В своята най-обща и систематична форма теорията химическа структура(съкратено TCS) е формулиран за първи път от руския химик А. М. Бутлеров през 1861 г. и впоследствие развит и допълнен от него и неговите ученици и последователи (предимно В. В. Марковников, А. М. Зайцев и др.), а също и от много чуждестранни химици (Y. 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 19в. В химията се формират идеи за способността на атомите да се свързват помежду си в определени отношения. Според Бутлеров всеки атом „е вроден с определено количество сила, която произвежда химични явления (афинитет). При химическо съединениечаст от тази сила или цялата е изразходвана. Това подчертава две характеристики на междуатомните химично взаимодействие: а) дискретност - предполага се, че целият афинитет, присъщ на атома, е съставен от отделни части или, според Бутлеров, „индивидуални единици на химическа сила“, което е ясно изразено чрез символиката на валентните удари (например H-O-H, H-C≡N и т.н.), където всяка черта характеризира една химична връзка; б) насищане - броят на химичните връзки, образувани от атом, е ограничен, поради което съществуват например такива неутрални молекулни системи с различна стабилност като СН, СН2, СН3, СН4, но няма молекули СН5, СН6, 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 ТКС. Въпреки това до началото на 20в. физическото значение на валентния удар и следователно естеството на химическата връзка и валентността остава неясно, което понякога води до парадокси. Така, докато изучава свойствата на ненаситените въглеводороди, Бутлеров приема през 1870 г. идеята на немския химик Е. Ерленмайер за съществуването на множествени връзки в тях. Междувременно остава неясно защо множествената връзка се оказва по-малко силна (склонна към реакции на добавяне) от единичната връзка (която не участва в тези реакции). Имаше и други доказателства, че някои или всички химични връзки в молекулата не са равни.
Със създаването на квантовата химия стана ясно, че всяка валентна линия по правило е свързана с двуцентрова, двуелектронна връзка и че химичните връзки могат да се различават по енергия, дължина, полярност, поляризуемост, пространствена посока, множественост и т.н. (вижте Химическа връзка) .
Концепцията за химическа връзка включва разделянето на атомите на молекулата на химически свързани и химически несвързани (виж фигурата), 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. Това беше „редът на химичното взаимодействие“, или, с други думи, „методът на взаимно химично свързване“ на атомите в молекулата, който Бутлеров нарече химическа структура. В резултат на това химичната структура, ясно изразена чрез структурна формула (понякога наричана още графична, а в последните години- топологичен), показва кои двойки атоми са химически свързани помежду си и кои не са, т.е. химическата структура характеризира топологията на молекулата (вижте Молекула). В същото време Бутлеров специално подчертава, че всяко съединение има само една химична структура и следователно само една структурна (графична) формула.
Разгледаната позиция на TCS е общовалидна и днес. Въпреки това, първо, не винаги е така молекулярна структураможе да се предаде с една класическа структурна формула (вижте Бензен), второ, в нетвърдите молекули редът на връзката на атомите може спонтанно да се промени доста бързо (вижте Молекула), и трето, съвременната химия е открила широка гама от молекули с „необичайни ” структури (да речем, в някои карборани въглероден атом е свързан с пет съседни атома).
3. Физически и Химични свойствасъединенията се определят както от неговия качествен и количествен състав, така и от химичната структура, както и от характера на връзките между атомите.
Тази разпоредба е централна в TCS. Именно неговото утвърждаване в областта на химията представлява основната научна заслуга на Бутлеров. От тази позиция произтичат редица важни следствия: обяснението на изомерията чрез разликата в химичната структура на изомерите, идеята за взаимното влияние на атомите в молекулата, както и смисъла и значението на структурните формули на молекулите се разкрива.
През 1874 г. TCS е обогатен със стереохимични концепции (виж Стереохимия), в рамките на които е възможно да се обяснят явленията на оптична, геометрична и конформационна изомерия (виж Изомерия).
В съвременната химия терминът "молекулярна структура" се разбира по три начина: а) като химическа структура (т.е. топологията на молекулата); б) като пространствена структура, характеризираща местоположението 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 химичния (топологичен), пространствен (ядрен) ) и електронна структура на техните молекули.
4. Химическата структура може да бъде изследвана 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.
Понастоящем структурата на молекулите се изучава както с химични, така и с физични методи (виж Спектрален анализ).
5. Атомите, включени в молекулата, както химически свързани, така и несвързани, имат определено влияние един върху друг, което се проявява в реактивността на отделните атоми и връзки на молекулата, както и в другите й свойства.
TCS, както всяка научна теория, се основава на определени моделни концепции, които имат определена област на приложение и отразяват само определени аспекти на реалността. Така че, говорейки за TCS, не трябва да забравяме, че в действителност молекулата е единична цялата системаядра и електрони и идентифицирането на отделни атоми, функционални групи, химични връзки, несподелени електронни двойки и т.н. в него е приблизително. Но веднага след като това приближение се оказа ефективно при решаването на различни химически проблеми, то стана широко разпространено. В същото време теоретичната, умствена дисекция, структурирането на обект (молекула), който е интегрален по природа, ни принуждава да въведем допълнителни идеи в теорията, като вземем предвид факта, че избраните молекулни фрагменти (атоми, връзки и др.) всъщност са свързани и взаимодействат помежду си. За тази цел е създадена концепцията за взаимно влияние на атомите (MIA).
Свойствата и състоянието на всеки атом или функционална група от молекула се определят не само от тяхната природа, но и от тяхната среда. Например, въвеждането на ОН група в молекула може да доведе до различни резултати:
Следователно, когато се изучава природата и интензивността на влиянието на различни заместители върху свойствата на молекулата, се процедира по следния начин: разгледайте реакционни серии, т.е. редица подобни съединения, 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 структурни детайли. В същото време те изучават способността на веществата от тази серия да участват в подобни реакции, например изучават бромирането на фенол и бензен. Наблюдаваните разлики се дължат на ефекта на различни заместители върху останалата част от молекулата.
Що се отнася до органичните съединения, една от техните характерни черти е способността на заместителя да прехвърля влиянието си върху веригите 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 a-връзки, тогава се казва, че заместителят проявява индуктивен или I-ефект. Ако във веригата има π връзки, те също са поляризирани (π ефект). В допълнение, ако веригата има система от спрегнати множествени връзки (-C=C-C=C-) или заместител с несподелена електронна двойка при множествена връзка (CH3-O-CH=CH2) или при ароматен пръстен, тогава прехвърлянето на влияние се извършва по системата от π връзки (ефект на конюгиране или C-ефект), при който електронният облак е частично изместен в областта на съседната σ връзка. Например, заместители като -Br, -Cl, -OH, -NH2, които имат несподелени електронни двойки, са донори на π-електрони. Затова се казва, че имат +C ефект. В същото време те изместват електронната плътност към себе си по σ връзките, т.е. имат -I ефект. За -Br, -Cl преобладава I-ефектът; за -OH и -NH2-, напротив, преобладава +C-ефектът. Следователно, да речем, във фенола π-електронната плътност на бензеновия пръстен е по-голяма, отколкото в бензена, което улеснява възникването на реакции на електрофилно заместване във фенола (в сравнение с бензена).
Теорията за химическата структура също се използва широко в не- органична химия, особено след създаването на теорията на координацията от А. Вернер през 1893 г. (вижте Координационни съединения).
Основните принципи на теорията за химическата структура на органичните съединения са формулирани от професора на 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, познавайки структурата, можете да предвидите свойствата.
- Химическата структура на веществата може да се определи чрез химични методи.
Теория на химическата структура A.M. Бутлеров е претърпял еволюция, най-важните насоки от която са:
- Появата на електронни теории в органичната химия, което направи възможно формулирането на зависимостта на химическото поведение органична материяот електронна структура.
- Стереохимични концепции, които определят връзката между химичните свойства на веществата и тяхната пространствена структура.
Характеристиките на органичните съединения и тяхното разнообразие се определят преди всичко от електронната структура на въглеродния атом, който в органичните съединения проявява валентност от 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 или три електронни двойки, т.е. да бъде единична (σ - връзка), двойна (1σ - връзка и 1π - връзка), тройна (1σ - връзка и 2 π - връзки). Изключително свойство на въглерода е способността да образува вериги от атоми с различна дължина и циклична структура.
От втората позиция на теорията за структурата следва, че органичните вещества имат хомология и изомерия. Хомоложни сериисе наричат набор от органични съединения, които имат подобна структура и свойства и се различават едно от друго по състав с една или повече -СН 2 - групи. 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 си и следователно по свойствата си. Прави се разлика между структурна и пространствена (стерео-) изомерия. Първият тип включва
- изомерия на въглероден 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 (например 1-хлоропропан и 2-хлорпропан);
- междукласова изомерия или метамерия (например бутин-1 и бутадиен-1,3) и др.
При пространствените изомери редът на свързване на атомите в молекулите е еднакъв, но разположението им в пространството е различно, което обуславя разлика в свойствата. Геометричната изомерия е пространствена изомерия. Това е възможно например в алкените.
Най-голямото събитие в развитието на органичната химия е създаването през 1961 г. от великия руски учен А.М. Теорията на Бутлеров за химическата структура на органичните съединения.
Преди сутринта Бутлеров смяташе, че е невъзможно да се знае структурата на молекулата, тоест редът на химичните връзки между атомите. Много учени дори отричаха реалността на атомите и молекулите.
А.М. Бутлеров отрече това мнение. Той изхожда от правилните материалистични и философски идеи за реалността на съществуването на атоми и молекули, за възможността да се знае химическата връзка на атомите в молекула. Той показа, че структурата на една молекула може да бъде установена експериментално чрез изучаване на химичните трансформации на дадено вещество. Обратно, знаейки структурата на молекулата, човек може да изведе химичните свойства на съединението.
Теорията за химическата структура обяснява разнообразието от органични съединения. Това се дължи на способността на четиривалентния въглерод да образува въглеродни вериги и пръстени, да се свързва с атоми на други елементи и наличието на изомерия в химичната структура на органичните съединения. Тази теория положена научна основаорганична химия и обясни нейните най-важни закони. Основните принципи на неговата теория A.M. Бутлеров го очерта в доклада си „За теорията на химическата структура“.
Основните принципи на теорията на структурата са следните:
1) в молекулите атомите са свързани един с друг в определена последователност в съответствие с тяхната валентност. Редът, в който се свързват атомите, се нарича химична структура;
2) свойствата на веществото зависят не само от това кои атоми и в какво количество са включени в неговата молекула, но и от реда, в който са свързани помежду си, т.е. от химическата структура на молекулата;
3) атоми или групи от атоми, които образуват една молекула, взаимно си влияят.
В теорията на химическата структура се обръща голямо внимание на взаимното влияние на атомите и групите от атоми в една молекула.
Химични формули, които изобразяват реда на свързване на атомите в молекулите, се наричат структурни формули или структурни формули.
Значението на теорията за химическата структура на A.M. Бутлерова:
1) е най-важната част от теоретичната основа на органичната химия;
2) по важност може да се сравни с Периодичната таблицаелементи D.I. Менделеев;
3) направи възможно систематизирането на огромен практически материал;
4) даде възможност да се предвиди предварително съществуването на нови вещества, както и да се посочат начини за тяхното получаване.
Теорията за химическата структура служи като водеща основа за всички изследвания в органичната химия.
5. Изомерия. Електронна структура на атомите на елементите с кратки периоди Химична 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 имат различна структура на молекулите и следователно имат различни свойства.
Научна значимосттеории за химическата структура:
1) задълбочава разбирането на материята;
2) показва пътя към знанието вътрешна структурамолекули;
3) дава възможност да се разберат фактите, натрупани в химията; предсказват съществуването на нови вещества и намират начини за тяхното синтезиране.
С всичко това теорията значително допринесе за по-нататъшното развитие на органичната химия и химическата промишленост.
Германският учен А. Кекуле изрази идеята за свързване на въглеродни атоми един с друг във верига.
Учението за електронна структураатоми.
Характеристики на учението за електронната структура на атомите: 1) направи възможно разбирането на природата на химическата връзка на атомите; 2) разберете същността на взаимното влияние на атомите.
Състояние на електроните в атомите и структура на електронните обвивки.
Електронните облаци са области с най-голяма вероятност за присъствие на електрони, които се различават по своята форма, размер и посока в пространството.
В атом водородЕдиничен електрон, когато се движи, образува отрицателно зареден облак със сферична (сферична) форма.
S електроните са електрони, които образуват сферичен облак.
Водородният атом има един s електрон.
В атом хелий– два s-електрона.
Характеристики на атома на хелия: 1) облаци със същата сферична форма; 2) най-високата плътност е на еднакво разстояние от ядрото; 3) електронните облаци се комбинират; 4) образуват общ двуелектронен облак.
Характеристики на литиевия атом: 1) има два електронни слоя; 2) има сферичен облак, но е значително по-голям по размер от вътрешния двуелектронен облак; 3) електронът на втория слой е по-слабо привлечен от ядрото от първите два; 4) лесно се улавят от други атоми в редокс реакции; 5) има s-електрон.
Характеристики на берилиевия атом: 1) четвъртият електрон е s-електронът; 2) сферичният облак се комбинира с облака на третия електрон; 3) има два сдвоени s-електрона във вътрешния слой и два сдвоени s-електрона във външния слой.
Колкото повече електронни облаци се припокриват, когато атомите се съединят, толкова повече енергия се освобождава и толкова по-силна е химическа връзка.
Първо възникна през началото на XIX V. теория на радикалите (J. Gay-Lussac, F. Wöhler, J. Liebig). Радикалите са имената, дадени на групи от атоми, които се променят без промяна, когато химична реакцияот една връзка към друга. Тази концепция за радикалите е запазена, но повечето други положения на теорията за радикалите се оказаха неверни.
Според теорията за типовете (C. Gerard) всички органични вещества могат да бъдат разделени на типове, съответстващи на определени неорганични вещества. Например алкохоли R-OH и прости естери R-O-Rсе считат за представители на типа H-OH вода, в която водородните атоми са заменени с радикали. Теорията на типовете създаде класификация на органичните вещества, някои от принципите на която се използват днес.
Съвременната теория за структурата на органичните съединения е създадена от изключителния руски учен А.М. Бутлеров.
1. Атомите в молекулата 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 са включени в молекулата, но и от реда, в който са свързани помежду си.
3. Атомите или групите от атоми, изграждащи една молекула, си влияят взаимно, което определя химичната активност и реактивоспособността на молекулите.
4. Изучаването на свойствата на веществата ни позволява да определим тяхната химична структура.
Взаимното влияние на съседните атоми в молекулите е най-важното свойство на органичните съединения. Това влияние се предава или чрез верига от прости връзки, или чрез верига от спрегнати (редуващи се) прости 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 представен приносът към химията на руския химик, академик на Санкт Петербургската академия на науките и професор в Санкт Петербургския университет, създател на теорията за химическата структура.
Бутлеров Александър Михайлович принос към химията:
Александър Михайлович е открит през 1858 г нов начинсинтез на метилен йодид. В същото време той изпълнява много задачи и работи по неговите производни.
Химикът успява да синтезира метилендиацетат и чрез процеса на осапунване получава полимер на формалдехид. На негова основа през 1861 г. Бутлеров за първи път получава уротропин и метиленнитан, като по този начин извършва първия синтез на захарния елемент.
Приносът на Бутлеров в изучаването на химията е напълно разкрит в неговото разкриващо послание от 1861 г. В него той:
- Той доказа несъвършенството на съществуващите по това време теории за химията.
- Подчертава значението на атомната теория.
- Дефинира понятието химична 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 в повечето съединения органичен произход. В процеса на експерименти в полза на идеята си ученият изследва структурата на третичния бутилов алкохол и изобутилена. Той също така извършва полимеризация на етиленови въглеводороди.
Основната роля на Бутлеров в химията е, че той е основател на учението за тавтомерията, поставяйки неговите основи.
