Prima a apărut la începutul secolului al XIX-lea. teorie radicală(J. Gay-Lussac, F. Wehler, J. Liebig). Radicalii erau denumirile date grupurilor de atomi care se schimbă fără schimbare când reacții chimice de la o conexiune la alta. Acest concept de radicali a fost păstrat, dar majoritatea celorlalte prevederi ale teoriei radicalilor s-au dovedit a fi incorecte.

Conform teoriile tipurilor(C. Gerard) toate substanțele organice pot fi împărțite în tipuri corespunzătoare anumitor substanțe anorganice. De exemplu, alcoolii R-OH și eterii R-O-R au fost considerați reprezentanți ai tipului de apă H-OH, în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu radicali. Teoria tipurilor a creat o clasificare a substanțelor organice, unele dintre principiile cărora sunt folosite astăzi.

Teoria modernă a structurii compusi organici creat de remarcabilul om de știință rus A.M. Butlerov.

Principii de bază ale teoriei structurii compușilor organici de A.M. Butlerov

1. Atomii dintr-o moleculă sunt aranjați într-o anumită secvență în funcție de valența lor. Valența atomului de carbon în compușii organici este de patru.

2. Proprietățile substanțelor depind nu numai de ce atomi și în ce cantități sunt incluși în moleculă, ci și de ordinea în care sunt conectați unul cu celălalt.

3. Atomii sau grupurile de atomi care alcătuiesc o moleculă se influențează reciproc, ceea ce determină activitatea chimică și reactivitatea moleculelor.

4. Studierea proprietăților substanțelor ne permite să determinăm structura lor chimică.

Influența reciprocă a atomilor vecini în molecule este cea mai importantă proprietate a compușilor organici. Această influență se transmite fie printr-un lanț de legături simple, fie printr-un lanț de legături simple și duble conjugate (alternante).

Clasificarea compușilor organici se bazează pe analiza a două aspecte ale structurii moleculelor - structura scheletului de carbon și prezența grupărilor funcționale.

Compusi organici

Hidrocarburi Compuși heterociclici

Limită- Fără precedent- Aroma-

practică eficientă

Carbociclic alifatic

Ultimate nesaturate Ultimate nesaturate aromatice

(Alcani) (Cicloalcani) (Arene)

CU P H 2 P+2 C P H 2 P CU P H 2 P -6

alchene, poliene și alchine

CU P H 2 P poliinele C P H 2 P -2

Orez. 1. Clasificarea compușilor organici în funcție de structura scheletului de carbon

Clase de derivați de hidrocarburi bazate pe prezența grupărilor funcționale:

Derivaţi de halogen R–Gal: CH3CH2Cl (cloroetan), C6H5Br (bromobenzen);

Alcooli și fenoli R–OH: CH 3 CH 2 OH (etanol), C 6 H 5 OH (fenol);

Tioli R–SH: CH3CH2SH (etanetiol), C6H5SH (tiofenol);

Eteri R–O–R: CH 3 CH 2 –O–CH 2 CH 3 (eter dietilic),

complex R–CO–O–R: CH 3 CH 2 COOCH 2 CH 3 (eter etilic acid acetic);

Compuși carbonilici: aldehide R–CHO:

cetone R–СО–R: CH3COCH3 (propanonă), C6H5COCH3 (metilfenilcetonă);

Acizi carboxilici R-COOH: (acid acetic), (acid benzoic)

Acizi sulfonici R–SO 3 H: CH 3 SO 3 H (acid metansulfonic), C 6 H 5 SO 3 H (acid benzensulfonic)

Amine R–NH2: CH3CH2NH2 (etilamină), CH3NHCH3 (dimetilamină), C6H5NH2 (anilină);

Compuși nitro R–NO 2 CH 3 CH 2 NO 2 (nitroetan), C 6 H 5 NO 2 (nitrobenzen);

Compuși organometalici (organoelement): CH 3 CH 2 Na (etil sodiu).

O serie de compuși similari ca structură, care posedă proprietăți chimice similare, în care membrii individuali ai seriei diferă unul de celălalt doar prin numărul de grupe -CH 2 -, se numește serie omoloagă, iar gruparea -CH2 este o diferență omologică . Pentru membrii unei serii omoloage, marea majoritate a reacțiilor se desfășoară în același mod (cu excepția doar a primilor membri ai seriei). In consecinta, cunoscand reactiile chimice ale unui singur membru al seriei, se poate afirma cu un grad mare de probabilitate ca acelasi tip de transformare sa se produca si cu membrii ramasi ai seriei omoloage.

Pentru orice serie omoloagă se poate deriva formula generala, reflectând relația dintre atomii de carbon și hidrogen ai membrilor acestei serii; ca aceasta formula se numeste formula generală a seriei omoloage. Da s P H 2 P+2 – formula alcanilor, C P H 2 P+1 OH – alcooli monohidroxilici alifatici.

Nomenclatura compușilor organici: nomenclatură trivială, rațională și sistematică. Nomenclatura trivială este o colecție de nume stabilite istoric. Deci, din nume este imediat clar unde a fost izolat acidul malic, succinic sau citric, cum a fost obținut acidul piruvic (piroliza acidului de struguri), experții limba greacă Este ușor de ghicit că acidul acetic este ceva acru, iar glicerina este ceva dulce. Pe măsură ce s-au sintetizat noi compuși organici și s-a dezvoltat teoria structurii lor, s-au creat alte nomenclaturi care reflectau structura compusului (aparținerea acestuia la o anumită clasă).

Nomenclatura rațională construiește numele unui compus pe baza structurii unui compus mai simplu (primul membru al unei serii omoloage). CH 3 EL– carbinol, CH 3 CH 2 EL– metilcarbinol, CH 3 CH(OH) CH 3 – dimetilcarbinol etc.

Nomenclatura IUPAC (nomenclatura sistematică). Conform nomenclaturii IUPAC (Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată), denumirile hidrocarburilor și derivații lor funcționali se bazează pe numele hidrocarburii corespunzătoare cu adăugarea de prefixe și sufixe inerente acestei serii omoloage.

Pentru a numi corect (și fără ambiguitate) un compus organic folosind nomenclatura sistematică, trebuie să:

1) selectați cea mai lungă secvență de atomi de carbon (structura parentală) ca schelet principal de carbon și dați-i numele, acordând atenție gradului de nesaturare a compusului;

2) identificați Toate grupări funcționale prezente în compus;

3) stabiliți ce grupă este senior (vezi tabel), numele acestei grupe se reflectă în denumirea compusului sub formă de sufix și se plasează la sfârșitul denumirii compusului; toate celelalte grupuri sunt date în nume sub formă de prefixe;

4) numerotează atomii de carbon din lanțul principal, dând grup de seniori cel mai mic număr;

5) enumerați prefixele în ordine alfabetică (în acest caz nu se iau în considerare prefixele de înmulțire di-, tri-, tetra- etc.);

6) notează numele complet al compusului.

Clasa de conectare	Formula grupului funcțional		Sufix sau terminație
Acizi carboxilici		carboxi-	Acid oic
Acizi sulfonici			Acid sulfonic
Aldehide
		hidroxi-
		mercapto-
	С≡≡С
Derivați de halogen	Br, I, F, Cl	Brom-, iod-, fluor-, clor-	-bromura, -iodura, -fluorura, -clorura
Compuși nitro

Este necesar să ne amintim:

În denumirile de alcooli, aldehide, cetone, acizi carboxilici, amide, nitrili, halogenuri acide, sufixul care definește clasa urmează sufixului gradului de nesaturare: de exemplu, 2-butenal;

Compușii care conțin alte grupări funcționale se numesc derivați de hidrocarburi. Numele acestor grupe funcționale sunt plasate ca prefixe înaintea numelui hidrocarburii părinte: de exemplu, 1-cloropropan.

Denumirile grupelor funcționale acide, cum ar fi acidul sulfonic sau acidul fosfinic, sunt plasate după numele scheletului de hidrocarbură: de exemplu, acidul benzensulfonic.

Derivații aldehidelor și cetonelor sunt adesea numiți după compusul carbonil părinte.

Esterii acizilor carboxilici sunt numiți derivați ai acizilor părinte. Terminația –acidul oic este înlocuită cu –oat: de exemplu, propionatul de metil este esterul metilic al acidului propanoic.

Pentru a indica faptul că substituentul este legat de atomul de azot al structurii părinte, utilizați o literă mare N înaintea numelui substituentului: N-metilanilină.

Acestea. trebuie să începeți cu numele structurii părinte, pentru care este absolut necesar să cunoașteți pe de rost numele primilor 10 membri ai seriei omoloage de alcani (metan, etan, propan, butan, pentan, hexan, heptan, octan, nonan, decan). De asemenea, trebuie să cunoașteți numele radicalilor formați din ei - în acest caz, terminația -an se schimbă în -il.

Luați în considerare un compus care face parte din medicamentele utilizate pentru tratarea bolilor oculare:

CH 3 – C(CH 3) = CH – CH 2 – CH 2 – C(CH 3) = CH – CHO

Structura de bază este un lanț de 8 atomi de carbon, inclusiv o grupare aldehidă și ambele legături duble. Opt atomi de carbon sunt octan. Dar există 2 legături duble - între al doilea și al treilea atom și între al șaselea și al șaptelea. O legătură dublă - terminația -an trebuie înlocuită cu -ene, există 2 legături duble, ceea ce înseamnă -dienă, adică. octadienă, iar la început indicăm poziția lor, numind atomii cu numere mai mici - 2,6-octadienă. Ne-am ocupat de structura originală și de nedeterminare.

Dar compusul conține o grupare aldehidă, nu este o hidrocarbură, ci o aldehidă, așa că adăugăm sufixul -al, fără număr, este întotdeauna primul - 2,6-octadienal.

Alți 2 substituenți sunt radicali metil la atomii 3 și 7. Deci, în final obținem: 3,7-dimetil - 2,6-octadienal.

Cursul 15

Teoria structurii substanțelor organice. Clase principale de compuși organici.

Chimie organica -știința care studiază materia organică. Altfel poate fi definit ca chimia compușilor carbonului. Acesta din urmă ocupă un loc special în tabelul periodic al lui D.I. Mendeleev pentru varietatea de compuși, dintre care se cunosc aproximativ 15 milioane, în timp ce numărul de compuși anorganici este de cinci sute de mii. Substanțele organice sunt cunoscute omenirii de mult timp, cum ar fi zahărul, grăsimile vegetale și animale, coloranții, parfumul și substante medicinale. Treptat, oamenii au învățat prin prelucrarea acestor substanțe să obțină o varietate de produse bio valoroase: vin, oțet, săpun etc. Succes în Chimie organica se bazează pe realizări în domeniul chimiei substanțelor proteice, acizilor nucleici, vitaminelor etc. Chimia organică are o mare importanță pentru dezvoltarea medicinei, întrucât marea majoritate medicamente sunt compuși organici nu numai de origine naturală, ci și obținuți în principal prin sinteză. Semnificația excepțională a greutate moleculară mare compuși organici (rășini sintetice, materiale plastice, fibre, cauciucuri sintetice, coloranți, erbicide, insecticide, fungicide, defolianți...). Chimia organică este de mare importanță pentru producția de alimente și bunuri industriale.

Chimia organică modernă a pătruns profund în procesele chimice care au loc în timpul depozitării și prelucrării produselor alimentare: procesele de uscare, râncezire și saponificare a uleiurilor, fermentare, coacere, fermentare, producție de băuturi, în producția de produse lactate etc. Descoperirea și studiul enzimelor și parfumurilor și cosmeticelor au jucat, de asemenea, un rol major.

Unul dintre motivele pentru marea varietate de compuși organici este unicitatea structurii lor, care se manifestă prin formarea de legături și lanțuri covalente de către atomii de carbon, variind ca tip și lungime. Mai mult, numărul de atomi de carbon legați din ei poate ajunge la zeci de mii, iar configurația lanțurilor de carbon poate fi liniară sau ciclică. Pe lângă atomii de carbon, lanțurile pot conține oxigen, azot, sulf, fosfor, arsen, siliciu, staniu, plumb, titan, fier etc.

Manifestarea acestor proprietăți de către carbon se datorează mai multor motive. S-a confirmat că energiile legăturilor C-C și C-O sunt comparabile. Carbonul are capacitatea de a forma trei tipuri de hibridizare orbitală: patru sp 3 - orbitali hibrizi, orientarea lor în spațiu este tetraedrică și corespunde cu simplu legaturi covalente; trei orbitali hibrizi sp 2 situati in acelasi plan, in combinatie cu un orbital nehibrid, formeaza multipli dubli conexiuni (─С = С─); de asemenea, cu ajutorul sp - orbitalii hibrizi de orientare liniară și orbitalii nehibrizi între atomi de carbon apar multipli tripli legături (─ C ≡ C ─).Mai mult, atomii de carbon formează aceste tipuri de legături nu numai între ele, ci și cu alte elemente. Prin urmare, teoria modernă structura materiei explică nu numai un număr semnificativ de compuși organici, ci și influența acestora structura chimica pe proprietăți.

E și ea înăuntru la maxim confirmă elementele de bază teorii ale structurii chimice, dezvoltat de marele om de știință rus A.M. Butlerov. Principalele prevederi ale ITS:

1) în moleculele organice, atomii sunt legați între ei într-o anumită ordine în funcție de valența lor, ceea ce determină structura moleculelor;

2) proprietățile compușilor organici depind de natura și numărul atomilor lor constitutivi, precum și de structura chimică a moleculelor;

3) fiecare formula chimica corespunde unui anumit număr de posibile structuri izomerice;

4) fiecare compus organic are o formulă și are anumite proprietăți;

5) în molecule există o influență reciprocă a atomilor unul asupra celuilalt.

Clase de compuși organici

Conform teoriei, compușii organici sunt împărțiți în două serii - compuși aciclici și ciclici.

1. Compuși aciclici.(alcani, alchene) conțin un lanț de carbon deschis, neînchis - drept sau ramificat:

N N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N H─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N N │ N

butan izobutan normal (metilpropan)

2. a) Compuși aliciclici– compuși care au lanțuri de carbon închise (ciclice) în moleculele lor:

ciclobutan ciclohexan

b) compuși aromatici, ale căror molecule conțin un schelet de benzen - un inel cu șase membri cu legături simple și duble alternative (arene):

c) Compuşi heterociclici– compuși ciclici care conțin, pe lângă atomi de carbon, azot, sulf, oxigen, fosfor și unele oligoelemente, care se numesc heteroatomi.

furan pirol piridină

În fiecare rând, substanțele organice sunt distribuite în clase - hidrocarburi, alcooli, aldehide, cetone, acizi, esteri în conformitate cu natura grupelor funcționale ale moleculelor lor.

Există și o clasificare în funcție de gradul de saturație și grupele funcționale. După gradul de saturație se disting:

1. Extrem de saturat– scheletul de carbon conține doar legături simple.

─С─С─С─

2. nesaturat nesaturat– în scheletul de carbon există legături multiple (=, ≡).

─С=С─ ─С≡С─

3. Aromatic– cicluri nesaturate cu conjugare inel (4n + 2) π-electroni.

Pe grupe funcționale

1. Alcooli R-CH2OH

2. Fenoli

3. Aldehide R─COH Cetone R─C─R

4. Acizi carboxilici R─COOH O

5. Esteri R─COOR 1

TEORIA STRUCTURII COMPUSILOR ORGANICI

De la descoperirea focului, omul a împărțit substanțele în inflamabile și neinflamabile. Prima grupă a inclus în principal produse de origine vegetală și animală, iar a doua grupă a inclus în principal produse minerale. Astfel, a existat o anumită legătură între capacitatea unei substanțe de a arde și apartenența ei la lumea vie și neînsuflețită.

În 1867, J. Berzelius a propus numirea compușilor din primul grup organic și a definit substanțe precum apa și sărurile, care sunt caracteristice naturii neînsuflețite, drept anorganice.

Unele substanțe organice sunt mai mult sau mai puțin formă pură cunoscută omului din timpuri imemoriale (oțet, mulți coloranți organici). O serie de compuși organici, cum ar fi ureea, alcoolul etilic și „eterul sulfuric”, au fost obținuți de alchimiști. Multe substanțe, în special acizi organici (oxalic, citric, lactic etc.) și baze organice (alcaloizi), au fost izolate din plante și animale în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea și în primii ani ai secolului al XIX-lea. Acest timp ar trebui considerat începutul chimiei organice științifice.

v Teoria vitalismului . În secolul al XVIII-lea și primul sfert al secolului al XIX-lea secolul, credința predominantă a fost că chimia naturii vii este fundamental diferită de chimia naturii moarte (chimia minerală) și că organismele își construiesc substanțele cu participarea unor vitalitate, fără de care nu pot fi create artificial, într-un balon. Acea vreme a fost o perioadă de dominație vitalism- o doctrină care consideră viața ca un fenomen aparte, supus nu legilor universului, ci influenței unor forțe vitale speciale.

Cu un secol mai devreme, apărătorul vitalismului a fost G. Stahl, fondatorul teoriei flogistului. În opinia sa, chimiștii care s-au ocupat cu cele mai obișnuite substanțe au fost în mod natural incapabili să-și realizeze transformările, ceea ce necesita participarea forțelor vitale.

Primele îndoieli cu privire la validitatea teoriei vitaliste au fost ridicate de studentul lui J. Berzelius, chimistul german F. Wöhler, care a sintetizat ureea din cianat de amoniu, clasificată necondiționat ca substanță anorganică:

Nu este nevoie să supraestimăm semnificația acestei lucrări, deoarece... ureea este de fapt o moleculă rearanjată de cianat de amoniu, dar, cu toate acestea, semnificația descoperirii lui F. Wöhler nu poate fi negata, deoarece a contribuit la răsturnarea vitalismului și i-a inspirat pe chimiști să sintetizeze substanțele organice.

În 1845, A. Kolbe, elev al lui F. Wöhler, a realizat o sinteză din elemente, adică. sinteza completa, acid acetic. Chimistul francez P. Berthelot a obținut alcooli metilici și etilici, metan. Cu toate acestea, a existat opinia că sinteza unei substanțe atât de complexe precum zahărul nu va fi niciodată realizată. Cu toate acestea, deja în 1861 A. Butlerov a sintetizat o substanță asemănătoare zahărului - metilenenitan.

Concomitent cu aceste sinteze, repere pentru chimia organică, a existat o creștere rapidă a numărul total compuși sintetizați cu conținut de carbon care nu se găsesc în natură. Astfel, în 1825, M. Faraday a obținut benzen, chiar mai devreme au devenit cunoscute etilena, bromură de etilenă și o serie de derivați ai benzenului. În 1842, N. Zinin a obținut anilină din nitrobenzen, iar în anii 50 ai aceluiași secol, primii „coloranți de anilină” au fost sintetizați din anilină - mauvais și fuchsin a lui W. Perkin. Pe la mijlocul anilor '50 ai secolului al XIX-lea. teoria vitalistă s-a prăbușit complet.

v Teoria dualistă a lui J. Berzelius . Bazele chimiei structurale a substanțelor organice au fost puse de J. Berzelius, care, în urma lui A. Lavoisier, le-a extins la obiectele organice. analiza cantitativași creat pentru a explica natura lor dualist (electrochimic) teorie – în primul rând teorie științificăîn chimie. Potrivit lui J. Berzelius, un atom al unui element se combină cu oxigenul datorită faptului că este electropozitiv, iar oxigenul este electronegativ; Când sunt conectate, încărcările sunt neutralizate. J. Berzelius credea că teoria sa era aplicabilă și chimiei organice, cu diferența că în compușii organici radicalii din oxizi sunt mai complecși, de exemplu, cei de hidrocarburi. În caz contrar, această teorie se mai numește și „ teoria radicalilor complecși».

Potrivit lui A. Lavoisier, radicalii compușilor organici constau din carbon, hidrogen și oxigen, la care în cazul substanțelor de origine animală se adaugă azot și fosfor.

v Teoria radicală . Teoria radicalilor a devenit o dezvoltare a teoriei lui Berzelius. În 1810, J. Gay-Lussac a observat că gruparea CN (grupul cianuri) se poate muta de la compus la compus fără a fi separată în atomi individuali de carbon și azot. Astfel de grupuri au ajuns să fie numite radicali.

Treptat, radicalii au început să fie considerați componente imuabile ale substanțelor organice (asemănătoare elementelor din compuși anorganici), care sunt transformate în reacții de la un compus la altul. Unii cercetători, în special școala germană (F. Wöhler, J. Liebig), inspirați de descoperirea unei serii de elemente noi, s-au ghidat de ideea căutării de noi radicali. În special, au găsit radicalii benzoil C 6 H 5 CO și acetil CH 3 CO. Până în acest moment, a devenit, de asemenea, cunoscut faptul că substanțele numite acum alcool etilic, dietil eter, clorură de etil și nitrit de etil conțin radicalul etil –C 2 H 5. Alții au fost identificați în mod similar. radicali, adică grupuri de atomi care rămân neschimbate în timpul diferitelor transformări chimice.

Încercările multiple de a izola radicalii în stare liberă au eșuat sau au condus la rezultate eronate. Astfel, înainte de stabilirea legii lui Avogadro, etanul izolat prin reacția Wurtz:

a fost considerat la început a fi un radical metil –CH 3 și doar determinarea ulterioară a masei moleculare a arătat valoarea sa dublată.

Acceptarea generală a principiului imuabilității radicalilor a fost zguduită atunci când chimistul francez J. Dumas și studentul său A. Laurent au descoperit reacția metalepsia. Când clorul acționează asupra compușilor organici, clorul pătrunde în substanță în așa fel încât pentru fiecare echivalent de clor care intră, un echivalent de hidrogen este îndepărtat din substanță sub formă de acid clorhidric. În acest caz, natura chimică a compusului nu se modifică. Contradicția cu teoria lui J. Berzelius a fost izbitoare: clorul, un „element încărcat negativ”, a luat locul „hidrogenului încărcat pozitiv”, iar molecula nu numai că a fost păstrată, dar caracterul ei chimic nu s-a schimbat. S-a dovedit a fi posibilă înlocuirea hidrogenului cu alte elemente electronegative - halogeni, oxigen, sulf etc., iar teoria dualistă electrochimică a lui J. Berzelius s-a prăbușit. A devenit din ce în ce mai evident că nu există radicali neschimbați și că în unele reacții radicalii trec în totalitate în molecule nou formate, în timp ce în altele suferă modificări.

v Teoria tipurilor . Încercările de a găsi ceva comun în natura moleculelor organice ne-au forțat să renunțăm la căutarea nereușită a părții neschimbabile a moleculei și să trecem la observarea părții sale cele mai schimbătoare, pe care o numim acum. grup functional. Aceste observaţii au condus la teoriile tipurilor C. Gerard.

În alcooli și acizi, C. Gerard a văzut analogi ai apei, în hidrocarburi clorurate - analogi ai acidului clorhidric, în alcani - hidrogen, în aminele nou descoperite - amoniac.

Majoritatea susținătorilor teoriei tipurilor (C. Gerard, A. Kolbe, A. Kekule) au pornit de la faptul că este imposibil să se determine experimental structura substanțelor. Ele pot fi doar clasificate. În funcție de ce reacții suferă o substanță, același compus organic poate fi clasificat tipuri diferite. Teoria a clasificat materialul experimental enorm cu mare dificultate, iar posibilitatea unei sinteze intenționate a fost exclusă. Chimia organică în acei ani părea, în cuvintele lui F. Wöhler, „... o pădure deasă plină de lucruri minunate, un desiș imens fără ieșire, fără capăt, în care nu îndrăznești să pătrunzi.” Dezvoltare în continuare chimia a necesitat crearea unei teorii noi, mai progresive.

Unul dintre deficiențele teoriei tipurilor este dorința de a încadra toți compușii organici în scheme mai mult sau mai puțin formale. Meritul acestei teorii este de a clarifica conceptele de serie omologică și functii chimice, a stăpânit în sfârșit chimia organică. Rolul său în dezvoltarea științei este de netăgăduit, deoarece a condus la conceptul de valență și a deschis calea către teoria structurii compușilor organici.

v Teoria structurii compușilor organici . O serie de studii au precedat apariția teoriei fundamentale a structurii compușilor organici. Astfel, A. Williamson a introdus în 1851 conceptul de așa-numiți radicali poliatomici, adică radicali capabili să înlocuiască doi sau mai mulți atomi de hidrogen. Astfel, a devenit posibilă clasificarea substanțelor în două sau mai multe tipuri simultan, de exemplu, acidul aminoacetic poate fi clasificat ca apă și amoniac:

Acum numim astfel de substanțe compuși heterofuncționali.

Pentru a menține constanta valenței carbonului și oxigenului s-a dovedit a fi necesar să se accepte și existența unei duble legături în etilenă (C=C) și în aldehide și cetone (C=O).

Chimistul scoțian L. Cooper a propus o reprezentare modernă a formulelor în care semnul unui element era furnizat cu un număr de liniuțe egal cu valența acestuia:

Cu toate acestea, atât A. Kekule, cât și L. Cooper erau încă străini de ideea unei legături inextricabile între substanțele chimice și proprietăți fizice molecule cu structura sa, exprimată printr-o formulă, ideea unicității acestei structuri. A. Kekule a permis descrierea aceluiași compus prin mai multe formule diferite, în funcție de ce set de reacții ale unei substanțe date au vrut să exprime prin formulă. În esență, acestea erau așa-numitele formule de reacție.

Dispoziții de bază teorii ale structurii compușilor organici au fost publicate de A. Butlerov în 1861. Termenul în sine îi aparține structura sau structura. Teoria lui Butlerov se baza pe idei materialiste bazate pe învățăturile atomiste ale lui M. Lomonosov și D. Dalton. Esența acestei teorii se rezumă la următoarele prevederi de bază:

1. Natura chimică a fiecărei molecule complexe este determinată de natura atomilor ei constitutivi, numărul și structura chimică a acestora.

2. Structura chimică este o anumită ordine de alternanță a atomilor dintr-o moleculă, influența reciprocă a atomilor unul asupra celuilalt.

3. Structura chimică a substanţelor determină lor fizică şi Proprietăți chimice.

4. Studierea proprietăților substanțelor ne permite să determinăm structura lor chimică.

A. Butlerov a numit structura chimică succesiunea atomilor dintr-o moleculă. El a indicat cum, pe baza studiului reacțiilor chimice ale unei substanțe date, se poate stabili structura acesteia, care este adecvată pentru fiecare individ chimic. În conformitate cu această formulă, acești compuși pot fi sintetizați. Proprietățile unui anumit atom dintr-un compus depind în primul rând de atomul cu care este asociat atomul de interes. Un exemplu este comportamentul diferiților atomi de hidrogen în alcooli.

Teoria structurii a inclus și a dizolvat teoria radicalilor, deoarece orice parte a unei molecule care trece de la o moleculă la alta într-o reacție este un radical, dar nu mai are prerogativa imuabilității. A încorporat și teoria tipurilor, deoarece grupările anorganice sau cu conținut de carbon prezente în moleculă, provenite din apă (hidroxil -OH), amoniac (grupa amino -NH 2), acid carbonic (carboxil -COOH), au determinat în primul rând comportamentul chimic (funcția) moleculei și a făcut-o similară cu comportamentul prototipului.

Teoria structurală a structurii compușilor organici a făcut posibilă clasificarea unei cantități uriașe de material experimental și a indicat modalități pentru sinteza țintită a substanțelor organice.

Trebuie remarcat faptul că determinarea structurii unei substanțe prin mijloace chimice se realizează individual de fiecare dată. Aveți nevoie de încredere în individualitatea substanțelor și cunoașterea compoziției elementare cantitative și a greutății moleculare. Dacă compoziția unui compus și greutatea moleculară a acestuia sunt cunoscute, formula moleculară poate fi derivată. Să dăm un exemplu de deducere a formulelor structurale pentru substanțe cu compoziția C 2 H 6 O.

Prima substanță reacționează cu sodiul ca apa, eliberând un atom de hidrogen per atom de sodiu, iar sodiul face parte din molecula produsului de reacție în loc de hidrogenul pierdut.

2C 2 H 6 O + 2Na → H 2 + 2C 2 H 5 ONa

Nu mai este posibilă introducerea unui al doilea atom de sodiu în compusul rezultat. Adică, se poate presupune că substanța conținea o grupare hidroxil și, izolând-o în formula compusului, aceasta din urmă poate fi scrisă după cum urmează: C 2 H 5 OH. Această concluzie este confirmată de faptul că atunci când bromura de fosfor(III) acționează asupra substanței inițiale, gruparea hidroxil părăsește molecula în întregime, trecând la atomul de fosfor și fiind înlocuită cu un atom de brom.

2C 2 H 5 OH + PBr 3 → 3C 2 H 5 Br + H 3 PO 3

O substanță izomeră pentru aceasta, de ex. având aceeași formulă brută, nu reacționează cu sodiul metalic, dar când interacționează cu iodură de hidrogen, se descompune după ecuația:

C2H6O + HI → CH3I + CH4O.

Din aceasta putem concluziona că în substanța de pornire doi atomi de carbon nu sunt legați unul de celălalt, deoarece iodură de hidrogen nu este capabilă să rupă legătura C-C. Nu conține hidrogen special care poate fi înlocuit cu sodiu. După ruperea moleculei acestei substanțe sub acțiunea iodurii de hidrogen se formează CH 4 O și CH 3 I. Acesta din urmă nu poate fi atribuit unei alte structuri decât cea indicată mai jos, deoarece atât hidrogenul, cât și iodul sunt monovalente.

A doua dintre substanțele formate, CH 4 O, reacționează nu numai cu sodiul, ci și cu bromura de fosfor(III), cum ar fi Alcool etilic.

2CH 4 O + 2Na → 2CH 3 ONa + H 2

3CH4O + PBr3 → CH3Br + P(OH)3

Este firesc să presupunem că iodură de hidrogen a rupt legătura dintre două grupări metil realizată de un atom de oxigen.

Într-adevăr, prin acțiunea unuia dintre produșii acestei reacții asupra derivatului de sodiu al altuia, este posibil să se sintetizeze substanța de pornire izomerică la alcoolul etilic și să se confirme structura dimetil eterului adoptată pentru aceasta.

Prima piatră de încercare pentru testarea teoriei structurii compușilor organici a fost sinteza celor prezise, ​​dar necunoscute la acea vreme. freacă-alcool butilic și izobutilenă, realizat de autorul teoriei create și studentul său A. Zaitsev. Un alt student al lui A. Butlerov, V. Markovnikov, a sintetizat acidul izobutiric prezis teoretic și, pe baza acestuia, a studiat influența reciprocă a atomilor din moleculă.

Următoarea etapă în dezvoltarea problemelor teoretice este asociată cu apariția conceptelor stereochimice dezvoltate în lucrările lui J. Van't Hoff și J. Le Bel.

La începutul secolului al XX-lea. sunt puse idei despre structura electronică a atomilor și moleculelor. Natura legăturii chimice și reactivitatea moleculelor organice este interpretată la nivel electronic.

Crearea teoriei substanțelor organice a servit drept bază pentru metodele sintetice nu numai în laborator, ci și în industrie. A apărut producția de coloranți sintetici, explozivi și medicamente. Catalizatorii și presiuni mari sunt utilizate pe scară largă în sinteza organică.

In domeniul sintezei organice s-au obtinut multe substante naturale (clorofila, vitamine, antibiotice, hormoni). A fost dezvăluit rolul acizilor nucleici în stocarea și transmiterea eredității.

Soluția la multe probleme din structura moleculelor organice complexe a devenit eficientă datorită utilizării metodelor spectrale moderne.

Stahl G. (1659-1734) - chimist și medic german. Creatorul teoriei flogistului - prima teorie chimică care a făcut posibilă încetarea concepțiilor teoretice ale alchimiei.

Kolbe A. (1818 – 1884) – chimist organic german, creator al teoriei radicalilor. A sintetizat o serie de acizi organici. El a dezvoltat o metodă electrochimică pentru producerea alcanilor - metoda Kolbe.

Berthelot P. (1827-1907) – chimist francez. Unul dintre fondatorii chimiei organice. Lucrări fundamentale în domeniul termochimiei.

Faraday M. (1791-1867) - fizician și chimist englez. Unul dintre fondatorii doctrinei electromagnetismului. A descoperit legile cantitative ale electrolizei. Cercetări în domeniu gaze lichefiate, sticla, chimie organica.

Perkin W. Art. (1838-1907) – chimist englez. A dezvoltat producția industrială de coloranți mov și alizarina. S-a descoperit reacția de condensare a aldehidelor aromatice cu anhidridele acidului carboxilic ( Reacția Perkin).

Wurtz S. (1817-1884) - chimist francez A studiat cu J. Liebig, asistent al lui J. Dumas. A sintetizat amine, fenoli, etilenglicol, acid lactic și a efectuat condensarea aldolică și crotonică.

Dumas J. (1800-1884) – chimist francez. A creat teoria radicalilor. A descoperit reacția de clorinare și a stabilit existența unei serii omoloage – seria acidului formic. El a propus o metodă pentru determinarea cantitativă a azotului.

Laurent O. (1807-1853) – chimist francez. Studiat produsele de gudron de cărbune. Au descoperit acidul ftalic, indigo și naftalina.

Kekule F. (1829 - 1896) – chimist german. Lucrări majore în domeniul chimiei organice teoretice. Antrachinonă sintetizată, trifenilmetan.

Cooper L. (1834 - 1891) - chimist scoțian, principalele sale lucrări sunt consacrate problemelor teoretice ale chimiei.

Slide 1>

Obiectivele cursului:

• Educational:
  • să formeze concepte despre esența teoriei structurii chimice a substanțelor organice, bazându-se pe cunoștințele elevilor despre structura electronică a atomilor elementelor, poziția acestora în Tabelul periodic al D.I. Mendeleev, despre gradul de oxidare, natura legăturii chimice și alte principii teoretice majore:
    • secvența de aranjare a atomilor de carbon în lanț,
    • influența reciprocă a atomilor dintr-o moleculă,
    • dependența proprietăților substanțelor organice de structura moleculelor;
  • formați o idee despre progresul dezvoltării teoriilor în chimia organică;
  • stapaneste conceptele: izomeri si izomerie;
  • explicați semnificația formulelor structurale ale substanțelor organice și avantajele acestora față de cele moleculare;
  • arată necesitatea și premisele pentru crearea unei teorii a structurii chimice;
  • Continuați să dezvoltați abilitățile de a lua note.
• De dezvoltare:
  • dezvolta gândirea tehnici de analiză, comparații, generalizări;
  • dezvolta gândire abstractă;
  • antrenează atenția elevilor atunci când percep cantități mari de material;
  • dezvolta capacitatea de a analiza informațiile și de a evidenția cel mai important material.
• Educational:
  • în scopul educației patriotice și internaționale, oferă studenților informații istorice despre viața și munca oamenilor de știință.

ÎN CURILE CURĂRILOR

1. Partea organizatorica

- Salutari
– Pregătirea elevilor pentru lecție
– Primirea de informații despre absenți.

2. A învăța lucruri noi

Schema cursului:<Anexa 1 . Slide 2>

I. Teorii pre-structurale:
– vitalism;
– teoria radicalilor;
– teoria tipurilor.
II. Informatie scurta privind starea științei chimice în anii 60 ai secolului al XIX-lea. Condiții pentru crearea unei teorii a structurii chimice a substanțelor:
– necesitatea creării unei teorii;
– premise pentru teoria structurii chimice.
III. Esența teoriei structurii chimice a substanțelor organice A.M. Butlerov. Conceptul de izomerie și izomeri.
IV. Semnificația teoriei structurii chimice a substanțelor organice A.M. Butlerov și dezvoltarea sa.

3. Tema pentru acasă: rezumat, paragraful 2.

4. Prelegere

I. Cunoștințele despre substanțele organice s-au acumulat treptat încă din cele mai vechi timpuri, dar chimia organică a apărut ca știință independentă abia la începutul secolului al XIX-lea. Stabilirea independenței chimiei organizaționale este asociată cu numele omului de știință suedez J. Berzelius<Anexa 1 . Slide 3>. În 1808-1812 și-a publicat marele manual de chimie, în care a intenționat inițial să ia în considerare, alături de minerale, și substanțele de origine animală și vegetală. Dar partea manualului dedicată substanțelor organice a apărut abia în 1827.
J. Berzelius a văzut cea mai semnificativă diferență între substanțele anorganice și organice în faptul că primele pot fi obținute în laboratoare pe cale sintetică, în timp ce se presupune că acestea din urmă se formează numai în organismele vii sub influența unei anumite „forțe vitale” - un sinonim chimic. pentru „suflet”, „spirit”, „origine divină” a organismelor vii și a substanțelor organice constitutive ale acestora.
A fost numită teoria care a explicat formarea compușilor organici prin intervenția „forței vitale”. vitalism. Ea a fost populară de ceva vreme. În laborator a fost posibil să se sintetizeze doar cele mai simple substanțe care conțin carbon, precum dioxid de carbon– CO 2, carbură de calciu – CaC 2, cianura de potasiu – KCN.
Abia în 1828 omul de știință german Wöhler a făcut-o<Anexa 1 . Slide 4> a reusit sa obtina substanta organica uree dintr-o sare anorganica - cianat de amoniu - NH 4 CNO.
NH 4 CNO –– t –> CO(NH 2) 2
În 1854, omul de știință francez Berthelot<Anexa 1 . Slide 5>a primit trigliceride. Acest lucru a necesitat o schimbare în definiția chimiei organice.
Oamenii de știință au încercat, pe baza compoziției și proprietăților, să dezlege natura moleculelor de substanțe organice și au căutat să creeze un sistem care să facă posibilă conectarea între ele a faptelor disparate care se acumulaseră până la începutul secolului al XIX-lea.
Prima încercare de a crea o teorie care a urmărit să generalizeze datele disponibile despre substanțele organice este asociată cu numele chimistului francez J. Dumas<Anexa 1 . Slide 6>. Aceasta a fost o încercare de a considera dintr-un singur punct de vedere destul grup mare compuși organici, pe care astăzi i-am numi derivați de etilenă. Compușii organici s-au dovedit a fi derivați ai unor radicali C 2 H 4 - eterină:
C 2 H 4 * HCl – clorură de etil (clorhidrat de eterină)
Ideea cuprinsă în această teorie - abordarea unei substanțe organice ca fiind formată din 2 părți - a stat ulterior la baza unei teorii mai ample a radicalilor (J. Berzelius, J. Liebig, F. Wöhler). Această teorie se bazează pe ideea „structurii dualiste” a substanțelor. J. Berzelius a scris: „fiecare substanță organică este formată din 2 componente care poartă o sarcină electrică opusă”. J. Berzelius a considerat oxigenul ca fiind una dintre aceste componente, și anume partea electronegativă, în timp ce restul, de fapt organic, ar fi trebuit să fie un radical electropozitiv.

Prevederi de bază ale teoriei radicalilor:<Anexa 1 . Slide 7>

– compoziția substanțelor organice include radicali care poartă o sarcină pozitivă;
– radicalii sunt mereu constanți, nu suferă modificări, trec de la o moleculă la alta fără modificări;
– radicalii pot exista sub formă liberă.

Treptat, știința a acumulat fapte care contraziceau teoria radicalilor. Așa a înlocuit J. Dumas hidrogenul cu clorul în radicalii de hidrocarburi. Li s-a părut incredibil oamenilor de știință care erau adepți ai teoriei radicale că clorul, încărcat negativ, ar putea juca rolul hidrogenului, încărcat pozitiv, în compuși. În 1834, J. Dumas a primit sarcina de a investiga un incident neplăcut în timpul unui bal în palatul regelui francez: lumânările emanau fum sufocant când ardeau. J. Dumas a stabilit că ceara din care erau făcute lumânările a fost tratată cu clor de către producător pentru albire. În acest caz, clorul a intrat în molecula de ceară, înlocuind o parte din hidrogenul conținut în ea. Aburii sufocatori care i-au speriat pe oaspeții regali s-au dovedit a fi clorură de hidrogen (HCl). Ulterior, J. Dumas a obţinut acidul tricloracetic din acidul acetic.
Astfel, hidrogenul electropozitiv a fost înlocuit cu elementul extrem de electronegativ clor, iar proprietățile compusului au rămas aproape neschimbate. Apoi J. Dumas a concluzionat că abordarea dualistă ar trebui înlocuită cu o abordare a conexiunii organizaționale ca întreg unic.

Teoria radicală a fost respinsă treptat, dar a lăsat o amprentă profundă asupra chimiei organice:<Anexa 1 . Slide 8>
– conceptul de „radical” a devenit ferm stabilit în chimie;
– afirmația despre posibilitatea existenței radicalilor în formă liberă, despre trecerea într-un număr mare de reacții a anumitor grupuri de atomi de la un compus la altul, s-a dovedit a fi adevărată.

În anii 40 al XIX-lea A fost inițiat studiul omologiei, ceea ce a făcut posibilă clarificarea unora dintre relațiile dintre compoziția și proprietățile compușilor. Au fost identificate serii omoloage și diferențe omoloage, ceea ce a făcut posibilă clasificarea substanțelor organice. Clasificarea substanțelor organice pe baza omologiei a dus la apariția teoriei tipurilor (anii 40-50 ai secolului al XIX-lea, C. Gerard, A. Kekule etc.)<Anexa 1 . Slide 9>

Esența teoriei tipurilor<Anexa 1 . Slide 10>

– teoria se bazează pe o analogie în reacțiile dintre substanțele organice și unele anorganice, acceptate ca tipuri (tipuri: hidrogen, apă, amoniac, acid clorhidric etc.). Prin înlocuirea atomilor de hidrogen din tipul de substanță cu alte grupuri de atomi, oamenii de știință au prezis diferiți derivați. De exemplu, înlocuirea unui atom de hidrogen dintr-o moleculă de apă cu un radical metil are ca rezultat formarea unei molecule de alcool. Înlocuirea a doi atomi de hidrogen are ca rezultat apariția unei molecule de eter<Anexa 1 . Slide 11>

C. Gerard spunea direct în acest sens că formula unei substanțe este doar o înregistrare prescurtată a reacțiilor sale.

Toate org. substanțele erau considerate derivate ale protozoarelor substanțe anorganice– hidrogen, acid clorhidric, apă, amoniac<Anexa 1 . Slide 12>

<Anexa 1 . Slide 13>

– moleculele de substanțe organice sunt un sistem format din atomi, a cărui ordine de conectare este necunoscută; proprietățile compușilor sunt influențate de totalitatea tuturor atomilor moleculei;
– este imposibil de cunoscut structura unei substanțe, deoarece moleculele se modifică în timpul reacției. Formula unei substanțe nu reflectă structura, ci reacțiile în care suferă substanța. Pentru fiecare substanță, puteți scrie atâtea formule raționale câte tipuri diferite de transformări le poate suferi substanța. Teoria tipurilor permitea o multitudine de „formule raționale” pentru substanțe, în funcție de ce reacții doreau să exprime cu aceste formule.

Teoria tipurilor a jucat un rol major în dezvoltarea chimiei organice <Anexa 1 . Slide 14>

– a făcut posibilă prezicerea și descoperirea unui număr de substanțe;
– a avut un impact pozitiv asupra dezvoltării doctrinei valenței;
– a acordat atenție studiului transformărilor chimice ale compușilor organici, ceea ce a permis un studiu mai profund al proprietăților substanțelor, precum și al proprietăților compușilor prevăzuți;
- a creat o sistematizare a compușilor organici care era perfectă pentru acea perioadă.

Nu trebuie să uităm că, în realitate, teoriile au apărut și s-au înlocuit una pe cealaltă nu succesiv, ci au existat simultan. Chimiștii de multe ori nu s-au înțeles bine. F. Wöhler spunea în 1835 că „chimia organică de astăzi poate înnebuni pe oricine. Mi se pare o pădure deasă plină de lucruri minunate, un desiș imens fără ieșire, fără capăt, în care nu îndrăznești să pătrunzi...”

Niciuna dintre aceste teorii nu a devenit o teorie a chimiei organice în sensul deplin al cuvântului. Motivul principal al eșecului acestor idei a fost esența lor idealistă: structura internă a moleculelor a fost considerată fundamental de necunoscut, iar orice speculație despre aceasta a fost considerată șarlamănie.

era nevoie noua teorie, care ar sta pe poziții materialiste. Această teorie a fost teoria structurii chimice A.M. Butlerov <Anexa 1 . Slides 15, 16>, care a fost creat în 1861. Tot ceea ce era rațional și valoros care era în teoriile radicalilor și tipurilor a fost mai târziu asimilat de teoria structurii chimice.

Necesitatea unei teorii a fost dictată de:<Anexa 1 . Slide 17>

– cerințe industriale crescute pentru chimia organică. A fost necesară asigurarea industriei textile cu coloranți. Pentru dezvoltarea industriei alimentare a fost necesară îmbunătățirea metodelor de prelucrare a produselor agricole.
În legătură cu aceste probleme, au început să fie dezvoltate noi metode de sinteza a substanțelor organice. Cu toate acestea, oamenii de știință au întâmpinat dificultăți serioase în justificare științifică aceste sinteze. De exemplu, a fost imposibil de explicat valența carbonului în compuși folosind vechea teorie.
Carbonul este cunoscut de noi ca un element 4-valent (Acest lucru a fost dovedit experimental). Dar aici pare să păstreze această valență doar în metanul CH4. În etan C 2 H 6, dacă ne urmăm ideile, carbonul ar trebui să fie. 3-valent, iar în propan C3H8 - valenţă fracţională. (Și știm că valența trebuie exprimată numai în numere întregi).
Care este valența carbonului în compușii organici?

Nu era clar de ce există substanțe cu aceeași compoziție, dar cu proprietăți diferite: C 6 H 12 O 6 - formula moleculară a glucozei, dar aceeași formulă pentru fructoză (o substanță zaharoasă - o componentă a mierii).

Teoriile prestructurale nu au putut explica diversitatea substanțelor organice. (De ce carbonul și hidrogenul, două elemente, pot forma astfel număr mare compuși diferiți?).

A fost necesară sistematizarea cunoștințelor existente dintr-un singur punct de vedere și dezvoltarea unui simbolism chimic unificat.

Un răspuns bazat științific la aceste întrebări a fost dat de teoria structurii chimice a compușilor organici, creată de omul de știință rus A.M. Butlerov.

Condiții preliminare de bază, care au pregătit terenul pentru apariția teoriei structurii chimice au fost<Anexa 1 . Slide 18>

– doctrina valenței. În 1853, E. Frankland a introdus conceptul de valență și a stabilit valența pentru un număr de metale prin studierea compușilor organometalici. Treptat, conceptul de valență a fost extins la multe elemente.

O descoperire importantă pentru chimia organică a fost ipoteza despre capacitatea atomilor de carbon de a forma lanțuri (A. Kekule, A. Cooper).

Una dintre premisele a fost dezvoltarea unei înțelegeri corecte a atomilor și moleculelor. Până în a 2-a jumătate a anilor '50. al XIX-lea Nu existau criterii general acceptate pentru definirea conceptelor: „atom”, „moleculă”, „ masă atomică", "masa moleculara". Numai la congresul internațional al chimiștilor de la Karlsruhe (1860) au fost clar definite aceste concepte, care au predeterminat dezvoltarea teoriei valenței și apariția teoriei structurii chimice.

Principiile de bază ale teoriei structurii chimice a lui A.M. Butlerov(1861)

A.M. Butlerov a formulat cele mai importante idei ale teoriei structurii compușilor organici sub formă de principii de bază care pot fi împărțite în 4 grupe.<Anexa 1 . Slide 19>

1. Toți atomii care formează molecule de substanțe organice sunt legați într-o anumită secvență în funcție de valența lor (adică molecula are o structură).

<Anexa 1 . Slide-urile 19, 20>

În conformitate cu aceste idei, valența elementelor este descrisă în mod convențional prin liniuțe, de exemplu, în metanul CH4.<Anexa 1 . Slide 20> >

O astfel de reprezentare schematică a structurii moleculelor se numește formule și formule structurale. Pe baza prevederilor referitoare la valența 4 a carbonului și a capacității atomilor săi de a forma lanțuri și cicluri, formulele structurale ale substanțelor organice pot fi descrise după cum urmează:<Anexa 1 . Slide 20>

În acești compuși, carbonul este tetravalent. (Linieta simbolizează o legătură covalentă, o pereche de electroni).

2. Proprietățile unei substanțe depind nu numai de ce atomi și câți dintre ei sunt incluși în molecule, ci și de ordinea conexiunii atomilor din molecule (adică proprietățile depind de structură) <Anexa 1 . Slide 19>

Această poziție a teoriei structurii substanțelor organice a explicat, în special, fenomenul de izomerie. Există compuși care conțin același număr de atomi ai acelorași elemente, dar legați într-o ordine diferită. Astfel de compuși au proprietăți diferite și se numesc izomeri.
Fenomenul existenței unor substanțe cu aceeași compoziție, dar cu structură și proprietăți diferite se numește izomerie.<Anexa 1 . Slide 21>

Existența izomerilor substanțelor organice explică diversitatea acestora. Fenomenul de izomerie a fost prezis și dovedit (experimental) de A.M. Butlerov folosind exemplul butanului

Deci, de exemplu, compoziția C 4 H 10 corespunde la două formule structurale:<Anexa 1 . Slide 22>

Diferite poziții relative ale atomilor de carbon în moleculele de dioxid de carbon apar numai cu butan. Numărul de izomeri crește odată cu numărul de atomi de carbon ai hidrocarburii corespunzătoare, de exemplu, pentanul are trei izomeri, iar decanul are șaptezeci și cinci.

3. Prin proprietățile unei substanțe date se poate determina structura moleculei sale, iar după structura moleculei se pot prezice proprietăți. <Anexa 1 . Slide 19>

De la curs Chimie anorganică, se știe că proprietățile substanțelor anorganice depind de structură rețele cristaline. Proprietățile distinctive ale atomilor din ioni sunt explicate prin structura lor. În viitor, ne vom asigura că substanțele organice cu aceleași formule moleculare, dar structuri diferite diferă nu numai în ceea ce privește proprietățile fizice, ci și chimice.

4. Atomii și grupurile de atomi din moleculele de substanțe se influențează reciproc.

<Anexa 1 . Slide 19>

După cum știm deja, proprietățile compușilor anorganici care conțin grupări hidroxo depind de atomi cu care sunt asociați - atomi metalici sau nemetalici. De exemplu, atât bazele cât și acizii conțin o grupare hidroxo:<Anexa 1 . Slide 23>

Cu toate acestea, proprietățile acestor substanțe sunt complet diferite. Motivul caracterului chimic diferit al grupei OH (în soluție apoasă) se datorează influenței atomilor și grupurilor de atomi asociate acesteia. Odată cu creșterea proprietăților nemetalice ale atomului central, disociarea în funcție de tipul de bază slăbește și disociarea în funcție de tipul de acid crește.

Compușii organici pot avea, de asemenea, proprietăți diferite, care depind de atomi sau grupe de atomi de care sunt legate grupările hidroxil.

Problema infuziei reciproce a atomilor A.M. Butlerov a discutat-o ​​în detaliu la 17 aprilie 1879 la o reuniune a Societății Ruse de Fizicochimice. El a spus că dacă două elemente diferite sunt asociate cu carbonul, de exemplu, Cl și H, atunci „nu depind unul de celălalt în aceeași măsură ca de carbon: nu există nicio dependență între ele, legătura care există într-o particulă. de acid clorhidric... Dar de aici rezultă că în compusul CH 2 Cl 2 nu există nicio relație între hidrogen și clor? Răspund la asta cu o negare hotărâtoare.”

La fel de exemplu concret El citează în continuare creșterea mobilității clorului în timpul transformării grupului CH 2 Cl în COCl și spune în acest sens: „Este evident că natura clorului prezent în particule s-a schimbat sub influența oxigenului, deși acesta din urmă nu s-a combinat direct cu clorul.”<Anexa 1 . Slide 23>

Problema influenței reciproce a atomilor direct nelegați a fost principalul nucleu teoretic al lucrărilor lui V.V. Morkovnikova.

În istoria omenirii, există relativ puțini oameni de știință ale căror descoperiri sunt de importanță mondială. În domeniul chimiei organice, asemenea merite aparțin lui A.M. Butlerov. După semnificația teoriei lui A.M. Butlerov este comparat cu Legea periodică.

Teoria structurii chimice A.M. Butlerova:<Anexa 1 . Slide 24>

– a făcut posibilă sistematizarea substanțelor organice;
– a răspuns la toate întrebările care au apărut până atunci în chimia organică (vezi mai sus);
– a făcut posibilă prezicerea teoretică a existenței unor substanțe necunoscute și găsirea modalităților de sinteză a acestora.

Au trecut aproape 140 de ani de când TCS-ul compușilor organici a fost creat de A.M. Butlerov, dar și acum chimiști din toate țările îl folosesc în munca lor. Cele mai recente realizări ale științei completează această teorie, o clarifică și găsesc o nouă confirmare a corectitudinii ideilor sale de bază.

Teoria structurii chimice rămâne la baza chimiei organice astăzi.

TCS de compuși organici A.M. Butlerova a avut o contribuție semnificativă la crearea unei imagini științifice generale a lumii, a contribuit la înțelegerea dialectic-materialistă a naturii:<Anexa 1 . Slide 25>

– legea tranziţiei modificărilor cantitative în cele calitative poate fi văzut folosind exemplul alcanilor:<Anexa 1 . Slide 25>.

Se modifică doar numărul de atomi de carbon.

– legea unităţii şi a luptei contrariilor poate fi urmărită la fenomenul de izomerie<Anexa 1 . Slide 26>

Unitate – în compoziție (identică), locație în spațiu.
Opusul este în structură și proprietăți (secvență diferită de aranjare a atomilor).
Aceste două substanțe coexistă împreună.

– legea negaţiei negaţiei - pe izomerie.<Anexa 1 . Slide 27>

Izomerii care coexistă se neagă unul pe altul prin existența lor.

După ce a dezvoltat teoria, A.M. Butlerov nu l-a considerat absolut și neschimbabil. El a susținut că trebuie să se dezvolte. TCS-ul compușilor organici nu a rămas neschimbat. Dezvoltarea sa ulterioară a avut loc în principal în două direcții interdependente:<Anexa 1 . Slide 28>

Stereochimia este studiul structurii spațiale a moleculelor.

Doctrina structurii electronice a atomilor (ne-a permis să înțelegem natura legăturii chimice a atomilor, esența influenței reciproce a atomilor și să explicăm motivul manifestării anumitor proprietăți chimice de către o substanță).

Teoria structurii compușilor organici: omologie și izomerie (structurală și spațială). Influența reciprocă a atomilor în molecule

Teoria structurii chimice a compușilor organici de A. M. Butlerov

Așa cum pentru chimia anorganică baza dezvoltării este Legea periodică și Tabelul periodic al elementelor chimice ale lui D. I. Mendeleev, pentru chimia organică teoria structurii compușilor organici a lui A. M. Butlerov a devenit fundamentală.

Principalul postulat al teoriei lui Butlerov este poziția despre structura chimică a unei substanțe, care se referă la ordinea, succesiunea conexiunii reciproce a atomilor în molecule, adică. legătură chimică.

Structura chimică se referă la ordinea combinării atomilor elementelor chimice dintr-o moleculă în funcție de valența acestora.

Această ordine poate fi afișată folosind formule structurale, în care valențele atomilor sunt indicate prin liniuțe: o liniuță corespunde unității de valență a atomului element chimic. De exemplu, pentru substanța organică metan, care are formula moleculară $CH_4$, formula structurala arata asa:

Principalele prevederi ale teoriei lui A. M. Butlerov

1. Atomii din moleculele de substanțe organice sunt legați unul de celălalt în funcție de valența lor. Carbonul din compușii organici este întotdeauna tetravalent, iar atomii săi sunt capabili să se combine între ei, formând diverse lanțuri.
2. Proprietățile substanțelor sunt determinate nu numai de compoziția lor calitativă și cantitativă, ci și de ordinea conexiunii atomilor din moleculă, adică de structura chimică a substanței.
3. Proprietățile compușilor organici depind nu numai de compoziția substanței și de ordinea conexiunii atomilor din molecula sa, ci și de influența reciprocă a atomilor și a grupurilor de atomi unul asupra celuilalt.

Teoria structurii compușilor organici este o doctrină dinamică și în curs de dezvoltare. Pe măsură ce s-au dezvoltat cunoștințele despre natura legăturilor chimice și influența structurii electronice a moleculelor de substanțe organice, au început să folosească, pe lângă empiricȘi structurale, electronice formule. Astfel de formule indică direcția deplasării perechilor de electroni în moleculă.

Chimia cuantică și chimia structurii compușilor organici au confirmat doctrina direcției spațiale a legăturilor chimice ( cis-Și izomerie trans), a studiat caracteristicile energetice ale tranzițiilor reciproce în izomeri, permițându-ne să judecăm influența reciprocă a atomilor în molecule. diverse substanțe, a creat premisele pentru prezicerea tipurilor de izomerie și direcția și mecanismul reacțiilor chimice.

Substanțele organice au o serie de caracteristici:

1. Toate substanțele organice conțin carbon și hidrogen, așa că atunci când sunt arse formează dioxid de carbon și apă.
2. Substanțele organice sunt complexe și pot avea o greutate moleculară uriașă (proteine, grăsimi, carbohidrați).
3. Substanțele organice pot fi aranjate în rânduri de omologi similari ca compoziție, structură și proprietăți.
4. Pentru substanțele organice este caracteristic izomerie.

Izomeria și omologia substanțelor organice

Proprietățile substanțelor organice depind nu numai de compoziția lor, ci și de ordinea conexiunii atomilor din moleculă.

Izomerie- acesta este fenomenul existenței unor substanțe diferite - izomeri cu aceeași compoziție calitativă și cantitativă, i.e. cu aceeași formulă moleculară.

Există două tipuri de izomerie: structuralȘi spațială (stereoizomerie). Izomerii structurali diferă între ei în ordinea legăturii atomilor din moleculă; stereoizomeri - aranjarea atomilor în spațiu cu aceeași ordine de legături între ei.

Se disting următoarele tipuri de izomerie structurală: izomerie ale scheletului carbonic, izomerie pozițională, izomerie a diferitelor clase de compuși organici (izomerie interclasă).

Izomerie structurală

Izomeria scheletului de carbon se datorează ordinii diferite a legăturilor dintre atomii de carbon care formează scheletul moleculei. După cum sa arătat deja, formula moleculară $C_4H_(10)$ corespunde la două hidrocarburi: n-butan și izobutan. Pentru hidrocarbura $С_5Н_(12)$ sunt posibili trei izomeri: pentan, izopentan si neopentan:

$CH_3-CH_2-(CH_2)↙(pentan)-CH_2-CH_3$

Pe măsură ce numărul de atomi de carbon dintr-o moleculă crește, numărul de izomeri crește rapid. Pentru hidrocarbură $С_(10)Н_(22)$ există deja 75$, iar pentru hidrocarbură $С_(20)Н_(44)$ - 366.319$.

Izomerie de poziție datorită poziției diferite a legăturii multiple, substituentului, grupării funcționale cu același schelet de carbon al moleculei:

$CH_2=(CH-CH_2)↙(buten-1)-CH_3$ $CH_3-(CH=CH)↙(buten-2)-CH_3$

$(CH_3-CH_2-CH_2-OH)↙(alcool n-propilic(propanol-1))$

Izomeria diferitelor clase de compuși organici (izomerie interclasă) este cauzată de poziții și combinații diferite de atomi în molecule de substanțe care au aceeași formulă moleculară, dar aparțin diferite clase. Astfel, formula moleculară $C_6H_(12)$ corespunde hidrocarburei nesaturate hexen-1 și ciclohexanului de hidrocarbură ciclică:

Izomerii sunt o hidrocarbură înrudită cu alchinele - butină-1 și o hidrocarbură cu două legături duble în lanțul butadienă-1,3:

$CH≡C-(CH_2)↙(butin-1)-CH_2$ $CH_2=(CH-CH)↙(butadien-1,3)=CH_2$

Eterul dietil și alcoolul butilic au aceeași formulă moleculară $C_4H_(10)O$:

$(CH_3CH_2OCH_2CH_3)↙(\text"eter dietilic")$ $(CH_3CH_2CH_2CH_2OH)↙(\text"alcool n-butilic (1-butanol)")$

Izomerii structurali sunt acidul aminoacetic și nitroetanul, corespunzător formulei moleculare $C_2H_5NO_2$:

Izomerii de acest tip conțin diferite grupe funcționale și aparțin unor clase diferite de substanțe. Prin urmare, ele diferă în proprietăți fizice și chimice mult mai mult decât izomerii scheletului de carbon sau izomerii de poziție.

Izomerie spațială

Izomerie spațială se împarte în două tipuri: geometrice și optice. Izomeria geometrică este caracteristică compușilor care conțin duble legături și compuși ciclici. Deoarece rotația liberă a atomilor în jurul unei duble legături sau într-un inel este imposibilă, substituenții pot fi localizați fie pe o parte a planului dublei legături sau a inelului ( cis-poziție), sau pe părți opuse ( transă-poziţie). Denumiri cis-Și transă- de obicei denumită o pereche de substituenți identici:

Izomerii geometrici diferă în proprietăți fizice și chimice.

Izomerie optică apare atunci când molecula este incompatibilă cu imaginea sa din oglindă. Acest lucru este posibil atunci când atomul de carbon din moleculă are patru substituenți diferiți. Acest atom este numit asimetric. Un exemplu de astfel de moleculă este molecula de acid $α$-aminopropionic ($α$-alanină) $CH_3CH(NH_2)COOH$.

Molecula $α$-alanină nu poate coincide cu imaginea în oglindă, indiferent de modul în care se mișcă. Astfel de izomeri spațiali se numesc oglindă, antipozi optici, sau enantiomeri. Toate proprietățile fizice și aproape toate proprietățile chimice ale acestor izomeri sunt identice.

Studiul izomeriei optice este necesar atunci când se iau în considerare multe reacții care apar în organism. Majoritatea acestor reacții apar sub acțiunea enzimelor – catalizatori biologici. Moleculele acestor substanțe trebuie să se potrivească cu moleculele compușilor asupra cărora acționează, ca o cheie a unei încuietori; prin urmare, structura spațială, aranjarea relativă a secțiunilor moleculelor și alți factori spațiali joacă un rol în cursul acestora. reactii mare importanță. Astfel de reacții se numesc stereoselectivă.

Majoritatea compușilor naturali sunt enantiomeri individuali, iar acțiunea lor biologică diferă foarte mult de proprietățile antipozilor lor optici obținute în laborator. O diferență similară în activitatea biologică are de mare valoare, deoarece stă la baza celei mai importante proprietăți a tuturor organismelor vii - metabolismul.

Seria omologa este o serie de substanțe dispuse în ordinea crescătoare a maselor lor moleculare relative, asemănătoare ca structură și proprietăți chimice, unde fiecare membru diferă de cel anterior prin diferența omologică $CH_2$. De exemplu: $CH_4$ - metan, $C_2H_6$ - etan, $C_3H_8$ - propan, $C_4H_(10)$ - butan etc.

Tipuri de legături în moleculele de substanțe organice. Hibridarea orbitalilor atomici de carbon. Radical. Grup functional.

Tipuri de legături în moleculele de substanțe organice.

În compușii organici, carbonul este întotdeauna tetravalent. În starea excitată, o pereche de electroni $2s^3$ este ruptă în atomul său și unul dintre ei se deplasează la orbitalul p:

Un astfel de atom are patru electroni nepereche și poate participa la formarea a patru legături covalente.

Pe baza formulei electronice date pentru nivelul de valență al unui atom de carbon, ne-am aștepta ca acesta să conțină un $s$-electron (orbital simetric sferic) și trei $p$-electroni având orbitali reciproc perpendiculari ($2р_х, 2р_у, 2p_z). $- orbital). În realitate, toți cei patru electroni de valență ai atomului de carbon complet echivalent iar unghiurile dintre orbitalii lor sunt egale cu $109°28"$. În plus, calculele arată că fiecare dintre cele patru legături chimice ale carbonului dintr-o moleculă de metan ($CH_4$) este $25%$ $s-$ și $75%$ $p $-conexiune, adică se întâmplă amestecarea$s-$ și $p-$ stări ale electronilor. Acest fenomen se numește hibridizare,și orbitali mixți - hibrid.

Un atom de carbon în starea $sp^3$-valență are patru orbiti, fiecare dintre care conține câte un electron. În conformitate cu teoria legăturilor covalente, are capacitatea de a forma patru legături covalente cu atomii oricăror elemente monovalente ($CH_4, CHCl_3, CCl_4$) sau cu alți atomi de carbon. Astfel de conexiuni se numesc $σ$-conexiuni. Dacă un atom de carbon are o legătură $C-C$, atunci se numește primar($Н_3С-СН_3$), dacă doi - secundar($Н_3С-СН_2-СН_3$), dacă trei - terţiar (), iar dacă patru - cuaternar ().

Unul dintre trasaturi caracteristice atomii de carbon este capacitatea lor de a forma legături chimice prin împărțirea doar $p$ electroni. Astfel de conexiuni se numesc $π$-conexiuni. Legăturile $π$ în moleculele de compuși organici se formează numai în prezența legăturilor $σ$ între atomi. Astfel, în molecula de etilenă $H_2C=CH_2$ atomii de carbon sunt legați prin $σ-$ și o legătură $π$, în molecula de acetilenă $HC=CH$ - printr-o legătură $σ-$ și două $π$ . Legăturile chimice formate cu participarea legăturilor $π$ se numesc multipli(într-o moleculă de etilenă - dubla, într-o moleculă de acetilenă - triplu), și compuși cu legături multiple - nesaturat.

Fenomen$sp^3$-, $sp^2$- Și$sp$ - hibridizarea atomului de carbon.

Când se formează legături $π$, starea hibridă a orbitalilor atomici ai atomului de carbon se modifică. Deoarece formarea legăturilor $π$ are loc datorită electronilor p, atunci în moleculele cu o legătură dublă electronii vor avea $sp^2$-hibridare (a existat $sp^3$, dar un electron p merge la $π$- orbital), iar cu unul triplu - $sp$-hibridare (doi p-electroni au mers la $π$-orbital). Natura hibridizării schimbă direcția legăturilor $σ$. Dacă în timpul hibridizării $sp^3$ formează structuri ramificate spațial ($a$), atunci în timpul hibridizării $sp^2$ toți atomii se află în același plan și unghiurile dintre legăturile $σ$ sunt egale cu $120° $(b) , iar cu $sp$-hibridare molecula este liniară (c):

În acest caz, axele $π$-orbitalilor sunt perpendiculare pe axa legăturii $σ$.

Atât legăturile $σ$- cât și $π$-sunt covalente, ceea ce înseamnă că trebuie să fie caracterizate prin lungime, energie, direcție spațială și polaritate.

Caracteristicile legăturilor simple și multiple dintre atomii de C.

Radical. Grup functional.

Una dintre caracteristicile compușilor organici este că în reacțiile chimice moleculele lor nu fac schimb de atomi individuali, ci de grupuri de atomi. Dacă acest grup de atomi este format numai din atomi de carbon și hidrogen, atunci se numește radical de hidrocarbură, dacă are atomi de alte elemente, atunci se numește grup functional. Deci, de exemplu, metil ($СН_3$-) și etil ($С_2Н_5$-) sunt radicali hidrocarburi, iar gruparea hidroxi (-$ОН$), gruparea aldehidă ( ), gruparea nitro (-$NO_2$), etc. sunt grupele funcționale ale alcoolilor, aldehidelor și respectiv compușilor care conțin azot.

De obicei, grupul funcțional determină proprietățile chimice ale unui compus organic și, prin urmare, este baza clasificării acestora.