Органическая химия

2.1. Основные положения  теории химического строения А.М. Бутлерова

1.Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).

2.Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).

3.Свойства веществ зависят от их химического строения.

4.По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.

5.Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.

Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии, предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них. 

 

 

 "Бутлеров  и теория строения" (Леннаучфильм)

Развитию теории строения способствовали работы Кекуле, Кольбе, Купера, Жерара и Вант-Гоффа. Однако их теоретические положения не носили общего характера и служили, главным образом, целям объяснения экспериментального материала.

 

 

С органическими веществами человек знаком с давних времен. Наши далекие

предки применяли природные красители для окраски тканей, использовали в

качестве продуктов питания растительные масла, животные жиры, тростниковый

сахар, получали брожением спиртовых жидкостей уксус…

    Но наука  о соединениях углерода возникла  лишь в первой половине ХIХ

века.

    В 1828 году  ученик Я. Берцелиуса – немецкий  ученый Ф.Велер из

неорганических веществ синтезирует органическое вещество -–мочевину. В 1845

году немецкий химик А.Кольбе искусственным путем получает уксусную кислоту.

В 1854 году французский химик М.Бертло синтезирует жиры. Русский ученый

А.М. Бутлеров в 1861 году впервые синтезом получает сахаристое вещество.

    Известно, что развивающаяся промышленность, практика ставят новые

задачи перед наукой. Как только у общества появляется техническая

потребность, она продвигает

 науку вперед  больше, чем десяток университетов.

    Для подтверждения  этих слов можно привести такой  пример. Текстильная

промышленность в 40-х годах девятнадцатого века уже не могла себя

обеспечить натуральными красителями – их не хватало. Перед наукой встала

задача получения красителей синтетическим путем. Начались поиски, в

результате которых были синтезированы различные анилиновые красители и

ализарин, добываемый ранее из корней растения марены. Полученные красители

в свою очередь способствовали бурному росту текстильной промышленности.

    В настоящее  время синтезированы многие органические  вещества, не только

имеющиеся в природе, но и не встречающиеся в ней, например, многочисленные

пластмассы, различные виды каучуков, всевозможные красители, взрывчатые

вещества, лекарственные препараты.

    Синтетически  полученных веществ сейчас известно  больше, чем найденных в

природе, и их число быстро растет. Начинают осуществляться синтезы самых

сложных органических веществ – белков.

 

 

    2. Состояние  органической химии в середине  ХIХ века.

 

 

    Между  тем существовали доструктурные теории – теория радикалов и теория

типов.

    Теория  радикалов ( ее создатели Ж. Дюма, И. Берцелиус) утверждала, что

в состав органических веществ входят радикалы , переходящие из одной

молекулы в другую: радикалы постоянны по составу и могут существовать в

свободном виде. В дальнейшем было установлено, что радикалы могут

подвергаться изменениям в результате реакции замещения (замещение атомов

водорода атомами хлора). Так ,была получена трихлоруксусная кислота. Теория

радикалов была постепенно отвергнута , однако она оставила глубокий след в

науке: понятие о радикале прочно вошло в химию. Верными оказались

утверждения о возможности существования радикалов в свободном виде, о

переходе в огромном числе реакций определенных групп из одного соединения в

другое.

    Наиболее  распространенной в 40-е г.г. ХIХ века была теория типов.

Согласно этой теории все органические вещества считали производными

простейших неорганических веществ – типа водорода, хлоро-водорода, воды,

аммиака и др. Например, тип водорода

 

 

 

    Согласно  этой теории формулы выражают  не внутреннее строение молекул, а

только способы образования и реакции вещества. Создатель этой теории

Ш.Жерар и его последователи считали, что строение вещества не может быть

познано, так как молекулы в процессе реакции изменяются. Для каждого

вещества можно написать столько формул, сколько различных видов превращений

может испытывать вещество.

    Теория  типов в свое время была  прогрессивной, так как она позволила

провести классификацию органических веществ, предсказать и открыть ряд

несложных веществ, если удавалось отнести их по составу и некоторым

свойствам к определенному типу. Однако далеко не все синтезируемые вещества

укладывались в тот или иной тип соединений. Теория типов обратила основное

внимание на изучение химических превращений органических соединений, что

важно было для познания свойств веществ. В дальнейшем теория типов стала

тормозом развития органической химии, так как она не в состоянии была

объяснить факты, накопившиеся в науке, указать пути синтеза новых веществ,

необходимых для техники, медицины, ряда отраслей промышленности и др. Нужна

была новая теория, которая смогла бы не только объяснить факты, наблюдения,

но и прогнозировать, указывать пути синтеза новых веществ.

 

 

 

 Фактов, требовавших  объяснений много –

   - вопрос валентности

   - изомерии

   - написание  формул.

 

 

 

    Предпосылки  теории химического строения.

 

    К моменту  появления теории химического  строения А.М. Бутлерова многое

уже было известно о валентности элементов: Э. Франкланд установил

валентность для ряда металлов, для органических соединений А.Кекуле

предложил четырехвалентность атома углерода ( 1858) , было высказано

предположение об углерод-углеродной связи, о возможности соединения атомов

углерода в цепи ( 1859, А.С. Купер, А.Кекуле ). Эта идея сыграла большую

роль в развитии органической химии.

    Важным  событием в химии был Международный  конгресс химиков ( 1860,

г.Карлсруэ), где были четко определены понятия об атоме, молекуле, атомном

весе, молекулярном весе. До этого не было общепризнанных критериев для

определения этих понятий, поэтому была путаница в написании формул веществ.

А.М. Бутлеров считал самым существенным успехом химии за период с 1840 по

1880г. установление  понятий об атоме и молекуле, что дало толчок развитию

учения о валентности и позволило перейти к созданию теории химического

строения.

    Таким  образом, теория химического строения  возникла не на пустом месте.

Объективными предпосылками ее появления явились: а). Введение в химию

понятий о валентности и особенно, о четырехвалентности атома углерода, б).

Введение понятия об углерод-углеродной связи. в). Выработка правильного

представления об атомах и молекулах.

 

 

 

    Взгляды  А.М. Бутлерова на строение вещества.

 

    В 1861 году  был произнесен доклад А.М. Бутлерова  на ХХХУI съезде

немецких врачей и естествоиспытателей в Шпейере. Между тем его первое

выступление по теоретическим вопросам органической химии состоялось в

1858г, в Париже  в Химическом обществе. В своем  выступлении, а также в

статье о А.С. Купере ( 1859г.) А.М. Бутлеров указывает на то, что в

создании теории химического строения должна сыграть роль валентность (

химическое сродство ). Здесь он впервые употребил термин «структура»,

высказал мысль о возможности познания строения вещества, об использовании

для этих целей экспериментальных исседований.

    Основные  идеи о химическом строении  были изложены А.М. Бутлеровым  в1861

году в докладе «О химическом строении веществ». В нем отмечалось отставание

теории от практики, указывалось на то, что теория типов, несмотря на

некоторые ее положительные стороны, имеет крупные недостатки. В докладе

дано четкое определение понятия о химическом строении, рассмотрены пути

установления химического строения ( способы синтеза веществ, использование

различных реакций ).

    А.М. Бутлеров  утверждал, что каждому веществу  соответствует одна

химическая формула: она характеризует все химические свойства вещества,

реально отражает порядок химической связи атомов в молекулах. В последующие

годы А.М. Бутлеров и его ученики осуществили ряд экспериментальных работ с

целью проверки правильности предсказаний, сделанных на основе теории

химического строения. Так, были синтезированы изобутан, изобутилен, изомеры

пентана, ряд спиртов и др. По значимости для науки эти работы можно

сравнить с открытием предсказанных Д.И. Менднлеевым элементов (

экабор,экасилиций, экаалюминий).

    В полном  объеме теоретические воззрения  А.М. Бутлерова нашли отражение

в его учебнике « Введение к полному изучению органической химии» ( первое

издание вышло в 1864-1866г.г.), построенном на основе теории химического

строения. Он считал, что молекулы – это не хаотичное скопление атомов, что

атомы в молекулах соединены между собой в определенной последовательности и

находятся в постоянном движении и взаимном влиянии. Изучая химические

свойства вещества, можно установить последовательность соединения атомов в

молекулах и выразить ее формулой.

    А.М. Бутлеров  считал, что с помощью химических  методов анализа и

синтеза вещества можно установить химическое строение соединения и,

наоборот, зная химическое строение вещества , можно предсказать его

химические свойства.

    Основные  положения теории А.М. Бутлерова.

 

 

    Основываясь  на приведенных выше высказываниях  А.М. Бутлерова, сущность

теории химического строения можно выразить в следующих положениях:

   - атомы в  молекулах располагаются не беспорядочно, они соединены друг с

     другом  в определенной последовательности  согласно их валентности

 

  А) последовательность  соединения атомов в молекуле

 

 

 

  Б) углерод четырехвалентен

 

 

 

  В) структурные  формулы (полные)

 

 

 

  Последовательность  соединения атомов в молекуле

    Г) сокращенные  формулы

 

 

 

   Д) виды цепей

 

 

 

    - Изомерия  объясняет многообразие органических  веществ. Различному

порядку взаимосвязи атомов при одном и том же качественном и количественном

составе молекулы отвечают, как учит теория химического строения, разные

вещества. Если эта теория правильна, должны существовать два бутана,

различающиеся по своему строению и свойствам. Так как в то время был

известен лишь один бутан, то А.М. Бутлеров предпринял попытку синтезировать

бутан другого строения. Полученное им вещество имело тот же состав

               , но другие свойства, в частности  более низкую температуру

кипения. В отличие от бутана новое вещество получило название « изобутан» (

греч. « изос»- равный):

 

 

 

    Рассматривая  возможное строение пентана                          А.М.

Бутлеров пришел к выводу, что должны существовать три углеводорода такого

состава:

 

 

 

    Все эти  вещества были получены.

    С увеличением  числа атомов углерода в молекуле  число веществ одного и

того же состава сильно возрастает. Так, согласно теории может существовать

75  углеводородов  состава                    , 1858 веществ с формулой

              и т.д. Явление изомерии, то есть  существование разных веществ

одного и того же состава, известно давно. Но только теория химического

строения дала ему убедительное объяснение. Теперь мы можем сформулировать

более точно, какие вещества называются изомерами.

   - вещества, имеющие  одинаковый состав молекул ( одну и ту же

     молекулярную  формулу), но различное химическое  строение и обладающие

     поэтому  разными свойствами, называются  ИЗОМЕРАМИ.

 

     Взаимное  влияние атомов в молекулах.

 

При образовании химических связей электроны от одних атомов переходят к

другим или же образуют общие электронные пары. При этом наибольшая

электронная плотность спаренных электронов может быть сдвинута в сторону

того или иного из атомов в зависимости от их электроотрицательности. В этом

взаимодействии электронов, их перераспределении при химических реакциях и

заключается взаимное влияние атомов. Результаты его сказываются на

свойствах вещества, поскольку частично изменяются сами атомы. Например. В

молекуле хлороводорода хлор сильно оттянул в свою сторону электронную

плотность связи с водородом, поэтому вещество легко распадается в водном

растворе на ионы. В молекуле воды сдвиг электронной плотности к кислороду

меньше, чем к хлору в хлороводороде, поэтому молекулы воды распадаются на