38 Введение
Особенно большое значение для распространения нового уче ния имел курс «Введение к полному изучению органической хи мии», изданный в Казани (1864— 1866) и переведенный позднее (1868) на немецкий язык. В нем Бутлеров систематически и чрез вычайно убедительно доказывал справедливость положений своей теории, приложимых ко всем классам органических соединений; он показывал, как в конкретных случаях, пользуясь его теорией, можно определять химическое строение веществ.
Бутлеров смело предсказывал возможность получения ряда новых органических веществ и даже целых классов соединений.
В своих последующих экспериментальных исследованиях Бут леров осуществил синтез некоторых предсказанных им соедине ний: второго из двух возможных бутанов (изобутан) (1867); пер вого представителя третичных спиртов (триметилкарбинол) (1864); триметилуксусной кислоты (1872).
Трудами его учеников — В. В. Марковникова, А. М. Зайцева, Е. Е. Вагнера, А. В. Попова и др. — был произведен синтез мно гих новых соединений, возможность существования которых выте кала из бутлеровской теории.
Взаимное влияние атомов в химических соединениях. Химиче ский характер того или иного атома и поведение его при реак циях определяются как природой самого атома, так и положе нием его в молекуле.
Так, атомы водорода в метиловом спирте чрезвычайно резко отличаются по реакционной способности.
Из четырех атомов водорода только один — водород гидр оксильной группы — способен замещаться при действии метал лического натрия:
I I
Н—С—ОН + Na -->■ Н—C -O N a + Н
Большое влияние оказывают не только атомы элементов, непо средственно связанные с водородом, но и соседние с ним («по средственно связанные»).
Этиловый спирт и уксусная кислота содержат гидроксильные группы, однако атомы водорода в этих группах по своему по ведению различны. Это обусловлено тем, что в уксусной кислоте имеется соседний с гидроксилом атом кислорода:
Н н |
н |
I I |
I |
Н—С—С—Н |
Н—с —с = о |
н он |
н он |
10. Теория химического строения Бутлерова |
39 |
Чем ближе друг к другу находятся рассматриваемые атомы, тем в большей степени проявляется их взаимное влияние. Так, этиленхлоргидрин, имеющий строение (I), вполне устойчив, а его изо мер строения ( I I ) — неустойчив и самопроизвольно отщепляет хлористый водород:
Н Н |
н н |
н |
/ н |
|
н—с— н |
I I |
I |
||
н—С—С—С1 |
н —с —С + НС1 |
|||
I |
I |
I I |
1, |
\ > |
С1 |
он |
н он |
||
I |
|
II |
|
|
Многочисленные примеры взаимного влияния атомов в мо лекулах постоянно наблюдаются в химии. Учение о взаимном влиянии атомов является краеугольным камнем бутлеровской теории.
Изучению этой проблемы посвящено много работ Бутлерова и его учеников. Так, диссертация В. В. Марковникова на соиска ние ученой степени доктора наук (1869) носит название «Мате риалы по вопросу о взаимном влиянии атомов в химических соеди нениях». Найденные им закономерности присоединения к двойной связи углеводорода будут изложены в соответствующем месте учебника (стр. 72).
Итак, говоря о созданной Бутлеровым теории химического строения, надо ясно представлять себе:
И с х о д н ы е п о л о ж е н и я :
1.Атомы и построенные из них молекулы существуют реально.
2.Строение молекул вещества может быть определено экспе риментально.
О с н о в н ы е п о л о ж е н и я т е о р и и :
3.Свойства веществ определяются их качественным и коли чественным составом и химическим строением их молекул.
4.Химическое строение — это порядок связи атомов в моле
куле. Для каждого вещества может быть только одна формула, показывающая химическое строение.
5. Принцип взаимного влияния атомов: атомы, связанные в одну молекулу, влияют друг на друга. Наибольшее цлияние про являют атомы, связанные непосредственно, значительно меньшее взаимное влияние оказывают атомы, не связанные непосред
ственно. |
х и м и ч е с к о г о |
с т р о |
■Ме т о д ы о п р е д е л е н и я |
ения :
6.Химическое строение может быть определено путем изу чения химических превращений вещества. При химических про
цессах, происходящих в мягких условиях, строение «остатков» не изменяется (принцип наименьших изменений).
40 |
Введение |
7. Распознанию химического строения могут способствовать учение о постоянстве валентности элементов и учение о сцепле нии однородных атомов (особенно С—С).
Н о в ы е в о з м о ж н о с т и , о т к р ы т ы е э т о й т е о р и е й :
8.Действительное объяснение гомологии и изомерии, а также предсказание новых органических веществ и их свойств.
9.Создание общей научной классификации органических со единений.
10.Результатом разработки теории химического строения явилось создание Бутлеровым учебника «Введение к полному изучению органической химии» (1864—1866), в котором он излог жил все содержание органической химии с позиций нового учения.
Открытые закономерности и сделанные обобщения все больше
ибольше находят себе объяснение в настоящее время в связи с углублением наших знаний о природе химических связей.
11.Классификация органических соединений. «Химическая классификация будет естественной, если главным основанием сближения одних тел и разделения других служит аналогия и раз личие химической структуры их, а натура определяется натурой составных частей, их количеством и химическим строением ча стицы»,— такие требования к научной классификации органиче ских веществ выдвинул Бутлеров. Следовательно, к одному клас су должны быть отнесены соединения, сходные по структуре.
Химически наименее активными, обычно мало изменяющи мися в типичных реакциях, являются связи С—С и С—Н.
Химический характер органических соединений определяется в
первую очередь наличием в молекуле атомов галоида, кислорода,
азота и др. |
/,0 |
Так, соединения, содержащие группы — С \ |
, —S— -OH, |
х ОН |
|
являются кислотами. Наличие группы —NH2 придает веществу основной характер.
Подобные группы называют функциональными. Таким обра зом, наиболее прочной и малоизменяемой частью сложного орга нического вещества является его углеводородная часть и особенно углеродная цепь — углеродный скелет.
Три главных раздела органической химии определяются струк турой этой,"как бы основной, «опоры» соединений — углеродного
скелета. |
|
|
А. А ц и к л и ч е с к и е |
( а л и ф а т и ч е с к и е ) с о е д и н е |
|
н и я — скелет составлен из |
непосредственно связанных атомов |
|
углерода в виде незамкнутой, прямой или |
разветвленной, цепи: |
|
------с —С—с —с ------ |
|
/ С |
------С—с—с—с—с—с------ |
||
|
I |
Х С |
|
с |
ь |
11. Классификация органических соединений |
41 |
Б. К а р б о ц и к л и ч е с к и е с о е д и н е н и я , в молекулах которых имеются углеродные цепи кольчатого характера:
С
/ \
С С—С—С
с с
V
В. Г е т е р о ц и к л и ч е с к и е кольчатые системы, включающие,
-элементов
с
/ \
С С—с
\ /
О
\ /
N
с
с-с/ \ с--- с—с
с |
с |
с |
\ |
с/ \ с/ |
|
с о е д и н е н и я , |
содержащие |
|
кроме углерода, |
атомы других |
|
С
/\
СС----- N
I |
I |
i |
С |
С |
С |
\ / \ /
СS
Образующиеся при этом соединения обладают рядом характер аых особенностей.
Внутри каждого раздела соединения распределяются по клас сам в зависимости от имеющихся в них функциональных групп Простейшими соединениями являются углеводороды предель
ного и непредельного рядов.
Более сложные соединения можно представить как обра-зо вавшиеся из того или иного углеводорода путем замещения одно го или нескольких водородных атомов соответствующими атома ми или атомными группами. Так возникают классы: оксисоединений — одноатомных и многоатомных спиртов с одной или несколь
кими группами |
—ОН; оксосоединений, содержащих группы С —О |
|||||
(альдегиды и |
кетоны); |
далее — карбоновые |
кислоты с карб |
|||
оксильными группами СООН и др. |
|
|
|
|||
В молекуле органического соединения может находиться и не |
||||||
сколько различных функциональных групп. |
|
|||||
Таковы оксикислоты: |
|
|
Н |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
н л |
|
у |
i |
/Ко |
|
I |
I |
|
ч |
||
н—с—с—С |
|
Н—с |
С -С |
|||
|
Н ОН Ч'0Н |
I |
| |
"Ч)н |
||
|
н—с |
с—он |
||||
|
оксипропионовая |
|
||||
(молочная) кислота |
'Чс/ |
|
|
|
н |
оксибензойная
(салициловая) кислота