Теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова

В 60-х гг XIX в. русский химик-органик А.М. Бутлеров создал теорию химического строения органических соединений. Основные положения этой теории сводятся к следующему:

1. Атомы в органических молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями в соответствии с их валентностью. Этот порядок называется химическим строением. Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.

2. Химическое строение можно выразить структурной формулой, в которой химические связи между атомами изображаются черточками. Общее число черточек, отходящих от каждого атома, равно его валентности.

Структурная формула показывает порядок соединения атомов, но не всегда правильно отражает пространственное строение молекулы, в частности, углы между связями. Например, угол между связями С–С в алканах равен 109,5⁰. Тем не менее, структурная формула пропана СН₃-СН₂-СН₃,выглядит так, как будто этот угол равен 180⁰.

3. Физические и химические свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения молекул. Например, составу С₂Н₆О соответствуют два вещества – этанол и диметиловый эфир:

этанол диметиловый эфир

Вещества, описываемые одинаковой молекулярной формулой, но имеющие разное строение и, следовательно, разные физические и химические свойства, называются изомерами.

4. Атомы в молекуле оказывают друг на друга взаимное влияние. Свойства каждого атома зависят не только от его природы, но и от его окружения. Так, в молекуле уксусной кислоты СН₃СООН атом водорода в группе СООН, обладая кислотными свойствами, может отщепляться в водном растворе в виде иона Н⁺, а атом водорода в группе СН₃ прочно связан с атомом углерода и не обладает кислотными свойствами.

2. Строение атома углерода. Типы гибридизаций

Электронная структура атома углерода в основном состоянии имеет вид 1s²2s²2p². При небольшом возбуждении один из s-электронов переходит на 2р–подуровень, и атом приобретает электронную конфигурацию 1s²2s¹2р³. При образовании связей 2s-орбиталь и от одной до трех 2p-орбиталей перемешиваются, образуя смешанные, или так называемые гибридные орбитали. Это явление называется гибридизацией. Основные типы гибридизации углерода:

1) sр³-Гибридизация (первое валентное состояние) характерна для насыщенных УВ. В этом случае в гибридизации участвуют одна 2s - и три 2p-орбитали, в результате образуются четыре одинаковые sp³ - гибридные атомные орбитали (АО). Образовавшиеся гибридные орбитали образуют четыре σ-связи, в пространстве располагаются в форме тетраэдра на расстоянии максимального отталкивания друг от друга – под углом 109,5°.

2) sр²-Гибридизация (второе валентное состояние) характерна для органических соединений, содержащих двойную связь. Гибридизации подвергаются одна 2s- и две 2p-орбитали атома углерода. В результате образуются три sp²-гибридные орбитали, которые расположены под углом 120° друг к другу и направлены к вершинам правильного треугольника, в центре которого находится атом углерода. Три sp²-гибридные орбитали атома углерода образуют три σ-связи при перекрывании с орбиталями атомов других элементов. Единственная негибридная 2p-орбиталь может перекрываться с аналогичными негибридными 2p - орбиталями других атомов углерода с образованием π-связей.

3) sр-Гибридизация (третье валентное состояние) характерна для органических соединений, содержащих тройную связь. В этом случае одна 2s- и одна 2p-орбитали атома углерода в результате перемешивания образуют две одинаковые sp-гибридные орбитали, которые расположены под углом 180° друг к другу. Две sp-гибридные орбитали атома углерода образуют две σ-связи. Две негибридные 2р-орбитали образуют две π-связи.