Органические соединения. Теория Бутлерова

Органические соединения — соединения углерода — характери­зуются большим разнообразием свойств. Причиной этого является особенность углерода, выделяющая его из всех остальных элемен­тов, — совпадение значений валентности и координационного чис­ла, равных 4. Атомы углерода в органических соединениях связа­ны ковалентной неполярной связью.

Теория строения органических соединений была впервые сфор­мулирована в 1861 г. А. М. Бутлеровым. Он писал: «Исходя от мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, при­нимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение дейст­вия этой силы, вследствие которого химические атомы, посредст­венно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в хи­мическую частицу» ... «химическая натура сложной частицы опре­деляется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением». Изучение химических превращений и физических свойств соединений дает возможность установить по­следовательный порядок связи атомов между собою и во многих случаях предвидеть свойства изучаемых веществ.

В основу теории строения легло явление изомерии. Этот факт впервые правильно объяснил А. М. Бутлеров, подчеркнув, что раз­личие свойств изомеров объясняется различием порядка связи атомов между собой в изомерных молекулах. Формуле С₂Н₆О со­ответствуют два вещества — этиловый спирт и диметиловый эфир. Свойства этих веществ очень различны. Этиловый спирт — жид­кость с температурой кипения 78,32°, а диметиловый эфир — газ с температурой кипения —21°. Этиловый спирт реагирует с метал­лическим натрием, диметиловый эфир не реагирует

Сопоставлением ряда свойств этих веществ можно этиловому спирту

Н Н Н Н

| | | |

приписать строение Н—С—С—ОН, а диметиловому эфиру Н—С—О – С—ОН

| | | |

Н Н Н Н

Изображенные структуры могут быть подтверждены рядом хи­мических превращений и физическими свойствами.

Теория строения учит, что атомы внутри молекулы взаимно влияют друг на друга. Свойства соединений являются следствием взаимного влияния атомов и групп атомов, непосредственно соеди­ненных друг с другом. Например, в молекуле спирта связь кисло­рода с водородом обнаруживается благодаря способности такого водорода вытесняться металлами:

C₂H₆O+Na → C₂H₅ONa+ ½ H₂.

Отмечено, что и атомы, непосредственно друг с другом не свя­занные, также могут влиять друг на друга, хотя в более слабой степени.

Сравнение свойств кислот: уксусной СНзСООН, хлоруксусной СlСН₂СООН и бета-хлорпропионовой С1СН₂СН₂СООН показы­вает, что самой слабой является уксусная, а наиболее сильной из этого ряда — хлоруксусная кислота. Объяснение этому явлению можно найти во влиянии атомов хлора на группу —СООН, хотя он с нею непосредственно и не связан. В хлоруксусной кислоте между хлором и карбоксильной группой находится одна группа СН₂, а в бета-хлорпропионовой кислоте — две группы СН₂. Поэтому бета-хлорпропионовая кислота слабее хлоруксусной, но сильнее обычной уксусной кислоты.

Исходя из теории строения, можно объяснить причины большо­го разнообразия органических соединений. Такими причинами яв­ляются:

1. Четырехвалентность атома углерода и ве­личина его координационного числа (4). Углерод расположен в IV группе элементов периодической системы. Пре­имущественный тип связей — ковалентный.

H H H Cl Cl

| | | | |

Н - С - Н Н – С – Сl H – C – Cl H – C – Cl Cl – C - Cl

| | | | |

H H Cl Cl Cl

Метан Хлористый Хлристый Хлороформ Четыреххло-

метил метилен ристый

углерод

В очень редких случаях валентность атома углерода не равна четырем. Как правило, такие соединения непрочны, обладают очень высокой химической активностью и длительное время существовать в свободном состоянии не могут.

2. Равноценность валентностей атома углерода. При замещении атомов водорода в молекуле метана, незави­симо от того, какой из четырех атомов замещен одновалентным: атомом или группой атомов, образующееся производное будет об­ладать совершенно одинаковыми свойствами.

Равноценность всех четырех валентностей атома углерода объ­ясняется их пространственным расположением. Пересекаясь в одной точке, направления валентностей образуют между собой равные углы.

Геометрически это можно изобразить фигурой тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а его валентные связи направлены к вершинам, образуя между собой углы в 109°28΄. Такое представление об атоме углерода первоначально было высказано Вант-Гоффом и нашло обоснование в квантово-механическом толковании. Рентгеноскопические исследования подтверди­ли эти положения. В кристалле алмаза, например, все расстояния между атомами углерода совершенно одинаковы и равны 1,54А.

3. Способность атомов углерода соединяться между собой с образованием цепей. Возможны три случая:

а) на соединение атомов углерода между собой затрачивается одна валентность; при этом образуется группировка - -. В этом случае образовавшуюся между атомами углерода связь называют простой, или одинарной, а соединения — пре­дельными;

б) два атома углерода на соединение друг с другом могут затратить по две валентности, образуя группировку С=С .

Такая связь носит название двойной, а соединение—непредельных, или ненасыщенных. Расстояние между атомами углерода в соединениях с двойной связью равно 1,34А;

в) два атома углерода могут образовать группировку -С ≡ С-, т.е. затратить на связь друг с другом по три валент­ности. Такая связь называется тройной. Соединения имеют нена­сыщенный характер. Расстояние между атомами углерода, соеди­ненными тройной связью, составляет 1,20 А.

Двойные и тройные связи называются кратными.