1 in 2 določbi Butlerove teorije. Butlerov prispevek k kemiji. Pomen Butlerove teorije. Razredi organskih spojin

Osnovna načela teorije kemijske strukture A.M. Butlerov

1. Atomi v molekulah so med seboj povezani v določenem zaporedju glede na svoje valence. Zaporedje medatomskih vezi v molekuli se imenuje njena kemijska struktura in se odraža z eno strukturno formulo (strukturna formula).

2. Kemično strukturo lahko določimo s kemičnimi metodami. (Trenutno se uporabljajo tudi sodobne fizikalne metode).

3. Lastnosti snovi so odvisne od njihove kemijske zgradbe.

4. Na podlagi lastnosti dane snovi lahko določimo zgradbo njene molekule, na podlagi zgradbe molekule pa napovemo lastnosti.

5. Atomi in skupine atomov v molekuli medsebojno vplivajo drug na drugega.

Teorija Butlerova je bila znanstveni temelj organske kemije in je prispevala k njenemu hitremu razvoju. Na podlagi določb teorije je A.M. Butlerov je razložil pojav izomerije, napovedal obstoj različnih izomerov in nekatere izmed njih tudi prvič dobil.

Razvoj teorije strukture je omogočilo delo Kekuleja, Kolbeja, Cooperja in Van't Hoffa. Vendar njihova teoretična stališča niso bila splošne narave in so služila predvsem razlagi eksperimentalnega materiala.

2. Strukturne formule

Strukturna formula (strukturna formula) opisuje vrstni red povezovanja atomov v molekuli, tj. njegova kemična struktura. Kemijske vezi v strukturni formuli so označene s črticami. Vez med vodikom in drugimi atomi običajno ni označena (takšne formule imenujemo skrajšane strukturne formule).

Na primer, polne (razširjene) in skrajšane strukturne formule n-butana C4H10 imajo obliko:

Drug primer so formule izobutana.

Pogosto se uporablja še krajši zapis formule, ko niso prikazane le vezi z vodikovim atomom, temveč tudi simboli ogljikovih in vodikovih atomov. Na primer, struktura benzena C6H6 se odraža v formulah:

Strukturne formule se razlikujejo od molekulskih (bruto) formul, ki kažejo le, kateri elementi in v kakšnem razmerju so vključeni v sestavo snovi (tj. kvalitativno in kvantitativno elementno sestavo), ne odražajo pa vrstnega reda vezave atomov.

Na primer, n-butan in izobutan imata enako molekulsko formulo C4H10, vendar različno zaporedje vezi.

Razlika v snoveh torej ni posledica le različnih kakovostnih in kvantitativnih elementarnih sestav, ampak tudi različnih kemijskih struktur, ki se lahko odražajo le s strukturnimi formulami.

3. Koncept izomerije

Že pred nastankom teorije zgradbe so bile znane snovi z enako elementarno sestavo, vendar z različnimi lastnostmi. Takšne snovi so poimenovali izomeri, sam pojav pa izomerija.

Osnova izomerizma, kot je pokazal A.M. Butlerov, je razlika v strukturi molekul, sestavljenih iz istega niza atomov. torej

izomerija je pojav obstoja spojin, ki imajo enako kvalitativno in kvantitativno sestavo, a različno strukturo in s tem različne lastnosti.

Na primer, ko molekula vsebuje 4 atome ogljika in 10 atomov vodika, je možen obstoj 2 izomernih spojin:

Glede na naravo razlik v strukturi izomerov ločimo strukturno in prostorsko izomerijo.

4. Strukturni izomeri

Strukturni izomeri so spojine enake kvalitativne in kvantitativne sestave, ki se razlikujejo po vrstnem redu vezave atomov, to je kemijski strukturi.

Na primer, sestava C5H12 ustreza 3 strukturnim izomerom:

Še en primer:

5. Stereoizomeri

Prostorski izomeri (stereoizomeri), ki imajo enako sestavo in enako kemijsko zgradbo, se razlikujejo po prostorski razporeditvi atomov v molekuli.

Prostorski izomeri so optični in cis-trans izomeri (različne barvne kroglice predstavljajo različne atome ali atomske skupine):

Molekule takih izomerov so prostorsko nezdružljive.

Stereoizomerizem igra pomembno vlogo v organski kemiji. Ta vprašanja bomo podrobneje obravnavali pri študiju spojin posameznih razredov.

6. Elektronske predstavitve v organski kemiji

Uporaba elektronske teorije atomske zgradbe in kemijske vezi v organski kemiji je bila ena najpomembnejših stopenj v razvoju teorije zgradbe organskih spojin. Koncept kemijske strukture kot zaporedja vezi med atomi (A.M. Butlerov) je elektronska teorija dopolnila s koncepti elektronske in prostorske zgradbe ter njunega vpliva na lastnosti organskih spojin. Prav te ideje omogočajo razumevanje načinov prenosa medsebojnega vpliva atomov v molekulah (elektronski in prostorski učinki) ter obnašanja molekul pri kemijskih reakcijah.

Po sodobnih konceptih lastnosti organskih spojin določajo:

narava in elektronska zgradba atomov;

vrsta atomskih orbital in narava njihove interakcije;

vrsta kemičnih vezi;

kemijska, elektronska in prostorska zgradba molekul.

7. Lastnosti elektrona

Elektron ima dvojno naravo. V različnih poskusih lahko kaže tako lastnosti delca kot valovanja. Gibanje elektrona je podrejeno zakonom kvantne mehanike. Povezava med valovanjem in korpuskularnimi lastnostmi elektrona odraža de Brogliejevo razmerje.

Energije in koordinat elektrona, tako kot drugih osnovnih delcev, ni mogoče istočasno izmeriti z enako natančnostjo (Heisenbergovo načelo negotovosti). Zato gibanja elektrona v atomu ali molekuli ni mogoče opisati s trajektorijo. Elektron se lahko nahaja na kateri koli točki v prostoru, vendar z različnimi verjetnostmi.

Del prostora, v katerem obstaja velika verjetnost, da najdemo elektron, imenujemo orbitalni ali elektronski oblak.

Na primer:

8. Atomske orbitale

Atomska orbitala (AO) je območje, kjer se najverjetneje nahaja elektron (elektronski oblak) v električnem polju atomskega jedra.

Položaj elementa v periodnem sistemu določa vrsto orbital njegovih atomov (s-, p-, d-, f-AO itd.), ki se razlikujejo po energiji, obliki, velikosti in orientaciji v prostoru.

Za elemente 1. obdobja (H, He) je značilen en AO ​​- 1s.

V elementih 2. periode zasedajo elektroni pet AO na dveh energijskih nivojih: prvi nivo 1s; druga raven - 2s, 2px, 2py, 2pz. (številke označujejo številko energijske ravni, črke označujejo obliko orbitale).

Stanje elektrona v atomu je v celoti opisano s kvantnimi števili.

(diapozitiv 1)

Namen: povzeti informacije o strukturi organskih snovi, pokazati univerzalnost teorije kemijske strukture, posplošiti in razširiti ideje učencev: o izomeriji z uporabo primerov organskih in anorganskih spojin; o medsebojnem vplivu atomov v molekulah, soodvisnosti zgradbe in lastnosti snovi.

A.M. Butlerov je eden največjih ruskih znanstvenikov, Rus je tako po svoji znanstveni izobrazbi kot po izvirnosti svojih del.

(D.I. Mendelejev) “... Ljubim svojo domovino kot mater in svojo znanost kot duha, ki blagoslavlja, razsvetljuje in združuje vse ljudi za dober in miren razvoj duhovnega in materialnega bogastva.”

Oprema: računalnik, diapozitiv, interaktivna tabla.

Med poukom

Analiza principov teorije kemijske zgradbe

1) atomi v molekulah niso povezani naključno, ampak v strogem zaporedju glede na njihovo valenco . (slide 3)

Kakšna je valenca ogljika v organski snovi?

(odgovor je štiri).

Vprašanje za razred. Kako so ogljikovi atomi povezani v molekulah organskih spojin?

Odgovori. Atomi ogljika, ki se povezujejo med seboj, tvorijo nerazvejane, razvejane verige, cikle, enostavne, dvojne in trojne vezi.

Naloga razreda (diapozitiv 4)

Sestavite strukturne formule propena, butina-1, izopentana, ciklobutana.

Vprašanje za razred. Ali ta določba velja za anorganske snovi?

Sestavite strukturne formule za žveplovo kislino, kalcijev oksid, natrijev sulfat, kalcijev hidroksid.

Drugo stališče teorije A.M. Butlerov.

2) Lastnosti snovi niso odvisne samo od njihove kvalitativne in kvantitativne sestave, ampak tudi od zgradbe molekul.

Vprašanje za razred. Kaj pomeni molekularna struktura? ?

Odgovori. A) vrstni red povezovanja atomov v molekuli

B) medsebojna razporeditev atomov in skupin atomov v prostoru

Vprašanje za razred. Kateri pojav pojasnjuje to stanje?

Odgovori. Ta situacija pojasnjuje pojav – izomerija.(sledi razprava o vseh vrstah izomerizma)

Vprašanje za razred. Katere vrste izomerije poznate?

Odgovor: Strukturni, prostorski . (diapozitiv 5)

Strukturna izomerija:

1. Ogljikovodikov skelet

2. Položaji: substituenti, funkcionalne skupine, večkratne vezi, radikali (za arene) (diapozitiv 6)

3. Interclass (diapozitiv 7)

4. Tavtomerizem

Prostorsko

1. Geometrija (diapozitiv 8)

Izpolni tabelo (samostojno delo)

Vrste izomerizma organskih snovi

Izomerija anorganskih snovi. (diapozitiv 10)

Našteti pari kislin so tavtomerni, v raztopinah obstajajo sočasno in prehajajo druga v drugo.

Medrazredni izomeri v anorganskih snoveh

Prostorska izomerija anorganskih snovi (diapozitiv 12,13,14)

1. Geometrijske (kompleksne povezave)

cis izomer (oranžna) trans izomer(rumena barva)

Tretje stališče teorije A.M. Butlerov.

3. Lastnosti snovi so odvisne od medsebojnega vpliva atomov v molekuli .

1. Primerjaj kisle lastnosti etanola in fenola? Pojasnite razlog za povečanje kislih lastnosti fenola.

2. Alkoholi reagirajo z vodikovimi halogenidi, fenoli pa ne. Zakaj?

3. Primerjajte sposobnost benzena in fenola za elektrofilne substitucijske reakcije na benzenovem obroču. Pojasnite razlog za večjo reaktivnost fenola.

Vprašanje za razred. Kaj določa lastnosti anorganskih snovi?

Pojasnite s stališča periodičnega zakona M.I. Mendelejev in struktura atomov elementov v skupinah in obdobjih.

Naloge v razredu, ki jim sledi razprava.

1. Primerjaj osnovne lastnosti amoniaka in fosfina. Pojasnite zmanjšanje osnovnih lastnosti fosfina

2. Primerjaj kisle lastnosti vodikovega sulfida in vodikovega klorida.

3. Primerjaj kisle lastnosti klorovodikove in jodovodikove kisline.

Odgovori. V glavnih podskupinah se od zgoraj navzdol povečajo polmeri atomov elementov, atomi nekovin manj privlačijo atome vodika, moč spojin se zmanjša, zlahka disociirajo, zato se povečajo njihove kisle lastnosti.

Kako in zakaj se spreminjajo lastnosti hidroksidov v periodi in skupini?

Odgovori. Bazične lastnosti hidroksidov se zmanjšajo, kisle pa povečajo v obdobju od leve proti desni, ko se poveča oksidacijsko stanje osrednjega atoma, zato se poveča energija njegove vezave z atomom kisika in njegovega odbijanja atoma vodika.

Najpomembnejši razlogi za spremembe kemijskih lastnosti so razlika v elektronegativnosti elementov, prisotnost osamljenih elektronskih parov,

Premik elektronske gostote.

Ali je mogoče na podlagi zgradbe snovi napovedati lastnosti?

Odgovori. Ja lahko.

Razdelitev v razred, ki ji sledi razprava. Ugani lastnosti naslednjih snovi. (potrdi z enačbami kemijskih reakcij)

1. Prisotnost polarne vezi, zmožnost abstrakcije vodikovega kationa, pojasnjuje kisle lastnosti.
2. Sposobnost snovi, da veže vodikov kation in osamljen elektronski par, sta glavni lastnosti.
3. Prisotnost preprostih vezi - substitucijske (izmenjevalne) reakcije
4. Prisotnost več vezi – adicijske reakcije
5. Prisotnost elementa v najvišjem oksidacijskem stanju ima oksidativne lastnosti, v najnižjem oksidacijskem stanju ima redukcijske lastnosti, v vmesnem stanju pa ima redoks lastnosti.

Sodobne smeri razvoja teorije kemijske strukture so:

• stereokemija - preučevanje prostorske zgradbe molekul
• elektronska zgradba snovi (vrste hibridizacije, premik elektronske gostote)

Premik elektronske gostote ali elektronski učinki (diapozitiv 15)

Vprašanje za razred. Določite induktivni učinek.

Odgovori. Induktivni – premik elektronske gostote po dolžini sigma vezi

Razmislite o reakciji vodikovega bromida s propenom-1 in reakciji vodikovega bromida s 3,3,3-trifluoropropenom-1

Vprašanje za razred. Definirajte mezomerni učinek.

Odgovori. Mezomerni učinek - premik veznih elektronov ali osamljenih elektronskih parov v izmeničnih enostavnih in kratkih vezeh.

Mezomerni učinek je močnejši od induktivnega.

Vprašanje za razred. Kakšni so učinki?

Odgovori. 1. O reaktivnosti snovi

CH 4 – manj reaktiven, ker so vse vezi nizkopolarne

CH 3 CI – bolj reaktiven, ker so vezi bolj polarne.

O smereh procesov.

Razdelitev v razred, ki ji sledi razprava. Upoštevajte smeri poteka kemijskih reakcij (upoštevajte vpliv ustreznih učinkov na smer kemijske reakcije)

Reakcija po Markovnikovem pravilu.

Interakcija propena-1 z vodikovim bromidom.

Reakcija proti Markovnikovemu pravilu.

Interakcija propenojske (akrilne) kisline z vodikovim bromidom.

Zaključek na koncu lekcije (diapozitiv 16)

Teorija strukture je ustvarila predpogoje za razlago in napovedovanje različnih vrst izomerizma molekul organskih spojin, pa tudi smeri in mehanizmov kemijskih reakcij.

Če primerjamo dve največji teoriji kemije - teorijo strukture A.M. Butlerov in teorija periodičnosti D.I. Mendelejeva, vidite, da imata obe teoriji veliko skupnega.

Domača naloga: odstavek 8, ex. 4.5. učbenik O.S. Gabrielyan.

Človek se je že dolgo naučil uporabljati različne snovi za pripravo hrane, barvil, oblačil in zdravil. Sčasoma se je nabralo dovolj informacij o lastnostih določenih snovi, kar je omogočilo izboljšanje metod njihove proizvodnje, predelave itd. In izkazalo se je, da je veliko mineralov (anorganskih snovi) mogoče pridobiti neposredno.

Toda nekaterih snovi, ki jih uporablja človek, ni sam sintetiziral, ker so bile pridobljene iz živih organizmov ali rastlin. Te snovi so imenovali organske. Organskih snovi ni bilo mogoče sintetizirati v laboratoriju. V začetku 19. stoletja se je aktivno razvijala takšna doktrina, kot je vitalizem (vita - življenje), po katerem organske snovi nastajajo le zahvaljujoč "življenjski sili" in jih je nemogoče ustvariti "umetno".

Toda s časom in razvojem znanosti so se pojavila nova dejstva o organskih snoveh, ki so bila v nasprotju z obstoječo vitalistično teorijo.

Leta 1824 je nemški znanstvenik F. Wöhler prvič v zgodovini kemijske znanosti sintetiziral oksalno kislino – organske snovi iz anorganskih snovi (cianogen in voda):

(CN) 2 + 4H 2 O → COOH - COOH + 2NH 3

Leta 1828 je Wöller segrel natrijev cianat z amonijevim žveplom in sintetiziral sečnino - odpadni produkt živalskih organizmov:

NaOCN + (NH 4) 2 SO 4 → NH 4 OCN → NH 2 OCNH 2

Ta odkritja so imela pomembno vlogo pri razvoju znanosti nasploh, še posebej pa kemije. Kemijski znanstveniki so se začeli postopoma oddaljevati od vitalističnega učenja in načelo delitve snovi na organske in anorganske je pokazalo svojo nedoslednost.

Trenutno snoviše vedno delimo na organske in anorganske, vendar je kriterij ločevanja nekoliko drugačen.

Snovi se imenujejo organske ki vsebujejo ogljik, jih imenujemo tudi ogljikove spojine. Takih spojin je približno 3 milijone, preostalih spojin je približno 300 tisoč.

Snovi, ki ne vsebujejo ogljika, imenujemo anorganske in. Vendar obstajajo izjeme od splošne razvrstitve: obstaja vrsta spojin, ki vsebujejo ogljik, vendar pripadajo anorganskim snovem (ogljikov monoksid in dioksid, ogljikov disulfid, ogljikova kislina in njene soli). Vse so po sestavi in ​​lastnostih podobne anorganskim spojinam.

Med preučevanjem organskih snovi so se pojavile nove težave: na podlagi teorij o anorganskih snoveh je nemogoče razkriti zakone zgradbe organskih spojin in razložiti valenco ogljika. Ogljik v različnih spojinah je imel različne valence.

Leta 1861 je ruski znanstvenik A.M. Butlerov je prvi sintetiziral sladko snov.

Pri preučevanju ogljikovodikov, A.M. Butlerov ugotovili, da predstavljajo popolnoma poseben razred kemikalij. Z analizo njihove strukture in lastnosti je znanstvenik identificiral več vzorcev. Bili so osnova za teorije kemijske strukture.

1. Molekula katere koli organske snovi ni naključna; atomi v molekulah so med seboj povezani v določenem zaporedju glede na njihove valence. Ogljik v organskih spojinah je vedno štirivalenten.

2. Zaporedje medatomskih vezi v molekuli se imenuje njena kemijska struktura in se odraža z eno strukturno formulo (strukturna formula).

3. Kemično strukturo lahko določimo s kemijskimi metodami. (Trenutno se uporabljajo tudi sodobne fizikalne metode).

4. Lastnosti snovi niso odvisne le od sestave molekul snovi, temveč tudi od njihove kemične zgradbe (zaporedje kombinacije atomov elementov).

5. Po lastnostih določene snovi lahko določimo strukturo njene molekule, po strukturi molekule pa – predvideti lastnosti.

6. Atomi in skupine atomov v molekuli medsebojno vplivajo drug na drugega.

Ta teorija je postala znanstveni temelj organske kemije in pospešila njen razvoj. Na podlagi določb teorije je A.M. Butlerov je opisal in razložil pojav izomerija, napovedal obstoj različnih izomerov in nekatere med njimi tudi prvič pridobil.

Razmislite o kemijski strukturi etana – C2H6. Ko smo valenco elementov označili s pomišljaji, bomo molekulo etana upodobili v vrstnem redu povezave atomov, to je, da bomo napisali strukturno formulo. Po teoriji A.M. Butlerov, bo imel naslednjo obliko:

Atomi vodika in ogljika so vezani v en delec, valenca vodika je enaka ena, ogljika pa – štiri. Dva ogljikova atoma, povezana z ogljikovo vezjo – ogljik (C – Z). Sposobnost ogljika, da tvori C – C-vez je razumljiva na podlagi kemijskih lastnosti ogljika. Atom ogljika ima na svoji zunanji elektronski plasti štiri elektrone; zmožnost oddajanja elektronov je enaka zmožnosti pridobivanja manjkajočih. Zato ogljik najpogosteje tvori spojine s kovalentno vezjo, to je zaradi tvorbe elektronskih parov z drugimi atomi, vključno z atomi ogljika med seboj.

To je eden od razlogov za raznolikost organskih spojin.

Spojine, ki imajo enako sestavo, vendar različne strukture, imenujemo izomeri. Pojav izomerije – eden od razlogov za raznolikost organskih spojin

Imate še vprašanja? Želite izvedeti več o teoriji zgradbe organskih spojin?
Če želite dobiti pomoč mentorja, se registrirajte.
Prva lekcija je brezplačna!

spletne strani, pri kopiranju materiala v celoti ali delno je obvezna povezava do vira.

Tema: Osnovna načela teorije strukture organskih spojin A. M. Butlerova.

Teorijo o kemijski strukturi organskih spojin, ki jo je predstavil A. M. Butlerov v drugi polovici prejšnjega stoletja (1861), so potrdila dela mnogih znanstvenikov, vključno z učenci Butlerova in njim samim. Izkazalo se je, da je na njegovi podlagi mogoče razložiti številne pojave, ki do takrat niso imeli nobene razlage: homologijo, manifestacijo štirivalentnosti ogljikovih atomov v organskih snoveh. Teorija je izpolnila tudi svojo napovedno funkcijo: na njeni podlagi so znanstveniki napovedali obstoj še neznanih spojin, opisali njihove lastnosti in jih odkrili. Torej, v letih 1862–1864. A. M. Butlerov je preučil propilne, butilne in amilne alkohole, določil število možnih izomerov in izpeljal formule teh snovi. Njihov obstoj je bil pozneje eksperimentalno dokazan, nekatere izomere pa je sintetiziral sam Butlerov.

Med 20. stol. določbe teorije kemijske strukture kemičnih spojin so bile razvite na podlagi novih pogledov, ki so se razširili v znanosti: teorija atomske zgradbe, teorija kemijskih vezi, ideje o mehanizmih kemijskih reakcij. Trenutno je ta teorija univerzalna, to pomeni, da velja ne le za organske snovi, ampak tudi za anorganske.

Prvi položaj. Atomi v molekulah so združeni v določenem vrstnem redu glede na njihovo valenco. Ogljik v vseh organskih in večini anorganskih spojin je štirivalenten.

Očitno je zadnji del prvega položaja teorije mogoče enostavno razložiti z dejstvom, da so v spojinah ogljikovi atomi v vzbujenem stanju:

Štirovalentni atomi ogljika se lahko med seboj kombinirajo in tvorijo različne verige:

Vrstni red povezovanja ogljikovih atomov v molekulah je lahko različen in je odvisen od vrste kovalentne kemične vezi med ogljikovimi atomi - enojne ali večkratne (dvojne in trojne):

Drugi položaj. Lastnosti snovi niso odvisne samo od njihove kvalitativne in kvantitativne sestave, ampak tudi od zgradbe njihovih molekul.

Ta položaj pojasnjuje pojav.

Snovi, ki imajo enako sestavo, a različno kemijsko ali prostorsko strukturo in s tem različne lastnosti, imenujemo izomeri.

Glavne vrste:

Strukturna izomerija, pri kateri se snovi razlikujejo po vrstnem redu vezave atomov v molekulah: ogljikov skelet

pozicije večkratnih obveznic:

poslanci

položaji funkcionalnih skupin

Tretji položaj. Lastnosti snovi so odvisne od medsebojnega vpliva atomov v molekulah.

Na primer, v ocetni kislini samo eden od štirih vodikovih atomov reagira z alkalijo. Na podlagi tega lahko domnevamo, da je samo en vodikov atom vezan na kisik:

Po drugi strani pa lahko iz strukturne formule ocetne kisline sklepamo, da vsebuje en mobilni atom vodika, to je, da je enobazna.

Glavne smeri razvoja teorije strukture kemičnih spojin in njen pomen.

V času A. M. Butlerova je bila organska kemija široko uporabljena

empirične (molekularne) in strukturne formule. Slednje odražajo vrstni red povezovanja atomov v molekuli glede na njihovo valenco, ki je označena s črticami.

Zaradi lažjega zapisa se pogosto uporabljajo skrajšane strukturne formule, v katerih pomišljaji označujejo le vezi med ogljikovimi atomi ali ogljikom in kisikom.

In vlakna, katerih izdelki se uporabljajo v tehniki, vsakdanjem življenju, medicini in kmetijstvu. Pomen teorije kemijske zgradbe A. M. Butlerova za organsko kemijo je mogoče primerjati s pomenom periodičnega zakona in periodnega sistema kemičnih elementov D. I. Mendelejeva za anorgansko kemijo. Ni zaman, da imata obe teoriji toliko skupnega v načinih nastanka, smeri razvoja in splošnem znanstvenem pomenu.

Največji dogodek v razvoju organske kemije je bilo ustvarjanje velikega ruskega znanstvenika leta 1961. A.M. Butlerov teorije kemijske zgradbe organskih spojin.

Pred A.M. Butlerov je menil, da je nemogoče poznati strukturo molekule, to je vrstni red kemičnih vezi med atomi. Mnogi znanstveniki so celo zanikali resničnost atomov in molekul.

A.M. Butlerov je to mnenje zanikal. Prišel je s pravega mesta materialistični in filozofske ideje o resničnosti obstoja atomov in molekul, o možnosti spoznavanja kemijske vezi atomov v molekuli. Pokazal je, da je strukturo molekule mogoče ugotoviti eksperimentalno s preučevanjem kemijskih transformacij snovi. Nasprotno, če poznamo strukturo molekule, lahko sklepamo o kemijskih lastnostih spojine.

Teorija kemijske zgradbe pojasnjuje raznolikost organskih spojin. To je posledica sposobnosti štirivalentnega ogljika, da tvori ogljikove verige in obroče, se povezuje z atomi drugih elementov in prisotnosti izomerizma v kemični strukturi organskih spojin. Ta teorija je postavila znanstvene temelje organske kemije in razložila njene najpomembnejše zakonitosti. Osnovna načela njegove teorije A.M. Butlerov ga je orisal v svojem poročilu "O teoriji kemijske strukture".

Glavna načela teorije strukture so naslednja:

1) v molekulah so atomi med seboj povezani v določenem zaporedju v skladu z njihovo valenco. Vrstni red, v katerem se atomi vežejo, se imenuje kemijska struktura;

2) lastnosti snovi niso odvisne samo od tega, kateri atomi in v kakšni količini so vključeni v njeno molekulo, temveč tudi od vrstnega reda, v katerem so med seboj povezani, to je od kemijske strukture molekule;

3) atomi ali skupine atomov, ki tvorijo molekulo, medsebojno vplivajo drug na drugega.

V teoriji kemijske zgradbe se veliko pozornosti posveča medsebojnemu vplivu atomov in skupin atomov v molekuli.

Kemijske formule, ki prikazujejo vrstni red, v katerem so atomi združeni v molekule, se imenujejo strukturne formule oz formule strukture.

Pomen teorije kemijske strukture A.M. Butlerova:

1) je najpomembnejši del teoretične osnove organske kemije;

2) po pomembnosti ga lahko primerjamo s periodnim sistemom elementov D.I. Mendelejev;

3) omogočila je sistematizacijo ogromne količine praktičnega gradiva;

4) je omogočilo vnaprejšnjo napoved obstoja novih snovi in ​​navedlo načine za njihovo pridobitev.

Teorija kemijske strukture služi kot vodilna osnova za vse raziskave v organski kemiji.

12 fenoli, hidroksi derivati aromatske spojine, ki vsebuje eno ali več hidroksilnih skupin (–OH), vezanih na ogljikove atome aromatskega jedra. Glede na število OH skupin ločimo enoatomske spojine, na primer oksibenzen C 6 H 5 OH, običajno imenovan preprosto fenol, hidroksitolueni CH 3 C 6 H 4 OH - tako imenovani krezoli, oksinaftaleni – naftoli, dvoatomni, na primer dioksibenzeni C 6 H 4 (OH) 2 ( hidrokinon, pirokatehin, resorcinol), poliatomski, na primer pirogalol, floroglucinol. F. - brezbarvni kristali z značilnim vonjem, manj pogosto tekočine; zelo topen v organskih topilih (alkohol, eter, ensol). Fosfor ima kisle lastnosti in tvori soli podobne produkte - fenolate: ArOH + NaOH (ArONa + H 2 O (Ar je aromatski radikal). Alkilacija in acilacija fenolatov vodi do fosforjevih estrov - enostavnega ArOR in kompleksnega ArOCOR (R je organski radikal). Estre lahko dobimo z neposredno interakcijo fosforja s karboksilnimi kislinami, njihovimi anhidridi in kislinskimi kloridi. Pri segrevanju fenolov s CO 2 nastanejo fenolne kisline, npr. salicilna kislina. Za razliko od alkoholi, se hidroksilna skupina F. z veliko težavo nadomesti s halogenom. Elektrofilna substitucija v fosforjevem jedru (halogeniranje, nitriranje, sulfonacija, alkilacija itd.) Se izvaja veliko lažje kot v nesubstituiranih aromatskih ogljikovodikih; nadomestne skupine so poslane na orto- In par-položaj v skupini OH (glej. Pravila orientacije). Katalitično hidrogeniranje F. vodi do alicikličnih alkoholov, na primer C 6 H 5 OH se reducira na cikloheksanol. Za F. so značilne tudi kondenzacijske reakcije, na primer z aldehidi in ketoni, ki se uporabljajo v industriji za proizvodnjo fenolnih in resorcinol-formaldehidnih smol, difenilolpropana in drugih pomembnih izdelkov.

Fosfate pridobivamo na primer s hidrolizo ustreznih halogenskih derivatov, alkalnim taljenjem arilsulfonskih kislin ArSO 2 OH in izoliramo iz premogovega katrana, katrana rjavega premoga itd. Fizika je pomembna surovina pri proizvodnji različnih polimerov, lepil , barve in laki, barvila in zdravila (fenolftalein, salicilna kislina, salol), površinsko aktivne snovi in ​​dišave. Nekateri F. se uporabljajo kot antiseptiki in antioksidanti (na primer polimeri, mazalna olja). Za kvalitativno identifikacijo železovega klorida se uporabljajo raztopine železovega klorida, ki z železovo kislino tvorijo obarvane produkte. F. so strupeni (glej Odpadne vode.).

13 Alkani

splošne značilnosti

Ogljikovodiki so najpreprostejše organske spojine, sestavljene iz dveh elementov: ogljika in vodika. Nasičeni ogljikovodiki ali alkani (mednarodno ime) so spojine, katerih sestava je izražena s splošno formulo C n H 2n+2, kjer je n število ogljikovih atomov. V molekulah nasičenih ogljikovodikov so ogljikovi atomi med seboj povezani s preprosto (enojno) vezjo, vse ostale valence pa so nasičene z vodikovimi atomi. Alkane imenujemo tudi nasičeni ogljikovodiki ali parafini (izraz "parafini" pomeni "nizka afiniteta").

Prvi član homologne vrste alkanov je metan CH4. Končnica -an je značilna za imena nasičenih ogljikovodikov. Sledijo etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, butan C 4 H 10. Začenši s petim ogljikovodikom, je ime sestavljeno iz grške številke, ki označuje število ogljikovih atomov v molekuli, in končnice -an. To je pentan C 5 H 12 heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan C 9 H 20, dekan C 10 H 22 itd.

V homologni seriji opazimo postopno spremembo fizikalnih lastnosti ogljikovodikov: povečata se vrelišče in tališče, poveča se gostota. Pri normalnih pogojih (temperatura ~ 22°C) so prvi štirje člani niza (metan, etan, propan, butan) plini, od C 5 H 12 do C 16 H 34 so tekočine, od C 17 H 36 pa so trdne snovi.

Alkani, začenši s četrtim članom serije (butan), imajo izomere.

Vsi alkani so nasičeni z vodikom do meje (največ). Njihovi ogljikovi atomi so v stanju sp 3 hibridizacije, kar pomeni, da imajo enostavne (enojne) vezi.

Nomenklatura

Imena prvih desetih članov serije nasičenih ogljikovodikov so že podana. Da bi poudarili, da ima alkan ravno ogljikovo verigo, se imenu pogosto doda beseda normal (n-), na primer:

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3

n-butan n-heptan

(normalni butan) (normalni heptan)

Ko atom vodika odstranimo iz molekule alkana, nastanejo enovalentni delci, imenovani ogljikovodikovi radikali (skrajšano R). Imena enovalentnih radikalov izhajajo iz imen ustreznih ogljikovodikov, pri čemer se končnica –an nadomesti z –il. Tu so ustrezni primeri:

Radikalov ne tvorijo le organske, ampak tudi anorganske spojine. Torej, če dušikovi kislini odštejete hidroksilno skupino OH, dobite monovalentni radikal - NO 2, imenovan nitro skupina itd.

Ko iz molekule ogljikovodika odstranimo dva atoma vodika, dobimo dvovalentne radikale. Njihova imena izhajajo tudi iz imen ustreznih nasičenih ogljikovodikov, pri čemer je končnica -an nadomeščena z -iliden (če so vodikovi atomi ločeni od enega ogljikovega atoma) ali -ilen (če vodikovi atomi odstranijo iz dveh sosednjih ogljikovih atomov) . Radikal CH 2 = se imenuje metilen.

Imena radikalov se uporabljajo v nomenklaturi mnogih derivatov ogljikovodikov. Na primer: CH 3 I - metil jodid, C 4 H 9 Cl - butil klorid, CH 2 Cl 2 - metilen klorid, C 2 H 4 Br 2 - etilen bromid (če so atomi broma vezani na različne atome ogljika) ali etiliden bromid (če so atomi broma vezani na en atom ogljika).

Za poimenovanje izomerov se široko uporabljata dve nomenklaturi: stara – racionalna in sodobna – nadomestna, ki jo imenujemo tudi sistematična ali mednarodna (predlaga Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo IUPAC).

Po racionalni nomenklaturi se ogljikovodiki štejejo za derivate metana, v katerih je eden ali več vodikovih atomov nadomeščenih z radikali. Če se isti radikali večkrat ponovijo v formuli, so označeni z grškimi številkami: di - dva, tri - tri, tetra - štiri, penta - pet, heksa - šest itd. Na primer:

Racionalna nomenklatura je primerna za manj zapletene povezave.

Po substitucijski nomenklaturi ime temelji na eni ogljikovi verigi, vsi drugi fragmenti molekule pa se štejejo za substituente. V tem primeru je izbrana najdaljša veriga ogljikovih atomov in atomi verige so oštevilčeni od konca, ki mu je ogljikovodikov radikal najbližji. Nato imenujejo: 1) številko ogljikovega atoma, na katerega je radikal povezan (začenši z najpreprostejšim radikalom); 2) ogljikovodik, ki ima dolgo verigo. Če formula vsebuje več enakih radikalov, potem pred njihovimi imeni navedite število z besedami (di-, tri-, tetra- itd.), Številke radikalov pa so ločene z vejicami. Tukaj je, kako naj se heksanski izomeri imenujejo v skladu s to nomenklaturo:

Tukaj je bolj zapleten primer:

Tako nadomestna kot racionalna nomenklatura se uporabljata ne samo za ogljikovodike, ampak tudi za druge razrede organskih spojin. Za nekatere organske spojine se uporabljajo zgodovinsko uveljavljena (empirična) ali ti trivialna imena (mravljinčna kislina, žveplov eter, sečnina itd.).

Pri pisanju formul izomerov je zlahka opaziti, da atomi ogljika v njih zasedajo različne položaje. Atom ogljika, ki je vezan le na en atom ogljika v verigi, se imenuje primarni, na dva sekundarni, na tri terciarni in na štiri kvarternarni. Tako sta na primer v zadnjem primeru ogljikova atoma 1 in 7 primarna, 4 in 6 sekundarna, 2 in 3 terciarna, 5 kvartarna. Lastnosti atomov vodika, drugih atomov in funkcionalnih skupin so odvisne od tega, ali so vezani na primarni, sekundarni ali terciarni atom ogljika. To je vedno treba upoštevati.

potrdilo o prejemu. Lastnosti.

Fizične lastnosti. V normalnih pogojih so prvi štirje člani homolognega niza alkanov (C 1 - C 4) plini. Običajni alkani od pentana do heptadekana (C 5 - C 17) so tekočine, od C 18 naprej pa so trdne snovi. Ko se število ogljikovih atomov v verigi poveča, tj. Z večanjem relativne molekulske mase se povečujeta vrelišče in tališče alkanov. Z enakim številom ogljikovih atomov v molekuli imajo razvejani alkani nižja vrelišča kot običajni alkani.

Alkani so praktično netopni v vodi, saj so njihove molekule nizkopolarne in ne interagirajo z molekulami vode, dobro se topijo v nepolarnih organskih topilih, kot so benzen, ogljikov tetraklorid itd.

Glavna naravna vira alkanov sta nafta in zemeljski plin. Različne oljne frakcije vsebujejo alkane od C 5 H 12 do C 30 H 62. Zemeljski plin je sestavljen iz metana (95 %) s primesjo etana in propana.

Med sintetičnimi metodami za proizvodnjo alkanov lahko ločimo naslednje:

1. Pridobljeno iz nenasičenih ogljikovodikov. Interakcija alkenov ali alkinov z vodikom (»hidrogeniranje«) poteka v prisotnosti kovinskih katalizatorjev (Ni, Pd) pri
ogrevanje:

CH 3 -C≡CH + 2H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3.

2. Priprava iz halogeniranih vodnikov. Ko monohalogenirane alkane segrevamo s kovinskim natrijem, dobimo alkane z dvojnim številom ogljikovih atomov (Wurtzeva reakcija):

C 2 H 5 Br + 2Na + Br-C 2 H 5 → C 2 H 5 -C 2 H 5 + 2NaBr.

Ta reakcija se ne izvaja z dvema različnima halogeniranima alkanoma, ker povzroči zmes treh različnih alkanov

3. Priprava iz soli karboksilnih kislin. Ko brezvodne soli karboksilnih kislin spojimo z alkalijami, dobimo alkane, ki vsebujejo en ogljikov atom manj v primerjavi z ogljikovo verigo prvotnih karboksilnih kislin:

4.Pridobivanje metana. V električnem obloku, ki gori v vodikovi atmosferi, nastane znatna količina metana:

C + 2H 2 → CH 4.

Enaka reakcija se zgodi, ko ogljik segrejemo v atmosferi vodika na 400-500 °C pri povišanem tlaku v prisotnosti katalizatorja.

V laboratorijskih pogojih se metan pogosto pridobiva iz aluminijevega karbida:

Al 4 C 3 + 12H 2 O = ZSN 4 + 4Al (OH) 3.

Kemijske lastnosti. V normalnih pogojih so alkani kemično inertni. Odporni so na delovanje številnih reagentov: ne delujejo s koncentrirano žveplovo in dušikovo kislino, s koncentriranimi in staljenimi alkalijami, ne oksidirajo z močnimi oksidanti - kalijevim permanganatom KMnO 4 itd.

Kemijsko stabilnost alkanov pojasnjujejo visoka trdnost s-vezi C-C in C-H, pa tudi njihova nepolarnost. Nepolarne C-C in C-H vezi v alkanih niso nagnjene k ionskemu cepljenju, vendar so sposobne homolitičnega cepitve pod vplivom aktivnih prostih radikalov. Zato so za alkane značilne radikalne reakcije, ki povzročijo spojine, kjer so atomi vodika nadomeščeni z drugimi atomi ali skupinami atomov. Posledično alkani vstopijo v reakcije, ki potekajo po radikalnem substitucijskem mehanizmu, označenem s simbolom S R (iz angleščine substitution radicalic). Po tem mehanizmu se atomi vodika najlažje zamenjajo pri terciarnih, nato pri sekundarnih in primarnih atomih ogljika.

1. Halogeniranje. Pri reakciji alkanov s halogeni (klorom in bromom) pod vplivom UV sevanja ali visoke temperature nastane mešanica produktov mono- do polihalogensko substituiranih alkanov. Splošna shema te reakcije je prikazana na primeru metana:

b) Rast verige. Klor radikal odstrani vodikov atom iz molekule alkana:

Cl + CH 4 → HCl + CH 3

V tem primeru nastane alkilni radikal, ki odstrani atom klora iz molekule klora:

CH 3 + Cl 2 → CH 3 Cl + Cl

Te reakcije se ponavljajo, dokler se veriga v eni od reakcij ne prekine:

Cl + Cl → Cl 2, CH 3 + CH 3 → C 2 H 6, CH 3 + Cl → CH 3 Cl

Celotna reakcijska enačba:

Pri radikalskih reakcijah (halogeniranje, nitriranje) se najprej pomešajo atomi vodika pri terciarnih atomih ogljika, nato pri sekundarnih in primarnih atomih ogljika. To pojasnjujemo s tem, da se vez med terciarnim ogljikovim atomom in vodikom najlažje prekine homolitično (energija vezi 376 kJ/mol), nato sekundarna (390 kJ/mol) in šele nato primarna (415 kJ /mol).

3. Izomerizacija. Normalni alkani se lahko pod določenimi pogoji spremenijo v alkane z razvejano verigo:

4. Krekiranje je hemolitična cepitev C-C vezi, ki nastane pri segrevanju in pod vplivom katalizatorjev.
Pri krekiranju višjih alkanov nastanejo alkeni in nižji alkani, pri krekiranju metana in etana pa acetilen:

C 8 H 18 → C 4 H 10 + C 4 H 8,

2CH 4 → C 2 H 2 + ZN 2,

C 2 H 6 → C 2 H 2 + 2H 2.

Te reakcije so velikega industrijskega pomena. Na ta način se frakcije olja z visokim vreliščem (kurilno olje) pretvorijo v bencin, kerozin in druge dragocene produkte.

5. Oksidacija. Z blago oksidacijo metana z atmosferskim kisikom v prisotnosti različnih katalizatorjev lahko dobimo metilni alkohol, formaldehid in mravljično kislino:

Blaga katalitična oksidacija butana z atmosferskim kisikom je ena od industrijskih metod za proizvodnjo ocetne kisline:

t°
2C 4 H 10 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O.
mačka

Na zraku alkani zgorijo v CO 2 in H 2 O:

C n H 2n+2 + (3n+1)/2O 2 = nCO 2 + (n+1)H 2 O.

Alkeni

Alkeni (sicer olefini ali etilenski ogljikovodiki) so aciklični nenasičeni ogljikovodiki, ki vsebujejo eno dvojno vez med ogljikovimi atomi, ki tvorijo homologno vrsto s splošno formulo CnH2n. Ogljikovi atomi pri dvojni vezi so v stanju sp² hibridizacije.

Najenostavnejši alken je eten (C2H4). Po nomenklaturi IUPAC se imena alkenov tvorijo iz imen ustreznih alkanov z zamenjavo pripone “-ane” z “-ene”; Položaj dvojne vezi je označen z arabsko številko.

Homologne serije

Alkeni z več kot tremi ogljikovimi atomi imajo izomere. Za alkene je značilna izomerija ogljikovega skeleta, položaji dvojne vezi, medrazredni in geometrijski.

eten	C2H4
propen	C3H6
n-buten	C4H8
n-penten	C5H10
n-heksen	C6H12
n-hepten	C7H14
n-okten	C8H16
n-nonen	C9H18
n-decen	C10H20

Fizične lastnosti

Tališča in vrelišča naraščajo z molekulsko maso in dolžino ogljikovega ogrodja.
Pri normalnih pogojih so alkeni od C2H4 do C4H8 plini; od C5H10 do C17H34 - tekočine, po C18H36 - trdne snovi. Alkeni so netopni v vodi, vendar so dobro topni v organskih topilih.

Kemijske lastnosti

Alkeni so kemično aktivni. Njihove kemijske lastnosti so določene s prisotnostjo dvojne vezi.
Ozonoliza: alken se oksidira v aldehide (v primeru monosubstituiranih sosednjih ogljikov), ketone (v primeru disubstituiranih sosednjih ogljikov) ali zmes aldehida in ketona (v primeru trisubstituiranega alkena pri dvojni vezi) :

R1–CH=CH–R2 + O3 → R1–C(H)=O + R2C(H)=O + H2O
R1–C(R2)=C(R3)–R4+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(R4)=O + H2O
R1–C(R2)=CH–R3+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(H)=O + H2O

Ozonoliza v težkih pogojih - alken se oksidira v kislino:

R"–CH=CH–R" + O3 → R"–COOH + R"–COOH + H2O

Dvojna povezava:
CH2=CH2 +Br2 → CH2Br-CH2Br

Oksidacija s perkislinami:
CH2=CH2 + CH3COOOH →
oz
CH2=CH2 + HCOOH → HOCH2CH2OH