Теорія Бутлерова

I. Будова молекули метана.

Молекулярна формула метану CH4.

Оскільки атом вуглецю має велику электроотрицательность (2,5), ніж водень (2,1), то молекулі метану відбувається незначне усунення загальних електронних пар убік атома углерода.

Але така формула не відбиває просторового будівлі молекули. Щоб це показати, слід пригадати про формулах електронних хмар і розміщення електронів по енергетичним рівням і подуровням. Наприклад, будова атома вуглецю зображують наступній схемой:

2P.

)) 2S? ?

З +6 2 4 P. S ??

)) ?? 1S2 2S2 2P2.

Оскільки другому енергетичному рівні р-подуровне є вільна орбиталь, то, на неї може перейти одне із 2S2 — электронов:

)).

З +6 2 4? ? ?

)) ?

P.S Sp ??

Усе чотири зовнішніх електрона другого рівня в атомі вуглецю виявляться неспаренными, і атом вуглецю в порушену стані стає четырехвалентным.

Щоб осягнути, як відбувається освіту хімічних зв’язків в молекулі метану перекриванням електронних хмар і чому молекула метану має тетраэдрическое будова, треба знати те, що ці хмари після гібридизації поширюється у просторі тож їхні осі виявляються спрямованими до вершин тетраэдры. При освіті молекул метану вершини цих гібридних хмар перекриваються з хмарами електронів атомів водорода.

Позаяк у цьому випадку в гібридизації бере участь один S-электрон і трьох p-электрона, такий їхній вигляд називається SP3- гибридизацией.

Хімічна формула й будову молекул этилена.

Молекулярна формула етилену C2H4.

Якщо між двома взаємно пов’язаними атомами вуглецю розмістити чотири атома водню, то структурну формулу етилену було б зобразити так:

H H.

| |.

H — З — З — H.

| |.

Проте вільних зв’язків в молекулі повинно бути. Тож у структурної формулі етилену зображують подвійну связь:

H H.

| |.

H — З = З — H.

Отже, на відміну граничних вуглеводнів, в молекулах яких між атомами вуглецю є ординарна зв’язок, в молекулах вуглеводнів низки етилену між атомами вуглецю маємо одну подвійна связь.

У молекулі етилену піддаються гібридизації одне P. Sі двоє p — електронних хмари атомів вуглецю. Отже кожен атом вуглецю має по три (всього шість) гібридних електронних хмари й за одним (усього дві) негибридному p — хмарі. Два з гібридних електронних хмар атомів вуглецю взаємно перекриваються й утворюють між атомами вуглецю? (сигма) — зв’язок. Інші чотири гібридних електронних хмари атомів вуглецю перекриваються у тій площині з четыремя P. S — електронними хмарами атомів водню і утворюють чотири? — зв'язку. Негибридные два p-облака атомів вуглецю взаємно перекриваються у площині, розташовану перпендикулярно площині? — зв'язку, тобто. утворюється одна П-связь. Отже, в молекулі етилену між атомами маємо одну? і жодна П — зв’язок. У вуглецевих з'єднаннях П — зв’язок значно слабше, ніж? — зв'язок. Під впливом респектів П — зв’язок легко разрывается.

Легко зрозуміти, що у молекулах граничних вуглеводів атоми вуглецю можуть вільно обертатися навколо? — зв'язку. Якщо ж між атомами вуглецю існує лише? — зв'язок, а й П — зв’язок, то таке обертання без розриву останньої невозможно.

II.

1.Изомерия ланцюга атомів вуглецю у різних органічних соединениях.

Уперше з цим виглядом ізомерії ми зустрілися щодо граничних вуглеводнів. Наприклад, молекулярної формулі C5H12 відповідають три вещества:

CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3.

Пентан.

CH3.

|.

CH3 — CH — CH2 — CH3 CH3 — З — CH3.

| |.

CH3 CH3.

2-метилбутан 2,2 диметилпропан.

Цей вид ізомерії трапляється тільки в граничних вуглеводнів, а й в інших класів органічних сполук. Приміром, залежно від будівлі вуглецевої ланцюга одному й тому ж молекулярної формулі С4Н90Н відповідають два спирта:

CH3.

4 3 2 1 3 2| 1.

CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — ОH CH3 — CH — CH2 — ОH.

1-бутанол 2-метил-1-пропанол.

Інший приклад. Однією й тією самою молекулярної формулі C4H9O2 В залежність від будівлі вуглецевої ланцюга відповідають дві аминокислоты:

O CH3 O.

4 3 2 1// 3 2| 1//.

CH3 — CH2 — CH — З CH3 — З — C.

| |.

NH2 NH2 OH.

2-аминобутановая кислота 2-амино-2-метил-пропановая кислота.

2. Ізомерія становища подвійний чи потрійний зв’язку в молекуле.

З цією виглядом ізомерії ми зустрілися щодо непредельных вуглеводнів. Приміром, молекулярної формулі C4H6 залежно від місця розташування потрійний зв’язку відповідають два вещества:

CH3 — CH2 — З? CH CH3 — З? З — CH3.

1- бутін 2-бутин.

Інший приклад. Однією й тією самою молекулярної формулі С4Н602 залежно від місця подвійний зв’язку відповідають дві непредельные карбонові кислоты:

O O.

// //.

CH2 = CH — CH2 — З CH3 — CH = CH — C.

ВІН ОН.

Винилуксусная кислота Кротоновая кислота.

3. Ізомерія становища функціональної групи чи окремих атомів в молекуле.

З цією виглядом ізомерії ми ознайомилися щодо спиртів, амінокислот, і навіть галогенопроизводных вуглеводнів. Розглянемо кілька примеров.

Молекулярної формулі С3Н7ОН залежно від становища гід році ильной групи в молекулі відповідають два вещества:

CH3 — CH — CH3.

CH3 — CH2 — CH2 — ОH |.

ОH.

1-пропанол 2-пропанол.

Молекулярної формулі С3Н7О2N залежно від становища аминогруппы —NH2 в молекулі відповідають два вещества:

O O.

3 2 // //.

NH2 — CH2 — CH2 — З CH3 — CH — C.

ВІН ОН.

3-аминопропановая кислота 2-аминопропановая кислота.

Молекулярної формулі С3Н7Сl залежно від становища атома хлору в молекулі теж відповідають два вещества:

CH3 — CH2 — CH2 — Cl CH3 — CНCl — CH3.

1-хлорпропан 2-хлорпропан.

4. Просторова, чи стереоизомерия. Цей вид ізомерії зустрічається у непредельных вуглеводнів, у складі які є різні атоми чи групи атомів, здатні займати різні положення у просторі. Наприклад, олеиновая кислота С17Н33СООН існує у двох изомерных формах:

М М CH3 — (CH2)7 Н.

/ /.

З = З З = С.

/ /.

CH3 — (CH2)7 (CH2)7 — СООН М (CH2)7 — СООН.

Цис-изомер транс-изомер

Цим самим виглядом ізометрії так обумовлена стереорегулярность і стереонерегулярность різних полімерів. Характерним прикладом регулярного будівлі є дивиниловый каучук.

H H.

З = З.

— CH2 CH2- n.

А прикладом нерегулярного строения-бутадиеновый каучук.

H CH2;

З = З.

— CH2 H n.

які відрізняються по свойствам.

5. Ізомерія, характерна органічних сполук, в молекулах яких є бензольное кольцо.

Цей вид ізомерії може бути за двох заступників в бензольном кільці. Залежно розміщення заступників в бензольном кільці розрізняють орто-, позначкаі пара-изомерию. Приміром, тоді як бензольном кільці є двох заступників — радикал мітив і гидроксильная група, то таку речовину називається крезолом. І, залежно розміщення цих груп у бензольном кільці існує три різних вещества:

C-CH3 HC C-OH HC CH CH C-CH3 HC CH HC C-OH CH C-CH3 HC CH HC CH C-OH.

о-крезол м-крезол n-крезол.

Слід врахувати, що чимало сполуки, мають те ж молекулярну формулу, можуть бути різні між собою різними видами ізомерії, например:

CH3 O O.

| // //.

CH3 — З — З NH2 — CH2 — CН — C.

| |.

NH2 OH CH3 OH.

2-амино-2метилпропановая кислота 3-амино-2-метилпропановая кислота.

CH3 — CH2 — CH — CООН.

|.

NH2.

2-аминобутановая кислота.

Ці ізомерні речовини відрізняються одночасно изометрией вуглецевої кайдани й посадили изометрией становища функціональної групи — NH2.

III. Наприклад, з молекули етанолу натрій витісняє лише одне атом водню. Отже, цей атом водню більш подвижен.

Звідси можна вивести структурну формулу этанола:

H H.

| |.

H — З — З — H.

| |.

H H.

Навпаки, знаючи структурну формулу етанолу, можна припустити, що натрій буде витісняти лише одне атом водню, який із атомом кислорода.

Вивчаючи властивості глюкози, ми переконалися, що її молекулі п’ять груп — і одна альдегидная група. Навпаки, знаючи структурну формулу глюкози, можна припустити, що глюкоза виявлятиме властивості альдегідів і спиртов.

IV. Хімічні властивості фенолу обумовлені наявністю у його молекулі гидроксильной групи і бензального ядра, які взаємно впливають друг на друга. Наявність гидроксильной групи визначає подібність фенолу зі спиртами:

1. Подібність, подібне зі властивостями спиртов:

2C6H5OH + 2 Na? 2C6H5ONa + H2 ?

2. Властивість, відмінне від властивостей спиртов:

C6H5OH + NaOH? C6H5ONa + H2O.

3. Реакція бромирования.

4.

5. Реакція нитрования.

Вплив бензольного ядра на гидроксильную групу зумовлює велику рухливість її водневого атома. Тому фенолу, на відміну спиртів, реагує зі лугами, тобто. має властивостями слабких кислот. Йому інколи називають карболової кислотою. Це тим, що бензольное ядро відтягує себе електрони кисневого атома гидроксильной групи. Щоб компенсувати це, атом кисню сильніше притягує себе електронну щільність від атома водню. У результаті кавалентная зв’язок між атомами кисню і водню стає більш полярною, а атом водню — більш рухливим. Гидроксильная група своєю чергою надає атомам водню велику рухливість вагітною 2, 4, 6. Це з багатьох прикладів, підтверджують теза теорії А. М. Бутлерова про взаємній вплив атомів в молекулах.

Хімічні властивості аніліну обумовлені наявністю у його молекулі аминогруппы — NH2 і бензольного ядра. Анілін більш слабке підставу. Щоб це питання, слід згадати про взаємній вплив атомів і атомних груп у молекулах. Як і молекулах фенолу (про це раніше) бензольное ядро кілька відтягує вільну електронну пару від атома азоту аминогруппы. У результаті електронна щільність на атомі азоту в молекулі аніліну зменшується і він слабше притягує себе протони, тобто. основні властивості аніліну послаблюються. Найважливіші властивості анилина:

1. Реагує з кислотами із заснуванням солей:

C6H5 — NH2 + HCl? C6H5 NH3 Cl.

2. Виниклі солі реагують зі лугами і знову виділяються анилин:

C6H5 — NH3 Cl+ NaOH? C6H5 NH2 + Na Cl + H2O.

3. Енергійно бере участь у реакціях заміщення, наприклад реагує з бромной водою із заснуванням 2, 4, 6 — триброманилина:

Взаємна вплив атомів в молекулах галогенопроизводных углеводород.

Найхарактерніше хімічне властивість граничних вуглеводнів — реакції заміщення. Прикладом такої реакції є взаємодія граничних вуглеводнів з галогенами. Аналогічно з галогенами реагують та інші граничні углеводороды:

CH3-CH3+Cl2? CH3-CH2-Cl+HCl.

Галогенопроизводные вуглеводні мають деякими особливостями. Відповідно до теорії А. М. Бутлерова, це пояснюється взаємним впливом атомів і атомних груп у хімічних з'єднаннях. З погляду сучасних уявлень про електронні хмарах та його взаємній перекрывании, з урахуванням электроотрицательности хімічних елементів взаємовпливи атомів і атомних груп, наприклад, у метилхиориде, пояснюється так. У атомів хлору электроотрицательность більше, ніж в атомів вуглецю. Тому електронна щільність зв’язку зміщена від атома вуглецю убік атома хлору. У результаті атом хлору набуває частковий негативний заряд, а атом вуглецю — частковий позитивного заряду. Об'єкти, Куплені часткові заряди позначаються ?+ і ?- :

H H.

?+ ?- ?

HЗ? Cl чи H? З? Cl.

/ ?

H H.

Вплив атома хлору поширюється як на атом вуглецю, а й у атоми водню. Через це електронна щільність атомів водню зміщується убік атома вуглецю і хімічні зв’язок між атомами водню і вуглецю стає більш полярними. Через війну атоми водню в молекулі метилхлорида виявляються менш міцно пов’язані з атомом вуглецю і легше заміщуються на хлор, ніж перше атом водню в молекулі метану. Через усунення електронних плотностей від атома водню до атома вуглецю значення позитивного заряду останнього зменшується. Тому ковалентная зв’язок між атомами вуглецю і хлору стає менш полярною і більше прочной.

З погляду іонного механізму сутність правила В. В. Марковникова при взаємодії пропилену з бромоводородом пояснюється ось чим чином: в молекулі пропилену внаслідок зсуву електронної щільності другий атом вуглецю, який із метилрадикалом заряджений більш позитивно, ніж первый.

Значення электроотрицательности у атомів вуглецю більше, ніж в атомів водню. Тому третій атом вуглецю метильной групи внаслідок зсуву електронної щільності від трьох атомів водню набуває щодо більший негативний заряд, ніж інші атоми вуглецю. Цей надлишковий негативний заряд своєю чергою зміщує рухливі П-электронные хмари від другого до першого атома вуглецю. Таке зсуву перший атом вуглецю набуває більший негативний заряд, а другий стає більш позитивним. Через війну атом водню (+) приєднується до атома вуглецю (-), а галоген (-) — до атома вуглецю (+).

Бензол дуже стійкий до окислювання. На відміну від цього ароматні вуглеводні з бічними ланцюгами окисляються щодо легко.

1. При дії енергійних окислювачів (K Mn O4) на гомолоне бензолу окислювання піддаються лише бічні ланцюга. Якщо, наприклад, в пробірку налити 2−3 мл толуолу, потім додати до нього розчин перманганату калію і нагріти, можна помітити, що фіолетова забарвлення розчину поступово знебарвлюється. Це тому, що у дією перманганату калію метильная група толуолу окислюється і перетворюється на группу.

O.

— C.

OH.

O.

C6H5-CH3+3O? C6H5-C + H2O.

OH.

Відомо, що метан та інші граничні вуглеводні дуже стійкі до дії окислювачів. Проте метильная група в молекулі толуолу окислюється порівняно легко. Це впливом бензольного кільця. З прикладів реакцій заміщення і окислення слід, що українці метильная група впливає бензольное кільце, а й бензольное кільце впливає метильную групу, тобто. їхнього впливу зависимо.