Теория строения органических соединений. Изомерия

Два флакона в аптеке подписаны одной и той же формулой — $C_2{H}_{6}O$. В первом этанол $C{H}_3-C{H}_2-OH$: прозрачная жидкость, кипит при 78,4 °C, из неё делают настойки. Во втором диметиловый эфир $C{H}_3-O-C{H}_3$: при комнатной температуре это газ, которым заправляют баллончики. Состав идентичен, а свойства не совпадают даже наполовину. Объяснение этому дал русский химик Александр Бутлеров в 1861 году — и с тех пор органическая химия перестала быть каталогом случайных фактов.

Три положения теории строения

Бутлеров сформулировал теорию химического строения в трёх положениях. Первое: атомы в молекулах соединены в определённой последовательности согласно их валентности, причём углерод всегда четырёхвалентен и умеет строить прямые и разветвлённые цепи, а также циклы. Порядок соединения атомов называют химическим строением. Второе: свойства веществ зависят не только от состава, но и от строения молекул. Третье: атомы и группы атомов взаимно влияют друг на друга — поэтому гидроксогруппа в этаноле ведёт себя иначе, чем в неорганических гидроксидах.

Изомеры и гомологи

Изомеры — вещества с одинаковым молекулярным составом, но разным строением. Классический пример: бутан кипит при −0,5 °C, а его изомер 2-метилпропан (изобутан) — уже при −11,7 °C. Разветвлённая цепь мешает молекулам плотно прижаться друг к другу, межмолекулярное притяжение слабее — вещество легче испаряется. У гексана $C_6{H}_{14}$ изомеров уже пять. Этанол и диметиловый эфир из начала урока — пример межклассовой изомерии: разные классы, одна формула. Гомологи устроены иначе: строение у них похоже, а формулы отличаются на одну или несколько групп $C{H}_2$ — гомологическую разность. Метан, этан, пропан, бутан — гомологический ряд алканов: свойства меняются закономерно.

Ты покупаешь в аптеке глицерин — густую безопасную жидкость для крема. Пришей к его молекуле три нитрогруппы — получишь нитроглицерин: мощную взрывчатку и одновременно лекарство для сердца. Те же атомы, но новые группы перевернули свойства — взаимное влияние атомов из теории Бутлерова работает и в аптеке, и на стройке.

Гомологичность — не гарантия безопасности. Метанол и этанол — гомологи одного ряда спиртов, но метанол — яд, вызывающий слепоту. По запаху и вкусу их не различить: внутри ряда свойства меняются постепенно, а токсичность может отличаться на порядок.

Число изомеров растёт лавинообразно

У бутана два изомера, и это только первый шаг. С ростом цепи варианты ветвления множатся неудержимо: пять изомеров у гексана, девять у гептана, восемнадцать у октана. Для декана математика насчитывает уже семьдесят пять, а для углеводорода с двадцатью атомами углерода — 366 319. Синтезировать всё это множество химики не успевают, но само число объясняет, почему органических веществ известно больше сотни миллионов и почему среди них так много двойников с разными свойствами. В неорганической химии такой лавины нет: там цепи строить не из чего, поэтому соединений на порядки меньше.

Теория строения оказалась машиной для предсказаний. Бутлеров разобрал формулу C4H10 на бумаге, указал, что кроме привычной прямой цепи должен существовать разветвлённый собрат, и через несколько лет сам получил изобутан. Порядок соединения атомов превратился из абстракции в рабочий инструмент: сначала чертёж, потом пробирка. До Бутлерова новые вещества находили случайно, после — их стали планировать, как инженер планирует мост: под нужное свойство подбирается нужное строение. Тот же подход сегодня ведёт к новым лекарствам и материалам.

Гомологические ряды: система, которая работает

У свойств есть и вторая опора — состав, и внутри гомологического ряда он меняет их закономерно. Температуры кипения алканов растут с каждой группой CH2: метан кипит при −161,5 °C, этан при −88,6, пропан при −42, бутан при −0,5, пентан уже при +36, октан при +126. Каждая группа CH2 добавляет молекуле массы и площади соприкосновения, межмолекулярное притяжение крепнет — и газ последовательно становится жидкостью, а затем твёрдым парафином. По такой лестнице предсказывают свойства соседа по ряду, даже не держа вещество в руках: гомологи похожи, потому что похожи их молекулы.

Взаимное влияние атомов в действии

Третье положение теории проверяется одним сравнением. В уксусной кислоте $C{H}_{3}COOH$ карбоксильная группа отдаёт ион водорода неохотно — кислота слабая. Замени в метильной группе все три водорода на хлор: получится трихлоруксусная кислота $CC{l}_{3}COOH$, которая в воде распадается почти нацело и по силе приближается к минеральным кислотам. Сам карбоксил при этом не изменился — изменились его соседи, оттянувшие на себя электронную плотность. Один и тот же фрагмент молекулы ведёт себя по-разному в зависимости от окружения: именно это и записал Бутлеров в третьем положении.

Работает и обратное направление: группа меняет собственного соседа. Фенол $C_6{H}_{5}OH$ похож на этанол, но гидроксогруппа сидит у него прямо на бензольном кольце, и кольцо стягивает электроны на себя, ослабляя связь O-H. Поэтому фенол реагирует с гидроксидом натрия, а этанол — нет. Зато кольцо под действием группы OH становится податливым к электрофилам: бромная вода без всякого катализатора даёт с фенолом белый осадок трибромфенола. Взаимное влияние — улица с двусторонним движением, и контрольные любят проверять это именно парой фенол и этанол.

Тетраэдр Вант-Гоффа: строение обретает объём

Бутлеров рисовал строение на плоскости, но молекула живёт в трёх измерениях. В 1874 году Якоб Вант-Гофф и Жозеф Ле Бель независимо предложили тетраэдрическую модель: четыре валентности углерода направлены к вершинам тетраэдра, а угол между любыми двумя связями — около 109,5°. Плоский чертёж порой обманывает: два изображения выглядят по-разному на бумаге, но в пространстве совпадают, или наоборот — одинаковы на листе, а в объёме оказываются зеркальными отражениями. Так родилась стереохимия и объяснилась пространственная изомерия. Бутлеров горячо поддержал идею молодых учёных: она достраивала его теорию третьим измерением, не отменяя ни одного положения.

Разбор типовой задачи

Словарь урока

Химическое строение#

порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности

Гомологическая разность#

группа CH2, на которую отличаются соседние члены гомологического ряда

Радикал#

одновалентная группа атомов, переходящая из молекулы в молекулу без изменений

Взаимное влияние атомов#

изменение свойств групп в зависимости от того, что с ними связано

Стереохимия#

учение о пространственном строении молекул, начатое тетраэдрической моделью 1874 года

Межклассовая изомерия#

изомерия веществ разных классов с одной формулой, как этанол и диметиловый эфир

Как это спрашивают на контрольной

• объяснить, почему формула C4H10O описывает несколько разных веществ, и привести примеры
• отличить изомеры от гомологов в предложенной паре и обосновать ответ определениями
• сформулировать три положения теории строения и подкрепить каждое примером
• определить формулу углеводорода по массовым долям или плотности по водороду, как в разборе
• показать взаимное влияние атомов на паре кислот или на феноле и этаноле

Любимая формулировка экзаменаторов — «одно и то же или нет»: дают пару веществ и просят назвать тип родства. Привычка начинать с пересчёта атомов спасает балл: совпал состав — проверяй строение и говори об изомерии; разошёлся на группу CH2 — перед тобой гомологи. Второй частый жанр — «предскажите свойства»: по окружению группы или по месту в ряду нужно предсказать поведение вещества, и тут выручают абзацы о взаимном влиянии и о лестнице температур кипения. Прогони разбор глазами перед контрольной: расчётные задачи этого урока почти всегда устроены по той же схеме.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема