Základní principy teorie chemické struktury organických látek A. Butlerova

Člověk se odedávna naučil používat různé látky k přípravě jídla, barviv, oděvů a léků. Postupem času se nashromáždilo dostatečné množství informací o vlastnostech určitých látek, což umožnilo zlepšit metody jejich výroby, zpracování atd. A ukázalo se, že mnoho minerálních (anorganických látek) lze získat přímo.

Ale některé látky používané člověkem nebyly syntetizovány, protože byly získány z živých organismů nebo rostlin. Tyto látky se nazývaly organické. Organické látky nebylo možné v laboratoři syntetizovat. Na počátku 19. století se aktivně rozvíjela taková doktrína jako vitalismus (vita - život), podle níž organické látky vznikají pouze díky „životní síle“ a nelze je „uměle vytvořit“.

Ale jak čas plynul a věda se vyvíjela, objevila se nová fakta o organických látkách, která byla v rozporu s existující vitalistickou teorií.

V roce 1824 německý vědec F. Wöhler syntetizoval kyselinu šťavelovou poprvé v historii chemické vědy – organické látky z anorganických látek (kyan a voda):

(CN)2 + 4H20 -> COOH - COOH + 2NH3

V roce 1828 Wöller zahříval kyanatan sodný se sírou amonnou a syntetizovanou močovinou - odpadní produkty živočišných organismů:

NaOCN + (NH 4) 2 SO 4 → NH 4 OCN → NH 2 OCNH 2

Tyto objevy sehrály důležitou roli v rozvoji vědy obecně a chemie zvláště. Chemičtí vědci se začali postupně odklánět od vitalistického učení a princip dělení látek na organické a anorganické odhalil jeho nejednotnost.

V současné době látek ještě pořád dělíme na organické a anorganické, ale kritérium oddělení je mírně odlišné.

Látky se nazývají organické obsahující uhlík, nazývají se také uhlíkaté sloučeniny. Takových sloučenin jsou asi 3 miliony, zbývajících sloučenin je asi 300 tisíc.

Látky, které neobsahují uhlík, se nazývají anorganické A. Existují však výjimky z obecné klasifikace: existuje řada sloučenin, které obsahují uhlík, ale patří k anorganickým látkám (oxid uhelnatý a oxid uhelnatý, sirouhlík, kyselina uhličitá a její soli). Všechny jsou svým složením a vlastnostmi podobné anorganickým sloučeninám.

V průběhu studia organických látek se objevily nové potíže: na základě teorií o anorganických látkách není možné odhalit zákonitosti struktury organických sloučenin a vysvětlit mocenství uhlíku. Uhlík v různých sloučeninách měl různé mocenství.

V roce 1861 ruský vědec A.M. Butlerov byl první, kdo syntetizoval cukernou látku.

Při studiu uhlovodíků, DOPOLEDNE. Butlerov uvědomili, že představují zcela speciální třídu chemikálií. Při analýze jejich struktury a vlastností vědec identifikoval několik vzorů. Tvořily základ teorie chemické struktury.

1. Molekula žádné organické látky není náhodná, atomy v molekulách jsou navzájem spojeny v určitém pořadí podle jejich mocenství. Uhlík v organických sloučeninách je vždy čtyřmocný.

2. Posloupnost meziatomových vazeb v molekule se nazývá její chemická struktura a odráží se jedním strukturním vzorcem (strukturální vzorec).

3. Chemickou strukturu lze určit pomocí chemických metod. (V současnosti se používají i moderní fyzikální metody).

4. Vlastnosti látek závisí nejen na složení molekul látky, ale na jejich chemické struktuře (posloupnost kombinace atomů prvků).

5. Podle vlastností dané látky lze určit strukturu její molekuly a podle struktury molekuly – předvídat vlastnosti.

6. Atomy a skupiny atomů v molekule se vzájemně ovlivňují.

Tato teorie se stala vědeckým základem organické chemie a urychlila její rozvoj. Na základě ustanovení teorie A.M. Butlerov tento jev popsal a vysvětlil izomerie, předpověděl existenci různých izomerů a některé z nich získal vůbec poprvé.

Zvažte chemickou strukturu etanu – C2H6. Po označení valence prvků pomlčkami znázorníme molekulu ethanu v pořadí spojení atomů, to znamená, že napíšeme strukturní vzorec. Podle teorie A.M. Butlerove, bude mít následující podobu:

Atomy vodíku a uhlíku jsou vázány do jedné částice, mocenství vodíku je rovna jedné a uhlíku – čtyři. Dva atomy uhlíku spojené uhlíkovou vazbou – uhlík (C – S). Schopnost uhlíku tvořit C – C-vazba je pochopitelná na základě chemických vlastností uhlíku. Atom uhlíku má na své vnější elektronové vrstvě čtyři elektrony, schopnost vzdát se elektronů je stejná jako schopnost získat chybějící. Uhlík proto nejčastěji tvoří sloučeniny s kovalentní vazbou, tedy v důsledku tvorby elektronových párů s jinými atomy, včetně atomů uhlíku navzájem.

To je jeden z důvodů rozmanitosti organických sloučenin.

Sloučeniny, které mají stejné složení, ale různé struktury, se nazývají izomery. Fenomén izomerie – jeden z důvodů rozmanitosti organických sloučenin

Stále máte otázky? Chcete se dozvědět více o teorii struktury organických sloučenin?
Chcete-li získat pomoc od lektora, zaregistrujte se.
První lekce je zdarma!

webové stránky, při kopírování celého materiálu nebo jeho části je vyžadován odkaz na zdroj.

Přednáška 15

Teorie struktury organických látek. Hlavní třídy organických sloučenin.

Organická chemie - věda, která studuje organickou hmotu. Jinak to lze definovat jako chemie sloučenin uhlíku. Ten zaujímá zvláštní místo v periodické tabulce D.I. Mendělejeva pro rozmanitost sloučenin, kterých je známo asi 15 milionů, zatímco počet anorganických sloučenin je pět set tisíc. Organické látky jsou lidstvu známé již odedávna, jako je cukr, rostlinné a živočišné tuky, barviva, vonné a léčivé látky. Postupně se lidé naučili zpracováním těchto látek získávat různé cenné organické produkty: víno, ocet, mýdlo atd. Pokrok v organické chemii je založen na úspěších v oblasti chemie bílkovinných látek, nukleových kyselin, vitamínů atd. Organické chemie má pro rozvoj medicíny velký význam, neboť drtivá většina léků jsou organické sloučeniny nejen přírodního původu, ale také získané především syntézou. Výjimečný význam vysokou molekulovou hmotností organické sloučeniny (syntetické pryskyřice, plasty, vlákna, syntetické kaučuky, barviva, herbicidy, insekticidy, fungicidy, defolianty...). Organická chemie má velký význam pro výrobu potravin a průmyslového zboží.

Moderní organická chemie pronikla hluboko do chemických procesů probíhajících při skladování a zpracování potravinářských výrobků: procesy sušení, žluknutí a zmýdelnění olejů, fermentace, pečení, fermentace, výroba nápojů, při výrobě mléčných výrobků atd. Velkou roli sehrál také objev a studium enzymů a parfémů a kosmetiky.

Jedním z důvodů široké škály organických sloučenin je jedinečnost jejich struktury, která se projevuje tvorbou kovalentních vazeb a řetězců pomocí atomů uhlíku, různého typu a délky. Navíc počet vázaných atomů uhlíku v nich může dosáhnout desítek tisíc a konfigurace uhlíkových řetězců může být lineární nebo cyklická. Kromě atomů uhlíku mohou řetězce obsahovat kyslík, dusík, síru, fosfor, arsen, křemík, cín, olovo, titan, železo atd.

Projev těchto vlastností uhlíkem je způsoben několika důvody. Bylo potvrzeno, že energie vazeb C–C a C–O jsou srovnatelné. Uhlík má schopnost tvořit tři typy orbitální hybridizace: čtyři sp 3 - hybridní orbitaly, jejich orientace v prostoru je čtyřstěnná a odpovídá jednoduchý kovalentní vazby; tvoří tři hybridní sp 2 orbitaly umístěné ve stejné rovině v kombinaci s nehybridním orbitalem dvojité násobky připojení (─С = С─); i pomocí sp - vznikají hybridní orbitaly lineární orientace a nehybridní orbitaly mezi atomy uhlíku trojnásobné násobky vazby (─ C ≡ C ─) Navíc atomy uhlíku tvoří tyto typy vazeb nejen mezi sebou navzájem, ale is jinými prvky. Moderní teorie struktury hmoty tedy vysvětluje nejen značný počet organických sloučenin, ale také vliv jejich chemické struktury na jejich vlastnosti.

Také plně potvrzuje základy teorie chemické struktury, vyvinuté velkým ruským vědcem A.M. Butlerovem. Hlavní ustanovení ITS:

1) v organických molekulách jsou atomy navzájem spojeny v určitém pořadí podle jejich mocenství, které určuje strukturu molekul;

2) vlastnosti organických sloučenin závisí na povaze a počtu jejich atomů, jakož i na chemické struktuře molekul;

3) každý chemický vzorec odpovídá určitému počtu možných izomerních struktur;

4) každá organická sloučenina má jeden vzorec a má určité vlastnosti;

5) v molekulách dochází ke vzájemnému ovlivňování atomů na sebe.

Třídy organických sloučenin

Podle teorie se organické sloučeniny dělí na dvě řady - acyklické a cyklické sloučeniny.

1. Acyklické sloučeniny.(alkany, alkeny) obsahují otevřený, neuzavřený uhlíkový řetězec - přímý nebo rozvětvený:

N N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─ S─S─S─S─ N H─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N N │ N

Normální butan isobutan (methylpropan)

2. a) Alicyklické sloučeniny– sloučeniny, které mají ve svých molekulách uzavřené (cyklické) uhlíkové řetězce:

cyklobutan cyklohexan

b) aromatické sloučeniny, jehož molekuly obsahují benzenový skelet - šestičlenný kruh se střídajícími se jednoduchými a dvojnými vazbami (areny):

c) Heterocyklické sloučeniny– cyklické sloučeniny obsahující kromě atomů uhlíku dusík, síru, kyslík, fosfor a některé stopové prvky, které se nazývají heteroatomy.

furan pyrrol pyridin

V každém řádku jsou organické látky rozděleny do tříd - uhlovodíky, alkoholy, aldehydy, ketony, kyseliny, estery v souladu s povahou funkčních skupin jejich molekul.

Existuje také klasifikace podle stupně nasycení a funkčních skupin. Podle stupně nasycení se rozlišují:

1. Extrémně nasycený– uhlíková kostra obsahuje pouze jednoduché vazby.

─С─С─С─

2. Nenasycené nenasycené– v uhlíkové kostře jsou vícenásobné (=, ≡) vazby.

─С=С─ ─С≡С─

3. Aromatický– nenasycené cykly s kruhovou konjugací (4n + 2) π-elektronů.

Podle funkčních skupin

1. Alkoholy R-CH2OH

2. Fenoly

3. Aldehydy R─COH Ketony R─C─R

4. Karboxylové kyseliny R─COOH O

5. Estery R─COOR 1

Největší událostí ve vývoji organické chemie bylo vytvoření v roce 1961 velkým ruským vědcem DOPOLEDNE. Butlerov teorie chemické struktury organických sloučenin.

Před A.M. Butlerov považoval za nemožné znát strukturu molekuly, tedy pořadí chemických vazeb mezi atomy. Mnoho vědců dokonce popíralo realitu atomů a molekul.

DOPOLEDNE. Butlerov tento názor popřel. Přišel ze správného místa materialistický a filozofické představy o realitě existence atomů a molekul, o možnosti poznat chemickou vazbu atomů v molekule. Ukázal, že struktura molekuly může být stanovena experimentálně studiem chemických přeměn látky. Naopak, pokud známe strukturu molekuly, lze odvodit chemické vlastnosti sloučeniny.

Teorie chemické struktury vysvětluje rozmanitost organických sloučenin. Je to způsobeno schopností čtyřmocného uhlíku tvořit uhlíkové řetězce a kruhy, spojovat se s atomy jiných prvků a přítomností izomerie v chemické struktuře organických sloučenin. Tato teorie položila vědecké základy organické chemie a vysvětlila její nejdůležitější zákony. Základní principy jeho teorie A.M. Butlerov to nastínil ve své zprávě „O teorii chemické struktury“.

Hlavní principy teorie struktury jsou následující:

1) v molekulách jsou atomy navzájem spojeny v určitém pořadí v souladu s jejich mocenstvím. Pořadí, ve kterém se atomy vážou, se nazývá chemická struktura;

2) vlastnosti látky závisí nejen na tom, které atomy a v jakém množství jsou obsaženy v její molekule, ale také na pořadí, ve kterém jsou navzájem spojeny, tj. na chemické struktuře molekuly;

3) atomy nebo skupiny atomů, které tvoří molekulu, se vzájemně ovlivňují.

V teorii chemické struktury je velká pozornost věnována vzájemnému ovlivňování atomů a skupin atomů v molekule.

Chemické vzorce, které zobrazují pořadí, ve kterém jsou atomy kombinovány v molekulách, se nazývají strukturní vzorce nebo vzorce struktury.

Význam teorie chemické struktury A.M. Butlerová:

1) je nejdůležitější částí teoretického základu organické chemie;

2) co do důležitosti ji lze srovnat s periodickou tabulkou prvků od D.I. Mendělejev;

3) umožnil systematizovat obrovské množství praktického materiálu;

4) umožnilo předem předpovědět existenci nových látek a také naznačit způsoby, jak je získat.

Teorie chemické struktury slouží jako vůdčí základ pro veškerý výzkum v organické chemii.

12 fenoly, hydroxyderiváty aromatické sloučeniny, obsahující jednu nebo více hydroxylových skupin (–OH) vázaných na atomy uhlíku aromatického jádra. Podle počtu OH skupin se rozlišují jednoatomové sloučeniny, např. oxybenzen C 6 H 5 OH, obvykle nazývaný jednoduše fenol, hydroxytolueny CH 3 C 6 H 4 OH - tzv kresoly, oxynaftaleny – naftoly, dvouatomové, například dioxybenzeny C 6 H 4 (OH) 2 ( hydrochinon, pyrokatechin, resorcinol)polyatomární, například pyrogallol, floroglucinol. F. - bezbarvé krystaly s charakteristickým zápachem, méně často kapaliny; vysoce rozpustný v organických rozpouštědlech (alkohol, ether, oensol). Fosfor, který má kyselé vlastnosti, tvoří produkty podobné solím - fenoláty: ArOH + NaOH (ArONa + H 2 O (Ar je aromatický radikál). Alkylace a acylace fenolátů vede k esterům fosforu - jednoduchý ArOR a komplexní ArOCOR (R je organický radikál).Estery lze získat přímou interakcí fosforu s karboxylovými kyselinami, jejich anhydridy a chloridy kyselin Při zahřívání fenolů s CO 2 vznikají fenolové kyseliny např. kyselina salicylová. Na rozdíl od alkoholy hydroxylová skupina F. je nahrazena halogenem s velkými obtížemi. Elektrofilní substituce v jádře fosforu (halogenace, nitrace, sulfonace, alkylace atd.) se provádí mnohem snadněji než u nesubstituovaných aromatických uhlovodíků; náhradní skupiny jsou zaslány ortho- A pár-poloha ke skupině OH (viz. Orientační pravidla). Katalytická hydrogenace F. vede k alicyklickým alkoholům, např. C 6 H 5 OH se redukuje na cyklohexanol. F. se také vyznačuje kondenzačními reakcemi, např. s aldehydy a ketony, které se v průmyslu používají k výrobě fenolových a resorcinolformaldehydových pryskyřic, difenylolpropanu a dalších důležitých produktů.

Fosfáty se získávají např. hydrolýzou odpovídajících halogenderivátů, alkalickým tavením arylsulfonových kyselin ArSO 2 OH, a izolují se z černouhelného dehtu, hnědouhelného dehtu atd. Fyzika je důležitou surovinou při výrobě různých polymerů, lepidel. , barvy a laky, barviva a léky (fenolftalein, kyselina salicylová, salol), povrchově aktivní látky a vůně. Některé F. se používají jako antiseptika a antioxidanty (např. polymery, mazací oleje). Pro kvalitativní identifikaci chloridu železitého se používají roztoky chloridu železitého, které tvoří s kyselinou železitou barevné produkty. F. jsou toxické (viz odpadní voda.).

13 Alkanes

obecné charakteristiky

Uhlovodíky jsou nejjednodušší organické sloučeniny sestávající ze dvou prvků: uhlíku a vodíku. Nasycené uhlovodíky neboli alkany (mezinárodní název) jsou sloučeniny, jejichž složení je vyjádřeno obecným vzorcem C n H 2n+2, kde n je počet atomů uhlíku. V molekulách nasycených uhlovodíků jsou atomy uhlíku navzájem spojeny jednoduchou (jednoduchou) vazbou a všechny ostatní valence jsou nasyceny atomy vodíku. Alkany se také nazývají nasycené uhlovodíky nebo parafíny (výraz „parafiny“ znamená „nízká afinita“).

Prvním členem homologní řady alkanů je metan CH4. Koncovka -an je typická pro názvy nasycených uhlovodíků. Následuje ethan C 2 H 6, propan C 3 H 8, butan C 4 H 10. Počínaje pátým uhlovodíkem je název vytvořen z řecké číslice označující počet atomů uhlíku v molekule a koncovky -an. Jedná se o pentan C 5 H 12 hexan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan C 9 H 20, dekan C 10 H 22 atd.

V homologní řadě je pozorována postupná změna fyzikálních vlastností uhlovodíků: teplota varu a tání se zvyšuje, hustota se zvyšuje. Za normálních podmínek (teplota ~ 22°C) jsou první čtyři členy řady (methan, etan, propan, butan) plyny, od C 5 H 12 do C 16 H 34 jsou kapaliny a od C 17 H 36 jsou pevné látky.

Alkany, počínaje čtvrtým členem série (butan), mají izomery.

Všechny alkany jsou nasyceny vodíkem na limit (maximum). Jejich uhlíkové atomy jsou ve stavu sp 3 hybridizace, což znamená, že mají jednoduché (jednoduché) vazby.

Nomenklatura

Jména prvních deseti členů řady nasycených uhlovodíků již byla uvedena. Aby se zdůraznilo, že alkan má přímý uhlíkový řetězec, často se k názvu přidává slovo normální (n-), například:

CH3-CH2-CH2-CH3CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

n-butan n-heptan

(normální butan) (normální heptan)

Když se z molekuly alkanu odstraní atom vodíku, vytvoří se jednomocné částice nazývané uhlovodíkové radikály (zkráceně R). Názvy jednovazných radikálů jsou odvozeny od názvů odpovídajících uhlovodíků s koncovkou –an nahrazenou –yl. Zde jsou relevantní příklady:

Radikály jsou tvořeny nejen organickými, ale i anorganickými sloučeninami. Pokud tedy odečtete hydroxylovou skupinu OH od kyseliny dusičné, dostanete jednovazný radikál - NO 2, nazývaný nitroskupina atd.

Když se z molekuly uhlovodíku odstraní dva atomy vodíku, získají se dvojvazné radikály. Jejich názvy jsou také odvozeny od názvů odpovídajících nasycených uhlovodíků s koncovkou -ane nahrazenou -yliden (pokud jsou atomy vodíku odděleny od jednoho atomu uhlíku) nebo -ylen (pokud jsou atomy vodíku odstraněny ze dvou sousedních atomů uhlíku) . Radikál CH 2 = se nazývá methylen.

Názvy radikálů se používají v nomenklatuře mnoha derivátů uhlovodíků. Například: CH 3 I - methyl jodid, C 4 H 9 Cl - butylchlorid, CH 2 Cl 2 - methylenchlorid, C 2 H 4 Br 2 - ethylen bromid (pokud jsou atomy bromu vázány na různé atomy uhlíku) nebo ethyliden bromid (pokud jsou atomy bromu vázány na jeden atom uhlíku).

Pro pojmenování izomerů se hojně používají dvě nomenklatury: stará – racionální a moderní – substituční, která se také nazývá systematická nebo mezinárodní (navrhuje ji Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie IUPAC).

Podle racionální nomenklatury jsou uhlovodíky považovány za deriváty metanu, ve kterých je jeden nebo více atomů vodíku nahrazeno radikály. Pokud se stejné radikály ve vzorci opakují několikrát, pak jsou označeny řeckými číslicemi: di - dva, tři - tři, tetra - čtyři, penta - pět, hexa - šest atd. Například:

Racionální nomenklatura je vhodná pro nepříliš složitá spojení.

Podle substituční nomenklatury je název založen na jednom uhlíkovém řetězci a všechny ostatní fragmenty molekuly jsou považovány za substituenty. V tomto případě je vybrán nejdelší řetězec atomů uhlíku a atomy řetězce jsou očíslovány od konce, ke kterému je uhlovodíkový radikál nejblíže. Potom nazývají: 1) číslo atomu uhlíku, ke kterému je radikál přidružen (počínaje nejjednodušším radikálem); 2) uhlovodík, který má dlouhý řetězec. Pokud vzorec obsahuje několik stejných zbytků, pak před jejich názvy uveďte počet slovně (di-, tri-, tetra- atd.) a čísla zbytků jsou oddělena čárkami. Zde je návod, jak by se hexanové izomery měly nazývat podle této nomenklatury:

Zde je složitější příklad:

Substituční i racionální názvosloví se používá nejen pro uhlovodíky, ale i pro další třídy organických sloučenin. Pro některé organické sloučeniny se používají historické (empirické) nebo tzv. triviální názvy (kyselina mravenčí, sírový éter, močovina aj.).

Při psaní vzorců izomerů je snadné si všimnout, že atomy uhlíku v nich zaujímají různé pozice. Atom uhlíku, který je vázán pouze na jeden atom uhlíku v řetězci, se nazývá primární, na dva se nazývá sekundární, na tři je terciární a na čtyři je kvartérní. Takže například v posledním příkladu jsou atomy uhlíku 1 a 7 primární, 4 a 6 jsou sekundární, 2 a 3 jsou terciární, 5 je kvartérní. Vlastnosti atomů vodíku, jiných atomů a funkčních skupin závisí na tom, zda jsou vázány na primární, sekundární nebo terciární atom uhlíku. S tím je třeba vždy počítat.

Účtenka. Vlastnosti.

Fyzikální vlastnosti. Za normálních podmínek jsou první čtyři členy homologní řady alkanů (C 1 - C 4) plyny. Normální alkany od pentanu po heptadekan (C 5 - C 17) jsou kapaliny, počínaje C 18 a výše jsou pevné látky. S rostoucím počtem atomů uhlíku v řetězci, tzn. S rostoucí relativní molekulovou hmotností se zvyšuje teplota varu a tání alkanů. Při stejném počtu atomů uhlíku v molekule mají rozvětvené alkany nižší body varu než normální alkany.

Alkany jsou ve vodě prakticky nerozpustné, protože jejich molekuly jsou nízkopolární a neinteragují s molekulami vody, dobře se rozpouštějí v nepolárních organických rozpouštědlech, jako je benzen, tetrachlormethan atd. Kapalné alkany se mezi sebou snadno mísí.

Hlavními přírodními zdroji alkanů jsou ropa a zemní plyn. Různé olejové frakce obsahují alkany od C5H12 do C30H62. Zemní plyn tvoří metan (95 %) s příměsí etanu a propanu.

Mezi syntetickými metodami výroby alkanů lze rozlišit následující:

1. Získává se z nenasycených uhlovodíků. K interakci alkenů nebo alkynů s vodíkem („hydrogenace“) dochází v přítomnosti kovových katalyzátorů (Ni, Pd) při
topení:

CH3-C=CH + 2H2 -> CH3-CH2-CH3.

2. Příprava z halogenovaných vodičů. Když se monohalogenované alkany zahřejí kovovým sodíkem, získají se alkany s dvojnásobným počtem atomů uhlíku (Wurtzova reakce):

C2H5Br + 2Na + Br-C2H5 -> C2H5-C2H5 + 2NaBr.

Tato reakce se neprovádí se dvěma různými halogenovanými alkany, protože výsledkem je směs tří různých alkanů.

3. Příprava ze solí karboxylových kyselin. Když se bezvodé soli karboxylových kyselin kondenzují s alkáliemi, získají se alkany obsahující o jeden atom uhlíku méně než uhlíkový řetězec původních karboxylových kyselin:

4. Získávání metanu. Při hoření elektrického oblouku ve vodíkové atmosféře vzniká značné množství metanu:

C + 2H2 -> CH4.

Ke stejné reakci dochází, když se uhlík zahřívá ve vodíkové atmosféře na 400-500 °C za zvýšeného tlaku v přítomnosti katalyzátoru.

V laboratorních podmínkách se metan často získává z karbidu hliníku:

AI4C3 + 12H20 = ZSN4 + 4Al (OH) 3.

Chemické vlastnosti. Za normálních podmínek jsou alkany chemicky inertní. Jsou odolné vůči působení mnoha činidel: neinteragují s koncentrovanými kyselinami sírovou a dusičnou, s koncentrovanými a roztavenými alkáliemi, nejsou oxidovány silnými oxidačními činidly - manganistan draselný KMnO 4 atd.

Chemická stabilita alkanů se vysvětluje vysokou pevností C-C a C-H s-vazeb a také jejich nepolaritou. Nepolární vazby C-C a C-H v alkanech nejsou náchylné k iontovému štěpení, ale jsou schopny homolytického štěpení pod vlivem aktivních volných radikálů. Proto se alkany vyznačují radikálními reakcemi, jejichž výsledkem jsou sloučeniny, kde jsou atomy vodíku nahrazeny jinými atomy nebo skupinami atomů. Následně alkany vstupují do reakcí, které probíhají podle radikálového substitučního mechanismu, označovaného symbolem SR (z angličtiny, substituční radikál). Podle tohoto mechanismu se atomy vodíku nejsnáze nahrazují na terciárních, poté na sekundárních a primárních atomech uhlíku.

1. Halogenace. Když alkany reagují s halogeny (chlorem a bromem) vlivem UV záření nebo vysoké teploty, vzniká směs produktů z mono- až polyhalogenem substituovaných alkanů. Obecné schéma této reakce je znázorněno na příkladu metanu:

b) Růst řetězce. Radikál chloru odstraňuje atom vodíku z molekuly alkanu:

Cl + CH4 →HCl + CH3

V tomto případě se vytvoří alkylový radikál, který odstraní atom chloru z molekuly chloru:

CH3 + Cl2 ->CH3Cl + Cl

Tyto reakce se opakují, dokud se řetězec v jedné z reakcí nepřeruší:

Cl + Cl → Cl 2, CH 3 + CH 3 → C 2 H 6, CH 3 + Cl → CH 3 Cl

Celková reakční rovnice:

Při radikálových reakcích (halogenace, nitrace) se nejprve smísí atomy vodíku na terciárních atomech uhlíku, poté na sekundárních a primárních atomech uhlíku. To se vysvětluje tím, že vazba mezi terciárním atomem uhlíku a vodíkem se nejsnáze přeruší homolyticky (energie vazby 376 kJ/mol), poté sekundární (390 kJ/mol) a teprve poté primární (415 kJ). /mol).

3. Izomerizace. Normální alkany se mohou za určitých podmínek přeměnit na alkany s rozvětveným řetězcem:

4. Praskání je hemolytické štěpení C-C vazeb, ke kterému dochází při zahřátí a pod vlivem katalyzátorů.
Při krakování vyšších alkanů vznikají alkeny a nižší alkany, při krakování methanu a ethanu vzniká acetylen:

C8H18 → C4H10 + C4H8,

2CH 4 → C 2H 2 + ZN 2,

C2H6 -> C2H2 + 2H2.

Tyto reakce mají velký průmyslový význam. Tímto způsobem se vysokovroucí ropné frakce (topný olej) přeměňují na benzín, petrolej a další cenné produkty.

5. Oxidace. Mírnou oxidací methanu vzdušným kyslíkem v přítomnosti různých katalyzátorů lze získat metylalkohol, formaldehyd a kyselinu mravenčí:

Mírná katalytická oxidace butanu vzdušným kyslíkem je jednou z průmyslových metod výroby kyseliny octové:

t°
2C4H10 + 502 -> 4CH3COOH + 2H20.
kočka

Na vzduchu alkany hoří na CO 2 a H 2 O:

CnH2n+2+ (3n+1)/202 = nC02+ (n+1)H20.

alkeny

Alkeny (jinak olefiny nebo ethylenové uhlovodíky) jsou acyklické nenasycené uhlovodíky obsahující jednu dvojnou vazbu mezi atomy uhlíku, tvořící homologní řadu s obecným vzorcem CnH2n. Atomy uhlíku na dvojné vazbě jsou ve stavu sp2 hybridizace.

Nejjednodušším alkenem je ethen (C2H4). Podle názvosloví IUPAC jsou názvy alkenů tvořeny z názvů odpovídajících alkanů nahrazením přípony „-ane“ „-ene“; Poloha dvojné vazby je označena arabskou číslicí.

Homologní série

Alkeny s více než třemi atomy uhlíku mají izomery. Alkeny se vyznačují izomerií uhlíkového skeletu, polohami dvojné vazby, mezitřídami a geometrickými.

Fyzikální vlastnosti

Teploty tání a varu se zvyšují s molekulovou hmotností a délkou uhlíkové kostry.
Za normálních podmínek jsou alkeny od C2H4 do C4H8 plyny; od C5H10 do C17H34 - kapaliny, po C18H36 - pevné látky. Alkeny jsou nerozpustné ve vodě, ale jsou vysoce rozpustné v organických rozpouštědlech.

Chemické vlastnosti

Alkeny jsou chemicky aktivní. Jejich chemické vlastnosti jsou dány přítomností dvojné vazby.
Ozonolýza: alken se oxiduje na aldehydy (v případě monosubstituovaných vicinálních uhlíků), ketony (v případě disubstituovaných vicinálních uhlíků) nebo směs aldehydu a ketonu (v případě trisubstituovaného alkenu na dvojné vazbě) :

R1–CH=CH–R2 + O3 → R1–C(H)=O + R2C(H)=O + H2O
R1–C(R2)=C(R3)–R4+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(R4)=O + H2O
R1–C(R2)=CH–R3+ O3 → R1–C(R2)=O + R3–C(H)=O + H2O

Ozonolýza za drsných podmínek - alken se oxiduje na kyselinu:

R"–CH=CH–R" + O3 → R"–COOH + R"–COOH + H2O

Dvojité připojení připojení:
CH2=CH2+Br2 -> CH2Br-CH2Br

Oxidace perkyselinami:
CH2=CH2 + CH3COOOH →
nebo
CH2=CH2 + HCOOH -> HOCH2CH2OH

Obsah lekce: Teorie struktury organických sloučenin: předpoklady pro jejich vznik, základní principy. Chemická struktura jako řád spojení a vzájemného ovlivňování atomů v molekulách. Homologie, izomerie. Závislost vlastností látek na chemické struktuře. Hlavní směry vývoje teorie chemické struktury. Závislost výskytu toxicity v organických sloučeninách na složení a struktuře jejich molekul (délka uhlíkového řetězce a stupeň jeho větvení, přítomnost násobných vazeb, tvorba cyklů a peroxidových můstků, přítomnost halogenu atomů), jakož i na rozpustnost a těkavost sloučeniny.

Cíle lekce:

• Organizovat aktivity studentů k seznámení a prvotnímu upevnění základních principů teorie chemické struktury.
• Ukázat studentům univerzální podstatu teorie chemické struktury na příkladu anorganických izomerů a vzájemného ovlivňování atomů v anorganických látkách.

Během lekcí:

1. Organizační moment.

2. Aktualizace znalostí studentů.

1) Co studuje organická chemie?

2) Jaké látky se nazývají izomery?

3) Jaké látky se nazývají homology?

4) Vyjmenujte Vám známé teorie, které vznikly v organické chemii na počátku 19. století.

5) Jaké nedostatky měla teorie radikálů?

6) Jaké nedostatky měla teorie typů?

3. Stanovení cílů a cílů pro lekci.

Koncept valence tvořil důležitou součást A.M. teorie chemické struktury. Butlerov v roce 1861

Periodický zákon formulovaný D.I. Mendělejev v roce 1869 odhalil závislost valence prvku na jeho pozici v periodické tabulce.

Široká škála organických látek, které mají stejné kvalitativní a kvantitativní složení, ale různé vlastnosti, zůstala nejasná. Například bylo známo asi 80 různých látek, které odpovídaly složení C 6 H 12 O 2. Jens Jakob Berzelius navrhl nazývat tyto látky izomery.

Vědci z mnoha zemí svou prací otevřeli cestu k vytvoření teorie vysvětlující strukturu a vlastnosti organických látek.

Na sjezdu německých přírodovědců a lékařů ve městě Speyer byla přečtena zpráva nazvaná „Něco v chemické struktuře těl“. Autorem zprávy byl profesor Kazaňské univerzity Alexander Michajlovič Butlerov. Bylo to právě toto „něco“, co vytvořilo teorii chemické struktury, která vytvořila základ našich moderních představ o chemických sloučeninách.

Organická chemie získala pevný vědecký základ, který zajistil její rychlý rozvoj v dalším století až do současnosti. Tato teorie umožnila předpovědět existenci nových sloučenin a jejich vlastnosti. Koncept chemické struktury umožnil vysvětlit tak záhadný jev, jakým je izomerie.

Hlavní principy teorie chemické struktury jsou následující:
1. Atomy v molekulách organických látek se spojují v určitém pořadí podle jejich mocenství.

2. Vlastnosti látek jsou dány kvalitativním, kvantitativním složením, pořadím spojení a vzájemným vlivem atomů a skupin atomů v molekule.

3. Strukturu molekul lze stanovit na základě studia jejich vlastností.

Podívejme se na tato ustanovení podrobněji. Molekuly organických látek obsahují atomy uhlíku (valence IV), vodíku (valence I), kyslíku (valence II), dusíku (valence III). Každý atom uhlíku v molekulách organických látek tvoří čtyři chemické vazby s jinými atomy a atomy uhlíku mohou být spojeny v řetězcích a kruzích. Na základě prvního principu teorie chemické struktury sestavíme strukturní vzorce organických látek. Například bylo zjištěno, že metan má složení CH4. Vezmeme-li v úvahu valence atomů uhlíku a vodíku, lze navrhnout pouze jeden strukturní vzorec metanu:

Chemickou strukturu jiných organických látek lze popsat pomocí následujících vzorců:

ethanol

Druhá pozice teorie chemické struktury popisuje nám známý vztah: složení - struktura - vlastnosti. Podívejme se na projev tohoto vzoru na příkladu organických látek.

Ethan a ethylalkohol mají různé kvalitativní složení. Molekula alkoholu na rozdíl od etanu obsahuje atom kyslíku. Jak to ovlivní vlastnosti?

Zavedení atomu kyslíku do molekuly dramaticky změní fyzikální vlastnosti látky. To potvrzuje závislost vlastností na kvalitativním složení.

Porovnejme složení a strukturu uhlovodíků metan, etan, propan a butan.

Metan, ethan, propan a butan mají stejné kvalitativní složení, ale odlišné kvantitativní (počet atomů každého prvku). Podle druhé pozice teorie chemické struktury by měly mít různé vlastnosti.

Jak je vidět z tabulky, s nárůstem počtu atomů uhlíku v molekule se zvyšují teploty varu a tání, což potvrzuje závislost vlastností na kvantitativním složení molekul.

Molekulární vzorec C4H10 odpovídá nejen butanu, ale také jeho izomeru isobutanu:

Izomery mají stejné kvalitativní (atomy uhlíku a vodíku) i kvantitativní (4 atomy uhlíku a deset atomů vodíku) složení, liší se však od sebe pořadím spojení atomů (chemickou strukturou). Podívejme se, jak rozdíl ve struktuře izomerů ovlivní jejich vlastnosti.

Rozvětvený uhlovodík (isobutan) má vyšší body varu a tání než normální uhlovodík (butan). To lze vysvětlit těsnější vzájemnou blízkostí molekul v butanu, což zvyšuje síly mezimolekulární přitažlivosti, a proto vyžaduje více energie k jejich oddělení.

Třetí pozice teorie chemické struktury ukazuje zpětnou vazbu mezi složením, strukturou a vlastnostmi látek: složení - struktura - vlastnosti. Uvažujme to na příkladu sloučenin se složením C 2 H 6 O.

Představme si, že máme vzorky dvou látek se stejným molekulovým vzorcem C 2 H 6 O, který byl stanoven pomocí kvalitativní a kvantitativní analýzy. Jak ale můžeme zjistit chemickou strukturu těchto látek? Studium jejich fyzikálních a chemických vlastností pomůže odpovědět na tuto otázku. Když první látka interaguje s kovovým sodíkem, reakce nenastane, ale druhá látka s ním aktivně interaguje a uvolňuje vodík. Stanovme kvantitativní poměr látek v reakci. Chcete-li to provést, přidejte určitou hmotnost sodíku ke známé hmotnosti druhé látky. Změřme objem vodíku. Spočítejme si množství látek. V tomto případě se ukazuje, že ze dvou molů zkoumané látky se uvolní jeden mol vodíku. Proto je každá molekula této látky zdrojem jednoho atomu vodíku. Jaký závěr lze vyvodit? Pouze jeden atom vodíku se liší vlastnostmi, a tedy i strukturou (se kterými atomy je spojen) od všech ostatních. S přihlédnutím k mocenství atomů uhlíku, vodíku a kyslíku lze pro danou látku navrhnout pouze jeden vzorec:

Pro první látku lze navrhnout vzorec, ve kterém mají všechny atomy vodíku stejnou strukturu a vlastnosti:

Podobný výsledek lze získat studiem fyzikálních vlastností těchto látek.

Na základě studia vlastností látek tedy můžeme vyvodit závěr o její chemické struktuře.

Význam teorie chemické struktury lze jen stěží přeceňovat. Vyzbrojila chemiky vědeckým základem pro studium struktury a vlastností organických látek. Periodický zákon formulovaný D.I. má podobný význam. Mendělejev. Teorie struktury shrnula všechny vědecké názory panující v té době v chemii. Vědcům se podařilo vysvětlit chování organických látek při chemických reakcích. Na základě teorie A.M. Butlerov předpověděl existenci izomerů některých látek, které byly později získány. Stejně jako periodický zákon, i teorie chemické struktury se dále rozvíjela po vytvoření teorie atomové struktury, chemické vazby a stereochemie.

Chemická struktura molekuly představuje jeho nejcharakterističtější a jedinečný aspekt, protože určuje jeho obecné vlastnosti (mechanické, fyzikální, chemické a biochemické). Jakákoli změna chemické struktury molekuly znamená změnu jejích vlastností. V případě drobných strukturních změn vnesených do jedné molekuly následují malé změny jejích vlastností (obvykle ovlivňující fyzikální vlastnosti), ale pokud molekula prošla hlubokými strukturálními změnami, pak se její vlastnosti (zejména chemické) hluboce změní.

Například kyselina alfa-aminopropionová (alfa-alanin) má následující strukturu:

Co vidíme:

1. Přítomnost určitých atomů (C, H, O, N),
2. určitý počet atomů patřících do každé třídy, které jsou vázány v určitém pořadí;

Všechny tyto konstrukční vlastnosti určují řadu vlastností Alfa-alaninu, jako jsou: pevný stav agregace, bod varu 295 °C, rozpustnost ve vodě, optická aktivita, chemické vlastnosti aminokyselin atd.

Když je aminoskupina navázána na jiný atom uhlíku (tj. došlo k menší strukturální změně), což odpovídá beta-alaninu:

Obecné chemické vlastnosti stále zůstávají charakteristické pro aminokyseliny, ale bod varu je již 200 °C a nedochází k žádné optické aktivitě.

Pokud jsou například dva atomy v této molekule spojeny atomem N v tomto pořadí (hluboká strukturální změna):

pak se vzniklá látka - 1-nitropropan ve svých fyzikálních a chemických vlastnostech zcela liší od aminokyselin: 1-nitro-propan je žlutá kapalina s bodem varu 131 °C, nerozpustná ve vodě.

Tím pádem, vztah struktura-vlastnost umožňuje popsat obecné vlastnosti látky se známou strukturou a naopak umožňuje najít chemickou strukturu látky při znalosti jejích obecných vlastností.

Obecné principy teorie struktury organických sloučenin

Podstatou určování struktury organické sloučeniny jsou následující principy, které vyplývají ze vztahu mezi jejich strukturou a vlastnostmi:

a) organické látky v analyticky čistém stavu mají stejné složení bez ohledu na způsob jejich přípravy;

b) organické látky v analyticky čistém stavu mají konstantní fyzikální a chemické vlastnosti;

c) organické látky se stálým složením a vlastnostmi, mají pouze jednu jedinečnou strukturu.

V roce 1861 velký ruský vědec A. M. Butlerov ve svém článku „On the Chemical Structure of Matter“ odhalil hlavní myšlenku teorie chemické struktury, která spočívá v vlivu způsobu, jakým jsou atomy v organické látce spojeny na její vlastnosti. Všechny tehdy dostupné poznatky a představy o struktuře chemických sloučenin shrnul do teorie struktury organických sloučenin.

Hlavní ustanovení teorie A. M. Butlerova

lze shrnout následovně:

1. V molekule organické sloučeniny jsou atomy spojeny v určité sekvenci, která určuje její strukturu.
2. Atom uhlíku v organických sloučeninách má čtyřmocnost.
3. Při stejném složení molekuly je možných několik možností propojení atomů této molekuly mezi sebou. Takové sloučeniny, které mají stejné složení, ale různé struktury, se nazývaly izomery a podobný jev - izomerie.
4. Znát strukturu organické sloučeniny, jeden může předpovídat jeho vlastnosti; Když známe vlastnosti organické sloučeniny, lze předpovědět její strukturu.
5. Atomy, které tvoří molekulu, podléhají vzájemnému vlivu, který určuje jejich reaktivitu. Přímo vázané atomy mají na sebe větší vliv, zatímco vliv atomů přímo vázaných je mnohem slabší.

Student A.M. Butlerová - V. V. Markovnikov pokračoval ve studiu problematiky vzájemného ovlivňování atomů, což se promítlo v roce 1869 do jeho disertační práce „Materiály k problematice vzájemného ovlivňování atomů v chemických sloučeninách“.

Úvěr A.M. Butlerova a důležitost teorie chemické struktury je pro chemickou syntézu mimořádně velká. Otevřela se příležitost předpovídat základní vlastnosti organických sloučenin a předvídat cesty jejich syntézy. Díky teorii chemické struktury chemici nejprve ocenili molekulu jako uspořádaný systém s přísným pořadím vazeb mezi atomy. A v současnosti jsou hlavní ustanovení Butlerovovy teorie, navzdory změnám a objasněním, základem moderních teoretických konceptů organické chemie.