Основные положения теории Бутлерова

Теорию сформулировал А. М. Бутлеров в 1861 году.

Атомы в молекуле соединены в определённом порядке согласно их валентности. Этот порядок называется химическим строением. В органических соединениях углерод всегда четырёхвалентен.
Свойства вещества зависят не только от его состава, но и от химического строения.
Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга.
По свойствам вещества можно установить его строение, а по строению предсказать свойства.

Атомы углерода соединяются между собой в прямые, разветвлённые и замкнутые (циклические) цепи. Именно поэтому органических веществ так много.

Пример: состав $\mathrm{C_2H_6O}$ имеют два вещества. Этиловый спирт $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}OH}$ — жидкость с температурой кипения 78 °C, он реагирует с натрием с выделением водорода. Диметиловый эфир $\mathrm{CH_3{-}O{-}CH_3}$ — газ (кипит примерно при −24 °C), с натрием он не реагирует. Состав одинаков, строение разное, поэтому разные и свойства.

Изомерия и её виды

Вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением и свойствами называются изомерами, а само явление — изомерией.

Структурная изомерия: различается порядок соединения атомов.

изомерия углеродного скелета: бутан $\mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_3}$ и изобутан (2-метилпропан) $\mathrm{CH_3CH(CH_3)CH_3}$ ;
изомерия положения кратной связи: бутен-1 $\mathrm{CH_2{=}CH{-}CH_2{-}CH_3}$ и бутен-2 $\mathrm{CH_3{-}CH{=}CH{-}CH_3}$ ;
изомерия положения функциональной группы: пропанол-1 и пропанол-2;
межклассовая изомерия: алкены и циклоалканы ( $\mathrm{C_nH_{2n}}$ ), алкины и алкадиены ( $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$ ), одноатомные спирты и простые эфиры, альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты и сложные эфиры.

Пространственная изомерия (стереоизомерия): порядок соединения атомов одинаков, а расположение в пространстве разное. В школьном курсе главное внимание уделяют цис-транс (геометрической) изомерии. Она возможна, если у каждого атома углерода при двойной связи два разных заместителя: в цис-бутене-2 группы $\mathrm{CH_3}$ находятся по одну сторону двойной связи, в транс-бутене-2 — по разные. Другой вид стереоизомерии — оптическая изомерия.

Вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся по составу на одну или несколько групп $\mathrm{CH_2}$ , называются гомологами; $\mathrm{CH_2}$ — гомологическая разность.

Природа химических связей в органических молекулах

В органических молекулах связи в основном ковалентные: $\mathrm{C{-}C}$ неполярная, $\mathrm{C{-}H}$ слабополярная, $\mathrm{C{-}O}$ и $\mathrm{C{-}Cl}$ полярные.

σ-связь: орбитали перекрываются на линии, соединяющей ядра; связь прочная, вокруг неё возможно вращение.
π-связь: негибридные p-орбитали перекрываются выше и ниже этой линии; связь слабее σ-связи и легко разрывается в реакциях.

Одинарная связь — это одна σ-связь, двойная — $1\sigma+1\pi$ , тройная — $1\sigma+2\pi$ .

Гибридизация атома углерода:

$sp^3$ : угол 109°28′, тетраэдр (метан, алканы);
$sp^2$ : угол 120°, плоское строение (этилен);
$sp$ : угол 180°, линейное строение (ацетилен).

С ростом кратности связь укорачивается: $\mathrm{C{-}C}$ 0,154 нм, $\mathrm{C{=}C}$ 0,134 нм, $\mathrm{C{\equiv}C}$ 0,120 нм.

При гомолитическом разрыве связи каждому атому достаётся по одному электрону и образуются радикалы; при гетеролитическом электронная пара остаётся у одного атома и образуются ионы.

Классификация органических веществ

По строению углеродного скелета:

ациклические (с открытой цепью): пропан, бутен-1;
карбоциклические: цикл состоит только из атомов углерода; бывают алициклические (циклогексан) и ароматические (бензол);
гетероциклические: в цикле кроме углерода есть атом N, O или S (пиридин).

Углеводороды бывают предельными (только одинарные связи) и непредельными (есть двойные или тройные связи).

По функциональной группе (группе атомов, определяющей главные свойства вещества): спирты и фенолы ( $\mathrm{{-}OH}$ ), альдегиды ( $\mathrm{{-}CHO}$ ), кетоны ( $\mathrm{{-}CO{-}}$ ), карбоновые кислоты ( $\mathrm{{-}COOH}$ ), амины ( $\mathrm{{-}NH_2}$ ), нитросоединения ( $\mathrm{{-}NO_2}$ ), галогенпроизводные (атом галогена).

Запомните

Бутлеров: свойства зависят и от состава, и от химического строения; углерод четырёхвалентен.
У изомеров одна молекулярная формула, гомологи отличаются на группу $\mathrm{CH_2}$ .
Межклассовые изомеры: $\mathrm{C_nH_{2n}}$ алкен и циклоалкан; $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$ алкин и алкадиен; $\mathrm{C_nH_{2n}O_2}$ кислота и сложный эфир.
Одинарная связь $1\sigma$ , двойная $1\sigma+1\pi$ , тройная $1\sigma+2\pi$ .
$sp^3$ : 109°28′; $sp^2$ : 120°; $sp$ : 180°.
Для цис-транс изомерии у каждого углерода при двойной связи должны быть два разных заместителя.

Разобранные примеры

Пример 1
Сколько структурных изомеров имеет состав $\mathrm{C_5H_{12}}$ ? Напишите их и назовите.
Решение
1. Начинаем с неразветвлённой цепи: $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_3}$ , пентан.
2. Укорачиваем главную цепь на один атом и присоединяем метил ко второму атому: $\mathrm{CH_3{-}CH(CH_3){-}CH_2{-}CH_3}$ , 2-метилбутан. Метил у третьего атома даёт то же вещество: при нумерации с другого конца снова получается 2-метилбутан.
3. Главная цепь из 3 атомов, два метила у среднего атома: $\mathrm{C(CH_3)_4}$ , 2,2-диметилпропан.
4. Метил на конце цепи просто удлиняет цепь и нового вещества не даёт.
Ответ: 3 изомера.
Пример 2
Сколько σ- и π-связей в молекуле винилацетилена $\mathrm{CH_2{=}CH{-}C{\equiv}CH}$ ? Укажите тип гибридизации атомов углерода.
Решение
1. Связи углерод–углерод: $\mathrm{C{=}C}$ ( $1\sigma+1\pi$ ), $\mathrm{C{-}C}$ ( $1\sigma$ ), $\mathrm{C{\equiv}C}$ ( $1\sigma+2\pi$ ). Всего $3\sigma$ и $3\pi$ .
2. Связи $\mathrm{C{-}H}$ : у первого атома 2, у второго 1, у четвёртого 1, всего 4. Все они σ-связи.
3. Итого: $3+4=7$ σ-связей и 3 π-связи.
4. Атомы при двойной связи (C1, C2) находятся в состоянии $sp^2$ , при тройной (C3, C4) в состоянии $sp$ .
Ответ: 7 σ, 3 π; C1, C2 $sp^2$ ; C3, C4 $sp$ .

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какое вещество является межклассовым изомером пропановой кислоты $\mathrm{C_2H_5COOH}$ ?
1. пропаналь $\mathrm{C_2H_5CHO}$
2. пропанол-1 $\mathrm{C_3H_7OH}$
3. этилацетат $\mathrm{CH_3COOC_2H_5}$
4. метилацетат $\mathrm{CH_3COOCH_3}$
5. ацетон $\mathrm{CH_3COCH_3}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D метилацетат $\mathrm{CH_3COOCH_3}$
Формула пропановой кислоты $\mathrm{C_3H_6O_2}$ . Метилацетат тоже имеет состав $\mathrm{C_3H_6O_2}$ , но это сложный эфир, то есть другой класс. Этилацетат $\mathrm{C_4H_8O_2}$ , пропаналь и ацетон $\mathrm{C_3H_6O}$ , пропанол $\mathrm{C_3H_8O}$ .
Для какого вещества возможна цис-транс изомерия?
1. пропен
2. бутен-2
3. бутен-1
4. 2-метилпропен
5. этен
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B бутен-2
В бутене-2 $\mathrm{CH_3{-}CH{=}CH{-}CH_3}$ у каждого атома углерода при двойной связи есть H и $\mathrm{CH_3}$ . В остальных веществах у одного из этих атомов два одинаковых заместителя (два H или два $\mathrm{CH_3}$ ), поэтому цис-транс изомеров нет.
Сколько σ- и π-связей в молекуле пропина $\mathrm{CH_3{-}C{\equiv}CH}$ ?
1. 4 σ, 2 π
2. 5 σ, 3 π
3. 6 σ, 2 π
4. 7 σ, 1 π
5. 6 σ, 3 π
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C 6 σ, 2 π
Связи углерод–углерод: $\mathrm{C{\equiv}C}$ ( $1\sigma+2\pi$ ) и $\mathrm{C{-}C}$ ( $1\sigma$ ). Связи $\mathrm{C{-}H}$ : 3 в метильной группе и 1 у атома при тройной связи, всего 4 σ. Итого $2+4=6$ σ и 2 π.

Типичные ошибки

Считать, что цепь, нарисованная с изгибом, — это новый изомер. Если порядок соединения атомов не изменился, это то же вещество.
Путать гомологи ( $\mathrm{CH_4}$ и $\mathrm{C_2H_6}$ ) с изомерами. У изомеров молекулярная формула должна совпадать полностью.
Забывать связи $\mathrm{C{-}H}$ при подсчёте σ-связей или считать двойную связь двумя π-связями.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото