Теорія будови органічних сполук. Залежність властивостей речовин від складу і хімічної будови молекул. Поняття про явище ізомерії та ізомери.

Ковалентні карбон-карбонові зв’язки у молекулах органічних сполук: простий, подвійний, потрійний.

Класифікація органічних сполук.

1. Передумови виникнення теорії хімічної будови органічних сполук.

Розвиток промисловості і торгівлі на початку XIX ст. ставив усе більші вимоги перед багатьма галузями науки, в тому числі й перед органічною хімією. Наприклад, треба було забезпечити текстильну промисловість барвниками. Для розвитку харчової промисловості потрібно було удосконалювати методи переробки сільськогосподарських продуктів. Необхідно було розв’язати проблему освітлення зростаючих міст на основі використання природних матеріалів, задовольнити потребу населення в лікарських речовинах. Почали розробляти нові методи синтезу органічних речовин.

Проте подальший розвиток органічної хімії почав уповільнюватись через відставання в ній теоретичних уявлень. До середини XIX ст. було накопичено достатньо експериментального матеріалу з органічної хімії: добуто багато сполук, вивчено їхній склад, досліджено закономірності перебігу окремих хімічних реакцій. Але нові явища, які відкривалися в процесі дослідження речовин, потребували систематизації і пояснення їх з єдиного погляду, однак на той час не було для цього належної теоретичної бази. Органічна хімія повинна була створювати нові речовини, але теоретичні знання не могли вказати шляхи їх цілеспрямованого синтезу. Потреба в нових теоретичних поглядах в органічній хімії була очевидною.

Насамперед в органічну хімію повільно вкорінювались ідеї атомно-молекулярного вчення, незважаючи на те, що вивчення органічних сполук засвідчило молекулярну будову більшості з них навіть у рідкому та твердому станах.

       Створенню її сприяли і певні успіхи у розвитку теоретичної хімії.

       У 50-ті роки XIX ст. завдяки працям вчених у науку ввійшло поняття про валентність. Були встановлені точні формули багатьох неорганічних і органічних сполук. У 1858 р. німецький вчений
Ф. А. Кекуле розвинув уявлення про чотиривалентність карбону. Одночасно з англійським хіміком А. С. Купером він висловив ідею про можливість атомів карбону зв’язуватися між собою, яка відіграла виключно важливу роль у розвитку теоретичних основ органічної хімії.

       Значною подією був Міжнародний конгрес хіміків у м.Карлсруе (1860 р.), де були розмежовані і чітко визначені поняття «атом» і «молекула», що дало змогу логічно перейти до хімічної будови.

2. Основні положення теорії хімічної будови органічних сполук О. М. Бутлерова.

Вирішальна роль у розвитку цієї теорії (1861) належить великому російському вченому Олександру Михайловичу Бутлерову. До появи його праць не приділялось належної уваги розміщенню атомів у молекулах, незважаючи на утвердження атомно-молекулярного вчення в хімії.

       О. М. Бутлеров детально розробив поняття про хімічну будову речовин (під яким розумів порядок зв’язку атомів у молекулі), встановив, що хімічна будова речовини визначає її властивості, і довів, що його теорія має велике значення у завбаченні нових речовин.

       О. М. Бутлеров сформулював основні ідеї теорії будови органічних сполук у вигляді таких положень:

       1. Атоми в молекулі сполучені один з одним у певній послідовності відповідно до їхньої валентності.

       2. Властивості речовин залежать не лише від того, які атоми і в якій кількості входять до складу молекул, а й від того, в якому порядку вони сполучені між собою, тобто від хімічної будови молекул.

       3. Атоми або групи атомів, які утворюють молекулу, взаємно впливають один на одного, що й зумовлює реакційну здатність молекули.

       4. Знаючи властивості органічних речовин, можна встановити їхню хімічну будову.

       Таким чином, теорія хімічної будови органічних сполук – це вчення про взаємний зв'язок, розміщення і взаємний вплив атомів у молекулах органічних речовин.

       В історії людства відомо небагато вчених, відкриття яких мають світове значення. У галузі органічної хімії такі заслуги належать
О. М. Бутлерову. Розроблена ним теорія не тільки пояснила будову молекул усіх відомих органічних речовин і їхні властивості, а й дала змогу теоретично передбачити існування невідомих і нових речовин, знайти способи їх синтезу. Пройшло більше 120 років з того часу, як була створена теорія хімічної будови органічних речовин
О. М. Бутлерова, але й тепер хіміки всіх країн використовують її в своїх працях. Найновіші досягнення науки поповнюють цю теорію, уточнюють і знаходять все нові підтвердження правильності її основних ідей.

     3. Значення теорії хімічної будови органічних сполук.

Синтез нових органічних речовин (барвники, полімери, лікарські препарати, засоби захисту рослин,...).

4. Ізомерія.

О. М. Бутлеров довів, що кожна молекула має певну хімічну будову, яка й визначає властивості речовини. Під хімічною будовою розуміють порядок сполучення атомів у молекулі й характер зв’язків між ними. Для зображення хімічної будови речовин використовують структурні формули. При написанні структурних формул органічних речовин виходять з того, що Карбон у них чотиривалентний, а між його атомами може утворюватись один, два чи три хімічних зв’язки.

Отже, у кожній структурній формулі атоми Карбону чотиривалентні, Оксигену двовалентні, а Гідрогену — одновалентні. Це відповідає основному положенню теорії будови органічних речовин: атоми в молекулах органічних речовин сполучені між собою хімічними зв’язками в чітко визначеній послідовності відповідно до їх валентності.

Структурні формули відображають послідовність сполучення атомів у молекулі, але не передають розташування атомів у просторі.

Наприклад, структурна формула н-пентану С₅Н₁₂ :

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃                                 СН₃ – СН₂ – СН₂

                                                                                               |      

                                                                                              СН₃

 

Ви бачите, що обидва записи ідентичні, оскільки кожний з п’яти атомів Карбону у наведених формулах сполучений з іншими одними й тими самими хімічними зв’язками і в однаковій послідовності. Чотиривалентний стан атомів Карбону в кожном у випадку досягнуто за рахунок зв’язків його атомів з атомами одновалентного Гідрогену. Незважаючи на різне розташування символів хімічних елементів один відносно одного — це формули однієї речовини.

Структурна формула — це формула речовини, що відображає послідовність сполучення атомів у молекулі. Її записують з дотриманням валентності хімічних елементів. Кожній речовині властива певна хімічна будова, а відповідно й одна структурна формула.

До створення теорії будови вважалось, що властивості сполук визначаються тільки їхнім складом. Цим твердженням неможливо було пояснити явище ізомерії – прояв різних властивостей речовин, що мають однаковий склад. О. М. Бутлеров довів, що властивості речовин залежать від хімічної будови їхніх молекул. Так, склад етилового спирту і диметилового етеру визначається однаковою емпіричною формулою С₂Н₆О. Проте властивості їх різні: етиловий спирт - рідина з температурою кипіння 78^oС, а диметиловий етер – газ, що зріджується при температурі - 23 ^oС.

         Речовини, які мають однакову молекулярну формулу, але різну хімічну будову й різні властивості, називаються ізомерами.

         У наведеному прикладі етиловий спирт і диметиловий етер – ізомери. Їхні структурні формули мають такий вигляд:

         СН₃ – СН₂ – О – Н                               СН₃– О – СН₃

         Наприклад, для речовини яка має молекулярну формулу С₄Н₁₀ (бутан) існує 2 ізомери, що і було практично доведено О. М. Бутлеровим:

 

         СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃            СН₃ – СН – СН₃

                                                                      |      

                                                                     СН₃

                    бутан                                      ізобутан

                 t_кип. -0,5°С                                t_кип. -11,7°С

 

Атоми Карбону у молекулі бутану, сполучаючись між собою, утворюють прямий ланцюг, у молекулі ізобутану – розгалужений (грец. «ізос» - однаковий).

Розглядаючи можливу будову пентану С₅Н₁₂, О. М. Бутлеров дійшов висновку, що повинні існувати три вуглеводні такого складу:

                                                                                                  СН₃

                                                                                                             |

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃    СН₃ – СН – СН₂ ‑ СН₃      СН₃ – С – СН₃  

                                                               |                                           | 

                                                              СН₃                                     СН₃

                 t_кип. 36°С                                t_кип. 28°С                     t_кип. 9,5°С

Усі ці речовини було добуто.

Кількість ізомерів зростає в міру збільшення кількості атомів карбону. Наприклад, бутан С₄Н₁₀ має 2 ізомери, вуглеводень С₁₀Н₂₂ – 75 ізомерів, С₁₃Н₂₈ – 208 ізомерів.

Всі зазначені випадки ізомерії звичайно відносять до структурної ізомерії. Крім неї, можлива просторова ізомерія, яка виникає внаслідок різного розташування окремих частин молекул у просторі. Просторова ізомерія також спричиняє відмінності у властивостях ізомерів.

         Отже, теорія хімічної будови пояснила причини різноманітності органічних сполук. Вони зумовлені здатністю чотиривалентного карбону утворювати ланцюги та кільця, сполучаючись між собою, а також наявністю ізомерії.

5. Хімічний звязок.

Вивчаючи хімію, ви ознайомилися з йонним, ковалентним, водневим зв’язком. В органічних сполуках реалізуються всі ці типи зв’язку. Найбільш поширеним є ковалентний зв’язок, оскільки майже всі органічні сполуки складаються з молекул, а в них атоми сполучені саме таким зв’язком.

а) ковалентний звязок.

Ковалентний зв’язок виникає між двома атомами внаслідок утворення однієї або кількох спільних електронних пар за рахунок неспарених електронів. Формуванню таких пар передує перекривання відповідних орбіталей.

Згідно з графічним варіантом електронної формули атома Карбону у ньому є лише два неспарених електрони. В органічних сполуках атом Карбону є завжди чотиривалентним. Таке значення валентності можливе, якщо атом має чотири неспарені електрони. При поглинанні атомом Карбону певної порції енергії один із 2 s-електронів переходить у вільну р-орбіталь, і кількість неспарених електронів зростає до чотирьох.

У молекулах насичених вуглеводнів — метану СН₄ та його гомологів ‑ кожний атом Карбону утворює з іншими атомами чотири прості ковалентні зв’язки.

Ковалентний зв’язок  поділяється на полярний (спільні пари електронів зміщені до більш електронегативного атома) і неполярний (без зміщення спільної електронної пари до одного з атомів).

Атоми Карбону і Гідрогену мало відрізняються за значенням електронегативності, тому ковалентний хімічний зв’язок С—Н у молекулах вуглеводнів має слабку полярність. Зв’язки атомів Карбону в карбоновому ланцюзі теж ковалентні неполярні чи слабкополярні (полярність виникає внаслідок взаємного впливу атомів чи груп атомів у молекулах). Залежно від кількості спільних електронних пар, між двома атомами Карбону може утворюватись одинарний, подвійний або потрійний ковалентний зв’язок.

Зазначимо, що в подвійному і потрійному карбон-карбонових зв’язках зв’язки нерівноцінні. У складі подвійного зв’язку один із зв’язків міцніший, а інший — слабкіший. У реакціях слабкіший зв’язок легко розривається і відбувається реакція приєднання. Цим зумовлюється висока хімічна активність органічних речовин з подвійним зв’язком атомів Карбону. У потрійному зв’язку один зі зв’язків міцніший, а решта два — слабкіші. Ці два слабкіших зв’язки легко руйнуються під час хімічних реакцій. Саме тому органічні речовини з потрійним зв’язком атомів Карбону (наприклад, етин) легко вступають в реакції приєднання. У молекулах органічної речовини утворення ще одного зв’язку зближує атоми Карбону, що сполучаються між собою. Найбільша довжина (як ви розумієте, вона вимірюється в нанометрах) одинарного (простого) хімічного зв’язку між атомами Карбону в алканах, дещо менша — подвійного зв’язку в алкенах, і ще менша — потрійного зв’язку в алкінах.

б) йонний звязок.

Йони із протилежними зарядами сполучаються один з одним. Так виникає йонний зв’язок. Він досить міцний. Органічних сполук, які складаються з йонів, дуже мало. Майже всі вони є солями. Серед них ‑ солі карбонових кислот, амінокислот. Органічні сполуки, що мають йонну будову, ‑ тверді речовини. Більшість їх розчиняється у воді.

в) водневий зв’язок.

Цей тип хімічного зв’язку реалізується між молекулами, в яких атоми Гідрогену сполучені з атомами найелектронегативніших елементів — Флуору, Оксигену, Нітрогену. Ви знаєте, що водневі зв’язки існують між молекулами води, спирту, оцтової кислоти, а також у водному розчині між молекулами води та молекулами будь-якої з названих сполук. Цей зв’язок позначають трьома крапками між відповідними атомами.

Хоча водневий зв’язок значно слабший за ковалентний і йонний, він істотно впливає на фізичні властивості речовин. Крім того, зв’язок цього типу бере участь у формуванні особливої будови молекул білків.

6. Класифікація органічних сполук.

Орієнтуватися у світі органічних речовин допомагає їх класифікація.

Класифікація — це процес і результат групування об’єктів дослідження чи спостереження за певними їх загальними ознаками.

Класифікація сполук за якісним (елементним) складом.

Органічні сполуки поділяються на вуглеводні, оксигеновмісні, нітрогеновмісні, галогеновмісні.

Класифікація сполук за особливостями зв’язку між атомами Карбону.

Органічні сполуки поділяються на насичені, ненасичені, ароматичні.

Молекули насичених сполук містять лише прості зв’язки між атомами Карбону, а ненасичених — ще й подвійні, потрійні зв’язки. У молекулах ароматичних сполук є карбонові цикли, в яких унаслідок чергування простих і подвійних зв’язків утворюється замкнена електронна система з рівномірно розподіленою електронною густиною. Органічні речовини також класифікують за будовою карбонового ланцюга. Молекули сполук одного типу мають відкритий карбоновий ланцюг — нерозгалужений або розгалужений. Сполуки іншого типу складаються з молекул циклічної будови.

Ще одним критерієм для класифікації органічних сполук (за винятком вуглеводнів) є наявність у молекулах певних груп атомів, які називають характеристичними, або функціональними, групами. Така група атомів зумовлює хімічні властивості, притаманні сполукам даного класу. Серед оксигеновмісних органічних сполук виокремлюють, наприклад, клас спиртів, клас карбонових кислот. У молекулах спиртів містяться, крім вуглеводневих залишків, гідроксильні групи (–ОН), а карбонових кислот — карбоксильні групи (–СООН). Молекули деяких сполук мають кілька різних характеристичних груп. Так, у молекулі амінооцтової кислоти
Н₂N–СН₂–СООН є аміногрупа (–NН₂) і карбоксильна група (–СООН). Органічні сполуки, молекули яких містять сотні й тисячі атомів Карбону, називають високомолекулярними. Крохмаль, целюлоза, білки є природними високомолекулярними сполуками, а поліетилен належить до синтетичних високомолекулярних сполук.