|
|
|
Учебник для 11 класса ХИМИЯ
§ 8.3. Основные направления развития теории строения химических соединений и ее значениеВо времена А. М. Бутлерова в органической химии широко использовали эмпирические (молекулярные) и структурные формулы. Последние отражают порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности, которая обозначается черточками.
Для простоты записи часто используют сокращенные структурные формулы, в которых черточками обозначают только связи между атомами углерода, а также связи в функциональных группах. Сокращенные структурные формулы
Затем, по мере развития знаний о природе химической связи и о влиянии электронного строения молекул органических веществ на их свойства, стали пользоваться электронными формулами, в которых ковалентную связь условно обозначают двумя точками. В таких формулах часто показывают направление смещения электронных пар в молекуле. Например, для уксусного альдегида:
Именно электронным строением веществ объясняют мезомерный и индукционный эффекты. Индукционный эффект — смещение электронных пар σ-связей от одного атома к другому вследствие их разной электроотрицательности. Обозначается (→). Индукционный эффект атома (или группы атомов) отрицательный (-I), если этот атом имеет большую электроотрицательность (галогены, кислород, азот), притягивает к себе электроны σ-связи и приобретает при этом частичный отрицательный заряд. Атом (или группа атомов) имеет положительный индукционный эффект (+I), если он отталкивает электроны a-связей. Этим свойством обладают, например, предельные углеводородные радикалы (СН3—, С2Н5—). Вспомните правило Марковникова о том, как присоединяется к алкенам (пропену) водород и галоген галогено-водорода, и вы поймете, что это правило носит частный характер. Сравните эти два примера уравнений реакций:
Мезомерный эффект (-М, +М) — смещение электронов π-связи или неподеленных электронных пар. Обозначается ( Таблица 10
В молекулах некоторых веществ проявляются и индукционный, и мезомерный эффекты одновременно. В этом случае они или усиливают друг друга (в альдегидах, карбоновых кислотах), или взаимно ослабляются (в хлорвиниле). Результатом взаимного влияния атомов в молекулах является перераспределение электронной плотности. Идею об определенном пространственном направлении химических связей впервые высказали французский химик Ж. А. Ле Бель и голландский химик Я. X. Вант-Гофф в 1874 г. Предположения ученых полностью подтвердили физико-химические методы анализа. На свойства веществ значительное влияние оказывает пространственное строение их молекул. Например, мы уже приводили формулы цис- и трансизомеров бутена-2, которые отличаются по своим свойствам (см. рис. 16). Средняя энергия связи, которую необходимо разорвать при переходе одной формы в другую, равна примерно 270 кДж/моль; такого большого количества энергии при комнатной температуре у молекул нет. Для взаимного перехода одной формы бутена-2 в другую необходимо одну ковалентную связь разорвать и взамен образовать новую. Иными словами, этот процесс — пример химической реакции, а обе рассмотренные формы бутена-2 представляют собой различные химические соединения. Вы, очевидно, помните, что важнейшей проблемой при синтезе каучука было получение каучука стереоре-гулярного строения. Необходимо было создать такой полимер, в котором структурные звенья располагались бы в строгом порядке (натуральный каучук, например, состоит только из цисзвеньев), ведь от этого зависит такое важнейшее свойство каучука, как его эластичность. Современная органическая химия различает два основных типа изомерии: структурную (изомерию цепи, изомерию положения кратных связей, изомерию гомологических рядов, изомерию положения функциональных групп) и стереоизомерию (геометрическую, или цис-, трсшсизомерию, оптическую, или зеркальную, изомерию). Итак, вы смогли убедиться в том, что второе положение теории химического строения, четко сформулированное А. М. Бутлеровым, было неполным. С современных позиций это положение требует дополнения:
Создание теории строения веществ сыграло важнейшую роль в развитии органической химии. Из науки преимущественно описательной она превратилась в науку созидательную, синтезирующую; появилась возможность судить о взаимном влиянии атомов в молекулах различных веществ (см. табл. 10). Теория строения создала предпосылки для объяснения и прогнозирования различных видов изомерии молекул органических соединений, а также направлений и механизмов протекания химических реакций. На основе этой теории химики-органики создают вещества, которые не только заменяют природные, но по свойствам значительно их превосходят. Так, синтетические красители гораздо лучше и дешевле многих природных, например ализарина и индиго. В больших количествах производят синтетические каучуки с самыми разнообразными свойствами. Широкое применение находят пластмассы и волокна, изделия из которых используют в технике, быту, медицине, сельском хозяйстве. Сравнивая две величайшие теории химии — теорию строения А. М. Бутлерова и теорию периодичности Д. И. Менделеева, — нетрудно заметить, что в обеих теориях так много общего в путях их становления, направлениях развития и общенаучном значении. Впрочем, в истории любой другой ведущей научной теории (теории Ч. Дарвина, генетике, квантовой теории и т. д.) можно найти такие общие этапы. Вопросы и задания к § 8
|
) (табл. 10).
|
|