Πώς διαμορφώθηκε η επιστήμη; αρχές XIXαιώνα, όταν ο Σουηδός επιστήμονας J. Berzelius παρουσίασε για πρώτη φορά την έννοια του οργανική ύληκαι για την οργανική χημεία. Η πρώτη θεωρία στην οργανική χημεία είναι η θεωρία των ριζών. Οι χημικοί ανακάλυψαν ότι κατά τη διάρκεια χημικών μετασχηματισμών, ομάδες πολλών ατόμων περνούν αμετάβλητες από ένα μόριο μιας ουσίας σε ένα μόριο μιας άλλης ουσίας, όπως τα άτομα των στοιχείων περνούν από μόριο σε μόριο. Τέτοιες «αμετάβλητες» ομάδες ατόμων ονομάζονται ρίζες.
Ωστόσο, δεν συμφώνησαν όλοι οι επιστήμονες με τη ριζοσπαστική θεωρία. Πολλοί απέρριψαν γενικά την ιδέα του ατομισμού - την ιδέα της πολύπλοκης δομής ενός μορίου και της ύπαρξης ενός ατόμου ως συστατικού του. Αυτό που αδιαμφισβήτητα έχει αποδειχθεί σήμερα και δεν προκαλεί την παραμικρή αμφιβολία, τον 19ο αιώνα. αποτέλεσε αντικείμενο σφοδρής αντιπαράθεσης.
Περιεχόμενο μαθήματος σημειώσεις μαθήματοςυποστήριξη μεθόδων επιτάχυνσης παρουσίασης μαθήματος διαδραστικές τεχνολογίες Πρακτική εργασίες και ασκήσεις αυτοδιαγνωστικά εργαστήρια, προπονήσεις, περιπτώσεις, αποστολές ερωτήσεις συζήτησης για το σπίτι ρητορικές ερωτήσειςαπό μαθητές εικονογραφήσεις ήχου, βίντεο κλιπ και πολυμέσαφωτογραφίες, εικόνες, γραφικά, πίνακες, διαγράμματα, χιούμορ, ανέκδοτα, ανέκδοτα, κόμικς, παραβολές, ρήσεις, σταυρόλεξα, αποσπάσματα Πρόσθετα περιλήψειςάρθρα κόλπα για την περίεργη κούνια σχολικά βιβλία βασικά και επιπλέον λεξικό όρων άλλα Βελτίωση σχολικών βιβλίων και μαθημάτωνδιόρθωση λαθών στο σχολικό βιβλίοενημέρωση ενός τμήματος σε ένα σχολικό βιβλίο, στοιχεία καινοτομίας στο μάθημα, αντικατάσταση ξεπερασμένων γνώσεων με νέες Μόνο για δασκάλους τέλεια μαθήματα ημερολογιακό σχέδιογια έναν χρόνο Κατευθυντήριες γραμμέςπρογράμματα συζήτησης Ολοκληρωμένα ΜαθήματαΟργανική χημεία- κλάδος της χημείας στον οποίο μελετώνται οι ενώσεις του άνθρακα, η δομή, οι ιδιότητες και οι αλληλομετατροπές τους.
Το ίδιο το όνομα του κλάδου - "οργανική χημεία" - προέκυψε πριν από πολύ καιρό. Ο λόγος για αυτό έγκειται στο γεγονός ότι οι περισσότερες από τις ενώσεις άνθρακα που συναντούν οι ερευνητές στο αρχικό στάδιοο σχηματισμός της χημικής επιστήμης, ήταν φυτικής ή ζωικής προέλευσης. Ωστόσο, κατ' εξαίρεση, μεμονωμένες ενώσεις άνθρακα ταξινομούνται ως ανόργανες. Για παράδειγμα, ανόργανες ουσίεςΘεωρείται ότι είναι οξείδια του άνθρακα, ανθρακικό οξύ, ανθρακικά, διττανθρακικά, υδροκυάνιο και μερικά άλλα.
Επί του παρόντος, είναι γνωστές κάτι λιγότερο από 30 εκατομμύρια διαφορετικές οργανικές ουσίες και αυτή η λίστα αυξάνεται συνεχώς. Ένας τόσο τεράστιος αριθμός ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣσχετίζεται κυρίως με τα ακόλουθα συγκεκριμένες ιδιότητεςάνθρακας:
1) τα άτομα άνθρακα μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους σε αλυσίδες αυθαίρετου μήκους.
2) είναι δυνατή όχι μόνο μια διαδοχική (γραμμική) σύνδεση των ατόμων άνθρακα μεταξύ τους, αλλά και μια διακλαδισμένη και ακόμη και κυκλική.
3) δυνατό ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙδεσμούς μεταξύ ατόμων άνθρακα, δηλαδή απλούς, διπλούς και τριπλούς. Επιπλέον, το σθένος του άνθρακα στις οργανικές ενώσεις είναι πάντα τέσσερις.
Επιπλέον, η μεγάλη ποικιλία οργανικών ενώσεων διευκολύνεται επίσης από το γεγονός ότι τα άτομα άνθρακα μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς με άτομα πολλών άλλων χημικά στοιχεία, για παράδειγμα, υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο, φώσφορος, θείο, αλογόνα. Σε αυτή την περίπτωση, το υδρογόνο, το οξυγόνο και το άζωτο είναι πιο κοινά.
Πρέπει να σημειωθεί ότι για αρκετό καιρό η οργανική χημεία αντιπροσωπεύεται για τους επιστήμονες " σκοτεινό δάσος" Για κάποιο χρονικό διάστημα, η θεωρία του βιταλισμού ήταν ακόμη δημοφιλής στην επιστήμη, σύμφωνα με την οποία οι οργανικές ουσίες δεν μπορούν να ληφθούν "τεχνητά", δηλ. έξω από τη ζωντανή ύλη. Ωστόσο, η θεωρία του βιταλισμού δεν κράτησε πολύ, λόγω του γεγονότος ότι η μία μετά την άλλη ανακαλύφθηκαν ουσίες των οποίων η σύνθεση είναι δυνατή εκτός ζωντανών οργανισμών.
Οι ερευνητές ήταν μπερδεμένοι από το γεγονός ότι πολλές οργανικές ουσίες έχουν την ίδια ποιοτική και ποσοτική σύνθεση, αλλά συχνά έχουν εντελώς διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, ο διμεθυλαιθέρας και η αιθυλική αλκοόλη έχουν ακριβώς την ίδια στοιχειακή σύνθεση, αλλά υπό κανονικές συνθήκες ο διμεθυλαιθέρας είναι αέριο και η αιθυλική αλκοόλη είναι υγρό. Επιπλέον, ο διμεθυλαιθέρας δεν αντιδρά με το νάτριο, αλλά η αιθυλική αλκοόλη αντιδρά με αυτό, απελευθερώνοντας αέριο υδρογόνο.
Οι ερευνητές του 19ου αιώνα διατύπωσαν πολλές υποθέσεις σχετικά με τον τρόπο δομής των οργανικών ουσιών. Ουσιαστικά σημαντικές υποθέσεις διατυπώθηκαν από τον Γερμανό επιστήμονα F.A. Kekule, ο οποίος ήταν ο πρώτος που εξέφρασε την ιδέα ότι τα άτομα διαφορετικών χημικών στοιχείων έχουν συγκεκριμένες αξίεςσθένους και τα άτομα άνθρακα σε οργανικές ενώσεις είναι τετρασθενή και μπορούν να συνδυάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν αλυσίδες. Αργότερα, ξεκινώντας από τις υποθέσεις του Kekule, ο Ρώσος επιστήμονας Alexander Mikhailovich Butlerov ανέπτυξε μια θεωρία για τη δομή των οργανικών ενώσεων, η οποία δεν έχει χάσει τη σημασία της στην εποχή μας. Ας εξετάσουμε τις κύριες διατάξεις αυτής της θεωρίας:
1) όλα τα άτομα σε μόρια οργανικών ουσιών συνδέονται μεταξύ τους σε μια ορισμένη ακολουθία σύμφωνα με το σθένος τους. Τα άτομα άνθρακα έχουν σταθερό σθένος, ίσο με τέσσερα, και μπορεί να σχηματίσει αλυσίδες διαφορετικών δομών μεταξύ τους.
2) οι φυσικές και χημικές ιδιότητες οποιασδήποτε οργανικής ουσίας εξαρτώνται όχι μόνο από τη σύνθεση των μορίων της, αλλά και από τη σειρά με την οποία τα άτομα σε αυτό το μόριο συνδέονται μεταξύ τους.
3) μεμονωμένα άτομα, καθώς και ομάδες ατόμων σε ένα μόριο, επηρεάζουν το ένα το άλλο. Αυτή η αμοιβαία επίδραση αντανακλάται στις φυσικές και χημικές ιδιότητες των ενώσεων.
4) Με τη μελέτη των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων μιας οργανικής ένωσης, μπορεί να προσδιοριστεί η δομή της. Το αντίθετο ισχύει επίσης - γνωρίζοντας τη δομή του μορίου μιας συγκεκριμένης ουσίας, μπορείτε να προβλέψετε τις ιδιότητές της.
Παρόμοια με το πώς ο περιοδικός νόμος του D.I Mendelev έγινε επιστημονικό θεμέλιο ανόργανη χημεία, θεωρία της δομής των οργανικών ουσιών Α.Μ. Ο Butlerov έγινε στην πραγματικότητα το σημείο εκκίνησης για την ανάπτυξη της οργανικής χημείας ως επιστήμης. Πρέπει να σημειωθεί ότι μετά τη δημιουργία της θεωρίας δομής του Butlerov, η οργανική χημεία ξεκίνησε την ανάπτυξή της με πολύ γρήγορους ρυθμούς.
Ισομέρεια και ομολογία
Σύμφωνα με τη δεύτερη θέση της θεωρίας του Butlerov, οι ιδιότητες των οργανικών ουσιών δεν εξαρτώνται μόνο από την ποιοτική και ποσοτική σύνθεσημόρια, αλλά και με τη σειρά με την οποία τα άτομα σε αυτά τα μόρια συνδέονται μεταξύ τους.
Από αυτή την άποψη, το φαινόμενο του ισομερισμού είναι ευρέως διαδεδομένο μεταξύ των οργανικών ουσιών.
Η ισομέρεια είναι ένα φαινόμενο όταν διαφορετικές ουσίες έχουν ακριβώς την ίδια μοριακή σύσταση, δηλ. τον ίδιο μοριακό τύπο.
Πολύ συχνά, τα ισομερή διαφέρουν πολύ σε φυσικά και Χημικές ιδιότητες. Για παράδειγμα:
Τύποι ισομερισμού
Δομική ισομέρεια
α) Ισομέρεια του ανθρακικού σκελετού
β) Ισομέρεια θέσης:
πολλαπλή σύνδεση
αναπληρωτές:
λειτουργικές ομάδες:
γ) Διαταξική ισομέρεια:
Η διακλαδική ισομέρεια εμφανίζεται όταν ενώσεις που είναι ισομερή ανήκουν σε διαφορετικές κατηγορίες οργανικών ενώσεων.
Χωρική ισομέρεια
Η χωρική ισομέρεια είναι ένα φαινόμενο όταν διαφορετικές ουσίες με την ίδια σειρά προσκόλλησης ατόμων μεταξύ τους διαφέρουν μεταξύ τους από μια σταθερή-διαφορετική θέση ατόμων ή ομάδων ατόμων στο χώρο.
Υπάρχουν δύο τύποι χωρικής ισομέρειας - ο γεωμετρικός και ο οπτικός. Οι εργασίες για την οπτική ισομέρεια δεν βρίσκονται στην Ενιαία Κρατική Εξέταση, επομένως θα εξετάσουμε μόνο γεωμετρικές.
Εάν το μόριο μιας ένωσης περιέχει διπλό δεσμό C=C ή δακτύλιο, μερικές φορές σε τέτοιες περιπτώσεις το φαινόμενο της γεωμετρικής ή cis-trans-ισομέρεια.
Για παράδειγμα, αυτός ο τύπος ισομερισμού είναι δυνατός για το βουτένιο-2. Η σημασία του είναι ότι ο διπλός δεσμός μεταξύ των ατόμων άνθρακα έχει στην πραγματικότητα μια επίπεδη δομή και οι υποκαταστάτες σε αυτά τα άτομα άνθρακα μπορούν να βρίσκονται σταθερά είτε πάνω είτε κάτω από αυτό το επίπεδο:
Όταν πανομοιότυποι υποκαταστάτες βρίσκονται στην ίδια πλευρά του επιπέδου λένε ότι είναι cis-ισομερές, και όταν είναι διαφορετικά - έκσταση-ισομέρεια.
On με τη μορφή δομικών τύπων cis-Και έκσταση-ισομερή (χρησιμοποιώντας το βουτένιο-2 ως παράδειγμα) απεικονίζονται ως εξής:
Σημειώστε ότι ο γεωμετρικός ισομερισμός είναι αδύνατος εάν τουλάχιστον ένα άτομο άνθρακα στον διπλό δεσμό έχει δύο πανομοιότυπους υποκαταστάτες. Για παράδειγμα, cis-trans-ο ισομερισμός δεν είναι δυνατός για το προπένιο:
Το Propen δεν έχει cis-trans-ισομερή, αφού ένα από τα άτομα άνθρακα στον διπλό δεσμό έχει δύο πανομοιότυπους «υποκαταστάτες» (άτομα υδρογόνου) Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, αν ανταλλάξουμε θέσεις μεταξύ της ρίζας του μεθυλίου και του ατόμου υδρογόνου που βρίσκεται στο δεύτερο άτομο άνθρακα, στις απέναντι πλευρές του επιπέδου, θα έχουμε το ίδιο μόριο που μόλις κοιτάξαμε από την άλλη πλευρά.
Η επίδραση των ατόμων και των ομάδων ατόμων μεταξύ τους σε μόρια οργανικών ενώσεων
Η έννοια της χημικής δομής ως αλληλουχίας ατόμων που συνδέονται μεταξύ τους επεκτάθηκε σημαντικά με την εμφάνιση της ηλεκτρονικής θεωρίας. Από τη σκοπιά αυτής της θεωρίας, είναι δυνατό να εξηγηθεί πώς τα άτομα και οι ομάδες ατόμων σε ένα μόριο επηρεάζουν το ένα το άλλο.
Υπάρχουν δύο πιθανοί τρόποι με τους οποίους ένα μέρος ενός μορίου επηρεάζει ένα άλλο:
1) Επαγωγικό αποτέλεσμα
2) Μεσομερική επίδραση
Επαγωγικό αποτέλεσμα
Για να δείξουμε αυτό το φαινόμενο, ας πάρουμε ως παράδειγμα το μόριο 1-χλωροπροπανίου (CH 3 CH 2 CH 2 Cl ). Ο δεσμός μεταξύ ατόμων άνθρακα και χλωρίου είναι πολικός επειδή το χλώριο έχει πολύ μεγαλύτερη ηλεκτραρνητικότητα σε σύγκριση με τον άνθρακα. Ως αποτέλεσμα της μετατόπισης της πυκνότητας ηλεκτρονίων από το άτομο άνθρακα στο άτομο χλωρίου, σχηματίζεται ένα μερικό θετικό φορτίο (δ+) στο άτομο άνθρακα και ένα μερικό αρνητικό φορτίο (δ-) στο άτομο χλωρίου:
Η μετατόπιση της πυκνότητας ηλεκτρονίων από το ένα άτομο στο άλλο υποδεικνύεται συχνά από ένα βέλος που δείχνει προς το πιο ηλεκτραρνητικό άτομο:
Ωστόσο, ένα ενδιαφέρον σημείο είναι ότι, εκτός από τη μετατόπιση της πυκνότητας ηλεκτρονίων από το πρώτο άτομο άνθρακα στο άτομο χλωρίου, υπάρχει επίσης μια μετατόπιση, αλλά σε ελαφρώς μικρότερο βαθμό, από το δεύτερο άτομο άνθρακα στο πρώτο. από το τρίτο στο δεύτερο:
Αυτή η μετατόπιση της πυκνότητας ηλεκτρονίων κατά μήκος μιας αλυσίδας δεσμών σ ονομάζεται επαγωγικό φαινόμενο ( Εγώ). Αυτό το φαινόμενο εξαφανίζεται με την απόσταση από την ομάδα επιρροής και πρακτικά δεν εμφανίζεται μετά από 3 σ δεσμούς.
Στην περίπτωση που ένα άτομο ή μια ομάδα ατόμων έχει υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα σε σύγκριση με τα άτομα άνθρακα, τέτοιοι υποκαταστάτες λέγεται ότι έχουν αρνητική επαγωγική επίδραση (- Εγώ). Έτσι, στο παράδειγμα που συζητήθηκε παραπάνω, το άτομο χλωρίου έχει αρνητική επαγωγική επίδραση. Εκτός από το χλώριο, οι ακόλουθοι υποκαταστάτες έχουν αρνητική επαγωγική δράση:
–F, –Cl, –Br, –I, –OH, –NH 2 , –CN, –NO 2 , –COH, –COOH
Εάν η ηλεκτραρνητικότητα ενός ατόμου ή μιας ομάδας ατόμων είναι μικρότερη από την ηλεκτραρνητικότητα ενός ατόμου άνθρακα, υπάρχει στην πραγματικότητα μια μεταφορά της πυκνότητας ηλεκτρονίων από τέτοιους υποκαταστάτες στα άτομα άνθρακα. Σε αυτή την περίπτωση, λένε ότι ο υποκαταστάτης έχει θετική επαγωγική επίδραση (+ Εγώ) (είναι δότης ηλεκτρονίων).
Άρα, υποκαταστάτες με + Εγώ-το αποτέλεσμα είναι κορεσμένες ρίζες υδρογονανθράκων. Ταυτόχρονα, η έκφραση + Εγώ-Το αποτέλεσμα αυξάνεται με την επιμήκυνση της ρίζας υδρογονάνθρακα:
–CH 3 , –C 2 H 5 , – C 3 H 7 , – C 4 H 9
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα άτομα άνθρακα που βρίσκονται σε διαφορετικές καταστάσεις σθένους έχουν επίσης διαφορετική ηλεκτραρνητικότητα. Τα άτομα άνθρακα στην υβριδοποιημένη κατάσταση sp 2 έχουν μεγαλύτερη ηλεκτραρνητικότητα σε σύγκριση με τα άτομα άνθρακα στην υβριδοποιημένη κατάσταση sp 2, τα οποία, με τη σειρά τους, είναι πιο ηλεκτραρνητικά από τα άτομα άνθρακα στην υβριδοποιημένη κατάσταση sp 3.
Μεσομερικό φαινόμενο (M), ή φαινόμενο σύζευξης, είναι η επίδραση ενός υποκαταστάτη που μεταδίδεται μέσω ενός συστήματος συζευγμένων π δεσμών.
Το πρόσημο του μεσομερικού φαινομένου προσδιορίζεται σύμφωνα με την ίδια αρχή με το πρόσημο του επαγωγικού φαινομένου. Εάν ένας υποκαταστάτης αυξάνει την πυκνότητα ηλεκτρονίων σε ένα συζευγμένο σύστημα, έχει θετική μεσομερική επίδραση (+ Μ) και είναι δωρητής ηλεκτρονίων. Διπλοί δεσμοί άνθρακα-άνθρακα και υποκαταστάτες που περιέχουν ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων: -NH 2, -OH, τα αλογόνα έχουν θετική μεσομερική επίδραση.
Αρνητικό μεσομερικό αποτέλεσμα (- Μ) έχουν υποκαταστάτες που αφαιρούν την πυκνότητα ηλεκτρονίων από το συζευγμένο σύστημα, ενώ η πυκνότητα ηλεκτρονίων στο σύστημα μειώνεται.
Οι ακόλουθες ομάδες έχουν αρνητική μεσομερική επίδραση:
–NO 2 , –COOH, –SO 3 H, -COH, >C=O
Λόγω της ανακατανομής της πυκνότητας ηλεκτρονίων λόγω των μεσομερικών και επαγωγικών επιδράσεων στο μόριο, εμφανίζονται μερικά θετικά ή αρνητικά φορτία σε ορισμένα άτομα, κάτι που αντανακλάται στις χημικές ιδιότητες της ουσίας.
Γραφικά, το μεσομερικό φαινόμενο φαίνεται με ένα καμπύλο βέλος που ξεκινά από το κέντρο της πυκνότητας ηλεκτρονίων και τελειώνει εκεί που μετατοπίζεται η πυκνότητα των ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, σε ένα μόριο χλωριούχου βινυλίου, το μεσομερές φαινόμενο εμφανίζεται όταν το μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων του ατόμου χλωρίου ζευγαρώνει με τα ηλεκτρόνια του δεσμού π μεταξύ των ατόμων άνθρακα. Έτσι, ως αποτέλεσμα αυτού, εμφανίζεται ένα μερικό θετικό φορτίο στο άτομο χλωρίου και το κινητό νέφος π-ηλεκτρονίου, υπό την επίδραση ενός ζεύγους ηλεκτρονίων, μετατοπίζεται προς το εξώτατο άτομο άνθρακα, στο οποίο προκύπτει ένα μερικό αρνητικό φορτίο ως αποτέλεσμα:
Εάν ένα μόριο έχει εναλλασσόμενους απλούς και διπλούς δεσμούς, τότε το μόριο λέγεται ότι περιέχει ένα συζευγμένο σύστημα π-ηλεκτρονίων. Ενδιαφέρουσα ιδιοκτησίαΈνα τέτοιο σύστημα είναι ότι το μεσομερικό αποτέλεσμα σε αυτό δεν εξασθενεί.
Χημική δομή ενός μορίουαντιπροσωπεύει την πιο χαρακτηριστική και μοναδική πτυχή της, αφού την καθορίζει γενικές ιδιότητες(μηχανική, φυσική, χημική και βιοχημική). Οποιαδήποτε αλλαγή στη χημική δομή ενός μορίου συνεπάγεται αλλαγή στις ιδιότητές του. Στην περίπτωση μικρών δομικών αλλαγών που εισάγονται σε ένα μόριο, ακολουθούν μικρές αλλαγές στις ιδιότητές του (συνήθως επηρεάζουν φυσικές ιδιότητες), εάν το μόριο έχει υποστεί βαθιές δομικές αλλαγές, τότε οι ιδιότητές του (ειδικά οι χημικές) θα αλλάξουν βαθιά.
Για παράδειγμα, το αλφα-αμινοπροπιονικό οξύ (άλφα-αλανίνη) έχει την ακόλουθη δομή:
Άλφα αλανίνη Τι βλέπουμε:
- Η παρουσία ορισμένων ατόμων (C, H, O, N),
- ένας ορισμένος αριθμός ατόμων που ανήκουν σε κάθε τάξη, τα οποία συνδέονται με μια συγκεκριμένη σειρά.
Όλα αυτά τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά καθορίζουν ολόκληρη γραμμήιδιότητες της άλφα-αλανίνης, όπως: στερεά κατάσταση συσσωμάτωσης, σημείο βρασμού 295 ° C, διαλυτότητα στο νερό, οπτική δραστηριότητα, χημικές ιδιότητες αμινοξέων κ.λπ.
Όταν η αμινομάδα συνδέεται με άλλο άτομο άνθρακα (δηλαδή, έχει συμβεί μια μικρή δομική αλλαγή), η οποία αντιστοιχεί στη βήτα-αλανίνη:
Βήτα-αλανίνη Οι γενικές χημικές ιδιότητες εξακολουθούν να είναι χαρακτηριστικές των αμινοξέων, αλλά το σημείο βρασμού είναι ήδη 200 ° C και δεν υπάρχει οπτική δραστηριότητα.
Εάν, για παράδειγμα, δύο άτομα σε αυτό το μόριο συνδέονται με ένα άτομο Ν με την ακόλουθη σειρά (βαθιά δομική αλλαγή):
τότε η σχηματιζόμενη ουσία - 1-νιτροπροπάνιο, στις φυσικές και χημικές του ιδιότητες, είναι εντελώς διαφορετική από τα αμινοξέα: το 1-νιτρο-προπάνιο είναι ένα κίτρινο υγρό, με σημείο βρασμού 131 ° C, αδιάλυτο στο νερό.
Ετσι, σχέση δομής - ιδιοκτησίαςσας επιτρέπει να περιγράψετε τις γενικές ιδιότητες μιας ουσίας με γνωστή δομή και, αντίθετα, σας επιτρέπει να βρείτε τη χημική δομή μιας ουσίας, γνωρίζοντας τις γενικές της ιδιότητες.
Γενικές αρχές της θεωρίας της δομής των οργανικών ενώσεων
Η ουσία του προσδιορισμού της δομής μιας οργανικής ένωσης είναι οι ακόλουθες αρχές, οι οποίες προκύπτουν από τη σχέση μεταξύ της δομής και των ιδιοτήτων τους:
α) οι οργανικές ουσίες, σε αναλυτικά καθαρή κατάσταση, έχουν την ίδια σύνθεση, ανεξάρτητα από τη μέθοδο παρασκευής τους·
β) οι οργανικές ουσίες, σε αναλυτικά καθαρή κατάσταση, έχουν σταθερές φυσικές και χημικές ιδιότητες.
γ) οργανικές ουσίες με σταθερή σύσταση και ιδιότητες, έχουν μόνο μία μοναδική δομή.
Το 1861, ο μεγάλος Ρώσος επιστήμονας A. M. Butlerovστο άρθρο του «Σχετικά με τη χημική δομή της ύλης» αποκάλυψε τη βασική ιδέα της θεωρίας χημική δομή, που συνίσταται στην επίδραση της μεθόδου σύνδεσης ατόμων σε μια οργανική ουσία στις ιδιότητές της. Συνόψισε όλες τις γνώσεις και τις ιδέες για τη δομή που ήταν διαθέσιμη εκείνη την εποχή χημικές ενώσειςστη θεωρία της δομής των οργανικών ενώσεων.
Οι κύριες διατάξεις της θεωρίας του A. M. Butlerov
μπορούν να συνοψιστούν ως εξής:
- Σε ένα μόριο μιας οργανικής ένωσης, τα άτομα συνδέονται με μια συγκεκριμένη αλληλουχία, η οποία καθορίζει τη δομή της.
- Το άτομο άνθρακα στις οργανικές ενώσεις έχει σθένος τεσσάρων.
- Με την ίδια σύνθεση ενός μορίου, είναι δυνατές πολλές επιλογές για τη σύνδεση των ατόμων αυτού του μορίου μεταξύ τους. Τέτοιες ενώσεις που είχαν την ίδια σύνθεση αλλά διαφορετικές δομές ονομάζονταν ισομερή, και ένα παρόμοιο φαινόμενο - ισομερισμός.
- Γνωρίζοντας τη δομή μιας οργανικής ένωσης, μπορεί κανείς να προβλέψει τις ιδιότητές της. Γνωρίζοντας τις ιδιότητες μιας οργανικής ένωσης, μπορεί κανείς να προβλέψει τη δομή της.
- Τα άτομα που σχηματίζουν ένα μόριο υπόκεινται σε αμοιβαία επίδραση, η οποία καθορίζει την αντιδραστικότητα τους. Άμεσα συνδεδεμένα άτομα έχουν μεγαλύτερη επιρροήτο ένα πάνω στο άλλο, η επίδραση των ατόμων που δεν συνδέονται άμεσα είναι πολύ πιο αδύναμη.
Μαθητής Α.Μ. Μπουτλέροβα - V. V. Markovnikovσυνέχισε να μελετά το ζήτημα της αμοιβαίας επιρροής των ατόμων, το οποίο αντικατοπτρίστηκε το 1869 στη διατριβή του «Υλικά για το ζήτημα της αμοιβαίας επίδρασης των ατόμων στις χημικές ενώσεις».
Πίστωση προς Α.Μ. Butlerov και η σημασία της θεωρίας της χημικής δομής είναι εξαιρετικά μεγάλη για τη χημική σύνθεση. Έχει ανοίξει η ευκαιρία να προβλέψουμε τις βασικές ιδιότητες των οργανικών ενώσεων και να προβλέψουμε τις οδούς της σύνθεσής τους. Χάρη στη θεωρία της χημικής δομής, οι χημικοί αρχικά εκτίμησαν το μόριο ως ένα διατεταγμένο σύστημα με μια αυστηρή σειρά δεσμών μεταξύ των ατόμων. Και επί του παρόντος, οι κύριες διατάξεις της θεωρίας του Butlerov, παρά τις αλλαγές και τις διευκρινίσεις, αποτελούν τη βάση των σύγχρονων θεωρητικών εννοιών της οργανικής χημείας.
Κατηγορίες,Χημική φύσηΟι οργανικές ενώσεις, οι ιδιότητες που τις διακρίνουν από τις ανόργανες ενώσεις, καθώς και η ποικιλομορφία τους εξηγήθηκαν στη θεωρία της χημικής δομής που διατυπώθηκε από τον Butlerov το 1861 (βλ. § 38).
Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, οι ιδιότητες των ενώσεων καθορίζονται από την ποιοτική και ποσοτική τους σύνθεση, τη χημική δομή, δηλαδή τη διαδοχική σειρά σύνδεσης μεταξύ των ατόμων που σχηματίζουν το μόριο και την αμοιβαία επιρροή τους. Η θεωρία της δομής των οργανικών ενώσεων, που αναπτύχθηκε και συμπληρώνεται από τις πιο πρόσφατες απόψεις στον τομέα της χημείας και της φυσικής ατόμων και μορίων, ιδίως ιδέες για τη χωρική δομή των μορίων, τη φύση των χημικών δεσμών και τη φύση της αμοιβαίας επιρροής των άτομα, αποτελεί θεωρητική βάσηοργανική χημεία.
ΣΕ σύγχρονη θεωρίαη δομή των οργανικών ενώσεων βασίζεται στις ακόλουθες αρχές.
1. Όλα τα χαρακτηριστικά των οργανικών ενώσεων καθορίζονται, πρώτα από όλα, από τις ιδιότητες του στοιχείου άνθρακα.
Σύμφωνα με τη θέση που καταλαμβάνει ο άνθρακας στον περιοδικό πίνακα, υπάρχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό στρώμα ηλεκτρονίων του ατόμου του (-κέλυφος). Δεν εμφανίζει έντονη τάση να δίνει ή να αποκτά ηλεκτρόνια, από αυτή την άποψη καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων και χαρακτηρίζεται από έντονη ικανότητα σχηματισμού ομοιοπολικών δεσμών. Η δομή του εξωτερικού στρώματος ηλεκτρονίων του ατόμου άνθρακα μπορεί να αναπαρασταθεί από τα ακόλουθα διαγράμματα:
Ένα διεγερμένο άτομο άνθρακα μπορεί να συμμετέχει στο σχηματισμό τεσσάρων ομοιοπολικών δεσμών. Επομένως, στη συντριπτική πλειοψηφία των ενώσεων του, ο άνθρακας εμφανίζει ομοιοπολικότητα τεσσάρων.
Έτσι, η απλούστερη οργανική ένωση, ο υδρογονάνθρακας μεθάνιο, έχει τη σύσταση . Η δομή του μπορεί να απεικονιστεί με τύπους δομής (α) ή ηλεκτρονικής-δομικής (ή ηλεκτρονικής) (β):
Ο ηλεκτρονικός τύπος δείχνει ότι το άτομο άνθρακα στο μόριο του μεθανίου έχει ένα σταθερό εξωτερικό κέλυφος οκτώ ηλεκτρονίων (οκτάδα ηλεκτρονίων) και τα άτομα υδρογόνου έχουν ένα σταθερό κέλυφος δύο ηλεκτρονίων (διπλό ηλεκτρονίων).
Και οι τέσσερις ομοιοπολικοί δεσμοί άνθρακα στο μεθάνιο (και σε άλλες παρόμοιες ενώσεις) είναι ισοδύναμοι και συμμετρικά κατευθυνόμενοι στο διάστημα. Το άτομο άνθρακα βρίσκεται, όπως ήταν, στο κέντρο ενός τετραέδρου (κανονικό τετραεδρική πυραμίδα), και τέσσερα άτομα που συνδέονται με αυτό (στην περίπτωση του μεθανίου, τέσσερα άτομα στις κορυφές του τετραέδρου (Εικ. 120). Οι γωνίες μεταξύ των κατευθύνσεων οποιουδήποτε ζεύγους δεσμών (γωνίες δεσμού άνθρακα) είναι ίδιες και ανέρχονται σε 109° 28".
Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι σε ένα άτομο άνθρακα, όταν σχηματίζει ομοιοπολικούς δεσμούς με τέσσερα άλλα άτομα, από ένα s- και τρία p-τροχιακά, ως αποτέλεσμα του -υβριδισμού, σχηματίζονται τέσσερα υβριδικά τροχιακά συμμετρικά τοποθετημένα στο χώρο, επιμήκη προς τις κορυφές του τετραέδρου.
Ρύζι. 120. Τετραεδρικό μοντέλο του μορίου μεθανίου.
Ρύζι. 121. Σχήμα σχηματισμού -δεσμών σε μόριο μεθανίου.
Ως αποτέλεσμα της επικάλυψης -υβριδικών νεφών ηλεκτρονίων άνθρακα με νέφη ηλεκτρονίων άλλων ατόμων (στο μεθάνιο με σφαιρικά νέφη -ηλεκτρονίων ατόμων υδρογόνου), σχηματίζονται τέσσερις τετραεδρικά προσανατολισμένοι ομοιοπολικοί δεσμοί (Εικ. 121, βλ. επίσης σελ. 131).
Η τετραεδρική δομή του μορίου του μεθανίου εκφράζεται ξεκάθαρα από τα χωρικά του μοντέλα - σφαιρικά (Εικ. 122) ή τμηματικά (Εικ. 123). Οι λευκές μπάλες (τμήματα) αντιπροσωπεύουν άτομα υδρογόνου, οι μαύρες αντιπροσωπεύουν άτομα άνθρακα. Το μοντέλο μπάλας χαρακτηρίζει μόνο τη σχετική χωρική διάταξη των ατόμων, το μοντέλο τμημάτων δίνει επίσης μια ιδέα των σχετικών διατομικών αποστάσεων (αποστάσεις μεταξύ πυρήνων. Όπως φαίνεται στο Σχ. 122, ο δομικός τύπος του μεθανίου μπορεί να θεωρηθεί ως προβολή του το χωρικό του μοντέλο στο επίπεδο σχεδίασης.
2. Μια εξαιρετική ιδιότητα του άνθρακα, που καθορίζει την ποικιλία των οργανικών ενώσεων, είναι η ικανότητα των ατόμων του να συνδέονται με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ τους, σχηματίζοντας αλυσίδες άνθρακα σχεδόν απεριόριστου μήκους
Τα σθένη των ατόμων άνθρακα που δεν υποβλήθηκαν σε αμοιβαία σύνδεση χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση άλλων ατόμων ή ομάδων (σε υδρογονάνθρακες - για την προσθήκη υδρογόνου).
Έτσι, οι υδρογονάνθρακες αιθάνιο και προπάνιο περιέχουν αλυσίδες δύο και τριών ατόμων άνθρακα, αντίστοιχα.
Ρύζι. 122. Σφαίρα μοντέλο του μορίου μεθανίου.
Ρύζι. 123. Μοντέλο τμημάτων του μορίου μεθανίου.
Η δομή τους εκφράζεται με τους ακόλουθους δομικούς και ηλεκτρονικούς τύπους:
Είναι γνωστές ενώσεις που περιέχουν εκατοντάδες ή περισσότερα άτομα άνθρακα στις αλυσίδες τους.
Η αύξηση της ανθρακικής αλυσίδας κατά ένα άτομο άνθρακα οδηγεί σε αύξηση της σύνθεσης ανά ομάδα. Μια τέτοια ποσοτική αλλαγή στη σύνθεση οδηγεί σε μια νέα ένωση που έχει ελαφρώς διαφορετικές ιδιότητες, δηλαδή, ήδη ποιοτικά διαφορετική από την αρχική ένωση. Ωστόσο, η γενική φύση των συνδέσεων παραμένει. Έτσι, εκτός από τους υδρογονάνθρακες μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο, υπάρχουν το βουτάνιο, το πεντάνιο κ.λπ. Έτσι, σε μια τεράστια ποικιλία οργανικών ουσιών, μπορούν να εντοπιστούν σειρές παρόμοιων ενώσεων, στις οποίες κάθε επόμενο μέλος διαφέρει από το προηγούμενο κατά μία ομάδα. Τέτοιες σειρές ονομάζονται ομολογικές σειρές, τα μέλη τους είναι ομόλογα μεταξύ τους και η ύπαρξη τέτοιων σειρών ονομάζεται φαινόμενο της ομολογίας.
Κατά συνέπεια, οι υδρογονάνθρακες μεθάνιο, στάδιο, προπάνιο, βουτάνιο κ.λπ. είναι ομόλογα της ίδιας σειράς, η οποία ονομάζεται σειρά κορεσμένων ή κορεσμένων υδρογονανθράκων (αλκάνια) ή, κατά τον πρώτο εκπρόσωπο, σειρά μεθανίου.
Λόγω του τετραεδρικού προσανατολισμού των δεσμών άνθρακα, τα άτομα του που περιλαμβάνονται στην αλυσίδα δεν βρίσκονται σε ευθεία γραμμή, αλλά σε σχήμα ζιγκ-ζαγκ και, λόγω της δυνατότητας περιστροφής των ατόμων γύρω από τον άξονα του δεσμού, η αλυσίδα στο διάστημα μπορεί παίρνουν διαφορετικά σχήματα (διαμορφώσεις):
Αυτή η δομή των αλυσίδων καθιστά δυνατή την προσέγγιση του τερματικού (b) ή άλλων μη γειτονικών ατόμων άνθρακα (c). Ως αποτέλεσμα του σχηματισμού δεσμών μεταξύ αυτών των ατόμων, οι αλυσίδες άνθρακα μπορούν να κλείσουν σε δακτυλίους (κύκλους), για παράδειγμα:
Έτσι, η ποικιλομορφία των οργανικών ενώσεων καθορίζεται επίσης από το γεγονός ότι με τον ίδιο αριθμό ατόμων άνθρακα σε ένα μόριο, είναι δυνατές ενώσεις με ανοιχτή, ανοιχτή αλυσίδα ατόμων άνθρακα, καθώς και ουσίες των οποίων τα μόρια περιέχουν κύκλους (κυκλικές ενώσεις) .
3. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ ατόμων άνθρακα που σχηματίζονται από ένα ζεύγος γενικευμένων ηλεκτρονίων ονομάζονται απλοί (ή συνηθισμένοι) δεσμοί.
Ο δεσμός μεταξύ των ατόμων άνθρακα μπορεί να πραγματοποιηθεί όχι από ένα, αλλά από δύο ή τρία κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων. Τότε παίρνουμε αλυσίδες με πολλαπλούς - διπλούς ή τριπλούς δεσμούς. Αυτές οι συνδέσεις μπορούν να απεικονιστούν ως εξής:
Οι απλούστερες ενώσεις που περιέχουν πολλαπλούς δεσμούς είναι οι υδρογονάνθρακες αιθυλένιο (με διπλό δεσμό) και ακετυλένιο (με τριπλό δεσμό):
Οι υδρογονάνθρακες με πολλαπλούς δεσμούς ονομάζονται ακόρεστοι ή ακόρεστοι. Το αιθυλένιο και το ακετυλένιο είναι οι πρώτοι εκπρόσωποι δύο ομόλογων σειρών - υδρογονάνθρακες αιθυλενίου και ακετυλενίου.
Ρύζι. 124. Σχήμα σχηματισμού -δεσμών σε μόριο αιθανίου.
Ένας απλός ομοιοπολικός δεσμός (ή C:C), που σχηματίζεται από την επικάλυψη δύο υβριδικών νεφών ηλεκτρονίων κατά μήκος μιας γραμμής που συνδέει τα κέντρα των ατόμων (κατά μήκος του άξονα του δεσμού), όπως, για παράδειγμα, στο αιθάνιο (Εικ. 124), είναι an -bond (βλ. § 42 ). Οι δεσμοί είναι επίσης -δεσμοί - σχηματίζονται από την επικάλυψη κατά μήκος του άξονα δεσμού του -υβριδικού νέφους του ατόμου C και του σφαιρικού νέφους του -ηλεκτρονίου του ατόμου Η.
Η φύση των πολλαπλών δεσμών άνθρακα-άνθρακα είναι κάπως διαφορετική. Έτσι, στο μόριο αιθυλενίου, όταν σχηματίζεται διπλός ομοιοπολικός δεσμός (ή) σε καθένα από τα άτομα άνθρακα, ένα -τροχιακό και μόνο δύο ρ-τροχιακά (-υβριδισμός) συμμετέχουν στον υβριδισμό. ένα από τα τροχιακά p κάθε ατόμου C δεν υβριδοποιείται. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται τρία υβριδικά νέφη ηλεκτρονίων, τα οποία συμμετέχουν στο σχηματισμό τριών δεσμών. Υπάρχουν συνολικά πέντε δεσμοί στο μόριο αιθυλενίου (τέσσερις και ένας). όλα βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο σε γωνίες περίπου 120° μεταξύ τους (Εικ. 125).
Έτσι, ένα από τα ζεύγη ηλεκτρονίων στον δεσμό πραγματοποιεί έναν -δεσμό και το δεύτερο σχηματίζεται από p-ηλεκτρόνια που δεν συμμετέχουν στον υβριδισμό. Τα σύννεφα τους διατηρούν το σχήμα ενός ογκομετρικού σχήματος οκτώ, προσανατολίζονται κάθετα στο επίπεδο στο οποίο βρίσκονται οι δεσμοί και επικαλύπτονται πάνω και κάτω από αυτό το επίπεδο (Εικ. 126), σχηματίζοντας έναν -δεσμό (βλ. § 42).
Ρύζι. 125. Σχήμα σχηματισμού -δεσμών σε μόριο αιθυλενίου.
Ρύζι. 126. Σχήμα σχηματισμού δεσμού σε μόριο αιθυλενίου.
Επομένως, ο διπλός δεσμός C=C είναι συνδυασμός ενός και ενός -δεσμού.
Ένας τριπλός δεσμός (ή ) είναι ένας συνδυασμός ενός δεσμού και δύο δεσμών. Για παράδειγμα, όταν ένα μόριο ακετυλενίου σχηματίζεται σε καθένα από τα άτομα άνθρακα, ένα -τροχιακό και μόνο ένα ρ-τροχιακό (-υβριδισμός) συμμετέχει στον υβριδισμό. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται δύο υβριδικά νέφη ηλεκτρονίων που συμμετέχουν στο σχηματισμό δύο δεσμών. Νέφη δύο p-ηλεκτρονίων κάθε ατόμου C δεν υβριδοποιούνται, διατηρούν τη διάταξή τους και συμμετέχουν στο σχηματισμό δύο δεσμών. Έτσι, στο ασετυλένιο υπάρχουν μόνο τρεις δεσμοί (ένας και δύο) κατευθυνόμενοι κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής και δύο δεσμοί προσανατολισμένοι σε δύο αμοιβαία κάθετα επίπεδα(Εικ. 127).
Πολλαπλοί (δηλαδή διπλοί και τριπλοί) δεσμοί μετατρέπονται εύκολα σε απλούς δεσμούς κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων. το τριπλό μετατρέπεται πρώτα σε διπλό και το τελευταίο σε απλό. Αυτό οφείλεται στην υψηλή τους αντιδραστικότητα και συμβαίνει όταν προστίθενται άτομα σε ένα ζεύγος ατόμων άνθρακα που συνδέονται με πολλαπλούς δεσμούς.
Η μετάβαση των πολλαπλών δεσμών σε απλούς εξηγείται από το γεγονός ότι συνήθως - οι δεσμοί έχουν μικρότερη αντοχή και επομένως μεγαλύτερη αστάθεια σε σύγκριση με - δεσμούς. Όταν σχηματίζονται β-δεσμοί, νέφη ηλεκτρονίων p με παράλληλους άξονες επικαλύπτονται σε πολύ μικρότερο βαθμό από τα νέφη ηλεκτρονίων που επικαλύπτονται κατά μήκος του άξονα του δεσμού (δηλαδή, υβριδικά, β-ηλεκτρόνια ή προσανατολισμένα στον άξονα δεσμών νέφη ηλεκτρονίων p).
Ρύζι. 127. Σχήμα σχηματισμού -δεσμών σε μόριο ακετυλενίου.
Ρύζι. 128. Μοντέλα του μορίου αιθυλενίου: α - σφαιρικό. β - τμηματική.
Οι πολλαπλοί δεσμοί είναι ισχυρότεροι από τους απλούς. Έτσι, η ενέργεια της διάσπασης ενός δεσμού είναι , δεσμοί και δεσμοί μόνο .
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι στους τύπους, δύο παύλες στις τρεις σε μια σύνδεση και μια παύλα στις δύο σε μια σύνδεση εκφράζουν συνδέσεις που είναι λιγότερο ισχυρές από μια απλή σύνδεση.
Στο Σχ. Τα σχήματα 128 και 129 δείχνουν σφαιρικά και τμηματικά χωρικά μοντέλα ενώσεων με διπλούς (αιθυλενικούς) και τριπλούς (ακετυλενικούς) δεσμούς.
4. Η θεωρία της δομής εξήγησε πολλές περιπτώσεις ισομερισμού σε οργανικές ενώσεις.
Οι αλυσίδες ατόμων άνθρακα μπορεί να είναι ευθείες ή διακλαδισμένες:
Έτσι, η σύνθεση έχει τρεις κορεσμένους υδρογονάνθρακες (πεντάνιο) με διαφορετική δομήαλυσίδες - μία με μη διακλαδισμένη αλυσίδα (κανονική δομή) και δύο με διακλαδισμένη αλυσίδα (ισοδομή):
Η σύνθεση έχει τρεις ακόρεστους υδρογονάνθρακες, δύο κανονικής δομής, αλλά ισομερείς στη θέση του διπλού δεσμού και ένας ισοδομής:
Ρύζι. 129. Μοντέλα του μορίου ακετυλενίου: ένα σφαιρικό; β - τμηματική.
Αυτές οι ακόρεστες ενώσεις είναι ισομερή δύο κυκλικών υδρογονανθράκων, οι οποίοι έχουν επίσης σύνθεση και είναι ισομερείς μεταξύ τους ως προς το μέγεθος του κύκλου:
Με την ίδια σύνθεση, οι ενώσεις μπορεί να διαφέρουν στη δομή λόγω διαφορετικών θέσεων στην ανθρακική αλυσίδα και σε άλλα άτομα μη άνθρακα, για παράδειγμα:
Ο ισομερισμός μπορεί να προκληθεί όχι μόνο από διαφορετική σειρά σύνδεσης ατόμων. Είναι γνωστοί διάφοροι τύποι χωρικής ισομέρειας (στερεοϊσομετρία), που συνίσταται στο γεγονός ότι τα αντίστοιχα ισομερή (στερεοϊσομερή) με την ίδια σύνθεση και σειρά σύνδεσης ατόμων διαφέρουν σε διαφορετικές διατάξεις ατόμων (ή ομάδων ατόμων) στο χώρο.
Έτσι, εάν μια ένωση περιέχει ένα άτομο άνθρακα συνδεδεμένο με τέσσερα διαφορετικά άτομα ή ομάδες ατόμων (ένα ασύμμετρο άτομο), τότε είναι δυνατές δύο χωρικά ισομερείς μορφές μιας τέτοιας ένωσης. Στο Σχ. Το 130 δείχνει δύο τετραεδρικά μοντέλα γαλακτικού οξέος, στα οποία το ασύμμετρο άτομο άνθρακα (σημειωμένο με έναν αστερίσκο στον τύπο) βρίσκεται στο κέντρο του τετραέδρου. Είναι εύκολο να παρατηρήσετε ότι αυτά τα μοντέλα δεν μπορούν να συνδυαστούν στο διάστημα: είναι κατασκευασμένα σαν καθρέφτες και αντανακλούν τη χωρική διαμόρφωση των μορίων δύο διαφορετικών ουσιών (στο σε αυτό το παράδειγμαγαλακτικά οξέα), που διαφέρουν σε ορισμένες φυσικές και κυρίως βιολογικές ιδιότητες. Αυτό το ισομερές ονομάζεται κατοπτρικό στερεοϊσομερισμό και τα αντίστοιχα ισομερή ονομάζονται κατοπτρικά ισομερή.
Ρύζι. 130. Τετραεδρικά μοντέλα μορίων κατοπτρικών ισομερών γαλακτικού οξέος.
Η διαφορά στη χωρική δομή των κατοπτρικών ισομερών μπορεί επίσης να αναπαρασταθεί χρησιμοποιώντας δομικούς τύπους, οι οποίοι δείχνουν τη διαφορετική διάταξη των ατομικών ομάδων σε ένα ασύμμετρο άτομο. για παράδειγμα, για αυτά που φαίνονται στο Σχ. 130 κατοπτρικά ισομερή γαλακτικού οξέος:
Όπως αναφέρθηκε ήδη, άτομα άνθρακα. συνδεδεμένα με διπλό δεσμό, βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο με τέσσερις δεσμούς που τους συνδέουν με άλλα άτομα. οι γωνίες μεταξύ των κατευθύνσεων αυτών των συνδέσεων είναι περίπου ίδιες (Εικ. 126). Όταν διαφορετικά άτομα ή ομάδες συνδέονται με καθένα από τα άτομα άνθρακα σε διπλό δεσμό, είναι δυνατός ο λεγόμενος γεωμετρικός στερεοϊσομερισμός ή cis-trans ισομέρεια. Ένα παράδειγμα είναι τα χωρικά γεωμετρικά ισομερή του διχλωροαιθυλενίου
Στα μόρια ενός ισομερούς, τα άτομα χλωρίου βρίσκονται στη μία πλευρά του διπλού δεσμού και στα μόρια του άλλου - σε αντίθετες πλευρές. Η πρώτη διαμόρφωση ονομάζεται cis, η δεύτερη - διαμόρφωση trans. Τα γεωμετρικά ισομερή διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τις φυσικές και χημικές ιδιότητες.
Η ύπαρξή τους οφείλεται στο γεγονός ότι ο διπλός δεσμός αποκλείει τη δυνατότητα ελεύθερης περιστροφής των συνδεδεμένων ατόμων γύρω από τον άξονα του δεσμού (μια τέτοια περιστροφή απαιτεί σπάσιμο του -δεσμού, βλ. Εικ. 126).
5. Η αμοιβαία επίδραση στα μόρια των οργανικών ουσιών εκδηλώνεται κυρίως από άτομα άμεσα συνδεδεμένα μεταξύ τους. Σε αυτή την περίπτωση, καθορίζεται από τον χαρακτήρα χημικός δεσμόςμεταξύ τους, ο βαθμός διαφοράς στη σχετική ηλεκτραρνητικότητα τους και, επομένως, ο βαθμός πολικότητας του δεσμού.
Για παράδειγμα, αν κρίνουμε από τους συνοπτικούς τύπους, τότε σε ένα μόριο μεθανίου και σε ένα μόριο μεθυλικής αλκοόλης και τα τέσσερα άτομα υδρογόνου θα πρέπει να έχουν τις ίδιες ιδιότητες. Όμως, όπως θα φανεί στη συνέχεια, στη μεθυλική αλκοόλη ένα από τα άτομα υδρογόνου μπορεί να αντικατασταθεί από ένα μέταλλο αλκαλίου, ενώ στο μεθάνιο τα άτομα υδρογόνου δεν παρουσιάζουν αυτή την ικανότητα. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι στην αλκοόλη το άτομο υδρογόνου συνδέεται άμεσα όχι με άνθρακα, αλλά με οξυγόνο
Στους δεδομένους δομικούς τύπους, τα βέλη στις γραμμές δεσμού υποδεικνύουν συμβατικά τη μετατόπιση των ζευγών ηλεκτρονίων που σχηματίζονται ομοιοπολικό δεσμό, λόγω της διαφορετικής ηλεκτραρνητικότητας των ατόμων. Στο μεθάνιο, μια τέτοια μετατόπιση στον δεσμό είναι μικρή, καθώς η ηλεκτραρνητικότητα του άνθρακα (2.5) υπερβαίνει ελάχιστα μόνο την ηλεκτραρνητικότητα του υδρογόνου στον Πίνακα. 6, σελ. 118). Σε αυτή την περίπτωση, το μόριο του μεθανίου είναι συμμετρικό. Στο μόριο της αλκοόλης, ο δεσμός είναι σημαντικά πολωμένος, αφού το οξυγόνο (ηλεκτραρνητικότητα 3,5) έλκει πολύ περισσότερο ένα ζεύγος ηλεκτρονίων. Επομένως, ένα άτομο υδρογόνου που συνδέεται με ένα άτομο οξυγόνου αποκτά μεγαλύτερη κινητικότητα, δηλ. είναι ευκολότερο να αποσπαστεί με τη μορφή πρωτονίου.
Στα οργανικά μόρια, η αμοιβαία επίδραση των ατόμων που δεν συνδέονται άμεσα μεταξύ τους είναι επίσης σημαντική. Έτσι, στη μεθυλική αλκοόλη, υπό την επίδραση του οξυγόνου, αυξάνεται η αντιδραστικότητα όχι μόνο του ατόμου υδρογόνου που σχετίζεται με το οξυγόνο, αλλά και των ατόμων υδρογόνου που δεν συνδέονται άμεσα με το οξυγόνο, αλλά συνδέονται με τον άνθρακα. Λόγω αυτού, η μεθυλική αλκοόλη οξειδώνεται αρκετά εύκολα, ενώ το μεθάνιο είναι σχετικά ανθεκτικό σε οξειδωτικά μέσα. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι το οξυγόνο της ομάδας υδροξυλίου έλκει σημαντικά ένα ζεύγος ηλεκτρονίων στον εαυτό του στον δεσμό που το συνδέει με τον άνθρακα, ο οποίος έχει χαμηλότερη ηλεκτραρνητικότητα.
Ως αποτέλεσμα, το αποτελεσματικό φορτίο του ατόμου άνθρακα γίνεται πιο θετικό, γεγονός που προκαλεί μια πρόσθετη μετατόπιση ζευγών ηλεκτρονίων επίσης στους δεσμούς της μεθυλικής αλκοόλης, σε σύγκριση με τους ίδιους δεσμούς στο μόριο του μεθανίου. Κάτω από τη δράση οξειδωτικών παραγόντων, τα άτομα Η που συνδέονται με το ίδιο άτομο άνθρακα με το οποίο είναι συνδεδεμένη η ομάδα ΟΗ διασπώνται πολύ πιο εύκολα από ότι στους υδρογονάνθρακες και συνδυάζονται με οξυγόνο, σχηματίζοντας νερό. Σε αυτή την περίπτωση, το άτομο άνθρακα που σχετίζεται με την ομάδα ΟΗ υφίσταται περαιτέρω οξείδωση (βλ. § 171).
Η αμοιβαία επίδραση των ατόμων που δεν συνδέονται άμεσα μεταξύ τους μπορεί να μεταδοθεί σε μεγάλη απόσταση κατά μήκος μιας αλυσίδας ατόμων άνθρακα και εξηγείται από μια μετατόπιση της πυκνότητας των νεφών ηλεκτρονίων σε ολόκληρο το μόριο υπό την επίδραση ατόμων ή ομάδων διαφορετικής ηλεκτραρνητικότητας παρόν σε αυτό. Η αμοιβαία επιρροή μπορεί επίσης να μεταδοθεί μέσω του χώρου που περιβάλλει το μόριο, ως αποτέλεσμα των επικαλυπτόμενων νεφών ηλεκτρονίων των ατόμων που πλησιάζουν.
Θέμα: Βασικές αρχές της θεωρίας της δομής των οργανικών ενώσεων του A. M. Butlerov.
Η θεωρία της χημικής δομής των οργανικών ενώσεων, που προτάθηκε από τον A. M. Butlerov στο δεύτερο μισό του περασμένου αιώνα (1861), επιβεβαιώθηκε από τα έργα πολλών επιστημόνων, συμπεριλαμβανομένων των μαθητών του Butlerov και του ίδιου. Αποδείχθηκε ότι στη βάση του ήταν δυνατό να εξηγηθούν πολλά φαινόμενα που μέχρι τότε δεν είχαν ερμηνεία: ομολογία, εκδήλωση τετρασθενούς από άτομα άνθρακα σε οργανικές ουσίες. Η θεωρία εκπλήρωσε επίσης την προγνωστική της λειτουργία: στη βάση της, οι επιστήμονες προέβλεψαν την ύπαρξη ακόμα άγνωστων ενώσεων, περιέγραψαν τις ιδιότητές τους και τις ανακάλυψαν. Έτσι, το 1862–1864. Ο A. M. Butlerov εξέτασε τις προπυλικές, βουτυλικές και αμυλικές αλκοόλες, προσδιόρισε τον αριθμό των πιθανών ισομερών και εξήγαγε τους τύπους αυτών των ουσιών. Η ύπαρξή τους αποδείχθηκε αργότερα πειραματικά, και μερικά από τα ισομερή συντέθηκαν από τον ίδιο τον Butlerov.
Κατά τον 20ο αιώνα. οι διατάξεις της θεωρίας της χημικής δομής των χημικών ενώσεων αναπτύχθηκαν με βάση νέες απόψεις που έχουν εξαπλωθεί στην επιστήμη: η θεωρία της ατομικής δομής, η θεωρία των χημικών δεσμών, οι ιδέες για τους μηχανισμούς χημικές αντιδράσεις. Επί του παρόντος, αυτή η θεωρία είναι καθολική, δηλαδή ισχύει όχι μόνο για οργανικές ουσίες, αλλά και για ανόργανες.
Πρώτη θέση. Τα άτομα στα μόρια συνδυάζονται με συγκεκριμένη σειρά ανάλογα με το σθένος τους. Ο άνθρακας σε όλες τις οργανικές και τις περισσότερες ανόργανες ενώσεις είναι τετρασθενής.
Προφανώς, το τελευταίο μέρος της πρώτης θέσης της θεωρίας μπορεί εύκολα να εξηγηθεί από το γεγονός ότι στις ενώσεις τα άτομα άνθρακα βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση:
Τα τετρασθενή άτομα άνθρακα μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν διαφορετικές αλυσίδες:
Η σειρά σύνδεσης των ατόμων άνθρακα στα μόρια μπορεί να είναι διαφορετική και εξαρτάται από τον τύπο του ομοιοπολικού χημικού δεσμού μεταξύ των ατόμων άνθρακα - απλός ή πολλαπλός (διπλός και τριπλός):
Αυτή η θέση εξηγεί το φαινόμενο.
Οι ουσίες που έχουν την ίδια σύσταση, αλλά διαφορετικές χημικές ή χωρικές δομές, άρα και διαφορετικές ιδιότητες, ονομάζονται ισομερή.
Κύριοι τύποι:
Δομική ισομέρεια, στην οποία οι ουσίες διαφέρουν ως προς τη σειρά σύνδεσης των ατόμων στα μόρια: σκελετός άνθρακα
Τρίτη θέση. Οι ιδιότητες των ουσιών εξαρτώνται από την αμοιβαία επίδραση των ατόμων στα μόρια.
Για παράδειγμα, στο οξικό οξύ μόνο ένα από τα τέσσερα άτομα υδρογόνου αντιδρά με ένα αλκάλιο. Με βάση αυτό, μπορεί να υποτεθεί ότι μόνο ένα άτομο υδρογόνου είναι συνδεδεμένο με το οξυγόνο:
Από την άλλη πλευρά, από τον δομικό τύπο του οξικού οξέος μπορούμε να συμπεράνουμε ότι περιέχει ένα κινητό άτομο υδρογόνου, δηλαδή ότι είναι μονοβασικό.Οι κύριες κατευθύνσεις ανάπτυξης της θεωρίας της δομής των χημικών ενώσεων και η σημασία της.
Την εποχή του A.M Butlerov, η οργανική χημεία χρησιμοποιήθηκε ευρέως
εμπειρική (μοριακή) και δομικούς τύπους. Τα τελευταία αντικατοπτρίζουν τη σειρά σύνδεσης των ατόμων σε ένα μόριο σύμφωνα με το σθένος τους, το οποίο υποδεικνύεται με παύλες.
Για ευκολία καταγραφής, χρησιμοποιούνται συχνά συντετμημένοι δομικοί τύποι, στους οποίους παύλες υποδεικνύουν μόνο τους δεσμούς μεταξύ ατόμων άνθρακα ή άνθρακα και οξυγόνου.
Και ίνες, προϊόντα από τα οποία χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία, την καθημερινή ζωή, την ιατρική, γεωργία. Η σημασία της θεωρίας της χημικής δομής του A. M. Butlerov για την οργανική χημεία μπορεί να συγκριθεί με τη σημασία περιοδικός νόμοςΚαι Περιοδικός Πίνακαςχημικά στοιχεία του D.I Mendeleev για την ανόργανη χημεία. Δεν είναι τυχαίο που και οι δύο θεωρίες έχουν τόσα κοινά στοιχεία ως προς τους τρόπους σχηματισμού τους, τις κατευθύνσεις ανάπτυξής τους και τη γενική επιστημονική τους σημασία.