Теория химического строения органических соединений А. М. Бутлерова

Крупнейшим событием в развитии органической химии было создание в 60-х годах прошлого столетия великим русским ученым А. М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений. Эта теория заложила научные основы органической химии и объяснила ее важнейшие закономерности. Основные принципы своей теории А. М. Бутлеров изложил в докладе «О теории химического строения» на Международном съезде естествоиспытателей и врачей в Шпейере 19 сентября 1981 г. В дальнейшем она успешно развивалась как самим ученым, так и его учениками. Основные положения теории строения сводятся к следующему.

1. В молекулах атомы соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется химическим строением.

2. Свойства вещества зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав его молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой, т. е. от химического строения молекулы.

3. Атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность молекулы.

Поясним эти положения: до А. М. Бутлерова считалось невозможным познать строение молекул, т. е. порядок химической связи между атомами. Многие ученые даже отрицали реальность атомов и молекул. А. М. Бутлеров опроверг это мнение. Он показал, что строение молекулы можно установить опытным путем, изучая химические превращения вещества. И, наоборот, зная строение молекулы, можно вывести химические свойства соединения.

Теория химического строения учитывает особенности элемента углерода. Изучение строения органических соединений остается основной задачей органической химии и в наше время. Для этого кроме химических широко применяют физические методы исследования, такие, как спектроскопия, ядерный магнитный резонанс, масс-спектрометрия, определение электрических моментов диполей, рентгено- и электронография.

Существование изомеров вытекает из основных положений теории строения органических соединений. Большим успехом А. М. Бутлерова было предсказание двух изомеров бутана на основе теории строения (в углеводородах, начиная с бутана, возможен различный порядок соединения атомов в молекулах). В 1867 г. А. М. Бутлеров синтезировал предсказанный изомер, что явилось блестящим подтверждением правильности теории строения. Это был изобутан, который от нормального бутана отличается строением молекулы, хотя оба имеют эмпирическую формулу С₄Н₁₀:

н-бутан *

изобутан

Принято соединения, имеющие прямую углеродную цепь называть нормальными, а имеющие разветвленную цепь − изосоединениями. В при­мере: первый бутан − нормального строения (н-бутан), второй бутан − изостроения (изобутан).

Теория химического строения объясняет многообразие органических соединений. Оно обусловлено способностью четырехвалентного углерода образовывать углеродные цепи и кольца, соединяться с атомами других элементов, а также наличием изомерии.

В теории химического строения большое внимание уделяется взаимному влиянию атомов и групп атомов в молекуле. Оно имеет место в молекуле любого вещества (органического или неорганического). Поясним это на примере следующих соединений: NаОН, Аl(ОН)₃, С₂Н₅ОН, N0₂−ОН (азотная кислота), S0₂(0Н)₂ (серная кислота). Все они содержат гидроксильную группу (гидроксо- или оксигруппу) ОН. Тем не менее, в водном растворе свойства веществ последовательно изменяются: NаОН − сильное основание, А1(0Н)₃ − амфотерный гидроксид, С₂Н₅ОН − практически нейтральное вещество, азотная и серная кислоты образуют ионы Н ⁺ . Причина различного химического характера группы ОН обусловлена влиянием связанных с ней атомов и групп атомов. С возрастанием неметаллических свойств центрального атома ослабляется диссоциация по типу основания и возрастает диссоциация по типу кислоты (в ряду Nа, А1, С₂Н₅, NO₂, S0₂).

Взаимное влияние могут оказывать друг на друга и атомы, непосредственно не связанные друг с другом. Например, различная реакционная способность хлора в хлорэтане СН₃−СН₂С1 и хлорэтилене СН₂=СН−С1 обусловлена различным влиянием на атом хлора этильной (СН₃−СН₂−) и винильной (СН₂=СН−) групп. В молекуле хлорэтана хлор весьма реакционноспособен, в молекуле хлорэтилена инертен. Большая заслуга в установлении закономерностей взаимного влияния атомов в молекуле принадлежит ученику А. М. Бутлерова В. В. Марковникову.

С современной точки зрения основные положения теории строения требуют некоторого дополнения − указания о пространственном и электронном строении. Тогда в пункте 2 основных положений теории строения следует подчеркнуть, что свойства органических соединений определяются составом их молекул, а также их химическим, пространственным и электронным строением.

Теория химического строения А. М. Бутлерова является важнейшей частью теоретического фундамента органической химии. По значимости ее можно сопоставить с периодической системой элементов Д. И. Менделеева. Подобно последней, она дала возможность систематизировать огромный практический материал, заранее предсказать существование новых веществ, а также указать пути их получения.