Урок 4. Теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова
план-конспект урока по химии (10 класс) на тему

Предпосылки создания теории

Лаборатория XII века

С древнейших времен человечеству известны различные соединения углерода растительного и животного происхождения и некоторые способы их получения и переработки.

Например:

– из цветов извлекали эфирные масла;
– нагревая жир с содой, получали мыло;
– сбраживая виноградный сок, получали вино, а при его перегонке — спирт;
– в Древней Индии, Финикии, Египте для крашения использовали растительные красители — пурпур, индиго, ализарин.

Однако в тот период, вплоть до начала XIX в., не делали различия между органическими и неорганическими веществами.

В 1807 г. известный уже вам шведский ученый И.Я. Берцелиус предложил выделить изучение веществ растительного и животного происхождения в самостоятельную дисциплину — органическую химию. И.Я. Берцелиуса считают родоначальником органической химии.

Но становление органической химии как науки произошло во второй половине XIX века. Химики того времени делали попытки понять особенности строения и химического поведения органических веществ, синтезировать органические соединения. Среди этих попыток были и успешные.

Дополнительная информация

Первые (доструктурные) теории органической химии

В 30-е годы прошлого века Ю. Либих и Ф. Вёлер предложили, так называемую, теорию радикалов, а И. Берцелиус развил её основные представления. Теория радикалов подметила одну из особенностей органических веществ — существование устойчивых группировок атомов-радикалов, переходящих в неизменном виде из одного соединения в другое. Например, таким радикалом можно было считать группу атомов (бензоил C6H5CO), которая входила в состав некоторых веществ:

Неправильным в этой теории было представление, что радикалы абсолютно неизменны и могут существовать сами по себе. Радикалы оказались изменяемыми. Один из случаев, подтверждающих это, стал причиной переполоха во дворце французского короля, когда из-за удушливого дыма, который выделяли горящие свечи, пришлось прекратить бал. Расследование провел известный химик Ж. Дюма, который установил, что воск для свечей отбеливали хлором, заместившим в воске часть водородных атомов; удушливые пары оказались хлороводородом.

В 40-х годах прошлого века О. Лоран и Ш. Жерар предложили теорию типов. Все органические соединения по этой теории считали производными простейших неорганических веществ — водорода, хлороводорода, воды, аммиака:

Формально такая классификация и запись формул чем-то близка к современным. Но формулы по этой теории должны были выражать не «внутреннее строение молекул», а лишь способы образования и свойства вещества. Теория типов допускала множественность «рациональных формул» для одного и того же вещества в зависимости от того, какие реакции хотели этими формулами выразить. «Внутреннее строение молекул» теория типов считала принципиально непознаваемым.

Предпосылки теории строения

Постепенное накопление экспериментального материала и попытки его теоретического осмысления подготовили создание первой научной теории строения органических соединений, автором которой явился выдающийся русский химик Александр Михайлович Бутлеров.

А.М. Бутлеров

А.М. Бутлеров выступил на съезде немецких врачей и натуралистов в г. Шпейере с докладом «О химическом строении веществ». В нем он изложил основы теории химического строения органических соединений. Конечно, А.М. Бутлеров опирался на труды своих предшественников и современников, но немалую роль в создании теории сыграли его личные качества: богатые знания, умение сравнивать и делать выводы, обобщения, его нестандартное мышление, целенаправленность научного поиска, умение отказаться от стереотипов, прекрасные экспериментальные умения.

Дополнительная информация

Бутлеров А.М. Биография

А.М. Бутлеров (3.9.1828 — 5.8.1886) — академик, создатель теории строения органических соединений, лежащей в основе современной органической химии. Родился в небольшом селе Спасского уезда Казанской губернии.

Любовь к естественным наукам пробудилась у Бутлерова очень рано: химическими опытами он занимался еще в гимназии, увлекаясь также собиранием коллекций растений и бабочек.

В 16 лет, после окончания гимназии, Бутлеров был принят слушателем на естественное отделение физико-математического факультета Казанского университета.

С равным увлечением Бутлеров занимался различными естественными науками, участвовал в многочисленных экспедициях. На его способности обратили внимание профессора химии К.К. Клаус и Н.Н. Зинин. С помощью Зинина Бутлеров оборудовал свою домашнюю лабораторию и синтезировал в ней такие сложные препараты, как кофеин, изатин, азобензол, бензидин и др.

В 1849 г. Бутлеров окончил университет и по представлению К.К. Клауса был оставлен при университете на кафедре химии для подготовки к профессорскому званию. Ему было поручено чтение лекций по многим дисциплинам, в том числе и не химического профиля.

Свою докторскую диссертацию «Об эфирных маслах» он блестяще защищает в 1853 г. в Московском университете.

В 1857 г. Бутлеров был избран профессором Казанского университета. В этом же году он отправляется в свою первую научную командировку за границу, где в течение года работает в Париже в лаборатории Вюрца. Здесь впервые был получен иодистый метилен.

Вернувшись в Казань, Бутлеров переоборудовал свою химическую лабораторию и в течение трех лет (1858 — 1861) интенсивно работал в ней по изучению производных иодистого метилена — вещества, послужившего ему источником целого ряда открытий. Так он впервые получил синтетическое сахаристое вещество, принадлежащее к классу углеводов, первое полимерное вещество параформальдегид, сложное азотосодержащее соединение гексаметилентетрамин (лечебное средство уротропин).

Кабинет А.М. Бутлерова в Казанском государственном университете

Уже в самом начале 60-х годов намечается новое направление в исследовательской работе Бутлерова — разработка теории химического строения. В 1961 г., во время второй поездки за границу, на съезде немецких естествоиспытателей и врачей он делает доклад «О химическом строении веществ», в котором излагает основные положения этой теории.

После опубликования своего нового учения Бутлеров приходит к выводу, что для признания и подтверждения его необходимы новые факты, из него вытекающие, и он приступает к обширным экспериментальным исследованиям. Главным результатом этих исследований явился, прежде всего, знаменитый бутлеровский синтез триметилкарбинола, первого представителя класса третичных спиртов. Затем Бутлеров получает ряд гомологов триметилкарбинола, одновременно с этим констатируя первый случай изомерии в классе третичных спиртов. Кроме того, он находит, что метилдиэтилкарбинол является изомером диметилпропилкарбинола.

Огромное значение для распространения нового учения среди химиков имело издание Бутлеровым «Введения к полному изучению органической химии» на русском и немецком языках (в 1864 и в 1868 гг. соответственно).

В период с 1860 по 1863 гг. Бутлерова дважды назначали исполняющим обязанности ректора Казанского университета. Ректорские обязанности чрезвычайно тяготили ученого, и в июне 1863 г., несмотря на усиленные просьбы своих сослуживцев, он оставил свой высокий пост.

Весной 1868 г., когда Бутлеров был в своей третьей заграничной командировке, Совет Петербургского университета по предложению Д.И. Менделеева избрал его ординарным профессором на кафедру химии.

В начале 1869 г. Бутлеров переехал в Петербург и 23 января прочитал свою первую лекцию. 22 февраля 1869 г. Совет Казанского университета избрал Бутлерова своим почетным членом.

Исследования петербургского периода являются продолжением работ казанского периода. Своими исследованиями, начатыми еще в Казани, Бутлеров заложил основы многих синтезов, имеющих в настоящее время огромный практический интерес.

В 1874 г. Бутлеров был избран ординарным академиком. В течение 3-х лет он был председателем Русского химического общества.

Скончался Бутлеров во время отпуска в своем имении Бутлеровка Спасского уезда Казанской губернии, где и похоронен.

По словам Д.И. Менделеева, «А.М. Бутлеров — один из замечательных русских ученых. Он русский и по ученому образованию и по оригинальности трудов. Ученик нашего знаменитого академика Н.Н. Зинина, он сделался химиком не в чужих краях, а в Казани... В химии существует бутлеровская школа, бутлеровское направление».

О древней парфюмерии

В I веке до нашей эры в районе Мёртвого моря существовала парфюмерная фабрика, подаренная египетской царице Клеопатре римским полководцем Антонием, покорившим Египет и ставшим его наместником. Её обнаружили в наше время археологи. Среди находок — ручные жернова для растирания трав и растений, котлы, в которых готовилась парфюмерия, амфоры и флакончики с ароматическими веществами, рецепты древней косметики.

Ученые установили состав духов, которыми пользовался Цезарь. Впрочем, это не были духи в нашем понимании этого слова, т. е. это был не спиртовой раствор душистых, ароматических веществ, т. к. в I веке до н. э. процессы перегонки (с целью получения спирта) еще не были известны. Любимым ароматическим составом Цезаря была мазь «Телиум», изготовленная из оливкового масла и цедры особого сорта апельсинов.

Это интересно!

В начале XIX века существовала занимательная на современный взгляд классификация веществ по физическим свойствам:

• «масла» — оливковое масло, купоросное масло (Н2SO4), масло винного камня (расплывшийся на влажном воздухе KOH);

• «спирты» — винный спирт, соляной спирт (HCl), нашатырный спирт (NH3 · H2O);

• «соли» — твердые вещества, растворимые в воде (т. е. действительно соли, сахар и др.).

Основные положения теории

Теория и эксперимент рука об руку

Надёжность и «рабочие» качества теории химического строения проявились уже вскоре после её создания.

В 1854 г. А.М. Бутлеров получил третичный бутиловый спирт

который послужил исходным веществом для получения изобутана

По словам А.М. Бутлерова,это был «первый случай, в котором изомерия углеводородов* объяснена полностью определенным различием в химическом строении молекул …, который заранее был предвиден теорией».

Далее А.М. Бутлеров и его ученики (во главе с М.Д. Львовым), получили все изомеры состава C5H12, C7H16, C8H18, C9H20. А В.В. Марковников в 1864 г. синтезировал изомасляную кислоту и доказал её отличие от нормальной масляной кислоты продемонстрировав тем самым «первый пример изомерии между одноосновными кислотами жирного ряда».

Количественный состав молекулы

Достаточно очевидно, что свойства веществ зависят от а) качественного и б) количественного состава. Приведем известные вам примеры из неорганической химии:

Учение о взаимном влиянии атомов

Учение о взаимном влиянии атомов в молекуле и вытекающие из него представления о различной прочности химических связей приобрели конкретную формулировку в правилах, которые были установлены учениками и последователями А.М. Бутлерова — В.В. Марковниковым, А.Н. Поповым, А.М. Зайцевым, Ф.М Флавинским, И.А. Каблуковым.

Два изомера этиловый спирт CH3—CH2—OH и диметиловый эфир CH3—О—CH3отличаются и по химическим свойствам. Только один из них реагирует с натрием, выделяя газ водород. Какой? Объясним это на основе современных представлений о влиянии атомов друг на друга. Сопоставим две структурные формулы.

В молекуле спирта (1) один атом водорода, в отличие от всех других, соединен с атомом кислорода, сильноэлектроотрицательным атомом. Под его влиянием связь О <— Н становится ковалентной сильнополярной (связи С <— Н малополярные, в связи с небольшой разницей в электроотрицательностях). Атом водорода оказывается более свободным от электронов, более подвижным и сравнительно легко вытесняется натрием.

Это интересно!

Еще будучи воспитанником пансиона (учебное заведение для детей помещиков и чиновников) в Казани, Саша Бутлеров начал интересоваться химией, пытаясь изготовить то порох, то «бенгальские огни». Однажды, когда один из опытов привел к сильному взрыву, воспитатель сурово наказал его. Три дня подряд Сашу ставили в угол на все время, пока другие обедали, а на шею ему вешали черную доску с надписью «Великий химик». Мог ли воспитатель предположить, что эти слова окажутся пророческими?!

Это интересно!

В 23 года А.М. Бутлеров защитил магистерскую диссертацию «Об окислении органических соединений», в 25 — докторскую «Об эфирных маслах». Молодому ученому не было еще и 30 лет, когда его утвердили в звании профессора Казанского университета.

Упражнения по применению теории для характеристики веществ

Предлагаем упражнения по применению теории химического строения для характеристики некоторых веществ (первое упражнение дано с решением).

1. Дайте сравнительную характеристику веществам этану и этилену.

2. Определите, сколько изомеров изображено этими формулами:

Подсказка 1

Сравните а), г). Порядок связей не изменился. Атомы углерода образуют прямую цепочку.

Подсказка 2

Сравните б), в), д); мысленно переверните формулы, совместите их друг с другом — и убедитесь, что порядок связей одинаковый. Атомы углерода образуют разветвленную в одном и том же месте цепочку.

Подсказка 3

Формула е) отличается от рассмотренных выше формул тем, что атомы углерода образуют разветвленную цепочку, но с двумя разветвлениями.

Ответ:

Три

Это интересно!

В студенчестве одним из увлечений А.М. Бутлерова были физические упражнения. Он сгибал кочергу в форме буквы «Б» и оставлял её в таком виде вместо визитной карточки своему приятелю, а один раз разогнул массивный металлический крюк, на который закрывали дверь в университете.

Одно время Бутлеров увлекался студенческими песнями и подбирал к ним аккомпанемент. Серьёзным увлечением Бутлерова была также и энтомология. Он собрал коллекцию, содержащую 1133 вида бабочек, которую впоследствии передал в дар Казанскому университету, а также составил определитель «Дневные бабочки волго-уральской фауны», изданный в 1848 г. За эту работу Бутлерову была присвоена степень кандидата естественных наук.

Это интересно!

Пчеловодство в России обязано Бутлерову не меньше, чем химия. Именно он стоял у истоков научного подхода к этой области сельского хозяйства, выпустив руководство для пчеловодов «Пчела, ее жизнь и главные правила толкового пчеловодства».

Значение теории. Направления дальнейшего развития теории

Значение теории химического строения А.М. Бутлерова для органической химии можно сравнить со значением Периодического закона Д.И. Менделеева для неорганической химии.

Титульный лист учебника по органической химии

Значение теории

• объяснила неясности и противоречия в знаниях об органических веществах;
• творчески обобщила достижения в области химии;
• определила качественно новый подход к пониманию строения соединений;
• стала основой для объяснения и прогнозирования свойств органических веществ;
• открыла путь для синтеза новых органических соединений.

Отстаивая свое учение о химическом строении и показывая его практическую значимость, А.М. Бутлеров не считал это учение абсолютным и неизменным. Действительно, если молекула — это реальность, построенная из реальных атомов, то она должна представлять собой определенное физическое тело в трехмерном пространстве.

Якоб Генрих Вант-Гофф

Конкретную гипотезу о пространственном (стереохимическом) строении органических соединений выдвинул в 1874 г. Я.Х. Вант-Гофф. Идея заключалась в том, что четыре атома водорода (или его заместителя) располагаются симметрично в углах воображаемого тетраэдра вокруг четырехвалентного атома углерода.

Модель молекулы метана

Стереохимия с развитием науки получила прочную физическую основу — с помощью рентгенографии и электрографии стали определять межатомные расстояния и валентные углы, то есть получать картину реального расположения атомов в молекуле.

В связи с научной революцией в физике в конце XIX — начале XX вв. атом предстал перед исследователями уже не просто неизменным «шариком», а сложной системой. Это позволило американским физико-химикам Г. Льюису и И. Ленгмюру заложить основы теории валентных связей, на основании которой валентная черточка в структурных формулах представляет собой пару электронов!

Электронная теория позволила объяснить и пространственное строение молекул органических веществ, и взаимное влияние атомов, и механизмы химических реакций.

Стереохимия

Стереохимия — наука о пространственном строении молекул и его влиянии на свойства веществ.

Рентгенография и электронография

Рентгенография и электронография — методы исследования строения веществ, основанные на дифракции рентгеновских лучей или электронов соответственно.

Электронная теория

Электронная теория — комплекс теоретических концепций, базирующихся на представлении о связях между атомами с помощью общих пар электронов.

Это интересно!

В 1864 г. был опубликован учебник А.М. Бутлерова «Введение к полному изучению органической химии» — первое в мире руководство, в котором фактический материал органической химии рассматривался на основе теории строения.

В 1865 г. Ф.Ф. Бельштейн (химик-органик, с 1866 г. академик Петербургской академии наук) писал: «Нечестивые структурные формулы вызывали во мне раньше всегда тайный страх. Теперь же я счастлив, что как следует понял их смысл … Для химиков открывается новый мир …».

Нехимические увлечения Бутлерова

Лучший отдых А.М. Бутлеров получал в деревне Бутлеровка Казанской губернии, где главными летними занятиями его были пчеловодство, цветоводство, строительство, лечение больных, охота (но не химия).

Это интересно!

Несмотря на то, что А.М. Бутлеров окончил физико-математический факультет, его дипломная работа называлась «Дневные бабочки волго-уральской фауны».

Пожалуй, ученые-естествоиспытатели могут назвать Бутлерова выдающимся биологом. И на то есть веские основания: ученый через всю жизнь пронес свое увлечение биологией. Он внес существенный вклад в развитие ботаники, энтомологии (наука о насекомых), различных отраслей сельского хозяйства. Его можно считать основоположником чайного производства в Грузии, одним из инициаторов возрождения пчеловодства в России. Его очерки о флоре и фауне Каспийского моря печатались в иностранных и российских научных журналах.