Все вещества, которые содержат углеродный атом, помимо карбонатов, карбидов, цианидов, тиоционатов и угольной кислоты, представляют собой органические соединения. Это значит, что они способны создаваться живыми организмами из атомов углерода посредством ферментативных или прочих реакций. На сегодняшний день многие органические вещества можно синтезировать искусственно, что позволяет развивать медицину и фармакологию, а также создавать высокопрочные полимерные и композитные материалы.
Классификация органических соединений
Органические соединения являются самым многочисленным классом веществ. Здесь присутствует порядка 20 видов веществ. Они различны по химическим свойствам, отличаются физическими качествами. Их температура плавления, масса, летучесть и растворимость, а также агрегатное состояние при нормальных условиях также различны. Среди них:
- углеводороды (алканы, алкины, алкены, алкадиены, циклоалканы, ароматические углеводороды);
- альдегиды;
- кетоны;
- спирты (двухатомные, одноатомные, многоатомные);
- простые эфиры;
- сложные эфиры;
- карбоновые кислоты;
- амины;
- аминокислоты;
- углеводы;
- жиры;
- белки;
- биополимеры и синтетические полимеры.
Данная классификация отражает особенности химического строения и наличие специфических атомных групп, определяющих разность свойств того или иного вещества. В общем виде классификация, в основе которой лежит конфигурация углеродного скелета, не учитывающая особенностей химических взаимодействий, выглядит по-другому. Соответственно ее положениям, органические соединения делятся на:
- алифатические соединения;
- ароматические вещества;
- гетероциклические вещества.
Данные классы органических соединений могут иметь изомеры в разных группах веществ. Свойства изомеров различны, хотя их атомный состав может быть одинаковым. Это вытекает из положений, заложенных А. М. Бутлеровым. Также теория строения органических соединений является руководящей основой при проведении всех исследований в органической химии. Ее ставят на один уровень с менделеевским Периодическим законом.
Само понятие о химическом строении ввел А. М. Бутлеров. В истории химии оно появилось 19 сентября 1861 года. Ранее в науке существовали различные мнения, а часть ученых вовсе отрицало наличие молекул и атомов. Потому в органической и неорганической химии не было никакого порядка. Более того, не существовало закономерностей, по которым можно было судить о свойствах конкретных веществ. При этом были и соединения, которые при одинаковом составе проявляли разные свойства.
Утверждения А. М. Бутлерова во многом направили развитие химии в нужное русло и создали для нее прочнейший фундамент. Посредством нее удалось систематизировать накопленные факты, а именно, химические или же физические свойства некоторых веществ, закономерности вступления их в реакции и прочее. Даже предсказание путей получения соединений и наличие некоторых общих свойств стало возможным благодаря данной теории. А главное, А. М. Бутлеров показал, что структуру молекулы вещества можно объяснить с точки зрения электрических взаимодействий.
Логика теории строения органических веществ
Поскольку до 1861 года в химии многие отвергали существование атома или же молекулы, то теория органических соединений стала революционным предложением для ученого мира. И поскольку сам Бутлеров А. М. исходит лишь из материалистических умозаключений, то ему удалось опровергнуть философские представления об органике.
Ему удалось показать, что молекулярное строение можно распознать опытным путем посредством химических реакций. К примеру, состав любого углевода можно выяснить посредством сжигания его определенного количества и подсчета образовавшейся воды и углекислого газа. Количество азота в молекуле амина подсчитывается также при сжигании путем измерения объема газов и выделения химического количества молекулярного азота.
Если рассматривать суждения Бутлерова о химическом строении, зависящем от структуры, в обратном направлении, то напрашивается новый вывод. А именно: зная химическое строение и состав вещества, можно эмпирически предположить его свойства. Но самое главное - Бутлеров объяснил, что в органике встречается огромное количество веществ, проявляющих разные свойства, но имеющие одинаковый состав.
Общие положения теории
Рассматривая и исследуя органические соединения, Бутлеров А. М. вывел некоторые важнейшие закономерности. Он объединил их в положения теории, объясняющей строение химических веществ органического происхождения. Положения теории таковы:
- в молекулах органических веществ атомы соединены между собой в строго определенной последовательности, которая зависит от валентности;
- химическое строение - это непосредственный порядок, согласно которому соединены атомы в органических молекулах;
- химическое строение обуславливает наличие свойств органического соединения;
- в зависимости от строения молекул с одинаковым количественным составом возможно появление различных свойств вещества;
- все атомные группы, участвующие в образовании химического соединения, имеют взаимное влияние друг на друга.
Все классы органических соединений построены согласно принципам данной теории. Заложив основы, Бутлеров А. М. смог расширить химию как область науки. Он пояснил, что благодаря тому, что в органических веществах углерод проявляет валентность равную четырем, обуславливается многообразие данные соединений. Наличие множества активных атомных групп определяет принадлежность вещества к определенному классу. И именно за счет наличия специфических атомных групп (радикалов) появляются физические и химические свойства.
Углеводороды и их производные
Данные органические соединения углерода и водорода являются самыми простыми по составу среди всех веществ группы. Они представлены подклассом алканов и циклоалканов (насыщенных углеводородов), алкенов, алкадиенов и алкатриенов, алкинов (непредельных углеводородов), а также подклассом ароматических веществ. В алканах все атомы углерода соединены только одинарной С-С связью, из-за чего в состав углеводорода уже не может быть встроен ни один атом Н.
В непредельных углеводородах водород может встраиваться по месту наличия двойной С=С связи. Также С-С связь может быть тройной (алкины). Это позволяет данным веществам вступать во множество реакций, связанных с восстановлением или присоединением радикалов. Все остальные вещества для удобства изучения их способности вступать в реакции рассматриваются как производные одного из классов углеводородов.
Спирты
Спиртами называются более сложные, чем углеводороды органические химические соединения. Они синтезируются в результате протекания ферментативных реакций в живых клетках. Самым типичным примером является синтез этанола из глюкозы в результате брожения.
В промышленности спирты получают из галогеновых производных углеводородов. В результате замещения галогенового атома на гидроксильную группу и образуются спирты. Одноатомные спирты содержат лишь одну гидроксильную групп, многоатомные - две и более. Примером двухатомного спирта является этиленгликоль. Многоатомный спирт - это глицерин. Общая формула спиртов R-OH (R - углеродная цепь).
Альдегиды и кетоны
После того как спирты вступают в реакции органических соединений, связанные с отщеплением водорода от спиртовой (гидроксильной) группы, замыкается двойная связь между кислородом и углеродом. Если данная реакция проходит по спиртовой группе, расположенной у концевого углеродного атома, то в результате ее образуется альдегид. Если углеродный атом со спиртовой расположен не на конце углеродной цепи, то результатом реакции дегидратации является получение кетона. Общая формула кетонов - R-CO-R, альдегидов R-COH (R - углеводородный радикал цепи).
Эфиры (простые и сложные)
Химическое строение органических соединений данного класса усложненное. Простые эфиры рассматриваются как продукты реакции между двумя молекулами спиртов. При отщеплении воды от них образуется соединение образца R-O-R. Механизм реакции: отщепление протона водорода от одного спирта и гидроксильной группы от другого спирта.
Сложные эфиры - продукты реакции между спиртом и органической карбоновой кислотой. Механизм реакции: отщепление воды от спиртовой и карбоновой группы обеих молекул. Водород отщепляется от кислоты (по гидроксильной группе), а сама ОН-группа отделяется от спирта. Полученное соединение изображается как R-CO-O-R, где буковой R обозначены радикалы - остальные участки углеродной цепи.
Карбоновые кислоты и амины
Карбоновыми кислотами называются особенные вещества, играющие важную роль в функционировании клетки. Химическое строение органических соединений такое: углеводородный радикал (R) с присоединенной к нему карбоксильной группой (-СООН). Карбоксильная группа может располагаться только у крайнего атома углерода, потому как валентность С в группе (-СООН) равна 4.
Амины - это более простые соединения, которые являются производными углеводородов. Здесь у любого атома углерода располагается аминный радикал (-NH2). Существуют первичные амины, у которых группа (-NH2) присоединяется к одному углероду (общая формула R-NH2). У вторичных аминов азот соединяется с двумя углеродными атомами (формула R-NH-R). У третичных аминов азот соединен с тремя углеродными атомами (R3N), где р - радикал, углеродная цепь.
Аминокислоты
Аминокислоты - комплексные соединения, которые проявляют свойства и аминов, и кислот органического происхождения. Существует несколько их видов в зависимости от расположения аминной группы по отношению к карбоксильной. Наиболее важны альфа-аминокислоты. Здесь аминная группа расположена у атома углерода, к которому присоединена карбоксильная. Это позволяет создавать пептидную связь и синтезировать белки.
Углеводы и жиры
Углеводы являются альдегидоспиртами или кетоспиртами. Это соединения с линейной или циклической структурой, а также полимеры (крахмал, целлюлоза и прочие). Их важнейшая роль в клетке - структурная и энергетическая. Жиры, а точнее липиды, выполняют те же функции, только участвуют в других биохимических процессах. С точки зрения химического строения жир является сложным эфиром органических кислот и глицерина.
Химическая природа органических соединений, свойства, отличающие их от соединений неорганических, а также их многообразие нашли объяснение в сформулированной Бутлеровым в 1861 г. теории химического строения (см. § 38).
Согласно этой теории, свойства соединений определяются их качественным и количественным составом, химическим строением, т. е. последовательным порядком соединения между собой образующих молекулу атомов, и их взаимным влиянием. Теория строения органических соединений, развитая и дополненная новейшими воззрениями в области химии и физики атомов и молекул, особенно представлениями о пространственной структуре молекул, о природе химических связей и о характере взаимного влияния атомов, составляет теоретическую основу органической химии.
В современной теории строения органических соединений основными являются следующие положения.
1. Все особенности органических соединений определяются, прежде всего, свойствами элемента углерода.
В соответствии с местом, которое углерод занимает в периодической системе, во внешнем электронном слое его атома (-оболочка) имеются четыре электрона. Он не проявляет выраженной склонности отдавать или присоединять электроны, занимает в этом отношении промежуточное положение между металлами и неметаллами и характеризуется резко выраженной способностью образовывать ковалентные связи. Структура внешнего электронного слоя атома углерода может быть представлена следующими схемами:
Возбужденный атом углерода может участвовать в образовании четырех ковалентных связей. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений углерод проявляет ковалентность, равную четырем.
Так, простейшее органическое соединение углеводород метан имеет состав . Строение его можно изобразить структурой (а) или электронно-структурной (или электронной) (б) формулами:
Электронная формула показывает, что атом углерода в молекуле метана имеет устойчивую восьмиэлектронную внешнюю оболочку (электронный октет), а атомы водорода - устойчивую двухэлектронную оболочку (электронный дублет).
Все четыре ковалентных связи углерода в метане (и в других подобных соединениях) равноценны и симметрично направлены в пространстве. Атом углерода находится как бы в центре тетраэдра (правильной четырехгранной пирамиды), а четыре соединенных с ним атома (в случае метана - четыре атома вершинах тетраэдра (рис. 120). Углы между направлениями любой пары связей (валентные углы углерода) одинаковы и составляют 109° 28".
Это объясняется тем, что в атоме углерода, когда он образует ковалентные связи с четырьмя другими атомами, из одной s- и трех р-орбиталей в результате -гибридизации образуются четыре симметрично расположенные в пространстве гибридные -орбитали, вытянутые в направлении к вершинам тетраэдра.
Рис. 120. Тетраэдрическая модель молекулы метана.
Рис. 121. Схема образования -связей в молекуле метана.
В результате перекрывания -гибридных электронных облаков углерода с электронными облаками других атомов (в метане с шаровыми облаками -электронов атомов водорода) образуются четыре тетраэдрически направленные ковалентные -связи (рис. 121; см. также стр. 131).
Тетраэдрическое строение молекулы метана наглядно выражается ее пространственными моделями - шариковой (рис. 122) или сегментовой (рис. 123). Белые шарики (сегменты) изображают атомы водорода, черные - углерода. Шариковая модель характеризует лишь взаимное пространственное расположение атомов, сегментовая - дает, кроме того, представление об относительных межатомных расстояниях (расстояниях между ядрами . Как показано на рис. 122, структурная формула метана может рассматриваться как проекция его пространственной модели на плоскость чертежа.
2. Исключительным свойством углерода, обусловливающим многообразие органических соединений, является способность его атомов соединяться прочными ковалентными связями друг с другом, образуя углеродные цепи практически неограниченной длины
Валентности атомов углерода, не пошедшие на взаимное соединение, используются для присоединения других атомов или групп (в углеводородах - для присоединения водорода).
Так, углеводороды этан и пропан содержат цепи соответственно из двух и трех атомов углерода.
Рис. 122. Шариковая модель молекулы метана.
Рис. 123. Сегментовая модель молекулы метана.
Строение их выражают следующие структурные и электронные формулы:
Известны соединения, содержащие в цепях сотни и более атомов углерода.
Наращивание углеродной цепи на один атом углерода ведет к увеличению состава на группу . Такое количественное изменение состава приводит к новому соединению, обладающему несколько иными свойствами, т. е. уже качественно отличающемуся от исходного соединения; однако общий характер соединений сохраняется. Так, кроме углеводородов метана , этана , пропана существуют бутан , пентан и т. д. Таким образом, в огромном многообразии органических веществ могут быть выделены ряды однотипных соединений, в которых каждый последующий член отличается от предыдущего на группу . Такие ряды называют гомологическими рядами, их члены по отношению друг к другу являются гомологами, а существование таких рядов называется явлением гомологии.
Следовательно, углеводороды метан, этап, пропан, бутан и т. д. - гомологи одного и того же ряда, который называют рядом предельных, или насыщенных, углеводородов (алканов) или, по первому представителю, - рядом метана.
Вследствие тетраэдрической направленности связей углерода, его атомы, входящие в цепь, располагаются не на прямой, а зигзагообразно, причем, благодаря возможности вращения атомов вокруг оси связи, цепь в пространстве может принимать различные формы (конформации):
Такая структура цепей дает возможность сближаться концевым (б) или другим не смежным атомам углерода (в); в результате возникновения связи между этими атомами углеродные цепи могут замыкаться в кольца (циклы), например:
Таким образом, многообразие органических соединений определяется и тем, что при одинаковом числе атомов углерода в молекуле возможны соединения с открытой, незамкнутой цепью углеродных атомов, а также вещества, молекулы которых содержат циклы (циклические соединения).
3. Ковалентные связи между атомами углерода, образованные одной парой обобщенных электронов, называют простыми (или ординарными) связями.
Связь между атомами углерода может осуществляться не одной, а двумя или тремя общими парами электронов. Тогда получаются цепи с кратными - двойными или тройными связями; эти связи можно изобразить следующим образом:
Простейшие соединения, содержащие кратные связи, - углеводороды этилен (с двойной связью) и ацетилен (с тройной связью):
Углеводороды с кратными связями называются непредельными или ненасыщенными. Этилен и ацетилен - первые представители двух гомологических рядов - этиленовых и ацетиленовых углеводородов.
Рис. 124. Схема образования -связей в молекуле этана.
Простая ковалентная связь (или С: С), образованная перекрыванием двух -гибридных электронных облаков по линии, соединяющей центры атомов (по оси связи), как, например, в этане (рис. 124), представляет собой -связь (см. § 42). Связи также являются -связями - они образуются перекрыванием по оси связи -гибридного облака атома С и шарового облака -электрона атома Н.
Природа кратных углерод-углеродных связей несколько иная. Так, в молекуле этилена при образовании двойной ковалентной связи (или ) в каждом из атомов углерода в гибридизации участвует одна -орбиталь и только две р-орбнтали (-гибридизация); одна из р-орбиталей каждого атома С не гибридизуется. В результате образуются три -гибридных электронных облака, которые участвуют в образовании трех -связей. Всего в молекуле этилена пять связей (четыре и одна ); все они расположены в одной плоскости под углами около 120° друг к другу (рис. 125).
Таким образом, одна из электронных пар в связи осуществляет -связь, а вторая - образуется р-электронами, не участвующими в гибридизации; их облака сохраняют форму объемной восьмерки , ориентированы перпендикулярно к плоскости, в которой расположены -связи, и перекрываются над и под этой плоскостью (рис. 126), образуя -связь (см. § 42).
Рис. 125. Схема образования -связей в молекуле этилена.
Рис. 126. Схема образования -связи в молекуле этилена.
Следовательно, двойная связь С = С представляет собой сочетание одной и одной -связей.
Тройная связь (или ) является сочетанием одной -связи и двух -связей. Например, при образовании молекулы ацетилена в каждом из атомов углерода в гибридизации участвует одна -орбнталь и только одна р-орбиталь (-гибридизация); в результате образуются два -гибридных электронных облака, участвующих в образовании двух -связей. Облака двух р-электронов каждого атома С не гибридизуются, сохраняют свою конфигурацию и участвуют в образовании двух -связей. Таким образом, в ацетилене всего три -связи (одна и две ), направленные вдоль одной прямой, и две -связи, ориентированные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 127).
Кратные (т. е. двойные и тройные) связи при реакциях легко превращаются в простые; тройная вначале переходит в двойную, а последняя - в простую. Это обусловлено их высокой реакционной способностью и имеет место при присоединении каких-либо атомов к паре атомов углерода, связанных кратной связью.
Переход кратных связей в простые объясняется тем, что обычно -связи обладают меньшей прочностью и поэтому большей лабильностью по сравнению с -связями. При образовании -связей р-электронные облака с параллельными осями перекрываются в значительно меньшей степени, чем электронные облака, перекрывающиеся по оси связи (т. е. гибридные, -электронные или ориентированные вдоль оси связи р-электронные облака).
Рис. 127. Схема образования -связей в молекуле ацетилена.
Рис. 128. Модели молекулы этилена: а - шариковая; б - сегментовая.
Кратные связи прочнее простых. Так, энергия разрыва связи составляет , связи , а связи только .
Из сказанного следует, что в формулах две черточки из трех в связи и одна черточка из двух в связи выражают связи менее прочные, чем простая связь .
На рис. 128 и 129 представлены шариковые и сегментовые пространственные модели соединений с двойной (этилен) и с тройной (ацетилен) связями.
4. Теория строения объяснила многочисленные случаи изомерии органических соединений.
Цепи из атомов углерода могут быть неразветвленными или разветвленными:
Так, состав имеют три предельных углеводорода (пентана) с различным строением цепей - один с неразветвленной цепью (нормального строения) и два с разветвленной (изостроения):
Состав имеют три непредельных углеводорода два нормального строения, но изомерные по положению двойной связи и один - изостроения:
Рис. 129. Модели молекулы ацетилена: а шариковая; б - сегментовая.
Этим непредельным соединениям изомерны два циклических углеводорода, также имеющие состав и изомерные друг другу по величине цикла:
При одном и том же составе соединения могут различаться по строению вследствие различного положения в углеродной цепи и других, не углеродных, атомов, например:
Изомерия может быть обусловлена не только различным порядком соединения атомов. Известно несколько видов пространственной изомерии (стереоизометрии), заключающейся в том, что соответствующие изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и порядке соединения атомов отличаются различным расположением атомов (или групп атомов) в пространстве.
Так, если в соединении имеется атом углерода, связанный с четырьмя разными атомами или группами атомов (асимметрический атом), то возможны две пространственно-изомерные формы такого соединения. На рис. 130 представлены две тетраэдрические модели молочной кислоты , в которых асимметрический атом углерода (он в формуле помечен звездочкой) находится в центре тетраэдра. Нетрудно заметить, что эти модели невозможно совместить в пространстве: они построены зеркально и отображают пространственную конфигурацию молекул двух различных веществ (в данном примере молочных кислот), отличающихся некоторыми физическими, а главным образом, биологическими свойствами. Такая изомерия называется зеркальной стереоизомерией, а соответствующие изомеры - зеркальными изомерами.
Рис. 130. Тетраэдрические модели молекул зеркальных изомеров молочной кислоты.
Различие в пространственном строении зеркальных изомеров может быть представлено и при помощи структурных формул, в которых показано различное расположение атомных групп при асимметрическом атоме; например, для приведенных на рис. 130 зеркальных изомеров молочной кислоты:
Как уже указано, атомы углерода; соединенные двойной связью, лежат в одной плоскости с четырьмя связями, соединяющими их с другими атомами; углы между направлениями этих связей приблизительно одинаковы (рис. 126). Когда с каждым из атомов углерода при двойной связи соединены различные атомы или группы, возможна так называемая геометрическая стереоизомерия, или цис-транс-изомерия. Примером могут служить пространственные геометрические изомеры дихлорэтилена
В молекулах одного изомера атомы хлора расположены по одну сторону двойной связи, а в молекулах другого - по разные стороны. Первая конфигурация называется цис-, вторая - транс-конфигурацией. Геометрические изомеры отличаются друг от друга по физическим и химическим свойствам.
Существование их обусловлено тем, что двойная связь исключает возможность свободного вращения соединенных атомов вокруг оси связи (такое вращение требует разрыва -связи; см. рис. 126).
5. Взаимное влияние в молекулах органических веществ проявляют прежде всего атомы, непосредственно связанные друг с другом. В этом случае оно определяется характером химической связи между ними, степенью различия в их относительной электроотрицательности и, следовательно, степенью полярности связи.
Например, если судить по суммарным формулам, то в молекуле метана и в молекуле метилового спирта все четыре атома водорода должны обладать одинаковыми свойствами. Но, как будет показано дальше, в метиловом спирте один из атомов водорода способен замещаться щелочным металлом, тогда как в метане атомы водорода такой способности не проявляют. Это объясняется тем, что в спирте атом водорода непосредственно связан не с углеродом, а с кислородом
В приведенных структурных формулах стрелками на черточках связей условно показано смещение пар электронов, образующих ковалентную связь, вследствие различной электроотрицательности, атомов. В метане такое смещение в связи невелико, поскольку электроотрицательность углерода (2,5) лишь незначительно превышает электроотрицательность водорода табл. 6, стр. 118). При этом молекула метана симметрична. В молекуле же спирта связь значительно поляризована, поскольку кислород (электроотрицательность 3,5) гораздо больше оттягивает на себя электронную пару; поэтому атом водорода, соединенный с атомом кислорода, приобретает большую подвижность, т. е. легче отрывается в виде протона.
В органических молекулах имеет значение также взаимное влияние атомов, не связанных друг с другом непосредственно. Так, в метиловом спирте под влиянием кислорода увеличивается реакционная способность не только атома водорода, связанного с кислородом, но и атомов водорода, непосредственно с кислородом не связанных, а соединенных с углеродом. Благодаря этому метиловый спирт довольно легко окисляется, тогда как метан относительно устойчив к действию окислителей. Это объясняется тем, что кислород гидроксильной группы значительно оттягивает на себя пару электронов в связи , соединяющей его с углеродом, электроотрицательность которого меньше.
В результате эффектнвный заряд атома углерода становится более положительным, что вызывает дополнительное смещение пар электронов также и в связях в метиловом спирте, сравни» тельно с теми же связями в молекуле метана. При действии окислителей атомы Н, связанные с тем же атомом углерода, с которым связана группа ОН, значительно легче, чем в углеводородах, отрываются и соединяются с кислородом, образуя воду. При этом атом углерода, связанный с группой ОН, подвергается дальнейшему окислению (см. § 171).
Взаимное влияние атомов, непосредственно друг с другом не связанных, может передаваться на значительное расстояние по цепи атомов углерода и объясняется смещением плотности электронных облаков во всей молекуле под влиянием имеющихся в ней различных по электроотрицательности атомов или групп. Взаимное влияние может передаваться и через пространство, окружающее молекулу, - в результате перекрывания электронных облаков сближающихся атомов.
Химия - это наука, которая дает нам все то разнообразие материалов и предметов быта, которым мы, не задумываясь, пользуемся каждый день. Но чтобы прийти к открытию такого многообразия соединений, которое известно сегодня, многим химикам пришлось пройти сложный научный путь.
Огромный труд, многочисленные удачные и безуспешные эксперименты, колоссальная теоретическая база знаний - все это привело к формированию различных областей промышленной химии, позволило синтезировать и использовать современные материалы: резины, пластики, пластмассы, смолы, сплавы, различные стекла, силиконы и так далее.
Одним из самых известных, заслуженных ученых-химиков, внесших неоценимый вклад в развитие именно органической химии, был русский человек Бутлеров А. М. Его труды, заслуги и результаты работ мы и рассмотрим кратко в данной статье.
Краткая биография
Дата рождения ученого - сентябрь 1828 года, число в разных источниках неодинаковое. Он был сыном подполковника Михаила Бутлерова, мать потерял достаточно рано. Все детство прожил в родовом имении деда, в деревне Подлесная Шентала (ныне район республики Татарстан).
Учился в разных местах: сначала в закрытой частной школе, затем в гимназии. Позже поступил в Казанский университет на отделение физики и математики. Однако несмотря на это больше всего интересовался химией. Будущий автор теории строения органических соединений остался по окончании учебы на месте в качестве преподавателя.
1851 год - время защиты первой диссертационной работы ученого по теме "Окисление органических соединений". После блестящего выступления ему предоставили возможность управления всей химией в своем университете.
Скончался ученый в 1886 году там, где провел детство, в родовом имении деда. В фамильной местной часовне он и был захоронен.
Вклад ученого в развитие химических знаний
Теория строения органических соединений Бутлерова - это, безусловно, его основной труд. Однако не единственный. Именно этот ученый первым создал русскую школу химиков.
Причем из ее стен вышли такие ученые, которые в дальнейшем имели большой вес в развитии всей науки. Это следующие люди:
- Марковников;
- Зайцев;
- Кондаков;
- Фаворский;
- Коновалов;
- Львов и другие.
Работы по органической химии
Таких трудов можно назвать множество. Ведь Бутлеров практически все свободное время проводил в лаборатории своего университета, осуществляя различные эксперименты, делая выводы и заключения. Именно так и родилась теория органических соединений.
Есть несколько особенно емких работ ученого:
- им был создан доклад на конференцию на тему "О химическом строении вещества";
- диссертационный труд "Об эфирных маслах";
- первая научная работа "Окисление органических соединений".
Перед ее формулировкой и созданием автор теории строения органических соединений долго изучал работы других ученых из разных стран, исследовал их труды, в том числе и экспериментальные. Только потом, обобщив и систематизировав полученные знания, он отразил все выводы в положениях своей именной теории.
Теория строения органических соединений А. М. Бутлерова
XIX век знаменуется бурным развитием практически всех наук, в том числе и химии. В частности, продолжают копиться обширные открытия по углероду и его соединениям, поражают всех своим многообразием. Однако никто не осмеливается систематизировать и упорядочить весь этот фактический материал, привести к общему знаменателю и выявить единые закономерности, на которых все построено.
Первым это сделал Бутлеров А. М. Именно ему принадлежит гениальная теория химического строения органических соединений, о положениях которой он рассказал массово на немецкой конференции химиков. Это стало началом новой эпохи в развитии науки, органическая химия встала на
Сам ученый шел к этому постепенно. Он провел множество опытов и предсказал существование веществ с заданными свойствами, открыл некоторые типы реакций и увидел за ними будущее. Много изучал труды своих коллег и их открытия. Только на фоне этого путем тщательного и кропотливого труда ему удалось-таки создать свой шедевр. И теперь теория строения органических соединений в данном - практически то же самое, что и периодическая система в неорганической.
Открытия ученого перед созданием теории
Какие были сделаны открытия и даны теоретические обоснования ученым перед тем, как появилась теория строения органических соединений А. М. Бутлерова?
- Отечественный гений первым синтезировал такие органические вещества, как уротропин, формальдегид, йодистый метилен и другие.
- Синтезировал из неорганики сахароподобное вещество (третичный спирт), тем самым нанеся очередной удар по теории витализма.
- Предсказал будущее за реакциями полимеризации, назвав их лучшими и перспективными.
- Изомерия объяснена была впервые только им.
Конечно, это только основные вехи его работ. На самом деле, многолетний кропотливый труд ученого можно описывать долго. Однако самой значимой на сегодня стала все-таки теория строения органических соединений, о положениях которой и поговорим дальше.
Первое положение теории
В 1861 году великий русский ученый на съезде химиков в городе Шпейере делится с коллегами своими взглядами на причины строения и многообразия органических соединений, выражая все это в форме положений теории.
Самый первый пункт следующий: все атомы в пределах одной молекулы соединены в строгой последовательности, которая определяется их валентностью. При этом атом углерода проявляет показатель валентности, равный четырем. Кислород имеет значение данного показателя, равное двум, водород - единице.
Подобную особенность он предложил называть химическим Позже были приняты обозначения выражения его на бумаге при помощи графических полных структурных, сокращенных и молекулярных формул.
Сюда же относится и явление соединения углеродных частиц друг с другом в бесконечные цепи разного строения (линейные, циклические, разветвленные).
В общем, теория строения органических соединений Бутлерова своим первым положением определила значимость валентности и единой формулы для каждого соединения, отражающей свойства и поведение вещества во время реакций.
Второе положение теории
В данном пункте было дано объяснение многообразию органических соединений в мире. Опираясь на соединения углеродов в цепи, ученый высказал мысль о том, что в мире присутствуют неодинаковые соединения, имеющие различные свойства, но при этом совершенно идентичные по молекулярному составу. Другими словами, существует явление изомерии.
Этим положением теория строения органических соединений А. М. Бутлерова не просто пояснила суть изомеров и изомерии, но и сам ученый практическим опытным путем все подтвердил.
Так, например, он синтезировал изомер бутана - изобутан. Затем предсказал для пентана существование уже не одного, а трех изомеров, исходя из строения соединения. И синтезировал их все, доказав свою правоту.
Раскрытие третьего положения
Следующий пункт теории говорит о том, что все атомы и молекулы в пределах одного соединения способны влиять на свойства друг на друга. От этого и будет зависеть характер поведения вещества в реакциях разных типов, проявляемые химические и другие свойства.
Таким образом, на основании этого положения выделяют несколько отличающихся видом и строением функциональной определяющей группы.
Теория строения органических соединений А. М. Бутлерова кратко излагается практически во всех учебных пособиях по органической химии. Ведь именно она - основа данного раздела, объяснение всех закономерностей, на которых построены молекулы.
Значение теории для современности
Безусловно, оно велико. Данная теория позволила:
- объединить и систематизировать весь фактический материал, накопившийся к моменту ее создания;
- объяснить закономерности строения, свойств различных соединений;
- дать полное пояснение причинам такого большого многообразия соединений в химии;
- дала старт для многочисленных синтезов новых веществ, базирующихся на положениях теории;
- позволила продвинуться взглядам, развиться атомно-молекулярному учению.
Поэтому сказать, что автор теории строения органических соединений, фото которого можно увидеть ниже, сделал многое,- это не сказать ничего. Бутлерова по праву можно считать отцом органической химии, родоначальником ее теоретических основ.
Его научное видение мира, гениальность мышления, способность предвидеть результат сыграли свою роль в конечном счете. Этот человек обладал колоссальной работоспособностью, терпением и неустанно экспериментировал, синтезировал, тренировался. Ошибался, но всегда извлекал урок и делал правильные перспективные выводы.
Только такой набор качеств и деловая хватка, упорство позволили добиться желаемого эффекта.
Изучение органической химии в школе
В курсе среднего образования на изучение основ органики отводится не так много времени. Всего одна четверть 9 класса и весь год 10 ступени (по программе Габриэляна О. С.). Однако этого времени достаточно, чтобы ребята смогли изучить все основные классы соединений, особенности их строения и номенклатуры, практическую значимость.
Основа же для начала освоения курса - теория строения органических соединений А. М. Бутлерова. 10 класс посвящается полному рассмотрению ее положений, а в дальнейшем - теоретическому и практическому подтверждению их при изучении каждого класса веществ.
Первой возникла в начале XIX в. теория радикалов (Ж. Гей-Люссак, Ф. Велер, Ю. Либих). Радикалами были названы группы атомов, переходящие без изменения при химических реакциях из одного соединения в другое. Такое понятие о радикалах сохранилось, но большинство других положений теории радикалов оказались неправильными.
Согласно теории типов (Ш. Жерар) все органические вещества можно разделить на типы, соответствующие определенным неорганическим веществам. Например, спирты R-OH и простые эфиры R-O-R рассматривались как представители типа воды H-OH, в которой атомы водорода замещены радикалами. Теория типов создала классификацию органических веществ, некоторые принципы которой применяются в настоящее время.
Современная теория строения органических соединений создана выдающимся русским учёным А.М. Бутлеровым.
Основные положения теории строения органических соединений А.М. Бутлерова
1. Атомы в молекуле располагаются в определенной последовательности согласно их валентности. Валентность атома углерода в органических соединениях равна четырем.
2. Свойства веществ зависят не только от того, какие атомы и в каких количествах входят в состав молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой.
3. Атомы или группы атомов, входящих в состав молекулы, взаимно влияют друг на друга, от чего зависят химическая активность и реакционная способность молекул.
4. Изучение свойств веществ позволяет определить их химическое строение.
Взаимное влияние соседних атомов в молекулах является важнейшим свойством органических соединений. Это влияние передается или по цепи простых связей или по цепи сопряженных (чередующихся) простых и двойных связей.
Классификация органических соединений основана на анализе двух аспектов строения молекул – строения углеродного скелета и наличия функциональных групп.
Органические соединения
Углеводороды Гетероциклические соединения
Предель- Непре- Арома-
ные дельные тические
Алифатические Карбоциклические
Предельные Непредельные Алициклические Ароматические
(Алканы) (Циклоалканы) (Арены)
С п Н 2п +2 С п Н 2п С п Н 2п -6
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Введение. Основы современной теории строения
Органических соединений.. введение.. биоорганическая химия изучает строение и свойства веществ участвующих в процессах жизнедеятельности в..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Алкены Алкадиены Алкины
СпН2п СпН2п-2 СпН2п-2
Рис. 1. Классификация органических соединений по строению
Электронное строение атома углерода. Гибридизация.
Для валентного электронного слоя атома С, находящегося вглавной подгруппе четвёртой группы второго периода Периодической таблицы Д. И. Менделеева главное квантовое число n = 2, побочное (орбитально
Сопряженные системы
Различают два типа сопряженных систем (и сопряжений).
1. p, p-сопряжение - электроны делокализованы
ТЕМА 3. Химическое строение и изомерия органических соединений
Изомерия органических соединений.
Если два или больше индивидуальных веществ имеют одинаковый количественный состав (молекулярную формулу), но отличаются друг от друга пос
Конформации органических молекул
Поворот вокруг s-связи С–С совершается сравнительно легко, углеводородная цепь может принимать разные формы. Конформационные формы легко переходят друг в друга и поэтому не являются различными соед
Конформации циклических соединений.
Циклопентан. У пятичленного цикла в плоской форме валентные углы равны 108°, что близко к нормальному значению для sр3-гибридного атома. Поэтому в плоском циклопентане, в отличие от цикл
Конфигурационные изомеры
Это стереоизомеры с различным расположением вокруг определенных атомов других атомов, радикалов или функциональных групп в пространстве относительно друг друга.
Различают понятия диастере
Общая характеристика реакций органических соединений.
Кислотность и основность органических соединений.
Для оценки кислотности и основности органических соединений наибольшее значение имеют две теории – теория Бренстеда и тео
Основания Бренстеда – нейтральные молекулы или ионы, способные присоединять протон (акцепторы протонов).
Кислотность и основность являются не абсолютными, а относительными свойствами соединений: кислотные свойства обнаруживаются лишь в присутствии основания; основные свойства – только в присутствии ки
Общая характеристика реакций органических соединений
Большинство органических реакций включает несколько последовательных (элементарных) стадий. Детальное описание совокупности этих стадий называется механизмом. Механизм реакции -
Селективность реакций
Во многих случаях в органическом соединении присутствуют несколько неравноценных реакционных центров. В зависимости от строения продуктов реакции говорят о региоселективности, хемоселективности и с
Радикальные реакции.
Хлор реагирует с предельными углеводородами только под влиянием света, нагревания или в присутствии катализаторов, причем последовательно замещаются хлором все атомы водорода:
СН4
Реакции электрофильного присоединения
Ненасыщенные углеводороды - алкены, циклоалкены, алкадиены и алкины - проявляют способность к реакциям присоединения, так как содержат двойные или тройные связи. Более важной in vivo является двойн
И элиминирования у насыщенного атома углерода
Реакции нуклеофильного замещения у sp3- гибридизованного атома углерода: гетеролитические реакции, обусловленные поляризацией s- связи углерод - гетероатом (галогенопро
Реакции нуклеофильного замещения с участием sр2-гибридизованного атома углерода.
Механизм реакций этого типа рассмотрим на примере взаимодействия карбоновых кислот со спиртами (реакция этерификации). В карбоксильной группе кислоты реализуется р,p- сопряжение, поскольку пара эле
Реакции нуклеофильного замещения в ряду карбоновых кислот.
Только с чисто формальных позиций можно рассматривать карбоксильную группу как комбинацию карбонильной и гидроксильной функций. Фактически их взаимное влияние друг на друга таково, что полностью и
Органических соединений.
Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) занимают большое место в органической химии. Важнейшее значение имеют ОВР для процессов жизнедеятельности. С их помощью организм удовлет
Участвующие в процессах жизнедеятельности
Подавляющее большинство органических веществ, участвующих в процессах метаболизма, представляют собой соединения с двумя и более функциональными группами. Такие соединения принято классифицировать
Двухатомные фенолы
Двухатомные фенолы – пирокатехин, резорцин, гидрохинон – входят в состав многих природных соединений. Все они дают характерное окрашивание с хлоридом железа. Пирокатехин (о-дигидроксибензол, катехо
Дикарбоновые и ненасыщенные карбоновые кислоты.
Карбоновые кислоты, содержащие в своем составе одну карбоксильную группу, называют одноосновными, две - двухосновными т. д.
Дикарбоновые кислоты – белые кристаллические вещества, обладающи
Аминоспирты
2-Аминоэтанол (этаноламин, коламин) – структурный компонент сложных липидов, образуется путем размыкания напряженных трехчленных циклов этиленоксида и этиленимина аммиаком или водой соответственно
Гидрокси- и аминокислоты.
Гидроксикислоты содержат в молекуле одновременно гидроксильную и карбоксильную группы, аминокислоты - карбоксильную и аминогруппу.
В зависимости от расположения гидрокси- или аминогруппы п
Оксокислоты
Оксокислоты - соединения, содержащие одновременно карбоксильную и альдегидную (или кетонную) группы. В соответствии с этим различают альдегидокислоты и кетокислоты.
Простейшей альдегидокис
Гетерофункциональные производные бензола как лекарственные средства.
Последние десятилетия характеризуются появлением множества новых лекарственных средств и препаратов. Вместе с тем большое значение продолжают сохранять некоторые группы известных ранее лекарственны
ТЕМА 10. Биологически важные гетероциклические соединения
Гетероциклические соединения (гетероциклы) – соединения, включающие в цикл один или несколько атомов, отличных от углерода (гетероатомов). Гетероциклические системы лежат в основе с
ТЕМА 11. Аминокислоты, пептиды, белки
Строение и свойства аминокислот и пептидов.
Аминокислоты - соединения, в молекулах которых одновременно присутствуют амино- и карбоксильные группы. Природные a-амин
Пространственное строение полипептидов и белков
Для высокомолекулярных полипептидов и белков наряду с первичной структурой характерны более высокие уровни организации, которые принято называть вторичной, третичной и четвертичной структурами.
ТЕМА 12. Углеводы: моно, ди- и полисахариды
Углеводы разделяют на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды).
Моносахариды (монозы). Это гетерополифункциональные соединения, содержащие карбонильную и несколько г
ТЕМА 13. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) – это биополимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды.
Нуклеотид представляет собой трехкомпонентную структуру, состоящую
Нуклеозиды.
Гетероциклические основания образуют N-гликозиды с D-рибозой или 2-дезокси-D-рибозой. В химиии нуклеиновых кислот такие N-гликозиды называют нуклеозидами. D-рибоза и 2-дезокси- D -рибоза в состав п
Нуклеотиды.
Нуклеотидами называются фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5" или С-3" в остатке рибозы или дезоксирибозы (атомы цикла азотистых оснований нумерую
Стероиды
Стероиды широко распространены в природе, выполняют в организме разнообразные функции. К настоящему времени известно около 20 000 стероидов; более 100 из них применяется в медицине. Стероиды имеют
Стероидные гормоны
Гормоны – биологически активные вещества, образующиеся в результате деятельности желез внутренней секреции и принимающие участие в регуляции обмена веществ и физиологических функций в организме.
Стерины
Как правило, клетки очень богаты стеринами. В зависимости от источника выделения различают зоостерины (из животных), фитостерины (из растений), микостерины (из грибов) и стерины микроорганизмов. В
Желчные кислоты
В печени стерины, в частности холестерин, превращаются в желчные кислоты. Алифатическая боковая цепь у С17 в желчных кислотах, производных углеводорода холана, состоит из 5 атомов углеро
Терпены и терпеноиды
Под этим названием объединяют ряд углеводородов и их кислородсодержащих производных - спиртов, альдегидов и кетонов, углеродный скелет которых построен из двух, трех и более звеньев изопрена. Сами
Витамины
Витаминами обычно называют органические вещества, присутствие которых в небольшом количестве в пище человека и животных необходимо для их нормальной жизнедеятельности.
Это классическое опр
Житрорастворимые витамины
Витамин А относится к сесквитерпенам, содержится в масле, молоке, яичном желтке, рыбьем жире; свиное сало и маргарин его не содержат. Это витамин роста; недостаток его в пище вызыв
Водорастворимые витамины
В конце прошлого века тысячи моряков на японских судах страдали, а многие из них умирали мучительной смертью от таинственной болезни «бери-бери». Одной из загадок бери-бери было то, что моряки на с
Содержание урока: Теории строения органических соединений: предпосылки создания, основные положения. Химическое строение как порядок соединения и взаимного влияния атомов в молекулах. Гомология, изомерия. Зависимость свойств веществ от химического строения. Основные направления развития теории химического строения. Зависимость появления токсичности у органических соединений от состава и строения их молекул (длина углеродной цепи и степень ее разветвленности, наличие кратных связей, образование циклов и пероксидных мостиков, присутствие атомов галогенов), а также от растворимости и летучести соединения.
Цели урока:
- Организовать деятельность учащихся по ознакомлению и первичному закреплению основных положений теории химического строения.
- Показать учащимся универсальный характер теории химического строения на примере неорганических изомеров и взаимного влияния атомов в неорганических веществах.
Ход урока:
1. Организационный момент.
2. Актуализация знаний учащихся.
1) Что изучает органическая химия?
2) Какие вещества называют изомерами?
3) Какие вещества называют гомологами?
4) Назовите известные вам теории, возникшие в органической химии в начале XIX века.
5) Какими недостатками обладала теория радикалов?
6) Какими недостатками обладала теория типов?
3. Постановка целей и задач урока.
Представления о валентности составили важную часть теории химического строения А.М. Бутлерова в 1861 г.
Периодический закон, сформулированный Д.И. Менделеевым в 1869 г., вскрыл зависимость валентности элемента от его положения в периодической системе.
Оставалось неясным большое многообразие органических веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но разные свойства. К примеру, было известно около 80 разнообразных веществ, отвечающих составу C 6 H 12 O 2 . Йенс Якоб Берцелиус предложил называть эти вещества изомерами.
Ученые многих стран своими работами подготовили почву для создания теории, объясняющей строение и свойства органических веществ.
На съезде немецких естествоиспытателей и врачей в городе Шпейере был прочитан доклад, называвшийся “Нечто в химическом строении тел”. Автором доклада был профессор Казанского университета Александр Михайлович Бутлеров. Именно это самое “нечто” и составило теорию химического строения, которая легла в основу наших современных представлений о химических соединениях.
Органическая химия получила прочную научную основу, обеспечившую ее стремительное развитие в последующее столетие вплоть до наших дней. Эта теория позволила предсказывать существование новых соединений и их свойства. Понятие о химическом строении позволило объяснить такое загадочное явление, как изомерия.
Основные положения теории химического строения сводятся к следующему:
1. Атомы в молекулах органических веществ соединяются в определенной последовательности согласно их валентности.
2. Свойства веществ определяются качественным, количественным составом, порядком соединения и взаимным влиянием атомов и групп атомов в молекуле.
3. Строение молекул может быть установлено на основе изучения их свойств.
Рассмотрим эти положения более подробно. Молекулы органических веществ содержат атомы углерода (валентность IV), водорода (валентность I), кислорода (валентность II), азота (валентность III). Каждый атом углерода в молекулах органических веществ образует четыре химические связи с другими атомами, при этом атомы углерода могут соединяться в цепи и кольца. На основании первого положения теории химического строения мы будем составлять структурные формулы органических веществ. Например, установлено, что метан имеет состав СН 4 . Учитывая валентности атомов углерода и водорода можно предложить только одну структурную формулу метана:
Химическое строение других органических веществ может быть описано следующими формулами:
этиловый спирт
Второе положение теории химического строения описывает известную нам взаимосвязь: состав – строение – свойства. Посмотрим проявление этой закономерности на примере органических веществ.
Этан и этиловый спирт имеют разный качественный состав. Молекула спирта в отличие от этана содержит атом кислорода. Как это скажется на свойствах?
Введение в молекулу атома кислорода резко меняет физические свойства вещества. Это подтверждает зависимость свойств от качественного состава.
Сравним состав и строение углеводородов метана, этана, пропана и бутана.
Метан, этан, пропан и бутан имеют одинаковый качественный состав, но разный количественный (число атомов каждого элемента). Согласно второму положению теории химического строения они должны обладать различными свойствами.
| Вещество | Температура кипения, °С | Температура плавления, °С |
| СН 4 | – 182,5 | – 161,5 |
| С 2 Н 6 | – 182,8 | – 88,6 |
| С 3 Н 8 | – 187,6 | – 42,1 |
| С 4 Н 10 | – 138,3 | – 0,5 |
Как видно из таблицы, с увеличением числа атомов углерода в молекуле происходит повышение температур кипения и плавления, что подтверждает зависимость свойств от количественного состава молекул.
Молекулярной формуле С 4 Н 10 соответствует не только бутан, но и его изомер изобутан:
Изомеры имеют одинаковый качественный (атомы углерода и водорода) и количественный (4 атома углерода и десять атомов водорода) состав, но отличаются друг от друга порядком соединения атомов (химическим строением). Посмотрим как различие в строении изомеров скажется на их свойствах.
Углеводород разветвленного строения (изобутан) имеет более высокие температуры кипения и плавления, чем углеводород нормального строения (бутан). Это можно объяснить более близким расположением молекул друг к другу в бутане, что повышает силы межмолекулярного притяжения и, следовательно, требует больших затрат энергии для их отрыва.
Третье положение теории химического строения показывает обратную связь состава, строения и свойств веществ: состав – строение – свойства. Рассмотрим это на примере соединений состава С 2 Н 6 О.
Представим, что у нас имеются образцы двух веществ с одинаковой молекулярной формулой С 2 Н 6 О, которая была определена в ходе качественного и количественного анализа. Но как узнать химическое строение этих веществ? Ответить на этот вопрос поможет изучение их физических и химических свойств. При взаимодействии первого вещества с металлическим натрием реакция не идет, а второе – активно с ним взаимодействует с выделением водорода. Определим количественное отношение веществ в реакции. Для этого к известной массе второго вещества прибавим определенную массу натрия. Измерим объем водорода. Вычислим количества веществ. При этом окажется, что из двух моль исследуемого вещества выделяется один моль водорода. Следовательно, каждая молекула этого вещества является источником одного атома водорода. Какой вывод можно сделать? Только один атом водорода отличается по свойствам и значит строением (с какими атомами связан) от всех остальных. Учитывая валентность атомов углерода, водорода и кислорода для данного вещества может быть предложена только одна формула:
Для первого вещества может быть предложена формула, в которой все атомы водорода имеют одинаковое строение и свойства:
Аналогичный результат можно получить и при изучении физических свойств этих веществ.
Таким образом, на основании изучения свойств веществ можно сделать вывод о его химическом строении.
Значение теории химического строения трудно переоценить. Она вооружила химиков научной основой для изучения строения и свойств органических веществ. Подобное значение имеет и Периодический закон, сформулированный Д.И. Менделеевым. Теория строения обобщила все научные взгляды, сложившиеся в химии того времени. Ученые смогли объяснить поведение органических веществ в ходе химических реакций. На основе теории А.М. Бутлеров предсказал существование изомеров некоторых веществ, которые позднее были получены. Так же как и Периодический закон, теория химического строения получила свое дальнейшее развитие после становления теории строения атома, химической связи и стереохимии.
