Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова

Цели урока

После изучения этого урока вы сможете:

• формулировать основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова;
• различать понятия «гомолог» и «изомер»;
• составлять структурные формулы органических соединений по их названиям и наоборот;
• определять виды структурной и пространственной изомерии;
• объяснять зависимость свойств веществ от их химического строения (на простейших примерах);
• использовать теорию для предсказания существования изомеров.

Зачем это нужно на ЕГЭ

Без понимания теории строения невозможно решить ни одно задание по органической химии. В экзаменационных вариантах эта тема встречается в следующих номерах:

• Задание 11 – классификация и номенклатура органических соединений, изомерия и гомология;
• Задание 14 – механизмы реакций (взаимное влияние атомов объясняет региоселективность, например, правило Марковникова);
• Задание 32 – цепочки превращений (нужно понимать, как строение исходного вещества влияет на возможные реакции);
• Задание 33 – установление структурной формулы по описанию свойств.

Кроме того, теория строения является основой для понимания реакционной способности, устойчивости изомеров и многих других явлений.

Теория

Предпосылки создания теории

До второй половины XIX века химики знали множество органических соединений, но не могли объяснить, почему вещества с одинаковым составом (например, $C_2H_6O$) обладают разными свойствами. А.М. Бутлеров в 1861 году сформулировал теорию химического строения, которая дала ответ на этот вопрос и стала «азбукой» органической химии.

Основные положения теории Бутлерова

1. Порядок соединения атомов

Атомы в молекулах соединяются в определённом порядке согласно их валентности, и этот порядок называется химическим строением. Валентность в органических соединениях практически всегда постоянна:

• углерод – четырёхвалентен;
• водород – одновалентен;
• кислород – двухвалентен;
• азот – трёхвалентен;
• галогены – одновалентны.

Химическое строение изображают с помощью структурных формул. Валентности показывают чёрточками (каждая чёрточка – одна ковалентная связь).

Пример: Этанол имеет строение $CH_3-CH_2-OH$, а диметиловый эфир – $CH_3-O-CH_3$. Оба вещества имеют формулу $C_2H_6O$, но разное строение, а следовательно – разные свойства.

2. Зависимость свойств от строения

Свойства вещества определяются не только его качественным и количественным составом (молекулярной формулой), но и тем, в каком порядке соединены атомы. Из этого положения вытекает понятие изомерии.

Изомеры – вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но разное химическое строение и, как следствие, разные физические и химические свойства.

Изомерия бывает:

• структурная (разный порядок связей)
  • изомерия углеродного скелета (например, $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$ и $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$);
  • изомерия положения кратной связи (например, бутен-1 и бутен-2);
  • изомерия положения функциональной группы (пропанол-1 и пропанол-2);
  • межклассовая изомерия (например, альдегиды и кетоны, спирты и простые эфиры).
• пространственная (стереоизомерия) – одинаковый порядок связей, но разное расположение атомов в пространстве.
  • геометрическая (цис-транс-изомерия) – характерна для соединений с двойной связью или циклов;
  • оптическая (зеркальная изомерия) – возникает при наличии асимметрического атома углерода (связан с четырьмя разными заместителями).

Для ЕГЭ важно уметь приводить примеры изомеров для каждого типа.

3. Взаимное влияние атомов

Атомы и группы атомов в молекуле влияют друг на друга. Это влияние передаётся по цепи σ-связей (индуктивный эффект) или через систему сопряжённых π-связей (мезомерный эффект). В результате электронная плотность перераспределяется, и у атомов возникают частичные заряды, что определяет реакционную способность.

Простой пример: В молекуле хлоруксусной кислоты $Cl-CH_2-COOH$ атом хлора оттягивает на себя электронную плотность от углеродной цепи (отрицательный индуктивный эффект). В результате связь $O-H$ в карбоксиле становится более полярной, и кислота оказывается сильнее, чем уксусная ($pK_a$ уменьшается). Если же ввести электронодонорную группу (например, $CH_3-$), кислотность, наоборот, снижается.

Более подробно электронные эффекты будут разобраны в уроке о механизмах реакций.

4. Предсказание изомеров и свойств

Зная строение, можно предсказать, сколько изомеров может существовать для данного состава, и какими свойствами они будут обладать. И наоборот, по химическим свойствам можно установить строение неизвестного вещества. Этот принцип лежит в основе задания 33 ЕГЭ (установление структуры по описанию).

Гомологический ряд

Гомологи – вещества, сходные по строению и свойствам, но отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп $CH_2$ (гомологическую разность). Совокупность таких веществ образует гомологический ряд.

Например, ряд алканов: $CH_4$ (метан), $C_2H_6$ (этан), $C_3H_8$ (пропан) и т.д. – все они имеют сходное строение (насыщенные углеводороды) и близкие химические свойства (реакции радикального замещения). Каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на $CH_2$.

Понимание гомологических рядов позволяет обобщать свойства целых классов соединений и выводить общие формулы (например, $C_nH_{2n+2}$ для алканов, $C_nH_{2n}$ для алкенов и т.д.).

Примеры

Пример 1. Структурная изомерия

Для молекулярной формулы $C_4H_{10}$ существуют два изомера:

• $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$ (бутан, неразветвлённый);
• $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$ (2-метилпропан, изобутан, разветвлённый).

Это пример изомерии углеродного скелета.

Пример 2. Межклассовая изомерия

Для $C_2H_6O$ известны:

• этанол $CH_3-CH_2-OH$ (спирт);
• диметиловый эфир $CH_3-O-CH_3$ (простой эфир).

Они имеют разное строение и разные свойства: этанол реагирует с натрием, а эфир – нет.

Пример 3. Гомологи

Пропан $C_3H_8$ и бутан $C_4H_{10}$ – гомологи (оба алканы, разница $CH_2$). Бутен-1 $CH_2=CH-CH_2-CH_3$ и бутен-2 $CH_3-CH=CH-CH_3$ – не гомологи, а изомеры (формула $C_4H_8$).

Вопросы для самопроверки

1. Сформулируйте основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова.
2. Что такое гомологический ряд? Приведите пример гомологов из разных классов (например, алканы и спирты).
3. Какие виды изомерии вы знаете? Приведите по одному примеру для каждого вида.
4. Почему метан и этан – гомологи, а этан и этилен – нет?
5. Объясните, почему уксусная кислота ($CH_3COOH$) слабее трихлоруксусной ($CCl_3COOH$), используя понятие взаимного влияния атомов.

Краткий конспект

• Теория Бутлерова утверждает, что свойства органических веществ зависят от порядка соединения атомов (химического строения) и взаимного влияния атомов друг на друга.
• Валентность в органике постоянна: C – IV, H – I, O – II, N – III, галогены – I.
• Гомологи – вещества, сходные по строению и свойствам, отличающиеся на группу $CH_2$.
• Изомеры – вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением.
• Основные типы изомерии:
  • структурная (скелета, положения, межклассовая);
  • пространственная (геометрическая, оптическая).
• Взаимное влияние атомов объясняет различия в реакционной способности и физико-химических свойствах.

Что изучать дальше

Следующий шаг — урок 37 «Химическая связь в органике: σ и π-связи. Гибридизация», где теория Бутлерова дополняется современными квантово-химическими представлениями. Затем переходите к уроку 38 «Гомологи. Изомерия» и уроку 39 «Функциональные группы. Классификация органических веществ».