Теорія хімічної будови органічних сполук О.М.Бутлерова

Науковим фундаментом сучасної теорії будови хімічних сполук стала структурна теорія (або теорія будови органічних сполук), яка була розроблена в другій половиш XIX століття і в яку величезний внесок зробила наукова школа російського хіміка О.М.Бутлерова.

Суть цієї теорії зводиться до таких основних положень:

1. Атоми розташовані в молекулах не безладно, а сполучені один із одним хімічними зв'язками в певній послідовності відповідно до їхніх валентностей.

Ця послідовність називається хімічною будовою. Хімічну будову можна зобразити структурною формулою, в якій хімічні зв'язки між атомами зображуються рисками.

2. Властивості речовин залежать не тільки від їхнього якісного та кількісного складу, але й від хімічної будови молекул.

Це означає, що ізомери (речовини з однаковим складом, але різною будовою) мають різні властивості. Наприклад, етанол та диметиловий ефір.

СН₃ — CH₂ — OH СН₃ — О — СН₃

Етанол диметиловий ефір

3. За властивостями даної речовини можна визначити будову її молекули, а за будовою молекули передбачити її властивості.

4. Атоми або групи атомів у молекулах взаємно впливають один на одного, безпосередньо або через інші атоми. Так, у молекулі оцтової кислоти СН₃СООН атом водню в групі СООН може відщеплюватися в водному розчині в вигляді іону Н⁺, а атом водню в групі СН₃ міцно зв'язаний з атомом-вуглецю і не може відщеплюватися у вигляді іона.

Квантово-механічні уявлення про будову атомів і молекул блискуче підтвердили і поглибили основні положення цієї теорії.

Вуглець в усіх органічних сполуках чотиривалентний. Відповідно до сучасних електронних уявлень хімічний зв'язок виникає за рахунок неспарених електронів атома. Атом вуглецю при утворенні органічної сполуки переходить у збуджений стан:

C(1s²2s²2p²)→C*(1s²2s¹2p³).

Чотири орбіталі атома вуглецю, що мають неспарені електрони, дають можливість атому утворити чотири ковалентні зв'язки, тобто бути чотиривалентним в сполуках. Усі чотири зв'язки, які утворює вуглець, абсолютно рівноцінні. Це пояснюється тим, що в момент утворення зв’язків відбувається гібридизація (змішування та вирівнювання орбіталей за формою і енергією) атомних s- і р- орбіталей з утворенням чотирьох однакових гібридних орбіталей.

Для атома вуглецю можливі три валентних стани з різними типами гібридизації: sp³ -, sp² -, sp - гібридизація.

Атоми вуглецю здатні з'єднуватися один із одним одинарним зв'язком (— C — C —; sp³- гібридизація, валентні кути 109°28'); подвійним (— С = С —; sp² - гібридизація, валентні кути 120°) і потрійним зв'язком (— С ≡ С —; sp- гібридизація, валентний кут 180°), утворюючи прямі, розгалужені і замкнуті ланцюги.

Класифікація

Залежно від будови вуглецевого ланцюга органічні сполуки поділяють на ациклічні й циклічні.

Ациклічними є сполуки, молекули яких складаються з відкритих (незамкнених) вуглецевих ланцюгів - прямих або розгалужених:

прямий ланцюг розгалужений ланцюг

Ациклічні сполуки називають аліфатичними або сполуками жирного ряду. їх поділяють на насичені та ненасичені. Сполуки з простими (одинарними) δ-зв'язками (С — С) є насиченими, а з кратними δ+π-зв'язками (С = С, С ≡ С) - ненасиченими.

Циклічними називають сполуки, молекули яких складаються з замкнених у кільця вуглецевих ланцюгів. Циклічні сполуки поділяють на карбоциклічні (цикли містять тільки атоми вуглецю) і гетероциклічні (цикли містять, крім атомів вуглецю, атоми інших елементів — кисню, азоту, сірки тощо:).

карбоциклічна сполука гетероциклічна сполука

Ациклічні й циклічні сполуки поділяють на класи за функціональними групами. Функціональними називають групи атомів що надають речовинам певних хімічних властивостей. Вихідним класом при такій класифікації є сполуки вуглецю з воднем - вуглеводні. Шляхом заміщення водневого атому в вуглеводнях на функціональну групу можна перейти до будь-якого класу сполук.

Будь-який клас органічних сполук можна зобразити загальною формулою R-X, де X - функціональна група, R - радикал (залишок вуглеводня, який утворюється, якщо від молекули відняти один атом водню).

Наприклад: СН₄ - метан; СН₃ - радикал «метил»; С₂Н₆ - етан; С₂Н₅ - радикал «етил». Найважливіші класи органічних сполук наведені в таблиці 15.1.

Таблиця 15.1.

Найважливіші класи органічних сполук

Клас сполук	Функціональні групи
Назва	Загальна формула	Приклад сполук	Назва	Формули
Вуглеводні	СnHm або R·N	CH4, C2H6, C2H2, C6H6	—	—
Галагенопо-хідні вуглеводнів	R - нal	CH3Сl, C2H4Cl	Галогени	-F, -CL, -Br, -I
Спирти феноли	R - OH	CH3OH	Гідрок-сильна (гідроксил)	-OH
Альдегіди			Альдегідна
Кетони			Корональна (карбоніл)
Карбонові кислоти			Карбо ксильна (карбо ксил)
Складні ефіри			Складно ефірна
Нітросполу-ки	R – NO2	CH3 – NO2 C6H5 – NH2	Нітро група	-NO2
Аміни (первинні)	R – NH2	CH3 – NH2 C6H5 – NH2	Аміно група	-NH2
Сульфо-кислоти	R – SO3H	CH3 – SO3H C6H5 – SO3H	Сульфо група	-SO3H

Кожний клас сполук утворює гомологічні ради. Гомологічний ряд - це ряд сполук, у якому кожний наступний представник відрізняється від попереднього на групу атомів - СН₂, яка називається гомологічною різницею. Гомологічний рад кожного класу зображується загальною формулою. Наприклад, насичені вуглеводні мають загальну формулу C_nH_2n+2.

СН₄ - метан; С₆Н₁₄ - гексан;

С₂Н₆ - етан; С₇Н₁₆ - гептан;

С₃Н₈ - пропан; С₈Н₁₈ - октан;

С₄Н₁₀ - бутан; С₉Н₂₀ - нонан;

С₅Н₁₂ - пентан; С₁₀Н₂₂ - декан.

Ізомерія. Усі класи органічних сполук утворюють ізомери. Розрізняють структурну і просторову ізомерію. Структурна ізомерія може бути обумовлена:

а)різним порядком сполучення атомів вуглецю (ізомерія вуглецевого скелету)

б) різним положенням кратного зв'язку або функціональної групи (ізомерія положення)

в) належністю сполук до різних класів (міжгрупова ізомерія)

Просторова ізомерія обумовлена неоднаковим просторовим положенням різних замісників відносно подвійного зв'язку (геометрична або цис-транс-ізомерія). Вона характерна для сполук з подвійним зв'язком. Якщо одинакові замісники знаходяться по один бік подвійного зв'язку - це цис-ізомер, якщо по різні - це транс-ізомер.

Номенклатура

Органічні сполуки називають за тривіальною (історичною), раціональною і систематичною (міжнародною або ІЮПАК) номенклатурами.

атомів водню головного ланцюга);

в) положення замісника в бічному ланцюзі позначають номером вуглецевого атома, біля якого знаходиться замісник, потім називають цей замісник, а в кінці називають насичений вуглеводень, що відповідає головному ланцюгу, і змінюють або додають закінчення залежно від наявності кратного зв'язку і функціональної групи головного ланцюга місце положення яких позначають цифрою після кореня слова - назви. Якщо замісників декілька, цифрами позначають кожний із них і розташовують їхні назви в алфавітному порядку.

Наприклад

Якщо в головному ланцюзі міститься декілька однакових замісників, то їх загальна кількість позначається грецьким числівником (ди-, три-, тетра-тощо), який ставлять перед назвою цих радикалів» а їхнє положення вказують цифрою. Наприклад:

В основу тривіальної номенклатури покладено назву джерела, з якого вперше була виділена дана сполука або випад кова назва. Наприклад, мурашина, яблучна, молочна кислоти, винний спирт. Ця номенклатура не дає можливості називати ізомери.

В основу раціональної номенклатури покладено назву першого члена гомологічного ряду даного класу сполук. Наприклад:

За систематичною номенклатурою сполуки називають як похідні насичених вуглеводнів з відповідною зміною закінчення, що відповідає назві функціональної групи. Назви ациклічних насичених вуглеводнів мають закінчення ан (пропан); ненасичених вуглеводнів з одним подвійним зв'язком — ен (пропен); ненасичених вуглеводнів з двома подвійними зв'язками — дієн (бутадієн); з потрійним зв'язком — ін (пропін); спиртів — ол (пропанол); альдегідів — аль (пропаналь); кетонів — он (пропанон); кислот — ова кислота (пропанова кислота).

Назви ізомерних сполук утворюються таким чином:

а)вибирають найдовший нерозгалужений вуглецевий ланцюг (головний), що містить найбільше число функціональних груп або кратний зв'язок, характерний для даного гомологічного ряду;

б)атоми вуглецю в головному ланцюзі нумерують, починаючи з того кінця, до якого ближче функціональна група, кратний зв'язок або замісник (вуглеводневі радикали і функціональні групи, які знаходяться в бічному ланцюзі розглядаються як замісники