У найбільш загальному та систематичному вигляді теорія хімічної будови (скорочено ТХС) вперше була сформульована російським хіміком А. М. Бутлеровим у 1861 р. і згодом розвинута та доповнена ним та його учнями та послідовниками (насамперед В. В. Марковниковим, А. А. М. Буковим, 1996). М. Зайцевим та інших.), і навіть багатьма зарубіжними хіміками (Я. Р. Вант-Гоффом, Ж. А. Ле Белем та інших.).
Розглянемо основні положення класичної ТХС та прокоментуємо їх із позиції сучасної структурної хімії.
1. Кожен атом у молекулі здатний утворювати певну кількість хімічних зв'язків з іншими атомами.
Вже у першій половині ХІХ ст. у хімії сформувалися уявлення про здатність атомів з'єднуватися один з одним у певних стосунках. За словами Бутлерова, кожному атому «природжено певну кількість сили, що виробляє хімічні явища (спорідненості). При хімічному з'єднанніспоживається... частина цієї сили або вся її кількість». Тим самим підкреслювалися дві особливості міжатомного. хімічної взаємодії: а) дискретність - все властиве атому спорідненість належало хіба що складеним з окремих порцій чи, по Бутлерову, «окремих одиниць хімічної сили», що було виражено символікою валентних штрихів (наприклад, Н-О-Н, Н-C≡N і т. д.), де кожен штрих характеризував один хімічний зв'язок; б) насичуваність - число утворюваних атомом хімічних зв'язків обмежено, через що існують, наприклад, такі нейтральні молекулярні системи різної стійкості, як СН, СН2, СН3, СН4, але немає молекул СН5, СН6 і т.д.
Кількісною мірою здатності атома утворювати хімічні зв'язки є його валентність. Формування 1850-х гг. понять валентності та хімічного зв'язкупослужило найважливішою причиною створення ТХС. Проте на початок XX в. фізичний сенс валентного штриха, а отже, і природа хімічного зв'язку та валентності залишалися неясними, що іноді призводило до парадоксів. Так, вивчаючи властивості ненасичених вуглеводнів, Бутлеров прийняв у 1870 р. ідею німецького хіміка Еге. Ерленмейєра про існування у них кратних зв'язків. Тим часом залишалося незрозумілим, чому кратний зв'язок виявлявся менш міцним (схильним до реакцій приєднання), ніж одинарний зв'язок (в ці реакції не вступає). Були й інші свідчення нерівноцінності деяких чи всіх хімічних зв'язків у молекулі.
Зі створенням квантової хімії стало ясно, що кожному валентному штриху відповідає, як правило, двоцентровий двоелектронний зв'язок і що хімічні зв'язки можуть відрізнятися за енергією, довжиною, полярністю, поляризацією, спрямованістю в просторі, кратності і т. д. (див. Хімічний зв'язок) .
Поняття про хімічний зв'язок спричиняє поділ атомів молекули на хімічно пов'язані і хімічно незв'язані (див. рис.), з чого випливає друге положення ТХС.
H/O\H Хімічно пов'язані атоми
Хімічно не пов'язані атоми
2. Атоми в молекулі пов'язані один з одним у визначеному порядку відповідно до їх валентності. Саме "порядок хімічної взаємодії", або, іншими словами, "спосіб взаємного хімічного зв'язку" атомів у молекулі, Бутлеров називав хімічною будовою. У результаті хімічна будова, наочно виражається структурною формулою (іноді також називається графічною, а в Останніми роками- топологічною), показує, які пари атомів хімічно пов'язані між собою, а які ні, тобто хімічна будова характеризує топологію молекули (див. Молекула). При цьому Бутлеров спеціально підкреслював, що кожній сполукі відповідає лише одна хімічна будова і, отже, лише одна структурна (графічна) формула.
Розглянуте становище ТХС загалом справедливе й сьогодні. Проте, по-перше, далеко не завжди молекулярна будоваможна передати однією класичною структурною формулою (див. Бензол), по-друге, у нежорстких молекулах порядок зв'язку атомів може мимоволі змінюватися і досить швидко (див. Молекула), і, по-третє, сучасна хімія відкрила широке коло молекул з «незвичайними» структурами (скажімо, у деяких карбонанах атом вуглецю пов'язаний з п'ятьма сусідніми атомами).
3. Фізичні та Хімічні властивостісполуки визначаються як його якісним та кількісним складом, так і хімічною будовою, а також характером зв'язків між атомами.
Це положення є у ТХС центральним. Саме його твердження у хімії склало головну наукову заслугу Бутлерова. З цього положення випливає ряд важливих наслідків: пояснення ізомерії різницею хімічної будови ізомерів, ідея про взаємний вплив атомів у молекулі, а також розкривається зміст та значення структурних формул молекул.
У 1874 р. ТХС збагатилася стереохімічними уявленнями (див. Стереохімія), у межах яких вдалося пояснити явища оптичної, геометричної та конформаційної ізомерії (див. Ізомерія).
У сучасній хімії термін «будова молекули» розуміють "трояко: а) як хімічну будову (тобто топологія молекули); б) як просторову будову, що характеризує розташування та рух ядер у просторі; в) як електронну будову (див. Молекула, Хімічний зв'язок).
Таким чином, основне положення ТХС, з сучасної точки зору, може бути представлене так: фізичні та хімічні властивості сполук визначаються їх кількісним та якісним елементним складом, а також хімічною (топологічною), просторовою (ядерною) та електронною будовою їх молекул.
4. Хімічну будову можна вивчати хімічними методами, тобто аналізом та синтезом.
Розвиваючи це, Бутлеров сформулював ряд правил для «розпізнавання хімічної будови» і широко застосовував їх у своїх експериментальних роботах.
В даний час будову молекул вивчають як хімічними, так і фізичними методами(Див. Спектральний аналіз).
5. Вхідні молекулу атоми, як хімічно пов'язані, і непов'язані, надають друг на друга певний вплив, що виявляється у реакційної здатності окремих атомів і зв'язків молекули, соціальній та інших її властивостях.
ТХС, як і будь-яка наукова теорія, заснована на деяких модельних уявленнях, що мають певну область застосування та відображають лише окремі сторони реальності. Так, говорячи про ТХС, не слід забувати, що насправді молекула є єдиною цілісною системою ядер і електронів і виділення в ній окремих атомів, функціональних груп, хімічних зв'язків, неподілених електронних пар і т. д. є наближення. Але якщо це наближення виявилося ефективним при вирішенні різноманітних хімічних проблем, воно набуло широкого поширення. Разом з тим теоретичне, уявне розчленування, структурування цілісного за своєю природою об'єкта (молекули) змушує вводити в теорію додаткові уявлення, що враховують ту обставину, що виділені молекулярні фрагменти (атоми, зв'язки тощо) насправді пов'язані та взаємодіють один з одним. . З цією метою була створена концепція взаємного впливу атомів (ВВА).
Властивості та стан кожного атома чи функціональної групи молекули визначаються не лише їхньою природою, а й їхнім оточенням. Наприклад, введення ОН-групи в молекулу може призвести до різних результатів:
Тому при вивченні характеру та інтенсивності впливу різних заступників на властивості молекули надходять так: розглядають реакційні серії, тобто ряд однотипних сполук, що відрізняються один від одного або наявністю заступника, або розташуванням кратних зв'язків, наприклад: СН2=СН-СН=СН- СН3, Н2С=СН-СН2-СН=СН2 тощо. буд., або з будь-яким іншим деталям будови. У цьому досліджують здатність речовин цієї серії брати участь у однотипних реакціях, скажімо, вивчають бромування фенолу і бензолу. Розбіжності, що спостерігаються, пов'язують з впливом різних заступників на решту молекули.
Що стосується органічних сполук, то однією з їх характерних рис є здатність заступника передавати свій вплив на ланцюги ковалентно пов'язаних атомів (див. Хімічний зв'язок). Зрозуміло, і заступники відчувають у собі вплив решти молекули. Передача впливу заступника з а- та л-зв'язків призводить до зміни цих зв'язків. Якщо вплив заступників передається за участю а-зв'язків, то кажуть, що заступник виявляє індуктивний або I-ефект. За наявності в ланцюгу π-зв'язків вони також поляризуються (π-ефект). Крім того, якщо в ланцюзі є система сполучених кратних зв'язків (-С=С-С=С-) або заступник з неподіленою електронною парою при кратному зв'язку (СН3-О-СН=СН2) або при ароматичному ядрі, то передача впливу відбувається по системі π-зв'язків (ефект сполучення, або С-ефект), при цьому електронна хмара частково зміщується в область сусіднього σ-зв'язку. Наприклад, такі заступники, як -Вг, -Сl, -ОН, -NH2, мають неподілені електронні пари, є донорами π-електронів. Тому кажуть, що вони мають +С-ефект. У той самий час вони зміщують себе електронну щільність по σ-зв'язків, т. е. мають -I-ефектом. Для -Вг, -Сl переважає I-ефект, для -ВІН і -NH2-, навпаки, +С-ефект. Тому, скажімо, у фенолі π-електронна щільність на бензольному ядрі більша, ніж у бензолі, що полегшує перебіг у фенолі (порівняно з бензолом) реакцій електрофільного заміщення.
Теорія хімічної будови широко використовується також органічної хімії, Особливо після створення А. Вернером в 1893 координаційної теорії (див. Координаційні з'єднання).
Основні положення теорії хімічної будови органічних сполук були сформульовані професором університету Казанського А. М. Бутлеровим в 1861 р.
- Атоми в молекулах з'єднуються у строго визначеному порядку відповідно до валентності елементів.
- Властивості речовин залежать лише від їх кількісного і якісного складу, а й від цього, у порядку з'єднані атоми в молекулах, тобто. від хімічної будови.
- Атоми у молекулах взаємно впливають один на одного.
- Властивості речовин визначаються їх будовою, і, навпаки, знаючи будову можна прогнозувати властивості.
- Хімічна будова речовин може бути встановлена хімічними методами.
Теорія хімічної будови А.М. Бутлерова зазнала еволюції, найважливіші напрями якої:
- Поява електронних теорій в органічній хімії, що дозволяли сформулювати залежність хімічної поведінки органічних речовинвід електронної будови.
- Стереохімічні уявлення, що визначили зв'язок хімічних властивостей речовин із просторовою будовою.
Особливості органічних сполук, їх різноманіття визначаються, перш за все, електронною будовою атома вуглецю, який в органічних сполуках виявляє валентність рівну чотирьом і може перебувати в sp 3 - sp 2 - і sp-гібридному стані. Тому зв'язок між атомами може здійснюватися однією, двома та трьома електронними парами, тобто. бути одинарним (σ - зв'язок), подвійним (1σ - зв'язок і 1π - зв'язок), потрійним (1σ - зв'язок і 2 π - зв'язку). Виняткова властивість вуглецю - здатність утворювати ланцюги атомів різної довжини та циклічні структури.
З другого положення теорії будівлі випливає наявність в органічних речовин гомології та ізомерії. Гомологічним рядомназивають сукупність органічних сполук, що мають подібну будову і властивості і відрізняються один від одного за складом на одну або кілька груп -СН 2 -. Представників одного гомологічного ряду називають гомологами.
Ізоміри- речовини, які мають однаковий кількісний та якісний склад, але розрізняються будовою молекул, а, отже, і властивостями. Розрізняють структурну та просторову (стерео-) ізомерію. До першого типу належить
- ізомерію вуглецевого скелета (наприклад, н-бутан та ізобутан);
- ізомерія положення кратного зв'язку в молекулі (наприклад, 2-метил-1-бутен та 2-метил-2-бутен);
- ізомерія положення функціональної групи (наприклад, 1-хлорпропан та 2-хлорпропан);
- міжкласова ізомерія або метамерія (наприклад, бутин-1 та бутадієн-1,3) тощо.
У просторових ізомерах порядок зв'язку атомів у молекулах збігається, які розташування у просторі відрізняється, що викликає різницю у властивостях. До просторової відноситься геометрична ізомерія. Вона можлива, наприклад, у алкенів.
Найбільшим подією у розвитку органічної хімії було створення 1961 р. великим російським ученим А.М. Бутлерова теорія хімічної будови органічних сполук.
До А.М. Бутлерова вважалося неможливим пізнати будову молекули, тобто порядок хімічного зв'язку між атомами. Багато вчених навіть заперечували реальність атомів та молекул.
А.М. Бутлеров спростував цю думку. Він виходив із правильних матеріалістичних та філософських уявлень про реальність існування атомів та молекул, про можливість пізнання хімічного зв'язку атомів у молекулі. Він показав, що будову молекули можна встановити дослідним шляхом, вивчаючи хімічні перетворення речовини. І навпаки, знаючи будову молекули, можна вивести хімічні властивості сполуки.
Теорія хімічної будови пояснює різноманітність органічних сполук. Воно обумовлено здатністю чотиривалентного вуглецю утворювати вуглецеві ланцюги та кільця, з'єднуватися з атомами інших елементів та наявністю ізомерії хімічної будови органічних сполук. Ця теорія заклала наукові основи органічної хімії та пояснила її найважливіші закономірності. Основні засади своєї теорії А.М. Бутлеров виклав у доповіді «Про теорію хімічної будови».
Основні положення теорії будови зводяться до наступного:
1) у молекулах атоми з'єднані один з одним у певній послідовності відповідно до їх валентності. Порядок зв'язку атомів називається хімічною будовою;
2) властивості речовини залежать не тільки від того, які атоми та в якій кількості входять до складу його молекули, але й від того, в якому порядку вони з'єднані між собою, тобто від хімічної будови молекули;
3) атоми або групи атомів, що утворили молекулу, взаємно впливають одна на одну.
Теоретично хімічної будови велика увага приділяється взаємному впливу атомів і груп атомів у молекулі.
Хімічні формули, В яких зображено порядок з'єднання атомів у молекулах, називаються структурними формулами або формулами будови.
Значення теорії хімічної будови А.М. Бутлерова:
1) є найважливішою частиною теоретичного фундаменту органічної хімії;
2) за значимістю її можна порівняти з Періодичною системоюелементів Д.І. Менделєєва;
3) вона дала можливість систематизувати величезний практичний матеріал;
4) дала можливість заздалегідь передбачити існування нових речовин, а також вказати шляхи їхнього одержання.
Теорія хімічної будови є керівною основою у всіх дослідженнях з органічної хімії.
5. Ізомерія. Електронна будова атомів елементів малих періодів.
Властивості органічних речовин залежать не тільки від їхнього складу, а й від порядку з'єднання атомів у молекулі.
Ізомери – це речовини, які мають однаковий склад та однакову молярну масу, але різна будова молекул, тому володіють різними властивостями.
Наукове значеннятеорії хімічної будови:
1) поглиблює уявлення про речовину;
2) вказує шлях до пізнання внутрішньої будови молекул;
3) дає можливість зрозуміти накопичені у хімії факти; передбачити існування нових речовин та знайти шляхи їх синтезу.
Усім цим теорія величезною мірою сприяла подальшому розвитку органічної хімії та хімічної промисловості.
Німецький вчений А. Кекуле висловлював думку про поєднання атомів вуглецю один з одним у ланцюги.
Вчення про електронну будову атомів.
Особливості вчення про електронну будову атомів: дозволило зрозуміти природу хімічного зв'язку атомів; 2) з'ясувати суть взаємного впливу атомів.
Стан електронів в атомах та будова електронних оболонок.
Електронні хмари – це області найбільшої ймовірності перебування електрона, які різняться за своєю формою, розмірами, спрямованістю у просторі.
В атомі воднюєдиний електрон при своєму русі утворює негативно заряджену хмару сферичної (кулястої) форми.
S-електрони – це електрони, що утворюють сферичну хмару.
В атомі водню є один s-електрон.
В атомі гелію– два s-електрони.
Особливості атома гелію: 1) хмари однакової сферичної форми; 2) найбільша щільність однаково віддалена від ядра; 3) електронні хмари поєднуються; 4) утворюють загальну двоелектронну хмару.
Особливості атома літію: 1) має два електронні шари; 2) має хмару сферичної форми, але за розмірами значно перевищує внутрішню двоелектронну хмару; 3) електрон другого шару слабше притягується до ядра, ніж перші два; 4) легко захоплюється іншими атомами в окисно-відновних реакціях; 5) має S-електрон.
Особливості атома берилію: 1) четвертий електрон - s-електрон; 2) сферична хмара поєднується з хмарою третього електрона; 3) є два спарених s-електрона у внутрішньому шарі і два спарених s-електрона у зовнішньому.
Чим більше перекриваються електронні хмари при з'єднанні атомів, тим більше виділяється енергії і тим міцніше хімічний зв'язок.
Першою виникла в початку XIXв. теорія радикалів (Ж. Гей-Люссак, Ф. Велер, Ю. Лібіх). Радикалами були названі групи атомів, що переходять без зміни при хімічних реакціяхз одного з'єднання до іншого. Таке поняття про радикалів збереглося, але більшість інших положень теорії радикалів виявилися неправильними.
Відповідно до теорії типів (Ш. Жерар) всі органічні речовини можна розділити на типи, що відповідають певним неорганічних речовин. Наприклад, спирти R-OH та прості ефіри R-O-Rрозглядалися як представники типу води H-OH, де атоми водню заміщені радикалами. Теорія типів створила класифікацію органічних речовин, деякі принципи якої застосовують у час.
Сучасна теорія будови органічних сполук створена видатним російським вченим А.М. Бутлеровим.
1. Атоми в молекулі розташовуються у певній послідовності відповідно до їх валентності. Валентність атома вуглецю в органічних сполуках дорівнює чотирьом.
2. Властивості речовин залежать не тільки від того, які атоми і в яких кількостях входять до складу молекули, а й від того, в якому порядку вони пов'язані між собою.
3. Атоми або групи атомів, що входять до складу молекули, взаємно впливають одна на одну, від чого залежать хімічна активність та реакційна здатність молекул.
4. Вивчення властивостей речовин дозволяє визначити їх хімічну будову.
Взаємний вплив сусідніх атомів у молекулах є найважливішою властивістю органічних сполук. Цей вплив передається або з ланцюга простих зв'язків або з ланцюга сполучених (що чергуються) простих і подвійних зв'язків.
Класифікація органічних сполукзаснована на аналізі двох аспектів будови молекул - будови вуглецевого скелета та наявності функціональних груп.
Внесок у хімію російського хіміка, академіка Петербурзької АН та професора Петербурзького університету, творця теорії хімічної будови викладено у цій статті.
Бутлеров Олександр Михайлович внесок у хімію:
Олександр Михайлович у 1858 році відкрив новий спосібсинтезу йодистого метилену. При цьому він виконав багато завдань та робіт з його похідних.
Хімік зміг синтезувати діацетат метилену та в процесі його омилення отримав полімер формальдегіду. На його основі в 1861 Бутлеров вперше отримав уротропін і метиленітан, здійснивши при цьому перший синтез цукристого елемента.
Внесок у вивчення хімії Бутлерова повністю розкрився у його показовому повідомленні 1861 року. У ньому він:
- Доказав недосконалість існуючих на той час теорій хімії.
- Підкреслив значення теорії атомності.
- Визначив поняття хімічної будови.
- Сформулював 8 правил утворення хімічних сполук.
- Бутлер був першим, хто показав різницю між реакційною здатністю різних сполук.
Олександр Михайлович висунув ідею у тому, що атоми в молекули взаємно впливають друг на друга. Він пояснив у 1864 році процес ізомерії більшості з'єднань органічного походження. У процесі експериментів на користь своєї ідеї вчений досліджував будову бутилового третинного спирту та ізобутилену. Також він здійснив полімеризацію етиленових вуглеводнів.
Головна роль Бутлерова в хімії полягає в тому, що він є фундатором вчення про таутомерію, заклавши його основи.
