В най-общ и систематичен вид теорията за химическата структура (съкратено TCS) е формулирана за първи път от руския химик А. М. Бутлеров през 1861 г. и впоследствие е разработена и допълнена от него и неговите ученици и последователи (предимно В. В. Марковников, А. М. Зайцев и други), както и от много чуждестранни химици (J. G. van't Hoff, J. A. Le Bel и др.).
Нека разгледаме основните положения на класическата TCS и да ги коментираме от гледна точка на съвременната структурна химия.
1. Всеки атом в една молекула е способен да образува определен брой химични връзки с други атоми.
Още през първата половина на XIX век. в химията се формират представи за способността на атомите да се комбинират помежду си в определени взаимоотношения. Според Бутлеров всеки атом „се ражда с определено количество сила, която произвежда химически явления (афинитети). В химично съединениеизразходван ... част от тази сила или цялото й количество. Това подчертава две особености на междуатомното химическо взаимодействие: а) дискретност - целият присъщ афинитет на атома трябваше да бъде съставен от отделни части или, според Бутлеров, „отделни единици на химическа сила“, което беше ясно изразено чрез символиката на валентните щрихи (например H-O-H, H-C≡N и др.), където всеки удар характеризира една химическа връзка; б) насищане - броят на химическите връзки, образувани от атом, е ограничен, поради което има например такива неутрални молекулярни системи с различна стабилност като CH, CH2, CH3, CH4, но няма молекули CH5, CH6, и т.н.
Количествена мярка за способността на атома да образува химични връзки е неговата валентност. Формиране през 1850 г концепции за валентност и химическа връзкапослужи като най-важната предпоставка за създаването на TCS. Въпреки това, преди началото на XX век. физическото значение на валентния ход, а оттам и естеството на химичната връзка и валентността, остават неясни, което понякога води до парадокси. И така, изучавайки свойствата на ненаситените въглеводороди, Бутлеров приема през 1870 г. идеята на немския химик Е. Ерленмайер за съществуването на множествени връзки в тях. Междувременно остана неясно защо множествената връзка се оказа по-малко силна (склонна към реакции на добавяне) от единичната връзка (която не влиза в тези реакции). Имаше и други индикации, че някои или всички химични връзки в молекулата не са с еднаква стойност.
Със създаването на квантовата химия стана ясно, че по правило двуцентрова двуелектронна връзка съответства на всеки валентен ход и че химическите връзки могат да се различават по енергия, дължина, полярност, поляризуемост, ориентация в пространството, множественост и др. (виж Химическа връзка) .
Концепцията за химическа връзка включва разделянето на атомите на молекулата на химически свързани и химически несвързани (виж фиг.), От което следва втората позиция на TCS.
H / O \ H Химически свързани атоми
Химически несвързани атоми
2. Атомите в една молекула са свързани помежду си в определен ред, според тяхната валентност. Именно „редът на химичното взаимодействие“ или, с други думи, „методът на взаимно химично свързване“ на атомите в молекулата, Бутлеров нарече химическа структура. В резултат на това химическата структура, ясно изразена от структурната формула (понякога наричана също графика, а в последните години- топологичен), показва кои двойки атоми са химически свързани и кои не, т.е. химичната структура характеризира топологията на молекулата (виж Молекула). В същото време Бутлеров изрично подчерта, че всяко съединение отговаря само на една химична структура и следователно само на една структурна (графична) формула.
Разглежданата разпоредба на TCS е общовалидна днес. Въпреки това, първо, не винаги е така молекулярна структураможе да се предаде с една класическа структурна формула (виж Бензен), второ, в нетвърдите молекули редът на връзката на атомите може спонтанно да се промени и доста бързо (виж Молекула), и, трето, съвременната химия е открила широк спектър от молекули с "необичайни" структури (да речем, в някои карборани въглеродният атом е свързан с пет съседни атома).
3. Физически и Химични свойствасъединенията се определят както от техния качествен и количествен състав, така и от химичната им структура, както и от естеството на връзките между атомите.
Тази разпоредба е централна за TCS. Именно неговото твърдение по химия представляваше основната научна заслуга на Бутлеров. От тази позиция следват редица важни следствия: обяснението на изомерията чрез разликата в химическата структура на изомерите, идеята за взаимното влияние на атомите в молекулата и значението и значението на структурните формули на молекулите е също разкри.
През 1874 г. TCS е обогатен със стереохимични концепции (вижте Стереохимия), в рамките на които е възможно да се обяснят явленията на оптичната, геометричната и конформационната изомерия (вижте Изомерия).
В съвременната химия терминът "структура на молекула" се разбира "по три начина: а) като химическа структура (т.е. топологията на молекула); б) като пространствена структура, характеризираща подреждането и движението на ядрата в пространството в) като електронна структура (виж Молекула, химическа връзка).
По този начин основната позиция на TCS, от съвременна гледна точка, може да бъде представена по следния начин: физичните и химичните свойства на съединенията се определят от техния количествен и качествен елементен състав, както и от химическия (топологичен), пространствен (ядрен). ) и електронната структура на техните молекули.
4. Химичната структура може да бъде изследвана чрез химични методи, т.е. анализ и синтез.
Развивайки тази позиция, Бутлеров формулира редица правила за "разпознаване на химическата структура" и ги прилага широко в експерименталната си работа.
В момента структурата на молекулите се изучава както химически, така и физически методи(вижте Спектрален анализ).
5. Включените в молекулата атоми, както химически свързани, така и несвързани, оказват определено влияние един върху друг, което се проявява в реактивността на отделните атоми и връзките на молекулата, както и в другите й свойства.
TCS, както всяка научна теория, се основава на някои моделни концепции, които имат определена област на приложимост и отразяват само определени аспекти на реалността. Така че, говорейки за TCS, не бива да забравяме, че в действителност една молекула е единна интегрална система от ядра и електрони и разделянето на отделни атоми, функционални групи, химични връзки, несподелени електронни двойки и т.н. в нея е приблизително. Но веднага след като това приближение се оказа ефективно при решаването на различни химически проблеми, то стана широко разпространено. В същото време теоретичното, психическо разчленяване, структуриране на обект (молекула) интегрално в природата ни принуждава да въвеждаме допълнителни идеи в теорията, като се има предвид факта, че избраните молекулни фрагменти (атоми, връзки и т.н.) са действително свързани и взаимодействат помежду си. За тази цел е създадена концепцията за взаимното влияние на атомите (VVA).
Свойствата и състоянието на всеки атом или функционална група на молекула се определят не само от тяхната природа, но и от околната среда. Например, въвеждането на ОН група в молекула може да доведе до различни резултати:
Следователно, когато изучават естеството и интензивността на влиянието на различни заместители върху свойствата на молекулата, те постъпват по следния начин: разглеждат реакционната серия, т.е. редица съединения от един и същи тип, които се различават едно от друго или в присъствието на заместител или в подреждането на множество връзки, например: CH2=CH-CH=CH-CH3, H2C=CH-CH2-CH=CH2 и т.н., или според някои други детайли на структурата. В същото време се изследва способността на веществата от тази серия да участват в един и същи тип реакции, например, те изучават бромирането на фенол и бензол. Наблюдаваните разлики са свързани с влиянието на различни заместители върху останалата част от молекулата.
Що се отнася до органичните съединения, една от техните характерни особености е способността на заместителя да прехвърля своето влияние върху вериги от ковалентно свързани атоми (виж Химическа връзка). Разбира се, заместителите също се влияят от останалата част от молекулата. Прехвърлянето на влиянието на заместителя върху a- и l-връзките води до промяна в тези връзки. Ако влиянието на заместителите се предава с участието на а-връзки, тогава се казва, че заместителят проявява индуктивен или I-ефект. Ако във веригата има π-връзки, те също са поляризирани (π-ефект). Освен това, ако веригата има система от конюгирани множествени връзки (-C=C-C=C-) или заместител с несподелена електронна двойка с множествена връзка (CH3-O-CH=CH2) или с ароматно ядро, тогава пренасянето на влияние се осъществява по протежение на системата от π-връзки (ефект на конюгиране, или C-ефект), докато електронният облак е частично изместен в областта на съседната σ-връзка. Например, заместители като -Br, -Cl, -OH, -NH2, имащи несподелени електронни двойки, са π-електронни донори. Затова се казва, че имат +C-ефект. В същото време те изместват електронната плътност към себе си по σ-връзките, т.е. имат -I-ефекта. За -Br, -Cl преобладава I-ефектът, за -OH и -NH2-, напротив, +C-ефектът. Следователно, да речем, във фенола, π-електронната плътност на бензеновото ядро е по-голяма, отколкото в бензола, което улеснява възникването на реакции на електрофилно заместване във фенола (в сравнение с бензола).
Теорията на химическата структура също се използва широко в органична химия, особено след създаването от А. Вернер през 1893 г. на координационната теория (вижте Координационни съединения).
Основните положения на теорията за химичната структура на органичните съединения са формулирани от професора от Казанския университет А. М. Бутлеров през 1861 г.
- Атомите в молекулите са свързани в строго определен ред в съответствие с валентността на елементите.
- Свойствата на веществата зависят не само от техния количествен и качествен състав, но и от реда, в който са свързани атомите в молекулите, т.е. от химическата структура.
- Атомите в молекулите си влияят взаимно.
- Свойствата на веществата се определят от тяхната структура и, обратно, знаейки структурата, човек може да предскаже свойства.
- Химичната структура на веществата може да се установи чрез химични методи.
Теорията за химическата структура на A.M. Бутлеров е претърпял еволюция, най-важните посоки на която са:
- Появата на електронни теории в органичната химия, което направи възможно да се формулира зависимостта на химическото поведение органична материяот електронната структура.
- Стереохимични представи, които определят връзката между химичните свойства на веществата и пространствената структура.
Характеристиките на органичните съединения, тяхното разнообразие се определят преди всичко от електронната структура на въглеродния атом, който в органичните съединения има валентност, равна на четири и може да бъде в sp 3 -, sp 2 - и sp-хибридно състояние. Следователно връзката между атомите може да се осъществи от една, две и три електронни двойки, т.е. бъде единична (σ - връзка), двойна (1σ - връзка и 1π - връзка), тройна (1σ - връзка и 2 π - връзка). Изключително свойство на въглерода е способността да образува вериги от атоми с различна дължина и циклична структура.
От втората позиция на теорията на структурата следва наличието на хомология и изомерия в органичните вещества. Хомоложна сериянаречен набор от органични съединения, които имат сходна структура и свойства и се различават един от друг по състав с една или повече групи -СН 2 -. Наричат се представители на една и съща хомоложна серия хомолози.
Изомери- вещества, които имат еднакъв количествен и качествен състав, но се различават по структурата на молекулите и следователно по свойствата. Има структурна и пространствена (стерео-) изомерия. Първият вид е
- изомерия на въглеродния скелет (например n-бутан и изобутан);
- изомерия на позицията на множествената връзка в молекулата (например 2-метил-1-бутен и 2-метил-2-бутен);
- изомерия на позицията на функционалната група (напр. 1-хлоропропан и 2-хлоропропан);
- междукласова изомерия или метамерия (например бутин-1 и бутадиен-1,3) и др.
При пространствените изомери редът на връзката на атомите в молекулите е един и същ, но разположението им в пространството е различно, което причинява разлика в свойствата. Пространственото е геометрична изомерия. Възможно е например в алкени.
Най-голямото събитие в развитието на органичната химия е създаването през 1961 г. от великия руски учен А.М. Теорията на Бутлеров за химичната структура на органичните съединения.
Преди сутринта Бутлеров, се смяташе за невъзможно да се знае структурата на молекулата, тоест реда на химическата връзка между атомите. Много учени дори отрекоха реалността на атомите и молекулите.
А.М. Бутлеров опроверга това мнение. Той изхожда от правилните материалистични и философски идеи за реалността на съществуването на атоми и молекули, за възможността за познаване на химическата връзка на атомите в молекула. Той показа, че структурата на молекулата може да бъде установена емпирично чрез изследване на химичните трансформации на дадено вещество. Обратно, знаейки структурата на молекулата, човек може да извлече химичните свойства на съединението.
Теорията на химичната структура обяснява разнообразието от органични съединения. Това се дължи на способността на четиривалентния въглерод да образува въглеродни вериги и пръстени, да се комбинира с атоми на други елементи и наличието на изомерия в химическата структура на органичните съединения. Тази теория постави научните основи на органичната химия и обясни най-важните й закономерности. Основните принципи на неговата теория A.M. Бутлеров заявява в доклада „За теорията на химическата структура“.
Основните положения на теорията на структурата са както следва:
1) в молекулите атомите са свързани един с друг в определена последователност в съответствие с тяхната валентност. Редът на свързване на атомите се нарича химическа структура;
2) свойствата на дадено вещество зависят не само от това кои атоми и в какво количество са част от неговата молекула, но и от реда, в който са свързани помежду си, тоест от химичната структура на молекулата;
3) атоми или групи от атоми, които образуват молекула, си влияят взаимно.
В теорията на химичната структура се обръща голямо внимание на взаимното влияние на атомите и групите от атоми в една молекула.
Химически формули, които изобразяват реда на свързване на атомите в молекулите, се наричат структурни формули или структурни формули.
Стойността на теорията за химическата структура на A.M. Бутлеров:
1) е съществена част от теоретичната основа на органичната химия;
2) значението му може да се сравни с Периодична системаелементи D.I. Менделеев;
3) направи възможно систематизирането на огромно практичен материал;
4) направи възможно да се предвиди предварително съществуването на нови вещества, както и да се посочат начини за получаването им.
Теорията на химическата структура служи като водеща основа във всички изследвания в областта на органичната химия.
5. Изомерия. Електронната структура на атомите на елементи с малки периоди Химическа връзка
Свойствата на органичните вещества зависят не само от техния състав, но и от реда на свързване на атомите в молекулата.
Изомерите са вещества, които имат еднакъв състав и еднакви моларна маса, но различна структура на молекулите и следователно имат различни свойства.
научно значениетеории за химическата структура:
1) задълбочава представите за веществото;
2) посочва пътя към познаването на вътрешната структура на молекулите;
3) прави възможно разбирането на фактите, натрупани в химията; предсказват съществуването на нови вещества и намират начини за тяхното синтезиране.
Цялата тази теория допринесе значително за по-нататъшното развитие на органичната химия и химическата промишленост.
Германският учен А. Кекуле изрази идеята за свързване на въглеродните атоми един с друг във верига.
Учението за електронната структура на атомите.
Характеристики на учението за електронната структура на атомите: 1) направи възможно да се разбере естеството на химическата връзка на атомите; 2) разберете същността на взаимното влияние на атомите.
Състоянието на електроните в атомите и структурата на електронните обвивки.
Електронните облаци са области с най-голяма вероятност за присъствие на електрон, които се различават по своята форма, размер и ориентация в пространството.
В атома водородедин електрон по време на движението си образува отрицателно зареден облак със сферична (сферична) форма.
S-електроните са електрони, които образуват сферичен облак.
Водородният атом има един s-електрон.
В атома хелийса два s-електрона.
Характеристики на хелиевия атом: 1) облаци със същата сферична форма; 2) най-високата плътност се отстранява еднакво от сърцевината; 3) електронните облаци са комбинирани; 4) образуват общ двуелектронен облак.
Характеристики на литиевия атом: 1) има два електронни слоя; 2) има облак със сферична форма, но е много по-голям от вътрешния двуелектронен облак; 3) електронът на втория слой е по-слаб привлечен от ядрото от първите два; 4) лесно се улавя от други атоми в редокс реакции; 5) има s-електрон.
Характеристики на берилиевия атом: 1) четвъртият електрон е s-електрон; 2) сферичният облак съвпада с облака на третия електрон; 3) има два сдвоени s-електрона във вътрешния слой и два сдвоени s-електрона във външния.
Колкото повече електронни облаци се припокриват, когато атомите се свързват, толкова повече енергия се освобождава и толкова по-силна химическа връзка.
Първо възникна в началото на XIXв теорията на радикалите (J. Gay-Lussac, F. Wehler, J. Liebig). Радикалите се наричат групи от атоми, които преминават без промяна, когато химична реакцияот една връзка към друга. Тази концепция за радикалите е запазена, но повечето от другите положения на теорията на радикалите се оказват неверни.
Според теорията на типовете (C. Gerard) всички органични вещества могат да бъдат разделени на типове, съответстващи на определени неорганични вещества. Например R-OH алкохоли и прости R-O-R естерисе разглеждат като представители на водата от типа H-OH, в която водородните атоми са заменени с радикали. Теорията на видовете създаде класификация на органичните вещества, някои от принципите на която се прилагат в момента.
Съвременната теория за структурата на органичните съединения е създадена от изключителния руски учен А.М. Бутлеров.
1. Атомите в една молекула са подредени в определена последователност според тяхната валентност. Валентността на въглеродния атом в органичните съединения е четири.
2. Свойствата на веществата зависят не само от това кои атоми и в какви количества влизат в състава на молекулата, но и от реда, в който са свързани помежду си.
3. Атомите или групите от атоми, които изграждат молекулата, си влияят взаимно, от което зависи химичната активност и реактивността на молекулите.
4. Изучаването на свойствата на веществата ви позволява да определите тяхната химическа структура.
Взаимното влияние на съседните атоми в молекулите е най-важното свойство на органичните съединения. Това влияние се предава или чрез верига от единични връзки, или чрез верига от конюгирани (редуващи се) единични и двойни връзки.
Класификация на органичните съединениясе основава на анализа на два аспекта на структурата на молекулите – структурата на въглеродния скелет и наличието на функционални групи.
В тази статия е описан приносът към химията на руския химик, академик на Санкт Петербургската академия на науките и професор от Санкт Петербургския университет, създател на теорията за химическата структура.
Бутлеров Александър Михайлович принос към химията:
Александър Михайлович през 1858 г. е открит нов начинсинтез на метилен йодид. При това той изпълнява много задачи и работи върху производните му.
Химикът успя да синтезира метилен диацетат и в процеса на осапуняване получи полимер на формалдехид. На негова основа през 1861 г. Бутлеров е първият, който получава уротропин и метиленитан, като извършва първия синтез на захарен елемент.
Приносът на Бутлеров към изучаването на химията е напълно разкрит в неговия разкриващ доклад от 1861 г. В него той:
- Той доказа несъвършенството на теориите на химията, които са съществували по това време.
- Подчертава значението на теорията за атомността.
- Дефинира понятието химическа структура.
- Формулирани 8 правила за образуване на химични съединения.
- Бутлеров е първият, който показва разликата между реактивността на различните съединения.
Александър Михайлович изложи идеята, че атомите в молекулите си влияят взаимно. Той обяснява през 1864 г. процеса на изомерия на повечето съединения органичен произход. В процеса на експерименти, в полза на идеята си, ученият изследва структурата на бутил третичен алкохол и изобутилен. Той също така извършва полимеризацията на етиленови въглеводороди.
Основната роля на Бутлеров в химията е, че той е основателят на теорията за тавтомерията, полагайки нейните основи.
