теория химического строения а.м. бутлерова

Органическая химия – это наука, изучающая соединения углерода, или её ещё называют химией соединений углерода.

Название «органическая химия» возникло ещё в середине XIX века, когда все соединения получались исключительно из растительных и животных организмов. В то время на химиков давила виталистическая догма. По всему миру организовывались международные конференции, например, в 1860 году в городе Карлсруэ итальянский ученый Канниццаро реанимировал закон Авогадро.

В основе современной органической химии лежит теория строения органических соединений (теория А.М. Бутлерова).

Органическая химия как наука.

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА

http://arkadiyzaharov.ru/studentu/chto-delat-studentam/organicheskaya-ximiya/

Основные положения теории строения органических соединений Бутлерова.

1. Атомы в молекулах соединяются в определённом порядке в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется строением.

2. Свойства веществ зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав молекулы, но и от их расположения. До Бутлерова в химии господствовала догма: «Состав определяет свойства». Эта догма ставила в тупик объяснение таких явлений как изомерия. В то же время в органической химии обнаружили, что одному составу соответствовало несколько разных веществ. Такое явление получило название изомерия.


После деятельности Бутлерова появилась другая догма: «Строение вещества определяет его свойства».

В органической химии:

Состав

Строение

Свойства

В неорганической химии:

Состав – строение – свойства

3. Атомы в молекулах (или группы атомов) взаимно влияют друг на друга, от чего собственно зависит реакционная способность в целом.


До Бутлерова существовали две теории:

Теория радикалов(автор Дюма)

Теория типов(автор Жерар)

Теория радикалов основана на представлении о том, что органические вещества существуют в виде установленных группировок, неизменно переходящих из одного соединения в другие, которые назывались радикалами.

В теории типов органические соединения производятся от определённого родоначальника неорганического вещества.


Отличие теории радикалов и теории типов состояло в том, что Бутлеров, несмотря на то, что пользовался старыми обозначениями, он предавал совершенно новый смысл химическому мировоззрению. Химическая формула – это формула строения (по Бутлерову). Она отображает не только состав, но и порядок.

В современной химии получили широкое использование 3 типа формул:

1.Эмпирические СН4 , С2Н6 , С2Н4 . Эмпирические

формулы отображают состав.H

HТип водорода

СH3

СH3

Диметил

Тип водорода

H

HВода

С2H3O

HO


2. 2. Структурные формулы отображают не только состав, но и порядок взаимной связи.

H H

H

H

С H

H

H

С

H

H

С H

С СH

H

H

H

Метан Этан

Этилен


3. Электронные формулы, в них чёрточка заменяется парой электронов. Чёрточка символизирует ковалентную химическую связь. Число чёрточек, соединённых с данным атомом, должно соответствовать его валентности.

H H

H

H

С

Метан Этан

∙∙

H

H

H

С С

H

H

H


∙∙

∙∙∙∙ ∙∙ ∙∙∙∙ ∙∙

∙∙

∙∙

∙∙

∙∙

∙∙

Элемент C H O N Cl S

Характерная валентность

4 1 2 3 1 2

Возможны также случаи, когда валентность может не совпадать с характеристической.

NH H

H

O++

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВА Характеристические валентности элементов


Электронный октет. Формулы Льюиса.

Ещё в 1916 г. Льюисом было выдвинуто представление о ковалентной связи как обобществленной паре электронов, а также о восьми электронной оболочке (электронном октете).

Комбинация из восьми электронов рассматривается как весьма стабильная.

В соответствии с этими представлениями при образовании молекул из атомов второго периода происходит заполнение внешней (валентной) электронной оболочки с образованием октета, состоящего из 4-х электронных пар, которые могут образовать ковалентные связи или находиться в виде неподелённых пар электронов.


ПРАВИЛО ОКТЕТА

«Атомы химических элементов стремятся к достижению такого состояния, в котором их внешняя электронная оболочка содержала бы 8е». Оболочка из 8е (электронный октет) очень устойчива. Подтверждением этому служит высокая химическая инертность атомов благородных газов, для которых: …ns2np6.

ПРАВИЛО ОКТЕТА

«Атомы химических элементов стремятся к образованию химических связей, т.к. это позволяет им приобрести электронную конфигурацию атомов благородных газов»


Октетная модель Льюиса оказалась удачной для описания строения органических соединений (большая часть которых построена из атомов элементов второго периода).

В основу составления структур (формул) Льюиса положен принцип: у всех элементов (кроме водорода) в валентной оболочке должно быть восемь электронов (4 пары).

В подобных формулах валентные электроны обозначают точками (иногда пару электронов ─ черточкой).

Cl

Cl C Cl

Cl

Cl

Cl C Cl

Cl

Структуры ЛьюисаСтруктуры (формулы) Льюиса представляют собой

электронные формулы, записанные с выполнением требования правила октета. Правило октета. Правило октета Льюиса требует, чтобы в валентной оболочке каждого атома в структуре имелось 8 электронов. Исключением служит водород, у которого наблюдается не октет, а дублет.

CCl4

Cl Cl

Cl

Cl

С. . . . . . . .

- структура Льюиса или С

- гомолитический разрыв

- гетеролитический разрыв

A

A

A

A+

B

B B−

B

.

.

. . +. .

+ . .


:

::

:

::

::

::

: :

Cl

:

::

Cl

:::

Cl:: :

Cl

:: :


(практическое занятие)

Задание:

Напишите структуры Льюиса для каждого из приведенных ниже соединений. Поставьте на всех атомах, которые не являются нейтральными, заряды соответствующего знака.

1. аммиак2. нитрит аммония3. цианистый водород4. озон (угол О-О-О 120)5. хлорная кислота6. H2O2

7. NH2OH

8. трехокись серы9. H2SO4

10. BF4

11. P4

12. оксид азота NO13. азотистоводородная кислота NH3

14. N2O (угол N-N-O 1800)

15. CH3CO2CH3

16. (CH2)5C(CHO)2

17. (CH3)C(CN)CH2Cl

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВАНапишите, приведенные ниже формулы

в виде структур Льюиса

1. CH3 ─ Br

2. CH3 ─ S ─ Cl

3. Cl ─ C N4. HN = NH5. (Cl)2C = O

6. H3C ─ O ─ C(O) ─ O ─CH3

7. H2N ─ C(S) ─NH2

8. CH3OH

9. CH3CH2OH

10. CH3NO2

11. HCOOH

12. PCl313. (CH3)3PO

14. CaCO3

15. H2C2O2

16. CH2 = CHCl

17. CH2CCl218. HC C ─ C CH19. BrCN20. (CH3)2C = O

21. CH2NH

Примеры структур Льюиса:

а) H : O : O : H б) : N N :

(на этом примере следует отметить 2 момента):

1. Правило октета соблюдается у элементов первого и второго периодов. Для элементов больших периодов (например S- и P-элементы) оно соблюдается не всегда.

в) H O S O H

: O :

. .

. .

: O :. .

. .

г) O S O

: O :

: O :-


::

::

:

: :

:

:

:

::

-


2.Второй момент связан с недостатком изобразительных средств структурной теории, имея в виду, что в случае таких частиц как SO4

2- на самом

деле можно предложить не одну, а несколько структур Льюиса; в подобном случае эти структуры будут показывать некие предельные, ( канонические, граничные) структуры, которые на самом деле не реализуются.

Реальная частица представляет собой гибрид из граничных структур.

Т.к. органические вещества состоят из С, H, N, O, Cl, то правило октета для них соблюдается очень хорошо, для неорганических частиц оно может нарушаться, т.к. у d- и f-элементов также могут принимать участие электроны предвнешних энергетических уровней.

Концепция резонанса

Согласно теории резонанса, реальные ионы SO4

2-

представляют собой эти шесть граничных структур:

: O :

S

: O :. .O. .

. .O. .

: O :

S

: O :. .O. .

. .O. .

: O :

S

: O :

. .O

. .

. .: O. .: O :

S

: O :. .O :. .

. .: O. .

: O :

S

: O :. .O :. .

. .O. .

: O :

S

: O :. .O :. .

. .O. .

: O :

S

: O :. .O. .

. .: O. .

. .

. .

. .

. .

. .. .

: :::

:

:

::

: : :

:S

2-

Классификация органических соединений.

Существуют различные принципы классификации органических соединений с точки зрения строения углеродного скелета органические соединения можно разделить на 2 большие группы:

1. Соединения с открытой цепью углеродных атомов (их называют соединения жирного ряда)

С СС СС


2. Соединения с замкнутой углеродной цепью (их называют циклическими):

Карбоциклические(в цикле только атом «С»)

Гетероциклические (циклы содержащие двухва-лентный элемент (O, S, N)

Алициклический ряд

Ароматический ряд

N

H

СH2

СH2

СH2

СH2

H2С

H2С

СH

СH

СH

СH

HС

HС

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

пиррол бензолциклогексан

КЛАССЫ

1. R – H - углеводороды (Сn H2n+2 , Сn H2n , Сn

H2n-2)

2. R – Hal – галогенопроизводные 3. R – OH – спирты4. R – COOH – карбоновые кислоты5. R – COH – альдегиды 6. R – C – R – кетоны

7.R – O – R , R – COOR – простые и сложные эфиры8. R – NH2 , R – NH – R , R – N – R - амины

9. R – NO2 – нитросоединение

Каждый из этих рядов может подразделяться на классы в зависимости от функциональных групп.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

О

R – C – R

ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙОрганические соединения обладают целым рядом

особенностей, которые отличают их от других: многообразие, явление гомологии, изомерия, исключительно ковалентный характер химической связи, высокая биологическая роль (например, ферменты, гормоны, белки, углеводы и др. важнейшие биомолекулы).

В наше время, как известно, число органических соединений приближается к 15 миллионам.

КАКОВЫ ПРИЧИНЫ МНОГООБРАЗИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ?

Причин много, но все они связаны как и другие вышеперечисленные особенности с особенностями строения атома углерода.

1. Атомы углерода способны образовывать прочные ковалентные связи, соединяясь не только с атомами других элементов, но и между собой, образуя длинные цепи и циклы.

2. Четырёхковалентность атома углерода, что приводит к разветвлению углеродных цепей и к увеличению многообразия более сложных структур.

3. Способность атома углерода образовывать кратные связи (двойные и тройные). Для атома углерода возможно существование нескольких гибридных состояний. Гибридизация атомных орбиталей – смешивание разных по форме и энергии орбиталей, в результате чего возникают новые орбитали, но с одинаковой формой и энергией.

Гибридные орбитали принимают участие только в образовании σ-связи.

sp3- гибридизация sp2- гибридизация sp- гибридизация

Причины многообразия органических соединений(продолжение)

sp3 sp2

sp

109,4◦ 120◦180◦

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВАГИБРИДИЗАЦИЯ АО УГЛЕРОДА

Найдём тип гибридизации атомов углерода и кислорода в молекуле CO2.

1. Подсчитывают суммарное число объектов, с которыми связан данный атом, понимая под объектами другие атомы, окружающие данный атом, а также неподелённые электронные пары.

2. Если суммарное число таких объектов равно «4», то данный атом находится в sp3-гибридном состоянии, если «3», то – sp2 – гибридном состоянии, если «2», то – sp.

O С O

sp sp2sp2

е) O С O . .

. .

. .

. . з) H O N O

: O :+. .

. . . .

. .

. .

д) H O N O

. .

. . . .

. .. .

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВАОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ГИБРИДИЗАЦИИ

σ-связь – это связь, при которой перекрывание орбиталей вдоль оси связи

π-связь:

А В А В

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А.М. БУТЛЕРОВАСпособы перекрывания АО (ЭО) при образовании

ковалентной связи

Ось связи


Еще впервой половине XIX века было замечено, что многие органические вещества образуют ряды, в каждом из которых вещества обладают сходными химическими свойствами и отличаются друг от друга на одну или несколько групп CH2. Это явление было названо гомологией (Ш. Жерар,1844 г.).

Гомологи - вещества, обладающие сходными химическими свойствами и отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп CH2 . Было установлено, что гомология является естественным следствием цепеобразной связи атомов углерода. Поэтому можно дать определение:

Гомологи - это соединения, имеющие одинаковый функциональный характер, но отличающиеся числом углеродных атомов, входящих в состав их углеводородных радикалов.

ЯВЛЕНИЕ ГОМОЛОГИИ

Явление гомологии

Явление гомологии заключается в том, что многие органические вещества образуют ряды (классы), в каждом из которых вещества обладают сходными химическими свойствами (содержат одну и ту же функциональную группу) и отличаются по составу друг от друга на группу -СH2 – (гомологическая разность)

СН4 → С2Н6, С2H5OH → C3H7OH и т.д.

6 – гекс7 – гепт8 – окт9 – нон10 – дек

Номенклатура первых десяти представителей

1 – мет2 – эт3 – проп4 – бут5 – пент



Гомологический ряд алканов.

Название алкана

Формула Название радикала

Формула

метан CH4метил - CH3

этан C2H6этил - CH2 – CH3

пропан C3H8пропил - CH2 – CH2 – CH3

н-бутан C4H10бутил - C4H9

н-пентан C5H12пентил - C5H11

н-гексан C6H14гексил - C6H13

н-гептан C7H16гептил _ C7H15


Название алкана

Формула Название радикала

Формула

н-октан C8H18октил и т. д.

н-нонан C9H20нонил

н-декан C10H22децил

н-ундекан C11H24удецил

н-додекан C12H26додецил

…… -

н-алкан CnH2n+2алкил CnH2n+1

Гомологический ряд алканов.


Изомерия – явление существования веществ, имеющих одинаковый состав, но разные свойства.

Свое объяснение изомерия получила на основе теории строения А. М. Бутлерова.

Сегодня все типы изомерии органических соединений классифицируются следующим образом:

ИЗОМЕРИЯ

Изомерия

Для органических соединений очень широко распространено явление изомерии.

Изомерия

Структурная изомерия Пространственная изомерия



а) изомерия углеродного скелета

CH3 – CH2 – CH2 – CH3

бутан

CH3 – CH – CH3

CH3

изобутан

СТРУКТУРНАЯ ИЗОМЕРИЯ:


б) ИЗОМЕРИЯ ПОЛОЖЕНИЯ (бутен-1, бутен-2)

CH3 – CH2 – CH = CH2

бутен-1

CH3 – CH = CH – CH3

бутен-2

CH3 – CH2 – CH2 – CH2OH

бутанол-1

CH3 – CH2 – CH – CH3

OH

бутанол-2

в) ИЗОМЕРИЯ ВЗАИМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ:

CH3 – C – CH2 – CH2 – C – CH3

O O

CH3 – CH2 – C – C – CH2 – CH3

OO


МЕЖКЛАССОВАЯ ИЗОМЕРИЯ

C2H6O

CH3 – CH2 – OH CH3 – O – CH3

Этиловый спирт (Ткип =78,3◦ С)

Диметиловый эфир (Ткип =–23,6◦ С)

Наблюдается различие в свойствах


Изомерия взаимного расположения

OH

OH

OH

OH

OH

OH



C

C

CH2OH

C

C

C

H OH

H OH

H OH

OH H

H O

Глюкоза (альдегидная

форма)

C

C C

C

C OH

HO

H

OH

H

OH

OH

H

CH2OH

Глюкоза (циклическая

форма)

Динамическая изомерия (подвижная)

ДИНАМИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ (ПОДВИЖНАЯ)

CH3 – C = CH – C – OC2H5 CH3– C –СH2– C – OC2H5

O O OOH

Ацетоуксуный эфир(енольная форма)

Ацетоуксусный эфир(кето – форма)


ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗОМЕРИЯ

C = C H COOH

HOOC HC = C

COOHHOOC

HH

CH3 – CH – COOH

OH

*

*- асимметрический атом углерода

Фурамовая кислота(транс-изомер) Ткип =287◦ С

Фурамовая кислота(цис-изомер) Ткип =130◦ С

- геометрическая (цис-транс-изомерия)

- оптическая (зеркальная) изомерия


- ОПТИЧЕСКАЯ (ЗЕРКАЛЬНАЯ) ИЗОМЕРИЯ

COOH

H

OHCH3HO

COOH

H

CH3

Проекции Фишера

COOH

H OH

CH3

COOH

HO H

CH3


Documents

теория химического строения а.м. бутлерова