Основные положения теории Бутлерова, структурная и пространственная изомерия, гомологический ряд и гомологическая разность
Предмет органической химии
Органической химией называют раздел химии, изучающий соединения углерода (за исключением немногих простейших — оксидов углерода, карбонатов, цианидов и некоторых других, традиционно относимых к неорганическим). Такое обилие органических соединений (их известно уже более 20 миллионов, значительно больше, чем неорганических) объясняется уникальной способностью атомов углерода соединяться друг с другом прочными ковалентными связями, образуя длинные цепи, разветвления и циклы, — это явление называется катенацией. Атом углерода в органических соединениях практически всегда четырёхвалентен, что задаёт основу для построения молекул.
До середины XIX века органическая химия представляла собой набор разрозненных фактов без единой теоретической системы, что затрудняло предсказание свойств новых веществ и осмысленный синтез. Ситуация изменилась в 1861 году, когда русский химик Александр Михайлович Бутлеров сформулировал теорию химического строения органических соединений — фундамент, на котором строится вся современная органическая химия.
Основные положения теории Бутлерова
Теория Бутлерова включает несколько ключевых положений. Первое: атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой последовательности согласно их валентности; эта последовательность связей называется химическим строением молекулы. Второе: свойства вещества определяются не только его качественным и количественным составом (то есть молекулярной формулой), но и его химическим строением — порядком соединения атомов. Именно это положение объясняет явление изомерии: вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным порядком связей атомов, являются разными веществами с разными физическими и химическими свойствами.
Третье положение: атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга, и это влияние (передающееся по цепи связей) определяет реакционную способность отдельных участков молекулы — например, наличие рядом с гидроксильной группой ароматического кольца (как в феноле) резко меняет кислотные свойства этой группы по сравнению со спиртами. Четвёртое положение (развитие теории): по свойствам данного вещества, зная общие закономерности, можно установить строение его молекулы, и, наоборот, зная строение молекулы, можно предсказать свойства вещества, — это положение сделало органическую химию наукой, способной к прогнозированию, а не только к накоплению фактов.
Химическое строение и структурные формулы
Для отображения химического строения молекулы используют структурные формулы, показывающие порядок соединения атомов чёрточками (или их отсутствием — в скелетных формулах). В отличие от молекулярной (брутто-) формулы, которая только называет число атомов каждого элемента (например, C₄H₁₀), структурная формула однозначно определяет вещество, показывая, как именно атомы связаны между собой: для C₄H₁₀ есть два разных вещества — н-бутан (неразветвлённая цепь) и изобутан (разветвлённая цепь) — с разными физическими свойствами (разными температурами кипения).
Структурная изомерия: изомерия углеродного скелета
Изомеры — вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но разное химическое строение и, как следствие, разные свойства. Различают несколько видов структурной изомерии. Изомерия углеродного скелета связана с разным порядком соединения атомов углерода между собой — неразветвлённая цепь или разветвлённая, с разным числом и положением боковых заместителей. Например, для формулы C₅H₁₂ существует три изомера: н-пентан, 2-метилбутан (изопентан) и 2,2-диметилпропан (неопентан) — с числом изомеров, резко возрастающим при увеличении числа атомов углерода в цепи.
Структурная изомерия: изомерия положения
Изомерия положения связана с разным расположением функциональной группы, кратной связи или заместителя при одинаковом углеродном скелете. Например, бутен-1 (CH₂=CH–CH₂–CH₃) и бутен-2 (CH₃–CH=CH–CH₃) имеют одинаковый углеродный скелет из четырёх атомов углерода, но двойная связь расположена в разных местах цепи; аналогично пропанол-1 и пропанол-2 различаются положением гидроксильной группы при одном и том же скелете.
Структурная изомерия: межклассовая изомерия
Межклассовая (метамерия в широком смысле) изомерия — наиболее глубокий тип структурной изомерии, при котором изомеры относятся к разным классам органических соединений, поскольку содержат разные функциональные группы. Классические примеры: этиловый спирт C₂H₅OH и диметиловый эфир CH₃–O–CH₃ имеют одну и ту же молекулярную формулу C₂H₆O, но совершенно разные свойства (спирт — жидкость, реагирующая с натрием с выделением водорода, эфир — газ, с натрием не реагирующий); альдегиды и кетоны с одинаковой формулой CₙH₂ₙO также являются межклассовыми изомерами (например, пропаналь и ацетон, оба CₙH₆O — формула C₃H₆O).
Пространственная изомерия
В отличие от структурной изомерии, при которой различается сам порядок связей атомов, пространственная изомерия (стереоизомерия) характерна для веществ с одинаковым порядком связей, но разным расположением атомов в пространстве. Основные типы — геометрическая (цис-транс) изомерия и оптическая изомерия.
Геометрическая (цис-транс) изомерия возникает у соединений с двойной связью (или в циклах), поскольку свободное вращение вокруг двойной связи невозможно: заместители могут располагаться по одну сторону от плоскости двойной связи (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер). Например, бутен-2 существует в виде цис- и транс-изомеров, различающихся физическими свойствами (температурами кипения, плотностью) и часто химической активностью.
Оптическая изомерия возникает у соединений с асимметрическим атомом углерода (атомом, связанным с четырьмя разными заместителями) — такие молекулы существуют в виде двух форм, относящихся друг к другу как предмет и его зеркальное отражение (подобно левой и правой руке), не совпадающих при наложении. Такие изомеры называют оптическими антиподами (энантиомерами); они одинаковы по большинству физических и химических свойств, но по-разному вращают плоскость поляризованного света и часто различаются по биологической активности (что особенно важно для лекарственных препаратов и природных аминокислот).
Гомология и гомологический ряд
Гомологи — вещества одного класса органических соединений, сходные по строению и химическим свойствам, отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп СН₂ (метиленовых звеньев). Совокупность всех гомологов данного класса, расположенных в порядке возрастания числа атомов углерода, называют гомологическим рядом. Так, гомологический ряд алканов начинается с метана CH₄, далее следуют этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀ и так далее, причём каждый следующий член отличается от предыдущего на группу CH₂ — эту постоянную разность называют гомологической разностью.
Важность понятия гомологии в том, что свойства веществ внутри одного гомологического ряда изменяются закономерно и постепенно (например, растут температуры кипения и плавления с увеличением числа атомов углерода), а химические свойства всех членов ряда качественно схожи, поскольку определяются одинаковым набором функциональных групп и типом связей.
Пример 1: определение изомеров по молекулярной формуле
Условие. Приведите структурные формулы всех изомеров состава C₄H₈, относящихся к классу алкенов, и укажите тип изомерии между ними.
Решение. Для алкена C₄H₈ возможны следующие структурные изомеры: бутен-1 (CH₂=CH–CH₂–CH₃), бутен-2 (CH₃–CH=CH–CH₃) и 2-метилпропен, он же изобутилен (CH₂=C(CH₃)–CH₃). Бутен-1 и бутен-2 — изомеры положения двойной связи (одинаковый неразветвлённый скелет). 2-метилпропен — изомер углеродного скелета по отношению к первым двум (разветвлённая цепь). Кроме того, бутен-2 сам по себе существует в виде цис- и транс-пространственных изомеров, поскольку у каждого атома при двойной связи — разные заместители (H и CH₃).
Ответ: три структурных изомера (бутен-1, бутен-2, 2-метилпропен) плюс цис-транс изомерия бутена-2 — итого 4 изомера состава C₄H₈ среди алкенов.
Значение теории Бутлерова
Теория химического строения дала органической химии единую логическую основу: она объяснила существование изомеров (веществ с одинаковой формулой, но разными свойствами), позволила систематизировать миллионы известных соединений по классам и гомологическим рядам, а главное — сделала возможным целенаправленный синтез веществ с заранее заданными свойствами, поскольку строение молекулы стало предсказуемо связано с её химическим поведением. Именно поэтому теорию Бутлерова по значению для органической химии сравнивают с периодическим законом Менделеева для химии в целом.
Типичные ошибки
Частая ошибка — путать понятия «изомеры» и «гомологи»: изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу и разное строение, а гомологи — разную формулу (отличающуюся на CH₂) и сходное строение и свойства. Также нередко путают виды структурной изомерии между собой, не различая изомерию скелета (разное ветвление цепи) и изомерию положения (одинаковый скелет, но разное место функциональной группы или кратной связи). Ещё одна ошибка — забывать, что геометрическая (цис-транс) изомерия возможна только тогда, когда у каждого атома при двойной связи находятся два разных заместителя; если хотя бы у одного атома двойной связи оба заместителя одинаковы, цис-транс изомерия невозможна.
Краткий словарь терминов
Химическое строение — определённый порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности.
Изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным химическим строением и, следовательно, разными свойствами.
Гомологи — вещества одного класса, сходные по строению, отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп CH₂.
Гомологическая разность — постоянная разница в составе (группа CH₂) между соседними членами гомологического ряда.
Цис-транс изомерия — вид пространственной изомерии, связанный с разным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла.
Асимметрический атом углерода — атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями, обусловливающий оптическую изомерию.
Заключение
Теория химического строения А. М. Бутлерова объяснила, почему вещества с одинаковым составом могут обладать разными свойствами, введя понятие химического строения и связав его с реакционной способностью молекул. Понимание структурной и пространственной изомерии, а также гомологических рядов — необходимая база для изучения всех последующих классов органических соединений, начиная с самых простых — предельных и непредельных углеводородов, которым посвящена следующая тема.
