Aleksander Michajłowicz Butlerow urodził się 3 (15 września) 1828 r. w mieście Chistopol w obwodzie kazańskim w rodzinie ziemianina, emerytowanego oficera. Pierwsze wykształcenie otrzymał w prywatnej szkole z internatem, a następnie studiował w gimnazjum i Cesarskim Uniwersytecie Kazańskim. Od 1849 uczył, w 1857 został profesorem zwyczajnym chemii na tej samej uczelni. Dwukrotnie był jej rektorem. W 1851 obronił pracę magisterską "O utlenianiu związków organicznych", aw 1854 na Uniwersytecie Moskiewskim - pracę doktorską "O olejkach eterycznych". Od 1868 był profesorem zwyczajnym chemii na Uniwersytecie Petersburskim, od 1874 - zwyczajnym akademikiem Petersburskiej Akademii Nauk. Oprócz chemii Butlerov zwracał uwagę na praktyczne kwestie rolnictwa, ogrodnictwa, pszczelarstwa i pod jego kierownictwem rozpoczęła się uprawa herbaty na Kaukazie. Zmarł we wsi Butlerovka w obwodzie kazańskim 5 sierpnia (17) 1886 r.
Przed Butlerowem podjęto wiele prób stworzenia teorii budowy chemicznej związków organicznych. Kwestia ta była wielokrotnie podejmowana przez najwybitniejszych chemików tamtych czasów, których prace zostały częściowo wykorzystane przez rosyjskiego naukowca w jego teorii budowy. Na przykład niemiecki chemik August Kekule doszedł do wniosku, że węgiel może tworzyć cztery wiązania z innymi atomami. Ponadto uważał, że dla tego samego związku może być kilka wzorów, ale zawsze dodawał, że w zależności od przemiany chemicznej ten wzór może być inny. Kekule uważał, że formuły nie odzwierciedlają kolejności, w jakiej atomy są połączone w cząsteczce. Inny wybitny niemiecki naukowiec, Adolf Kolbe, ogólnie uważał, że wyjaśnienie budowy chemicznej cząsteczek jest zasadniczo niemożliwe.
Butlerow po raz pierwszy wyraził swoje główne poglądy na temat budowy związków organicznych w 1861 r. w raporcie „O strukturze chemicznej materii”, który przedstawił uczestnikom Kongresu Niemieckich Przyrodników i Lekarzy w Speyer. W swojej teorii uwzględnił idee Kekule dotyczące wartościowości (liczby wiązań dla konkretnego atomu) i szkockiego chemika Archibalda Coopera, że atomy węgla mogą tworzyć łańcuchy. Fundamentalną różnicą między teorią Butlerowa a innymi teorią było usytuowanie na chemicznej (a nie mechanicznej) strukturze cząsteczek - metodzie, w której atomy łączą się ze sobą, tworząc cząsteczkę. Jednocześnie każdy atom tworzył wiązanie zgodnie z przynależną mu „siłą chemiczną”. W swojej teorii naukowiec dokonał wyraźnego rozróżnienia między atomem swobodnym a atomem, który wszedł w kombinację z innym (przechodzi w nową formę, a w wyniku wzajemnego oddziaływania atomy połączone, w zależności od otoczenia strukturalnego mają różne funkcje chemiczne). Rosyjski chemik był przekonany, że formuły nie tylko schematycznie przedstawiają cząsteczki, ale także odzwierciedlają ich rzeczywistą strukturę. Co więcej, każda cząsteczka ma określoną strukturę, która zmienia się dopiero w trakcie przemian chemicznych. Z zapisów teorii wynikało (później zostało to potwierdzone eksperymentalnie), że o właściwościach chemicznych związku organicznego decyduje jego struktura. To stwierdzenie jest szczególnie ważne, ponieważ pozwoliło wyjaśnić i przewidzieć przemiany chemiczne substancji. Istnieje również zależność odwrotna: wzór strukturalny może służyć do oceny właściwości chemicznych i fizycznych substancji. Ponadto naukowiec zwrócił uwagę na to, że reaktywność związków tłumaczy się energią, z jaką wiążą się atomy.
Za pomocą stworzonej teorii Butlerov był w stanie wyjaśnić izomerię. Izomery to związki, w których liczba i „jakość” atomów jest taka sama, ale jednocześnie mają różne właściwości chemiczne, a co za tym idzie inną strukturę. Teoria ta pozwoliła w przystępny sposób wyjaśnić znane przypadki izomerii. Butlerov uważał, że możliwe jest określenie przestrzennego rozmieszczenia atomów w cząsteczce. Jego przewidywania zostały później potwierdzone, co dało impuls do rozwoju nowej gałęzi chemii organicznej - stereochemii. Należy zauważyć, że naukowiec jako pierwszy odkrył i wyjaśnił zjawisko izomerii dynamicznej. Jego znaczenie polega na tym, że dwa lub więcej izomerów w określonych warunkach może łatwo przechodzić w siebie. Ogólnie rzecz biorąc, to właśnie izomeria stała się poważnym testem dla teorii budowy chemicznej i została przez nią genialnie wyjaśniona.
Niepodważalne twierdzenia sformułowane przez Butlerowa bardzo szybko przyniosły teorii powszechne uznanie. Słuszność wysuniętych pomysłów potwierdziły eksperymenty naukowca i jego zwolenników. W swoim procesie udowodnili hipotezę izomerii: Butlerov zsyntetyzował jeden z czterech przewidzianych przez teorię alkoholi butylowych, rozszyfrował jego strukturę. Zgodnie z prawami izomerii, które bezpośrednio wynikały z teorii, wyrażono również możliwość istnienia czterech kwasów walerianowych. Później zostały przyjęte.
To tylko kilka faktów w łańcuchu odkryć: chemiczna teoria budowy związków organicznych miała niesamowitą zdolność przewidywania.
W stosunkowo krótkim czasie odkryto, zsyntetyzowano i zbadano dużą liczbę nowych substancji organicznych i ich izomerów. W rezultacie teoria Butlerowa dała impuls do szybkiego rozwoju nauk chemicznych, w tym syntetycznej chemii organicznej. Tak więc liczne syntezy Butlerowa są głównymi produktami całych gałęzi przemysłu.
W dalszym ciągu rozwijała się teoria budowy chemicznej, która w tamtym czasie przyniosła wiele rewolucyjnych pomysłów do chemii organicznej. Na przykład Kekule wysunął założenie o cyklicznej budowie benzenu i ruchu jego podwójnych wiązań w cząsteczce, o szczególnych właściwościach związków z wiązaniami sprzężonymi i wiele więcej. Ponadto wspomniana teoria sprawiła, że chemia organiczna stała się bardziej wizualna - stało się możliwe rysowanie wzorów molekuł.
A to z kolei zapoczątkowało klasyfikację związków organicznych. To właśnie zastosowanie wzorów strukturalnych pomogło określić sposoby syntezy nowych substancji, ustalić strukturę związków złożonych, czyli doprowadziło do aktywnego rozwoju nauki chemicznej i jej gałęzi. Na przykład Butlerov zaczął prowadzić poważne badania procesu polimeryzacji. W Rosji przedsięwzięcie to było kontynuowane przez jego uczniów, co ostatecznie pozwoliło odkryć przemysłową metodę wytwarzania kauczuku syntetycznego.
W pierwszej połowie XIX wieku w chemii organicznej zgromadzono ogromną ilość materiału faktograficznego, którego dalsze badania utrudniał brak jakiejkolwiek podstawy systematyzującej. Począwszy od lat 20. XX wieku zaczęły pojawiać się kolejne teorie, podające się jako uogólniony opis budowy związków organicznych. Jedną z nich była teoria typów, opracowana w latach 90. przez francuskiego naukowca C. Gerarda. Zgodnie z tą teorią wszystkie związki organiczne uważano za pochodne najprostszych substancji nieorganicznych, rozumianych jako typy. Gerard
Krótko przed pojawieniem się teorii struktury A. M. Butlerowa, niemieckiego chemika F.A. Kekule (1857) rozwinął teorię wartościowości w odniesieniu do związków organicznych, ustalając takie fakty jak tetrawalencja atomu węgla i jego zdolność do tworzenia łańcuchów węglowych poprzez łączenie się z atomami węgla.A. M. Butlerova F.A. Kekule
Rozwój teoretyczny okresu przed Butlerem wniósł pewien wkład w poznanie budowy związków organicznych. Ale żadna z wczesnych teorii nie była uniwersalna. I tylko przed południem Butlerovowi udało się stworzyć tak logicznie kompletną teorię struktury, która do dziś służy jako naukowa podstawa chemii organicznej. Teoria struktury A.M. Butlerov opiera się na materialistycznym podejściu do rzeczywistej molekuły i wychodzi z możliwości doświadczalnego poznania jej struktury. JESTEM. Butlerov, ustalając strukturę substancji, przywiązywał fundamentalne znaczenie do reakcji chemicznych. Teoria struktury A.M. Butlerova nie tylko wyjaśniła już znane fakty, jej znaczenie naukowe polegało na przewidywaniu istnienia nowych związków organicznych. Butlerov AM Butlerova AM Butlerov AM Butlerov
Izomery to substancje, które mają ten sam wzór cząsteczkowy, ale inną strukturę chemiczną, a zatem mają różne właściwości. Prawdziwe wyjaśnienie izomerii uzyskano dopiero w drugiej połowie XIX wieku na podstawie teorii budowy chemicznej A.M. Butlerov (izomeria strukturalna) i doktryna stereochemiczna Ya.G. van't Hoffa (izomeria przestrzenna). G. van't Hoff
Formuła Nazwa Liczba izomerów CH 4 metan1 C4H6C4H6 etan1 C3H8C3H8 propan1 C 4 H10 butan 2 C 5 H 12 pentan 3 C 6 H 14 heksan 5 C 7 H 16 heptan 9 C 8 H 18 oktan 18 C 9 H 20 nonan 35 C 10 H 22 dekan75 C 11 H 24 undekan 19 C 12 H 26 dodekan355 C 13 H 28 tridekan802 C 14 H 30 tetradekan1 858 C 15 H 32 pentadekan4 347 C 20 H 42 eikozan C 25 H 52 pentakozan C 30 H 62 triakontan C 40 H 82 tetrakontan
Izomery strukturalne to takie, które odpowiadają różnym wzorom strukturalnym związków organicznych (o różnej kolejności połączeń atomów). Izomery przestrzenne mają te same podstawniki na każdym atomie węgla i różnią się jedynie wzajemnym ułożeniem w przestrzeni.
Izomery przestrzenne (stereoizomery). Stereoizomery można podzielić na dwa typy: izomery geometryczne i izomery optyczne. Izomeria geometryczna jest charakterystyczna dla związków zawierających podwójne wiązanie lub pierścień. W takich cząsteczkach często możliwe jest narysowanie płaszczyzny warunkowej w taki sposób, że podstawniki na różnych atomach węgla mogą znajdować się po tej samej stronie (cis-) lub po przeciwnych stronach (trans-) tej płaszczyzny. Jeżeli zmiana orientacji tych podstawników względem płaszczyzny jest możliwa tylko na skutek zerwania jednego z wiązań chemicznych, to mówi się o obecności izomerów geometrycznych. Izomery geometryczne różnią się właściwościami fizycznymi i chemicznymi.
Odkryto nową metodę otrzymywania izomerów optycznych cząsteczek organicznych. Kiedy Alicja znalazła się we własnym, ale „lustrzanym” pokoju, była zdziwiona: pokój wydaje się podobny, ale jednak zupełnie inny. Izomery lustrzane cząsteczek chemicznych również różnią się w ten sam sposób: wyglądają podobnie, ale zachowują się inaczej. Najważniejszym obszarem chemii organicznej jest separacja i synteza tych lustrzanych wariantów. (Ilustracja Johna Tenniela do Alicji po drugiej stronie lustra Lewisa Carrolla)
Amerykańscy naukowcy nauczyli się pozyskiwać optyczne izomery związków na bazie aldehydów, przeprowadzając w końcu ważną reakcję, nad którą chemicy pracowali od wielu lat. W eksperymencie połączyli dwa katalizatory, które działają na różnych zasadach. W wyniku wspólnego działania tych katalizatorów powstają dwie aktywne cząsteczki organiczne, które łączą się w pożądaną substancję. Na przykładzie tej reakcji pokazano możliwość syntezy całej klasy biologicznie ważnych związków organicznych.
Obecnie znanych jest co najmniej 130 reakcji syntezy organicznej, w których otrzymuje się mniej lub bardziej czyste chiralne izomery. Jeżeli sam katalizator ma właściwości chiralne, wówczas optycznie aktywny produkt będzie otrzymywany z optycznie nieaktywnego podłoża. Ta zasada została wyprowadzona na początku XX wieku i pozostaje podstawową do dziś. Zasada selektywnego działania katalizatora w odniesieniu do izomerów optycznych jest podobna do uścisku dłoni: „wygodne” jest wiązanie katalizatora tylko z jednym z izomerów chiralnych, a zatem tylko jedna z reakcji jest korzystnie katalizowana. Nawiasem mówiąc, termin „chiralny” pochodzi od greckiego słowa chéir.
Chemiczną naturę związków organicznych, właściwości odróżniające je od związków nieorganicznych, a także ich różnorodność wyjaśniono w teorii budowy chemicznej sformułowanej przez Butlerowa w 1861 r. (patrz § 38).
Zgodnie z tą teorią o właściwościach związków decyduje ich skład jakościowy i ilościowy, budowa chemiczna, czyli kolejność połączeń między atomami tworzącymi cząsteczkę oraz ich wzajemne oddziaływanie. Teoria budowy związków organicznych, rozwinięta i uzupełniona najnowszymi poglądami z dziedziny chemii i fizyki atomów i molekuł, zwłaszcza idee dotyczące przestrzennej budowy molekuł, charakteru wiązań chemicznych i charakteru wzajemnego oddziaływania atomów, stanowi teoretyczne podstawy chemii organicznej.
We współczesnej teorii budowy związków organicznych główne postanowienia są następujące.
1. Wszystkie cechy związków organicznych determinowane są przede wszystkim właściwościami pierwiastka węglowego.
Zgodnie z miejscem, jakie zajmuje węgiel w układzie okresowym, w zewnętrznej warstwie elektronowej jego atomu (powłoki) znajdują się cztery elektrony. Nie wykazuje wyraźnej tendencji do oddawania lub dodawania elektronów, zajmuje pod tym względem pozycję pośrednią między metalami i niemetalami i charakteryzuje się wyraźną zdolnością do tworzenia wiązań kowalencyjnych. Strukturę zewnętrznej warstwy elektronowej atomu węgla można przedstawić za pomocą następujących diagramów:
Wzbudzony atom węgla może uczestniczyć w tworzeniu czterech wiązań kowalencyjnych. Dlatego w zdecydowanej większości swoich związków węgiel wykazuje kowalencyjność równą cztery.
Tak więc najprostszy związek organiczny węglowodorowy metan ma skład. Jego strukturę można przedstawić za pomocą struktury (a) lub elektronicznych wzorów strukturalnych (lub elektronicznych) (b):
Formuła elektronowa pokazuje, że atom węgla w cząsteczce metanu ma stabilną ośmioelektronową powłokę zewnętrzną (oktet elektronów), a atomy wodoru mają stabilną powłokę dwuelektronową (dublet elektronów).
Wszystkie cztery wiązania kowalencyjne węgla w metanie (i innych podobnych związkach) są równoważne i symetrycznie skierowane w przestrzeni. Atom węgla znajduje się niejako w środku czworościanu (regularna piramida czworościanu), a cztery atomy z nim połączone (w przypadku metanu cztery atomy znajdują się na wierzchołkach czworościanu (ryc. 120) Kąty pomiędzy kierunkami dowolnej pary wiązań (kąty walencyjne węgla) są takie same i wynoszą 109°28".
Wyjaśnia to fakt, że w atomie węgla, gdy tworzy on wiązania kowalencyjne z czterema innymi atomami, z jednego orbitali s i trzech p, w wyniku hybrydyzacji powstają cztery orbitale hybrydowe symetrycznie rozmieszczone w przestrzeni, wydłużony w kierunku wierzchołków czworościanu.
Ryż. 120. Model czworościenny cząsteczki metanu.
Ryż. 121. Schemat powstawania wiązań - w cząsteczce metanu.
W wyniku nakładania się – hybrydowych chmur elektronowych węgla z chmurami elektronowymi innych atomów (w metanie z chmurami kulistymi – elektronami atomów wodoru) powstają cztery tetraedrycznie skierowane wiązania kowalencyjne (ryc. 121; patrz także s. 131).
Strukturę czworościenną cząsteczki metanu wyraźnie wyrażają jej modele przestrzenne – sferyczny (ryc. 122) lub segmentowy (ryc. 123). Białe kulki (segmenty) reprezentują atomy wodoru, czarne - węgiel. Model kulkowy charakteryzuje jedynie wzajemne przestrzenne rozmieszczenie atomów, segmentowy daje również wyobrażenie o względnych odległościach międzyatomowych (odległości między jądrami. Jak pokazano na rys. 122, wzór strukturalny metanu można traktować jako rzut jego przestrzenny model na płaszczyźnie rysunku.
2. Wyjątkową właściwością węgla, decydującą o różnorodności związków organicznych, jest zdolność jego atomów do łączenia się ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, tworząc łańcuchy węglowe o niemal nieograniczonej długości.
Wartościowości atomów węgla, które nie weszły we wzajemne połączenie, są używane do dodania innych atomów lub grup (w węglowodorach, do dodania wodoru).
Tak więc węglowodory etan i propan zawierają łańcuchy odpowiednio o dwóch i trzech atomach węgla.
Ryż. 122. Kulowy model cząsteczki metanu.
Ryż. 123. Model segmentowy cząsteczki metanu.
Ich strukturę wyrażają następujące wzory strukturalne i elektroniczne:
Znane są związki zawierające setki lub więcej atomów węgla.
Wzrost łańcucha węglowego o jeden atom węgla prowadzi do zwiększenia składu na grupę. Taka ilościowa zmiana składu prowadzi do powstania nowego związku o nieco innych właściwościach, tj. już jakościowo różniącego się od oryginalnego związku; jednak ogólny charakter związków zostaje zachowany. Tak więc oprócz węglowodorów metanu, etanu, propanu istnieją butan, pentan itp. Tak więc w ogromnej różnorodności substancji organicznych można wyróżnić rzędy tego samego rodzaju związków, w których każdy kolejny członek różni się od poprzedni przez grupę. Szeregi takie nazywamy szeregami homologicznymi, ich terminy są homologami względem siebie, a istnienie takich szeregów nazywamy zjawiskiem homologii.
W konsekwencji, węglowodory metan, stopień, propan, butan itp. są homologami tej samej serii, która nazywa się serią ograniczających lub nasyconych węglowodorów (alkanów) lub, według pierwszego przedstawiciela, serią metanową.
Ze względu na tetraedryczną orientację wiązań węglowych jego atomy zawarte w łańcuchu nie są ułożone w linii prostej, ale w sposób zygzakowaty, a ze względu na możliwość rotacji atomów wokół osi wiązania, łańcuch w przestrzeni może zajmować różne formy (konformacje):
Ta struktura łańcuchów umożliwia zbliżenie się do końcowych (b) lub innych niesąsiadujących atomów węgla (c); w wyniku pojawienia się wiązania między tymi atomami łańcuchy węglowe mogą zostać zamknięte w pierścienie (cykle), na przykład:
O różnorodności związków organicznych decyduje zatem również fakt, że przy tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce możliwe są związki o otwartym, otwartym łańcuchu atomów węgla, a także substancje, których cząsteczki zawierają cykle (związki cykliczne) .
3. Wiązania kowalencyjne między atomami węgla utworzone przez jedną parę uogólnionych elektronów nazywane są wiązaniami prostymi (lub zwykłymi).
Wiązanie między atomami węgla może być realizowane nie przez jedną, ale przez dwie lub trzy wspólne pary elektronów. Następnie otrzymuje się łańcuchy z wielokrotnymi - podwójnymi lub potrójnymi wiązaniami; relacje te można przedstawić w następujący sposób:
Najprostszymi związkami zawierającymi wiązania wielokrotne są węglowodory etylen (z wiązaniem podwójnym) i acetylen (z wiązaniem potrójnym):
Węglowodory z wieloma wiązaniami nazywane są nienasyconymi lub nienasyconymi. Etylen i acetylen to pierwsi przedstawiciele dwóch homologicznych serii - węglowodorów etylenu i acetylenu.
Ryż. 124. Schemat powstawania wiązań - w cząsteczce etanu.
Proste wiązanie kowalencyjne (lub C: C) utworzone przez nakładanie się dwóch -hybrydowych chmur elektronów wzdłuż linii łączącej centra atomów (wzdłuż osi wiązania), jak na przykład w etanie (ryc. 124), jest - obligacja (patrz § 42 ). Wiązania to także -wiązania - powstają przez nakładanie się wzdłuż osi wiązania -hybrydowej chmury atomu C i kulistej chmury -elektron atomu H.
Charakter wielokrotnych wiązań węgiel-węgiel jest nieco inny. Tak więc w cząsteczce etylenu podczas tworzenia podwójnego wiązania kowalencyjnego (lub) w każdym z atomów węgla w hybrydyzacji uczestniczy jeden -orbital i tylko dwa p-orbitale (-hybrydyzacja); jeden z orbitali p każdego atomu C nie hybrydyzuje. W rezultacie powstają trzy -hybrydowe chmury elektronowe, które uczestniczą w tworzeniu trzech -wiązań. W sumie w cząsteczce etylenu jest pięć wiązań (cztery i jedno); wszystkie znajdują się w tej samej płaszczyźnie pod kątem około 120° względem siebie (ryc. 125).
Tak więc jedna z par elektronów w wiązaniu tworzy wiązanie -, a druga jest tworzona przez elektrony p, które nie biorą udziału w hybrydyzacji; ich chmury zachowują kształt tomu ósmego, są zorientowane prostopadle do płaszczyzny, w której znajdują się wiązania i zachodzą na siebie powyżej i poniżej tej płaszczyzny (ryc. 126), tworząc wiązanie (patrz § 42).
Ryż. 125. Schemat powstawania wiązań - w cząsteczce etylenu.
Ryż. 126. Schemat powstawania wiązania w cząsteczce etylenu.
Dlatego wiązanie podwójne C=C jest kombinacją jednego i jednego wiązania.
Potrójne wiązanie (lub ) jest kombinacją jednego wiązania i dwóch wiązań. Na przykład, podczas tworzenia cząsteczki acetylenu w każdym z atomów węgla, w hybrydyzacji uczestniczy jeden orbital p i tylko jeden orbital p (hybrydyzacja); w rezultacie powstają dwa -hybrydowe chmury elektronowe, uczestniczące w tworzeniu dwóch -wiązań. Chmury dwóch elektronów p z każdego atomu C nie hybrydyzują, zachowują swoją konfigurację i uczestniczą w tworzeniu wiązań dwu -. Tak więc w acetylenie występują tylko trzy wiązania (jedno i dwa) skierowane wzdłuż jednej linii prostej oraz dwa wiązania zorientowane w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach (ryc. 127).
Wiązania wielokrotne (tj. podwójne i potrójne) podczas reakcji łatwo zamieniają się w proste; potrójna pierwsza zamienia się w podwójną, a ostatnia w prostą. Wynika to z ich wysokiej reaktywności i ma miejsce, gdy dowolne atomy są przyłączone do pary atomów węgla połączonych wiązaniem wielokrotnym.
Przejście wiązań wielokrotnych w proste tłumaczy się tym, że z reguły wiązania - mają mniejszą wytrzymałość, a zatem większą labilność w porównaniu z wiązaniami -. Kiedy tworzą się wiązania, chmury p-elektronów o równoległych osiach nakładają się w znacznie mniejszym stopniu niż chmury elektronów zachodzące wzdłuż osi wiązania (tj. chmury hybrydowe, -elektronowe lub p-elektronowe zorientowane wzdłuż osi wiązania).
Ryż. 127. Schemat powstawania wiązań - w cząsteczce acetylenu.
Ryż. 128. Modele cząsteczki etylenu: a - kula; b - segmentowany.
Wiązania wielokrotne są silniejsze niż wiązania proste. Tak więc energia zerwania wiązania to , wiązania i tylko wiązania .
Z tego, co zostało powiedziane, wynika, że we wzorach dwie linie z trzech w połączeniu i jedna linia z dwóch w połączeniu wyrażają połączenia, które są słabsze niż połączenie proste.
Na ryc. 128 i 129 to kuliste i segmentowe modele przestrzenne związków z wiązaniami podwójnymi (etylenowymi) i potrójnymi (acetylenowymi).
4. Teoria budowy wyjaśniła liczne przypadki izomerii związków organicznych.
Łańcuchy atomów węgla mogą być proste lub rozgałęzione:
Tak więc w składzie znajdują się trzy węglowodory nasycone (pentan) o różnej budowie łańcucha - jeden o łańcuchu nierozgałęzionym (struktura normalna) i dwa o łańcuchu rozgałęzionym (izostruktura):
Kompozycja ma trzy nienasycone węglowodory, dwie normalne struktury, ale izomeryczne w pozycji wiązania podwójnego i jedną izostrukturę:
Ryż. 129. Modele cząsteczki acetylenu: kula; b - segmentowany.
Dwa cykliczne węglowodory są izomeryczne z tymi nienasyconymi związkami, które również mają skład i są względem siebie izomeryczne pod względem wielkości cyklu:
Przy tym samym składzie związki mogą różnić się strukturą ze względu na różne pozycje w łańcuchu węglowym i inne atomy niewęglowe, na przykład:
Izomeria może wynikać nie tylko z innej kolejności połączeń atomów. Istnieje kilka rodzajów izomerii przestrzennej (stereoizometrii), która polega na tym, że odpowiadające im izomery (stereoizomery) o tym samym składzie i kolejności łączenia atomów różnią się różnym ułożeniem atomów (lub grup atomów) w przestrzeni.
Tak więc, jeśli związek ma atom węgla związany z czterema różnymi atomami lub grupami atomów (atom asymetryczny), to możliwe są dwie przestrzenne formy izomeryczne takiego związku. Na ryc. 130 przedstawia dwa modele czworościenne kwasu mlekowego, w których asymetryczny atom węgla (oznaczony we wzorze gwiazdką) znajduje się w centrum czworościanu. Łatwo zauważyć, że tych modeli nie można łączyć w przestrzeni: są one lustrzane i odzwierciedlają przestrzenną konfigurację cząsteczek dwóch różnych substancji (w tym przykładzie kwasów mlekowych), różniących się niektórymi właściwościami fizycznymi, a przede wszystkim biologicznymi. Taka izomeria nazywana jest stereoizomerią lustrzaną, a odpowiadające izomery nazywane są izomerami lustrzanymi.
Ryż. 130. Tetraedryczne modele cząsteczek lustrzanych izomerów kwasu mlekowego.
Różnicę w strukturze przestrzennej izomerów lustrzanych można również przedstawić za pomocą wzorów strukturalnych, które pokazują różne rozmieszczenie grup atomowych przy atomie asymetrycznym; na przykład dla tych pokazanych na ryc. 130 lustrzanych izomerów kwasu mlekowego:
Jak już wspomniano, atomy węgla; połączone wiązaniem podwójnym leżą w tej samej płaszczyźnie z czterema wiązaniami łączącymi je z innymi atomami; kąty między kierunkami tych wiązań są w przybliżeniu takie same (ryc. 126). Gdy do każdego z atomów węgla w wiązaniu podwójnym przyłączone są różne atomy lub grupy, możliwa jest tak zwana stereoizomeria geometryczna lub izomeria cis-trans. Przykładem są przestrzenne izomery geometryczne dichloroetylenu
W cząsteczkach jednego izomeru atomy chloru znajdują się po jednej stronie wiązania podwójnego, a w cząsteczkach po przeciwnych stronach. Pierwsza konfiguracja nosi nazwę cis-, druga - konfiguracja trans. Izomery geometryczne różnią się między sobą właściwościami fizycznymi i chemicznymi.
Ich istnienie wynika z faktu, że wiązanie podwójne wyklucza możliwość swobodnego obrotu połączonych atomów wokół osi wiązania (taki obrót wymaga zerwania wiązania; patrz ryc. 126).
5. Wzajemny wpływ w cząsteczkach substancji organicznych przejawia się przede wszystkim w atomach bezpośrednio ze sobą połączonych. W tym przypadku jest to zdeterminowane charakterem wiązania chemicznego między nimi, stopniem różnicy ich względnej elektroujemności, a w konsekwencji stopniem polaryzacji wiązania.
Na przykład, sądząc po wzorach skróconych, w cząsteczce metanu iw cząsteczce alkoholu metylowego wszystkie cztery atomy wodoru muszą mieć te same właściwości. Ale, jak zostanie wykazane dalej, w alkoholu metylowym jeden z atomów wodoru można zastąpić metalem alkalicznym, podczas gdy w metanie atomy wodoru nie wykazują takiej zdolności. Wynika to z faktu, że w alkoholu atom wodoru jest bezpośrednio związany nie z węglem, ale z tlenem.
W powyższych wzorach strukturalnych strzałki na liniach wiązań warunkowo pokazują przemieszczenie par elektronów tworzących wiązanie kowalencyjne, ze względu na różną elektroujemność atomów. W metanie takie przesunięcie wiązania jest niewielkie, ponieważ elektroujemność węgla (2,5) tylko nieznacznie przekracza elektroujemność wodoru w tabeli 1. 6, s. 118). W tym przypadku cząsteczka metanu jest symetryczna. W cząsteczce alkoholu wiązanie jest znacznie spolaryzowane, ponieważ tlen (elektroujemność 3,5) znacznie bardziej przyciąga do siebie parę elektronów; dlatego atom wodoru w połączeniu z atomem tlenu uzyskuje większą ruchliwość, tj. łatwiej go odłączyć w postaci protonu.
W cząsteczkach organicznych ważny jest również wzajemny wpływ atomów, które nie są ze sobą bezpośrednio połączone. Tak więc w alkoholu metylowym pod wpływem tlenu wzrasta reaktywność nie tylko atomu wodoru związanego z tlenem, ale także atomów wodoru, które nie są bezpośrednio związane z tlenem, ale związane z węglem. Dzięki temu alkohol metylowy dość łatwo się utlenia, natomiast metan jest stosunkowo odporny na działanie czynników utleniających. Wynika to z faktu, że tlen grupy hydroksylowej znacząco przyciąga do siebie parę elektronów w wiązaniu łączącym go z węglem, którego elektroujemność jest mniejsza.
W efekcie efektywny ładunek atomu węgla staje się bardziej dodatni, co powoduje dodatkowe przemieszczenie par elektronów również w wiązaniach w alkoholu metylowym, w porównaniu z tymi samymi wiązaniami w cząsteczce metanu. Pod działaniem środków utleniających atomy H związane z tym samym atomem węgla, z którym połączona jest grupa OH, znacznie łatwiej niż w węglowodorach odrywają się i łączą z tlenem, tworząc wodę. W tym przypadku atom węgla związany z grupą OH ulega dalszemu utlenianiu (patrz § 171).
Wzajemny wpływ atomów, które nie są ze sobą bezpośrednio połączone, może być przenoszony na znaczną odległość wzdłuż łańcucha atomów węgla i tłumaczy się przesunięciem gęstości chmur elektronowych w całej cząsteczce pod wpływem atomów lub grup obecna w nim inna elektroujemność. Wzajemny wpływ może być również przenoszony przez przestrzeń otaczającą cząsteczkę - w wyniku nakładania się chmur elektronowych zbliżających się atomów.
Teoria AM Butlerov
1. Atomy w cząsteczkach są połączone w określonej kolejności wiązaniami chemicznymi zgodnie z ich wartościowością. Kolejność wiązania atomów nazywana jest ich strukturą chemiczną. Węgiel we wszystkich związkach organicznych jest czterowartościowy.
2. O właściwościach substancji decyduje nie tylko skład jakościowy i ilościowy cząsteczek, ale także ich struktura.
3. Atomy lub grupy atomów wzajemnie na siebie oddziałują, od czego zależy reaktywność cząsteczki.
4. Strukturę cząsteczek można ustalić na podstawie badania ich właściwości chemicznych.
Związki organiczne posiadają szereg charakterystycznych cech odróżniających je od nieorganicznych. Prawie wszystkie (z rzadkimi wyjątkami) są palne; większość związków organicznych nie dysocjuje na jony, co wynika z charakteru wiązania kowalencyjnego w substancjach organicznych. Wiązanie jonowe realizowane jest tylko w solach kwasów organicznych, np. CH3COONa.
seria homologiczna- jest to nieskończona seria związków organicznych, które mają zbliżoną budowę, a co za tym idzie podobne właściwości chemiczne i różnią się od siebie dowolną liczbą grup CH2 (różnica homologiczna).
Jeszcze przed powstaniem teorii budowy znane były substancje o tym samym składzie pierwiastkowym, ale o różnych właściwościach. Takie substancje nazwano izomerami, a samo to zjawisko nazwano izomerią.
W sercu izomerii, jak pokazuje A.M. Butlerov, leży różnica w budowie cząsteczek składających się z tego samego zestawu atomów.
izomeria- jest to zjawisko istnienia związków, które mają ten sam skład jakościowy i ilościowy, ale inną strukturę, a co za tym idzie różne właściwości.
Istnieją 2 rodzaje izomerii: strukturalny izomeria i przestrzenny izomeria.
Izomeria strukturalna
Izomery strukturalne- związki o tym samym składzie jakościowym i ilościowym, różniące się kolejnością wiązania atomów, czyli budową chemiczną.
Izomeria przestrzenna
Izomery przestrzenne(stereoizomery) o tym samym składzie i tej samej budowie chemicznej różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów w cząsteczce.
Izomery przestrzenne to izomery optyczne i izomery cis-trans (geometryczne).
Izomeria cis-trans
polega na możliwości umieszczenia podstawników po jednej lub po przeciwnych stronach płaszczyzny wiązania podwójnego lub pierścienia niearomatycznego. izomery cis podstawniki znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny pierścienia lub wiązania podwójnego, w izomery trans- na różne sposoby.
W cząsteczce buten-2 CH3–CH=CH–CH3 grupy CH3 mogą znajdować się albo po jednej stronie wiązania podwójnego, w izomerze cis, albo po przeciwnych stronach, w izomerze trans.
Izomeria optyczna
Pojawia się, gdy węgiel ma cztery różne podstawniki.
Jeśli dowolne dwa z nich zostaną zamienione, otrzymuje się inny izomer przestrzenny o tym samym składzie. Właściwości fizykochemiczne takich izomerów znacznie się różnią. Związki tego typu wyróżniają się zdolnością do obracania płaszczyzny światła spolaryzowanego przechodzącego przez roztwór takich związków o określoną wartość. W tym przypadku jeden izomer obraca płaszczyznę światła spolaryzowanego w jednym kierunku, a jego izomer w kierunku przeciwnym. Ze względu na takie efekty optyczne ten rodzaj izomerii nazywa się izomerią optyczną. 
Największym wydarzeniem w rozwoju chemii organicznej było stworzenie w 1961 roku przez wielkiego rosyjskiego naukowca A.M. Teoria Butlerowa o budowie chemicznej związków organicznych.
Przed poranną Butlerov uznano, że niemożliwe jest poznanie struktury cząsteczki, czyli kolejności wiązania chemicznego między atomami. Wielu naukowców zaprzeczało nawet rzeczywistości atomów i cząsteczek.
JESTEM. Butlerov obalił tę opinię. Wyszedł od słusznych materialistycznych i filozoficznych wyobrażeń o realności istnienia atomów i cząsteczek, o możliwości poznania chemicznego wiązania atomów w cząsteczce. Pokazał, że strukturę cząsteczki można ustalić empirycznie, badając przemiany chemiczne substancji. I odwrotnie, znając strukturę cząsteczki, można wywnioskować właściwości chemiczne związku.
Teoria budowy chemicznej wyjaśnia różnorodność związków organicznych. Wynika to ze zdolności czterowartościowego węgla do tworzenia łańcuchów i pierścieni węglowych, łączenia się z atomami innych pierwiastków oraz obecności izomerii w strukturze chemicznej związków organicznych. Teoria ta położyła naukowe podstawy chemii organicznej i wyjaśniła jej najważniejsze prawidłowości. Podstawowe zasady jego teorii A.M. Butlerov stwierdził w raporcie „O teorii budowy chemicznej”.
Główne postanowienia teorii struktury są następujące:
1) w cząsteczkach atomy są połączone ze sobą w określonej kolejności zgodnie z ich wartościowością. Kolejność wiązania atomów nazywa się strukturą chemiczną;
2) właściwości substancji zależą nie tylko od tego, które atomy i w jakiej ilości są częścią jej cząsteczki, ale także od kolejności, w jakiej są ze sobą połączone, to znaczy od struktury chemicznej cząsteczki;
3) atomy lub grupy atomów, które utworzyły cząsteczkę, wzajemnie na siebie wpływają.
W teorii budowy chemicznej dużo uwagi poświęca się wzajemnemu oddziaływaniu atomów i grup atomów w cząsteczce.
Wzory chemiczne, które przedstawiają kolejność połączeń atomów w cząsteczkach, nazywane są wzorami strukturalnymi lub wzorami strukturalnymi.
Wartość teorii budowy chemicznej A.M. Butlerow:
1) jest istotną częścią teoretycznych podstaw chemii organicznej;
2) co do ważności można go porównać z okresowym układem elementów D.I. Mendelejew;
3) umożliwił usystematyzowanie ogromnej ilości praktycznego materiału;
4) umożliwił przewidywanie z góry istnienia nowych substancji, a także wskazywanie sposobów ich pozyskiwania.
Teoria budowy chemicznej służy jako podstawa przewodnia we wszystkich badaniach w chemii organicznej.
5. Izomeria. Struktura elektronowa atomów pierwiastków o małych okresach.Wiązanie chemiczne
Właściwości substancji organicznych zależą nie tylko od ich składu, ale także od kolejności połączeń atomów w cząsteczce.
Izomery to substancje, które mają ten sam skład i tę samą masę molową, ale inną strukturę molekularną, a zatem mają różne właściwości.
Naukowe znaczenie teorii budowy chemicznej:
1) pogłębia wyobrażenia o treści;
2) wskazuje drogę do poznania struktury wewnętrznej molekuł;
3) umożliwia zrozumienie faktów nagromadzonych w chemii; przewidzieć istnienie nowych substancji i znaleźć sposoby ich syntezy.
Cała ta teoria w znacznym stopniu przyczyniła się do dalszego rozwoju chemii organicznej i przemysłu chemicznego.
Niemiecki naukowiec A. Kekule wyraził pomysł połączenia ze sobą atomów węgla w łańcuchu.
Doktryna budowy elektronowej atomów.
Cechy doktryny budowy elektronowej atomów: 1) umożliwiły zrozumienie natury wiązania chemicznego atomów; 2) poznać istotę wzajemnego oddziaływania atomów.
Stan elektronów w atomach i budowa powłok elektronowych.
Chmury elektronowe to obszary o największym prawdopodobieństwie obecności elektronu, które różnią się kształtem, rozmiarem i orientacją w przestrzeni.
W atomie wodór pojedynczy elektron podczas swojego ruchu tworzy ujemnie naładowaną chmurę o kulistym (kulistym) kształcie.
S-elektrony to elektrony, które tworzą kulisty obłok.
Atom wodoru ma jeden s-elektron.
W atomie hel są dwa s-elektrony.
Cechy atomu helu: 1) chmury o tym samym kulistym kształcie; 2) najwyższa gęstość jest równo usuwana z rdzenia; 3) chmury elektronowe są połączone; 4) tworzą wspólną chmurę dwuelektronową.
Cechy atomu litu: 1) posiada dwie warstwy elektronowe; 2) ma chmurę w kształcie kuli, ale jest znacznie większa niż wewnętrzna chmura dwuelektronowa; 3) elektron drugiej warstwy jest słabiej przyciągany do jądra niż dwie pierwsze; 4) jest łatwo wychwytywany przez inne atomy w reakcjach redoks; 5) ma s-elektron.
Cechy atomu berylu: 1) czwarty elektron jest s-elektronem; 2) chmura kulista pokrywa się z chmurą trzeciego elektronu; 3) istnieją dwa sparowane s-elektrony w warstwie wewnętrznej i dwa sparowane s-elektrony w zewnętrznej.
Im więcej chmur elektronowych nakłada się na siebie, gdy atomy łączą się, tym więcej energii jest uwalniane i tym silniejsze wiązanie chemiczne.
