Miten tiede muotoutui? alku XIX luvulla, jolloin ruotsalainen tiedemies J. Ya Berzelius esitteli ensimmäisen kerran käsitteen orgaanista ainesta niin ja orgaanisesta kemiasta. Ensimmäinen orgaanisen kemian teoria on radikaalien teoria. Kemistit havaitsivat, että kemiallisten muutosten aikana useiden atomien ryhmät siirtyvät muuttumattomina yhden aineen molekyylistä toisen aineen molekyyliin, aivan kuten elementtien atomit siirtyvät molekyylistä molekyyliin. Tällaisia "muuttumattomia" atomiryhmiä kutsutaan radikaaleiksi.
Kaikki tutkijat eivät kuitenkaan hyväksyneet radikaalia teoriaa. Monet hylkäsivät yleensä idean atomismista - ajatuksen molekyylin monimutkaisesta rakenteesta ja atomin olemassaolosta sen osana. Mikä on kiistattomasti todistettu nykyään ja ei herätä pienintäkään epäilystä, 1800-luvulla. oli kovan kiistan aiheena.
Oppitunnin sisältö oppituntimuistiinpanot tukevat kehystunnin esityksen kiihdytysmenetelmiä interaktiivisia tekniikoita Harjoitella tehtäviä ja harjoituksia itsetestaus työpajat, koulutukset, tapaukset, tehtävät kotitehtävät keskustelukysymykset retorisia kysymyksiä opiskelijoilta Kuvituksia ääni, videoleikkeet ja multimedia valokuvat, kuvat, grafiikat, taulukot, kaaviot, huumori, anekdootit, vitsit, sarjakuvat, vertaukset, sanonnat, ristisanatehtävät, lainaukset Lisäosat abstrakteja artikkelit temppuja uteliaille pinnasängyt oppikirjat perus- ja lisäsanakirja muut Oppikirjojen ja oppituntien parantaminenkorjata oppikirjan virheet fragmentin päivittäminen oppikirjaan, innovaatioelementit oppitunnilla, vanhentuneen tiedon korvaaminen uudella Vain opettajille täydellisiä oppitunteja kalenterisuunnitelma vuodeksi metodologisia suosituksia keskusteluohjelmia Integroidut oppitunnitOrgaaninen kemia- kemian ala, jossa tutkitaan hiiliyhdisteitä, niiden rakennetta, ominaisuuksia ja keskinäisiä muunnoksia.
Itse tieteenalan nimi - "orgaaninen kemia" - syntyi melko kauan sitten. Syynä tähän on se, että suurin osa tutkijoiden vuonna kohtaamista hiiliyhdisteistä alkuvaiheessa kemian tieteen muodostumista, olivat kasvi- tai eläinperäisiä. Yksittäiset hiiliyhdisteet luokitellaan kuitenkin poikkeuksena epäorgaanisiksi. Joten esim. epäorgaaniset aineet Sen katsotaan olevan hiilioksideja, hiilihappoa, karbonaatteja, bikarbonaatteja, syaanivetyä ja joitain muita.
Tällä hetkellä tunnetaan vajaat 30 miljoonaa erilaista orgaanista ainetta, ja tämä luettelo kasvaa jatkuvasti. Niin valtava määrä orgaaniset yhdisteet liittyy ensisijaisesti seuraavaan erityisiä ominaisuuksia hiili:
1) hiiliatomit voivat liittyä toisiinsa mielivaltaisen pituisina ketjuina;
2) ei ole mahdollista vain hiiliatomien peräkkäinen (lineaarinen) yhteys, vaan myös haarautunut ja jopa syklinen;
3) mahdollista eri tyyppejä sidoksia hiiliatomien välillä, nimittäin yksi-, kaksois- ja kolmoissidoksia. Lisäksi orgaanisten yhdisteiden hiilen valenssi on aina neljä.
Lisäksi orgaanisten yhdisteiden monipuolisuutta helpottaa myös se, että hiiliatomit pystyvät muodostamaan sidoksia monien muiden atomien kanssa. kemiallisia alkuaineita esimerkiksi vety, happi, typpi, fosfori, rikki, halogeenit. Tässä tapauksessa vety, happi ja typpi ovat yleisimpiä.
On huomattava, että melko pitkään orgaaninen kemia edusti tutkijoita " tumma metsä" Tieteessä oli jonkin aikaa jopa suosittu vitalismin teoria, jonka mukaan orgaanisia aineita ei voida saada "keinotekoisesti", ts. elävän aineen ulkopuolella. Vitalismin teoria ei kuitenkaan kestänyt kovin kauan, koska peräkkäin löydettiin aineita, joiden synteesi on mahdollista elävien organismien ulkopuolella.
Tutkijat hämmästyivät siitä, että monilla orgaanisilla aineilla on sama laadullinen ja määrällinen koostumus, mutta niillä on usein täysin erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Esimerkiksi dimetyylieetterillä ja etyylialkoholilla on täsmälleen sama alkuainekoostumus, mutta normaaleissa olosuhteissa dimetyylieetteri on kaasu ja etyylialkoholi neste. Lisäksi dimetyylieetteri ei reagoi natriumin kanssa, vaan etyylialkoholi reagoi sen kanssa vapauttaen vetykaasua.
1800-luvun tutkijat esittivät monia oletuksia orgaanisten aineiden rakenteesta. Pohjimmiltaan tärkeitä oletuksia esitti saksalainen tiedemies F.A. Kekule, joka ilmaisi ensimmäisenä ajatuksen siitä, että eri kemiallisten alkuaineiden atomeilla on tietyt arvot valenssit ja orgaanisten yhdisteiden hiiliatomit ovat neliarvoisia ja pystyvät yhdistymään keskenään muodostaen ketjuja. Myöhemmin, Kekulen oletuksista lähtien, venäläinen tiedemies Alexander Mikhailovich Butlerov kehitti teorian orgaanisten yhdisteiden rakenteesta, joka ei ole menettänyt merkitystään meidän aikanamme. Tarkastellaan tämän teorian pääsäännöksiä:
1) kaikki orgaanisten aineiden molekyylien atomit ovat yhteydessä toisiinsa tietyssä järjestyksessä valenssinsa mukaisesti. Hiiliatomeilla on jatkuva valenssi, yhtä suuri kuin neljä, ja voivat muodostaa eri rakenteellisia ketjuja keskenään;
2) minkä tahansa orgaanisen aineen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet eivät riipu vain sen molekyylien koostumuksesta, vaan myös siitä, missä järjestyksessä tämän molekyylin atomit liittyvät toisiinsa;
3) yksittäiset atomit sekä molekyylin atomiryhmät vaikuttavat toisiinsa. Tämä keskinäinen vaikutus heijastuu yhdisteiden fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin;
4) orgaanisen yhdisteen fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia tutkimalla voidaan selvittää sen rakenne. Päinvastoin on myös totta - kun tiedät tietyn aineen molekyylin rakenteen, voit ennustaa sen ominaisuuksia.
Samalla tavalla kuin D.I. Mendelevin määräaikaisesta laista tuli tieteellinen perusta epäorgaaninen kemia, orgaanisten aineiden rakenteen teoria A.M. Butlerovista tuli itse asiassa lähtökohta orgaanisen kemian kehittämisessä tieteenä. On huomattava, että Butlerovin rakenneteorian luomisen jälkeen orgaaninen kemia alkoi kehittyä erittäin nopeasti.
Isomerismi ja homologia
Butlerovin teorian toisen kannan mukaan orgaanisten aineiden ominaisuudet eivät riipu pelkästään laadullisista ja määrällinen koostumus molekyylejä, mutta myös järjestystä, jossa näiden molekyylien atomit liittyvät toisiinsa.
Tässä suhteessa isomeria-ilmiö on laajalle levinnyt orgaanisten aineiden joukossa.
Isomerismi on ilmiö, jossa eri aineilla on täsmälleen sama molekyylikoostumus, ts. sama molekyylikaava.
Hyvin usein isomeerit eroavat suuresti fysikaalisista ja kemialliset ominaisuudet. Esimerkiksi:
Isomerian tyypit
Rakenteellinen isomerismi
a) Hiilirungon isomeria
b) Positiaalinen isomeria:
useita yhteyksiä
varajäsenet:
toiminnalliset ryhmät:
c) Luokkien välinen isomeria:
Luokkien välinen isomerismi tapahtuu, kun isomeereinä olevat yhdisteet kuuluvat eri orgaanisten yhdisteiden luokkiin.
Spatiaalinen isomerismi
Spatiaalinen isomerismi on ilmiö, jossa eri aineet, joilla on sama atomikiinnitysjärjestys, eroavat toisistaan atomien tai atomiryhmien kiinteällä eri sijainnilla avaruudessa.
Spatiaalista isomeriaa on kahta tyyppiä – geometrinen ja optinen. Unified State -kokeessa ei ole optisen isomerian tehtäviä, joten otamme huomioon vain geometriset tehtävät.
Jos yhdisteen molekyylissä on kaksois-C=C-sidos tai rengas, joskus tällaisissa tapauksissa geometrinen tai cis-trans-isomerismi.
Esimerkiksi tämän tyyppinen isomeria on mahdollista buteeni-2:lle. Sen merkitys on, että hiiliatomien välisellä kaksoissidoksella on itse asiassa tasomainen rakenne ja näiden hiiliatomien substituentit voivat sijaita kiinteästi joko tämän tason ylä- tai alapuolella:
Kun identtiset substituentit ovat samalla puolella tasoa, he sanovat, että se on IVY-isomeeri, ja kun ne ovat erilaisia - transsi-isomeeri.
Käytössä rakennekaavojen muodossa IVY- Ja transsi-isomeerit (käyttäen buteeni-2:ta esimerkkinä) on kuvattu seuraavasti:
Huomaa, että geometrinen isomeria on mahdotonta, jos ainakin yhdessä hiiliatomissa kaksoissidoksessa on kaksi identtistä substituenttia. Joten esim. cis-trans- isomerismi ei ole mahdollista propeenille:
Propenilla ei ole cis-trans-isomeerit, koska yhdellä kaksoissidoksen hiiliatomeista on kaksi identtistä "substituenttia" (vetyatomia) Kuten yllä olevasta kuvasta näkyy, jos vaihdamme paikkoja metyyliradikaalin ja toisessa hiiliatomissa, tason vastakkaisilla puolilla sijaitsevan vetyatomin välillä, saamme saman molekyylin, jota juuri katsoimme toiselta puolelta.
Atomien ja atomiryhmien vaikutus toisiinsa orgaanisten yhdisteiden molekyyleissä
Käsite kemiallisesta rakenteesta toisiinsa liittyvien atomien sarjana laajeni merkittävästi elektroniikkateorian myötä. Tämän teorian näkökulmasta on mahdollista selittää, kuinka molekyylin atomit ja atomiryhmät vaikuttavat toisiinsa.
On kaksi mahdollista tapaa, joilla molekyylin osa vaikuttaa toiseen:
1) Induktiivinen vaikutus
2) Mesomeerinen vaikutus
Induktiivinen vaikutus
Tämän ilmiön osoittamiseksi otetaan esimerkkinä 1-klooripropaanimolekyyli (CH 3 CH 2 CH 2 Cl). Hiili- ja klooriatomien välinen sidos on polaarinen, koska kloorilla on paljon suurempi elektronegatiivisuus hiileen verrattuna. Elektronitiheyden siirtymisen seurauksena hiiliatomista klooriatomiin hiiliatomiin muodostuu osittainen positiivinen varaus (δ+) ja klooriatomiin muodostuu osittainen negatiivinen varaus (δ-):
Elektronitiheyden siirtyminen atomista toiseen osoitetaan usein nuolella, joka osoittaa kohti elektronegatiivisempaa atomia:
Mielenkiintoinen seikka on kuitenkin se, että sen lisäksi, että elektronitiheys siirtyy ensimmäisestä hiiliatomista klooriatomiin, tapahtuu myös siirtymä, mutta hieman pienemmässä määrin, myös toisesta hiiliatomista ensimmäiseen. kolmannesta toiseen:
Tätä elektronitiheyden muutosta σ-sidosketjua pitkin kutsutaan induktiiviseksi efektiksi ( minä). Tämä vaikutus häviää etäisyyden myötä vaikuttajaryhmästä, eikä sitä käytännössä esiinny 3 σ -sidoksen jälkeen.
Tapauksessa, jossa atomilla tai atomiryhmällä on suurempi elektronegatiivisuus verrattuna hiiliatomeihin, tällaisilla substituenteilla sanotaan olevan negatiivinen induktiivinen vaikutus (- minä). Siten edellä käsitellyssä esimerkissä klooriatomilla on negatiivinen induktiivinen vaikutus. Kloorin lisäksi seuraavilla substituenteilla on negatiivinen induktiivinen vaikutus:
–F, –Cl, –Br, –I, –OH, –NH2, –CN, –NO 2, –COH, –COOH
Jos atomin tai atomiryhmän elektronegatiivisuus on pienempi kuin hiiliatomin elektronegatiivisuus, elektronitiheys siirtyy itse asiassa sellaisista substituenteista hiiliatomeihin. Tässä tapauksessa he sanovat, että substituentilla on positiivinen induktiivinen vaikutus (+ minä) (on elektronin luovuttaja).
Joten substituentit + minä-vaikutus on tyydyttyneitä hiilivetyradikaaleja. Samaan aikaan lauseke + minä-vaikutus lisääntyy hiilivetyradikaalin pidentyessä:
–CH3, –C2H5, –C3H7, –C4H9
On huomattava, että eri valenssitiloissa olevilla hiiliatomeilla on myös erilainen elektronegatiivisuus. Sp 2 -hybridisoituneessa tilassa olevilla hiiliatomeilla on suurempi elektronegatiivisuus verrattuna sp 2 -hybridisoituneessa tilassa oleviin hiiliatomeihin, jotka puolestaan ovat elektronegatiivisempia kuin sp 3 -hybridisoidussa tilassa olevat hiiliatomit.
Mesomeerinen vaikutus (M), tai konjugaatiovaikutus, on konjugoitujen π-sidosten järjestelmän kautta välittyneen substituentin vaikutus.
Mesomeerisen vaikutuksen merkki määräytyy samalla periaatteella kuin induktiivisen vaikutuksen merkki. Jos substituentti lisää elektronitiheyttä konjugoidussa järjestelmässä, sillä on positiivinen mesomeerinen vaikutus (+ M) ja se luovuttaa elektroneja. Kaksoishiili-hiilisidoksilla ja substituenteilla, jotka sisältävät yksinäisen elektroniparin: -NH 2 , -OH, halogeeneilla on positiivinen mesomeerinen vaikutus.
Negatiivinen mesomeerinen vaikutus (- M) sisältävät substituentteja, jotka poistavat elektronitiheyden konjugoidusta järjestelmästä, kun taas elektronitiheys järjestelmässä pienenee.
Seuraavilla ryhmillä on negatiivinen mesomeerinen vaikutus:
–NO 2, –COOH, –SO 3H, -COH, >C=O
Johtuen molekyylin mesomeeristen ja induktiivisten vaikutusten aiheuttamasta elektronitiheyden uudelleenjakautumisesta joihinkin atomeihin ilmestyy osittaisia positiivisia tai negatiivisia varauksia, mikä heijastuu aineen kemiallisiin ominaisuuksiin.
Graafisesti mesomeerinen vaikutus esitetään kaarevalla nuolella, joka alkaa elektronitiheyden keskeltä ja päättyy siihen, missä elektronitiheys siirtyy. Esimerkiksi vinyylikloridimolekyylissä mesomeerinen vaikutus tapahtuu, kun klooriatomin yksinäinen elektronipari yhdistyy hiiliatomien välisen π-sidoksen elektronien kanssa. Siten tämän seurauksena klooriatomiin ilmaantuu osittainen positiivinen varaus ja liikkuva π-elektronipilvi elektroniparin vaikutuksesta siirtyy kohti ulointa hiiliatomia, johon syntyy osittainen negatiivinen varaus. tulos:
Jos molekyylissä on vuorottelevat yksittäis- ja kaksoissidokset, niin molekyylin sanotaan sisältävän konjugoidun π-elektronijärjestelmän. Mielenkiintoinen omaisuus Tällainen järjestelmä on, että sen mesomeerinen vaikutus ei haalistu.
Molekyylin kemiallinen rakenne edustaa hänen tyypillisimpiä ja ainutlaatuisimpia piirteitään, koska se määrittelee hänet yleiset ominaisuudet(mekaaninen, fysikaalinen, kemiallinen ja biokemiallinen). Mikä tahansa muutos molekyylin kemiallisessa rakenteessa aiheuttaa muutoksia sen ominaisuuksissa. Jos yhteen molekyyliin tehdään pieniä rakenteellisia muutoksia, sen ominaisuuksissa tapahtuu pieniä muutoksia (yleensä vaikuttavia fysikaaliset ominaisuudet), jos molekyylissä on tapahtunut perusteellisia rakenteellisia muutoksia, sen ominaisuudet (erityisesti kemialliset) muuttuvat perusteellisesti.
Esimerkiksi alfa-aminopropionihapolla (alfa-alaniinilla) on seuraava rakenne:
Alfa-alaniini Mitä näemme:
- Tiettyjen atomien läsnäolo (C, H, O, N),
- tietty määrä jokaiseen luokkaan kuuluvia atomeja, jotka ovat sitoutuneet tietyssä järjestyksessä;
Kaikki nämä suunnitteluominaisuudet määräävät koko sarja Alfa-alaniinin ominaisuudet, kuten: kiinteä aggregaatio, kiehumispiste 295 °C, vesiliukoisuus, optinen aktiivisuus, aminohappojen kemialliset ominaisuudet jne.
Kun aminoryhmä on sitoutunut toiseen hiiliatomiin (eli pieni rakenteellinen muutos on tapahtunut), joka vastaa beeta-alaniinia:
Beeta-alaniini Yleiset kemialliset ominaisuudet säilyvät edelleen aminohapoille tyypillisinä, mutta kiehumispiste on jo 200 °C eikä optista aktiivisuutta ole.
Jos esimerkiksi kaksi atomia tässä molekyylissä on yhdistetty N-atomilla seuraavassa järjestyksessä (syvä rakennemuutos):
sitten muodostunut aine - 1-nitropropaani, sen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, on täysin erilainen kuin aminohapot: 1-nitro-propaani on keltainen neste, jonka kiehumispiste on 131 ° C, liukenematon veteen.
Siten, rakenteen ja omaisuuden suhde voit kuvata tunnetun rakenteen omaavan aineen yleisiä ominaisuuksia ja päinvastoin, voit löytää aineen kemiallisen rakenteen, kun tiedät sen yleiset ominaisuudet.
Orgaanisten yhdisteiden rakenteen teorian yleiset periaatteet
Orgaanisen yhdisteen rakenteen määrittämisen ydin on seuraavat periaatteet, jotka syntyvät niiden rakenteen ja ominaisuuksien välisestä suhteesta:
a) analyyttisesti puhtaina orgaanisilla aineilla on sama koostumus niiden valmistusmenetelmästä riippumatta;
b) orgaanisilla aineilla on analyyttisesti puhtaissa olomuodoissa pysyviä fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia;
c) orgaanisilla aineilla, joiden koostumus ja ominaisuudet ovat vakiot, on vain yksi ainutlaatuinen rakenne.
Vuonna 1861 suuri venäläinen tiedemies A. M. Butlerov artikkelissaan "Aineen kemiallisesta rakenteesta" paljasti teorian perusajatuksen kemiallinen rakenne, joka koostuu orgaanisen aineen atomien yhdistämismenetelmän vaikutuksesta sen ominaisuuksiin. Hän tiivisti kaikki tuolloin saatavilla olevat tiedot ja ajatukset rakenteesta kemialliset yhdisteet orgaanisten yhdisteiden rakenteen teoriassa.
A. M. Butlerovin teorian tärkeimmät määräykset
voidaan tiivistää seuraavasti:
- Orgaanisen yhdisteen molekyylissä atomit liittyvät tietyssä järjestyksessä, mikä määrittää sen rakenteen.
- Orgaanisten yhdisteiden hiiliatomin valenssi on neljä.
- Samalla molekyylikoostumuksella on useita vaihtoehtoja tämän molekyylin atomien yhdistämiseksi toisiinsa. Tällaisia yhdisteitä, joilla oli sama koostumus, mutta erilaiset rakenteet, kutsuttiin isomeereiksi, ja samanlainen ilmiö - isomerismi.
- Kun tietää orgaanisen yhdisteen rakenteen, voidaan ennustaa sen ominaisuuksia; Orgaanisen yhdisteen ominaisuudet tuntemalla voidaan ennustaa sen rakenne.
- Molekyylin muodostavat atomit ovat keskinäisen vaikutuksen alaisia, mikä määrää niiden reaktiivisuuden. Suoraan sitoutuneilla atomeilla on suurempaa vaikutusvaltaa toisiinsa, atomien, jotka eivät ole suoraan yhteydessä toisiinsa, vaikutus on paljon heikompi.
Opiskelija A.M. Butlerova - V. V. Markovnikov jatkoi atomien keskinäisen vaikutuksen tutkimista, mikä heijastui vuonna 1869 hänen väitöskirjassaan "Materiaalit atomien keskinäisestä vaikutuksesta kemiallisissa yhdisteissä".
Kiitos A.M. Butlerov ja kemiallisen rakenteen teorian merkitys on erittäin suuri kemiallisen synteesin kannalta. On avautunut mahdollisuus ennustaa orgaanisten yhdisteiden perusominaisuuksia ja ennakoida niiden synteesireittejä. Kemiallisen rakenteen teorian ansiosta kemistit arvostivat ensin molekyyliä järjestetyksi järjestelmäksi, jossa oli tiukka atomien välisten sidosten järjestys. Ja tällä hetkellä Butlerovin teorian pääsäännökset ovat muutoksista ja selvennyksistä huolimatta nykyaikaisten orgaanisen kemian teoreettisten käsitteiden taustalla.
Luokat,Kemiallinen luonne orgaaniset yhdisteet, ominaisuudet, jotka erottavat ne epäorgaanisista yhdisteistä, sekä niiden monimuotoisuus selitettiin Butlerovin vuonna 1861 laatimassa kemiallisen rakenteen teoriassa (ks. § 38).
Tämän teorian mukaan yhdisteiden ominaisuudet määräytyvät niiden laadullisen ja kvantitatiivisen koostumuksen, kemiallisen rakenteen, eli molekyylin muodostavien atomien välisen kytkentäjärjestyksen ja keskinäisen vaikutuksen perusteella. Orgaanisten yhdisteiden rakenteen teoria, jota on kehitetty ja täydennetty uusimmilla näkemyksillä atomien ja molekyylien kemian ja fysiikan alalta, erityisesti ajatuksella molekyylien tilarakenteesta, kemiallisten sidosten luonteesta ja atomien ja molekyylien keskinäisen vaikutuksen luonteesta. atomeja, muodostaa teoreettinen perusta orgaaninen kemia.
IN moderni teoria orgaanisten yhdisteiden rakenne perustuu seuraaviin periaatteisiin.
1. Kaikki orgaanisten yhdisteiden ominaisuudet määräytyvät ennen kaikkea hiilen ominaisuuksien perusteella.
Hiilen jaksollisessa taulukossa olevan paikan mukaan sen atomin (-kuori) uloimmassa elektronikerroksessa on neljä elektronia. Se ei osoita selvää taipumusta luovuttaa tai hankkia elektroneja, tässä suhteessa se on metallien ja ei-metallien välissä ja sille on ominaista selvä kyky muodostaa kovalenttisia sidoksia. Hiiliatomin ulomman elektronikerroksen rakenne voidaan esittää seuraavilla kaavioilla:
Herätetty hiiliatomi voi osallistua neljän kovalenttisen sidoksen muodostumiseen. Siksi suurimmassa osassa sen yhdisteistä hiilen kovalenttisuus on neljä.
Siten yksinkertaisimman orgaanisen yhdisteen, hiilivetymetaanin, koostumus on . Sen rakenne voidaan kuvata rakennekaavoilla (a) tai elektronirakenteellisilla (tai elektronisilla) (b) kaavoilla:
Elektroninen kaava osoittaa, että metaanimolekyylin hiiliatomilla on vakaa kahdeksan elektronin ulkokuori (elektronioktetti) ja vetyatomeilla on vakaa kahden elektronin kuori (elektronidubletti).
Kaikki neljä kovalenttista hiilisidosta metaanissa (ja muissa vastaavissa yhdisteissä) ovat ekvivalentteja ja symmetrisesti suunnattuja avaruudessa. Hiiliatomi sijaitsee ikään kuin tetraedrin keskustassa (säännöllinen tetraedrinen pyramidi) ja neljä siihen liittyvää atomia (metaanin tapauksessa neljä atomia tetraedrin huipuissa (kuva 120). Kulmat minkä tahansa sidosparin suuntien välillä (hiilisidoskulmat) ovat samat ja ne ovat 109° 28".
Tämä selittyy sillä, että hiiliatomissa, kun se muodostaa kovalenttisia sidoksia neljän muun atomin kanssa, yhdestä s- ja kolmesta p-orbitaalista muodostuu -hybridisaation seurauksena neljä hybridi-orbitaalia, jotka sijaitsevat symmetrisesti avaruudessa, pitkänomainen kohti tetraedrin kärkiä.
Riisi. 120. Metaanimolekyylin tetraedrimalli.
Riisi. 121. Kaavio -sidosten muodostumisesta metaanimolekyylissä.
Hiilen -hybridielektronipilvien limittymisen seurauksena muiden atomien elektronipilvien kanssa (metaanissa vetyatomien -elektronien pallomaisten pilvien kanssa) muodostuu neljä tetraedrisesti orientoitunutta kovalenttista -sidosta (kuva 121; katso myös s. 1). 131).
Metaanimolekyylin tetraedrirakenne ilmaistaan selvästi sen tilamalleilla - pallomaisilla (kuva 122) tai segmentaalisilla (kuva 123). Valkoiset pallot (segmentit) edustavat vetyatomeja, mustat edustavat hiiliatomeja. Pallomalli kuvaa vain atomien suhteellista spatiaalista järjestystä, segmenttimalli antaa käsityksen myös suhteellisista atomien välisistä etäisyyksistä (ytimien väliset etäisyydet. Kuten kuvasta 122 näkyy, metaanin rakennekaavaa voidaan pitää projektiona sen tilamallin piirustustasolle.
2. Hiilen poikkeuksellinen ominaisuus, joka määrää orgaanisten yhdisteiden kirjon, on sen atomien kyky liittyä vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla toisiinsa muodostaen lähes rajattoman pituisia hiiliketjuja.
Hiiliatomien valensseja, jotka eivät käyneet läpi keskinäistä yhteyttä, käytetään muiden atomien tai ryhmien kiinnittämiseen (hiilivedyissä - vedyn lisäämiseen).
Siten hiilivedyt etaani ja propaani sisältävät vastaavasti kahden ja kolmen hiiliatomin ketjuja.
Riisi. 122. Metaanimolekyylin pallomalli.
Riisi. 123. Metaanimolekyylin segmenttimalli.
Niiden rakenne ilmaistaan seuraavilla rakenne- ja elektronisilla kaavoilla:
Tunnetaan yhdisteitä, jotka sisältävät satoja tai enemmän hiiliatomeja ketjuissaan.
Hiiliketjun lisääminen yhdellä hiiliatomilla johtaa koostumuksen kasvuun ryhmäkohtaisesti. Tällainen määrällinen muutos koostumuksessa johtaa uuteen yhdisteeseen, jolla on hieman erilaiset ominaisuudet, ts. se on jo laadullisesti erilainen kuin alkuperäinen yhdiste; yhteyksien yleinen luonne kuitenkin säilyy. Joten hiilivetyjen metaanin, etaanin, propaanin lisäksi on butaania, pentaania jne. Siten valtavasta valikoimasta orgaanisia aineita voidaan tunnistaa sarja samankaltaisia yhdisteitä, joissa jokainen seuraava jäsen eroaa edellisestä ryhmä. Tällaisia sarjoja kutsutaan homologisiksi sarjoiksi, niiden jäsenet ovat keskenään homologeja ja tällaisten sarjojen olemassaoloa kutsutaan homologian ilmiöksi.
Näin ollen hiilivedyt metaani, vaihe, propaani, butaani jne. ovat homologeja samasta sarjasta, jota kutsutaan tyydyttyneiden eli tyydyttyneiden hiilivetyjen (alkaanien) sarjaksi tai ensimmäisen edustajan mukaan metaanisarjaksi.
Hiilisidosten tetraedrisen orientaation vuoksi sen ketjuun sisältyvät atomit eivät sijaitse suorassa linjassa, vaan siksak-kuviossa, ja atomien mahdollisuudesta pyöriä sidosakselin ympäri, ketju avaruudessa voi ottaa eri muotoja (konformaatioita):
Tämä ketjujen rakenne mahdollistaa terminaalisen (b) tai muiden ei-viereisten hiiliatomien (c) lähentymisen; Näiden atomien välisten sidosten muodostumisen seurauksena hiiliketjut voivat sulkeutua renkaiksi (sykleiksi), esimerkiksi:
Orgaanisten yhdisteiden monimuotoisuuden määrää siis myös se, että samalla määrällä hiiliatomeja molekyylissä ovat mahdollisia yhdisteet, joissa on avoin, avoin hiiliatomiketju, sekä aineet, joiden molekyylit sisältävät syklejä (sykliset yhdisteet) .
3. Yhden yleistettyjen elektronien muodostamien hiiliatomien välisiä kovalenttisia sidoksia kutsutaan yksinkertaisiksi (tai tavallisiksi) sidoksiksi.
Hiiliatomien välisen sidoksen voi suorittaa ei yksi, vaan kaksi tai kolme yhteistä elektroniparia. Sitten saamme ketjuja, joissa on useita - kaksois- tai kolmoissidoksia; Nämä liitännät voidaan kuvata seuraavasti:
Yksinkertaisimpia yhdisteitä, jotka sisältävät useita sidoksia, ovat hiilivedyt eteeni (kaksoissidoksella) ja asetyleeni (kolmoissidoksella):
Hiilivetyjä, joissa on useita sidoksia, kutsutaan tyydyttymättömiksi tai tyydyttymättömiksi. Eteeni ja asetyleeni ovat ensimmäiset edustajat kahdesta homologisesta sarjasta - eteenin ja asetyleenin hiilivedyistä.
Riisi. 124. Kaavio -sidosten muodostumisesta etaanimolekyylissä.
Yksinkertainen kovalenttinen sidos (tai C:C), joka muodostuu kahden -hybridielektronipilven päällekkäisyydestä atomien keskipisteitä yhdistävää linjaa pitkin (sidosakselia pitkin), kuten esimerkiksi etaanissa (kuva 124), on -obligaatio (katso § 42). Sidokset ovat myös -sidoksia - ne muodostuvat C-atomin -hybridipilven ja H-atomin -elektronin pallomaisen pilven sidosakselin limittymisestä.
Useiden hiili-hiilisidosten luonne on hieman erilainen. Siten eteenimolekyylissä, kun kuhunkin hiiliatomiin muodostuu kovalenttinen kaksoissidos (tai), yksi -orbitaali ja vain kaksi p-orbitaalia (-hybridisaatio) osallistuvat hybridisaatioon; yksi kunkin C-atomin p-orbitaaleista ei hybridisoitu. Tämän seurauksena muodostuu kolme -hybridielektronipilveä, jotka osallistuvat kolmen -sidoksen muodostumiseen. Etyleenimolekyylissä on yhteensä viisi sidosta (neljä ja yksi); ne kaikki sijaitsevat samassa tasossa noin 120° kulmassa toisiinsa nähden (kuva 125).
Siten yksi sidoksen elektronipareista suorittaa -sidoksen, ja toinen muodostuu p-elektroneista, jotka eivät osallistu hybridisaatioon; niiden pilvet säilyttävät tilavuuskuvion kahdeksan muodon, ovat kohtisuorassa siihen tasoon nähden, jossa -sidokset sijaitsevat, ja limittyvät tämän tason ylä- ja alapuolella (kuva 126) muodostaen -sidoksen (katso § 42).
Riisi. 125. Kaavio -sidosten muodostumisesta eteenimolekyylissä.
Riisi. 126. Kaavio -sidoksen muodostumisesta eteenimolekyylissä.
Siksi kaksoissidos C = C on yhden ja yhden sidoksen yhdistelmä.
Kolmoissidos (tai ) on yhden sidoksen ja kahden sidoksen yhdistelmä. Esimerkiksi kun asetyleenimolekyyli muodostuu jokaiseen hiiliatomiin, hybridisaatioon osallistuu yksi -orbitaali ja vain yksi p-orbitaali (-hybridisaatio); Tämän seurauksena muodostuu kaksi -hybridielektronipilveä, jotka osallistuvat kahden -sidoksen muodostumiseen. Jokaisen C-atomin kahden p-elektronin pilvet eivät hybridisoidu, säilyttävät konfiguraationsa ja osallistuvat kahden -sidoksen muodostumiseen. Siten asetyleenissä on vain kolme -sidosta (yksi ja kaksi), jotka on suunnattu yhtä suoraa pitkin, ja kaksi -sidosta, jotka on suunnattu kahteen keskenään kohtisuorat tasot(Kuva 127).
Useat (eli kaksois- ja kolmoissidokset) muuttuvat helposti yksinkertaisiksi sidoksiksi reaktioiden aikana; kolmoisosa muuttuu ensin tuplaksi ja viimeinen yksinkertaiseksi. Tämä johtuu niiden korkeasta reaktiivisuudesta ja tapahtuu, kun mitä tahansa atomeja lisätään hiiliatomien pariin, joka on yhdistetty moninkertaisella sidoksella.
Useiden sidosten muuttuminen yksinkertaisiksi selittyy sillä, että yleensä - sidoksilla on vähemmän lujuutta ja siten suurempi labilisuus kuin - sidoksilla. Kun β-sidoksia muodostuu, p-elektronipilvet, joilla on yhdensuuntaiset akselit, menevät päällekkäin paljon vähemmän kuin elektronipilvet, jotka limittyvät sidosakselia pitkin (eli hybridi-, β-elektroni- tai sidosakseliin suuntautuneet p-elektronipilvet).
Riisi. 127. Kaavio -sidosten muodostumisesta asetyleenimolekyylissä.
Riisi. 128. Etyleenimolekyylin mallit: a - pallomainen; b - segmentaalinen.
Useat sidokset ovat vahvempia kuin yksinkertaiset. Siten sidoksen katkaisemisen energia on vain , sidoksia ja sidoksia.
Yllä olevasta seuraa, että kaavoissa kaksi viivaa kolmesta yhteydessä ja yksi viiva kahdesta yhteydessä ilmaisevat yhteyksiä, jotka ovat vähemmän vahvoja kuin yksinkertainen yhteys.
Kuvassa 128 ja 129 esittävät pallomaisia ja segmentoituja spatiaalisia malleja yhdisteistä, joissa on kaksoissidoksia (eteeni) ja kolmoissidoksia (asetyleeni).
4. Rakenneteoria selitti lukuisia isomeriatapauksia orgaanisissa yhdisteissä.
Hiiliatomien ketjut voivat olla suoria tai haarautuneita:
Siten koostumuksessa on kolme tyydyttynyttä hiilivetyä (pentaania). erilainen rakenne ketjut - yksi haaroittumaton ketju (normaali rakenne) ja kaksi haaraketjuista (isorakenne):
Koostumuksessa on kolme tyydyttymätöntä hiilivetyä, joista kaksi on normaalirakenteisia, mutta isomeerisiä kaksoissidoksen asennossa ja yksi isorakenne:
Riisi. 129. Asetyleenimolekyylin mallit: pallomainen; b - segmentaalinen.
Nämä tyydyttymättömät yhdisteet ovat kahden syklisen hiilivedyn isomeerejä, joilla on myös koostumus ja jotka ovat isomeerisiä toisilleen syklin koon suhteen:
Samalla koostumuksella yhdisteet voivat erota rakenteeltaan hiiliketjun ja muiden ei-hiiliatomien eri asemien vuoksi, esimerkiksi:
Isomerismi ei voi johtua vain atomien erilaisesta kytkentäjärjestyksestä. Tunnetaan useita spatiaalisen isomerian tyyppejä (stereoisometria), joka koostuu siitä, että vastaavat isomeerit (stereoisomeerit), joilla on sama koostumus ja atomien liittymisjärjestys, eroavat toisistaan atomien (tai atomiryhmien) eri järjestelyissä avaruudessa.
Siten, jos yhdiste sisältää hiiliatomin, joka on sitoutunut neljään eri atomiin tai atomiryhmään (epäsymmetrinen atomi), tällaisen yhdisteen kaksi spatiaalisesti isomeeristä muotoa ovat mahdollisia. Kuvassa Kuvassa 130 on kaksi tetraedristä maitohapon mallia, joissa epäsymmetrinen hiiliatomi (merkitty kaavassa tähdellä) sijaitsee tetraedrin keskellä. On helppo nähdä, että näitä malleja ei voi yhdistää avaruudessa: ne on rakennettu peilimäisiksi ja heijastavat kahden eri aineen molekyylien avaruudellista konfiguraatiota. tässä esimerkissä maitohapot), jotka eroavat joistakin fysikaalisista ja pääasiassa biologisista ominaisuuksista. Tällaista isomeriaa kutsutaan peilistereoisomeriksi, ja vastaavia isomeerejä kutsutaan peili-isomeereiksi.
Riisi. 130. Maitohapon peiliisomeerien molekyylien tetraedrimallit.
Peili-isomeerien avaruudellisen rakenteen ero voidaan esittää myös rakennekaavoilla, jotka osoittavat atomiryhmien erilaisen järjestyksen epäsymmetrisessä atomissa; esimerkiksi kuvassa näytetyille. 130 maitohapon peilikuva-isomeeriä:
Kuten jo osoitettiin, hiiliatomit; yhdistetty kaksoissidoksella, sijaitsevat samassa tasossa neljän sidoksen kanssa, jotka yhdistävät ne muihin atomeihin; näiden liitosten suuntien väliset kulmat ovat suunnilleen samat (kuva 126). Kun kuhunkin hiiliatomiin on liittynyt eri atomeja tai ryhmiä kaksoissidoksessa, niin kutsuttu geometrinen stereoisomeria tai cis-trans-isomeria on mahdollista. Esimerkkinä ovat dikloorieteenin spatiaaliset geometriset isomeerit
Yhden isomeerin molekyyleissä klooriatomit sijaitsevat kaksoissidoksen toisella puolella ja toisen molekyyleissä - vastakkaisilla puolilla. Ensimmäistä konfiguraatiota kutsutaan cis-konfiguraatioksi, toista - trans-konfiguraatioksi. Geometriset isomeerit eroavat toisistaan fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien osalta.
Niiden olemassaolo johtuu siitä, että kaksoissidos sulkee pois mahdollisuuden kytkeytyneiden atomien vapaaseen pyörimiseen sidosakselin ympäri (sellainen pyöriminen vaatii -sidoksen katkaisemisen; katso kuva 126).
5. Keskinäinen vaikutus orgaanisten aineiden molekyyleissä ilmenee ensisijaisesti atomeilla, jotka ovat suoraan yhteydessä toisiinsa. Tässä tapauksessa sen määrää hahmo kemiallinen sidos niiden välillä, niiden suhteellisen elektronegatiivisuuden eron aste ja siten sidoksen polariteettiaste.
Esimerkiksi yhteenvetokaavojen perusteella päätellen metaanimolekyylissä ja metyylialkoholimolekyylissä kaikilla neljällä vetyatomilla pitäisi olla samat ominaisuudet. Mutta kuten myöhemmin osoitetaan, metyylialkoholissa yksi vetyatomeista voidaan korvata alkalimetallilla, kun taas metaanissa vetyatomit eivät osoita tätä kykyä. Tämä selittyy sillä, että alkoholissa vetyatomi ei ole sitoutunut suoraan hiileen, vaan happeen
Annetuissa rakennekaavoissa sidosviivojen nuolet osoittavat tavanomaisesti muodostuvien elektroniparien siirtymistä kovalenttinen sidos, johtuen atomien erilaisesta elektronegatiivisuudesta. Metaanissa tällainen sidoksen siirtymä on pieni, koska hiilen elektronegatiivisuus (2.5) ylittää vain vähän vedyn elektronegatiivisuuden taulukossa. 6, s. 118). Tässä tapauksessa metaanimolekyyli on symmetrinen. Alkoholimolekyylissä sidos on merkittävästi polarisoitunut, koska happi (elektronegatiivisuus 3,5) houkuttelee elektroniparia paljon enemmän; siksi happiatomiin liittynyt vetyatomi saa suuremman liikkuvuuden, eli se on helpompi irrottaa protonin muodossa.
Orgaanisissa molekyyleissä on tärkeää myös niiden atomien keskinäinen vaikutus, jotka eivät ole suoraan yhteydessä toisiinsa. Siten metyylialkoholissa hapen vaikutuksesta ei vain happeen liittyvän vetyatomin reaktiivisuus kasvaa, vaan myös niiden vetyatomien reaktiivisuus, jotka eivät ole suoraan yhteydessä happeen, mutta liittyvät hiileen. Tästä johtuen metyylialkoholi hapettuu melko helposti, kun taas metaani kestää suhteellisen hapettavia aineita. Tämä selittyy sillä, että hydroksyyliryhmän happi houkuttelee merkittävästi elektroniparia itseensä sidoksessa, joka yhdistää sen hiileen, jolla on pienempi elektronegatiivisuus.
Tämän seurauksena hiiliatomin tehollinen varaus muuttuu positiivisemmaksi, mikä aiheuttaa elektroniparien lisäsiirtymän myös metyylialkoholin sidoksissa verrattuna samoihin sidoksiin metaanimolekyylissä. Hapettavien aineiden vaikutuksesta samaan hiiliatomiin sitoutuneet H-atomit, johon OH-ryhmä on sitoutunut, irtoavat paljon helpommin kuin hiilivedyissä ja yhdistyvät hapen kanssa muodostaen vettä. Tässä tapauksessa OH-ryhmään liittyvä hiiliatomi hapettuu edelleen (ks. § 171).
Niiden atomien keskinäinen vaikutus, jotka eivät ole suoraan yhteydessä toisiinsa, voivat siirtyä huomattavan matkan päähän hiiliatomien ketjua pitkin, ja se selittyy elektronipilvien tiheyden muutoksella koko molekyylissä atomien tai elektronegatiivisuuden omaavien ryhmien vaikutuksesta. läsnä siinä. Keskinäinen vaikutus voi siirtyä myös molekyyliä ympäröivän tilan kautta, mikä johtuu lähestyvien atomien päällekkäisistä elektronipilvestä.
Aihe: A. M. Butlerovin orgaanisten yhdisteiden rakenteen teorian perusperiaatteet.
A. M. Butlerovin viime vuosisadan toisella puoliskolla (1861) esittämä teoria orgaanisten yhdisteiden kemiallisesta rakenteesta vahvistettiin monien tutkijoiden, mukaan lukien Butlerovin oppilaiden ja hänen itsensä, teoksilla. Sen perusteella osoittautui mahdolliseksi selittää monia ilmiöitä, joita ei ollut vielä tulkittu: homologiaa, neliarvoisuuden ilmentymistä orgaanisten aineiden hiiliatomien avulla. Teoria täytti myös ennustustehtävänsä: sen perusteella tiedemiehet ennustivat vielä tuntemattomien yhdisteiden olemassaolon, kuvasivat niiden ominaisuuksia ja löysivät ne. Siis vuosina 1862-1864. A. M. Butlerov tutki propyyli-, butyyli- ja amyylialkoholeja, määritti mahdollisten isomeerien lukumäärän ja johti näiden aineiden kaavat. Niiden olemassaolo todistettiin myöhemmin kokeellisesti, ja Butlerov itse syntetisoi osan isomeereistä.
1900-luvun aikana. kemiallisten yhdisteiden kemiallisen rakenteen teorian säännökset kehitettiin tieteessä levinneiden uusien näkemysten pohjalta: atomien rakenneteoria, kemiallisten sidosten teoria, ajatukset mekanismeista. kemiallisia reaktioita. Tällä hetkellä tämä teoria on universaali, eli se pätee paitsi orgaanisille aineille myös epäorgaanisille aineille.
Ensimmäinen sijoitus. Molekyylien atomit yhdistetään tietyssä järjestyksessä niiden valenssin mukaan. Kaikissa orgaanisissa ja useimmissa epäorgaanisissa yhdisteissä oleva hiili on neliarvoista.
Ilmeisesti teorian ensimmäisen aseman viimeinen osa on helposti selitettävissä sillä, että yhdisteissä hiiliatomit ovat virittyneessä tilassa:
Tetravalentit hiiliatomit voivat yhdistyä keskenään muodostaen erilaisia ketjuja:
Hiiliatomien yhdistämisjärjestys molekyyleissä voi olla erilainen ja riippuu hiiliatomien välisen kovalenttisen kemiallisen sidoksen tyypistä - yksi tai useampi (kaksois- ja kolminkertainen):
Tämä tilanne selittää ilmiön.
Aineita, joilla on sama koostumus, mutta erilaiset kemialliset tai tilarakenteet ja siten erilaiset ominaisuudet, kutsutaan isomeereiksi.
Päätyypit:
Rakenteellinen isomerismi, jossa aineet eroavat molekyyleissä olevien atomien sitoutumisjärjestyksessä: hiilirunko
Kolmas sijoitus. Aineiden ominaisuudet riippuvat molekyyleissä olevien atomien keskinäisestä vaikutuksesta.
Esimerkiksi etikkahapossa vain yksi neljästä vetyatomista reagoi alkalin kanssa. Tämän perusteella voidaan olettaa, että vain yksi vetyatomi on sitoutunut happeen:
Toisaalta etikkahapon rakennekaavasta voimme päätellä, että se sisältää yhden liikkuvan vetyatomin, eli että se on yksiemäksinen.Kemiallisten yhdisteiden rakenteen teorian pääkehityssuunnat ja sen merkitys.
A. M. Butlerovin aikana orgaanista kemiaa käytettiin laajalti
empiirinen (molekyylinen) ja rakennekaavat. Jälkimmäiset heijastavat atomien liittymisjärjestystä molekyylissä niiden valenssin mukaan, joka on merkitty viivoilla.
Kirjaamisen helpottamiseksi käytetään usein lyhennettyjä rakennekaavoja, joissa viivat osoittavat vain hiiliatomien tai hiilen ja hapen välisiä sidoksia.
Ja kuidut, joista valmistettuja tuotteita käytetään tekniikassa, jokapäiväisessä elämässä, lääketieteessä, maataloudessa. A. M. Butlerovin kemiallisen rakenteen teorian merkitystä orgaaniselle kemialle voidaan verrata merkitykseen jaksollinen laki Ja Jaksotaulukko D.I. Mendelejevin kemialliset elementit epäorgaaniseen kemiaan. Ei ole turhaa, että molemmilla teorioilla on niin paljon yhteistä muodostumistavoissa, kehityssuunnissa ja yleisessä tieteellisessä merkityksessä.