Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова

В середине XIX века ученые определили состав и изучили свойства большого числа органических соединений, обнаружив при этом много удивительного. Оказалось, что десятки совершенно различных веществ содержат в своем составе атомы одних и тех же элементов: различно лишь их соотношение. Теории, объясняющей, почему возможно существование разных веществ совершенно одинакового состава, тогда не было. Фридрих ВЁлер в 1835 г. писал: "... органическая химия в настоящее время может кого хочешь свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть..." Для того чтобы органическая химия могла развиваться дальше, необходимо было систематизировать все это множество соединений, навести порядок в знаниях о них. Возможность описать строение органических молекул появилась после того, как английский химик Эдуард ФрАнкланд в 1853 году ввел понятие "валентность". Франкланд считал, что каждый атом данного элемента обладает способностью соединяться с другими атомами за счет определенного числа связей, постоянного для этого атома. Это число связей было названо валентностью (от латинского valentia - сила). Так, атом водорода обычно образует одну связь, и по Франкланду он одновалентен, атом кислорода двухвалентен и т.д. Для развития теории строения органических веществ очень плодотворным было предположение немецкого ученого Фридриха КЕкуле, что атомы углерода в органических соединениях всегда образуют четыре связи, т.е. четырехвалентны. Однако многие химики того времени считали, что с помощью химических формул нельзя отразить строение соединения, и тем более невозможно на основании формулы предсказать свойства вещества. Для того чтобы разобраться в многообразии органических веществ, был необходим критический взгляд на господствовавшие в химии представления. Молодой российский ученый Александр Михайлович БУтлеров выступил на конгрессе с основными положениями теории строения органических соединений. Сущность теории Бутлерова состоит в следующем: свойства молекулы определяются свойствами атомов, составляющих ее, их числом и расположением в молекуле. Бутлеров ввел понятие "химическое строение молекулы".

На основании этого понятия он выразил суть теории следующим образом: "…Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением" (т. 2, с. 45), т.е. химические свойства молекулы определяются составом входящих в неё атомов, их числом и химическим строением. Основные положения теории строения органических соединений: 1.Атомы в молекуле расположены в определенном порядке друг относительно друга в соответствии с их валентностью. Последовательность расположения атомов в молекуле называют строением молекулы. Этот порядок атомов в молекуле и характер их связей А. М. Бутлеров назвал химическим строением. Валентность углерода как в простых, так и в сложных органических соединениях всегда равна четырем. При соединении атомов углерода могут образовываться одинарные, двойные и тройные связи. Химическое строение органических веществ описывают при помощи структурных формул (черточка в формуле обозначает структурную связь, которые принято записывать в сокращенной форме, например:     Н Н Н Н Н │ │ │ │ │ Н – С –С – С- С – С - Н │ │ │ │ │ Н Н Н Н Н Или сокращенно: (при расстановке водорода считаем число связей С и от валентности углерода -4- отнимаем число использованных связей углерода) СН3 – СН2 - СН2 - СН2 – СН3   2.Свойства веществ зависят не только от их состава (вида и числа атомов, входящих в молекулу), но и от строения молекул. Атомы в молекуле оказывают друг на друга взаимное влияние, от которого зависят физические и химические свойства веществ. Под строением или структурой Бутлеров понимал порядок связи атомов в молекуле в соответствии с их валентностью. На основании теории строения А.М. Бутлеров объяснил явление изомерии - существования различных по свойствам веществ, с одинаковым составом. Изомеры – вещества с одинаковым составом, но разным строением и свойствами.

Приведём пример: известны два разных вещества одинакового состава С2H6O, различающихся по своим физическим и химическим свойствам: этиловый спирт и диметиловый эфир. Эти изомерные вещества имеют различное строение. Этиловому спирту соответствует структурная формула CH3-CH2-OH, а диметиловому эфиру - СH3-O-CH3. А.М. Бутлеров доказал справедливость своей теории так. В то время было известно одно вещество состава С4H10 - бутан. Ученый предсказал существование двух изомеров с таким составом и синтезировал изобутан. У бутана и изобутана отличаются температуры плавления и кипения, (у бутана Т. кип. -0,5oС, а изобутан Т. кип. -11,7oC).

Изомеры бывают структурными и пространственными. Структурными называют изомеры, имеющие различный порядок соединения атомов в молекуле. Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода, но отличаются их взаимным расположением в пространстве. Различают три вида структурной изомерии: Изомерия углеродного скелета. 1.Соединения отличаются порядком расположения углерод-углеродных связей (бутан и изобутан). СН3 – СН2 - СН2 - СН2 – СН3 – пентан СН3 – СН - СН2 – СН3 2метилбутан (изобутан) – постепенное сокращение углеродной │ СН3 цепи на один атом углерода и вынесение сокращенных атомов вниз в виде радикалов.   СН3 │ СН3 – С – СН3 2, 2 -диметилпропан (изобутан) │ СН3   2.Изомерия положения кратной связи ( или функциональной группы.   Н2С= СН – СН2 – СН3 бутен – 1 Н3С- СН = СН – СН3 бутен – 2 (расположение кратной связи после первого атома углерода, во втором примере – после 2) 3.Межклассовая изомерия. Изомеры относятся к разным классам органических соединений (этиловый спирт и диметиловый эфир). 4.Различают два вида пространственной изомерии: геометрическую и оптическую. Геометрическая изомерия характерна для соединений с двойной углерод-углеродной связью.Оптической изомерией обладают вещества, которые имеют асимметрический атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Оптические изомеры являются зеркальным изображением друг друга.

В настоящее время изомеры нашли широкое применение в нашей жизни. Нетоксичные изомеры Гексахлорциклогексана являются ценными сельскохозяйственными химикатами. Некоторые изомеры широко используются в фармацевтической практике. Например, «Амлодипин» - сердечно-сосудистый препарат. Оптическая изомерия: новое слово в кардиологии. Препараты компании «Актавис» – Азомекс и Азопрол ретард – открывают новые возможности в кардиоваскулярной фармакотерапии. В явлении изомерии и заключается многообразие веществ в органической химии.

3. Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга, от чего зависит их способность вступать в химические реакции (реакционная способность)

Например, формула бензола – С₆Н₆, фенола С₆Н₅ОН, строение похоже, в молекуле фенола просто один атом водорода заменен на группу – ОН. Однако все реакции в молекуле бензола протекают в присутствии Kt и t, а у фенола из – за взаимного влияния функциональной группы ОН и ядра бензола все реакции будут протекать самопроизвольно. (это положение подробно мы будем изучать в процессе изучения отдельных классов)

В противоположность изомерам в органической химии имеется понятие - гомологи.Это вещества с разным составом, но одинаковым строением и свойствами (так как они принадлежат одному классу). Например, гомологический ряд предельных углеводородов алканов.

Этот ряд лежит в основе названий всех классов органических соединений.

Задание:

1. В чем при­чи­на мно­го­об­ра­зия ор­га­ни­че­ских ве­ществ?

2. По­че­му воз­мож­но су­ще­ство­ва­ние изо­ме­ров?

3. Сколь­ко изо­ме­ров име­ет гексан и октан? Составить формулы изомеров. Приведите к каждому углеводороду по 2 примера гомологов.

4. Чем клас­си­фи­ка­ция ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний от­ли­ча­ет­ся от клас­си­фи­ка­ции не­ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний?