Vrsta vodika:
Takšne formule so nekoliko podobne sodobnim. Toda zagovorniki teorije tipa niso menili, da odražajo resnično strukturo snovi in so za eno spojino napisali veliko različnih formul, odvisno od kemijskih reakcij, ki so jih poskušali napisati s temi formulami. Menili so, da je struktura molekul v osnovi nespoznavna, kar je škodilo razvoju znanosti.
3. J. Berzelius je leta 1830 uvedel izraz "izomerija" za pojav obstoja snovi enake sestave z različnimi lastnostmi.
4. Napredek v sintezi organskih spojin, zaradi katerega je bil razblinjen nauk o vitalizmu, to je o »življenjski sili«, pod vplivom katere naj bi se tvorile organske snovi v telesu živih bitij:
Leta 1828 je F. Wöhler sintetiziral sečnino iz anorganske snovi (amonijev cianat);
Leta 1842 je ruski kemik N.N. Zinin dobil anilin;
Leta 1845 je nemški kemik A. Kolbe sintetiziral ocetno kislino;
Leta 1854 je francoski kemik M. Berthelot sintetiziral maščobe in končno
Leta 1861 je A.M. Butlerov sam sintetiziral sladkorju podobno snov.
5. Sredi 18. stol. kemija postane bolj stroga znanost. Kot rezultat dela E. Franklanda in A. Kekule je bil uveljavljen koncept valence atomov kemičnih elementov. Kekule je razvil idejo o štirivalentnosti ogljika. Zahvaljujoč Cannizzarovim delom so pojmi atomske in molekularne mase postali jasnejši, razjasnjeni so bili njihovi pomeni in metode določanja.
Leta 1860 se je več kot 140 vodilnih kemikov iz različnih evropskih držav zbralo na mednarodnem kongresu v Karlsruheju. Kongres je postal zelo pomemben dogodek v zgodovini kemije: povzeti so bili uspehi znanosti in pripravljeni pogoji za novo stopnjo v razvoju organske kemije - nastanek teorije o kemijski strukturi organskih snovi A. M. Butlerova (1861) , kot tudi za temeljno odkritje D. I. Mendelejeva - Periodični zakon in sistem kemičnih elementov (1869).
Leta 1861 je A. M. Butlerov govoril na kongresu zdravnikov in naravoslovcev v Speyerju s poročilom "O kemijski zgradbi teles". V njem je orisal temelje svoje teorije o kemijski zgradbi organskih spojin. Po kemijski strukturi je znanstvenik razumel vrstni red povezovanja atomov v molekulah.
Osebne lastnosti A. M. Butlerova
A. M. Butlerov je odlikoval enciklopedično kemijsko znanje, sposobnost analiziranja in posploševanja dejstev ter napovedovanja. Napovedal je obstoj izomera butana in ga nato dobil, pa tudi izomera butilena – izobutilena.
Butlerov Aleksander Mihajlovič (1828-1886)
Ruski kemik, akademik Sankt Peterburške akademije znanosti (od 1874). Diplomiral na univerzi v Kazanu (1849). Tam je deloval (od 1857 - profesor, 1860 in 1863 - rektor). Ustvarjalec teorije kemijske zgradbe organskih spojin, ki je osnova sodobne kemije. Utemeljil je idejo o medsebojnem vplivu atomov v molekuli. Napovedal in razložil izomerijo mnogih organskih spojin. Napisal "Uvod v celovit študij organske kemije" (1864), prvi priročnik v zgodovini znanosti, ki temelji na teoriji kemijske strukture. Predsednik oddelka za kemijo Ruskega fizikalno-kemijskega društva (1878-1882).
A. M. Butlerov je ustvaril prvo šolo organskih kemikov v Rusiji, iz katere so izšli sijajni znanstveniki: V. V. Markovnikov, D. P. Konovalov, A. E. Favorsky in drugi.
Ni čudno, da je D.I. Mendelejev zapisal: »A. M. Butlerov je eden največjih ruskih znanstvenikov, Rus je tako po svoji znanstveni izobrazbi kot po izvirnosti svojih del.«
Osnovna načela teorije zgradbe kemičnih spojin
Teorijo o kemijski strukturi organskih spojin, ki jo je predstavil A. M. Butlerov v drugi polovici prejšnjega stoletja (1861), so potrdila dela mnogih znanstvenikov, vključno z učenci Butlerova in njim samim. Izkazalo se je, da je na njegovi podlagi mogoče razložiti številne pojave, ki še niso bili interpretirani: izomerija, homologija, manifestacija tetravalentnosti ogljikovih atomov v organskih snoveh. Teorija je izpolnila tudi svojo napovedno funkcijo: na njeni podlagi so znanstveniki napovedali obstoj še neznanih spojin, opisali njihove lastnosti in jih odkrili.
Torej, v letih 1862-1864. A. M. Butlerov je preučil izomerije propilnih, butilnih in amilnih alkoholov, določil število možnih izomerov in izpeljal formule teh snovi. Njihov obstoj je bil pozneje eksperimentalno dokazan, nekatere izomere pa je sintetiziral sam Butlerov.
Med 20. stol. določbe teorije kemijske strukture kemičnih spojin so bile razvite na podlagi novih pogledov, ki so se razširili v znanosti: teorija atomske zgradbe, teorija kemijskih vezi, ideje o mehanizmih kemijskih reakcij. Trenutno je ta teorija univerzalna, to pomeni, da velja ne le za organske snovi, ampak tudi za anorganske.
Prvi položaj. Atomi v molekulah so združeni v določenem vrstnem redu glede na njihovo valenco. Ogljik v vseh organskih in večini anorganskih spojin je štirivalenten.
Očitno je zadnji del prvega položaja teorije mogoče enostavno razložiti z dejstvom, da so v spojinah ogljikovi atomi v vzbujenem stanju: 
a) štirivalentni ogljikovi atomi se lahko povezujejo med seboj in tvorijo različne verige:
Odprta razvejana
- odprta nerazvejana
- zaprto
b) vrstni red povezovanja ogljikovih atomov v molekulah je lahko različen in je odvisen od vrste kovalentne kemične vezi med ogljikovimi atomi - enojne ali večkratne (dvojne in trojne).
Drugi položaj. Lastnosti snovi niso odvisne samo od njihove kvalitativne in kvantitativne sestave, ampak tudi od zgradbe njihovih molekul.
To stališče pojasnjuje pojav izomerizma. Snovi, ki imajo enako sestavo, vendar različno kemijsko ali prostorsko strukturo in s tem različne lastnosti, imenujemo izomeri. Glavne vrste izomerije:
Strukturna izomerija, pri kateri se snovi razlikujejo po vrstnem redu vezave atomov v molekulah:
1) izomerija ogljikovega skeleta 
3) izomerija homolognih serij (medrazred) 
Prostorska izomerija, pri kateri se molekule snovi razlikujejo ne po vrstnem redu vezave atomov, temveč po položaju v prostoru: cis-trans izomerija (geometrična).
Ta izomerija je značilna za snovi, katerih molekule imajo ravno strukturo: alkene, cikloalkane itd.
Prostorska izomerija vključuje tudi optično (zrcalno) izomerijo.
Štiri enojne vezi okoli ogljikovega atoma so, kot že veste, razporejene tetraedrično. Če je ogljikov atom vezan na štiri različne atome ali skupine, potem so možne različne razporeditve teh skupin v prostoru, torej dve prostorski izomerni obliki.
Na sliki 17 sta prikazani dve zrcalni obliki aminokisline alanin (2-aminopropanojska kislina).
Predstavljajte si, da je molekula alanina postavljena pred ogledalo. Skupina -NH2 je bližje ogledalu, zato bo v odsevu spredaj, skupina -COOH pa v ozadju itd. (glej sliko desno). Alanya obstaja v dveh prostorskih oblikah, ki se med seboj ne združujeta.
Univerzalnost drugega položaja teorije o strukturi kemičnih spojin potrjuje obstoj anorganskih izomerov.
Tako je prva od sintez organskih snovi - sinteza sečnine, ki jo je izvedel Wöhler (1828), pokazala, da sta anorganska snov - amonijev cianat in organska snov - sečnina izomerni: 
Če atom kisika v sečnini zamenjate z atomom žvepla, dobite tiosečnino, ki je izomerna amonijevemu tiocianatu, dobro znanemu reagentu za ione Fe 3+. Očitno je, da tiosečnina ne daje te kvalitativne reakcije.
Tretji položaj. Lastnosti snovi so odvisne od medsebojnega vpliva atomov v molekulah.
Na primer, v ocetni kislini samo eden od štirih vodikovih atomov reagira z alkalijo. Na podlagi tega lahko domnevamo, da je samo en vodikov atom vezan na kisik:
Po drugi strani pa lahko iz strukturne formule ocetne kisline sklepamo, da vsebuje en mobilni atom vodika, to je, da je enobazna.
Da bi preverili univerzalnost stališča teorije strukture o odvisnosti lastnosti snovi od medsebojnega vpliva atomov v molekulah, ki obstaja ne samo v organskih, ampak tudi v anorganskih spojinah, primerjajmo lastnosti vodikovih atomov v vodikovih spojinah nekovin. Imajo molekularno strukturo in so v normalnih pogojih plini ali hlapne tekočine. Glede na položaj nekovine v periodnem sistemu D.I. Mendelejeva je mogoče ugotoviti vzorec v spremembi lastnosti takšnih spojin: 
Metan ne deluje z vodo. Pomanjkanje osnovnih lastnosti metana je razloženo z nasičenostjo valenčnih sposobnosti ogljikovega atoma.
Amoniak ima bazične lastnosti. Njegova molekula je sposobna vezati vodikov ion nase zaradi privlačnosti do osamljenega elektronskega para atoma dušika (donorsko-akceptorski mehanizem tvorbe vezi).
Fosfin PH3 ima šibko izražene bazične lastnosti, kar je povezano s polmerom fosforjevega atoma. Je veliko večji od polmera atoma dušika, zato atom fosforja manj močno privlači atom vodika.
V periodah od leve proti desni se povečajo naboji atomskih jeder, zmanjšajo polmeri atomov, poveča se odbojna sila atoma vodika z delnim pozitivnim nabojem §+, zato se povečajo kisle lastnosti vodikovih spojin nekovin. 
V glavnih podskupinah se polmeri atomov elementov povečujejo od zgoraj navzdol, atomi nekovin s 5- šibkejšimi privlačijo atome vodika s 5+, moč vodikovih spojin se zmanjša, zlahka disociirajo, zato njihove kisle lastnosti povečanje.
Različne sposobnosti vodikovih spojin nekovin za eliminacijo ali dodajanje vodikovih kationov v raztopinah so razložene z neenakim vplivom, ki ga ima atom nekovine na atome vodika.
Različen vpliv atomov v molekulah hidroksida, ki jih tvorijo elementi iste periode, pojasnjuje tudi spremembo njihovih kislinsko-bazičnih lastnosti.
Bazične lastnosti hidroksilnih oksidov se zmanjšajo, kisle lastnosti pa se povečajo, ko se poveča oksidacijsko stanje centralnega atoma, zato se energija njegove vezave z atomom kisika (8-) in njegovega odbijanja atoma vodika (8+) zmanjša. poveča.
Natrijev hidroksid NaOH. Ker je polmer vodikovega atoma zelo majhen, ga močneje privlači atom kisika in vez med atomoma vodika in kisika bo močnejša kot med atomoma natrija in kisika. Aluminijev hidroksid Al(0H)3 kaže amfoterične lastnosti.
V perklorovi kislini HClO 4 je atom klora z relativno velikim pozitivnim nabojem tesneje vezan na atom kisika in močneje odbija atom vodika s 6+. Disociacija poteka glede na vrsto kisline.
Glavne smeri razvoja teorije strukture kemičnih spojin in njen pomen
V času A.M. Butlerova so se v organski kemiji široko uporabljale empirične (molekularne) in strukturne formule. Slednje odražajo vrstni red povezovanja atomov v molekuli glede na njihovo valenco, ki je označena s črticami.
Zaradi lažjega zapisa se pogosto uporabljajo skrajšane strukturne formule, v katerih pomišljaji označujejo le vezi med ogljikovimi atomi ali ogljikom in kisikom.
Skrajšane strukturne formule
Potem, ko se je razvilo znanje o naravi kemijskih vezi in vplivu elektronske zgradbe molekul organskih snovi na njihove lastnosti, so začeli uporabljati elektronske formule, v katerih je kovalentna vez običajno označena z dvema pikama. Takšne formule pogosto prikazujejo smer premikanja elektronskih parov v molekuli.
Elektronska struktura snovi pojasnjuje mezomerne in induktivne učinke.
Učinek indukcije je premik elektronskih parov vezi gama iz enega atoma v drugega zaradi njihove različne elektronegativnosti. Označeno z (->).
Indukcijski učinek atoma (ali skupine atomov) je negativen (-/), če ima ta atom visoko elektronegativnost (halogeni, kisik, dušik), privlači elektrone vezi gama in pridobi delni negativni naboj. Atom (ali skupina atomov) ima pozitiven induktivni učinek (+/), če odbija elektrone vezi gama. To lastnost imajo nekateri omejevalni radikali C2H5). Spomnite se Markovnikovega pravila o tem, kako alkenom (propenu) dodajamo vodik in halogen vodikovega halogena, in razumeli boste, da je to pravilo posebne narave. Primerjajte ti dve reakcijski enačbi:
[[Teorija_strukture_kemijskih_spojin_A._M._Butlerov| 
]]
V molekulah posameznih snovi se istočasno pojavljata induktivni in mezomerni učinek. V tem primeru se medsebojno krepijo (pri aldehidih, karboksilnih kislinah) ali oslabijo (pri vinilkloridu).
Posledica medsebojnega vplivanja atomov v molekulah je prerazporeditev elektronske gostote.
Zamisel o prostorski usmeritvi kemičnih vezi sta prvič izrazila francoski kemik J. A. Le Bel in nizozemski kemik J. X. Van't Hoff leta 1874. Predpostavke znanstvenikov je v celoti potrdila kvantna kemija. Na lastnosti snovi pomembno vpliva prostorska zgradba njihovih molekul. Na primer, že smo podali formule cis- in trans-izomerov butena-2, ki se razlikujejo po svojih lastnostih (glej sliko 16).
Povprečna energija vezi, ki se mora prekiniti pri pretvorbi iz ene oblike v drugo, je približno 270 kJ/mol; Pri sobni temperaturi ni tako velike količine energije. Za medsebojni prehod oblik butena-2 iz ene v drugo je potrebno prekiniti eno kovalentno vez in v zameno oblikovati drugo. Z drugimi besedami, ta proces je primer kemične reakcije in obe obravnavani obliki butena-2 sta različni kemični spojini.
Očitno se spomnite, da je bila najpomembnejša težava pri sintezi kavčuka pridobivanje kavčuka s stereopravilno strukturo. Treba je bilo ustvariti polimer, v katerem bi bile strukturne enote razporejene v strogem vrstnem redu (naravni kavčuk je na primer sestavljen samo iz cis enot), saj je od tega odvisna tako pomembna lastnost gume, kot je njena elastičnost.
Sodobna organska kemija razlikuje dve glavni vrsti izomerije: strukturno (verižna izomerija, izomerija položaja več vezi, izomerija homolognih nizov, izomerija položaja funkcionalnih skupin) in stereoizomerija (geometrična ali cis-trans izomerija, optična ali zrcalna izomerija). ).
Tako ste lahko preverili, da je drugo stališče teorije kemijske strukture, ki ga je jasno oblikoval A.M. Butlerov, nepopolno. S sodobnega vidika je treba tej določbi dodati:
Lastnosti snovi niso odvisne samo od njihove kvalitativne in kvantitativne sestave, ampak tudi od njihove:
kemični,
elektronski,
Prostorska struktura.
Ustvarjanje teorije o strukturi snovi je imelo ključno vlogo pri razvoju organske kemije. Iz pretežno deskriptivne vede se spremeni v ustvarjalno, sintetizirajočo znanost; postalo je mogoče presojati medsebojni vpliv atomov v molekulah različnih snovi (glej tabelo 10). Teorija strukture je ustvarila predpogoje za razlago in napovedovanje različnih vrst izomerizma organskih molekul, pa tudi smeri in mehanizmov kemijskih reakcij.
Na podlagi te teorije organski kemiki ustvarjajo snovi, ki ne le nadomeščajo naravne, ampak jih po svojih lastnostih bistveno prekašajo. Tako so sintetična barvila veliko boljša in cenejša od mnogih naravnih, na primer alizarina in indiga, znanih v starih časih. Sintetični kavčuk z najrazličnejšimi lastnostmi se proizvaja v velikih količinah. Široko se uporabljajo plastika in vlakna, izdelki iz katerih se uporabljajo v tehniki, vsakdanjem življenju, medicini in kmetijstvu.
Pomen teorije kemijske zgradbe A.M. Butlerova za organsko kemijo je mogoče primerjati s pomenom periodnega zakona in periodnega sistema kemijskih elementov za anorgansko kemijo. Ni zaman, da imata obe teoriji toliko skupnega v načinih nastanka, smeri razvoja in splošnem znanstvenem pomenu. Vendar pa lahko v zgodovini katere koli druge vodilne znanstvene teorije (teorije Charlesa Darwina, genetike, kvantne teorije itd.) najdemo takšne splošne stopnje.
1. Vzpostavite vzporednice med dvema vodilnima teorijama kemije - periodičnim zakonom in periodnim sistemom kemičnih elementov D. I. Mendelejeva ter teorijo kemijske strukture organskih spojin A. M. Butlerova glede na naslednje značilnosti: pogosti v prostorih, pogosti v smereh njihovega razvoja, skupnih v prognostičnih vlogah.
2. Kakšno vlogo je imela teorija zgradbe kemičnih spojin pri oblikovanju periodičnega zakona?
3. Kateri primeri iz anorganske kemije potrjujejo univerzalnost vsake od določb teorije strukture kemičnih spojin?
4. Fosforjeva kislina H3PO3 je dibazična kislina. Predlagajte njeno strukturno formulo in upoštevajte medsebojni vpliv atomov v molekuli te kisline.
5. Zapišite izomere s sestavo C3H8O. Poimenujte jih s pomočjo sistematične nomenklature. Določite vrste izomerije.
6. Poznane so naslednje formule kristalohidratov kromovega (III) klorida: [Cr(H20)6]Cl3; [Cr(H20)5Cl]Cl2H20; [Cr(H20)4 * C12]Cl 2H2O. Kako bi poimenovali opisani pojav?
Človek se je že dolgo naučil uporabljati različne snovi za pripravo hrane, barvil, oblačil in zdravil. Sčasoma se je nabralo dovolj informacij o lastnostih določenih snovi, kar je omogočilo izboljšanje metod njihove proizvodnje, predelave itd. In izkazalo se je, da je veliko mineralov (anorganskih snovi) mogoče pridobiti neposredno.
Toda nekaterih snovi, ki jih uporablja človek, ni sam sintetiziral, ker so bile pridobljene iz živih organizmov ali rastlin. Te snovi so imenovali organske. Organskih snovi ni bilo mogoče sintetizirati v laboratoriju. V začetku 19. stoletja se je aktivno razvijala takšna doktrina, kot je vitalizem (vita - življenje), po katerem organske snovi nastajajo le zahvaljujoč "življenjski sili" in jih je nemogoče ustvariti "umetno".
Toda s časom in razvojem znanosti so se pojavila nova dejstva o organskih snoveh, ki so bila v nasprotju z obstoječo vitalistično teorijo.
Leta 1824 je nemški znanstvenik F. Wöhler prvič v zgodovini kemijske znanosti sintetiziral oksalno kislino – organske snovi iz anorganskih snovi (cianogen in voda):
(CN) 2 + 4H 2 O → COOH - COOH + 2NH 3
Leta 1828 je Wöller segrel natrijev cianat z amonijevim žveplom in sintetiziral sečnino - odpadni produkt živalskih organizmov:
NaOCN + (NH 4) 2 SO 4 → NH 4 OCN → NH 2 OCNH 2
Ta odkritja so imela pomembno vlogo pri razvoju znanosti nasploh, še posebej pa kemije. Kemijski znanstveniki so se začeli postopoma oddaljevati od vitalističnega učenja in načelo delitve snovi na organske in anorganske je pokazalo svojo nedoslednost.
Trenutno snoviše vedno delimo na organske in anorganske, vendar je kriterij ločevanja nekoliko drugačen.
Snovi se imenujejo organske ki vsebujejo ogljik, jih imenujemo tudi ogljikove spojine. Takšnih spojin je približno 3 milijone, preostalih spojin je približno 300 tisoč.
Snovi, ki ne vsebujejo ogljika, imenujemo anorganske in. Vendar obstajajo izjeme od splošne razvrstitve: obstaja vrsta spojin, ki vsebujejo ogljik, vendar pripadajo anorganskim snovem (ogljikov monoksid in dioksid, ogljikov disulfid, ogljikova kislina in njene soli). Vse so po sestavi in lastnostih podobne anorganskim spojinam.
Med preučevanjem organskih snovi so se pojavile nove težave: na podlagi teorij o anorganskih snoveh je nemogoče razkriti pravilnosti zgradbe organskih spojin in razložiti valenco ogljika. Ogljik v različnih spojinah je imel različne valence.
Leta 1861 je ruski znanstvenik A.M. Butlerov je prvi sintetiziral sladko snov.
Pri preučevanju ogljikovodikov, A.M. Butlerov ugotovili, da predstavljajo popolnoma poseben razred kemikalij. Z analizo njihove strukture in lastnosti je znanstvenik identificiral več vzorcev. Bili so osnova za teorije kemijske strukture.
1. Molekula katere koli organske snovi ni naključna; atomi v molekulah so med seboj povezani v določenem zaporedju glede na njihove valence. Ogljik v organskih spojinah je vedno štirivalenten.
2. Zaporedje medatomskih vezi v molekuli se imenuje njena kemijska struktura in se odraža z eno strukturno formulo (strukturna formula).
3. Kemično strukturo lahko določimo s kemijskimi metodami. (Trenutno se uporabljajo tudi sodobne fizikalne metode).
4. Lastnosti snovi niso odvisne samo od sestave molekul snovi, temveč tudi od njihove kemične zgradbe (zaporedje kombinacije atomov elementov).
5. Po lastnostih določene snovi lahko določimo strukturo njene molekule, po strukturi molekule pa – predvideti lastnosti.
6. Atomi in skupine atomov v molekuli medsebojno vplivajo drug na drugega.
Ta teorija je postala znanstveni temelj organske kemije in pospešila njen razvoj. Na podlagi določb teorije je A.M. Butlerov je opisal in razložil pojav izomerija, napovedal obstoj različnih izomerov in nekatere med njimi tudi prvič pridobil.
Oglejmo si kemijsko zgradbo etana – C2H6. Ko smo valenco elementov označili s pomišljaji, bomo molekulo etana upodobili v vrstnem redu povezave atomov, to je, da bomo napisali strukturno formulo. Po teoriji A.M. Butlerov, bo imel naslednjo obliko:
Atomi vodika in ogljika so vezani v en delec, valenca vodika je enaka ena, ogljika pa – štiri. Dva ogljikova atoma, povezana z ogljikovo vezjo – ogljik (C – Z). Sposobnost ogljika, da tvori C – C-vez je razumljiva na podlagi kemijskih lastnosti ogljika. Ogljikov atom ima štiri elektrone na svoji zunanji elektronski plasti; sposobnost oddaje elektronov je enaka sposobnosti pridobivanja manjkajočih. Zato ogljik najpogosteje tvori spojine s kovalentno vezjo, to je zaradi tvorbe elektronskih parov z drugimi atomi, vključno z atomi ogljika med seboj.
To je eden od razlogov za raznolikost organskih spojin.
Spojine, ki imajo enako sestavo, vendar različne strukture, imenujemo izomeri. Pojav izomerije – eden od razlogov za raznolikost organskih spojin
Imate še vprašanja? Želite izvedeti več o teoriji zgradbe organskih spojin?
Če želite dobiti pomoč od mentorja -.
Prva lekcija je brezplačna!
blog.site, pri celotnem ali delnem kopiranju gradiva je obvezna povezava do izvirnega vira.
Tema: Osnovna načela teorije strukture organskih spojin A. M. Butlerova.
Teorijo o kemijski strukturi organskih spojin, ki jo je predstavil A. M. Butlerov v drugi polovici prejšnjega stoletja (1861), so potrdila dela mnogih znanstvenikov, vključno z učenci Butlerova in njim samim. Izkazalo se je, da je na njegovi podlagi mogoče razložiti številne pojave, ki do takrat niso imeli nobene razlage: homologijo, manifestacijo štirivalentnosti ogljikovih atomov v organskih snoveh. Teorija je izpolnila tudi svojo napovedno funkcijo: na njeni podlagi so znanstveniki napovedali obstoj še neznanih spojin, opisali njihove lastnosti in jih odkrili. Torej, v letih 1862–1864. A. M. Butlerov je preučil propilne, butilne in amilne alkohole, določil število možnih izomerov in izpeljal formule teh snovi. Njihov obstoj je bil pozneje eksperimentalno dokazan, nekatere izomere pa je sintetiziral sam Butlerov.
Med 20. stol. določbe teorije kemijske strukture kemičnih spojin so bile razvite na podlagi novih pogledov, ki so se razširili v znanosti: teorija atomske zgradbe, teorija kemijskih vezi, ideje o mehanizmih kemijskih reakcij. Trenutno je ta teorija univerzalna, to pomeni, da velja ne le za organske snovi, ampak tudi za anorganske.
Prvi položaj. Atomi v molekulah so združeni v določenem vrstnem redu glede na njihovo valenco. Ogljik v vseh organskih in večini anorganskih spojin je štirivalenten.
Očitno je zadnji del prvega položaja teorije mogoče enostavno razložiti z dejstvom, da so v spojinah atomi ogljika v vzbujenem stanju:
Štirovalentni atomi ogljika se lahko med seboj kombinirajo in tvorijo različne verige:
Vrstni red povezovanja ogljikovih atomov v molekulah je lahko različen in je odvisen od vrste kovalentne kemične vezi med ogljikovimi atomi - enojne ali večkratne (dvojne in trojne):
Ta položaj pojasnjuje pojav.
Snovi, ki imajo enako sestavo, vendar različno kemijsko ali prostorsko strukturo in s tem različne lastnosti, imenujemo izomeri.
Glavne vrste:
Strukturna izomerija, pri kateri se snovi razlikujejo po vrstnem redu vezave atomov v molekulah: ogljikov skelet
Tretji položaj. Lastnosti snovi so odvisne od medsebojnega vpliva atomov v molekulah.
Na primer, v ocetni kislini samo eden od štirih vodikovih atomov reagira z alkalijo. Na podlagi tega lahko domnevamo, da je samo en vodikov atom vezan na kisik:
Po drugi strani pa lahko iz strukturne formule ocetne kisline sklepamo, da vsebuje en mobilni atom vodika, to je, da je enobazna.Glavne smeri razvoja teorije strukture kemičnih spojin in njen pomen.
V času A.M. Butlerova je bila organska kemija široko uporabljena
empirične (molekularne) in strukturne formule. Slednje odražajo vrstni red povezovanja atomov v molekuli glede na njihovo valenco, ki je označena s črticami.
Zaradi lažjega zapisa se pogosto uporabljajo skrajšane strukturne formule, v katerih pomišljaji označujejo le vezi med ogljikovimi atomi ali ogljikom in kisikom.
In vlakna, katerih izdelki se uporabljajo v tehniki, vsakdanjem življenju, medicini in kmetijstvu. Pomen teorije kemijske zgradbe A.M. Butlerova za organsko kemijo je mogoče primerjati s pomenom periodnega zakona in periodnega sistema kemijskih elementov za anorgansko kemijo. Ni zaman, da imata obe teoriji toliko skupnega v načinih nastanka, smeri razvoja in splošnem znanstvenem pomenu.
Aleksander Mihajlovič Butlerov se je rodil 3. (15.) septembra 1828 v mestu Čistopol v provinci Kazan v družini posestnika, upokojenega častnika. Prvo izobrazbo je dobil v zasebnem internatu, nato pa je študiral na gimnaziji in Kazanski cesarski univerzi. Poučeval je od leta 1849, leta 1857 pa je postal redni profesor kemije na isti univerzi. Dvakrat je bil njen rektor. Leta 1851 je zagovarjal magistrsko disertacijo "O oksidaciji organskih spojin", leta 1854 pa na Moskovski univerzi - doktorsko disertacijo "O eteričnih oljih". Od leta 1868 je bil redni profesor kemije na Univerzi v Sankt Peterburgu, od leta 1874 pa redni akademik Akademije znanosti v Sankt Peterburgu. Poleg kemije je Butlerov posvečal pozornost praktičnim vprašanjem kmetijstva, vrtnarjenja in čebelarstva; pod njegovim vodstvom se je na Kavkazu začelo gojenje čaja. Umrl je v vasi Butlerovka v provinci Kazan 5. (17.) avgusta 1886.
Pred Butlerovim je bilo narejenih veliko število poskusov ustvarjanja doktrine o kemijski strukturi organskih spojin. To vprašanje so večkrat obravnavali najuglednejši kemiki tistega časa, katerih delo je ruski znanstvenik delno uporabil za svojo teorijo strukture. Na primer, nemški kemik August Kekule je ugotovil, da lahko ogljik tvori štiri vezi z drugimi atomi. Poleg tega je verjel, da lahko obstaja več formul za isto spojino, vendar je vedno dodal, da je ta formula lahko različna glede na kemijsko transformacijo. Kekule je menil, da formule ne odražajo vrstnega reda, v katerem so povezani atomi v molekuli. Drugi ugledni nemški znanstvenik Adolf Kolbe je na splošno menil, da je v bistvu nemogoče razjasniti kemijsko strukturo molekul.
Butlerov je svoje osnovne ideje o strukturi organskih spojin prvič izrazil leta 1861 v poročilu "O kemijski strukturi snovi", ki ga je predstavil udeležencem kongresa nemških naravoslovcev in zdravnikov v Speyerju. V svojo teorijo je vključil ideje Kekuléja o valenci (številu vezi za določen atom) in škotskega kemika Archibalda Cooperja, da lahko ogljikovi atomi tvorijo verige. Temeljna razlika med teorijo Butlerova in drugimi je bila določba o kemijski (in ne mehanski) zgradbi molekul - načinu, kako se atomi povezujejo med seboj, da tvorijo molekulo. V tem primeru je vsak atom vzpostavil vez v skladu s »kemično silo«, ki mu pripada posebej. Znanstvenik je v svoji teoriji jasno razlikoval med prostim atomom in atomom, ki je stopil v povezavo z drugim (se spremeni v novo obliko in zaradi medsebojnega vplivanja povezani atomi, odvisno od strukturnega okolja imajo različne kemijske funkcije). Ruski kemik je bil prepričan, da formule ne prikazujejo le shematskih molekul, ampak odražajo tudi njihovo resnično strukturo. Poleg tega ima vsaka molekula specifično strukturo, ki se spreminja le med kemijskimi transformacijami. Iz določil teorije je izhajalo (kasneje eksperimentalno potrjeno), da so kemijske lastnosti organske spojine določene z njeno zgradbo. Ta izjava je še posebej pomembna, saj je omogočila razlago in napoved kemijskih pretvorb snovi. Obstaja tudi obratno razmerje: strukturno formulo je mogoče uporabiti za presojo kemijskih in fizikalnih lastnosti snovi. Poleg tega je znanstvenik opozoril na dejstvo, da je reaktivnost spojin razložena z energijo, s katero se atomi vežejo.
S pomočjo ustvarjene teorije je Butlerov uspel razložiti izomerizem. Izomeri so spojine, v katerih sta količina in »kakovost« atomov enaka, hkrati pa imajo različne kemijske lastnosti in s tem različno strukturo. Teorija je omogočila jasno razlago znanih primerov izomerizma. Butlerov je verjel, da je mogoče določiti prostorsko razporeditev atomov v molekuli. Njegove napovedi so se pozneje potrdile, kar je dalo zagon razvoju nove veje organske kemije - stereokemije. Treba je opozoriti, da je bil znanstvenik prvi, ki je odkril in razložil pojav dinamičnega izomerizma. Njegov pomen je, da se dva ali več izomerov pod določenimi pogoji zlahka spremenijo drug v drugega. Na splošno je bila izomerija tista, ki je postala resen test za teorijo kemijske strukture in jo je briljantno razložila.
Neizpodbitne določbe, ki jih je oblikoval Butlerov, so teoriji zelo kmalu prinesle splošno priznanje. Pravilnost predstavljenih idej so potrdili poskusi znanstvenika in njegovih privržencev. V svojem procesu so dokazali hipotezo o izomeriji: Butlerov je sintetiziral enega od štirih butilnih alkoholov, predvidenih s teorijo, in razvozlal njegovo strukturo. V skladu s pravili izomerije, ki neposredno izhajajo iz teorije, je bila predlagana tudi možnost obstoja štirih valerijanskih kislin. Kasneje so jih prejeli.
To so samo osamljena dejstva v verigi odkritij: kemijska teorija zgradbe organskih spojin je imela neverjetno sposobnost napovedovanja.
V razmeroma kratkem času je bilo odkritih, sintetiziranih in raziskanih veliko število novih organskih snovi in njihovih izomerov. Posledično je Butlerova teorija dala zagon hitremu razvoju kemijske znanosti, vključno s sintetično organsko kemijo. Tako so Butlerove številne sinteze glavni produkti celih industrij.
Še naprej se je razvijala teorija kemijske zgradbe, ki je takrat v organsko kemijo prinesla številne revolucionarne zamisli. Kekule je na primer predlagal ciklično strukturo benzena in gibanje njegovih dvojnih vezi v molekuli, posebne lastnosti spojin s konjugiranimi vezmi in še veliko več. Poleg tega je omenjena teorija naredila organsko kemijo bolj vizualno – postalo je mogoče risati molekulske formule.
In to je pomenilo začetek klasifikacije organskih spojin. Prav uporaba strukturnih formul je pomagala določiti načine sinteze novih snovi in vzpostaviti strukturo kompleksnih spojin, to je določila aktiven razvoj kemijske znanosti in njenih vej. Na primer, Butlerov je začel izvajati resne raziskave procesa polimerizacije. V Rusiji so to pobudo nadaljevali njegovi učenci, kar je na koncu omogočilo odkritje industrijske metode za proizvodnjo sintetičnega kavčuka.
Teorija zgradbe organskih spojin: homologija in izomerija (strukturna in prostorska). Medsebojni vpliv atomov v molekulah
Teorija kemijske zgradbe organskih spojin A. M. Butlerova
Tako kot je za anorgansko kemijo osnova razvoja periodični zakon in periodni sistem kemičnih elementov D. I. Mendelejeva, je za organsko kemijo teorija strukture organskih spojin A. M. Butlerova postala temeljna.
Glavni postulat Butlerove teorije je stališče o kemijska zgradba snovi, ki se nanaša na vrstni red, zaporedje medsebojnega povezovanja atomov v molekule, t.j. kemična vez.
Kemijska struktura se nanaša na vrstni red kombinacije atomov kemičnih elementov v molekuli glede na njihovo valenco.
Ta vrstni red je mogoče prikazati s strukturnimi formulami, v katerih so valence atomov označene s pomišljaji: en pomišljaj ustreza enoti valence atoma kemičnega elementa. Na primer, za organsko snov metan, ki ima molekulsko formulo $CH_4$, je strukturna formula videti takole:
Glavne določbe teorije A. M. Butlerova
- Atomi v molekulah organskih snovi so med seboj povezani glede na svojo valenco. Ogljik v organskih spojinah je vedno štirivalenten, njegovi atomi pa se lahko med seboj povezujejo in tvorijo različne verige.
- Lastnosti snovi ne določa le njihova kvalitativna in kvantitativna sestava, temveč tudi vrstni red povezave atomov v molekuli, to je kemična zgradba snovi.
- Lastnosti organskih spojin niso odvisne le od sestave snovi in vrstnega reda povezave atomov v njeni molekuli, temveč tudi od medsebojnega vpliva atomov in skupin atomov drug na drugega.
Teorija zgradbe organskih spojin je dinamična in razvijajoča se doktrina. Z razvojem znanja o naravi kemijskih vezi, o vplivu elektronske zgradbe molekul organskih snovi, so začeli uporabljati poleg empirično in strukturni, elektronski formule. Takšne formule kažejo smer premikanja elektronskih parov v molekuli.
Kvantna kemija in kemija zgradbe organskih spojin sta potrdili doktrino o prostorski usmerjenosti kemijskih vezi ( cis- in trans izomerija), proučevali energijske značilnosti medsebojnih prehodov v izomerih, omogočili presojo medsebojnega vpliva atomov v molekulah različnih snovi in ustvarili predpogoje za napovedovanje vrst izomerizma ter smeri in mehanizma kemijskih reakcij.
Organske snovi imajo številne lastnosti:
- Vse organske snovi vsebujejo ogljik in vodik, zato pri zgorevanju tvorijo ogljikov dioksid in vodo.
- Organske snovi so kompleksne in imajo lahko ogromno molekulsko maso (beljakovine, maščobe, ogljikovi hidrati).
- Organske snovi so lahko razporejene v vrste homologov, podobnih po sestavi, zgradbi in lastnostih.
- Za organske snovi je značilno izomerija.
Izomerija in homologija organskih snovi
Lastnosti organskih snovi niso odvisne samo od njihove sestave, ampak tudi od vrstnega reda povezave atomov v molekuli.
Izomerija- to je pojav obstoja različnih snovi - izomerov z enako kvalitativno in kvantitativno sestavo, tj. z isto molekulsko formulo.
Obstajata dve vrsti izomerije: strukturno in prostorski (stereoizomerizem). Strukturni izomeri se med seboj razlikujejo po veznem redu atomov v molekuli; stereoizomeri - razporeditev atomov v prostoru z enakim vrstnim redom vezi med njimi.
Razlikujemo naslednje vrste strukturne izomerije: izomerija ogljikovega skeleta, pozicijska izomerija, izomerija različnih razredov organskih spojin (medrazredna izomerija).
Strukturna izomerija
Izomerija ogljikovega skeleta je posledica različnega vrstnega reda vezi med atomi ogljika, ki tvorijo okostje molekule. Kot je bilo že prikazano, molekulska formula $C_4H_(10)$ ustreza dvema ogljikovodikoma: n-butanu in izobutanu. Za ogljikovodik $С_5Н_(12)$ so možni trije izomeri: pentan, izopentan in neopentan:
$CH_3-CH_2-(CH_2)↙(pentan)-CH_2-CH_3$
Ko se število ogljikovih atomov v molekuli poveča, se število izomerov hitro poveča. Za ogljikovodik $С_(10)Н_(22)$ je že 75$, za ogljikovodik $С_(20)Н_(44)$ pa 366.319$.
Položajna izomerija je posledica različnih položajev večkratne vezi, substituenta, funkcionalne skupine z enakim ogljikovim skeletom molekule:
$CH_2=(CH-CH_2)↙(buten-1)-CH_3$ $CH_3-(CH=CH)↙(buten-2)-CH_3$
$(CH_3-CH_2-CH_2-OH)↙(n-propilni alkohol(propanol-1))$
Izomerija različnih razredov organskih spojin (medrazredna izomerija) povzročajo različni položaji in kombinacije atomov v molekulah snovi, ki imajo enako molekulsko formulo, vendar pripadajo različnim razredom. Tako molekulska formula $C_6H_(12)$ ustreza nenasičenemu ogljikovodiku heksenu-1 in cikličnemu ogljikovodiku cikloheksanu:
Izomera sta alkinom soroden ogljikovodik - butin-1 in ogljikovodik z dvema dvojnima vezma v verigi butadiena-1,3:
$CH≡C-(CH_2)↙(butin-1)-CH_2$ $CH_2=(CH-CH)↙(butadien-1,3)=CH_2$
Dietileter in butilni alkohol imata enako molekulsko formulo $C_4H_(10)O$:
$(CH_3CH_2OCH_2CH_3)↙(\text"dietileter")$ $(CH_3CH_2CH_2CH_2OH)↙(\text"n-butil alkohol (1-butanol)")$
Strukturna izomera sta aminoocetna kislina in nitroetan, ki ustrezata molekulski formuli $C_2H_5NO_2$:
Izomeri te vrste vsebujejo različne funkcionalne skupine in pripadajo različnim razredom snovi. Zato se po fizikalnih in kemijskih lastnostih razlikujejo veliko bolj kot ogljikovi skeletni izomeri ali položajni izomeri.
Prostorska izomerija
Prostorska izomerija je razdeljen na dve vrsti: geometrijski in optični. Geometrijska izomerija je značilna za spojine z dvojnimi vezmi in ciklične spojine. Ker je prosto vrtenje atomov okoli dvojne vezi ali v obroču nemogoče, se lahko substituenti nahajajo na eni strani ravnine dvojne vezi ali obroča ( cis-položaj) ali na nasprotnih straneh ( trans-položaj). Poimenovanja cis- in trans- običajno označen kot par enakih substituentov:
Geometrijski izomeri se razlikujejo po fizikalnih in kemijskih lastnostih.
Optična izomerija se pojavi, ko molekula ni združljiva s svojo podobo v ogledalu. To je mogoče, če ima ogljikov atom v molekuli štiri različne substituente. Ta atom se imenuje asimetrična. Primer takšne molekule je molekula $α$-aminopropionske kisline ($α$-alanina) $CH_3CH(NH_2)COOH$.
Molekula $α$-alanina ne more sovpadati s svojo zrcalno sliko, ne glede na to, kako se premika. Takšni prostorski izomeri se imenujejo ogledalo, optični antipod, oz enantiomeri. Vse fizikalne in skoraj vse kemijske lastnosti takih izomerov so enake.
Študija optične izomerije je potrebna, če upoštevamo številne reakcije, ki se pojavljajo v telesu. Večina teh reakcij poteka pod delovanjem encimov - bioloških katalizatorjev. Molekule teh snovi se morajo prilegati molekulam spojin, na katere delujejo, kot ključ do ključavnice, zato so prostorska zgradba, relativna razporeditev odsekov molekul in drugi prostorski dejavniki velikega pomena za potek; te reakcije. Takšne reakcije imenujemo stereoselektivna.
Večina naravnih spojin je individualnih enantiomerov in njihovo biološko delovanje se močno razlikuje od lastnosti njihovih optičnih antipodov, pridobljenih v laboratoriju. Takšna razlika v biološki aktivnosti je zelo pomembna, saj je osnova najpomembnejše lastnosti vseh živih organizmov - metabolizma.
Homologne serije je vrsta snovi, razvrščenih v naraščajočem vrstnem redu glede na njihove relativne molekulske mase, podobnih po strukturi in kemijskih lastnostih, kjer se vsak člen razlikuje od prejšnjega s homološko razliko $CH_2$. Na primer: $CH_4$ - metan, $C_2H_6$ - etan, $C_3H_8$ - propan, $C_4H_(10)$ - butan itd.
Vrste vezi v molekulah organskih snovi. Hibridizacija ogljikovih atomskih orbital. Radikalno. Funkcionalna skupina.
Vrste vezi v molekulah organskih snovi.
V organskih spojinah je ogljik vedno štirivalenten. V vzbujenem stanju se par elektronov $2s^3$ razbije v njegovem atomu in eden od njih se premakne v p-orbitalo:
Tak atom ima štiri neparne elektrone in lahko sodeluje pri tvorbi štirih kovalentnih vezi.
Glede na podano elektronsko formulo za valenčno raven ogljikovega atoma bi pričakovali, da ta vsebuje en $s$-elektron (sferična simetrična orbitala) in tri $p$-elektrone, ki imajo med seboj pravokotne orbitale ($2р_х, 2р_у, 2p_z $- orbita). V resnici vsi štirje valenčni elektroni ogljikovega atoma popolnoma enakovredni in koti med njihovimi orbitalami so enaki $109°28"$. Poleg tega izračuni kažejo, da je vsaka od štirih kemičnih vezi ogljika v molekuli metana ($CH_4$) $25%$ $s-$ in $75%$ $p $-povezava, tj. mešanje$s-$ in $p-$ stanja elektronov. Ta pojav se imenuje hibridizacija, in mešane orbitale - hibrid.
Atom ogljika v valenčnem stanju $sp^3$ ima štiri orbitale, od katerih vsaka vsebuje en elektron. V skladu s teorijo kovalentnih vezi ima sposobnost tvorbe štirih kovalentnih vezi z atomi katerega koli enovalentnega elementa ($CH_4, CHCl_3, CCl_4$) ali z drugimi atomi ogljika. Take povezave imenujemo $σ$-povezave. Če ima ogljikov atom eno vez $C-C$, potem se imenuje primarni($Н_3С-СН_3$), če dva - sekundarni($Н_3С-СН_2-СН_3$), če so trije - terciarno (
), in če štiri - kvaternik (
).
Ena od značilnih lastnosti ogljikovih atomov je njihova sposobnost tvorjenja kemičnih vezi z delitvijo samo $p$ elektronov. Take povezave imenujemo $π$-povezave. $π$ vezi v molekulah organskih spojin nastanejo samo ob prisotnosti $σ$ vezi med atomi. Tako so v molekuli etilena $H_2C=CH_2$ ogljikovi atomi povezani z $σ-$ in eno $π$ vezjo, v molekuli acetilena $HC=CH$ - z eno $σ-$ in dvema $π$ vezma. . Imenujemo kemijske vezi, ki nastanejo s sodelovanjem $π$ vezi večkratniki(v molekuli etilena - dvojno, v molekuli acetilena - trojni), in spojine z več vezmi - nenasičen.
Fenomen$sp^3$-, $sp^2$- in$sp$ - hibridizacija ogljikovega atoma.
Ko nastanejo vezi $π$, se spremeni hibridno stanje atomskih orbital ogljikovega atoma. Ker do tvorbe $π$-vezi pride zaradi p-elektronov, bodo v molekulah z dvojno vezjo elektroni imeli $sp^2$-hibridizacijo (bilo je $sp^3$, vendar en p-elektron gre v $π$- orbitala), s trojno pa - $sp$-hibridizacija (dva p-elektrona sta šla na $π$-orbitalo). Narava hibridizacije spremeni smer $σ$-vezi. Če med $sp^3$-hibridizacijo tvorijo prostorsko razvejane strukture ($a$), potem pri $sp^2$-hibridizaciji vsi atomi ležijo v isti ravnini in so koti med $σ$-vezmi enaki $120° $(b) , pri $sp$-hibridizaciji pa je molekula linearna (c):
V tem primeru sta osi $π$-orbital pravokotni na os $σ$-vezi.
Tako $σ$- kot $π$-vezi sta kovalentni, kar pomeni, da morata biti označeni z dolžino, energijo, prostorsko smerjo in polarnostjo.
Značilnosti enojnih in večkratnih vezi med C atomi.
Radikalno. Funkcionalna skupina.
Ena od značilnosti organskih spojin je, da v kemijskih reakcijah njihove molekule izmenjujejo ne posamezne atome, temveč skupine atomov. Če je ta skupina atomov sestavljena samo iz atomov ogljika in vodika, potem se imenuje ogljikovodikov radikal, če ima atome drugih elementov, potem se imenuje funkcionalna skupina. Tako sta na primer metil ($СН_3$-) in etil ($С_2Н_5$-) radikala ogljikovodika, hidroksi skupina (-$ОН$), aldehidna skupina ( 
), nitro skupina (-$NO_2$) itd. so funkcionalne skupine alkoholov, aldehidov oziroma spojin, ki vsebujejo dušik.
Običajno funkcionalna skupina določa kemijske lastnosti organske spojine in je zato osnova za njihovo razvrstitev.