Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова и изомерия

Теория Бутлерова

Предпосылки возникновения

В 1860 году состоялся первый Международный съезд химиков в Карлсруэ, где ученые четко обозначили разницу между привычными для нас понятиями атома и молекулы. В это же время утвердили и атомно-молекулярное учение, которое позже легло в основу теории химического строения.

Чуть раньше, в 1853 году, английский химик Эдуард Франкленд ввел понятие «валентность», а спустя пять лет Фридрих Кекуле установил, что валентность углерода в органических соединениях равна четырем. К тому же Кекуле и Купер уже в 1857 году выдвигали предположения о том, что атомы углерода могут образовывать цепочки.

Однако у великих умов еще оставались вопросы. Например, как несколько химических элементов способны образовывать такое многообразие соединений? Или как вещества, имеющие одинаковую исходную формулу, могут иметь разные физические и химические свойства? Вот здесь-то и выдвинул свою теорию химического строения Александр Михайлович Бутлеров.

А. М. Бутлеров и его идеи

Александр Михайлович Бутлеров — великий русский химик, ученик Н. Н. Зинина, лауреат Ломоносовской премии и создатель теории химического строения органических веществ.

Еще в 1858 году на заседании Парижского химического общества Бутлеров, выступив с первым докладом, внес ясность в определение радикалов. Он утверждал, что радикалами следует считать не только органические группы атомов, но и характерные для различных классов сочетания атомов. Например, —OH или —NH2. Позже такие сочетания атомов получили название функциональных групп. В этом же докладе Александр Михайлович впервые употребил термин «структура».

В более развернутой и доработанной форме Бутлеров представил свою теорию на суд общественности в 1861 году в химической секции Съезда немецких естествоиспытателей и врачей. В его докладе «О химическом строении вещества» говорилось, что теоретическая сторона химии на текущий момент перестала отвечать фактическому развитию химии как науки. В частности, ученый отметил нестыковки в теориях, выдвинутых ранее.

Нужно сказать, что сам Бутлеров не формулировал теорию химического строения по пунктам: мысли на этот счет он выдвигал в различных статьях, они же пронизывают все его практические эксперименты.

Основные положения теории Бутлерова

С Бутлеровым мы познакомились, теперь пришло время познакомиться с основными положениями теории химического строения органических веществ:

1)    Атомы в молекулах соединены между собой химическими связями в соответствии с их валентностью.

Важно помнить.   Валентность углерода в органических соединениях равна 4.

2)    Атомы в молекулах органических веществ соединены в определенной последовательности, которую характеризует химическое строение молекулы.

Определенная последовательность соединений атомов в молекуле с учетом их валентностей называется химическим строением, которое, в свою очередь, отражают структурные формулы. А последовательное соединение атомов углерода друг с другом, образующее каркас молекулы, называется углеродным скелетом. Но есть одно но: структурные формулы не отражают пространственное расположение молекулы. Вот как можно изобразить строение одной и той же молекулы различными структурными формулами:

Структурные формулы чаще всего изображают в сокращенном виде, например CH3—CH2—CH2—CH3. Однако в сокращенном виде видна только связь «углерод — углерод» и не видны связи «углерод — водород» и «углерод — кислород».

Если в молекуле четыре атома углерода и более, то ее строение может быть не только линейным, но и разветвленным:

Давайте внимательно рассмотрим строение каждой молекулы. Атомы углерода одной из молекул связаны с одним или двумя соседними атомами углерода, как, например, в другой молекуле один из атомов углерода связан сразу с тремя атомами углерода. Отсюда можно предположить, что разному порядку связывания атомов при одинаковом количестве атомов углерода и водорода в данном случае должны соответствовать различные вещества с разными свойствами. Действительно, все так и есть:

Изомеры — это вещества, которые имеют одинаковый атомный состав, но различное химическое строение, а значит, и свойства. Явление существования различных форм веществ или изомеров называется изомерией.

Виды изомерии

Различают две большие категории изомерии: структурную и пространственную. Внутри каждой категории выделяют еще несколько разновидностей. Давайте рассмотрим каждую из них.

Структурная изомерия

Обусловлена разным порядком соединения атомов в составе молекулы. Делится на 4 вида, о каждом из которых мы сейчас расскажем.

Изомерия углеродного скелета обусловлена различным порядком связи между атомами углерода, за счет которых образуется скелет молекулы.

Важное условие

Для изомерии углеродного скелета нужно минимум четыре атома углерода.

Например, молекула состава C5H12 имеет несколько форм расположения в пространстве:

1)    Линейная молекула пентана

2)    Немного разветвленная молекула 2-метилбутана

3)    Еще более разветвленная молекула 2,2-диметалпропана

Как видно, количество углерода и водорода в этих молекулах абсолютно идентично, однако свойства отличаются колоссально. Например, температура кипения неопентана — 9,5 °С, изопентана — 27,7 °C, а линейной молекулы пентана — 36 °C.

Изомерия положения функциональных групп (заместителей) обусловлена различным положением заместителя или функциональной группы при одинаковом углеродном скелете молекулы. Такой вид изомерии можно реализовать при минимум трех атомах углерода. Рассмотрим на примерах:

 

 Сравним температуры кипения: пропанол-1 кипит при 97 °C, а его разветвленный брат — при температуре 82 °C. Уже второй пример демонстрирует, что для более разветвленной структуры характерны более низкие температуры кипения. Это связано с тем, что форма разветвленных молекул стремится к сферической, при этом площадь поверхности уменьшается, и в результате уменьшаются межмолекулярные силы, которые теперь преодолеваются при более низкой температуре.

Следующий вид структурной изомерии — это изомерия положения кратной связи. Она обусловлена различным положением кратной связи при одинаковом углеродном скелете молекулы. Его можно реализовать при наличии не менее четырех атомов углерода. Рассмотрим на примерах:

Температура кипения пентина-1 составляет 40,23 °C, а пентина-2 — 56,1 °C.

И последний вид структурной изомерии — межклассовая изомерия. Она обусловлена различным положением и сочетанием атомов в молекулах веществ, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но принадлежат к разным классам. Межклассовые изомеры имеют одинаковую общую формулу. Например, только алканы имеют общую формулу CnH2n+2, следовательно, межклассовых изомеров у них нет. А вот общую формулу CnH2n имеют как алкены, так и циклоалканы. Значит, алкены и циклоалканы — межклассовые изомеры по отношению друг к другу. Рассмотрим наглядный пример:

 

Оба соединения имеют формулу C6H12, однако одно принадлежит к алкенам, а другое к циклоалканам.

Пространственная изомерия

Обусловлена различным положением атомов в пространстве.

Частный случай пространственной изомерии — геометрическая или цис-транс-изомерия. Она характерна для соединений с кратными связями и циклических соединений. Такие изомеры имеют различные физические и химические свойства. У каждого атома углерода должны быть разные заместители, иначе такой вид изомерии не имеет смысла. Рассмотрим примеры геометрической изомерии.

 

Еще один вид пространственной изомерии — оптическая изомерия. Она характерна для веществ, у которых есть асимметрический атом с четырьмя различными заместителями. Молекулы оптических изомеров соотносятся друг с другом как объект и его зеркальное отражение. Руки, ноги, уши человека — тоже своего рода оптические изомеры. А вот пример оптических изомеров в органической химии:

Вопросы для самопроверки

1. Какая форма не относится к структурной изомерии?

А) Изомерия положения кратной связи.

Б) Межклассовая.

В) Изомерия положения функциональной группы.

Г) Оптическая.

2. К какому термину относится это определение: «Это явление существования веществ, у которых одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение и свойства»?

Тривиальная номенклатура.

Гомологический ряд.

Изомерия.

3. Какие формы относятся к пространственной изомерии?

Цис- и транс-изомерия.

Изомерия углеродного скелета и межклассовая изомерия.

Изомерия положения функциональной группы и изомерия кратной связи.

Транс-изомерия и изомерия углеродного скелета.

4. Какая характеристика не описывает оптическую изомерию?

При наложении двух оптических изомеров предмет и его зеркальное отражение совпадают.

Наличие асимметрического атома углерода.

У атома углерода четыре разных заместителя.

Одинаковое химическое строение, но различное положение атомов в пространстве.

5. Как определить, являются ли вещества межклассовыми изомерами?

Они из одного класса.

По названию.

По одинаковой общей формуле.

Это невозможно определить.

6. Геометрическая изомерия и цис-транс-изомерия — это…

Разные виды.

Один и тот же вид.

Ответы

d

c

a

a

c

b

Источник - Онлайн школа Skysmart: https://skysmart.ru/articles/chemistry/izomery

Разницу в температурах кипения при одинаковом количественном и качественном составе подтверждают литературные данные.

Все это приводит нас к такому понятию, как изомеры. Изомерами называют вещества с одинаковым количественным и качественным составом, но с разными физико-химическими свойствами, которые обусловлены различным строением. Явление существования различных форм веществ или изомеров называется изомерией. Об изомерах и изомерии мы уже рассказывали в нашем блоге.

3)    Свойства органических веществ зависят не только от числа и природы входящих в состав атомов, но и от химического строения молекулы. Зная строение вещества, можно охарактеризовать его свойства.

4)    В молекулах существует взаимное влияние как непосредственно связанных, так и не связанных между собой атомов.

Химическое строение вещества можно определить благодаря изучению его химических превращений.