Zhvilloi një teori të strukturës së përbërjeve organike. Teoria e strukturës së përbërjeve organike A.M.

Leksioni 15

Teoria e strukturës së substancave organike. Klasat kryesore të përbërjeve organike.

Kimi organike - shkenca që studion lëndën organike. Përndryshe mund të përkufizohet si kimia e komponimeve të karbonit. Ky i fundit zë një vend të veçantë në tabelën periodike të D.I Mendeleev për shumëllojshmërinë e përbërjeve, nga të cilat njihen rreth 15 milionë, ndërsa numri i përbërjeve inorganike është pesëqind mijë. Lëndët organike janë të njohura për njerëzimin për një kohë të gjatë, si sheqeri, yndyrat bimore dhe shtazore, ngjyrat, substancat aromatike dhe medicinale. Gradualisht, njerëzit mësuan duke përpunuar këto substanca për të marrë një shumëllojshmëri produktesh organike të vlefshme: verë, uthull, sapun, etj. Përparimet në kiminë organike bazohen në arritjet në fushën e kimisë së substancave proteinike, acideve nukleike, vitaminave, etj. Organike kimia ka një rëndësi të madhe për zhvillimin e mjekësisë, pasi pjesa dërrmuese e ilaçeve janë komponime organike jo vetëm me origjinë natyrore, por edhe të marra kryesisht përmes sintezës. Rëndësia e jashtëzakonshme e peshë të lartë molekulare komponime organike (rrëshira sintetike, plastika, fibra, goma sintetike, ngjyra, herbicide, insekticide, fungicide, defoliant...). Kimia organike ka një rëndësi të madhe për prodhimin e mallrave ushqimore dhe industriale.

Kimia organike moderne ka depërtuar thellë në proceset kimike që ndodhin gjatë ruajtjes dhe përpunimit të produkteve ushqimore: proceset e tharjes, tharjes dhe saponifikimit të vajrave, fermentimi, pjekja, fermentimi, prodhimi i pijeve, në prodhimin e produkteve të qumështit, etj. Zbulimi dhe studimi i enzimave dhe parfumeve dhe kozmetikës luajti gjithashtu një rol të madh.

Një nga arsyet për shumëllojshmërinë e gjerë të përbërjeve organike është veçantia e strukturës së tyre, e cila manifestohet në formimin e lidhjeve kovalente dhe zinxhirëve nga atomet e karbonit, të ndryshme në lloj dhe gjatësi. Për më tepër, numri i atomeve të karbonit të lidhur në to mund të arrijë në dhjetëra mijëra, dhe konfigurimi i zinxhirëve të karbonit mund të jetë linear ose ciklik. Përveç atomeve të karbonit, zinxhirët mund të përmbajnë oksigjen, azot, squfur, fosfor, arsenik, silikon, kallaj, plumb, titan, hekur, etj.

Shfaqja e këtyre vetive nga karboni është për shkak të disa arsyeve. U konfirmua se energjitë e lidhjeve C-C dhe C-O janë të krahasueshme. Karboni ka aftësinë të formojë tre lloje të hibridizimit orbital: katër sp 3 - orbitale hibride, orientimi i tyre në hapësirë ​​është tetraedral dhe korrespondon me thjeshtë lidhje kovalente; tre orbitale hibride sp 2 të vendosura në të njëjtin rrafsh, në kombinim me një orbitale johibride, formohen shumëfisha të dyfishta lidhjet (─С = С─); gjithashtu me ndihmën e sp - lindin orbitalet hibride me orientim linear dhe orbitalet johibride midis atomeve të karbonit. shumëfisha të trefishta lidhjet (─ C ≡ C ─ Për më tepër, atomet e karbonit formojnë këto lloj lidhjesh jo vetëm me njëri-tjetrin, por edhe me elementë të tjerë). Kështu, teoria moderne e strukturës së materies shpjegon jo vetëm një numër të konsiderueshëm të përbërjeve organike, por edhe ndikimin e strukturës së tyre kimike në vetitë e tyre.

Ai gjithashtu konfirmon plotësisht bazat teoritë e strukturës kimike, zhvilluar nga shkencëtari i madh rus A.M. Dispozitat kryesore të SAJ:

1) në molekulat organike, atomet janë të lidhura me njëri-tjetrin në një renditje të caktuar sipas valencës së tyre, e cila përcakton strukturën e molekulave;

2) vetitë e përbërjeve organike varen nga natyra dhe numri i atomeve të tyre përbërës, si dhe nga struktura kimike e molekulave;

3) çdo formulë kimike korrespondon me një numër të caktuar të strukturave të mundshme izomere;

4) çdo përbërje organike ka një formulë dhe ka veti të caktuara;

5) në molekula ka një ndikim të ndërsjellë të atomeve mbi njëri-tjetrin.

Klasat e përbërjeve organike

Sipas teorisë, komponimet organike ndahen në dy seri - komponime aciklike dhe ciklike.

1. Përbërjet aciklike.(alkanet, alkenet) përmbajnë një zinxhir karboni të hapur, të pambyllur - të drejtë ose të degëzuar:

N N N N N N N N

│ │ │ │ │ │ │

N─S─S─S─S─N N─S─S─S─N

│ │ │ │ │ │ │

N N N N N │ N

Izobutan normal i butanit (metilpropan)

2. a) Përbërjet aliciklike– komponimet që kanë zinxhirë karboni të mbyllur (ciklik) në molekulat e tyre:

ciklobutan cikloheksan

b) Përbërjet aromatike, molekulat e të cilave përmbajnë një skelet benzeni - një unazë me gjashtë anëtarë me lidhje të vetme dhe të dyfishta të alternuara (arene):

c) Komponimet heterociklike– komponime ciklike që përmbajnë, përveç atomeve të karbonit, azot, squfur, oksigjen, fosfor dhe disa elementë gjurmë, të cilët quhen heteroatome.

furan pirol piridinë

Në secilën rresht, substancat organike shpërndahen në klasa - hidrokarbure, alkoole, aldehide, ketone, acide, estere në përputhje me natyrën e grupeve funksionale të molekulave të tyre.

Ekziston edhe një klasifikim sipas shkallës së ngopjes dhe grupeve funksionale. Sipas shkallës së ngopjes dallohen:

1. Jashtëzakonisht i ngopur– skeleti i karbonit përmban vetëm lidhje të vetme.

─С─С─С─

2. Të pangopura të pangopura– në skeletin e karbonit ka lidhje të shumta (=, ≡).

─С=С─ ─С≡С─

3. Aromatike– cikle të pangopura me konjugim unazor (4n + 2) π-elektrone.

Sipas grupeve funksionale

1. Alkoolet R-CH 2 OH

2. Fenolet

3. Aldehidet R─COH Ketonet R─C─R

4. Acidet karboksilike R─COOH O

5. Esteret R─COOR 1

Baza për krijimin e teorisë së strukturës kimike të përbërjeve organike ishte A.M. Butlerov u frymëzua nga teoria atomo-molekulare (veprat e A. Avagadro dhe S. Cannizzaro). Do të ishte gabim të supozohej se para krijimit të tij, asgjë nuk dihej në botë për substancat organike dhe nuk u bënë përpjekje për të vërtetuar strukturën e përbërjeve organike. Deri në vitin 1861 (viti kur A.M. Butlerov krijoi teorinë e strukturës kimike të përbërjeve organike), numri i përbërjeve organike të njohura arriti në qindra mijëra, dhe identifikimi i kimisë organike si shkencë e pavarur ndodhi në vitin 1807 (J. Berzelius).

Parakushtet për teorinë e strukturës së përbërjeve organike

Një studim i gjerë i përbërjeve organike filloi në shekullin e 18-të me punën e A. Lavoisier, i cili tregoi se substancat e marra nga organizmat e gjallë përbëhen nga disa elementë - karboni, hidrogjeni, oksigjeni, azoti, squfuri dhe fosfori. Me rëndësi të madhe ishte futja e termave “radikal” dhe “izomerizëm”, si dhe formimi i teorisë së radikalëve (L. Guiton de Morveau, A. Lavoisier, J. Liebig, J. Dumas, J. Berzelius) , suksese në sintezën e përbërjeve organike (ure, aniline, acid acetik, yndyrna, substanca të ngjashme me sheqerin, etj.).

Termi "strukturë kimike", si dhe themelet e teorisë klasike të strukturës kimike, u botuan për herë të parë nga A.M. Butlerov më 19 shtator 1861 në raportin e tij në Kongresin e natyralistëve dhe mjekëve gjermanë në Speyer.

Parimet themelore të teorisë së strukturës së përbërjeve organike A.M. Butlerov

1. Atomet që formojnë një molekulë të një lënde organike janë të lidhura me njëri-tjetrin në një renditje të caktuar dhe një ose më shumë valenca nga secili atom shpenzohen për lidhjen me njëri-tjetrin. Nuk ka valenca të lira.

Butlerov e quajti sekuencën e lidhjeve të atomeve "strukturë kimike". Grafikisht, lidhjet midis atomeve tregohen me një vijë ose një pikë (Fig. 1).

Oriz. 1. Struktura kimike e molekulës së metanit: A – formula strukturore, B – formula elektronike

2. Vetitë e përbërjeve organike varen nga struktura kimike e molekulave, d.m.th. Vetitë e përbërjeve organike varen nga radha e lidhjes së atomeve në molekulë. Pasi të keni studiuar vetitë, mund të përshkruani substancën.

Le të shqyrtojmë një shembull: një substancë ka një formulë bruto C 2 H 6 O. Dihet se kur kjo substancë ndërvepron me natriumin, lirohet hidrogjen dhe kur një acid vepron mbi të, formohet uji.

C 2 H 6 O + Na = C 2 H 5 ONa + H 2

C2H6O + HCl = C2H5Cl + H2O

Kjo substancë mund të ketë dy formula strukturore:

CH3-O-CH3 - aceton (dimetil keton) dhe CH3-CH2-OH - alkool etilik (etanol),

Bazuar në vetitë kimike karakteristike të kësaj lënde, arrijmë në përfundimin se është etanol.

Izomerët janë substanca që kanë të njëjtën përbërje cilësore dhe sasiore, por struktura kimike të ndryshme. Ekzistojnë disa lloje të izomerizmit: strukturor (linear, i degëzuar, skelet karboni), gjeometrik (cis- dhe trans-izomerizëm, karakteristikë e komponimeve me një lidhje të dyfishtë të shumëfishtë (Fig. 2)), optike (pasqyrë), stereo (hapësinore, karakteristikë e substancave, të afta të vendosen ndryshe në hapësirë ​​(Fig. 3)).

Oriz. 2. Shembull i izomerizmit gjeometrik

3. Vetitë kimike të përbërjeve organike ndikohen edhe nga atome të tjera të pranishme në molekulë. Grupe të tilla atomesh quhen grupe funksionale, për faktin se prania e tyre në molekulën e një lënde i jep asaj veti të veçanta kimike. Për shembull: -OH (grupi hidroksi), -SH (grupi tio), -CO (grupi karbonil), -COOH (grupi karboksil). Për më tepër, vetitë kimike të një lënde organike varen më pak nga skeleti i hidrokarbureve sesa nga grupi funksional. Janë grupet funksionale që sigurojnë larminë e përbërjeve organike, për shkak të të cilave ato klasifikohen (alkoolet, aldehidet, acidet karboksilike etj. Në grupet funksionale ndonjëherë përfshihen lidhjet karbon-karbon (të shumëfishta të dyfishta dhe të trefishta). disa grupe funksionale identike, atëherë quhet homopolifunksional (CH 2 (OH)-CH(OH)-CH 2 (OH) - glicerol), nëse disa, por të ndryshëm - heteropolifunksional (NH 2 -CH(R)-COOH - amino acidet).

Fig.3. Shembull i stereoizomerizmit: a – cikloheksan, forma “karrige”, b – cikloheksani, forma “vaskë”

4. Valenca e karbonit në përbërjet organike është gjithmonë katër.

Natyra kimike e përbërjeve organike, vetitë që i dallojnë ato nga përbërjet inorganike, si dhe diversiteti i tyre shpjegohen në teorinë e strukturës kimike të formuluar nga Butlerov në 1861 (shih § 38).

Sipas kësaj teorie, vetitë e përbërjeve përcaktohen nga përbërja e tyre cilësore dhe sasiore, struktura kimike, d.m.th., rendi vijues i lidhjes midis atomeve që formojnë molekulën dhe ndikimi i tyre reciprok. Teoria e strukturës së përbërjeve organike, e zhvilluar dhe e plotësuar nga pikëpamjet më të fundit në fushën e kimisë dhe fizikës së atomeve dhe molekulave, veçanërisht idetë për strukturën hapësinore të molekulave, natyrën e lidhjeve kimike dhe natyrën e ndikimit të ndërsjellë të atomet, përbën bazën teorike të kimisë organike.

Në teorinë moderne të strukturës së përbërjeve organike, dispozitat e mëposhtme janë themelore.

1. Të gjitha veçoritë e përbërjeve organike përcaktohen, para së gjithash, nga vetitë e elementit karbon.

Në përputhje me vendin që zë karboni në tabelën periodike, ka katër elektrone në shtresën e jashtme elektronike të atomit të tij (-predha). Nuk shfaq prirje të theksuar për të dhuruar apo për të fituar elektrone, në këtë drejtim zë një pozicion të ndërmjetëm midis metaleve dhe jometaleve dhe karakterizohet nga një aftësi e theksuar për të formuar lidhje kovalente. Struktura e shtresës së jashtme elektronike të atomit të karbonit mund të përfaqësohet nga diagramet e mëposhtme:

Një atom karboni i ngacmuar mund të marrë pjesë në formimin e katër lidhjeve kovalente. Prandaj, në shumicën dërrmuese të përbërjeve të tij, karboni shfaq një kovalencë prej katër.

Kështu, përbërja organike më e thjeshtë, metani hidrokarbur, ka përbërjen . Struktura e saj mund të përshkruhet nga formulat e strukturës (a) ose elektro-strukturore (ose elektronike) (b):

Formula elektronike tregon se atomi i karbonit në molekulën e metanit ka një shtresë të jashtme të qëndrueshme me tetë elektron (oktet elektron), dhe atomet e hidrogjenit kanë një shtresë të qëndrueshme me dy elektrone (dyshe elektronike).

Të katër lidhjet kovalente të karbonit në metan (dhe në përbërje të tjera të ngjashme) janë të barabarta dhe të drejtuara në mënyrë simetrike në hapësirë. Atomi i karbonit ndodhet, si të thuash, në qendër të një tetraedri (piramida e rregullt tetraedrale), dhe katër atomet e lidhura me të (në rastin e metanit, katër atome në majat e tetraedrit (Fig. 120). Këndet ndërmjet drejtimeve të çdo çifti lidhjesh (këndet e lidhjes së karbonit) janë të njëjta dhe arrijnë në 109 ° 28".

Kjo shpjegohet me faktin se në një atom karboni, kur ai formon lidhje kovalente me katër atome të tjera, nga një orbitale s dhe tre p, si rezultat i -hibridizimit, formohen katër orbitale hibride të vendosura në mënyrë simetrike në hapësirë. e zgjatur drejt kulmeve të tetraedrit.

Oriz. 120. Modeli katërkëndor i molekulës së metanit.

Oriz. 121. Skema e formimit të -lidhjeve në një molekulë metani.

Si rezultat i mbivendosjes së reve elektronike hibride të karbonit me retë elektronike të atomeve të tjera (në metanin me retë sferike të -elektroneve të atomeve të hidrogjenit), formohen katër lidhje kovalente të orientuara në mënyrë tetraedrale (Fig. 121; shih gjithashtu f. 131).

Struktura tetraedrale e molekulës së metanit shprehet qartë nga modelet e saj hapësinore - sferike (Fig. 122) ose segmentale (Fig. 123). Topat (segmentet) e bardha përfaqësojnë atomet e hidrogjenit, ato të zeza përfaqësojnë atomet e karbonit. Modeli i topit karakterizon vetëm rregullimin relativ hapësinor të atomeve, modeli i segmentit jep gjithashtu një ide për distancat ndëratomike relative (distancat midis bërthamave. Siç tregohet në Fig. 122, formula strukturore e metanit mund të konsiderohet si një projeksion i modeli i tij hapësinor në rrafshin e vizatimit.

2. Një veti e jashtëzakonshme e karbonit, e cila përcakton shumëllojshmërinë e përbërjeve organike, është aftësia e atomeve të tij për t'u lidhur me lidhje të forta kovalente me njëri-tjetrin, duke formuar zinxhirë karboni me gjatësi pothuajse të pakufizuar.

Valencat e atomeve të karbonit që nuk i janë nënshtruar lidhjes së ndërsjellë përdoren për të lidhur atome ose grupe të tjera (në hidrokarbure - për shtimin e hidrogjenit).

Kështu, hidrokarburet etani dhe propani përmbajnë zinxhirë prej dy dhe tre atomesh karboni, përkatësisht.

Oriz. 122. Modeli i topit të molekulës së metanit.

Oriz. 123. Modeli i segmentit të molekulës së metanit.

Struktura e tyre shprehet me formulat e mëposhtme strukturore dhe elektronike:

Dihen komponime që përmbajnë qindra ose më shumë atome karboni në zinxhirët e tyre.

Rritja e zinxhirit të karbonit me një atom karboni çon në një rritje të përbërjes sipas grupit. Një ndryshim i tillë sasior në përbërje çon në një përbërje të re që ka veti paksa të ndryshme, d.m.th., tashmë cilësisht e ndryshme nga përbërja origjinale; megjithatë, natyra e përgjithshme e lidhjeve mbetet. Pra, përveç hidrokarbureve metan, etan, propan, ka butan, pentan, etj. Kështu, në një larmi të madhe substancash organike, mund të identifikohen një seri përbërjesh të ngjashme, në të cilat secili anëtar i mëpasshëm ndryshon nga ai i mëparshmi me nje grup. Seritë e tilla quhen seri homologjike, anëtarët e tyre janë homologë në raport me njëri-tjetrin dhe ekzistenca e serive të tilla quhet fenomen i homologjisë.

Për rrjedhojë, hidrokarburet metan, stad, propan, butan etj. janë homologë të së njëjtës seri, që quhet seri e hidrokarbureve të ngopura, ose të ngopura (alkanet) ose sipas përfaqësuesit të parë, seria e metanit.

Për shkak të orientimit tetraedral të lidhjeve të karbonit, atomet e tij të përfshirë në zinxhir janë të vendosur jo në një vijë të drejtë, por në një model zigzag, dhe, për shkak të mundësisë së rrotullimit të atomeve rreth boshtit të lidhjes, zinxhiri në hapësirë ​​mund të marrin forma (konformacione) të ndryshme:

Kjo strukturë e zinxhirëve bën të mundur që terminali (b) ose atome të tjera të karbonit jo ngjitur (c) të afrohen me njëri-tjetrin; Si rezultat i formimit të lidhjeve midis këtyre atomeve, zinxhirët e karbonit mund të mbyllen në unaza (cikle), për shembull:

Kështu, diversiteti i përbërjeve organike përcaktohet gjithashtu nga fakti se me të njëjtin numër atomesh karboni në një molekulë, komponimet me një zinxhir të hapur dhe të hapur të atomeve të karbonit janë të mundshme, si dhe substanca molekulat e të cilave përmbajnë cikle (komponime ciklike) .

3. Lidhjet kovalente ndërmjet atomeve të karbonit të formuara nga një palë elektrone të përgjithësuara quhen lidhje të thjeshta (ose të zakonshme).

Lidhja midis atomeve të karbonit mund të kryhet jo nga një, por nga dy ose tre çifte të zakonshme elektronesh. Pastaj marrim zinxhirë me lidhje të shumta - të dyfishta ose të trefishta; Këto lidhje mund të përshkruhen si më poshtë:

Përbërjet më të thjeshta që përmbajnë lidhje të shumta janë hidrokarburet etilen (me një lidhje të dyfishtë) dhe acetilen (me një lidhje të trefishtë):

Hidrokarburet me lidhje të shumta quhen të pangopura ose të pangopura. Etileni dhe acetilen janë përfaqësuesit e parë të dy serive homologe - hidrokarburet e etilenit dhe acetilenit.

Oriz. 124. Skema e formimit të -lidhjeve në një molekulë etani.

Një lidhje e thjeshtë kovalente (ose C:C), e formuar nga mbivendosja e dy reve elektronike hibride përgjatë një linje që lidh qendrat e atomeve (përgjatë boshtit të lidhjes), si, për shembull, në etanin (Fig. 124). një obligacion (shih § 42). Lidhjet janë gjithashtu -lidhje - ato formohen nga mbivendosja përgjatë boshtit të lidhjes së resë -hibride të atomit C dhe resë sferike të -elektronit të atomit H.

Natyra e lidhjeve të shumta karbon-karbon është disi e ndryshme. Kështu, në molekulën e etilenit, kur në secilin prej atomeve të karbonit formohet një lidhje kovalente (ose) dyfishe, në hibridizim marrin pjesë një orbitale dhe vetëm dy p-orbitale (-hibridizimi); një nga orbitalet p të çdo atomi C nuk hibridizohet. Si rezultat, formohen retë elektronike tre-hibride, të cilat marrin pjesë në formimin e tre lidhjeve. Ka gjithsej pesë lidhje në molekulën e etilenit (katër dhe një); të gjithë ata janë të vendosur në të njëjtin rrafsh në kënde rreth 120° me njëri-tjetrin (Fig. 125).

Kështu, një nga çiftet e elektroneve në lidhje kryen një lidhje - dhe e dyta formohet nga p-elektrone që nuk marrin pjesë në hibridizim; retë e tyre ruajnë formën e një figure vëllimore tetë, janë të orientuara pingul me rrafshin në të cilin ndodhen lidhjet dhe mbivendosen mbi dhe poshtë këtij plani (Fig. 126), duke formuar një lidhje - (shih § 42).

Oriz. 125. Skema e formimit të -lidhjeve në një molekulë etilen.

Oriz. 126. Skema e formimit të një lidhjeje në një molekulë etilen.

Prandaj, lidhja e dyfishtë C=C është një kombinim i lidhjeve një dhe një -.

Një lidhje e trefishtë (ose ) është një kombinim i një lidhjeje dhe dy lidhjeve. Për shembull, kur një molekulë acetilen është formuar në secilin prej atomeve të karbonit, një -orbitale dhe vetëm një p-orbitale (-hibridizimi) merr pjesë në hibridizimin; Si rezultat, formohen dy re elektronike hibride, të cilat marrin pjesë në formimin e dy lidhjeve. Retë me dy p-elektrone të secilit atom C nuk hibridizohen, ruajnë konfigurimin e tyre dhe marrin pjesë në formimin e dy lidhjeve. Kështu, në acetilen ekzistojnë vetëm tre lidhje (një dhe dy) të drejtuara përgjatë një linje të drejtë, dhe dy lidhje të orientuara në dy plane reciproke pingul (Fig. 127).

Lidhjet e shumëfishta (d.m.th., të dyfishta dhe të trefishta) konvertohen lehtësisht në lidhje të thjeshta gjatë reaksioneve; treshja fillimisht kthehet në dyshe, dhe e fundit në një të thjeshtë. Kjo është për shkak të reaktivitetit të tyre të lartë dhe ndodh kur ndonjë atome i shtohet një çifti atomesh karboni të lidhur me një lidhje të shumëfishtë.

Kalimi i lidhjeve të shumëfishta në ato të thjeshta shpjegohet me faktin se zakonisht - lidhjet kanë më pak forcë dhe për rrjedhojë qëndrueshmëri më të madhe në krahasim me - lidhjet. Kur formohen lidhje β, retë e elektroneve p me boshte paralele mbivendosen në një masë shumë më të vogël se retë elektronike që mbivendosen përgjatë boshtit të lidhjes (d.m.th., retë p-elektronike hibride, β-elektroni ose të orientuara nga boshti i lidhjes).

Oriz. 127. Skema e formimit të -lidhjeve në një molekulë acetilen.

Oriz. 128. Modelet e molekulës së etilenit: a - sferike; b - segmentale.

Lidhjet e shumta janë më të forta se ato të thjeshta. Kështu, energjia e thyerjes së një lidhjeje është vetëm lidhjet dhe lidhjet .

Nga sa më sipër rezulton se në formula, dy pika nga tre në një lidhje dhe një vizë nga dy në një lidhje shprehin lidhje që janë më pak të forta se një lidhje e thjeshtë.

Në Fig. 128 dhe 129 tregojnë modele hapësinore sferike dhe të segmentuara të përbërjeve me lidhje dyfishe (etilenike) dhe trefishe (acetileni).

4. Teoria e strukturës shpjegoi raste të shumta të izomerizmit në përbërjet organike.

Zinxhirët e atomeve të karbonit mund të jenë të drejtë ose të degëzuar:

Kështu, përbërja ka tre hidrokarbure të ngopura (pentan) me struktura të ndryshme zinxhiri - një me një zinxhir të drejtë (strukturë normale) dhe dy me një zinxhir të degëzuar (strukturë iso):

Përbërja ka tre hidrokarbure të pangopura, dy me strukturë normale, por izomere në pozicionin e lidhjes dyfishe dhe një me izostrukturë:

Oriz. 129. Modelet e molekulës së acetilenit: një sferike; b - segmentale.

Këto komponime të pangopura janë izomere të dy hidrokarbureve ciklike, të cilat gjithashtu kanë një përbërje dhe janë izomere me njëri-tjetrin për sa i përket madhësisë së ciklit:

Me të njëjtën përbërje, komponimet mund të ndryshojnë në strukturë për shkak të pozicioneve të ndryshme në zinxhirin e karbonit dhe atomeve të tjera jo karboni, për shembull:

Izomerizmi mund të shkaktohet jo vetëm nga një rend i ndryshëm i lidhjes së atomeve. Njihen disa lloje të izomerisë hapësinore (stereoizometria), e cila konsiston në faktin se izomerët (stereoizomerët) përkatës me përbërje dhe rend të njëjtë të lidhjes së atomeve ndryshojnë në rregullime të ndryshme atomesh (ose grupe atomesh) në hapësirë.

Kështu, nëse një përbërje përmban një atom karboni të lidhur me katër atome të ndryshme ose grupe atomesh (një atom asimetrik), atëherë dy forma izomere hapësinore të një përbërje të tillë janë të mundshme. Në Fig. 130 tregon dy modele tetraedrale të acidit laktik, në të cilat atomi asimetrik i karbonit (i shënuar me një yll në formulë) ndodhet në qendër të tetraedrit. Është e lehtë të vërehet se këto modele nuk mund të kombinohen në hapësirë: ato janë ndërtuar në formë pasqyre dhe pasqyrojnë konfigurimin hapësinor të molekulave të dy substancave të ndryshme (në këtë shembull, acidet laktike), të ndryshme në disa veti fizike dhe kryesisht biologjike. . Izomerizmi i tillë quhet stereoizomerizëm pasqyrë, dhe izomerët përkatës quhen izomerë pasqyrë.

Oriz. 130. Modele tetraedrale të molekulave të izomerëve pasqyrë të acidit laktik.

Dallimi në strukturën hapësinore të izomerëve të pasqyrës mund të përfaqësohet gjithashtu duke përdorur formula strukturore, të cilat tregojnë renditjen e ndryshme të grupeve atomike në një atom asimetrik; për shembull, për ato të paraqitura në Fig. 130 izomerë të pasqyrës së imazhit të acidit laktik:

Siç është treguar tashmë, atomet e karbonit; të lidhura me një lidhje dyfishe, shtrihen në të njëjtin rrafsh me katër lidhje që i lidhin me atome të tjera; këndet ndërmjet drejtimeve të këtyre lidhjeve janë afërsisht të njëjta (Fig. 126). Kur atome ose grupe të ndryshme lidhen me secilin prej atomeve të karbonit në një lidhje të dyfishtë, i ashtuquajturi stereoizomerizëm gjeometrik, ose izomerizëm cis-trans, është i mundur. Një shembull janë izomerët gjeometrikë hapësinorë të dikloretilenit

Në molekulat e njërit izomer, atomet e klorit janë të vendosura në njërën anë të lidhjes së dyfishtë, dhe në molekulat e tjetrës - në anët e kundërta. Konfigurimi i parë quhet konfigurim cis, i dyti - trans-konfigurim. Izomerët gjeometrikë ndryshojnë nga njëri-tjetri në vetitë fizike dhe kimike.

Ekzistenca e tyre është për faktin se lidhja e dyfishtë përjashton mundësinë e rrotullimit të lirë të atomeve të lidhura rreth boshtit të lidhjes (rrotullimi i tillë kërkon thyerjen e lidhjes - shih Fig. 126).

5. Ndikimi i ndërsjellë në molekulat e substancave organike manifestohet kryesisht nga atomet e lidhur drejtpërdrejt me njëri-tjetrin. Në këtë rast, përcaktohet nga natyra e lidhjes kimike midis tyre, shkalla e ndryshimit në elektronegativitetin e tyre relativ dhe, rrjedhimisht, shkalla e polaritetit të lidhjes.

Për shembull, duke gjykuar nga formulat përmbledhëse, atëherë në një molekulë metani dhe në një molekulë të alkoolit metil të katër atomet e hidrogjenit duhet të kenë të njëjtat veti. Por, siç do të tregohet më vonë, në alkoolin metil një nga atomet e hidrogjenit është në gjendje të zëvendësohet nga një metal alkali, ndërsa në metan atomet e hidrogjenit nuk e shfaqin këtë aftësi. Kjo shpjegohet me faktin se në alkool atomi i hidrogjenit është i lidhur drejtpërdrejt jo me karbonin, por me oksigjenin.

Në formulat e dhëna strukturore, shigjetat në linjat e lidhjes tregojnë në mënyrë konvencionale zhvendosjen e çifteve të elektroneve që formojnë një lidhje kovalente për shkak të elektronegativitetit të ndryshëm të atomeve. Në metan, një zhvendosje e tillë në lidhje është e vogël, pasi elektronegativiteti i karbonit (2.5) vetëm pak e tejkalon elektronegativitetin e hidrogjenit në Tabelën. 6, f. 118). Në këtë rast, molekula e metanit është simetrike. Në molekulën e alkoolit, lidhja është polarizuar ndjeshëm, pasi oksigjeni (elektronegativiteti 3.5) tërheq shumë më tepër një çift elektronik; prandaj, një atom hidrogjeni i lidhur me një atom oksigjeni fiton lëvizshmëri më të madhe, d.m.th., është më e lehtë të shkëputet në formën e një protoni.

Në molekulat organike, ndikimi i ndërsjellë i atomeve që nuk lidhen drejtpërdrejt me njëri-tjetrin është gjithashtu i rëndësishëm. Kështu, në alkoolin metil, nën ndikimin e oksigjenit, rritet reaktiviteti jo vetëm i atomit të hidrogjenit të lidhur me oksigjenin, por edhe i atomeve të hidrogjenit që nuk lidhen drejtpërdrejt me oksigjenin, por të lidhur me karbonin. Për shkak të kësaj, alkooli metil oksidohet mjaft lehtë, ndërsa metani është relativisht rezistent ndaj agjentëve oksidues. Kjo shpjegohet me faktin se oksigjeni i grupit hidroksil tërheq në mënyrë të konsiderueshme një palë elektrone drejt vetes në lidhjen që e lidh atë me karbonin, i cili ka një elektronegativitet më të ulët.

Si rezultat, ngarkesa efektive e atomit të karbonit bëhet më pozitive, gjë që shkakton një zhvendosje shtesë të çifteve të elektroneve edhe në lidhjet në alkoolin metil, krahasuar me të njëjtat lidhje në molekulën e metanit. Nën veprimin e agjentëve oksidues, atomet H të lidhur me të njëjtin atom karboni me të cilin është lidhur grupi OH janë shumë më të lehta për t'u shkëputur sesa në hidrokarbure dhe kombinohen me oksigjenin, duke formuar ujë. Në këtë rast, atomi i karbonit i lidhur me grupin OH i nënshtrohet oksidimit të mëtejshëm (shih § 171).

Ndikimi i ndërsjellë i atomeve që nuk lidhen drejtpërdrejt me njëri-tjetrin mund të transmetohet në një distancë të konsiderueshme përgjatë një zinxhiri atomesh karboni dhe shpjegohet me një zhvendosje në densitetin e reve elektronike në të gjithë molekulën nën ndikimin e atomeve ose grupeve me elektronegativitet të ndryshëm. prezente në të. Ndikimi i ndërsjellë mund të transmetohet edhe përmes hapësirës që rrethon molekulën - si rezultat i mbivendosjes së reve elektronike të atomeve që afrohen.

Tema: Parimet themelore të teorisë së strukturës së përbërjeve organike nga A. M. Butlerov.

Teoria e strukturës kimike të përbërjeve organike, e paraqitur nga A. M. Butlerov në gjysmën e dytë të shekullit të kaluar (1861), u konfirmua nga veprat e shumë shkencëtarëve, përfshirë studentët e Butlerov dhe vetë. Doli e mundur në bazë të saj të shpjegoheshin shumë dukuri që deri atëherë nuk kishin asnjë interpretim: homologjia, shfaqja e tetravalencës nga atomet e karbonit në substancat organike. Teoria gjithashtu përmbushi funksionin e saj parashikues: në bazë të saj, shkencëtarët parashikuan ekzistencën e përbërjeve ende të panjohura, përshkruan vetitë e tyre dhe i zbuluan ato. Pra, në 1862-1864. A. M. Butlerov ekzaminoi alkoolet propil, butil dhe amil, përcaktoi numrin e izomerëve të mundshëm dhe nxori formulat e këtyre substancave. Ekzistenca e tyre u vërtetua më vonë në mënyrë eksperimentale dhe disa nga izomerët u sintetizuan nga vetë Butlerov.

Gjatë shekullit të 20-të. Dispozitat e teorisë së strukturës kimike të përbërjeve kimike u zhvilluan në bazë të pikëpamjeve të reja që u përhapën në shkencë: teoria e strukturës atomike, teoria e lidhjeve kimike, idetë për mekanizmat e reaksioneve kimike. Aktualisht, kjo teori është universale, domethënë është e vlefshme jo vetëm për substancat organike, por edhe për ato inorganike.

Pozicioni i parë. Atomet në molekula kombinohen në një rend të caktuar sipas valencës së tyre. Karboni në të gjitha përbërjet organike dhe shumicën inorganike është katërvalent.

Natyrisht, pjesa e fundit e pozicionit të parë të teorisë mund të shpjegohet lehtësisht me faktin se në komponimet atomet e karbonit janë në një gjendje të ngacmuar:

Atomet katërvalente të karbonit mund të kombinohen me njëri-tjetrin për të formuar zinxhirë të ndryshëm:

Rendi i lidhjes së atomeve të karbonit në molekula mund të jetë i ndryshëm dhe varet nga lloji i lidhjes kimike kovalente midis atomeve të karbonit - i vetëm ose i shumëfishtë (i dyfishtë dhe i trefishtë):

Ky pozicion shpjegon fenomenin.

Substancat që kanë të njëjtën përbërje, por struktura të ndryshme kimike ose hapësinore, dhe për këtë arsye veti të ndryshme quhen izomere.

Llojet kryesore:

Izomerizmi strukturor, në të cilin substancat ndryshojnë në rendin e lidhjes së atomeve në molekula: skeleti i karbonit

Pozicioni i tretë. Vetitë e substancave varen nga ndikimi i ndërsjellë i atomeve në molekula.

Për shembull, në acidin acetik vetëm një nga katër atomet e hidrogjenit reagon me një alkali. Bazuar në këtë, mund të supozohet se vetëm një atom hidrogjeni është i lidhur me oksigjenin:

Drejtimet kryesore të zhvillimit të teorisë së strukturës së përbërjeve kimike dhe rëndësia e saj.

Gjatë kohës së A.M Butlerov, kimia organike u përdor gjerësisht

formula empirike (molekulare) dhe strukturore. Këto të fundit pasqyrojnë rendin e lidhjes së atomeve në një molekulë sipas valencës së tyre, e cila tregohet me viza.

Për lehtësinë e regjistrimit, shpesh përdoren formula strukturore të shkurtuara, në të cilat vizat tregojnë vetëm lidhjet midis atomeve të karbonit ose karbonit dhe oksigjenit.

Dhe fibrat, produkte nga të cilat përdoren në teknologji, jetën e përditshme, mjekësi dhe bujqësi. Rëndësia e teorisë së strukturës kimike të A.M. Jo më kot të dyja teoritë kanë aq shumë të përbashkëta në mënyrat e formimit të tyre, drejtimet e zhvillimit dhe rëndësinë e përgjithshme shkencore.

Të gjitha substancat që përmbajnë një atom karboni, përveç karbonateve, karbiteve, cianideve, tiocianateve dhe acidit karbonik, janë komponime organike. Kjo do të thotë se ato janë të afta të krijohen nga organizmat e gjallë nga atomet e karbonit përmes reaksioneve enzimatike ose të tjera. Sot, shumë substanca organike mund të sintetizohen artificialisht, gjë që lejon zhvillimin e mjekësisë dhe farmakologjisë, si dhe krijimin e polimereve dhe materialeve të përbëra me rezistencë të lartë.

Klasifikimi i përbërjeve organike

Përbërjet organike janë klasa më e madhe e substancave. Këtu ka rreth 20 lloje substancash. Ato ndryshojnë në vetitë kimike dhe ndryshojnë në cilësitë fizike. Pika e tyre e shkrirjes, masa, paqëndrueshmëria dhe tretshmëria, si dhe gjendja e tyre e grumbullimit në kushte normale janë gjithashtu të ndryshme. Midis tyre:

• hidrokarburet (alkanet, alkinet, alkenet, alkadienet, cikloalkanet, hidrokarburet aromatike);
• aldehidet;
• ketonet;
• alkoole (dihidrike, monohidrike, polihidrike);
• eteret;
• estere;
• acide karboksilike;
• aminat;
• aminoacidet;
• karbohidratet;
• yndyrna;
• proteinat;
• biopolimere dhe polimere sintetike.

Ky klasifikim pasqyron karakteristikat e strukturës kimike dhe praninë e grupeve atomike specifike që përcaktojnë ndryshimin në vetitë e një substance të veçantë. Në përgjithësi, klasifikimi, i cili bazohet në konfigurimin e skeletit të karbonit, i cili nuk merr parasysh karakteristikat e ndërveprimeve kimike, duket i ndryshëm. Sipas dispozitave të tij, përbërjet organike ndahen në:

• komponimet alifatike;
• aromatike;
• substanca heterociklike.

Këto klasa të përbërjeve organike mund të kenë izomere në grupe të ndryshme substancash. Vetitë e izomerëve janë të ndryshme, megjithëse përbërja e tyre atomike mund të jetë e njëjtë. Kjo rrjedh nga dispozitat e përcaktuara nga A.M. Gjithashtu, teoria e strukturës së përbërjeve organike është baza udhëzuese për të gjitha kërkimet në kiminë organike. Ai vendoset në të njëjtin nivel me Ligjin Periodik të Mendelejevit.

Vetë koncepti i strukturës kimike u prezantua nga A.M Butlerov. Ajo u shfaq në historinë e kimisë më 19 shtator 1861. Më parë, kishte mendime të ndryshme në shkencë, dhe disa shkencëtarë e mohuan plotësisht ekzistencën e molekulave dhe atomeve. Prandaj, nuk kishte rregull në kiminë organike dhe inorganike. Për më tepër, nuk kishte modele me të cilat mund të gjykoheshin vetitë e substancave specifike. Në të njëjtën kohë, kishte komponime që, me të njëjtën përbërje, shfaqnin veti të ndryshme.

Deklaratat e A.M Butlerov drejtuan kryesisht zhvillimin e kimisë në drejtimin e duhur dhe krijuan një bazë shumë të fortë për të. Nëpërmjet tij u bë i mundur sistemimi i fakteve të grumbulluara, përkatësisht, vetitë kimike ose fizike të substancave të caktuara, modelet e hyrjes së tyre në reaksione, etj. Edhe parashikimi i mënyrave të përftimit të komponimeve dhe prania e disa vetive të përgjithshme u bë i mundur falë kësaj teorie. Dhe më e rëndësishmja, A.M Butlerov tregoi se struktura e molekulës së një substance mund të shpjegohet nga pikëpamja e ndërveprimeve elektrike.

Logjika e teorisë së strukturës së substancave organike

Meqenëse para vitit 1861 shumë në kimi hodhën poshtë ekzistencën e një atomi ose molekule, teoria e përbërjeve organike u bë një propozim revolucionar për botën shkencore. Dhe meqenëse vetë A. M. Butlerov del vetëm nga përfundimet materialiste, ai arriti të përgënjeshtronte idetë filozofike për lëndën organike.

Ai ishte në gjendje të tregonte se struktura molekulare mund të njihet eksperimentalisht përmes reaksioneve kimike. Për shembull, përbërja e çdo karbohidrati mund të përcaktohet duke djegur një sasi të caktuar të tij dhe duke numëruar ujin dhe dioksidin e karbonit që rezulton. Sasia e azotit në një molekulë amine llogaritet gjithashtu gjatë djegies duke matur vëllimin e gazeve dhe duke izoluar sasinë kimike të azotit molekular.

Nëse marrim parasysh gjykimet e Butlerovit për strukturën kimike të varur nga struktura në drejtim të kundërt, del një përfundim i ri. Domethënë: duke ditur strukturën dhe përbërjen kimike të një lënde, mund të supozojmë në mënyrë empirike vetitë e saj. Por më e rëndësishmja, Butlerov shpjegoi se në lëndën organike ekziston një numër i madh i substancave që shfaqin veti të ndryshme, por kanë të njëjtën përbërje.

Dispozitat e përgjithshme të teorisë

Duke marrë parasysh dhe studiuar përbërjet organike, A. M. Butlerov nxori disa nga parimet më të rëndësishme. Ai i kombinoi ato në një teori që shpjegon strukturën e substancave kimike me origjinë organike. Teoria është si më poshtë:

• në molekulat e substancave organike, atomet janë të lidhura me njëri-tjetrin në një sekuencë të përcaktuar rreptësisht, e cila varet nga valenca;
• struktura kimike është rendi i menjëhershëm sipas të cilit atomet në molekulat organike janë të lidhura;
• struktura kimike përcakton praninë e vetive të një përbërjeje organike;
• në varësi të strukturës së molekulave me të njëjtën përbërje sasiore, mund të shfaqen veti të ndryshme të substancës;
• të gjitha grupet atomike të përfshira në formimin e një përbërjeje kimike kanë një ndikim të ndërsjellë mbi njëri-tjetrin.

Të gjitha klasat e përbërjeve organike janë ndërtuar sipas parimeve të kësaj teorie. Pasi hodhi themelet, A. M. Butlerov ishte në gjendje të zgjeronte kiminë si një fushë të shkencës. Ai shpjegoi se për faktin se në substancat organike karboni shfaq një valencë prej katër, diversiteti i këtyre përbërjeve përcaktohet. Prania e shumë grupeve atomike aktive përcakton nëse një substancë i përket një klase të caktuar. Dhe pikërisht për shkak të pranisë së grupeve specifike atomike (radikaleve) shfaqen vetitë fizike dhe kimike.

Hidrokarburet dhe derivatet e tyre

Këto komponime organike të karbonit dhe hidrogjenit janë më të thjeshtat në përbërje midis të gjitha substancave në grup. Ato përfaqësohen nga një nënklasë e alkaneve dhe cikloalkaneve (hidrokarburet e ngopura), alkeneve, alkadieneve dhe alkatrieneve, alkineve (hidrokarburet e pangopura), si dhe një nënklasë substancash aromatike. Në alkanet, të gjithë atomet e karbonit janë të lidhur vetëm me një lidhje të vetme C-C, kjo është arsyeja pse asnjë atom i vetëm H nuk mund të përfshihet në përbërjen e hidrokarbureve.

Në hidrokarburet e pangopura, hidrogjeni mund të përfshihet në vendin e lidhjes së dyfishtë C=C. Gjithashtu, lidhja C-C mund të jetë e trefishtë (alkine). Kjo lejon që këto substanca të hyjnë në shumë reaksione që përfshijnë reduktimin ose shtimin e radikalëve. Për lehtësinë e studimit të aftësisë së tyre për të reaguar, të gjitha substancat e tjera konsiderohen si derivate të njërës prej klasave të hidrokarbureve.

Alkoolet

Alkoolet janë komponime kimike organike që janë më komplekse se hidrokarburet. Ato sintetizohen si rezultat i reaksioneve enzimatike në qelizat e gjalla. Shembulli më tipik është sinteza e etanolit nga glukoza si rezultat i fermentimit.

Në industri, alkoolet merren nga derivatet halogjene të hidrokarbureve. Si rezultat i zëvendësimit të atomit të halogjenit me një grup hidroksil, formohen alkoole. Alkoolet monohidrike përmbajnë vetëm një grup hidroksil, alkoolet polihidrike përmbajnë dy ose më shumë. Një shembull i një alkooli dihidrik është etilen glikol. Alkooli polihidrik është glicerina. Formula e përgjithshme e alkooleve është R-OH (R është zinxhiri i karbonit).

Aldehidet dhe ketonet

Pasi alkoolet hyjnë në reaksione të përbërjeve organike të shoqëruara me nxjerrjen e hidrogjenit nga grupi i alkoolit (hidroksil), lidhja e dyfishtë midis oksigjenit dhe karbonit mbyllet. Nëse ky reagim vazhdon përmes grupit të alkoolit të vendosur në atomin terminal të karbonit, rezulton në formimin e një aldehidi. Nëse atomi i karbonit me alkoolin nuk ndodhet në fund të zinxhirit të karbonit, atëherë rezultati i reaksionit të dehidrimit është prodhimi i një ketoni. Formula e përgjithshme e ketoneve është R-CO-R, aldehidet R-COH (R është radikali hidrokarbur i zinxhirit).

Esteret (të thjeshta dhe komplekse)

Struktura kimike e përbërjeve organike të kësaj klase është e ndërlikuar. Eteret konsiderohen si produkte reaksioni midis dy molekulave të alkoolit. Kur uji hiqet prej tyre, formohet një përbërje e modelit R-O-R. Mekanizmi i reagimit: abstraksioni i një protoni hidrogjeni nga një alkool dhe i një grupi hidroksil nga një alkool tjetër.

Esteret janë produkte të reagimit midis një alkooli dhe një acidi karboksilik organik. Mekanizmi i reagimit: eliminimi i ujit nga grupi i alkoolit dhe karbonit të të dy molekulave. Hidrogjeni ndahet nga acidi (në grupin hidroksil), dhe vetë grupi OH ndahet nga alkooli. Përbërja që rezulton përshkruhet si R-CO-O-R, ku ahu R tregon radikalët - pjesët e mbetura të zinxhirit të karbonit.

Acidet karboksilike dhe aminat

Acidet karboksilike janë substanca të veçanta që luajnë një rol të rëndësishëm në funksionimin e qelizës. Struktura kimike e përbërjeve organike është si vijon: një radikal hidrokarbur (R) me një grup karboksil (-COOH) të lidhur me të. Grupi karboksil mund të gjendet vetëm në atomin më të jashtëm të karbonit, sepse valenca e C në grupin (-COOH) është 4.

Aminet janë komponime më të thjeshta që janë derivate të hidrokarbureve. Këtu, në çdo atom karboni ka një radikal amine (-NH2). Ekzistojnë amina primare në të cilat një grup (-NH2) është i lidhur me një karbon (formula e përgjithshme R-NH2). Në aminat sekondare, azoti kombinohet me dy atome karboni (formula R-NH-R). Në aminat terciare, azoti është i lidhur me tre atome karboni (R3N), ku p është një radikal, një zinxhir karboni.

Aminoacidet

Aminoacidet janë komponime komplekse që shfaqin vetitë e amineve dhe acideve me origjinë organike. Ka disa lloje të tyre, në varësi të vendndodhjes së grupit amin në raport me grupin karboksil. Më të rëndësishmet janë aminoacidet alfa. Këtu grupi amin ndodhet në atomin e karbonit në të cilin është bashkangjitur grupi karboksil. Kjo lejon krijimin e një lidhjeje peptide dhe sintezën e proteinave.

Karbohidratet dhe yndyrnat

Karbohidratet janë alkoole aldehide ose keto alkoole. Këto janë komponime me strukturë lineare ose ciklike, si dhe polimere (niseshte, celulozë dhe të tjerë). Roli i tyre më i rëndësishëm në qelizë është strukturor dhe energjik. Yndyrnat, ose më mirë lipidet, kryejnë të njëjtat funksione, vetëm se ato marrin pjesë në procese të tjera biokimike. Nga pikëpamja e strukturës kimike, yndyra është një ester i acideve organike dhe glicerinës.