Предмет органической химии. Теория химического строения органических веществ

Органическая химия — это раздел химической науки, в котором изучаются соединения углeрода — строение, свойства, способы получения и практического использования.

Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими.

Органические вещества, созданные человеком

Природные органические вещества

Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто — кислород, азот и галогены, реже — фосфор, серу и другие элементы. Однако сам углерод и некоторые простейшие его соединения, такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота, карбонаты, карбиды, по характеру свойств относятся к неорганическим соединениям. Поэтому часто используется и другое определение:

Органические соединения — это углеводороды (соединения углерода с водородом) и их производные

.

Формулы строения

Благодаря особым свойствам элемента углерода, органические соединения очень многочисленны. На сегодняшний день насчитывается около 18 млн органических соединений.

Органические вещества были известны нашим предкам задолго до нашей эры. Они получали красители (индиго, пурпур, марена), уксус и спирт (при брожении виноградного сока), мыло (при обработке жиров растительной золой и известью), крахмал, сахар и многие другие органические вещества.

Как наука органическая химия до середины XVIII века не существовала. К тому времени различали три вида химии: химию животных, растительную и минеральную. Химия животных изучала вещества, входящие в состав животных организмов; растительная – вещества, входящие в состав растений; минеральная – вещества, входящие в состав неживой природы.

Этот принцип, однако, не позволял отделить органические вещества от неорганических. Например, янтарная кислота относилась к группе минеральных веществ, так как ее получали перегонкой ископаемого янтаря, поташ входил в группу растительных веществ, а фосфат кальция – в группу животных веществ, так как их получали прокаливанием соответственно растительных (древесина) и животных (кости) материалов.

Среди ученых в то время господствовало виталистическое мировоззрение, согласно которому органические соединения образуются только в живом организме под влиянием особой, сверхъестественной «жизненной силы».

Это означало, что получить органические вещества путем синтеза из неорганических невозможно, что между органическими и неорганическими соединениями лежит непреодолимая пропасть. Витализм настолько укрепился в умах ученых, что долгое время не предпринималось никаких попыток синтеза органических веществ.

Становление органической химии как самостоятельной науки произошло в начале XIX века, когда были синтезированы первые органические вещества.

Впервые понятия об органических веществах и об органической химии ввёл шведский учёный Я. Берцелиус. В своём учебнике химии Берцелиус (1827) высказывает убеждение, что «… в живой природе элементы повинуются иным законам, чем в безжизненной» и что органические вещества не могут образовываться под влиянием обычных физических и химических сил, но требуют для своего образования особой «жизненной силы». Органическую химию он и определил, как химию растительных и животных веществ.

Впервые синтез органических соединений в лаборатории удалось осуществить немецкому ученому Ф.Велеру:

В 1824 году  при гидролизе дициана он получил щавелевую кислоту, выделяемую до этого из растений:

В 1828 при нагревании циановокислого аммония (цианат аммония) получил мочевину – продукт жизнедеятельности живых организмов:

В 1842 г. Н.Н. Зинин получил анилин восстановлением нитробензола, положив тем самым начало анилинокрасочной промышленности:

В 1845 г. немецкий химик А. Кольбе синтезировал уксусную кислоту.

В 1854 г. француз М. Бертло синтезировал вещества, относящиеся к жирам.

В 1861 г. русский ученый А.М. Бутлеров  синтезировал вещества, относящиеся к классу сахаров.

Решающая роль в создании теории строения органических соединений принадлежит великому русскому ученому Александру Михайловичу Бутлерову.

19 сентября 1861 года на химической секции 36-го Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере А.М.Бутлеров обнародовал ее в докладе «О химическом строении вещества».

Развитию теории строения способствовали работы Кекуле, Кольбе, Купера, Жерара и Вант-Гоффа. Однако их теоретические положения не носили общего характера и служили в основном целям объяснения экспериментального материала.

Теория химического строения органических соединений

Основные положения теории химического строения органических соединений были сформулированы профессором Казанского университета А. М. Бутлеровым в 1861 г.

1. Атомы в молекулах соединяются в строго определенном порядке в соответствии с валентностью элементов.

2. Свойства веществ зависят не только от их количественного и качественного состава, но и от того, в каком порядке соединены атомы в молекулах, т.е. от химического строения.

3. Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга.

4. Свойства веществ определяются их строением, и, наоборот, зная строение, можно прогнозировать свойства.

5. Химическое строение веществ может быть установлено химическими методами.

Учебный фильм «Бутлеров А.М. и теория строения органических соединений»

гомология и изомерия (структурная и пространственная). Взаимное влияние атомов в молекулах.

Органическая химия — раздел химии, в котором изучают соединения углерода, их строение, свойства, взаимопревращения.

Само название дисциплины — «органическая химия» — возникло достаточно давно. Причина его кроется в том, что большинство соединений углерода, с которыми сталкивались исследователи на начальном этапе становления химической науки, имели растительное или животное происхождение. Тем не менее, в порядке исключения, отдельные соединения углерода относят к неорганическим. Так, например, неорганическими веществами принято считать оксиды углерода, угольную кислоту, карбонаты, гидрокарбонаты, циановодород и некоторые другие.

В настоящее время известно чуть менее 30-ти миллионов разнообразных органических веществ и этот список непрерывно пополняется. Такое огромное число органических соединений связано, прежде всего, со следующими специфическими свойствами углерода:

1) атомы углерода могут соединяться друг с другом в цепи произвольной длины;

2) возможно не только последовательное (линейное) соединение атомов углерода между собой, но также разветвленное и даже циклическое;

3) возможны разные виды связей между атомами углерода, а именно одинарные, двойные и тройные. При этом валентность углерода в органических соединениях всегда равна четырем.

Помимо этого, большому разнообразию органических соединений способствует также и то, что атомы углерода способны образовывать связи и с атомами многих других химических элементов, например, водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, галогенами. При этом водород, кислород и азот встречаются наиболее часто.

Следует отметить, что довольно долго органическая химия представляла для ученых «темный лес». Какое-то время в науке даже была популярна теория витализма, согласно которой органические вещества не могут быть получены «искусственным» способом, т.е. вне живой материи. Однако теория витализма просуществовала не очень долго, ввиду того что одно за одним обнаруживались вещества, синтез которых возможен вне живых организмов.

У исследователей вызывало недоумение то, что многие органические вещества имеют одинаковый качественный и количественный состав, однако часто обладают совершенно непохожими друг на друга физическими и химическими свойствами. Так, например, диметиловый эфир и этиловый спирт имеют абсолютно одинаковый элементный состав, однако диметиловый эфир в обычных условиях представляет собой газ, а этиловый спирт – жидкость. Кроме того, диметиловый эфир с натрием не реагирует, а этиловый спирт взаимодействует с ним, выделяя газообразный водород.

Исследователями XIX века было выдвинуто множество предположений касательно того, как все-таки устроены органические вещества. Существенно важные предположения были выдвинуты немецким ученым Ф.А.Кекуле, который первый высказал идею о том, что атомы разных химических элементов имеют конкретные значения валентностей, а атомы углерода в органических соединениях четырехвалентны и способны объединяться друг с другом, образуя цепи. Позднее, отталкиваясь от предположений Кекуле, российский ученый Александр Михайлович Бутлеров разработал теорию строения органических соединений, которая не потеряла свою актуальность и в наше время. Рассмотрим основные положения этой теории:

1) все атомы в молекулах органических веществ соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Атомы углерода имеют постоянную валентность, равную четырем, и могут образовывать друг с другом цепи различного строения;

2) физические и химические свойства любого органического вещества зависят не только от состава его молекул, но также и от порядка соединения атомов в этой молекуле между собой;

3) отдельные атомы, а также группы атомов в молекуле оказывают влияние друг на друга. Такое взаимное влияние отражается в физических и химических свойствах соединений;

4) исследуя физические и химические свойства органического соединения можно установить его строение. Верно также обратное – зная строение молекулы того или иного вещества, можно спрогнозировать его свойства.

Аналогично тому, как периодический закон Д.И.Менделева стал научным фундаментом неорганической химии, теория строения органических веществ А.М. Бутлерова фактически стала отправной точкой в становлении органической химии как науки. Следует отметить, что после создания теории строения Бутлерова органическая химия начала свое развитие очень быстрыми темпами.

Изомерия и гомология

Согласно второму положению теории Бутлерова, свойства органических веществ зависят не только от качественного и количественного состава молекул, но и от порядка соединения атомов в этих молекулах между собой.

В связи с этим, среди органических веществ широко распространено такое явление как изомерия.

Изомерия – явление, когда разные вещества имеют абсолютно одинаковый состав молекул, т.е. одинаковую молекулярную формулу.

Очень часто изомеры сильно отличаются по физическим и химическим свойствам. Например:

Типы изомерии

Структурная изомерия

а) Изомерия углеродного скелета

б) Изомерия положения:

кратной связи

заместителей:

функциональных групп:

в) Межклассовая изомерия:

Межклассовая изомерия имеет место, когда соединения, являющиеся изомерами, относятся к разным классам органических соединений.

Пространственная изомерия

Пространственная изомерия — явление, когда разные вещества при одинаковом порядке присоединения атомов друг к другу отличаются друг от друга фиксировано-различным положением атомов или групп атомов в пространстве.

Существует два типа пространственной изомерии – геометрическая и оптическая. Задания на оптическую изомерию на ЕГЭ не встречаются, поэтому рассмотрим только геометрическую.

Если в молекуле какого-либо соединения есть двойная C=C связь или цикл, иногда в таких случаях возможно явление геометрической или цис-транс-изомерии.

Например, такой вид изомерии возможен для бутена-2. Смысл ее заключается в том, что двойная связь между атомами углерода фактически имеет плоское строение, а заместители при этих атомах углерода могут фиксированно располагаться либо над, либо под этой плоскостью:

Когда одинаковые заместители находятся по одну сторону плоскости говорят, что это цис-изомер, а когда по разные — транс-изомер.

На в виде структурных формул  цис- и транс-изомеры (на примере бутена-2) изображают следующим образом:

Отметим, что геометрическая изомерия невозможна в случае, если хотя бы у одного атома углерода при двойной связи будет два одинаковых заместителя. Так, например, цис-транс-изомерия невозможна для пропена:

Пропен не имеет цис-транс-изомеров, так как при одном из атомов углерода при двойной связи два идентичных «заместителя» (атомы водорода)

Как можно видеть из иллюстрации выше, если поменять местами метильный радикал и атом водорода, находящиеся при втором углеродном атоме, по разные стороны плоскости, мы получим ту же самую молекулу, на которую просто посмотрели с другой стороны.

Влияние атомов и групп атомов друг на друга в молекулах органических соединений

Понятие о химической структуре как о последовательности связанных друг с другом атомов было существенно расширено с появлением электронной теории. С позиций данной теории можно объяснить, каким образом атомы и группы атомов в молекуле оказывают влияние друг на друга.

Различают два возможных способа влияния одних участков молекулы на другие:

1) Индуктивный эффект

2) Мезомерный эффект

Индуктивный эффект

Для демонстрации данного явления возьмем для примера молекулу 1-хлорпропана (CH₃CH₂CH₂Cl). Связь между атомами углерода и хлора является полярной, поскольку хлор имеет намного более высокую электроотрицательность по сравнению с углеродом. В результате смещения электронной плотности от атома углерода к атому хлора на атоме углерода формируется частичный положительный заряд (δ+), а на атоме хлора — частичный отрицательный (δ-):

Смещение электронной плотности от одного атома к другому часто обозначают стрелкой, направленной к более электроотрицательному атому:

Однако, интересным является такой момент, что, кроме смещения электронной плотности от первого атома углерода к атому хлора, также имеет место смещение, но в несколько меньшей степени от второго атома углерода к первому, а также от третьего ко второму:

Такое смещение электронной плотности по цепи σ-связей называют индуктивным эффектом (I). Данный эффект затухает по мере удаления от влияющей группы и уже практически не проявляется после 3 σ-связей.

В случае, когда атом или группа атомов обладают большей электроотрицательностью по сравнению с атомами углерода, говорят, что такие заместители обладают отрицательным индуктивным эффектом (-I). Таким образом, в рассмотренном выше примере отрицательным индуктивным эффектом обладает атом хлора. Кроме хлора, отрицательным индуктивным эффектом обладают следующие заместители:

–F, –Cl, –Br, –I, –OH, –NH₂, –CN, –NO₂, –COH, –COOH

Если электроотрицательность атома или группы атомов меньше электроотрицательности атома углерода, фактически происходит передача электронной плотности от таких заместителей к углеродным атомам. В таком случае говорят, что заместитель обладает положительным индуктивным эффектом (+I) (является электронодонорным).

Так, заместителями с +I-эффектом являются предельные углеводородные радикалы. При этом выраженность +I-эффекта возрастает с удлинением углеводородного радикала:

–CH₃, –C₂H₅, –C₃H₇, –C₄H₉

Следует отметить, что атомы углерода, находящиеся в разных валентных состояниях, обладают также и разной электроотрицательностью. Атомы углерода в состоянии sp-гибридизации имеют большую электроотрицательность по сравнению с атомами углерода в состоянии sp²-гибридизации, которые, в свою очередь, более электроотрицательны, чем атомы углерода в состоянии sp³-гибридизации.

Мезомерный эффект (М), или эффект сопряжения, — влияние заместителя, передаваемое по системе сопряженных π-связей.

Знак мезомерного эффекта определяется по тому же принципу, что и знак индуктивного эффекта. Если заместитель увеличивает электронную плотность в сопряженной системе, он обладает положительным мезомерным эффектом (+М) и является электронодонорным. Положительным мезомерным эффектом обладают двойные углерод-углеродные связи, заместители, содержащие неподеленную электронную пару: -NH₂, -OН, галогены.

Отрицательным мезомерным эффектом (–М) обладают заместители, оттягивающие электронную плотность от сопряженной системы, при этом электронная плотность в системе уменьшается.

Отрицательным мезомерным эффектом обладают группы:

–NO₂, –COOH, –SO₃H, -COH, >C=O

За счет перераспределения электронной плотности за счет мезомерного и индуктивного эффектов в молекуле на некоторых атомах появляются частичные положительные или отрицательные заряды, что имеет отражение в химических свойствах вещества.

Графически мезомерный эффект показывают изогнутой стрелкой, которая начинается в центре электронной плотности и завершается там, куда смещается электронная плотность. Так, например, в молекуле хлористого винила мезомерный эффект возникает при сопряжении неподеленной электронной пары атома хлора, с электронами π-связи между углеродными атомами. Таким образом, в результате этого на атоме хлора появляется частичный положительный заряд, а обладающее подвижностью π-электронное облако под воздействием электронной пары смещается в сторону крайнего атома углерода, на котором возникает вследствие этого частичный отрицательный заряд:

Если в молекуле имеются чередующиеся одинарные и двойные связи, то говорят, что молекула содержит сопряженную π-электронную систему. Интересным свойством такой системы является то, что мезомерный эффект в ней не затухает.

Предмет органической химии. ТХСОС А. М. Бутлерова

Органические вещества были известны ещё в далёкой древности. С давних пор человек применял экстракты из растений для лечения болезней, а природные красители – для окраски тканей. Из жира получали мыло, а способы приготовления уксуса и спиртных напитков знали во всех древних странах.

Период до 8 века называют алхимическим: алхимики искали некий философский камень, способный превращать любые металлы в золото (алхимия) или излечивать все болезни (ятрохимия).

На протяжении 9 – 10 вв. арабский алхимик Абу Бакр ар-Рази сделал попытку разделить все химические вещества по их происхождению на три группы: минеральные, растительные и животные. Эта классификация существовала почти 1000 лет.  Но  в начале 19 века возникла необходимость объединить химию веществ растительного и животного происхождения в единую науку.

Например, вам уже известно, что в состав растительной и животной клетки входят белки, жиры, углеводы и другие вещества, которые называют органическими. Й. Я. Берцелиус предложил называть науку, которая изучает органические вещества органической химией.

Долгое время господствовало учение о витализме, согласно которому считалось, что для получения органических веществ из неорганических необходима  особая «жизненная сила» − vis vitalis. Поэтому получить органические соединения из неорганических вне живых организмах невозможно.   Однако в результате развития химии и накопления новых знаний и фактов доказано, что виталисты глубоко заблуждались в своих убеждениях. В 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество мочевину из неорганического вещества – цианата аммония. Французский учёный М. Бертло в 1854 году получил в пробирке жир, а в 1861 году русский химик А. М. Бутлеров синтезировал сахаристое вещество. Поэтому виталистическая теория рухнула.

В настоящее время органическая химия бурно развивается. Сейчас насчитывается более 25 млн. органических соединений.

Все органические соединения по происхождению можно условно разделить на три типа: природные, искусственные и синтетические.

Природные органические соединения – это продукты жизнедеятельности живых организмов (бактерий, грибов, растений и животных). Это такие соединения, как белки, жиры, углеводы, витамины, гормоны, ферменты, натуральный каучук.

Искусственные органические соединения

– это продукты, которые получены на основе природных веществ, но сами в природе не встречаются. Например, на основе природного органического соединения – целлюлозы – получают искусственные волокна – ацетатное, вискозное, медно-аммиачное, бездымный порох, пластмассы и другие.

Синтетические органические соединения получают синтетическим путём с помощью химических превращений. К ним относятся синтетические каучуки, пластмассы, лекарственные препараты, синтетические витамины, стимуляторы роста, средства защиты растений и другие.

В состав всех органических веществ входят атомы углерода, поэтому органическую химию можно назвать химией соединений углерода. Кроме углерода, в состав органических соединений входят атомы водорода. Эти два элемента образуют такой класс органических соединений, как углеводороды. А все остальные классы органических соединений можно рассматривать как производные углеводородов.

Это позволило немецкому химику К. Шорлеммеру дать определение понятию «органическая химия».

Органическая химия – эта химия углеводородов и их производных, то есть продуктов, образующихся при замене водорода в молекулах этих веществ, другими атомами или группами атомов.  

Так, при замене одного атома водорода в молекуле метана – СН₄ на гидроксильную группу – ОН, образуется спирт метанол – СН₃ОН.

В состав органических соединений могут входить и атомы кислорода, серы, азота, фосфора. Эти элементы называются органогенами, то есть из этих атомов образованы молекулы органических веществ и они составляют основу жизни, потому что входят в состав белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот.

Для того чтобы изучить состав, строение и свойства органического вещества, нужно синтезировать и получить его в чистом виде. Но органические соединения содержатся в виде смесей с другими веществами, поэтому существуют специальные методы, позволяющие получить чистые вещества. Это перегонка, перекристаллизация и хроматография. После того, как получено чистое вещество определяют его качественный состав. Для этого органическое вещество при нагревании окисляют оксидом меди (II) до углекислого газа и воды. Выделяющаяся при этом вода обнаруживается по превращению безводного сульфата меди (II) в кристаллогидрат CuSO

4 · 5H₂O голубого цвета, а образующийся углекислый газ – по помутнению известковой воды.

C₂H₆ + 7CuO →2CO₂↑ + 3H₂O + 7Cu

5H₂O + CuSO₄ → CuSO₄ · 5H₂O

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O

Затем определяют количественный состав соединения, то есть молекулярную формулу. В настоящее время качественный и количественный состав органических соединений устанавливают с помощью приборов хромато-масс-спектрометров. После установления качественного и количественного состава устанавливают химическое строение вещества. Для этого применяют физический метод исследования – протонный магнитный резонанс (ПМР).

 Предметом органической химии являются органические вещества, их строение и свойства, химические реакции, методы изучения и получения, а также возможные области практического применения этих веществ.

Без органической химии и химической технологии человечество уже не может существовать. Но развитие и использование продуктов органической химии имеет и обратную сторону: происходит загрязнение окружающей среды твёрдыми, жидкими и газообразными отходами органического происхождения, химия создаёт и средства для очистки окружающей среды от производственных загрязнений и бытовых отходов. Например, ранее производимый синтетический пестицид ДДТ – химически устойчивое соединение, не разлагается микроорганизмами, при частом применении создаёт остаточную токсичность у рыб и птиц, препятствует их размножению. В настоящее время использование соединения запрещено в большинстве стран. Фторхлоруглеводороды (фреоны), как CF₂Cl₂ способствуют разрушению озонового слоя атмосферы. По этой причине фреоны заменяются на менее опасные летучие насыщенные углеводороды.

Таким образом, молекулы всех органических соединений содержат атомы углерода, практически все содержат атомы водорода, поэтому органические вещества являются горючими, при горении этих веществ образуется углекислый газ и вода.

Органических веществ гораздо больше, чем неорганических. Кроме этого, органические вещества построены более сложно, чем неорганические вещества, их молекулярная масса гораздо больше, чем молекулярная масса неорганических веществ. Это такие вещества, как белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, молекулярная масса которых огромна.

Органические соединения образованы за счёт ковалентных связей и поэтому имеют молекулярное строение, у них невысокие температуры плавления и кипения, они термически неустойчивы. Органические вещества плохо растворяются в воде, но хорошо – в неполярных неводных растворителях – бензине, бензоле и других.

Одной из причин многообразия органических соединений является способность атомов углерода химически связываться друг с другом, образуя углеродные цепи разной длины и структуры. В составе органических соединений может содержаться большое число атомов углерода – несколько сотен тысяч.

В первой половине 19 века с ростом числа экспериментальных исследований начался процесс преобразования органической химии из описательной науки в науку, которая стремиться раскрыть сущность органических веществ, объяснить причины их своеобразия, закономерности их превращения.

Теория химического строения органических соединений является результатом обобщения опыта, который накопила органическая химия. Органическая химия, как наука оформилась в начале 19 века. Но объяснить многообразие органических соединений учёные начала 19 века не могли.

Термины «строение», «структура» ввёл русский учёный А. М. Бутлеров. Он утверждал, что всякое изменение в структуре молекул неизбежно влечёт за собой изменение их свойств.

 Химик Ф. Вёлер в одном письме Й. Я. Берцелиусу так описывал органическую химию: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она кажется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмелишься проникнуть…»

Большое влияние на развитие химии оказали работы английского учёного Э. Франкланда, который ввёл понятие валентность.

Помните, валентность – это свойство атомов химических элементов образовывать химические связи. То есть валентность определяет число химических связей, которыми данный атом соединён с другими атомами в молекуле. Понятие «валентность» является аналогом понятия «степень окисления». Однако это не одно и тоже. Например, в молекуле азота валентность равна трём, а степень окисления нулю, в пероксиде водорода валентность кислорода равна двум, а степень окисления равна -1.

Поэтому, порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности называют химическим строением.

Теория химического строения – результат работы трёх выдающихся учёных: Ф. Кекуле, А. Купера и А. Бутлерова.

В 1857 году Ф. Кекуле отнёс углерод к четырёхвалентным элементам, а затем вместе с А. Купером в 1858 году отметил, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в различные цепи. Их работы послужили основой объяснения явления изомерии, взаимосвязи состава, строения и свойств молекул органических соединений.

Однако основные идеи теории впервые были высказаны А. М. Бутлеровым в 1861 году. Первое положение теории строения органических соединений заключается в том, что атомы в молекулах органических веществ соединены в определённой последовательности согласно их валентности.

Так, атом углерода всегда четырёхвалентен, а его атомы способны соединяться друг с другом, образуя различные цепи. Валентность водорода равна I, а кислорода – II.

Основой скелета органических веществ являются атомы углерода. Они соединяются друг с другом с помощью одинарных или кратных углерод-углеродных связей, образуя цепи.

Второе положение теории: свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул, то есть соединения атомов в молекулах. Это положение объясняет явление изомерии. Например, молекула бутана имеет линейное строение и разветвлённое. Эти два вещества будут различаться свойствами.

Третье положение теории основано на том, что атомы и группы атомов в молекулах органических веществ взаимно влияют друг на друга.

В органической химии используется несколько видов химических формул: молекулярные и структурные. Молекулярная формула отражает качественный и количественный состав, а структурная формула отражает порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности.

Следствия теории химического строения:

1. Возможность предсказать химические свойства и пути синтеза веществ, установить для каждого вещества истинную формулу.

2. Объяснить явление изомерии, взаимного влияния атомов в молекулах.

3. Возможность синтезировать огромный практический материал, предсказывать существование новых веществ и пути их получения.

Предмет органической химии. ТСОС А. М. Бутлерова

Предмет органической химии. Теория строения органических соединений Бутлерова

С древних времён люди стали использовать вещества животного и растительного происхождения. Эти вещества необходимы для приготовления пищи, изготовления одежды. Позже они стали использовать их для получения лекарств и красителей, парфюмерных средств. Человек давно знаком с такими продуктами растительного и животного происхожения, как сахар, крахмал, уксусная кислота, натуральный каучук, жиры, эфирные масла, красящие и опьяняющие вещества. Из жира получали мыло, из растений – лекарства и дезодоранты.

Более трех тыс. лет назад использовали такой краситель, как пурпур, который продуцирует хищная улитка – мурэкс. Согласно одной легенде, первыми открыли пурпур финикийцы, когда собака царя Фолникса на берегу моря разгрызла раковину мурэкса и её морда окрасилась в пурпурно-красный цвет. Такие пурпурные одежды в древних странах носили только цари.

Представьте, когда Александр Македонский в IV веке до нашей эры разгромил персидские войска, он нашёл там в царской сокровищнице десять тонн пурпура, а для получения одного грамма пурпура нужно десять тысяч улиток.

Все вещества, которые использовал человек, были получены из продуктов жизнедеятельности животных и растительных организмов, поэтому их стали называть «органическими веществами», а раздел химии, который изучает их, стали называть «органической химией».

Ещё в начале XIX века  под органическими соединениями понимали вещества, которые могут создаваться только живыми организмами. Многие химики того времени считали, что органические вещества не могут быть получены в лаборатории, а образуются только в живых организмах с помощью «жизненной силы». Эта теория получила название виталистической. Ошибочность этой теории подтвердил в 1828 году Вёлер, синтезировав органическое вещество – мочевину – из неорганических веществ.

Органическая химия выделилась в самостоятельную науку в XIX веке, этому способствовало открытие и исследование большого числа органических соединений. Так, в 1807 г известный шведский химик Берцэлиус впервые ввёл понятия «органическая химия» и «органические вещества».

Органическая химия – это раздел химии, изучающий органические соединения и их превращения.

На сегодняшний день известно около двадцать семь миллионов органических соединений. С каждым годом количество органических веществ увеличивается, потому что их стали получать искусственным путём – в результате химических процессов.

Органические вещества мы встречаем повсюду. Например, для повышения урожайности селькохозяйственных культур и защиты растений используют химические вещества, которые являются органическими, лекаственные препараты и витамины тоже органические соединения. Вещества, которые получают в результате химических превращений являются синтетическими. Это и упомянутые лекарства и витамины, различные виды топлива, моющие средства, корпуса радиоаппаратуры, детские игрушки, одежда.

В последние годы большое внимание стали уделять последствиям неправильного использования химических веществ. Например, синтетический пестицид – ДДТ, который использовали для борьбы с малярией и вредителя сельскохозяйственных культур, при частом применении вызывает токсичность у рыб и птиц. Поэтому это соединение запрещено в ряде стран.

Все органические вещества имеют в своём составе атомы углерода. Поэтому органическую химию часто называют химией соединений углерода. Кроме углерода в состав органических соединений входят атомы водорода, а также могут содержаться атомы кислорода, азота, серы и другие.

Лимонная кислота, уксусная кислота, растительное и сливочное масло, крахмал, целлюлоза – все они содержат атомы углерода, водорода и кислорода.

Органических веществ гораздо больше, чем неорганических (несколько сот тысяч), они имеют более сложное строение, чем неорганические, по сравнению с неорганическими веществами у органических веществ очень большая молярная масса. Это, например, те вещества, благодаря которым происходят жизненные процессы: белки, жиры, углеводы, ферменты, нуклеиновые кислоты.

Источником образования многих природных органических соединений является глюкоза, которая образуется  в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды. В результате биохимических превращений глюкоза превращается в крахмал, целлюлозу и другие вещества, которые относятся к природным органическим соединениям.

Органические соединения классифицируют на:

·         углеводороды

·         их производные,

·         кислородсодержащие органические соединения

·         азотсодержащие органические соединения

Углеводороды содержат атомы углерода и водорода, кислородсодержащие содержат помимо этих атомов ещё и атомы кислорода, а азотсодержащие – атомы азота. Особую группу составлют высокомолекулярные соединения, имеющие огромную относительную молекулярную массу.

Важнейшей особенностью атомов углерода является способность образовывать устойчивые химические связи друг с другом. Атомы углерода могут связываться в цепи различной величины или циклы различной величины.

                 

Подавляющее большинство органических соединений имеют в твёрдом виде молекулярную кристаллическую решётку, в которой молекулы связаны между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Поэтому большинство органических соединений имеют сравнительно невысокие температуры кипения и плавления.

В молекулах углеводородов присутствуют преимущественно ковалентные связи, но связи С–Н обладают малой полярностью из-за небольшой разницы в электроотрицательности. По этой причине молекулы углеводородов практически нерастворимы в полярных растворителях.

Так как в состав органических соединений обязательно входят атомы углерода и водорода, то при сгорании этих соединений образуется углекислый газ и вода.

Для получения органических веществ используют такое сырьё, как нефть, природный газ, каменный уголь, древесину.

Основополагающей теорией для органической химии стала теория строения органических соединений Бутлерова.

Александр Михайлович Бутлеров – русский химик и академик Петербургской академии наук. Он изучил и предсказал изомерию многих органических соединений, а также синтезировал многие вещества.

Основным из положений этой теории считается положение о химическом строении вещества, то есть порядок и последовательность взаимного соединения атомов в молекулу. Для описания химического строения используют такое понятие, как валентность. Так, в органических соединениях валентность водорода равна I, а углерод – IV.

Таким образом первое положение теории Бутлерова это:

Под химическим строением понимается последовательность соединения атомов в молекуле согласно их валентности. То есть атомы в молекулах соединены в определённой последовательности согласно их валентностям.

Этот порядок соединения отображается в виде структурных формул, в которых валентности атомов обозначаются чёрточкой. Если валентность равна I, значит этот атом в формуле соединён с другим атомом при помощи одной чёрточки. Таким образом, для молекулы метана – СН₄ – структурная формула метана показывает, что атом углерода четырёх валентен, так как соединён с четырьмя другими атомами. А атом водорода одновалентен, так как соединён только с одним другим атомом – углеродом.

Например, вам необходимо составить структурную формулу для молекулы С₃Н₈. Для этого следует помнить, что углерод четырёхвалентен, то есть может соединяться с четырьмя другими атомами, а водород одновалентен и может соединяться только с одним атомом. Записываем цепочку из атомов углерода. Мы знаем, что валентность углерода равна IV, поэтому каждый атом углерода может соединиться с четырьмя другими атомами. Получается, что первый атом углерода соединён с одним атомом углерода, поэтому остальные три связи он образует с тремя атомами водорода.  Второй атом углерода уже соединён с двумя соседними атомами углерода, остальные две связи он образует с двумя атомами водорода. Последний – третий — атом углерода соединён только с одним атомом углерода, значит он будет связан с тремя атомами водорода. Таким образом, мы получили структурную формулу, которая отражает последовательность соединения атомов в молекуле. Эту структурную формулу можно записать иначе. Например, атом углерода и три атома водорода – СН₃, затем один атом углерода и два атома водорода, поэтому следует записать СН₂, и последний атом углерода и три атома водорода образует СН₃. Получаем сокращённую структурную формулу: СН₃— СН₂— СН₃. Таким образом, С₃Н₈ – это молекулярная формула, она отражает только количественный и качественный состав, но не порядок соединения атомов в молекуле.

Поэтому, при написании структурных формул органических соединений вначале записывают символы атомов углерода, связывая их между собой, затем, учитывая четырёхвалентность атома углерода, записывают символы других атомов.

Пространственное строение молекул удобно представлять в виде модэлий, выполненных из полимерных или других материалов. Модели молекул бывают шаростержневые и масштабные (полусферические). В шаростержневых моделях атомы изображаются в виде шариков разных размеров и цвета, а валентные связи – в виде трубок или стержней из пластмассы или металла. В масштабных моделях атом изображается в виде сферы с размерами, пропорциональными их радиусу.

Второе положение теории Бутлерова свидетельствует о том, что каждое вещество имеет определённое химическое строение. То есть по свойствам данного вещества можно определить его строение, а зная строение, можно предугадать его свойства.

Аналогично и в музыке: музыкант, увидев нотную запись, может предвидеть, как это звучит, и наоборот, слыша музыку, перенести её в ноты.

Третье положение говорит о том, что свойства веществ зависят от их строения. Разный порядок связывания атомов в молекулах приводит к различному химическому строению, а значит, и к различным свойствам.

Например, нормальный бутан и изобутан имеют одну молекулярную формулу – С₄Н_10, но разную последовательность связей.

Руководствуясь этим принципом можно синтезировать вещества с нужными свойствами, задавая им определённое строение. В настоящее время синтезируются множество разнообразных веществ с нужными свойствами: синтетические каучуки и волокна, пластмассы и красители, средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями, синтетические витамины, гормоны, лекарства.

Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию.  Она объяснила неясности и противоречия в знаниях об окружающем мире, обобщила достижения в области химии, представила качественно новый подход к пониманию строения и свойств веществ, указала направления и возможные пути получения новых веществ.

Таким образом, раздел химии, который изучает органические соединения и их превращения, называют органической химией. Органических веществ гораздо больше, чем неорганических. Органические соединения мы встречаем повсюду. Подавляющее большинство органических соединений имеют ковалентные связи, а в твёрдом состоянии – молекулярную кристаллическую решётку. Молекулы органических соединений могут изображаться различными способами, однако их химическое строение выражают структурные формулы. Атомы в молекулах соединяются между собой в определённом порядке в соответствии с их валентностью. Свойства веществ зависят не только от того, атомы каких элементов входят в состав молекул, но и от порядка соединения атомов в молекулах. Теория А.М. Бутлерова стала фундаментом развития органической химии.

Развитие теоретических представлений органической химии в XIX веке до возникновения теории химического строения: теория типов и радикалов

Первые теоретические представления в органической химии были тесно связаны с так называемой электрохимической теорией Берцелиуса. Основываясь главным образом на факте электролиза неорганических соединений, Берцелиус пришел к мысли, что все химические вещества состоят из электроотрицательных и электроположительных атомов или групп атомов, удерживаемых в молекуле силами электростатического притяжения. Теория Берцелиуса как попытка объяснить характер сил, удерживающих атомы в молекуле, на определенном этапе была прогрессивной; она особенно способствовала развитию неорганической химии. Попытки же применения электрохимической теории к органической химии встречали серьезные затруднения. Более того, именно в органической химии в дальнейшем были обнаружены новые факты, которые привели к окончательному крушению этой теории. Однако первая теория органической химии— теория радикалов — не только не противоречила электрохимической теории, но, наоборот, была тесно связана с ней.

Теория радикалов

Основанием для создания теории радикалов послужили исследования соединений циана (Гей-Люссак, 1815). Этими исследованиями было впервые установлено, что при целом ряде химических превращений группа из нескольких атомов переходит, не изменяясь, из молекулы одного вещества в молекулу другого, подобно тому, как переходят из молекулы в молекулу атомы элементов. Таким образом, группа атомов, называемая радикалом, играет как бы роль одного атома, отличаясь от последнего только сложностью.

Так, например, радикал циан CN в химических реакциях обнаруживает большое сходство сталоидами. В синильной кислоте HCN атом водорода соединен с радикалом цианом (цианистый водород) так же; как в соляной кислоте НCl он соединен с атомом хлора (хлористый водород). Целый ряд сходных солей HCN и НCl может быть получен реакциями обменного разложения: КCl и KCN; AgCl и AgCN; HgCl₂ и Hg(CN)₂.

Были найдены и другие реакции, в которых радикал «циан переходит из одного вещества в другое без изменения:

KCN + Cl₂ ——> КCl + (CN)Cl (хлористый циан)

KCN + Вr₂ ——> КВr + (CN) Вr (бромистый циан)

Эти реакции совершенно аналогичны соответствующим реакциям галоидных соединений, например:

KJ + Cl₂ ——> КCl + JCl (хлористый иод)

Наконец, подобно галоидам, циан может быть получен в свободном виде:

Hg(CN)₂ ——> Hg + (CN)₂

Сильное влияние на признание теории радикалов оказалиосуществленные позднее (1832) Либихом и Вёлером исследования «горькоминдального масла» — вещества состава С₇Н₆О, которое теперь называется бензойным альдегидом. При изучении реакций этого вещества они получили ряд соединений, неизменно содержавших в молекуле группу атомов С₇Н₅О, названную, ими радикалом «бензоилом»:

С₇Н₅О—Н — водородистый бензоил (бензойный альдегид)

С₇Н₅О—Cl — хлористый бензоил

С₇Н₅О—ОН — гидроокись (бензойная кислота)

С₇Н₅О — ONa — бензоат натрия и т. д.

Результаты этих исследований были восприняты как доказательство того, что органические вещества состоят из радикалов, точно так же, как неорганические — из атомов. Казалось, что природа органического вещества раскрыта — органическая химия является «химией сложных радикалов» и в ее развитии начинается новая эра. Предлагалось даже переименовать «бензоил» в «проин» (греч. — начало дня) или в «ортрин» (греч.— утренний рассвет).

С этого времени начинаются усиленные поиски новых радикалов и изучение многочисленных реакций, которые ведут к получению различных соединений этих радикалов.

Значение этих исследований состоит также в том, что на их основе была пересмотрена роль кислорода в химии. С конца XVIII века, после крушения теории флогистона, кислороду отводилось исключительное место в химии. Этот элемент характеризовали тем, что, соединяясь с металлами, он дает основания, а с неметаллами — кислоты; его рассматривали вообще как элемент, сообщающий некоторые отличительные свойства тем соединениям, в состав которых он входит. Представления об исключительной роли кислорода в неорганической химии были перенесены в область органической химии: так, например, считалось, что многие органические вещества следует рассматривать как окислы некоторых органических радикалов. В связи с этим открытие, что такой органический радикал, как бензоил, уже содержит кислород, превращало последний из главного вобыкновенный химический элемент, по крайней мере в органической химии.

В сравнительно короткий срок были открыты соединения радикалов метила СН₃, этила С₂Н₅, ацетила С₂Н₃О и др. Для метила, например, были получены следующие соединения: CH₃Cl.

CH₃Br, CH₃J (хлористый, бромистый и йодистый метил), (СН₃)₂О (окись метила, или диметиловый эфир), СН₃ОН (гидроокись метила, или метиловый спирт), CH₃HSO₄ (кислый сернокислый метил, или метилсерна.я кислота) и др.

В конце 30-х годов XIX века Бунзен в своих классических исследованиях какодиловых соединений показал, что они содержат радикал AsC₂H₆, обладающий свойствами металла. По Бунзену, этот радикал играет роль простого электроположительного элемента, являясь подлинным органическим элементом. Бунзен считал, что при действии металлов на хлористый какодил получается радикал какодил в свободном состоянии (на самом деле — дикакодил, C₄H₁₂As₂).

На определенном этапе развития органической химии теория радикалов оказала ей серьезные услуги, впервые дав химикам руководящую нить в исследовании органического вещества. Это оказалось возможным потому, что в основе теории радикалов лежало важное обобщение: при химических реакциях группы атомов часто в неизменном виде переходят из исходных молекул в молекулы, образующиеся при этих реакциях.

Основная идея теории радикалов, сводившаяся к тому, что органические вещества составлены из радикалов, как неорганические— из атомов, в большой мере стимулировали исследование органических веществ в определенный период развития органической химии. Однако вместе с тем теория радикалов имела ряд принципиальных недостатков, которые она не смогла преодолеть. Главными причинами отказа от этой теории были следующие:

1. Теория радикалов совершенно не ставила вопроса о том, как построены сами радикалы, и вследствие такой односторонности не могла стать главной движущей силой развития науки -на длительный период.

2. Попытки объяснить связь между радикалами с позиций электрохимической теории привели к распространению на теорию радикалов недостатков взглядов Берцелиуса. Эти недостатки сказывались здесь еще в большей степени, чем в неорганической химии, в силу специфики органических веществ. Частным проявлением механического копирования представлений неорганической химии было то, что, по аналогии с атомами, допускалась возможность существования радикалов в свободном виде. Считалось, что радикалы почти так же прочны, как атомы, и могут изменяться только в очень жестких условиях.

Не умея определять молекулярные веса, химики считали, что газообразные простые неорганические вещества, например водород, кислород, хлор и т. д., имеют формулы Н, О, Cl, а не Н₂, О₂, Cl₂. По той же причине считали, что при нагревании цианистой ртути образуется свободный радикал CN, а при реакциях йодистого метила и йодистого этила с натрием — свободные радикалы метил и этил. После того как было доказано, что указанные соединения не являются свободными радикалами, а имеют удвоенный молекулярный вес, отвечающий молекулам (CN)₂, (CH₃)₂, (С₂Н₅)₂ ит. д., теория радикалов в значительной мере уже была поколеблена.

Однако решающим ударом для теории радикалов явилось открытие французским химиком Дюма химических реакций, при которых необыкновенно легко изменялись некоторые из наиболее обычных радикалов.

Исследуя действие хлора на органические вещества, Дюма открыл, что атомы хлора могут замещать в их молекулах атомы водорода («реакция металепсии»). Особенно поразительными казались реакции замещения водорода на хлор в молекуле уксусной кислоты, формулу которой, по Берцелиусу, следовало изображать таким образом: С₂Н₃ООН.

При действии хлора на уксусную кислоту легко происходило замещение атома водорода на атом хлора в радикале ацетиле

причем полученное вещество по своим химическим свойствам мало отличалось от самой уксусной кислоты.

При действии хлора на хлоруксусную кислоту легко происходило дальнейшее замещение сначала второго, а затем и третьего атома водорода на атом хлора:

Соединения, получающиеся в результате этих реакций, по своим химическим свойствам также мало отличаются как от хлоруксусной, так и от уксусной кислоты. Таким образом, не только легко изменялся сам радикал, но, кроме того, замена электроположительного водорода на электроотрицательный хлор мало влияла на химические свойства соединения.

Между тем, согласно Берцелиусу, при реакциях замещения электроположительные атомы заменяются лишь другими электроположительными, а электроотрицательные — электроотрицательными атомами. Попытки заменить электроположительный атом в молекуле на электроотрицательный (или наоборот) должны, как правило, приводить к разрушению молекулы. Если бы в виде исключения такая попытка и удалась, она привела бы к столь глубоким изменениям в молекуле, что полученное новое вещество самым резким образом отличалось бы от исходного.

Открытия Дюма казались сторонникам теории радикалов совершенно невероятными, и Берцелиус и его ученики обрушились на Дюма с почти небывалой в науке резкостью, отрицая правильность его исследования. Однако прав оказался Дюма, и теория радикалов была отвергнута. На смену ей пришла теория замещения, а затем — теория типов.

Правило замещения и теория типов

Правило замещения было сформулировано Дюма и Лораном (1807—1853) главным образом на основании опытного материала, полученного при изучении реакции металепсии. Эти положения Лоран излагал следующим образом:

«Если хлор, бром, кислород или азотная кислота действуют на углеводород, то каждый выделяющийся атом водорода замещается одним эквивалентом хлора, брома, кислорода. При этом образуются кислоты: хлористоводородная, бромистоводородная, азотистая или вода, которые либо освобождаются, либо остаются соединенными со вновь образованным радикалом».

Дюма считал, что правило замещения играет в органической химки такую же роль, как представления об изоморфизме в неорганической химии.

Обсуждая далее тот факт, что вещество, полученное при действии хлора на уксусную кислоту, также представляет собой кислоту (хлоруксусную), а при действии хлора на уксусный альдегид образуется также альдегид (хлораль), Дюма приходит к выводу, что «…в органической химии существуют определенные типы, которые сохраняют свой характер даже после того, как водород в них замещается равным объемом хлора, брома или иода…». Таким образом, правило замещения фактически перерастало в теорию типов, основные положения которой первоначально были сформулированы Дюма в следующей форме:

1. Элементы сложного тела могут во многих случаях замещаться эквивалентными количествами других элементов или сложных тел, играющих роль простых.

2. Если замещение происходит в соотношении эквивалент на эквивалент, то соединение после такого замещения сохраняет свой химический тип, а элемент или группа, вновь вступившие в соединение, играют в нем такую же роль, какую играл замещенный элемент.

Как мы видели выше, теория радикалов принимала во внимание главным образом ту часть молекулы органических веществ, которая при обычных химических превращениях остается неизменной. Меньше внимания уделялось легко изменяющейся части молекулы и причинам ее изменений. Сменившая теорию радикалов теория типов, наоборот, сосредоточивала внимание именно на наиболее изменчивых частях молекулы и на причинах, от которых зависит эта изменчивость. После многих исканий (законы замещений, механическая теория типов, теория ядер и др.) было найдено следующее объяснение изменчивости и характера изменений органических молекул. В реакциях органических веществ обнаруживается глубокое сходство с реакциями простейших неорганических соединений; органические вещества можно считать происшедшими от простейших неорганических веществ замещением в молекулах последних одного или нескольких атомов на группы атомов, названные «остатками» (чтобы не употреблять отвергнутого слова «радикал»). Соответствующие простейшие неорганические вещества являются для происшедших от них органических веществ типами, и молекулы органических веществ обладают характерными («типическими») реакциями тех неорганических молекул, к типу которых они относятся.

Эти воззрения стали казаться ясными и убедительными, когда за типы органических веществ были приняты соединения различных элементов с водородом.

Одним из первых был установлен тип воды, к которому были отнесены различные органические вещества, содержащие кислород. От воды органические вещества могут происходить замещением одного или двух атомов водорода на «остатки», например:

Химические реакции спирта объяснялись по аналогии с ре-а.кциями воды. Так, водородный атом воды при действии металлического натрия замещается на атом натрия. Подобно этому в этиловом спирте «типический» для воды атом водорода (не замещенный на остаток этил) также может замещаться на атом натрия. Протекающие при этом реакции и получающиеся продукты в обоих случаях аналогичны:

Характерная для воды реакция с пятихлористым фосфором та.кже протекает для спирта совершенно аналогично—атом кислорода обменивается на два атома хлора:

В первом случае, кроме хлорокиси фосфора, получаются две молекулы хлористого водорода, во втором — одна молекула хлор-истого водорода и одна молекула хлористого этила.

В метиловом эфире нет «типических» водородных атомов воды, и это вещество не реагирует с натрием.

Большим успехом теории типов было открытие соединений типа аммиака — органических оснований, названных аминами. В аммиаке имеются три атома водорода, которые можно заменить на органические остатки:

Первым был получен этиламин; оказалось, что он обладает всемитипическими свойствами аммиака. Это газ, растворимый в воде, дающий щелочной раствор. С кислотами этиламин дает соли, аналогичные солям аммония:

Несколько позднее были «получены все три соединения аммиака и четвертое, представляющее собой хлористый аммоний, в котором все четыре атома водорода замещены на органические остатки.

В конечном счете были установлены следующие главные типы:

Теория типов позволила создать довольно совершенную, близкую к современной классификацию органических веществ, названную Жераром «унитарной» системой. Эта система разделяла органические вещества на классы, объединяемые рядом общих химических свойств. По принадлежности вещества к определенному классу иногда оказывалось возможным верно предсказать способы получения этого вещества и некоторые его химические свойства. Кроме того, сравнивая физические свойства веществ одного и того же класса или разных классов, можно было установить и некоторые правильности в изменении физических свойств органических веществ в зависимости от изменения их состава.

Последним успехом теории типов было установление типа болотного газа. От этого типа производили различные углеводороды:

По мере дальнейшего накопления экспериментального материала рамки теории типов становились тесны для развития органической химии. Сторонники теории типов, пытаясь спасти ее, начали вводить усложнения. Так, например, были введены понятия о сложных и смешанных типах. Пытаясь отразить в типических формулах возможность получения данного органического вещества не из одного, а из ряда соединений и, кроме того, способность его при химических превращениях давать раз-‘личные соединения, сторонники теории типов стали изображать одно вещество несколькими формулами, например для этиленхлоргидрина:

В формуле (I) отражено то обстоятельство, что этиленхлор-гидрин является хлорэтиловым спиртом и относится к типу воды, в формуле (II)этиленхлоргидрин изображен как производное смешанного типа «вода — хлористый водород», вформуле (III) то же вещество изображается как соединение этилена с хлором и гидроксилом.

Во многих случаях одному и тому же веществу придавали десятки типических формул. По мере открытия новых свойств вещества число типических формул увеличивалось. Теория типов зашла втупик — она потеряла способность идти впереди эксперимента.

То, что теория типов стала задерживать развитие органической химии, объяснялось рядом причин. Главная из них заключалась в том, что теория типов принципиально отказывалась от изучения вопроса, каким образом построены те группы атомов в молекулах органических веществ, которые раньше назывались радикалами, а теперь — остатками.

Французский химик Жерар, которому принадлежит главная роль в создании и разработке теории типов, строил эту теорию без каких-либо предположений о внутренней структуре молекул, учитывая лишь состав соединений и придавая составу молекулы решающее значение в определении ее химических реакций. Невозможность познания строения молекул на основе их химических превращений Жерар выводил из того, что в ходе химической реакции молекула изменяется, становится чем-то новым. Отсюда он делал заключение, что методами химии мы не можем познать настоящее молекулы, а познаем только ее прошедшее или будущее. Это означало, что при изучении химических свойств, например, уксусной кислоты можно составить себе представление лишь примерно следующего рода: уксусная кислота — это вещество, получающееся при действии окислителей наэтиловый спирт («прошлое уксусной кислоты») и превращающееся при действии хлора на свету вхлоруксусную кислоту («будущее уксусной кислоты»). Естественно, что с этих позиций можно было дать множество других определений той же уксусной кислоты, например как вещества, получаемого окислением уксусного альдегида и превращающегося в уксусный ангидрид при нагревании с серной кислотой; как вещества, получаемого при гидролизе уксусноэтилового эфира и превращающегося вхлористый ацетил при действии пятихлористого фосфора и т. п.

Исходя из этих взглядов Жерара, сторонники теории типов придавали одному и тому же веществу различные формулы в зависимости от реакции, вкоторую оно вступает.

Жерар считал, что строение молекул можно определить только с помощью физических методов исследования, при которых молекулы не претерпевают изменений. Поскольку в то время физические методы находились в зачаточном состоянии, решение кардинальной для органической химии задачи определения строения молекул откладывалось тем самым на неопределенно длительное время.

Предыдущая страница | Сдедующая страница

СОДЕРЖАНИЕ

Введение в органическую химию – HIMI4KA

Органическая химия — это химия углеводородов и их производных.

Основные положения теории строения органических соединений:

1. Все атомы, образующие молекулы органического вещества, связаны в определенной последовательности согласно их валентностям.
2. Свойства веществ зависят от строения молекул, т. е. свойства и строение взаимосвязаны между собой.
3. Зная свойства вещества, можно установить его строение и наоборот: химическое строение органического соединения может много сказать о его свойствах.
4. Химические свойства атомов и атомных группировок не являются постоянными, а зависят от других атомов (атомных групп), находящихся в молекуле. При этом наиболее сильное влияние атомов наблюдается в случае, если они непосредственно связаны друг с другом.

Ниже приводятся основные термины, используемые в органической химии.

Изомерией называют явление существования органических соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но с различными свойствами.

Изомерами называют химические соединения, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но разное химическое строение и разные свойства.

Структурной называют изомерию, вызванную наличием химических соединений с одинаковым составом, но с различным порядком связи структурных элементов. Различают изомерию углеродного скелета, изомерию положения заместителя или кратной связи.

Геометрическая, или цис-транс-изомерия, — явление существования веществ с различным расположением заместителей относительно двойной связи.

Геометрическая изомерия возможна как у соединений с двойной связью, так и у алициклических соединений.

Если одинаковые группы атомов располагаются по разные стороны от плоскости π-связи, то такие соединения называют транс-изомерами, если одинаковые группы атомов располагаются по одну сторону от плоскости π-связи, то такие соединения называют цис-изомерами.

Вещества, обладающие сходным химическим строением и химическими свойствами, но отличающиеся между собой на одну или несколько CH₂-групп, называют гомологами. Гомологи образуют гомологичные ряды. Свой гомологичный ряд существует для каждого класса органических соединений.

Химическую связь, максимальная электронная плотность которой находится на линии связывания ядер, называют σ-связью.

Химическую связь, максимальная электронная плотность которой находится вне линии связывания ядер, называют π-связью.

В молекулах органических веществ атом углерода всегда находится в одном из трех валентных состояний с различными типами гибридизации:

sp³-гибридизация. При этой гибридизации происходит смешение одной 2s— и трех 2p-орбиталей, в результате чего образуются четыре одинаковые sp³-гибридные орбитали. Валентный угол 109°28′. Атом углерода, находящийся в состоянии sp³ связан с четырьмя другими атомами простыми (одинарными) связями. Все эти связи являются σ-связями.

sp²-гибридизация. При этой гибридизации происходит смешение одной 2s— и двух 2p-орбиталей, в результате чего образуются три одинаковые sp²-гибридные орбитали. Валентный угол 120°. Атом углерода, находящийся в состоянии sp², связан с каким-либо другим атомом двойной связью, например, >C=C<; >C=O; >C=N–. Одна из двойных связей является σ-связью, другая π-связью.

sp-гибридизация. При этой гибридизации происходит смешение одной 2s— и одной 2p— орбитали, в результате чего образуются две одинаковые sp-гибридные орбитали. Валентный угол 180°. Атом углерода, находящийся в состоянии sp, связан с каким-либо другим атомом тройной связью, например, –C≡C–; –C≡N. Одна из тройных связей является σ-связью, две другие — π-связями.

Предисловие

Учебное пособие включает в себя конспект 17 лекций, охватывающий все разделы читаемого курса.

В пособии в компактной и доступной форме представлен обширный теоретический и фактический материал по изучению строения, свойств, получения и применения органических соединений различных классов. В работу включены краткие как исторические, так и современные сведения о достижениях в области органической химии.

Пособие предназначено для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лекционным, практическим занятиям, итоговому контролю и выполнению домашних заданий и контрольных работ по дисциплине.

Учебное пособие по органической химии предназначено для студентов по направлениям подготовки 050100.62 – «Естественнонаучное образование» профиля «Химия», 020400.62 — «Биология» профиля «Биоэкология», 280700. 62 – профиль «Техносферная безопасность», а также может быть полезным студентам других специальностей и направлений.

  Химия (органическая химия) [Текст] : учебно-методический комплекс по дисциплине : конспект лекций / М-во образования и науки Рос. Федерации, ФГБОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова» ; [сост. Л. А. Фисун]. — Абакан : Изд-во ФГБОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова», 2014. — 136 с.

Лекция №1. Введение. Предмет органической химии. Основные этапы ее развития

План

1. Предмет органической химии.

2. Основные исторические этапы развития органической химии.

3. Основные источники органических соединений.

4. Теория химического строения им. А.М. Бутлерова.

Органическая химия – наука, всесторонне изучающая органические соединения. Органические соединения – это углеводороды и их функциональных производные.

Органические соединения известны человеку с глубокой древности: этиловый спирт, уксусная кислота, масла, растительные красители и другие. Однако систематическое изучение органических соединений началось во второй половине 18 века.

Термины «органическая химия», «органические вещества» введены в начале 19 века (1809г.) шведом Й.Я. Берцелиусом для обозначения веществ, выделяемых из животных и растительных организмов. В настоящее время известно более 10 миллионов органических соединений, при этом число синтетических органических соединений несравнимо больше веществ, встречающихся в природе.

Таблица 1.

Распространение углерода в природе

Источники углерода	Количество, 109т	Источники углерода	Количество, 109т
Газы- гидраты	104	Наземная растительность	830
Уголь,нефть, газ	5000	Торф	500
Почва	1400	Атмосфера	3,6
Вода	980	Морские растения	3,0

Органические соединения образованы небольшим числом элементов — углеродом, водородом, серой, кислородом, азотом, фосфором. В состав организма человека, например, входит 24 элемента, на долю четырех из них – углерода, водорода, кислорода и азота приходится около 99% соединений. Архитектура, состав и строение органических соединений весьма разнообразны, разнообразны и уникальны их свойства.

Современная органическая химия характеризуется достаточно развитыми теоретическими представлениями, позволяющими систематизировать, объяснять и прогнозировать свойства, существование органических соединений и их роль в жизни человека.

Фундаментом теоретической органической химии является теория химического строения им. А.М. Бутлерова (1861 год), основные положения которой сформулированы следующим образом:

1. Атомы в молекулах соединяются между собой в определенной последовательности, согласно их валентности. Химическое строение – это определенная последовательность расположения связей между атомами.

2. Свойства органических веществ зависят не только от природы и числа атомов, но и от химического строения. Каждое химическое соединение имеет только одну химическую формулу, которая дает представление об его химических свойствах.

3. Явление существования нескольких соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но с разными строением и свойствами, называется изомерией, а сами соединения – изомерами.

4. Атомы в молекулах оказывают друг на друга взаимное влияние. Химический характер каждого конкретного атома в молекуле зависит от природы связанных с ним атомов.

5. Химическое строение соединения может быть установлено по его химическим и физическим свойствам. И, наоборот, зная строение, можно определить его свойства.

Теория химического строения позволила систематизировать фактический материал органической химии, объяснять ее закономерности, предсказывать новые факты.

Достижения современной теории связаны с развитием стереохимических представлений, электронной теории, квантовой химии, глубоким проникновением физико-химических, физических и математических методов исследований, применением компьютерных технологий.

На рубеже 20 и 21 веков органическая химия достигла впечатляющих успехов в понимании тонких механизмов химических реакций, выявлении закономерностей влияния структуры на свойства органических соединений, направленного синтеза необходимых веществ и материалов.

Многие направления органической химии развивались в последние десятилетия столь интенсивно, что выросли в самостоятельные научные дисциплины – стереохимия, химия высокомолекулярных соединений и полимеров, химия природных и физиологически активных соединений, химия элементоорганических соединений, физическая органическая химия, химия гетероциклов, биоорганическая химия, молекулярная биология и т.д.