§ 2. Теория строения органических соединений

В 60-е гг. XIX столетия русским химиком A.M. Бутлеровым была предложена теория химического строения, которая объяснила особенности химической природы органических соединений и причины их многообразия. Обогащенная современными представлениями о природе химической связи, пространственной структуре молекул и характере взаимного влияния атомов в молекуле, эта теория составляет теоретический фундамент органической химии и в наши дни.

В ее основе лежит представление о том, что свойства органических соединений определяются не только их качественным и количественным составом, но и строением их молекул, т.е. порядком соединения атомов в молекуле и их взаимным влиянием. Поскольку основной «скелет» органических молекул образуют атомы углерода, все особенности органических соединений обусловлены прежде всего свойствами этого элемента.

В подавляющем большинстве своих соединении углерод проявляет валентность, равную четырем, причем все четыре ковалентные связи углерода образуются за счет гибридных sp³-орбиталей, углы между которыми одинаковы и составляют 109 28'. Поэтому в простейшем органическом соединении, которым является углеводород метан (СН₄) атом углерода расположен в центре правильной четырехгранной пирамиды – тетраэдра, а четыре соединенных с ним атома водорода – в вершинах тетраэдра. В более сложных органических соединениях атомы углерода образуют устойчивые длинные цепи, содержащие до ста и более атомов углерода. При увеличении длины углеродной цепи на один атом углерода образуется новое соединение, coстав которого отличается от состава предшествующего соединения на одну группу (СН₂ : СН₄ – метан; С₂Н₆ – этан; C₃H₈ – пропан и т.д.

Такие соединения, различающиеся по составу и свойствам, но сохраняющие общие характерные черты, называют гомологами; они составляют ряды однотипных соединений, или гомологические ряды. Каждый член гомологического ряда отличается от предыдущего члена на группу СН₂, называемую гомологической разностью.

При одном и том же числе атомов углерода в молекуле возможно образование как соединений с незамкнутой, открытой формой углеродных цепей (ациклические соединения), так и соединений, молекулы которых содержат замкнутые углеродные кольца (циклические соединения), что еще больше увеличивает многообразие органических соединений. Валентности атомов углерода, не использованные на взаимные связи, служат для присоединения к углеродной цепи других атомов и групп.

Связь между атомами углерода может осуществляться за счет одной пары обобщенных электронов (простая или одинарная связь) или за счет двух или трех пар электронов (кратная связь – двойная или тройная). Соединения, в которых атомы углерода связаны одинарными связями, называют предельными, или насыщенными (алканы). Их простейшим представителем (после метана) является углеводород этан (рис. 13.1, а),

В молекуле этана два гибридизованных электронных облака перекрываются по прямой, соединяющей центры атомов углерода, и образуют s-связь. Все шесть связей С—Н, образующиеся перекрыванием sp³-электронных облаков атомов углерода и 1 s-электронных облаков атоме водорода, также являются s-связями.

Соединения, в которых атомы углерода связаны кратными связями, называют непредельными, или ненасыщенными (алкенами при наличии в молекуле двойной связи и алкинами, если атомы углерода связаны тройной связью). Простейшим соединением сдвойкой связью является углеводород этилен (рис. 13.1, б), а простейшим соединением с тройной связью – ацетилен (рис. 13.1, в).

В молекулах некоторых циклических углеводородов двойные связи сопрягаются, образуя единое p-электронное облако над плоской кольцевой структурой (рис. 13.1, г). Такие углеводороды относят к ароматическим.

Теория химического строения A.M. Бутлерова объяснила и явление изометрии органических соединений.

Прежде всего, органические соединения одного и того же состава могут иметь неразветвленные и разветвленные углеродные цепи. Так, состав С₄Н₁₀ могут иметь два предельных углеводорода – бутаны – с различным строением углеродной цепи. Один – так называемый бутан нормального строения, с неразветвленной цепью, и один с разветвленной цепью – бутан изостроения, или изобутан:

Состав C₄H₈ имеют три непредельных углеводорода — бутилены: два нор­мального строения, различающиеся расположением двойной связи, и один с разветвленной углеродной цепью — изобутилен:

Кроме приведенных выше непредельных соединений с открытой цепью, состав С₄Н₈ имеют два предельных циклических углеводорода:

Разумеется, с возрастанием числа атомов углерода в «скелете» органического соединения, а также с включением в его состав какого-либо третьего элемента, например кислорода, число возможных изомеров резко возрастает.

Изомерия органических соединений может быть обусловлена не только различным порядком соединения атомов в молекуле, но и различным расположением атомов или их групп в пространстве (пространственная изомерия, или стереоизомерия).

Как упоминалось выше (см. рис. 13.1, б), атомы углерода, соединенные двой­ной связью С = С, лежат в одной плоскости с четырьмя связями, соединяющими их с другими атомами- Если с каждым из атомов углерода при двойной связи соединены различные атомы и группы, возможна так называемая геометрическая или цис-транс-изомерия. Так, в молекуле дихлорэтилена CHCl = СНСl атомы хлора могут быть расположены в пространстве по одну сторону двойной связи (цис-изомер) и по разные стороны от нее (транс-изомер), причем цис-транс-изомеры значительно отличаются друг от друга по физическим и химическим свойствам.

Краеугольным камнем теории строения является высказанное A.M. Бутлеровым и развитое его учениками положение о взаимном влиянии атомов, входящих в молекулу органического соединения. Бутлеров убедительно показал, что химизм поведения того или иного атома определяется не только его природой, но и положением в молекуле. Наибольшее взаимное влияние проявляют атомы, непосредственно связанные друг с другом в молекуле органического вещества.

Таким образом, теория химического строения, созданная A.M. Бутлеровым и развитая его школой, позволила установить важнейшие закономерности в строении и свойствах органических соединений, позволила дать научно обоснованное объяснение явлениям гомологии и изомерии органических со­единений и стала основой их общей классификации.