratteristiche energetiche delle transizioni reciproche negli isomeri, ha permesso di giudicare l'influenza reciproca degli atomi nelle molecole di varie sostanze e ha creato i prerequisiti per prevedere i tipi di isomeria, la direzione e il meccanismo delle reazioni chimiche.
Le sostanze organiche hanno una serie di caratteristiche:
- Tutte le sostanze organiche contengono carbonio e idrogeno, quindi quando bruciano formano anidride carbonica e acqua.
- Le sostanze organiche sono complesse e possono avere un peso molecolare enorme (proteine, grassi, carboidrati).
- Le sostanze organiche possono essere disposte in file di omologhi simili per composizione, struttura e proprietà.
- Per le sostanze organiche è caratteristico isomeria.
Isomeria e omologia delle sostanze organiche
Le proprietà delle sostanze organiche dipendono non solo dalla loro composizione, ma anche dall'ordine di connessione degli atomi nella molecola.
Isomeria- questo è il fenomeno dell'esistenza di sostanze diverse - isomeri con la stessa composizione qualitativa e quantitativa, vale a dire con la stessa formula molecolare.
Esistono due tipi di isomeria: strutturale E spaziale (stereoisomeria). Gli isomeri strutturali differiscono tra loro nell'ordine di legame degli atomi nella molecola; stereoisomeri: la disposizione degli atomi nello spazio con lo stesso ordine di legami tra loro.
Si distinguono i seguenti tipi di isomerismo strutturale: isomerismo dello scheletro del carbonio, isomerismo posizionale, isomerismo di varie classi di composti organici (isomerismo interclasse).
Isomeria strutturale
Isomeria dello scheletro carboniosoè dovuto al diverso ordine di legami tra gli atomi di carbonio che costituiscono lo scheletro della molecola. Come già mostrato, la formula molecolare $C_4H_(10)$ corrisponde a due idrocarburi: n-butano e isobutano. Per l'idrocarburo $С_5Н_(12)$ sono possibili tre isomeri: pentano, isopentano e neopentano:
$CH_3-CH_2-(CH_2)↙(pentano)-CH_2-CH_3$
All’aumentare del numero di atomi di carbonio in una molecola, il numero di isomeri aumenta rapidamente. Per l'idrocarburo $С_(10)Н_(22)$ ci sono già 75$, mentre per l'idrocarburo $С_(20)Н_(44)$ - 366.319$.
Isomeria di posizioneè causato da diverse posizioni del legame multiplo, sostituente, gruppo funzionale con lo stesso scheletro carbonioso della molecola:
$CH_2=(CH-CH_2)↙(butene-1)-CH_3$ $CH_3-(CH=CH)↙(butene-2)-CH_3$
$(CH_3-CH_2-CH_2-OH)↙(alcol n-propilico(propanolo-1))$
Isomeria di varie classi di composti organici (isomerismo interclasse)è causato da diverse posizioni e combinazioni di atomi nelle molecole di sostanze che hanno la stessa formula molecolare, ma appartengono a classi diverse. Pertanto, la formula molecolare $C_6H_(12)$ corrisponde all'idrocarburo insaturo esene-1 e all'idrocarburo ciclico cicloesano:
Gli isomeri sono un idrocarburo correlato agli alchini - butino-1 e un idrocarburo con due doppi legami nella catena butadiene-1,3:
$CH≡C-(CH_2)↙(butino-1)-CH_2$ $CH_2=(CH-CH)↙(butadiene-1,3)=CH_2$
L'etere etilico e l'alcol butilico hanno la stessa formula molecolare $C_4H_(10)O$:
$(CH_3CH_2OCH_2CH_3)↙(\text"etere etilico")$ $(CH_3CH_2CH_2CH_2OH)↙(\text"alcol n-butilico (1-butanolo)")$
Gli isomeri strutturali sono l'acido amminoacetico e il nitroetano, corrispondenti alla formula molecolare $C_2H_5NO_2$:
Isomeri di questo tipo contengono diversi gruppi funzionali e appartengono a diverse classi di sostanze. Pertanto, differiscono nelle proprietà fisiche e chimiche molto più degli isomeri dello scheletro di carbonio o degli isomeri posizionali.
Isomeria spaziale
Isomeria spaziale si divide in due tipologie: geometrica e ottica. L'isomeria geometrica è caratteristica dei composti contenenti doppi legami e dei composti ciclici. Poiché la libera rotazione degli atomi attorno a un doppio legame o in un anello è impossibile, i sostituenti possono trovarsi su un lato del piano del doppio legame o dell'anello ( cis-posizione), o su lati opposti ( trance-posizione). Designazioni cis- E trance- solitamente indicato come una coppia di sostituenti identici:
Gli isomeri geometrici differiscono nelle proprietà fisiche e chimiche.
Isomeria ottica si verifica quando la molecola è incompatibile con la sua immagine allo specchio. Ciò è possibile quando l'atomo di carbonio nella molecola ha quattro diversi sostituenti. Questo atomo si chiama asimmetrico. Un esempio di tale molecola è la molecola di acido $α$-amminopropionico ($α$-alanina) $CH_3CH(NH_2)COOH$.
La molecola $α$-alanina non può coincidere con la sua immagine speculare, qualunque sia il modo in cui si muove. Tali isomeri spaziali sono chiamati specchio, antipodi ottici, O enantiomeri. Tutte le proprietà fisiche e quasi tutte le proprietà chimiche di tali isomeri sono identiche.
Lo studio dell'isomeria ottica è necessario se si considerano molte reazioni che si verificano nel corpo. La maggior parte di queste reazioni avvengono sotto l'azione di enzimi - catalizzatori biologici. Le molecole di queste sostanze devono adattarsi alle molecole dei composti su cui agiscono, come una chiave in una serratura; pertanto, la struttura spaziale, la disposizione relativa delle sezioni delle molecole e altri fattori spaziali sono di grande importanza per il decorso; queste reazioni. Tali reazioni sono chiamate stereoselettivo.
La maggior parte dei composti naturali sono enantiomeri individuali e la loro azione biologica differisce nettamente dalle proprietà dei loro antipodi ottici ottenuti in laboratorio. Una tale differenza nell'attività biologica è di grande importanza, poiché è alla base della proprietà più importante di tutti gli organismi viventi: il metabolismo.
Serie omologheè una serie di sostanze disposte in ordine crescente di massa molecolare relativa, simili per struttura e proprietà chimiche, dove ciascun membro differisce dal precedente per la differenza omologa $CH_2$. Ad esempio: $CH_4$ - metano, $C_2H_6$ - etano, $C_3H_8$ - propano, $C_4H_(10)$ - butano, ecc.
Tipi di legami nelle molecole delle sostanze organiche. Ibridazione degli orbitali atomici del carbonio. Radicale. Gruppo funzionale.
Tipi di legami nelle molecole delle sostanze organiche.
Nei composti organici il carbonio è sempre tetravalente. Nello stato eccitato, una coppia di elettroni $2s^3$ si rompe nel suo atomo e uno di essi si sposta nell'orbitale p:
Un tale atomo ha quattro elettroni spaiati e può partecipare alla formazione di quattro legami covalenti.
Sulla base della formula elettronica data per il livello di valenza di un atomo di carbonio, ci si aspetterebbe che contenga un elettrone $s$ (orbitale sferico simmetrico) e tre elettroni $p$ aventi orbitali reciprocamente perpendicolari ($2р_х, 2р_у, 2p_z $- orbitale). In realtà, tutti e quattro gli elettroni di valenza dell'atomo di carbonio del tutto equivalente e gli angoli tra i loro orbitali sono pari a $109°28"$. Inoltre, i calcoli mostrano che ciascuno dei quattro legami chimici del carbonio in una molecola di metano ($CH_4$) è $25%$ $s-$ e $75%$ $p $-connessione, cioè miscelazione$s-$ e $p-$ stati degli elettroni. Questo fenomeno si chiama ibridazione, e orbitali misti - ibrido.
Un atomo di carbonio nello stato di valenza $sp^3$ ha quattro orbitali, ciascuno dei quali contiene un elettrone. Secondo la teoria dei legami covalenti, ha la capacità di formare quattro legami covalenti con atomi di qualsiasi elemento monovalente ($CH_4, CHCl_3, CCl_4$) o con altri atomi di carbonio. Tali connessioni sono chiamate connessioni $σ$. Se un atomo di carbonio ha un legame $C-C$, allora viene chiamato primario($Н_3С-СН_3$), se due - secondario($Н_3С-СН_2-СН_3$), se tre - terziario (
), e se quattro - quaternario (
).
Una delle caratteristiche degli atomi di carbonio è la loro capacità di formare legami chimici condividendo solo elettroni $p$. Tali connessioni sono chiamate connessioni $π$. I legami $π$ nelle molecole di composti organici si formano solo in presenza di legami $σ$ tra gli atomi. Pertanto, nella molecola di etilene $H_2C=CH_2$ gli atomi di carbonio sono collegati da $σ-$ e un legame $π$, nella molecola di acetilene $HC=CH$ - da un legame $σ-$ e due $π$ . Vengono chiamati i legami chimici formati con la partecipazione di obbligazioni $π$ multipli(in una molecola di etilene - raddoppiare, in una molecola di acetilene - triplicare) e composti con legami multipli - insaturo.
Fenomeno$sp^3$-, $sp^2$- E$sp$ - ibridazione dell'atomo di carbonio.
Quando si formano i legami $π$, lo stato ibrido degli orbitali atomici dell'atomo di carbonio cambia. Poiché la formazione di legami $π$ avviene a causa degli elettroni p, nelle molecole con un doppio legame gli elettroni avranno un'ibridazione $sp^2$ (c'era $sp^3$, ma un elettrone p va a $π$- orbitale), e con una tripla ibridazione $sp$ (due elettroni p sono andati all'orbitale $π$). La natura dell’ibridazione cambia la direzione dei legami $σ$. Se durante l'ibridazione $sp^3$ formano strutture spazialmente ramificate ($a$), allora durante l'ibridazione $sp^2$ tutti gli atomi giacciono sullo stesso piano e gli angoli tra i legami $σ$ sono pari a $120° $(b) , e con $sp$-ibridazione la molecola è lineare (c):
In questo caso, gli assi degli orbitali $π$ sono perpendicolari all'asse del legame $σ$.
Entrambi i legami $σ$ e $π$ sono covalenti, il che significa che devono essere caratterizzati da lunghezza, energia, direzione spaziale e polarità.
Caratteristiche dei legami singoli e multipli tra atomi di C.
Radicale. Gruppo funzionale.
Una delle caratteristiche dei composti organici è che nelle reazioni chimiche le loro molecole si scambiano non singoli atomi, ma gruppi di atomi. Se questo gruppo di atomi è costituito solo da atomi di carbonio e idrogeno, allora viene chiamato radicale idrocarburico, se ha atomi di altri elementi, allora si chiama gruppo funzionale. Quindi, ad esempio, il metile ($СН_3$-) e l'etile ($С_2Н_5$-) sono radicali idrocarburici, mentre il gruppo idrossi (-$ОН$), il gruppo aldeidico ( 
), gruppo nitro (-$NO_2$), ecc. sono i gruppi funzionali rispettivamente di alcoli, aldeidi e composti contenenti azoto.
Tipicamente il gruppo funzionale determina le proprietà chimiche di un composto organico ed è quindi la base per la loro classificazione.