Реферат: Теория Бутлерова

I. Строениемолекулы метана.

          Молекулярнаяформула метана CH4.

          Таккак атом углерода имеет большую электроотрицательность (2,5), чем водород(2,1), то в молекуле метана происходит незначительное смещение общихэлектронных пар в сторону атома углерода.

          Однако такая формулане отражает пространственного строения молекулы. Чтобы это показать, необходимовспомнить о формулах электронных облаков и размещении электронов поэнергетическим уровням и подуровням. Например, строение атома углеродаизображают следующей схемой:

2P ) ) 2S ↑ ↑ С +6 2 4 S ↑↓ ) ) ↑↓

1S2  2S2  2P2

Так как на втором энергетическом уровне р-подуровне имеется свободнаяорбиталь, то на нее может перейти один из 2S2 – электронов:

) ) С +6 2 4 ↓ ↓ ↓ ) ) ↓ S Sp ↑↓

В результате все четыре наружных электрона второго энергетического уровняв атоме углерода окажутся неспаренными, и атом углерода в возбужденном состояниистановится четырехвалентным.

Чтобы понять, как происходит образование химических связей в молекулеметана перекрыванием электронных облаков и почему молекула метана имееттетраэдрическое строение, нужно знать то, что эти облака после гибридизации распространяетсяв пространстве так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдры.При образовании молекул метана вершины этих гибридных облаков перекрываются соблаками электронов атомов водорода.

Так как в этом случае в гибридизации участвует один S-электрони три p-электрона, то такой ее вид называется SP3 — гибридизацией.

Химическаяформула и строение молекул этилена.

Молекулярная формула этилена C2H4.

Если между двумя взаимно связанными атомами углерода разместить четыреатома водорода, то структурную формулу этилена следовало бы изобразить так:

      H  H

      |   |

  H– C – C – H

      |   |

Однако свободных связей в молекуле не должно быть. Поэтому в структурнойформуле этилена изображают двойную связь:

      H  H

      |   |

  H– C = C – H

Следовательно, в отличие от предельных углеводородов, в молекулах которыхмежду атомами углерода имеется ординарная связь, в молекулах углеводородов рядаэтилена между атомами углерода имеется одна двойная связь.

В молекуле этилена подвергаются гибридизации одно S-и два p – электронных облака атомов углерода. Такимобразом каждый атом углерода имеет по три (всего шесть) гибридных электронныхоблака и по одному (всего два) негибридному p – облаку.Два из гибридных электронных облаков атомов углерода взаимно перекрываются иобразуют между атомами углерода δ (сигма) – связь. Остальные четырегибридных электронных облака атомов углерода перекрываются в той же плоскости счетыремя S – электронными облаками атомов водорода итакже образуют четыре δ – связи. Негибридные два p-облакаатомов углерода взаимно перекрываются в плоскости, которая расположенаперпендикулярно плоскости δ – связи, т.е. образуется одна П-связь.Следовательно, в молекуле этилена между атомами имеется одна δ и одна П –связь. В углеродных соединениях П – связь значительно слабее, чем δ –связь. Под воздействием респектов П – связь легко разрывается.

Легко понять, что в молекулах  предельных углеводов атомы углерода могутсвободно вращаться вокруг δ – связи. Если же между атомами углеродасуществует не только δ – связь, но и П – связь, то такое вращение безразрыва последней невозможно.

II.

1.Изомерия цепи атомов углерода в различныхорганических соединениях

Впервые с этим видом изомерии мы встретились приизучении предельных углеводородов. Например, молеку­лярной формуле C5H12соответствуют три вещества:

      CH3 –CH2 — CH2 — CH2 — CH3

              Пентан

              CH3

|

      CH3 – CH – CH2 – CH3

         CH3 – C — CH3

| |

            CH3

              CH3

2-метилбутан 2,2 диметилпропан

Этот вид изомерии встречается нетолько у предельных углеводородов, но и у других классов органических соеди­нений.Так, например, в зависимости от строения углерод­ной цепи одной и той жемолекулярной формуле С4Н90Н соответствуют 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

Другой пример. Одной и той же молекулярной формуле C4H9O2в зависимостиот строения углеродной цепи соот­ветствуют две аминокислоты:

O

          CH3    O

4     3     2    1// 3    2|   1//

   CH3 – CH2 – CH – C

    CH3 – C – C

| |    \

         NH2

         NH2    OH

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

2. Изомерия  положения двойной  или тройной связи вмолекуле

С этим видом изомерии мы встретились при изучениинепредельных углеводородов. Так, например, молекулярной формуле C4H6 в зависимостиот места расположения трой­ной связи соответствуют два вещества:

CH3– CH2 – C ≡ CH           CH3 – C ≡ С — CH3

1- бутин                    2-бутин

Другой пример. Одной и тойже молекулярной формуле С4Н602 в зависимостиот места двойной связи соответствуют две непредельные карбоновые кислоты:

O O // //

 CH2 = CH – CH2 — C

 CH3 — CH = CH — C

\ \ ОН ОН Винилуксусная кислота Кротоновая кислота

3. Изомерияположения функциональной группы или отдельных атомов в молекуле.

С этим видом изомерии мыознакомились при изучении спиртов, аминокислот, а также галогенопроизводныхугле­водородов. Рассмотрим несколько примеров.

Молекулярнойформуле С3Н7ОН в зависимости от поло­жения гид рокеильной группы в молекуле соответствуют два вещества:

CH3 — CH – CH3

CH3 — CH2 — CH2 — ОH

| ОH 1-пропанол 2-пропанол

Молекулярной формуле С3Н7О2N в зависимости от по­ложенияаминогруппы —NH2 в молекулесоответствуют два вещества:

 

O O 3     2    // //

 NH2 — CH2 – CH2 — C

 CH3 — CH – C

\ \ ОН ОН 3-аминопропановая кислота 2-аминопропановая кислота

 

Молекулярнойформуле С3Н7Сl взависимости от поло­жения атома хлора в молекуле тоже соответствуют двавещества:

CH3– CH2 – CH2 — Cl              CH3 – CНCl — CH3

1-хлорпропан                 2-хлорпропан

4. Пространственная, илистереоизомерия. Этот вид изомерии встречается у непредельных углеводо­родов, всоставе которых имеются разные атомы или группы атомов, способные заниматьразличные положения в про­странстве. Например, олеиновая кислота С17Н33СООНсу­ществует в двух изомерных формах:

Н       Н

  CH3 – (CH2)7      Н

\     / \     / С = С С = С /     \ /     \

   CH3 – (CH2)7   (CH2)7 — СООН

          Н      (CH2)7 — СООН

Цис-изомер транс-изомер

Этим же видом изометрии обусловлена стереорегулярностьи стереонерегулярность различных полимеров. Характерным примером регулярногостроения является дивиниловый каучук

H       H \     / C = C /     \

      -CH2       CH2-

n

А примером нерегулярногостроения-бутадиеновый каучук

         H       CH2-

\     / C = C /     \

      -CH2        H

n

которые существенно отличаются по свойствам.

5. Изомерия, характерная дляорганиче­ских соединений, в молекулах которых имеет­ся бензольное кольцо.

Этот вид изомерии возможен приналичии двух замести­телей в бензольном кольце. В зависимости от расположениязаместителей в бензольном кольце различают орто-, мета- и пара-изомерию.Так, например, если в бензольном кольце имеется два заместителя — радикал метили гидроксильная группа, то такое вещество называется крезолом. И в зави­симостиот расположения этих групп в бензольном кольце существует три различныхвещества:

      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

Следует учесть, что многиесоединения, имеющие одну и ту же молекулярную формулу, могут отличаться междусобой различными видами изомерии, например:

         CH3   O

O |   // //

   CH3 – C – C

 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

Эти изомерные вещества отличаются одновременноизометрией углеродной цепи и изометрией положения функциональной группы – NH2.

III.Например, из молекулы этанола натрий вытесняет только один атом водорода.Следовательно, этот атом водорода более подвижен.

Отсюда можно вывести структурную формулу этанола:

      H   H

      |   |

  H – C – C – H

      |   |

      H  H

Наоборот, зная структурную формулу этанола, можно предвидеть, что натрийбудет вытеснять только один атом водорода, который связан с атомом кислорода.

Изучая свойства глюкозы, мы убедились, что в ее молекуле пять групп – они одна альдегидная группа. Наоборот, зная структурную формулу глюкозы, можнопредвидеть, что глюкоза будет проявлять свойства альдегидов и спиртов.

IV. Химические свойства фенола обусловленыналичием в его молекуле гидроксильной группы и бензального ядра, которыевзаимно влияют друг на друга. Наличие гидроксильной группы предопределяетсходство фенола со спиртами:

1.  Сходство, сходное со свойствами спиртов:

2C6H5OH + 2 Na → 2C6H5ONa+ H2 ↑

2.  Свойство, отличающееся от свойств спиртов:

C6H5OH + NaOH → C6H5ONa+ H2O

3.  

/> <td/> />
Реакция бромирования

4.  Реакция нитрования

/>

   

Влияние бензольного ядра на гидроксильную группу обуславливает большуюподвижность ее водородного атома. Поэтому фенол, в отличие от спиртов,реагирует со щелочами, т.е. обладает свойствами слабых кислот. Его иногданазывают карболовой кислотой. Это объясняется тем, что бензольное ядрооттягивает к себе электроны кислородного атома гидроксильной группы. Чтобыкомпенсировать это, атом кислорода сильнее притягивает к себе электроннуюплотность от атома водорода. Вследствие этого кавалентная связь между атомамикислорода и водорода становится более полярной, а атом водорода – болееподвижным. Гидроксильная группа в свою очередь придает атомам водорода большуюподвижность в положении 2, 4, 6. Это один из многих примеров, подтверждающихтезис теории А.М. Бутлерова о взаимном влиянии атомов в молекулах.

Химические свойства анилина обусловлены наличием в его молекулеаминогруппы — NH2 и бензольного ядра. Анилинболее слабое основание. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить овзаимном влиянии атомов и атомных групп в молекулах. Как и в молекулах фенола(об этом говорилось раньше) бензольное ядро несколько оттягивает свободнуюэлектронную пару от атома азота аминогруппы. Вследствие этого электроннаяплотность на атоме азота в молекуле анилина уменьшается и он слабее притягиваетк себе протоны, т.е. основные свойства анилина ослабляются. Важнейшие свойстваанилина:

1.  Реагирует с кислотами с образованием солей:

C6H5 – NH2 + HCl →C6H5 NH3 Cl

2.  Образовавшиеся соли реагируют со щелочами и снова выделяются анилин:

C6H5 – NH3 Cl+ NaOH →C6H5 NH2 + Na Cl + H2O

3.  Энергично участвует в реакциях замещения, например реагирует с бромнойводой с образованием 2, 4, 6 – триброманилина:

/>

Взаимноевлияние атомов в молекулах галогенопроизводных углеводород.

Самое характерное химическоесвойство предельных углеводородов – реакции замещения. Примером такой реакцииявляется взаимодействие предельных углеводородов с галогенами. Аналогично с галогенамиреагируют и другие предельные углеводороды:

CH3-CH3+Cl2 → CH3-CH2-Cl+HCl

Галогенопроизводные углеводородыобладают некоторыми особенностями. Согласно теории А.М. Бутлерова, этообъясняется взаимным влиянием атомов и атомных групп в химических соединениях.С точки зрения современных представлений об электронных облаках и их взаимномперекрывании, с учетом электроотрицательности химических элементов взаимноевлияние атомов и атомных групп, например в метилхиориде, объясняется так. Уатомов хлора электроотрицательность больше, чем у атомов углерода. Поэтомуэлектронная плотность связи смещена от атома углерода в сторону атома хлора.Вследствие этого атом хлора приобретает частичный отрицательный заряд, а атомуглерода – частичный положительный заряд. Приобретаемые частичные зарядыобозначаются δ+ и δ- :

H H \ δ+   δ- ↓ H- C  → Cl     или H → C → Cl / ↑ H H

Влияние атома хлорараспространяется не только на атом углерода, но и на атомы водорода. Из-заэтого электронная плотность атомов водорода смещается в сторону атома углеродаи  химические связи между атомами водорода и углерода становится болееполярными. В результате атомы водорода в молекуле метилхлорида оказываютсяменее прочно связанными с атомом углерода и легче замещаются на хлор, чемпервый атом водорода в молекуле метана. Из-за смещения электронных плотностейот атома водорода к атому углерода значение положительного заряда последнегоуменьшается. Поэтому ковалентная связь между атомами углерода и хлорастановится менее полярной и более прочной.

С точки зрения ионного механизмасущность правила В.В. Марковникова при взаимодействии пропилена сбромоводородом объясняется следующим образом: в молекуле пропилена в результатесдвига электронной плотности второй атом углерода, который связан сметилрадикалом заряжен более положительно, чем первый.

Значение электроотрицательностиу атомов углерода больше, чем у атомов водорода. Поэтому третий атом углеродаметильной группы в результате сдвига электронной плотности от трех атомовводорода приобретает относительно больший отрицательный заряд, чем другие атомыуглерода. Этот избыточный отрицательный заряд в свою очередь смещает подвижныеП-электронные облака от второго к первому атому углерода. В результате такогосдвига первый атом углерода приобретает больший отрицательный заряд, а второйстановится более положительным. В результате атом водорода (+) присоединяется катому  углерода (-), а галоген (-) – к атому углерода (+).

Бензол очень стоек к окислению.В отличие от него ароматические углеводороды с боковыми цепями окисляютсяотносительно легко.

1. При действии энергичныхокислителей (K Mn O4)на гомолоне бензола окислению подвергаются только боковые цепи. Если, например,в пробирку налить 2-3 мл толуола, затем добавить к нему раствор перманганатакалия и нагреть, то можно заметить, что фиолетовая окраска раствора постепеннообесцвечивается. Это происходит потому, что по действием перманганата калияметильная группа толуола окисляется и превращается в группу

O // — C \ OH O //

C6H5-CH3+3O → C6H5-C     + H2O

\ OH

Известно, что метан и другиепредельные углеводороды весьма устойчивы к действию окислителей. Однакометильная группа в молекуле толуола окисляется сравнительно легко. Этообъясняется влиянием бензольного кольца. Из приведенных примеров реакцийзамещения и окисления следует, что не только метильная группа влияет набензольное кольцо, но и бензольное кольцо влияет на метильную группу, т.е. ихвлияние зависимо.