книги из ГПНТБ / Павлов, Борис Алексеевич. Курс органической химии учебник для химических техникумов

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,

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

42 Введение

Каждая из этих функциональных групп, сохраняя в основном свой химический характер, оказывает влияние на другие и сама испытывает воздействие соседних атомов.

Таким образом, классификация органических соединений ос­ новывается на сходстве и различии их строения, отображаемого структурными формулами; она является генетической, т. е. пока­ зывает развитие (генезис) данного сложного соединения из про­ стейшего углеводорода.

Отражая именно эту характерную черту, Шорлеммер, как бы­ ло указано выше (стр. 15), определил органическую химию как химию углеводородов и их производных.

Ч А С Т Ь П Е Р В А Я

СОЕДИНЕНИЯ С ОТКРЫТОЙ ЦЕПЬЮ УГЛЕРОДНЫХ АТОМОВ

Г Л А В А I

УГЛЕВОДОРОДЫ

ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Предельными углеводородами, или парафинами, называются углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны меж­ ду собой простой (ординарной) связью, причем все единицы ва­ лентности, не затраченные на связь между углеродными атомами, насыщены атомами водорода.

Далее в этом ряду следуют углеводороды: С6Н,4 (гексан), С7Н )6 (гептан), CgHig (октан), С9Н2о (нонан) и т. д. и еще более слож­ ные, например С6оН122 (гексаконтан) и С70Н |42 (гептаконтан). Каждый член этого ряда отличается от предыдущего члена ряда на группу СН2.

Вещества, которые, будучи сходны по своему строению, от­ личаются друг от друга по составу на одну или несколько групп СН2, называются гомологами. Группа гомологов составляет гомо­ логический ряд. В данном случае приведен гомологический ряд предельных углеводородов, или парафинов. Предположим, что имеется предельный углеводород с неразветвленной цепью из п атомов углерода:

Н—С—С—С---С —С—С—Н или П(СН2)„Н

I I I I I I

н н н н н н

Каждый из этих углеродных атомов связан с двумя атомами водорода; сверх того, каждый из двух крайних атомов углерода связан еще с одним атомом водорода. Следовательно, число всех атомов водорода равно 2п + 2, и общий состав предельных угле­ водородов может быть выражен формулой С„Н.гч+?, Как будет ясно из последующего, эта формула применима и к предельным углеводородам с разветвленной углеродной цепью.

н Гл. /. Углеводороды

В сравнении с другими углеводородами предельные углеводо роды наиболее богаты водородом; каждый углеродный атом в мо­ лекуле углеводорода соединен с максимально возможным числом водородных атомов, и, таким образом, достигается высший предел насыщения углерода водородом. Отсюда и произошло название предельные, или насыщенные, углеводороды.

Названия углеводородов этого ряда имеют одинаковое окон чание «ан». Первая часть названия углеводорода, начиная от Сг и выше, производится из греческих числительных, указывающих число атомов углерода, например углеводород C5Hi2— пентан, С6Н,4—гексан, C7Hi6—гептан, С8Н !8—октан, С9Н2о— нонан и т. д

Количественное изменение состава молекулы, вызванное при бавлением группы СН2 к предыдущему члену ряда, приводит к об разованию качественно отличного вещества. Это является одним из нагляднейших примеров закона природы о переходе количества в качество.

Этот закон проходит красной нитью через всю химию. Энгельс писал: «Химию можно назвать наукой о качественных измене­ ниях тел, происходящих под влиянием изменения количествен ного состава».

Основная заслуга исследования гомологического ряда парафи нов принадлежит Шорлеммеру*. Оценивая значение работ Шорлеммера по углеводородам парафинового ряда, Энгельс писал! «Теми знаниями, которыми мы в настоящее время обладаем о па­ рафинах, мы обязаны главным образом Шорлеммеру. Он иссле­ довал известные в то время соединения, принадлежащие к группе парафинов, отделил один вид от другого, многие из них были впервые получены им в чистом виде. Другие члены ряда, которые по теории должны были существовать, но в действительности не были еще найдены, были им открыты и им же получены. Таким образом, он стал одним из основателей современной научной ор ганической химии».

Участник Первого Интернационала, коммунист, друг Ф. Энгельса и К- Маркса

Главные работы К. Шорлеммера относятся к изучению и синтезу предельных углеводородов. Своими исследованиями он опроверг утверждение, что этап существует в двух изомерных формах, доказав, что оба «изомера этана» тож­ дественны и являются одним и тем же диметилом СНз—СНз. Эта работа имела большое теоретическое значение и сыграла выдающуюся роль в исто­ рии органической химии. Большой известностью пользовались его учебники химии (составленные частично при участии Роско). Его в высшей степени

ном виде эти радикалы не могут быть выделены*, однако понятие о радикалах можно использовать при составлении названия слож­ ных углеводородов и других органических соединений. Названия радикалов образуются из названий соответствующих предельных углеводородов заменой окончания ан на ил.

Исключение из правила в случае наименования для радикала CsHn— амил произошло потому, что названия простейших радикалов появились ранее названий самих углеводородов. Они произошли из 'наименований алкоголен (метиловый, этиловый... амиловый). Именно по этой причине углеводородные радикалы часто называют общим именем алкилы.

Пользуясь названиями радикалов, можно составлять названия многих органических соединений:

CH3J йодистый, метил

C5Hu Br бромистый амил

С(СН3)4 тетраметилметан

ИТ. Д.

14.Строение предельных углеводородов. Каждый пределы

яый углеводород можно произвести от соответствующего предыду­ щего члена гомологического ряда путем замещения одного атома водорода метилом; тем самым состав молекулы усложняется на группу СНг (метилен). Таким путем от метана производим этан и от этана — пропан:

В молекулах метана и этана все атомы водорода совершенно равноценны, и безразлично, какой из них заместить метилом. Это соответствует тому, что первые три члена гомологического ряда парафинов не имеют изомеров.

Но в молекуле пропана уже не все атомы водорода равноцен яы. Атомы водорода, связанные с крайними углеродными атома­ ми, отличны по своему положению от атомов водорода, связанных со средним углеродным атомом. Поэтому замещение в молекуле пропана атома водорода метилом можно произвести двумя путя­ ми: заместить атом водорода у среднего углерода или же у край-

* О возможности кратковременного существования в химических реак днях так называемых «свободных радикалов» будет указано позднее

(стр. 470).

и III) совершенно одинаковы. Таким образом, для углеводорода состава C5Hi2 возможны (и на самом деле известны) три изомера: нормальный пентан, изопентан и тетраметилметан. Последнее на­ звание объясняется тем, что тетраметилметан можно рассматри­ вать как метан СН4, в молекуле которого все атомы водорода за­ мещены метальными группами.

По мере перехода к высшим членам ряда число теоретически возможных изомеров очень быстро возрастает:

Приведенные в этом параграфе развернутые формулы стро­ ения наглядно показывают порядок связи всех атомов в молекуле. В органической химии часто применяется другой способ изобра­ жения формул строения — отмечают черточкой* только связи между углеродными атомами:

Соединения с неразветвленной углеродной цепью, как, напри­ мер, бутан, пентан, называют соединениями нормального стро­ ения-, если же цепь имеет разветвления, то говорят об изо-строении. Примерами соединений, обладающих изо-строением, могут слу­ жить изобутан, изопентан.

Атом углерода, связанный только с одним другим атомом угле­ рода, называется первичным, связанный с двумя другими — вто­

* В старой литературе иногда вместо черточек приводятся точки, напри­ мер СНз • СНз-

Вприведенных выше примерах первичный, вторичный и т. д атомы углерода выделены жирным шрифтом.

Вмолекулах углеводородов нормального строения бывают только первичные и вторичные атомы углерода. В молекулах со единений изо-строения есть третичные или четвертичные атомы углерода. В молекуле изобутана третичный атом углерода затра чивает три единицы валентности на связь с тремя другими атома ми углерода и одну единицу валентности — на связь с одним ато мом водорода. Каждый из трех остальных атомов углерода затра чивает одну единицу валентности на связь с третичным атомом углерода и три остальные единицы валентности — на связь с тремя атомами водорода, и поэтому в молекуле изобутана имеются один третичный и три первичных атома углерода.

15. Нахождение в природе и получение предельных углеводо родов. Предельные углеводороды весьма широко распространены в природе. Метан является главной составной частью природного газа, широко используемого в промышленности и для бытовых нужд. Кроме метана, в природном газе содержатся также (в мень­ ших количествах) и другие низшие гомологи углеводородов пре­ дельного ряда. Метан также выделяется со дна болот и в ка менноугольных шахтах и образуется при сухой перегонке дерева, торфа и каменного угля.

Предельные углеводороды в громадном количестве содержатся з некоторых видах нефти. Особенно богата ими грозненская и западноукраинская нефть. Твердые предельные углеводороды являются главной составной частью битумов, асфальтов, озоке рита (горного воска). Очень большие количества метана, как это показывают данные спектрального анализа, находятся в атмо сфере больших планет: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

Из лабораторных способов синтетического получения предель ных углеводородов наибольшее значение имеет открытая в 1854 г реакция Вюрца*. Эта реакция заключается в нагревании гало идных алкилов с металлическим натрием. Приведем два примера Этан С2Н6 можно получить действием на йодистый метил ме­

таллического натрия:

* Адольф Вюрц (A. Wiirtz), французский химик (1817— 1884). Его работы в области органической химии весьма многочисленны. Им была открыта реак ция синтеза предельных углеводородов (действием металлического натрия нэт галоидпроизводные), реакции получения и обнаружения жирных аминоь В 1859 г. Вюрцем был получен первый представитель двухатомных алкого лей—этиленгликоль («удвоенный тип воды»).