Milline on orgaaniliste ühendite keemiline struktuur. Orgaaniliste ühendite struktuuri teooria põhisätted A.M. Butlerov. Mida me teeme saadud materjaliga?

Kõik süsinikuaatomit sisaldavad ained, peale karbonaatide, karbiidide, tsüaniidide, tiotsüanaatide ja süsihappe, on orgaanilised ühendid. See tähendab, et elusorganismid suudavad neid luua süsinikuaatomitest ensümaatiliste või muude reaktsioonide kaudu. Tänapäeval saab kunstlikult sünteesida paljusid orgaanilisi aineid, mis võimaldab arendada meditsiini ja farmakoloogiat, samuti luua ülitugevaid polümeer- ja komposiitmaterjale.

Orgaaniliste ühendite klassifikatsioon

Orgaanilised ühendid on kõige arvukam ainete klass. Siin on umbes 20 tüüpi aineid. Need erinevad keemiliste omaduste poolest, erinevad füüsikaliste omaduste poolest. Erinevad on ka nende sulamistemperatuur, mass, lenduvus ja lahustuvus, samuti agregatsiooni olek tavatingimustes. Nende hulgas:

süsivesinikud (alkaanid, alküünid, alkeenid, alkadieenid, tsükloalkaanid, aromaatsed süsivesinikud);
aldehüüdid;
ketoonid;
alkoholid (kahe-, ühe-, mitmehüdroksüülsed);
eetrid;
estrid;
karboksüülhapped;
amiinid;
aminohapped;
süsivesikud;
rasvad;
valgud;
biopolümeerid ja sünteetilised polümeerid.

See klassifikatsioon peegeldab keemilise struktuuri tunnuseid ja spetsiifiliste aatomirühmade olemasolu, mis määravad aine omaduste erinevuse. Üldiselt näeb klassifikatsioon, mis põhineb süsiniku skeleti konfiguratsioonil, mis ei võta arvesse keemiliste interaktsioonide tunnuseid, välja teistsugune. Vastavalt selle sätetele jagunevad orgaanilised ühendid:

alifaatsed ühendid;
aromaatsed ained;
heterotsüklilised ühendid.

Nendel orgaaniliste ühendite klassidel võib olla isomeere erinevates ainerühmades. Isomeeride omadused on erinevad, kuigi nende aatomkoostis võib olla sama. See tuleneb A. M. Butlerovi sätestatud sätetest. Samuti on orgaaniliste ühendite struktuuri teooria kõigi orgaanilise keemia alaste uuringute aluseks. See on asetatud samale tasemele Mendelejevi perioodilise seadusega.

Keemilise struktuuri kontseptsiooni tutvustas A. M. Butlerov. Keemiaajaloos ilmus see 19. septembril 1861. aastal. Varem olid teaduses erinevad arvamused ja mõned teadlased eitasid täielikult molekulide ja aatomite olemasolu. Seetõttu ei olnud orgaanilises ja anorgaanilises keemias järjekorda. Pealegi puudusid seaduspärasused, mille järgi oleks võimalik hinnata konkreetsete ainete omadusi. Samal ajal oli ka ühendeid, millel oli sama koostisega erinevad omadused.

A. M. Butlerovi väljaütlemised suunasid keemia arengu paljuski õiges suunas ja lõid sellele kindla aluse. Selle kaudu oli võimalik süstematiseerida kogunenud fakte, nimelt teatud ainete keemilisi või füüsikalisi omadusi, nende reaktsioonidesse sisenemise mustreid jne. Tänu sellele teooriale sai võimalikuks isegi ühendite saamise viiside ennustamine ja mõningate ühiste omaduste olemasolu. Ja mis kõige tähtsam, A. M. Butlerov näitas, et aine molekuli ehitust saab seletada elektriliste vastastikmõjude kaudu.

Orgaaniliste ainete struktuuri teooria loogika

Kuna enne 1861. aastat keeldusid paljud keemias aatomi või molekuli olemasolust, sai orgaaniliste ühendite teooria teadusmaailma jaoks revolutsiooniliseks ettepanekuks. Ja kuna A. M. Butlerov ise lähtub ainult materialistlikest järeldustest, õnnestus tal orgaanilise aine filosoofilised ideed ümber lükata.

Tal õnnestus näidata, et molekulaarstruktuuri saab empiiriliselt ära tunda keemiliste reaktsioonide kaudu. Näiteks saab iga süsivesiku koostist määrata, põletades seda teatud koguses ning loendades tekkiva vee ja süsihappegaasi. Amiinmolekulis leiduva lämmastiku kogust arvutatakse ka põlemisel, mõõtes gaaside mahtu ja vabastades molekulaarse lämmastiku keemilise koguse.

Kui arvestada Butlerovi hinnanguid struktuurist sõltuva keemilise struktuuri kohta vastupidises suunas, siis viitab uus järeldus. Nimelt: teades aine keemilist struktuuri ja koostist, võib empiiriliselt oletada selle omadusi. Kuid mis kõige tähtsam, Butlerov selgitas, et orgaanilises aines on tohutult palju aineid, millel on erinevad omadused, kuid millel on sama koostis.

Teooria üldsätted

Arvestades ja uurides orgaanilisi ühendeid, tuletas A. M. Butlerov välja mõned olulisemad mustrid. Ta ühendas need orgaanilise päritoluga kemikaalide struktuuri selgitava teooria sätetega. Teooria sätted on järgmised:

orgaaniliste ainete molekulides on aatomid omavahel seotud rangelt määratletud järjestuses, mis sõltub valentsusest;
keemiline struktuur on otsene järjekord, mille järgi aatomid on orgaanilistes molekulides ühendatud;
keemiline struktuur määrab orgaanilise ühendi omaduste olemasolu;
olenevalt sama kvantitatiivse koostisega molekulide struktuurist võivad ilmneda aine erinevad omadused;
kõik keemilise ühendi moodustumisel osalevad aatomirühmad mõjutavad üksteist vastastikku.

Kõik orgaaniliste ühendite klassid on üles ehitatud selle teooria põhimõtete järgi. Olles aluse pannud, suutis A. M. Butlerov laiendada keemiat kui teadusvaldkonda. Ta selgitas, et tänu sellele, et süsiniku valents orgaanilistes ainetes on neli, määratakse nende ühendite mitmekesisus. Paljude aktiivsete aatomirühmade olemasolu määrab, kas aine kuulub teatud klassi. Ja just spetsiifiliste aatomirühmade (radikaalide) olemasolu tõttu ilmnevad füüsikalised ja keemilised omadused.

Süsivesinikud ja nende derivaadid

Need süsiniku ja vesiniku orgaanilised ühendid on koostiselt kõige lihtsamad kõigi rühma ainete hulgas. Neid esindab alkaanide ja tsükloalkaanide (küllastunud süsivesinikud), alkeenide, alkadieenide ja alkatrieenide, alküünide (küllastumata süsivesinike) alamklass, samuti aromaatsete ainete alamklass. Alkaanides on kõik süsinikuaatomid ühendatud ainult ühe C-C sidemega, mistõttu ei saa süsivesiniku koostisse sisse ehitada ainsatki H-aatomit.

Küllastumata süsivesinikes võib vesinik olla C=C kaksiksideme kohas. Samuti võib C-C side olla kolmekordne (alküünid). See võimaldab neil ainetel osaleda paljudes reaktsioonides, mis on seotud radikaalide vähendamise või lisamisega. Kõiki teisi aineid käsitletakse nende reaktsioonivõime uurimise hõlbustamiseks ühe süsivesinike klassi derivaatidena.

Alkoholid

Alkohole nimetatakse süsivesinikest keerukamateks orgaanilisteks keemilisteks ühenditeks. Need sünteesitakse elusrakkudes toimuvate ensümaatiliste reaktsioonide tulemusena. Kõige tüüpilisem näide on etanooli süntees glükoosist fermentatsiooni tulemusena.

Tööstuses saadakse alkohole süsivesinike halogeenderivaatidest. Halogeeni aatomi asendamisel hüdroksüülrühmaga tekivad alkoholid. Ühehüdroksüülsed alkoholid sisaldavad ainult ühte hüdroksüülrühma, mitmehüdroksüülsed - kahte või enamat. Kahehüdroksüülse alkoholi näide on etüleenglükool. Mitmehüdroksüülne alkohol on glütserool. Alkoholide üldvalem on R-OH (R on süsinikuahel).

Aldehüüdid ja ketoonid

Pärast seda, kui alkoholid sisenevad orgaaniliste ühendite reaktsioonidesse, mis on seotud vesiniku eemaldamisega alkoholi (hüdroksüülrühma) rühmast, sulgub hapniku ja süsiniku vaheline kaksikside. Kui see reaktsioon toimub terminaalse süsinikuaatomi juures asuva alkoholirühma juures, siis selle tulemusena moodustub aldehüüd. Kui süsinikuaatom alkoholiga ei asu süsinikuahela lõpus, siis dehüdratsioonireaktsiooni tulemuseks on ketooni teke. Ketoonide üldvalem on R-CO-R, aldehüüdid R-COH (R on ahela süsivesinikradikaal).

Estrid (lihtsad ja keerulised)

Selle klassi orgaaniliste ühendite keemiline struktuur on keeruline. Eetreid peetakse reaktsiooniproduktideks kahe alkoholimolekuli vahel. Kui neist eraldatakse vesi, moodustub R-O-R proovi ühend. Reaktsioonimehhanism: ühest alkoholist vesinikprootoni ja teisest alkoholist hüdroksüülrühma eemaldamine.

Estrid on reaktsioonisaadused alkoholi ja orgaanilise karboksüülhappe vahel. Reaktsioonimehhanism: vee eemaldamine mõlema molekuli alkoholi- ja süsinikurühmadest. Vesinik eraldatakse happest (mööda hüdroksüülrühma) ja OH-rühm ise eraldatakse alkoholist. Saadud ühend on kujutatud kui R-CO-O-R, kus pöök R tähistab radikaale – ülejäänud süsinikuahelat.

Karboksüülhapped ja amiinid

Karboksüülhappeid nimetatakse spetsiaalseteks aineteks, mis mängivad olulist rolli raku toimimises. Orgaaniliste ühendite keemiline struktuur on järgmine: süsivesinikradikaal (R), mille külge on kinnitatud karboksüülrühm (-COOH). Karboksüülrühm saab paikneda ainult äärmise süsinikuaatomi juures, kuna (-COOH) rühma valents C on 4.

Amiinid on lihtsamad ühendid, mis on süsivesinike derivaadid. Siin on igal süsinikuaatomil amiiniradikaal (-NH2). On primaarseid amiine, milles (-NH2) rühm on seotud ühe süsinikuga (üldvalem R-NH2). Sekundaarsetes amiinides ühineb lämmastik kahe süsinikuaatomiga (valem R-NH-R). Tertsiaarsetel amiinidel on lämmastik, mis on seotud kolme süsinikuaatomiga (R3N), kus p on radikaal, süsinikuahel.

Aminohapped

Aminohapped on komplekssed ühendid, millel on nii amiinide kui ka orgaanilise päritoluga hapete omadused. Neid on mitut tüüpi, olenevalt amiinrühma asukohast karboksüülrühma suhtes. Alfa-aminohapped on kõige olulisemad. Siin asub amiinrühm süsinikuaatomi juures, millega karboksüülrühm on seotud. See võimaldab teil luua peptiidsideme ja sünteesida valke.

Süsivesikud ja rasvad

Süsivesikud on aldehüüdalkoholid või ketoalkoholid. Need on lineaarse või tsüklilise struktuuriga ühendid, aga ka polümeerid (tärklis, tselluloos ja teised). Nende kõige olulisem roll rakus on struktuurne ja energeetiline. Rasvad või õigemini lipiidid täidavad samu funktsioone, ainult et nad osalevad teistes biokeemilistes protsessides. Keemiliselt on rasv orgaaniliste hapete ja glütserooli ester.

Vesiniku tüüp:

Sellised valemid on mõnevõrra sarnased tänapäevastega. Kuid tüüpide teooria pooldajad ei pidanud neid ainete tegelikku struktuuri peegeldavaks ja kirjutasid ühe ühendi kohta palju erinevaid valemeid, sõltuvalt keemilistest reaktsioonidest, mida nad proovisid nende valemite abil kirjutada. Nad pidasid molekulide struktuuri põhimõtteliselt tundmatuks, mis kahjustas teaduse arengut.

3. J. Berzeliuse poolt 1830. aastal kasutusele võetud mõiste "isomeeria" erinevate omadustega sama koostisega ainete olemasolu nähtuse kohta.

4. Edu orgaaniliste ühendite sünteesil, mille tulemusena hajus vitalismiõpetus ehk "elujõud", mille mõjul väidetavalt tekivad elusolendite kehas orgaanilised ained:

1828. aastal sünteesis F. Wehler anorgaanilisest ainest (ammooniumtsüanaadist) karbamiidi;

1842. aastal sai vene keemik N. N. Zinin aniliini;

1845. aastal sünteesis saksa keemik A. Kolbe äädikhapet;

1854. aastal sünteesis prantsuse keemik M. Berthelot rasvu ja lõpuks

1861. aastal sünteesis A. M. Butlerov ise suhkrutaolise aine.

5. XVIII sajandi keskel. keemiast saab rangem teadus. E. Franklandi ja A. Kekule töö tulemusena pandi paika keemiliste elementide aatomite valentsi mõiste. Kekule töötas välja süsiniku tetravalentsuse kontseptsiooni. Tänu Cannizzaro töödele said aatomi- ja molekulmassi mõisted selgemaks, täpsustusid nende tähendused ja määramismeetodid.

1860. aastal kogunes Karlsruhes rahvusvahelisele kongressile üle 140 juhtiva keemiku erinevatest Euroopa riikidest. Kongressist sai keemia ajaloos väga oluline sündmus: tehti kokkuvõte teaduse edusammudest ja valmistati ette tingimused orgaanilise keemia arengu uueks etapiks - A. M. Butlerovi orgaaniliste ainete keemilise struktuuri teooria tekkeks ( 1861), samuti D. I. Mendelejevi fundamentaalse avastuse eest – Perioodiline seadus ja keemiliste elementide süsteem (1869).

1861. aastal esines A. M. Butlerov arstide ja loodusteadlaste kongressil Speyeri linnas ettekandega "Kehade keemilisest struktuurist". Selles tõi ta välja oma orgaaniliste ühendite keemilise struktuuri teooria alused. Keemilise struktuuri all mõistis teadlane aatomite ühendamise järjekorda molekulides.

A. M. Butlerovi isiklikud omadused

A. M. Butlerovit eristas keemiateadmiste entsüklopeedilisus, oskus analüüsida ja üldistada fakte ning ennustada. Ta ennustas butaani isomeeri olemasolu ja sai siis selle, samuti butüleeni isomeeri - isobutüleeni.

Butlerov Aleksander Mihhailovitš (1828-1886)

Vene keemik, Peterburi Teaduste Akadeemia akadeemik (alates 1874). Lõpetanud Kaasani ülikooli (1849). Ta töötas seal (aastast 1857 - professor, 1860 ja 1863 - rektor). Kaasaegse keemia aluseks oleva orgaaniliste ühendite keemilise struktuuri teooria looja. Põhjendas ideed aatomite vastastikusest mõjust molekulis. Ta ennustas ja selgitas paljude orgaaniliste ühendite isomeeriat. Kirjutas "Sissejuhatus orgaanilise keemia terviklikku uurimisse" (1864) - esimene keemilise struktuuri teoorial põhinev käsiraamat teaduse ajaloos. Venemaa Füüsika ja Keemia Seltsi keemiaosakonna esimees (1878-1882).

A. M. Butlerov lõi Venemaal esimese orgaaniliste keemikute koolkonna, millest kasvasid välja säravad teadlased: V. V. Markovnikov, D. P. Konovalov, A. E. Favorsky jt.

Pole ime, et D. I. Mendelejev kirjutas: “A. M. Butlerov on üks suurimaid vene teadlasi, ta on venelane nii oma teadusliku hariduse kui ka oma tööde originaalsuse poolest.

Keemiliste ühendite struktuuri teooria põhisätted

Niisiis, 1862.–1864. A. M. Butlerov käsitles propüül-, butüül- ja amüülalkoholide isomeeriat, määras võimalike isomeeride arvu ja tuletas nende ainete valemid. Nende olemasolu tõestati hiljem eksperimentaalselt ja osa isomeere sünteesis Butlerov ise.

XX sajandi jooksul. keemiliste ühendite keemilise struktuuri teooria sätted töötati välja uute teaduses levinud seisukohtade alusel: aatomi ehituse teooria, keemilise sideme teooria, ettekujutused keemiliste reaktsioonide mehhanismidest. Praegu on sellel teoorial universaalne iseloom, see tähendab, et see kehtib mitte ainult orgaaniliste, vaid ka anorgaaniliste ainete kohta.

Esimene positsioon. Molekulides on aatomid ühendatud kindlas järjekorras vastavalt nende valentsile. Süsinik kõigis orgaanilistes ja enamikus anorgaanilistes ühendites on neljavalentne.

On ilmne, et teooria esimese sätte viimast osa saab hõlpsasti seletada asjaoluga, et süsinikuaatomid ühendites on ergastatud olekus:

a) neljavalentsed süsinikuaatomid võivad omavahel ühineda, moodustades erinevaid ahelaid:

lahtine haruline
- avatud hargnemata
- suletud

b) süsinikuaatomite ühendamise järjekord molekulides võib olla erinev ja sõltub süsinikuaatomitevahelise kovalentse keemilise sideme tüübist - ühe- või mitmekordne (kahe- ja kolmekordne).

Teine positsioon. Ainete omadused ei sõltu ainult nende kvalitatiivsest ja kvantitatiivsest koostisest, vaid ka nende molekulide struktuurist.

See seisukoht seletab isomeeria nähtust. Ained, millel on sama koostis, kuid erinev keemiline või ruumiline struktuur ja seetõttu erinevad omadused, nimetatakse isomeerideks. Isomeeria peamised tüübid:

Struktuurne isomeeria, milles ained erinevad molekulides aatomite sidumise järjekorras:

1) süsiniku skeleti isomeeria

3) homoloogsete seeriate isomeeria (klassidevaheline)

Ruumiisomeeria, mille puhul ainete molekulid ei erine mitte aatomite sidemete järjekorra, vaid ruumilise asukoha poolest: cis-trans-isomeeria (geomeetriline).

See isomeeria on tüüpiline ainetele, mille molekulid on tasapinnalise struktuuriga: alkeenid, tsükloalkaanid jne.

Ruumiisomeeria alla kuulub ka optiline (peegel)isomeeria.

Süsinikuaatomi ümber olevad neli üksiksidet, nagu te juba teate, on paigutatud tetraeedriliselt. Kui süsinikuaatom on seotud nelja erineva aatomi või rühmaga, siis on võimalik nende rühmade erinev paigutus ruumis ehk kaks ruumilist isomeerset vormi.

Aminohappe alaniini (2-aminopropaanhape) kaks peegelvormi on näidatud joonisel 17.

Kujutage ette, et alaniini molekul on asetatud peegli ette. Rühm -NH2 on peeglile lähemal, seega on see peegelduses ees ja rühm -COOH on taustal jne (vt pilti paremal). Alanya eksisteerib kahes ruumilises vormis, mis üksteise peale asetatuna ei ühine.

Keemiliste ühendite struktuuri teooria teise positsiooni universaalsus kinnitab anorgaaniliste isomeeride olemasolu.

Niisiis, esimene orgaaniliste ainete süntees - uurea süntees, mille viis läbi Wehler (1828), näitas, et anorgaaniline aine - ammooniumtsüanaat ja orgaaniline aine - uurea on isomeersed:

Kui asendate uurea hapnikuaatomi väävliaatomiga, saate tiouurea, mis on isomeerne ammooniumtiotsüanaadile, mis on hästi tuntud Fe 3+ ioonide reaktiiv. Ilmselgelt ei anna tiouurea seda kvalitatiivset reaktsiooni.

Kolmas positsioon. Ainete omadused sõltuvad aatomite vastastikusest mõjust molekulides.

Näiteks äädikhappes reageerib leelisega ainult üks neljast vesinikuaatomist. Selle põhjal võib eeldada, et hapnikuga on seotud ainult üks vesinikuaatom:

Teisest küljest võib äädikhappe struktuurivalemist järeldada, et see sisaldab ühte liikuvat vesinikuaatomit, see tähendab, et see on ühealuseline.

Et kontrollida struktuuriteooria positsiooni universaalsust ainete omaduste sõltuvusest aatomite vastastikusest mõjust molekulides, mis eksisteerib mitte ainult orgaanilistes, vaid ka anorgaanilistes ühendites, võrdleme vesinikuaatomite omadusi. mittemetallide vesinikuühendid. Neil on molekulaarne struktuur ja normaalsetes tingimustes on need gaasid või lenduvad vedelikud. Sõltuvalt mittemetalli positsioonist D. I. Mendelejevi perioodilises süsteemis võib selliste ühendite omaduste muutumises tuvastada mustri:

Metaan ei suhtle veega. Metaani põhiomaduste puudumine on seletatav süsinikuaatomi valentsvõimete küllastumisega.

Ammoniaagil on põhilised omadused. Selle molekul on võimeline siduma enda külge vesinikiooni tänu oma külgetõmbele lämmastikuaatomi üksikule elektronpaarile (doonor-aktseptor sideme moodustumise mehhanism).

Fosfiinis PH3 on põhiomadused nõrgalt väljendunud, mis on seotud fosfori aatomi raadiusega. See on palju suurem kui lämmastikuaatomi raadius, mistõttu fosforiaatom tõmbab vesinikuaatomi enda poole nõrgemalt.

Perioodidel vasakult paremale suurenevad aatomite tuumade laengud, vähenevad aatomite raadiused, suureneb osalise positiivse laenguga g + vesinikuaatomi tõukejõud ja seetõttu ka mittemetallide vesinikuühendite happelised omadused. on täiustatud.

Peamistes alarühmades suurenevad elementide aatomiraadiused ülalt alla, 5-ga mittemetallide aatomid tõmbavad 5+ nõrgemalt vesinikuaatomeid, vesinikuühendite tugevus väheneb, dissotsieeruvad kergesti ja seetõttu paranevad nende happelised omadused.

Mittemetalliliste vesinikuühendite erinev võime lahustes vesiniku katioone eemaldada või lisada on seletatav ebavõrdse mõjuga, mida mittemetalli aatom avaldab vesinikuaatomitele.

Aatomite erinev mõju sama perioodi elementide poolt moodustatud hüdroksiidide molekulides seletab ka nende happe-aluse omaduste muutumist.

Hüdroksiidide põhiomadused vähenevad, happeliste omadused aga suurenevad, kuna keskaatomi oksüdatsiooniaste suureneb, mistõttu selle sideme energia hapnikuaatomiga (8-) ja vesinikuaatomi tõrjumine (8+) see suureneb.

Naatriumhüdroksiid NaOH. Kuna vesinikuaatomi raadius on väga väike, tõmbab see hapnikuaatomi enda poole tugevamini ning side vesiniku ja hapnikuaatomite vahel on tugevam kui naatriumi- ja hapnikuaatomite vahel. Alumiiniumhüdroksiidil Al(OH)3 on amfoteersed omadused.

Perkloorhappes HclO 4 on suhteliselt suure positiivse laenguga klooriaatom hapnikuaatomiga tugevamalt seotud ja tõrjub vesinikuaatomit 6+ tugevamini. Dissotsiatsioon toimub vastavalt happe tüübile.

Keemiliste ühendite ehituse teooria arendamise põhisuunad ja selle tähendus

A. M. Butlerovi ajal kasutati orgaanilises keemias laialdaselt empiirilisi (molekulaarseid) ja struktuurivalemeid. Viimased peegeldavad aatomite liitumise järjekorda molekulis vastavalt nende valentsile, mida tähistatakse kriipsudega.

Salvestamise hõlbustamiseks kasutatakse sageli lühendatud struktuurivalemeid, milles kriipsudega tähistatakse ainult süsiniku või süsiniku ja hapniku aatomite vahelisi sidemeid.

Lühendatud struktuurivalemid

Seejärel, kui tekkisid teadmised keemilise sideme olemusest ja orgaaniliste ainete molekulide elektronstruktuuri mõjust nende omadustele, hakkasid nad kasutama elektroonilisi valemeid, milles kovalentset sidet tähistatakse tavapäraselt kahe punktiga. Sellistes valemites on sageli näidatud elektronpaaride nihke suund molekulis.

Mesomeerset ja induktsiooniefekti selgitab ainete elektrooniline struktuur.

Induktiivne efekt on gamma-sidemete elektronpaaride nihkumine ühelt aatomilt teisele nende erineva elektronegatiivsuse tõttu. Tähistatakse (->).

Aatomi (või aatomirühma) induktsiooniefekt on negatiivne (-/), kui see aatom on suure elektronegatiivsusega (halogeenid, hapnik, lämmastik), tõmbab ligi gamma sideme elektrone ja omandab osalise negatiivse laengu. Aatomil (või aatomite rühmal) on positiivne induktiivne toime (+/), kui see tõrjub gamma-sidemete elektrone. Seda omadust omavad mõned piiravad radikaalid C2H5). Pidage meeles Markovnikovi reeglit selle kohta, kuidas alkeenidele (propeenile) lisatakse vesinik ja vesinikhalogeniidi halogeen, ja saate aru, et see reegel on oma olemuselt. Võrrelge neid kahte reaktsioonivõrrandi näidet:

[[Keemiliste_ühendite_teooria_A._M._Butlerov| ]]

Üksikute ainete molekulides avalduvad samaaegselt nii induktsioon kui ka mesomeerne toime. Sel juhul need kas tugevdavad üksteist (aldehüüdides, karboksüülhapetes) või nõrgendavad (vinüülkloriidis).

Aatomite vastastikuse mõju molekulides on elektrontiheduse ümberjaotumine.

Keemiliste sidemete ruumilise suuna idee väljendasid esmakordselt prantsuse keemik J. A. Le Bel ja Hollandi keemik J. X. Van't Hoff aastal 1874. Teadlaste oletusi kinnitas täielikult kvantkeemia. Ainete omadusi mõjutab oluliselt nende molekulide ruumiline struktuur. Näiteks oleme juba andnud buteen-2 cis- ja trans-isomeeride valemid, mis erinevad oma omaduste poolest (vt joonis 16).

Keskmine sideme energia, mis tuleb ühelt vormilt teisele üleminekul katkeda, on ligikaudu 270 kJ / mol; toatemperatuuril pole nii palju energiat. Buteen-2 vormide vastastikuseks üleminekuks ühelt teisele on vaja üks kovalentne side katkestada ja selle asemel moodustada teine. Teisisõnu, see protsess on näide keemilisest reaktsioonist ja mõlemad buteen-2 vormid on erinevad keemilised ühendid.

Ilmselt mäletate, et kummi sünteesi kõige olulisem probleem oli stereoregulaarse kummi saamine. Oli vaja luua polümeer, milles konstruktsiooniüksused oleksid paigutatud rangesse järjekorda (looduslik kautšuk koosneb näiteks ainult cis-ühikutest), sest sellest sõltub kummi nii oluline omadus nagu selle elastsus.

Kaasaegne orgaaniline keemia eristab kahte peamist isomeeria tüüpi: struktuurne (ahelaisomeeria, mitmiksidemete asukoha isomeeria, homoloogsete ridade isomeeria, funktsionaalrühmade asukoha isomeeria) ja stereoisomeeria (geomeetriline ehk cis-trans-isomeeria, optiline, või peegel, isomeeria).

Nii saite veenduda, et A. M. Butlerovi selgelt sõnastatud keemilise struktuuri teooria teine seisukoht oli puudulik. Kaasaegsest vaatenurgast nõuab see säte täiendusi:
ainete omadused ei sõltu mitte ainult nende kvalitatiivsest ja kvantitatiivsest koostisest, vaid ka nende:

keemiline,

elektrooniline,

Ruumiline struktuur.

Orgaanilise keemia arengus mängis olulist rolli ainete struktuuri teooria loomine. Valdavalt kirjeldavast teadusest muutub see loovaks, sünteesivaks teaduseks, sai võimalikuks hinnata aatomite vastastikust mõju erinevate ainete molekulides (vt tabel 10). Struktuuriteooria lõi eeldused orgaaniliste molekulide erinevat tüüpi isomeeride ning keemiliste reaktsioonide suundade ja mehhanismide selgitamiseks ja ennustamiseks.

Selle teooria alusel loovad orgaanilised keemikud aineid, mis mitte ainult ei asenda looduslikke, vaid ületavad neid oluliselt oma omadustelt. Niisiis on sünteetilised värvained palju paremad ja odavamad kui paljud looduslikud, näiteks antiikajal tuntud alisariin ja indigo. Sünteetilisi kummisid toodetakse suurtes kogustes, millel on väga erinevad omadused. Plastikuid ja kiude kasutatakse laialdaselt, millest valmistatud tooteid kasutatakse inseneritöös, igapäevaelus, meditsiinis ja põllumajanduses.

A. M. Butlerovi keemilise struktuuri teooria väärtust orgaanilise keemia jaoks võib võrrelda perioodilise seaduse ja D. I. Mendelejevi keemiliste elementide perioodilise süsteemi väärtusega anorgaanilise keemia jaoks. Pole asjata, et mõlemal teoorial on nii palju ühist nende kujunemisviisides, arengusuundades ja üldises teaduslikus tähenduses. Kuid iga teise juhtiva teadusliku teooria ajaloost (Ch. Darwini teooria, geneetika, kvantteooria jne) võib selliseid ühiseid etappe leida.

1. Looge paralleelid kahe juhtiva keemiateooria – D. I. Mendelejevi perioodilise seaduse ja keemiliste elementide perioodilisuse tabeli ning A. M. Butlerovi orgaaniliste ühendite keemilise struktuuri teooria vahel järgmistel alustel: eeltingimustes tavaline, keemiliste elementide perioodilisuse tabeli vahel. nende arengusuunad, levinud prognostilistes rollides.

2. Millist rolli mängis perioodilise seaduse kujunemisel keemiliste ühendite struktuuri teooria?

3. Millised näited anorgaanilisest keemiast kinnitavad keemiliste ühendite struktuuri teooria iga sätte universaalsust?

4. Fosforhape H3PO3 viitab kahealuselistele hapetele. Pakkuge välja selle struktuurivalem ja kaaluge aatomite vastastikust mõju selle happe molekulis.

5. Kirjutage isomeerid koostisega С3Н8O. Nimetage need süstemaatilise nomenklatuuri järgi. Määrake isomeeria tüübid.

6. On teada järgmised kroom(III)kloriidi kristalsete hüdraatide valemid: [Cr(H20)6]Cl3; [Cr(H20)5Cl]Cl2H20; [Cr(H20)4 * C12]Cl 2H2O. Kuidas te seda nähtust nimetaksite?

Teema: A. M. Butlerova orgaaniliste ühendite struktuuri teooria põhisätted.

Orgaaniliste ühendite keemilise struktuuri teooriat, mille A. M. Butlerov esitas eelmise sajandi teisel poolel (1861), kinnitasid paljude teadlaste, sealhulgas Butlerovi õpilaste ja tema enda tööd. Selle põhjal osutus võimalikuks seletada paljusid nähtusi, millel seni puudus tõlgendus: homoloogia, tetravalentsuse ilmnemine süsinikuaatomite poolt orgaanilistes ainetes. Teooria täitis ka oma prognostilist funktsiooni: selle põhjal ennustasid teadlased veel tundmatute ühendite olemasolu, kirjeldasid omadusi ja avastasid need. Niisiis, 1862.–1864. A. M. Butlerov käsitles propüül-, butüül- ja amüülalkohole, määras võimalike isomeeride arvu ja tuletas nende ainete valemid. Nende olemasolu tõestati hiljem eksperimentaalselt ja osa isomeere sünteesis Butlerov ise.

Esimene positsioon. Molekulides on aatomid ühendatud kindlas järjekorras vastavalt nende valentsile. Süsinik kõigis orgaanilistes ja enamikus anorgaanilistes ühendites on neljavalentne.

On ilmne, et teooria esimese sätte viimast osa saab hõlpsasti seletada asjaoluga, et süsinikuaatomid ühendites on ergastatud olekus:

tetravalentsed süsinikuaatomid võivad üksteisega ühineda, moodustades erinevaid ahelaid:

Süsinikuaatomite ühendamise järjekord molekulides võib olla erinev ja sõltub süsinikuaatomitevahelise kovalentse keemilise sideme tüübist - ühe- või mitmekordne (kahe- ja kolmekordne):

Teine positsioon. Ainete omadused ei sõltu ainult nende kvalitatiivsest ja kvantitatiivsest koostisest, vaid ka nende molekulide struktuurist.

See seisukoht seletab nähtust.

Ained, millel on sama koostis, kuid erinev keemiline või ruumiline struktuur ja seetõttu erinevad omadused, nimetatakse isomeerideks.

Peamised tüübid:

Struktuurne isomeeria, milles ained erinevad molekulides aatomite sidumise järjekorras: süsiniku skelett

mitme võlakirja positsioonid:

saadikud

funktsionaalrühmade positsioonid

Kolmas positsioon. Ainete omadused sõltuvad aatomite vastastikusest mõjust molekulides.

Näiteks äädikhappes reageerib leelisega ainult üks neljast vesinikuaatomist. Selle põhjal võib eeldada, et hapnikuga on seotud ainult üks vesinikuaatom:

Teisest küljest võib äädikhappe struktuurivalemist järeldada, et see sisaldab ühte liikuvat vesinikuaatomit, see tähendab, et see on ühealuseline.

Keemiliste ühendite ehituse teooria arendamise põhisuunad ja selle tähendus.

A. M. Butlerovi ajal kasutati orgaanilist keemiat laialdaselt

empiirilised (molekulaarsed) ja struktuurivalemid. Viimased peegeldavad aatomite liitumise järjekorda molekulis vastavalt nende valentsile, mida tähistatakse kriipsudega.

Salvestamise hõlbustamiseks kasutatakse sageli lühendatud struktuurivalemeid, milles kriipsudega tähistatakse ainult süsiniku või süsiniku ja hapniku aatomite vahelisi sidemeid.

Ja kiudaineid, millest valmistatud tooteid kasutatakse tehnoloogias, igapäevaelus, meditsiinis ja põllumajanduses. A. M. Butlerovi keemilise struktuuri teooria väärtust orgaanilise keemia jaoks võib võrrelda perioodilise seaduse ja D. I. Mendelejevi keemiliste elementide perioodilise süsteemi väärtusega anorgaanilise keemia jaoks. Pole asjata, et mõlemal teoorial on nii palju ühist nende kujunemisviisides, arengusuundades ja üldises teaduslikus tähenduses.

Molekuli keemiline struktuur esindab selle kõige iseloomulikumat ja ainulaadsemat külge, kuna see määrab selle üldised omadused (mehaanilised, füüsikalised, keemilised ja biokeemilised). Igasugune muutus molekuli keemilises struktuuris toob kaasa muutuse selle omadustes. Ühele molekulile tehtud väiksemate struktuurimuutuste korral järgnevad väikesed muutused selle omadustes (enamasti mõjutavad füüsikalisi omadusi), kuid kui molekulis on toimunud sügavad struktuurimuutused, siis muutuvad selle omadused (eriti keemilised) põhjalikult.

Näiteks alfa-aminopropioonhappel (alfa-alaniinil) on järgmine struktuur:

Alfa-alaniin

Mida me näeme:

teatud aatomite olemasolu (C, H, O, N),
teatud arv igasse klassi kuuluvaid aatomeid, mis on seotud kindlas järjekorras;

Kõik need disainiomadused määravad ära mitmed alfa-alaniini omadused, näiteks: agregatsiooni tahke olek, keemistemperatuur 295 °C, lahustuvus vees, optiline aktiivsus, aminohapete keemilised omadused jne.

Aminorühma ja teise süsinikuaatomi vahelise sideme olemasolul (st on toimunud kerge struktuurimuutus), mis vastab beeta-alaniinile:

beeta-alaniin

Üldised keemilised omadused on endiselt iseloomulikud aminohapetele, kuid keemistemperatuur on juba 200°C ja optiline aktiivsus puudub.

Kui näiteks selles molekulis on kaks aatomit ühendatud N-aatomiga järgmises järjekorras (sügav struktuurimuutus):

siis moodustunud aine - 1-nitropropaan on oma füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest täiesti erinev aminohapetest: 1-nitro-propaan on kollane vedelik, keemistemperatuuriga 131 ° C, vees lahustumatu.

Sellel viisil, struktuuri-omaduse suhe võimaldab kirjeldada teadaoleva struktuuriga aine üldisi omadusi ja vastupidi, võimaldab leida aine keemilist struktuuri, teades selle üldisi omadusi.

Orgaaniliste ühendite ehituse teooria üldpõhimõtted

Orgaanilise ühendi struktuuri määramisel lähtuvad põhimõtted, mis tulenevad nende struktuuri ja omaduste vahelisest seosest:

a) analüütiliselt puhtad orgaanilised ained on sama koostisega, olenemata nende valmistamismeetodist;

b) orgaanilistel ainetel on analüütiliselt puhtal kujul püsivad füüsikalised ja keemilised omadused;

c) püsiva koostise ja omadustega orgaanilised ained, millel on ainult üks kordumatu struktuur.

Aastal 1861 suur vene teadlane A. M. Butlerov oma artiklis “Aine keemilisest struktuurist” paljastas ta keemilise struktuuri teooria põhiidee, mis seisneb orgaanilises aines aatomite sidumise meetodi mõjus selle omadustele. Ta võttis orgaaniliste ühendite struktuuri teooriasse kokku kõik selleks ajaks kättesaadavad teadmised ja ideed keemiliste ühendite struktuuri kohta.

A. M. Butlerovi teooria peamised sätted

võib kokku võtta järgmiselt:

Orgaanilise ühendi molekulis on aatomid ühendatud kindlas järjestuses, mis määrab selle struktuuri.
Orgaaniliste ühendite süsinikuaatomi valents on neli.
Molekuli sama koostisega on selle molekuli aatomite omavaheliseks ühendamiseks võimalik mitu võimalust. Selliseid sama koostisega, kuid erineva struktuuriga ühendeid nimetati isomeerideks ja sarnast nähtust nimetati isomeeriks.
Teades orgaanilise ühendi struktuuri, saab ennustada selle omadusi; Teades orgaanilise ühendi omadusi, saab ennustada selle struktuuri.
Molekuli moodustavad aatomid alluvad vastastikusele mõjule, mis määrab nende reaktsioonivõime. Otsese sidemega aatomitel on teineteisele suurem mõju, mitteseotud aatomite mõju on palju nõrgem.

Õpilane A.M. Butlerov - V. V. Markovnikov jätkas aatomite vastastikuse mõju küsimuse uurimist, mis leidis kajastamist 1869. aastal tema väitekirjas "Materjalid aatomite vastastikusest mõjust keemilistes ühendites".

Teene A.M. Butlerov ja keemilise struktuuri teooria tähtsus on keemilise sünteesi jaoks erakordselt suur. Tekkis võimalus ennustada orgaaniliste ühendite põhiomadusi, näha ette nende sünteesi viise. Tänu keemilise struktuuri teooriale hindasid keemikud kõigepealt molekuli korrastatud süsteemina, millel on aatomite vahel range sidekord. Ja praegu on Butlerovi teooria põhisätted, vaatamata muudatustele ja täpsustustele, tänapäevaste orgaanilise keemia teoreetiliste kontseptsioonide aluseks.

Kategooriad ,

Tunni sisu: Orgaaniliste ühendite ehituse teooriad: loomise eeldused, põhisätted. Keemiline struktuur kui aatomite seostumisjärjekord ja vastastikune mõju molekulides. Homoloogia, isomeeria. Ainete omaduste sõltuvus keemilisest struktuurist. Keemilise struktuuri teooria arengu põhisuunad. Orgaaniliste ühendite toksilisuse ilmnemise sõltuvus nende molekulide koostisest ja struktuurist (süsinikuahela pikkus ja hargnemise määr, mitme sideme olemasolu, tsüklite ja peroksiidsildade moodustumine, halogeeni olemasolu aatomid), samuti ühendi lahustuvust ja lenduvust.

Tunni eesmärgid:

Korraldada õpilaste tegevust keemilise struktuuri teooria põhisätetega tutvumiseks ja kinnistamiseks.
Näidake õpilastele anorgaaniliste isomeeride näitel keemilise struktuuri teooria universaalset olemust ja anorgaaniliste ainete aatomite vastastikust mõju.

Tundide ajal:

1. Organisatsioonimoment.

2. Õpilaste teadmiste aktualiseerimine.

1) Mida uurib orgaaniline keemia?

2) Milliseid aineid nimetatakse isomeerideks?

3) Milliseid aineid nimetatakse homoloogideks?

4) Nimeta teile teadaolevad teooriad, mis tekkisid orgaanilises keemias 19. sajandi alguses.

5) Millised olid radikaalide teooria miinused?

6) Millised olid tüübiteooria puudused?

3. Tunni eesmärkide ja eesmärkide püstitamine.

Valentsuse mõiste moodustas olulise osa A.M. keemilise struktuuri teooriast. Butlerov 1861. aastal

Perioodiline seadus, mille sõnastas D.I. Mendelejev paljastas 1869. aastal elemendi valentsi sõltuvuse selle positsioonist perioodilises süsteemis.

Ebaselgeks jäi orgaaniliste ainete suur valik, millel on sama kvalitatiivne ja kvantitatiivne koostis, kuid erinevad omadused. Näiteks oli teada umbes 80 erinevat ainet, mis vastasid koostisele C 6 H 12 O 2. Jens Jakob Berzelius soovitas neid aineid nimetada isomeerideks.

Paljude riikide teadlased on sillutanud teed orgaaniliste ainete struktuuri ja omadusi selgitava teooria loomisele.

Speyeri linnas toimunud Saksa loodusteadlaste ja arstide kongressil loeti ette ettekanne "Midagi kehade keemilises struktuuris". Ettekande autor oli Kaasani ülikooli professor Aleksandr Mihhailovitš Butlerov. Just see "miski" moodustas keemilise struktuuri teooria, mis oli aluseks meie kaasaegsetele ideedele keemiliste ühendite kohta.

Orgaaniline keemia sai kindla teadusliku aluse, mis tagas selle kiire arengu järgmisel sajandil kuni tänapäevani. See teooria võimaldas ennustada uute ühendite olemasolu ja nende omadusi. Keemilise struktuuri kontseptsioon võimaldas seletada sellist salapärast nähtust nagu isomeeria.

Keemilise struktuuri teooria peamised sätted on järgmised:
1. Orgaaniliste ainete molekulides on aatomid ühendatud teatud järjestuses vastavalt nende valentsile.

2. Ainete omadused on määratud molekulis olevate aatomite ja aatomirühmade kvalitatiivse, kvantitatiivse koostise, seostumisjärjekorra ning vastastikuse mõjuga.

3. Molekulide struktuuri saab kindlaks teha nende omadusi uurides.

Vaatleme neid sätteid üksikasjalikumalt. Orgaaniliste ainete molekulid sisaldavad süsiniku (valents IV), vesiniku (valents I), hapniku (valents II), lämmastiku (valentsus III) aatomeid. Iga süsinikuaatom orgaaniliste ainete molekulides moodustab teiste aatomitega neli keemilist sidet, samas kui süsinikuaatomeid saab ühendada ahelateks ja rõngasteks. Lähtudes keemilise struktuuri teooria esimesest seisukohast koostame orgaaniliste ainete struktuurivalemid. Näiteks on leitud, et metaanil on CH4 koostis. Arvestades süsiniku ja vesiniku aatomite valentsi, saab pakkuda ainult ühte metaani struktuurivalemit:

Teiste orgaaniliste ainete keemilist struktuuri saab kirjeldada järgmiste valemitega:

etanool

Keemilise struktuuri teooria teine positsioon kirjeldab meile tuntud seost: koostis - struktuur - omadused. Vaatame selle seaduspärasuse avaldumist orgaaniliste ainete näitel.

Etaanil ja etüülalkoholil on erinev kvalitatiivne koostis. Alkoholi molekul sisaldab erinevalt etaanist hapnikuaatomit. Kuidas see omadusi mõjutab?

Hapnikuaatomi sisestamine molekuli muudab dramaatiliselt aine füüsikalisi omadusi. See kinnitab omaduste sõltuvust kvalitatiivsest koostisest.

Võrdleme metaani, etaani, propaani ja butaani süsivesinike koostist ja struktuuri.

Metaanil, etaanil, propaanil ja butaanil on sama kvalitatiivne koostis, kuid erinev kvantitatiivne koostis (iga elemendi aatomite arv). Keemilise struktuuri teooria teise seisukoha järgi peavad neil olema erinevad omadused.

Aine	Keemistemperatuur,°C	sulamistemperatuur,°C
CH 4	– 182,5	– 161,5
C2H6	– 182,8	– 88,6
C3H8	– 187,6	– 42,1
C4H10	– 138,3	– 0,5

Nagu tabelist näha, suureneb süsinikuaatomite arvu suurenemisega molekulis keemis- ja sulamistemperatuur, mis kinnitab omaduste sõltuvust molekulide kvantitatiivsest koostisest.

Molekulaarvalem C 4 H 10 ei vasta mitte ainult butaanile, vaid ka selle isomeerile isobutaanile:

Isomeeridel on sama kvalitatiivne (süsiniku- ja vesinikuaatomid) ja kvantitatiivne (4 süsinikuaatomit ja kümme vesinikuaatomit) koostis, kuid need erinevad üksteisest aatomite ühendamise järjekorra (keemilise struktuuri) poolest. Vaatame, kuidas isomeeride struktuuri erinevus mõjutab nende omadusi.

Hargnenud süsivesinikul (isobutaanil) on kõrgem keemis- ja sulamistemperatuur kui tavalisel süsivesinikul (butaan). Seda võib seletada molekulide tihedama paiknemisega butaanis, mis suurendab molekulidevahelise tõmbejõude ja nõuab seetõttu nende eraldamiseks rohkem energiat.

Keemilise struktuuri teooria kolmas positsioon näitab ainete koostise, struktuuri ja omaduste tagasisidet: koostis - struktuur - omadused. Mõelge sellele kompositsiooniga C 2 H 6 O ühendite näitel.

Kujutage ette, et meil on proovid kahest ainest, millel on sama molekulvalem C 2 H 6 O, mis määrati kvalitatiivse ja kvantitatiivse analüüsi käigus. Kuidas aga välja selgitada nende ainete keemiline struktuur? Sellele küsimusele vastamine aitab uurida nende füüsikalisi ja keemilisi omadusi. Kui esimene aine interakteerub metallilise naatriumiga, siis reaktsioon ei toimu ja teine interakteerub sellega aktiivselt vesiniku vabanemisega. Määrame ainete kvantitatiivse suhte reaktsioonis. Selleks lisame teise aine teadaolevale massile teatud massi naatriumi. Mõõdame vesiniku mahtu. Arvutame ainete koguse. Sel juhul selgub, et uuritava aine kahest moolist eraldub üks mool vesinikku. Seetõttu on selle aine iga molekul ühe vesinikuaatomi allikas. Millise järelduse saab teha? Ainult üks vesinikuaatom erineb omadustelt ja seega ka struktuurilt (milliste aatomitega see on seotud) kõigist teistest. Arvestades süsiniku-, vesiniku- ja hapnikuaatomite valentsust, saab antud aine kohta pakkuda ainult ühte valemit:

Esimese aine jaoks võib välja pakkuda valemi, milles kõigil vesinikuaatomitel on sama struktuur ja omadused:

Sarnase tulemuse saab nende ainete füüsikalisi omadusi uurides.

Seega saab ainete omaduste uurimise põhjal teha järelduse selle keemilise struktuuri kohta.

Keemilise struktuuri teooria tähtsust on vaevalt võimalik ülehinnata. See andis keemikutele teadusliku aluse orgaaniliste ainete struktuuri ja omaduste uurimiseks. Perioodiline seadus, mille sõnastas D.I. Mendelejev. Struktuuriteooria üldistas kõik tolleaegses keemias valitsenud teaduslikud seisukohad. Teadlased suutsid selgitada orgaaniliste ainete käitumist keemiliste reaktsioonide käigus. Tuginedes teooriale A.M. Butlerov ennustas teatud ainete isomeeride olemasolu, mis hiljem saadi. Nagu perioodiline seadus, arendati ka keemilise struktuuri teooriat edasi pärast aatomi struktuuri, keemilise sideme ja stereokeemia teooria kujunemist.