Теорія будови хімічних сполук Бутлерова

На час створення Бутлеров теорії хімічної будови органічних речовин (1861 г.) були відомі багато десятків і сотні тисяч органічних сполук.

Виникнення органічної хімії як самостійної науки можна віднести до 1807 року, коли відомий шведський хімік Й. Берцеліус вперше ввів терміни «органічна хімія» та «органічні речовини». До цього часу речовини класифікували за джерелом їх отримання і тому ще в XVIII в. розрізняли три хімії: «рослинну», «тваринну» і «мінеральну».

В кінці XVIII ст. французький хімік А. Лавуазьє показав, що речовини, одержувані з організмів рослин і тварин (звідси їх назва – органічні речовини), містять, на відміну від мінеральних, лише деякі елементи: вуглець, водень, кисень, азот, а іноді фосфор і сірку. Так як вуглець обов’язково присутній у всіх органічних сполуках, то органічну хімію за пропозицією А. Кекуле з середини XIX ст. стали називати хімією з’єднань вуглецю.

Пізніше німецький хімік К. Шорлеммер дав більш точне визначення цієї науки: органічна хімія – це хімія вуглеводнів і їх похідних (тобто з’єднань, які можуть бути отримані на основі вуглеводнів).

Роботи попередників А. М. Бутлерова

1. Введення французькими хіміками Л. Гітоном де Морво і А. Лавуазьє терміна «радикал» і тлумачення органічної хімії як хімії складних радикалів (Ж. Дюма і Ф. Велер).
У 20-30-х рр. XX ст. минулого століття сформувалася теорія радикалів (Й. Берцеліус, Ю. Лібіх, Ж. Дюма), що стала однією з перших спроб пояснити природу органічних речовин. Вважалося, що органічні речовини побудовані з радикалів – груп атомів, без зміни переходять з одного з’єднання в інше при хімічних реакціях. Радикали розглядали як «справжні елементи органічної хімії» і вважали їх стійкість постійним властивістю. Такі уявлення можуть бути оцінені як односторонні, хоча їх визнають і в даний час, коли доведено існування органічних радикалів як проміжних частинок, що виникають в ході хімічних реакцій. Цим не вичерпується різноманітна природа органічних речовин і їх перетворень. 2. Створення теорії типів французькими хіміками Ж. Дюма, Ш. Жераром і О. Лораном (1848-1853), згідно з якою органічні речовини розглядають як похідні найпростіших неорганічних речовин: водню, хлороводню, води, аміаку.

Тип водню:
Теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова

Такі формули трохи схожі на сучасні. Але прихильники теорії типів не рахували їх відображають реальний будова речовин і писали безліч різних формул одного з’єднання в залежності від хімічних реакцій, які намагалися записати за допомогою цих формул. Будова молекул вони вважали принципово непізнавані, що завдавало шкоди розвитку науки.
3. Введення Й. Берцелиусом в 1830 р терміна «ізомерія» для явища існування речовин однакового складу, що володіють різними властивостями.

4. Успіхи в синтезі органічних сполук, в результаті яких було розвіяно вчення про віталізмі, тобто про «життєву силу», під впливом якої нібито в організмі живих істот утворюються органічні речовини:

• в 1828 р Ф. Велер з неорганічної речовини (цианата амонію) синтезував сечовину;

• в 1842 р російський хімік Н. Н. Зінін отримав анілін;

• в 1845 р німецький хімік А. Кольбе синтезував оцтову кислоту;

• в 1854 р французький хімік М. Бертло синтезував жири, і, нарешті,

• в 1861 р сам А. М. Бутлеров синтезував сахароподобние речовина.

5. У середині XVIII ст. хімія стає більш суворої наукою. В результаті робіт Е. Франкланда і А. Кекуле утвердилося поняття про валентності атомів хімічних елементів. Кекуле розвинув уявлення про чотирьохвалентного вуглецю. Завдяки працям Канниццаро чіткіше стали поняття про атомних і молекулярних масах, уточнені їх значення і способи визначення.

У 1860 р понад 140 провідних хіміків з різних країн Європи зібралися на міжнародний конгрес в м Карлсруе. Конгрес став дуже важливою подією в історії хімії: були узагальнені успіхи науки і підготовлені умови для нового етапу в розвитку органічної хімії – появи теорії хімічної будови органічних речовин А. М. Бутлерова (1861 г.), а також для фундаментального відкриття Д. І. Менделєєва – Періодичного закону і системи хімічних елементів (1869 г.).

У 1861 р А. М. Бутлеров виступив на з’їзді лікарів і натуралістів в м Шпейере з доповіддю «Про хімічну будову тіл». У ньому він виклав основи розробленої ним теорії хімічної будови органічних сполук. Під хімічною будовою вчений розумів порядок з’єднання атомів в молекулах.

Особистісні якості А. М. Бутлерова

А. М. Бутлерова відрізняли енциклопедичність хімічних знань, вміння аналізувати і узагальнювати факти, прогнозувати. Він передбачив існування ізомери бутану, а потім отримав його, так само як ізомер бутилену – ізобутилен.

Бутлеров Олександр Михайлович (1828-1886)
Бутлеров
Російський хімік, академік Петербурзької АН (з 1874 р). Закінчив Казанський університет (1849 г.). Працював там же (з 1857 р – професор, в 1860 і 1863 рр. – Ректор). Творець теорії хімічної будови органічних сполук, що лежить в основі сучасної хімії. Обґрунтував ідею про взаємний вплив атомів в молекулі. Передбачив і пояснив изомерию багатьох органічних сполук. Написав «Вступ до повного вивчення органічної хімії» (1864 р) – перше в історії науки керівництво, засноване на теорії хімічної будови. Голова Відділення хімії Російського фізико-хімічного товариства (1878-1882).

А. М. Бутлеров створив першу в Росії школу хіміків-органіків, з якої вийшли блискучі вчені: В. В. Марковников, Д. П. Коновалов, А. Е. Фаворський і ін.

Недарма Д. І. Менделєєв писав: «А. М. Бутлеров – один з найбільших російських вчених, він росіянин і по вченому освіти, і за оригінальністю праць ».

Основні положення теорії будови хімічних сполук

Теорія хімічної будови органічних сполук, висунута А. М. Бутлеров в другій половині минулого століття (1861 г.), була підтверджена роботами багатьох вчених, в тому числі учнями Бутлерова та їм самим. Виявилося можливим на її основі пояснити багато явищ, до того часу не мали тлумачення: изомерию, гомологію, прояв атомами вуглецю чотирьохвалентного в органічних речовинах. Теорія виконала і свою прогностичну функцію: на її основі вчені передбачали існування невідомих ще з’єднань, описували властивості і відкривали їх.

Так, в 1862-1864 рр. А. М. Бутлеров розглянув изомерию пропилового, бутилових і амилового спиртів, визначив число можливих ізомерів і вивів формули цих речовин. Існування їх пізніше було експериментально доведено, причому деякі з ізомерів синтезував сам Бутлеров.

Протягом XX в. положення теорії хімічної будови хімічних сполук були розвинені на основі нових поглядів, що поширилися в науці: теорії будови атома, теорії хімічного зв’язку, уявлень про механізми хімічних реакцій. В даний час ця теорія має універсальний характер, тобто справедлива не тільки для органічних речовин, але і для неорганічних.

Перше положення. Атоми в молекулах з’єднуються в певному порядку відповідно до їх валентністю. Вуглець у всіх органічних і в більшості неорганічних сполук чотиривалентний.

Очевидно, що останню частину першого положення теорії легко пояснити тим, що в сполуках атоми вуглецю знаходяться в збудженому стані:
Теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова

а) атоми чотирьохвалентного вуглецю можуть з’єднуватися один з одним, утворюючи різні ланцюга:

– Відкриті розгалужені
– Відкриті нерозгалужені
– замкнуті
б) порядок з’єднання атомів вуглецю в молекулах може бути різним і залежить від виду ковалентного хімічного зв’язку між атомами вуглецю – одинарної або кратної (подвійною і потрійною).

Друге положення. Властивості речовин залежать не тільки від їх якісного і кількісного складу, а й від будови їх молекул.

Це положення пояснює явище ізомерії. Речовини, що мають однаковий склад, але різну хімічну або просторову будову, а отже, і різні властивості, називають ізомерами. Основні види ізомерії:

Структурна ізомерія, при якій речовини розрізняються порядком зв’язку атомів в молекулах:

1) ізомерія вуглецевого скелета
Теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова

3) ізомерія гомологічних рядів (межклассовая)
Теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова

Просторова ізомерія, при якій молекули речовин відрізняються не порядком зв’язку атомів, а становищем їх у просторі: цис-транс-ізомерія (геометрична).

Ця ізомерія характерна для речовин, молекули яких мають плоске будова: алкенів, циклоалканов і ін.

До просторової ізомерії відноситься і оптична (дзеркальна) ізомерія.

Чотири одинарні зв’язки навколо атома вуглецю, як ви вже знаєте, розташовані Тетраедрично. Якщо атом вуглецю пов’язаний з чотирма різними атомами або групами, то можливо різне розташування цих груп у просторі, тобто дві просторові ізомерні форми.

Дві дзеркальні форми амінокислоти аланіну (2-амінопропановой кислоти) зображені на малюнку 17.

Уявіть собі, що молекулу аланина помістили перед дзеркалом. Група -NH2 знаходиться ближче до дзеркала, тому в відображенні вона буде попереду, а група -СООН – на задньому плані і т. Д. (Див. Зображення праворуч). Аланії існує в двох просторових формах, які при накладенні не поєднувати одна з одною.

Універсальність другого положення теорії будови хімічних сполук підтверджує існування неорганічних ізомерів.

Так, перший з синтезів органічних речовин – синтез сечовини, проведений Велером (1828 г.), показав, що ізомерні неорганічне речовина – цианат амонію і органічне – сечовина:
Теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова

Якщо замінити атом кисню в мочевине на атом сірки, то вийде тіосечовина, яка ізомерний роданідом амонію, добре відомому вам реактиву на іони Fе3 +. Очевидно, що тіосечовина не дає цієї якісної реакції.
Третє положення. Властивості речовин залежать від взаємного впливу атомів в молекулах.

Наприклад, в оцтової кислоти в реакцію з лугом вступає тільки один з чотирьох атомів водню. На підставі цього можна припустити, що тільки один атом водню пов’язаний з киснем:
Теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова
З іншого боку, з структурної формули оцтової кислоти можна зробити висновок про наявність в ній одного рухомого атома водню, тобто про її одноосновними.

Щоб переконатися в універсальності положення теорії будови про залежність властивостей речовин від взаємного впливу атомів в молекулах, яке існує не тільки у органічних, а й у неорганічних сполук, порівняємо властивості атомів водню в водневих сполуках неметалів. Вони мають молекулярну будову і в звичайних умовах являють собою гази або летючі рідини. Залежно від положення неметалла в Періодичній системі Д. І. Менделєєва можна виявити закономірність в зміні властивостей таких сполук:
Теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова
Метан не взаємодіє з водою. Відсутність основних властивостей у метану пояснюється насиченістю валентних можливостей атома вуглецю.

Аміак проявляє основні властивості. Його молекула здатна приєднувати до себе іон водню за рахунок його тяжіння до неподіленої електронної пари атома азоту (донорно-акцепторні механізм утворення зв’язку).

У фосфіну РН3 основні властивості слабо виражені, що пов’язано з радіусом атома фосфору. Він значно більше радіусу атома азоту, тому атом фосфору слабше притягує до себе атом водню.

У періодах зліва направо збільшуються заряди ядер атомів, зменшуються радіуси атомів, збільшується сила відштовхування атома водню з частковим позитивним зарядом § +, а тому кислотні властивості водневих з’єднань неметалів посилюються.
Теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова
У головних підгрупах зверху вниз збільшуються радіуси атомів елементів, атоми неметалів з 5 слабкіше притягують атоми водню з 5+, зменшується міцність водневих з’єднань, вони легко дисоціюють, а тому їх кислотні властивості посилюються.

Різна здатність водневих з’єднань неметалів до отщеплению або приєднання катіонів водню в розчинах пояснюється неоднаковим впливом, який має атом неметалла на атоми водню.

Різним впливом атомів в молекулах гідроксидів, утворених елементами одного періоду, пояснюється також зміна їх кислотно-основних властивостей.

Основні властивості гндроксідов зменшуються, а кислотні посилюються, так як збільшується ступінь окислення центрального атома, отже, зростає енергія зв’язку його з атомом кисню (8-) і відштовхування їм атома водню (8 +).

Гідроксид натрію NаОН. Так як у атома водню радіус дуже малий, його сильніше Притягує до себе атом кисню і зв’язок між атомами водню і кисню буде міцнішою, ніж між атомами натрію і кисню. Гідроксид алюмінію Аl (0Н) 3 проявляє амфотерні властивості.

У хлорним кислоті НСlO4 атом хлору з відносно великим позитивним зарядом міцніше пов’язаний з атомом кисню і сильніше відштовхує від себе атом водню з 6 +. Дисоціація відбувається по кислотному типу.

Основні напрямки розвитку теорії будови хімічних сполук і її значення

За часів А. М. Бутлерова в органічній хімії широко використовували емпіричні (молекулярні) і структурні формули. Останні відображають порядок з’єднання атомів в молекулі згідно їх валентності, яка позначається рисками.

Для простоти запису часто використовують скорочені структурні формули, в яких рисками позначають тільки зв’язку між атомами вуглецю або вуглецю і кисню.

Скорочені структурні формули

Теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова
Потім, у міру розвитку знань про природу хімічного зв’язку і про вплив електронної будови молекул органічних речовин на їх властивості, стали користуватися електронними формулами, в яких ковалентний зв’язок умовно позначають двома точками. У таких формулах часто показують напрямок зміщення електронних пар в молекулі.

Саме електронною будовою речовин пояснюють мезомерний і індукційний ефекти.

Індукційний ефект – зсув електронних пар гамма-зв’язків від одного атома до іншого внаслідок їх різної електронегативності. Позначається (->).

Індукційний ефект атома (або групи атомів) негативний (- /), якщо цей атом має більшу електронегативність (галогени, кисень, азот), притягує до себе електрони гамма-зв’язку і набуває при цьому частковий негативний заряд. Атом (або група атомів) має позитивний індукційний ефект (+ /), якщо він відштовхує електрони гамма-зв’язків. Цією властивістю володіють деякі граничні радикали С2H5). Згадайте правило Марковникова про те, як приєднується до алкенам (пропеніл) водень і галоген галогеноводорода і ви зрозумієте, що це правило носить приватний характер. Порівняйте ці два приклади рівнянь реакцій:

[[Теорія_строенія_хіміческіх_соедіненій_А._М._Бутлерова | Him11R-30.jpg]]
У молекулах окремих речовин проявляються і індукційний, і мезомерний ефекти одночасно. У цьому випадку вони або підсилюють один одного (в альдегідах, карбонових кислотах), або взаємно послаблюються (в хлорвінілом).

Результатом взаємного впливу атомів в молекулах є перерозподіл електронної щільності.

Ідею про просторовому напрямку хімічних зв’язків вперше висловили французький хімік Ж. А. Ле Бель і голландський хімік Я. X. Вант-Гофф в 1874 р Припущення вчених повністю підтвердила квантова хімія. На властивості речовин сильно впливає просторова будова їх молекул. Наприклад, ми вже наводили формули цис- і транс-ізомерів бутена-2, які відрізняються за своїми властивостями (див. Рис. 16).

Середня енергія зв’язку, яку необхідно розірвати при переході однієї форми в іншу, дорівнює приблизно 270 кДж / моль; такої великої кількості енергії при кімнатній температурі немає. Для взаємного переходу форм бутена-2 з однієї в іншу необхідно одну ковалентний зв’язок розірвати і натомість утворити іншу. Іншими словами, цей процес – приклад хімічної реакції, а обидві розглянуті форми бутена-2 представляють собою різні хімічні сполуки.

Ви, очевидно, пам’ятаєте, що найважливішою проблемою при синтезі каучуку було отримання каучуку стереорегулярность будови. Необхідно було створити такий полімер, в якому структурні ланки розташовувалися б в строгому порядку (натуральний каучук, наприклад, складається тільки з цис-ланок), адже від цього залежить такий важливий властивість каучуку, як його еластичність.

����¯�¿�½���¯���¿���½����¯�¿�½������°����¯�¿�½������³����¯�¿�½���¯���¿���½����¯�¿�½���¯���¿���½����¯�¿�½������·����¯�¿�½������º����¯�¿�½������°...
ПОДІЛИТИСЯ: