Введение

К шестидесятым годам прошлого столетия в органической химии накопился огромный фактический материал, который требовал объяснения. На фоне беспрерывного накопления экспериментальных фактов особенно остро проявлялась недостаточность теоретических представлений органической химии. Теория отставала от практики, от эксперимента. Такое отставание болезненно отражалось на ходе экспериментальных исследований в лабораториях; химики проводили свои исследования значительной мере наугад, вслепую, зачастую не понимая природы синтезированных ими веществ и сути реакций, которые приводили к их образованию. Так, например, англичанин В. Перкин старш., синтезировавший в1856 г. краситель мовеин окислением нечистого анилина, совершенно не представлял себе механизма открытой им реакции; к тому же он вовсе не ставил перед собой задачу синтеза красителя, а пытался получить хинин. Органическая химия, по меткому выражению Вёлера, напоминала дремучий лес, полный чудесных вещей, огромную чащу без выхода, без конца.

Насущные задачи органической химии требовали разрешения основного вопроса: являются ли молекулы беспорядочным нагромождением атомов, удерживаемых силами притяжения, или же молекулы представляют собой частицы с определенным строением, которое можно установить, исследуя свойства вещества. Теория типов Жерара, с теми или иными оговорками признававшаяся большинством химиков того времени, отказывалась на основании изучения химических свойств решать вопрос о строении молекул. А между тем в органической химии к этому времени уже накопились факты и обобщения, которые могли служить основой для решения этого вопроса. Так, например, теория радикалов дала органической химии чрезвычайно важное обобщение, заключавшееся в том, что при химических реакциях некоторые группы атомов в неизменном виде переходят из молекул исходных веществ в молекулы, образующиеся при этих реакциях. Теория типов, со своей стороны, в значительной мере способствовала изучению наиболее изменчивых частей молекул и причин этой изменчивости.

Глава 1. Первые разработки теории химического строения

1.1. Открытие валентности элементов

Исследуя состав металлоорганических соединений, Франкланд (1853) нашел, что каждый металл дает соединения со строго определенным числом радикалов; это число и представляет собой валентность данного металла. Ниже приведены простейшие металлоорганические соединения одно-, двух-, трех- и четырехвалентных металлов:

После открытия Франкланда стало ясно, что атомы могут соединяться в молекулы только в отношениях, определяемых валентностью атомов. В частности, было установлено, что углерод четырехвалентен (Кекуле, Кольбе).

Открытие валентности непосредственно подводило к мысли, что молекулы имеют определенное строение. Однако вопросы о путях установления строения молекул, а также о зависимости свойств вещества от строения его молекул оставались открытыми.

Новая эпоха в органической химии наступила с возникновением теории химического строения. Главная роль в создании, обосновании и подтверждении теории строения принадлежит знаменитому русскому ученому Александру Михайловичу Бутлерову , хотя кроме него элементы этой теории начали разрабатывать А. Купер (1831-1892) в Англии и А. Кекуле (1829- 1896) в Германии.

1.2. Разработки А.Купера

В 1858 г. Купер опубликовал на трех языках (английском, французском и немецком) статью «О новой химической теории», где он отбрасывает теорию типов и высказывает точку зрения, согласно которой все особенности органических веществ могут быть объяснены, если учитывать только два свойства атомов: «избирательное сродство» (связь атомов) и «степень сродства» (валентность атомов).

Купер писал: «С моей точки зрения этих двух свойств достаточно для объяснения всего того, что характерно для органической химии: именно это я докажу ниже... В молекуле, состоящей из трех, четырех, пяти и т. д. атомов углерода и эквивалентного количества водорода, кислорода и др., последние могут быть заменены другими элементами, в то время как углерод образует взаимно-связанный узел. Это означает, что один углерод связан с другим углеродом . Такое свойство придает углероду, так сказать, своеобразную физиономию и дает возможность понять непонятный до этого факт наслоения атомов углерода в органических соединениях».

Придя, таким образом, к важному представлению о цепи углеродных атомов, Купер выражает далее свои взгляды в формулах, которые, по его замыслу, должны дать картину строения соединений. В качестве примера его формул, которые были первыми конституционными формулами, можно привести следующие:

Из этих примеров видно, что Куперу удалось удивительно правильно передать конституцию этих соединений, а также некоторых более сложных и в то время мало исследованных (винная и виноградная кислоты).

Однако все эти формулы были лишены опытного обоснования. Купер совершенно не ставил вопроса о возможности их экспериментальной проверки. Его формулы, как легко видеть, были основаны на формальной интерпретации понятий валентности и связи атомов, а отчасти даже на интуиции. Естественно, что при таком подходе невозможно избежать ошибок. Так, например, формулы глицерина, глицериновой кислоты и щавелевой кислоты, данные Купером, уже неверны:

Таким образом, взгляды Купера, развитые им в его талантливой, интересной работе, не носят характера строгой теории.

1.3. Конституционные формулы Лошмидта

Другая попытка изображения органических соединений конституционными формулами была сделана в 1861 г. Лошмидтом. При построении своих формул Лошмидт рассматривал атомы как мельчайшие материальные частицы, подвергающиеся действию сил притяжения и отталкивания. Эти силы при сближении атомов уравновешиваются, и различные атомы удерживаются друг около друга в некотором равновесном положении. Сферы действия атомных сил Лошмидт условно обозначал кружками (например, атомы углерода и водорода - простыми кружками, кислорода-двойными, азота-тройными).

Формулы Лошмидта имели следующий вид:

Не пытаясь составить какое-либо представление о способе связи шести углеродных атомов в молекуле бензола, Лошмидт обозначал бензол символом

В отличие от Купера, Лошмидт при выборе формул, кроме валентности («поллентности» по его выражению), иногда руководствовался и химическими свойствами. Однако в целом метод вывода формул Лошмидта был абстрактным, а зачастую просто необоснованным. Так, не опираясь на химические данные, Лошмидт пытался вывести формулы таких сложных веществ, как индиго, мочевая кислота и т. п.

Естественно, что эти формулы оказались ошибочными. Несмотря на то, что многие из предложенных Лошмидтом формул органических соединений оказались удачными, работа его осталась почти не замеченной химиками того времени и не оказала сколько-нибудь существенного влияния на развитие теории органической химии.

1.4. Вклад в создание структурной теории Кекуле

Большой вклад в создание структурной теории внес знаменитый немецкий химик Кекуле . Он установил четырехвалентность углерода, ввел тип метана, предложил известную формулу бензола и, что особенно важно, правильно сформулировал одну из основных задач органической химии того времени.

В статье «О конституции и превращениях химических соединений и о химической природе углерода» в 1858 г. Кекуле писал : «Я считаю, что в настоящее время главной задачей химии не является обнаружение атомных групп, которые, вследствие некоторых своих свойств, могут быть рассматриваемы как радикалы, и причисление соединений к некоторым типам, которые едва ли при этом имеют иное значение, кроме как образца формулы. Напротив, я полагаю, что необходимо распространить размышление и на строение самих радикалов; из природы элементов должна быть выведена как природа радикалов, так и их соединений». Исходным пунктом для этого Кекуле считал «основность элемента» (валентность), а в отношении органических соединений прежде всего - природу углерода. Кекуле высказал также ряд других верных мыслей о связи атомов, выражая ее графическими формулами. Однако своим формулам Кекуле не придавал значения формул строения, он стремился выразить ими только реакционную способность. Так, он писал: «Рациональные формулы имеют своей целью дать определенное представление о химической природе соединения, следовательно, о его метаморфозах и отношениях, в которых оно находится к другим телам... При этом, естественно, необходимо иметь в виду, что рациональные формулы - это лишь формулы превращений, а не конституционные формулы, что они являются лишь средством выражения для метаморфоз тел и результатов сравнения различных веществ между собою; что они ни в коем случае не должны выражать конституцию, т. е. расположение атомов в соответствующем соединении».

Установление истинного строения молекул Кекуле также считал задачей химии, но, по его мнению, это может быть достигнуто не путем изучения химических превращений, а только сравнительным исследованием физических свойств соединений. Таким образом, и в этом вопросе Кекуле стоял на позиции Же-рара.

Как и другие сторонники теории типов, Кекуле изображал вещество несколькими типическими формулами. Так, например, чтобы передать известные тогда химические свойства уксусной кислоты, Кекуле предлагал изображать ее восемью формулами. Таким образом, хотя взгляды Кекуле и были близки к новым структурным воззрениям, хотя Кекуле и внес существенный вклад в развитие теории химического строения, он так и не смог полностью освободиться от представлений теории типов.

Глава 2. Теория химического строения А.М.Бутлерова

2.1. Идеи Бутлерова

А. М. Бутлеров выступил против положения теории типов о невозможности установления строения молекул химическим путем; он показал, что в молекуле имеется определенная последовательность химической связи атомов (химическое строение) . Далее Бутлеров доказал, что строение молекулы можно установить, исследуя химические свойства вещества, и, наоборот, зная строение, можно предвидеть многие свойства соединения. Бутлеров не только обосновал это положение уже имевшимся фактическим материалом, но и предсказал на его основе возможность существования новых веществ, которые впоследствии были открыты им и другими химиками.

Основная идея теории А. М. Бутлерова сформулирована им в 1861 г. в статье «О химическом строении веществ». Он писал: «Исходя от мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение действия этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу».

Основой теории Бутлерова является идея о порядке химического взаимодействия атомов в молекуле. Этот порядок химического взаимодействия не включает представления о механизме химической связи и физическом расположении атомов. Эта важная особенность теории химического строения позволяет всегда опираться на нее при построении физической модели молекулы.

Установив понятие химического строения, А. М. Бутлеров дает новое определение природы вещества : «химическая натура сложной частицы определяетсянатурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением ».

Таким образом, А. М. Бутлеров первый установил, что каждая молекула имеет определенное химическое строение, что строение определяет свойства вещества и что, изучая химические превращения вещества, можно установить его строение .

2.2. Химические структурные формулы

Взгляды А. М. Бутлерова на значение химических структурных формул вытекают из основных положений его теории. Бутлеров считал, что эти формулы должны быть не «типическими», «реакционными», а конституционными. В этом смысле для каждого вещества возможна лишь одна рациональная формула, на основании которой можно судить о химических свойствах.

Что же касается способа написания структурных формул, то Бутлеров справедливо считал этот вопрос второстепенным: «Помня, что дело не в форме, а в сущности, в понятии, в идее,- и принимая во внимание, что формулами, обозначающими изомерию, логически-необходимо выражать настоящее частицы, т. е. некоторые химические отношения, в ней существующие,- не трудно прийти к убеждению, что всякий способ писания может быть хорош, лишь бы только он с удобством выражал эти отношения. Весьма естественно даже употреблять разные способы, предпочитая тот, который является более выразительным для данного случая. Например, этан С2Н6 почти совершенно безразлично может быть изображен:

Однако же, при недостаточно-определенном понимании, иной способ писания может привести к недоумениям».

2.3. Значение теории химического строения, её роль

С возникновением теории химического строения органическая химия вышла из лабиринта типических формул; были показаны пути к познанию внутреннего строения молекул; появилась теоретическая основа для понимания химических процессов, для предсказания новых путей синтеза органических соединений. С самого момента своего возникновения теория химического строения дала возможность химикам проводить экспериментальные исследования направленно, целеустремленно.

Замечательным успехом теории химического строения явилось объяснение явления изомерии, открытого в первой четверти прошлого столетия.

Как известно, в конце XVIII века был установлен закон постоянства состава, согласно которому каждое данное вещество имеет определенный, постоянный состав. В течение нескольких десятков лет этому закону придавалось и обратное значение, т. е. считалось, что данным определенным составом обладает лишь одно определенное вещество. Неправильность последнего положения была показана в результате исследования ряда органических веществ. В 1823 г. Либих, исследовав серебряную соль гремучей кислоты, установил, что ее состав (AgCNO) тождествен составу полученного в 1822 г. Вёлером и резко отличного от нее изоциановокислого серебра.

Этот замечательный факт недолго оставался единичным; вскоре были обнаружены многие другие вещества, обладающие одинаковым составом, но разными свойствами. Открытое явление с 1830 г. начали называть изомерией (от греч. - составленный из одинаковых частей), а вещества с одинаковым составом - изомерами. Попытки объяснить изомерию теорией радикалов и теорией типов были односторонними (как и сами эти теории), а потому не давали удовлетворительных результатов. Фактически в течение почти четырех десятилетий явление изомерии не находило теоретического объяснения.

Такое объяснение стало возможным только после создания теории химического строения, согласно которой природа вещества определяется не только характером и числом атомов, входящих в состав молекулы, но и ее структурой, химическим строением. Отсюда с несомненной очевидностью вытекает возможность существования веществ, имеющих одинаковый состав и молекулярный вес и, тем не менее, совершенно различных вследствие неодинакового химического строения. Таким образом, различие в химическом строении явилось естественным и простым объяснением явления изомерии.

2.4. Открытие Бутлеровым явления динамической изомерии

Следует отметить, что А. М. Бутлеров открыл и впервые объяснил также явление динамической изомерии , заключающееся в том, что два или несколько изомеров в определенных условиях легко переходят друг в друга (явление это в настоящее время носит название таутомерия). Проблема изомерии в целом явилась серьезным испытанием для бутлеровской теории и была ею блестяще решена.

Важной особенностью учения А. М. Бутлерова является то, что он отнюдь не считал молекулу каким-то неподвижным образованием, в котором отдельные атомы связаны в мертвую, безжизненную конструкцию . По этому поводу он писал:

«...в настоящее время мы смотрим на химическое соединение не как на что-либо мертвое, неподвижное; мы принимаем, напротив, что оно одарено постоянным движением, заключенным в его самых мельчайших частичках, частные взаимные отношения которых подлежат постоянным переменам, суммируясь при этом в некоторый постоянный средний результат. Мы можем иметь здесь и постоянные изменения в химических частицах, составляющих массу веществ, но все это сводится к известному среднему состоянию самой массы. Словом, вообще мы имеем всегда перед собою состояние известного подвижного равновесия. С этой динамической точки зрения на натуру химического соединения и на химические реакции, мы ясно объясняем такие явления, которые, с прежней точки зрения, были совсем непонятны. Стоит указать, например, на диссоциацию,- на то, как легко мы теперь объясняем обратные реакции и т. п.».

2.5. Защита Бутлеровым своих приоритетов. Роль Д.И.Менделеева

Сформулированные А. М. Бутлеровым ясные, неопровержимые положения теории химического строения в короткий срок обеспечили ей всеобщее признание. Однако вместе с тем появилась тенденция замолчать заслуги А. М. Бутлерова и представить творцами теории строения только Кекуле и Купера.

Уже несколько лет спустя после создания теории строения А. М. Бутлерову пришлось выступить в защиту своего приоритета, так как некоторые зарубежные химики, вначале не признававшие и даже не понимавшие его теории, впоследствии пытались приписать честь создания основных положений этой теории себе.

Решающую роль А. М. Бутлерова в создании теории химического строения ярко подчеркнул в 1868 г. великий русский ученый Д. И. Менделеев , рекомендуя А. М. Бутлерова в Петербургский университет . Менделеев писал, что Бутлеров «...вновь стремится, путем изучения химических превращений, проникнуть в самую глубь связей, скрепляющих разнородные элементы в одно целое, придает каждому из них прирожденную способность вступать в известное число соединений, а различие свойств приписывает различному способу связи элементов. Никто не проводил этих мыслей столь последовательно, как он, хотя они и проглядывали ранее... Для проведения того же способа воззрения через все классы органических соединений Бутлеров издал в 1864 г. книгу: «Введение к полному изучению органической химии», в прошлом году переведенную на немецкий язык Бутлеров чтениями и увлекательностью идей образовал вокруг себя в Казани школу химиков, работающих в его направлении. Имена Марковникова, Мясникова, Попова, двух Зайцевых, Моргунова и некоторых других успели получить известность по многим открытиям, сделанным преимущественно благодаря самостоятельности бутлерозского направления. Могу лично засвидетельствовать, что такие ученые Франции и Германии, как Вюрц и Кольбе, считают Бутлерова одним из влиятельнейших в наше время двигателей теоретического направления химии».

А. М. Бутлеров справедливо считал, что теория химического строения будет развиваться по мере накопления нового фактического материала . Он писал: «...не могу не заметить, что те заключения, к которым ведет принцип химического строения, оказываются в тысячах случаев согласными с фактами. Как во всякой теории, и здесь, конечно, есть недостатки, несовершенства, - встречаются факты, которые не отвечают строго понятию о химическом строении. Разумеется, следует желать в особенности размножения таких именно фактов; факты, не объясняемые существующими теориями, наиболее дороги для науки, от их разработки следует по преимуществу ожидать ее развития в ближайшем будущем»).

Заключение

Теория химического строения создавалась А. М. Бутлеровым в середине XIX века, в период, когда в России вырастали новые буржуазные общественно-экономические отношения и рост производительных сил привел к мощному развитию естествознания. В этот период И. М. Сеченов и затем И. П. Павлов создают материалистическое учение о высшей нервной деятельности человека и животных, К. А. Тимирязев и несколько позднее И. В. Мичурин закладывают начало нового этапа в развитии биологии, Д. И. Менделеев открывает важнейший закон природы - периодический закон, обобщивший все имевшиеся в то время знания о химических элементах. Н. И. Лобачевский открывает новую область математики.

Теория химического строения создала возможность научной систематизации фактического материала органической химии, объяснила ее важнейшие закономерности и дала ключ к предсказанию новых фактов. Она явилась научной основой для создания современной органической химии. Она легла в основу современных теоретических представлений органической химии. Сегодня сущность этой теории можно выразить так: физические и химические свойства органических соединений определяются составом их молекул, а также химическим, пространственным и электронным строением.

Список литературы

1. А.И. Артёменко «Органическая химия»: Учебник для строит. спец. вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа; 2000. – 559 с.: ил.

2. А.Е. Чичибабин «Органическая химия»: Учебник для вузов. – Т. 1-2. Изд. 3, исп. и доп. 1963. – 910 с.

Общепризнанные основные положения теории Бутлерова считаются фундаментом современной химии. Ученый первым объяснил особенности Он подробно изучил природу взаимосвязей атомов.

Предпосылки появления теории

Александр Бутлеров стал основоположником новой теории как раз тогда, когда в науке накопилось множество вопросов, на которые ученые не могли найти ответов. Например, объяснения требовали явления валентности и изомерии. Кроме того, химики продолжали спорить о том, как правильно записывать химические формулы. Бутлеров внес ясность в этот вопрос. Он доказал, что формулы должны отражать строение вещества.

Помимо этого, существовало несколько концепций, которые были противоположны взглядам, высказанным Бутлеровым. Это была теория радикалов. Ее основоположником стал Йенс Берцелиус. Он утверждал, что в молекулах есть особые элементы - радикалы, которые переходят из одного вещества в другое. Также существовала теория типов. Ее сторонники считали, что все сложные вещества являются производными простых неорганических веществ - воды, водорода, аммиака и т. д. Все эти концепции противоречили друг другу. Науке была необходима теория, которая поставила бы все на свои места.

Новые идеи Бутлерова

Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886 гг.) был одним из выдающихся химиков своего времени. Он много занимался теоретическими вопросами своей науки. В 1858-м ученый выступил на одном из заседаний Парижского химического общества. Тогда же впервые из его уст прозвучали основные положения теории Бутлерова.

Исследователь употребил в своем докладе новые термины, которые позже закрепились в международной науке. Например, именно он стал автором понятия структуры соединений. Ученый считал, что строение разных веществ позволяет отнести их к одним группам (в частности, это метан, хлороформ, метиловый спирт и т. д.).

Исследование синтеза веществ

В 1861 году в опубликованном докладе «О химическом строении вещества» были сформулированы основные положения теории химического строения А. М. Бутлерова. Ученый подробно описал способы синтеза и использования разных реакций. Одним из самых важных тезисов химика было его утверждение о том, что каждому химическому веществу соответствует одна формула. Ее важность заключается в том, что она характеризует все свойства и показывает связь атомов внутри молекул.

Теория Бутлерова также предусматривала, что с помощью управляемых реакций можно производить новые вещества. В последующие годы знаменитый химик и его ученики провели множество экспериментов, чтобы доказать это предположение. Им удалось синтезировать такие новые вещества, как изобутилен и некоторые спирты. Для своей эпохи эти открытия имели колоссальную значимость, которую можно сравнить только с важностью определения других элементов Менделеевым (например, экабора).

Систематизация химии

В XIX веке основные положения теории Бутлерова полностью изменили представление ученых о элементов. В частности, исследователь первым предположил, что молекулы являются не хаотическим скоплением атомов. Наоборот, они обладают упорядоченной структурой. Атомы соединены друг с другом в определенной последовательности, от которой также зависит характер всего вещества.

Бутлеров, разрабатывая свою теорию, опирался на математические принципы и законы. С помощью этой науки он смог объяснить большинство процессов и взаимосвязей в химических веществах. Для современников это была настоящая революция. Дело было в том, что даже если ученые и знали некоторые факты о характере определенных веществ, они не могли выстроить свои знания в четкую систематизированную картинку. Основные положения теории строения Бутлерова разрешили эту проблему. Теперь химия была не разрозненной копилкой фактов, а стройной системой, где все подчинялось строгой математической логике.

Многообразие веществ

Знаменитая теория Бутлерова много внимания уделяет изомерии - явлению, заключающемуся в существовании изомеров - равных по молекулярной массе и атомному составу веществ, которые в то же время отличаются друг от друга расположением атомов и строением. Эта особенность объясняет многообразие свойств веществ в природе.

Бутлеров доказал свою теорию на примере бутана. Согласно идее ученого, в природе должно было существовать два вида этого вещества. Однако в то время наука знала только один бутан. Бутлеров провел множество экспериментов и все-таки получил новое вещество, похожее по составу, но отличное по свойствам. Оно было названо изобутаном.

Влияние атомов друг на друга

Бутлеров открыл и другую важную закономерность. С образованием химических связей начинается процесс перехода электронов от одних атомов к другим. При этом меняется их плотность. Возникают электронные пары, которые влияют на свойство нового образующегося вещества. Ученый изучал этот феномен на примере хлороводорода, где хлор меняет электронную плотность связей водорода.

Бутлеров и основные положения теории строения смогли объяснить природу трансформации веществ. В дальнейшем принцип, открытый подробно исследовался его последователями и учениками. Осознание механизма изменения веществ позволило ученым понять, как синтезировать новые элементы. Особенный всплеск этих открытий начался в конце XIX века. Тогда европейские и американские ученые в новых лабораториях с помощью методов, которые предложил Бутлеров, смогли произвести новые вещества.

Химические связи

Бутлеров считал, что строение веществ можно изучать химическими методами. Это положение подтвердилось благодаря множеству удачных экспериментов ученого. Также исследователь был сторонником идеи о том, что формулы могут быть правильными, только если они станут отражать порядок химических связей разных атомов. Бутлеров занимался анализом этого предположения на протяжении многих лет.

Он выделял три вида связей - простую, двойную и тройную. Ученый был прав, но дальнейшее развитие науки показало, что есть и другие химические связи. В частности, теперь специалисты могут характеризовать их еще и с помощью физических параметров.

Развитие Бутлеровской теории

Новая теория строения химических соединений А. М. Бутлерова по своему характеру была материалистической. Ученый первым смело заявил о том, что исследователям по силам изучить свойства атомов, из которых строятся все элементы. При этом сам Бутлеров относился к своей теории как к временной. Он считал, что его преемники должны развить ее, поскольку она не до конца объясняла некоторые факты химической науки.

Ученый оказался прав. Теория Бутлерова в дальнейшем развивалась в двух направлениях. Первое заключалось в том, что наука смогла определить не только порядок соединения, но и пространственное расположение атомов в молекуле. Так возникла стереохимия. Эта дисциплина стала подробно исследовать Об этом новом направлении говорил еще сам Бутлеров, хотя он при жизни так и не успел изучить этот теоретический вопрос.

Вторым направлением развития теории ученого стало появление учения, посвященного электронному строению атомов. Это не только химическая, но и физическая дисциплина. Была подробнее исследована сущность взаимного влияния атомов и объяснены причины проявления разных свойств. Именно основные положения теории Бутлерова позволили ученым добиться таких успехов.

Лекция 15

Теория строения органических веществ. Основные классы органических соединений.

Органическая химия – наука, занимающаяся изучением органических веществ. Иначе ее можно определить как химию соединений углерода . Последний занимает особое место в периодической системе Д.И.Менделеева по многообразию соединений, которых известно около 15 миллионов, в то время как число неорганических соединений составляет пять сотен тысяч. Органические вещества известны человечеству с давних пор, как сахар, растительные и животные жиры, красящие, душистые и лекарственные вещества. Постепенно люди научились путем переработки этих веществ получать разнообразные ценные органические продукты: вино, уксус, мыло и др. Успехи в органической химии опираются на достижения в области химии белковых веществ, нуклеиновых кислот, витаминов и др. Огромное значение органическая химия имеет для развития медицины, так как подавляющее большинство лекарственных средств является органическими соединениями не только природного происхождения, но и получаемыми главным образом путем синтеза. Исключительное значение пробрели высокомолекулярные органические соединения (синтетические смолы, пластмассы, волокна, синтетические каучуки, красящие вещества, гербециды, инсектициды, фунгициды, дефолианты …). Огромно значение органической химии для производства продовольственных и промышленных товаров.

Современная органическая химия глубоко проникла в химические процессы, протекающие при хранении и переработке продовольственных товаров: процессы высыхания, прогоркания и омыления масел, брожения, хлебопечения, квашения, получения напитков, в производстве молочных продуктов и т.д. Большую роль сыграло также открытие и изучение ферментов, парфюмерно-косметических веществ.

Одной из причин большого разнообразия органических соединений является своеобразие их строения, что проявляется в образовании атомами углерода ковалентных связей и цепей, различных по виду и длине. При этом число связанных атомов углерода в них может достигать десятков тысяч, а конфигурация углеродных цепей может быть линейной или циклической. В цепи кроме атомов углерода могут входить кислород, азот, сера, фосфор, мышьяк, кремний, олово, свинец, титан, железо и др.

Проявление углеродом этих свойств связано с несколькими причинами. Подтверждено, что энергия связей С – С и С – О сопоставимы. Углерод обладает способностью к образованию трех видов гибридизации орбиталей: четыре sp 3 - гибридные орбитали, их ориентация в пространстве тетраэдрическая и соответствует простым ковалентным связям; три гибридные sp 2 - орбитали, расположенные в одной плоскости, в комбинации с негибридной орбиталью формируют двойные кратные связи (─С = С─); также с помощью sp – гибридных орбиталей линейной ориентации и негибридных орбиталей между углеродными атомами возникают тройные кратные связи (─ С ≡ С ─).При этом такие виды связей углеродные атомы образуют не только друг с другом, но и с другими элементами. Таким образом, современная теория строения вещества объясняет не только значительное число органических соединений, но и влияние их химического строения на свойства.

Она также в полной мере подтверждает основы теории химического строения , разработанной великим русским ученым А.М.Бутлеровым. ЕЕ основные положения:

1) в органических молекулах атомы соединяются друг с другом в определенном порядке согласно их валентности, что обусловливает строение молекул;

2) свойства органических соединений зависят от природы и числа входящих в их состав атомов, а также от химического строения молекул;

3) каждой химической формуле отвечает определенное число возможных структур изомеров;

4) каждое органическое соединение имеет одну формулу и обладает определенными свойствами;

5) в молекулах существует взаимное влияние атомов друг на друга.

Классы органических соединений

Согласно теории органические соединения подразделяют на два ряда – ациклические и циклические соединения.

1. Ациклические соединения. (алканы, алкены) содержат открытую, незамкнутую углеродную цепь – прямую или разветвленную:

Н Н Н Н Н Н Н

│ │ │ │ │ │ │

Н─ С─С─С─С─ Н Н─С─С─С─Н

│ │ │ │ │ │ │

Н Н Н Н Н │ Н

Нормальный бутан изобутан (метилпропан)

2. а) Алициклические соединения – соединения, имеющие в молекулах замкнутые (циклические) углеродные цепи:

циклобутан циклогексан

б) Ароматические соединения, в молекулах которых имеется скелет бензола – шестичленного цикла с чередованием простых и двойных связей (арены):

в) Гетероциклические соединения – циклические соединения, содержащие кроме атомов углерода азот, серу, кислород, фосфор и некоторые микроэлементы, которые носят название гетероатомы.

фуран пиррол пиридин

В каждом ряду органические вещества распределены по классам – углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, эфиры в соответствии с характером функциональных групп их молекул.

Существует также классификация по степени насыщенности и по функциональным группам. По степени насыщенности различают:

1. Предельные насыщенные – в углеродном скелете есть только одинарные связи.

─С─С─С─

2. Непредельные ненасыщенные – в углеродном скелете есть кратные (=, ≡) связи.

─С=С─ ─С≡С─

3. Ароматические – непредельные циклы с кольцевым сопряжением(4n + 2) π- электронов.

По функциональным группам

1. Спирты R-CH 2 OH

2. Фенолы

3. Альдегиды R─COH Кетоны R─C─R

4. Карбоновые кислоты R─COOH О

5. Сложные эфиры R─COOR 1

Химия и фармакология

Химическое строение вещества как порядок соединения атомов в молекулах. Взаимное влияние атомов и атомных групп в молекуле. При этом строго соблюдается четырехвалентность атомов углерода и одновалентность водородных атомов. Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава но и от порядка соединения атомов в молекуле явление изомерии.

§1.3. Основные положения теории химического строения органических соединений А.М.Бутлерова. Химическое строение вещества как порядок соединения атомов в молекулах. Зависимость свойств веществ от химического строения молекул. Взаимное влияние атомов и атомных групп в молекуле.
К шестидесятым годам прошлого столетия в органической химии накопился огромный фактический материал, который требовал объяснения. На фоне беспрерывного накопления экспериментальных фактов особенно остро проявлялась недостаточность теоретических представлений органической химии. Теория отставала от практики, от эксперимента. Такое отставание болезненно отражалось на ходе экспериментальных исследований в лабораториях; химики проводили свои исследования взначительной мере наугад, вслепую, зачастую не понимая природы синтезированных ими веществ и сути реакций, которые приводили к их образованию. Органическая химия, по меткому выражению Вёлера, напоминала дремучий лес, полный чудесных вещей, огромную чащу без выхода, без конца. «Органическая химия, как дремучий лес, в который легко войти, но невозможно выйти». Так, видимо, было суждено, что именно Казань дала миру компас, с которым не страшно зайти в «Дремучий лес органической химии». И этот компас, которым пользуются до сих пор – Теория химического строения Бутлерова. С 60-х годов позапрошлого столетия и поныне любой в Мире учебник по органической химии начинается с постулатов теории Великого русского химика Александра Михайловича Бутлерова.
Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова
1-е положение
Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям . Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).

Это положение относится к строению молекул всех веществ. В молекулах предельных углеводородов атомы углерода, соединяясь друг с другом, образуют цепи. При этом строго соблюдается четырехвалентность атомов углерода и одновалентность водородных атомов.

2-е положение. Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле (явление изомерии).
Изучая строение молекул углеводородов, А. М. Бутлеров пришел к выводу, что у этих веществ, начиная с бутана (С 4 Н 10 ), возможен различный порядок соединения атомов при одном и том же составе молекул.Так, в бутане возможно двоякое расположение атомов углерода: в виде прямой (неразветвленной) и разветвленной цепи.

Эти вещества имеют одинаковую молекулярную формулу, но разные структурные формулы и разные свойства (температуру кипения). Следовательно, это разные вещества. Такие вещества назвали изомерами.

А явление, при котором может существовать несколько веществ, имеющих один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу, но различающихся строением молекул и свойствами, называют явлением изомерии. Причем с увеличением числа атомов углерода а молекулах углеводородов увеличивается число изомеров. Например, существует 75 изомеров (различных веществ), отвечающих формуле С 10 Н 22 , и 1858 изомеров с формулой С 14 Н 30 .

Для состава С 5 Н 12 могут существовать следующие изомеры (их три)-

3-е положение . По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению - предвидеть свойства. Доказательство данного положения.Это положение можно доказать на примере неорганической химии.
Пример. Если данное вещество изменяет окраску фиолетового лакмуса на розовый цвет, взаимодействует с металлами, стоящими до водорода, с основными оксидами, основаниями, то мы можем предположить, что это вещество относится к классу кислот, т.е. в своем составе имеет атомы водорода и кислотный остаток. И, наоборот, если данное вещество относится к классу кислот, то проявляет вышеперечисленные свойства. Например: Н 2 S О 4 - серная кислота

4-е положение. Атомы и группы атомов в молекулах веществ взаимно влияют друг на друга.
Доказательство данного положения

Это положение можно доказать на примере неорганической химии.Для этого надо сравнить свойства водных растворов N Н 3 , НС1, Н 2 О (действие индикатора). Во всех трех случаях в состав веществ входят атомы водорода, но они соединены с разными атомами, которые оказывают различное влияние на атомы водорода, поэтому свойства веществ различны.
Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии, предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.
Осенью 1850 года Бутлеров сдал экзамены на ученую степень магистра химии и немедленно приступил к докторской диссертации «Об эфирных маслах», которую защитил в начале следующего года.

17 февраля 1858 года Бутлеров сделал доклад в Парижском химическом обществе, где впервые изложил свои теоретические идеи о строении вещества.Его доклад вызвал всеобщий интерес и оживленные прения:«Способность атомов соединяться друг с другом различна. Особенно интересен в этом отношении углерод, который, по мнению Августа Кекуле, является четырехвалентным, — говорил в своем докладе Бутлеров — Если представить валентность в виде щупальцев, с помощью которых атомы связываются между собой, нельзя не заметить, что способ связи отражается на свойствах соответствующих соединений».

Подобных мыслей никто до сих пор не высказывал. Может быть, настало время, — продолжал Бутлеров, — когда наши исследования должны стать основой новой теории химического строения веществ. Эта теория будет отличаться точностью математических законов и позволит предвидеть свойства органических соединений».

Через несколько лет, во время второй заграничной командировки, Бутлеров представил на обсуждение созданную им теорию Сообщение он сделал на 36-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере. Съезд состоялся в сентябре 1861 года. Он выступил с докладом перед химической секцией. Тема носила более чем скромное название- «Нечто о химическом строении тел».В докладе Бутлеров высказывает основные положения своей теории строения органических соединений.
Труды А.М. Бутлерова

Кабинет А.М. Бутлерова

Теория химического строения позволила объяснить многие факты, накопившиеся в органической химии в начале второй половины ХIХ в., доказала, что с помощью химических методов (синтеза, разложения и других реакций) можно установить порядок соединения атомов в молекулах (этим самым была доказана возможность познания строения вещества);

Внесла новое в атомно-молекулярное учение (порядок расположения атомов в молекулах, взаимное влияние атомов, зависимость свойств от строения молекул вещества). Теория рассматривала молекулы вещества как упорядоченную систему, наделенную динамикой взаимодействующих атомов. В связи с этим атомно-молекулярное учение получило свое дальнейшее развитие, что имело большое значение для науки химии;

Дала возможность предвидеть свойства органических соединений на основании строения, синтезировать новые вещества, придерживаясь плана;

Позволила объяснить многообразие органических соединений;

Дала мощный толчок синтезу органических соединений, развитию промышленности органического синтеза (синтез спиртов, эфиров, красителей, лекарственных веществ и др.).

Разработав теорию и подтвердив правильность ее синтезом новых соединений А.М. Бутлеров не считал теорию абсолютной и неизменной. Он утверждал, что она должна развиваться, и предвидел, что это развитие пойдет путем разрешения противоречий между теоретическими знаниями и возникающими новыми фактами.

Теория химического строения, как и предвидел А.М. Бутлеров, не осталась неизменной. Дальнейшее ее развитие шло главным образом в двух взаимосвязанных направлениях

Первое из них было предсказано самим А.М.Бутлеровым

Он считал,что наука в будущем сможет устанавливать не только порядок соединения атомов в молекуле,но и их пространственное расположение. Учение о пространственном строении молекул, называемое стереохимией (греч. «стереос» - пространственный), вошло в науку в 80-х годах прошлого столетия. Оно позволило объяснять и предсказывать новые факты, не вмещавшиеся в рамки прежних теоретических представлений.
Второе направление связано с применением в органической химии учения об электронном строении атомов, развитого в физике ХХ века. Это учение позволило понять природу химической связи атомов, выяснить сущность их взаимного влияния, объяснить причину проявления веществом тех или иных химических свойств.

Структурные формулы развернутые и краткие

Причины многообразия органических соединений

Атомы углерода образуют одинарные (простые), двойные и тройные связи:

Существуют гомологические ряды:

Изомеры:

PAGE \* MERGEFORMAT 1

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать
11957.		СТРАТЕГІЯ І ТАКТИКА БАНКУ У СФЕРІ ЛІЗИНГОВОЇ ІНДУСТРІЇ	423.72 KB
	139 ДИПЛОМНА РОБОТА СТРАТЕГІЯ І ТАКТИКА БАНКУ У СФЕРІ ЛІЗИНГОВОЇ ІНДУСТРІЇ Вступ За останні роки в економіці і банківській системі України відбулися радикальні зміни у сфері лізингового кредитування. Обсяг операцій лізингу в Україні є надзвичайно низ...
11958.		Совершенствование системы дистанционного банковского обслуживания в современных условиях (на примере «Приорбанк» ОАО)	523.74 KB
	ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к дипломному проекту на тему Совершенствование системы дистанционного банковского обслуживания в современных условиях на примере Приорбанк ОАО РЕФЕРАТ Объём пояснительной записки составляет 89 стр. рис. 13 табл. 12 источников прило
11960.		Разработка проекта реинжиниринга бизнес-процессов управления кредитной задолженностью	1.04 MB
	Содержание Перечень условных обозначений 1 Теоретические аспекты управления кредитной задолженностью в деятельности банка 1.1 Состояние и проблемы рынка розничных банковских услуг в Республике Беларусь в настоящее время 1.2 Методы управления кредитной задолжен...
11961.		Совершенствование технологии управления финансовыми рисками (на примере: ОАО «Сиббизнесбанк»)	1.06 MB
	Дипломная работа на тему Совершенствование технологии управления финансовыми рисками на примере: ОАО Сиббизнесбанк СОДЕРЖАНИЕ Введение Глава 1. Теоретические аспекты технологии управления финансовыми рисками 1.1 Понятие и виды финансового риска 1.2 ...
11963.		АНАЛИЗ ФИНАНСОВЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ БАНКА НА ПРИМЕРЕ ОАО «ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ БАНК»	960 KB
	Дипломная работа АНАЛИЗ ФИНАНСОВЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ БАНКА НА ПРИМЕРЕ ОАО ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ БАНК СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1 КРЕДИТНО-ИВЕСТИЦИОННАЯ ПОЛИТИКА БАНКА 1.1 Сущность инвестиционной деятельности банков и предприятий 1.2 Сущность кредитования для банков...
11964.		Деятельность Сберегательного банка на рынке ценных бумаг (на примере ОАО «УРАЛЬСКИЙ СБЕРЕГАТЕЛЬНЫЙ БАНК РФ»)	1013.46 KB
	ДИПЛОМНАЯ РАБОТА Тема: Деятельность Сберегательного банка на рынке ценных бумаг на примере ОАО УРАЛЬСКИЙ СБЕРЕГАТЕЛЬНЫЙ БАНК РФ СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СБЕРЕГАТЕЛЬНОГО БАНКА НА РЫНКЕ ЦЕННЫХ БУМАГ 1.1 Участники фондового ры...

Теория химического строения - учение о строении молекулы , описывающее все те её характеристики, которые в своей совокупности определяют химическое поведение (реакционную способность) данной молекулы. Сюда относятся: природа атомов , образующих молекулу, их валентное состояние, порядок и характер химической связи между ними, пространственное их расположение, характерное распределение электронной плотности , характер электронной поляризуемости электронного облака молекулы и т. д.

Основные положения теории химического строения, являющейся фундаментом химии , были развиты русским химиком А. М. Бутлеровым .

Бутлеров определял понятие химического строения так:

Исходя от мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определённым количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение действия этой силы, вследствие которой химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу .

Предпосылки создания теории химического строения

В 1812 году итальянский физик и химик Амедео Авогадро , изучая молекулярные веса газов (водорода , кислорода , азота , хлора), выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Однако работа Авогадро долгое время не получала признания, что тормозило развитие основных идей в области химического строения молекул. Лишь после убедительного доклада Станислао Канниццаро на первом международном съезде химиков в Карлсруэ (1860) атомные веса, определённые с помощью закона Авогадро, стали общепринятыми . На съезде разграничили понятия «атом», «молекула», утвердили атомно-молекулярное учение , основное положение которого «атомы при взаимодействии образуют молекулу».

Атомно-молекулярное учение послужило основой создания теории химического строения Бутлерова.

Теория химического строения Бутлерова

Термин «химическое строение» впервые ввёл А. М. Бутлеров 19 сентября 1861 года в докладе «О химическом строении веществ» на химической секции Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере (опубликованном в том же году на немецком и в следующем - на русском языках ). В том же докладе он заложил основы классической теории химического строения. Главные положения этой теории следующие:

• атомы в молекулах веществ соединены друг с другом согласно их валентности, порядок распределения связей в молекуле называется химическим строением;
• изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами;
• свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от «химического строения», то есть от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой;
• атомы в молекулах оказывают влияние друг на друга, и это влияние приводит к химическим изменениям поведения атома;
• определить состав и строение химического вещества можно по продуктам химических превращений.

Геометрия молекул

В 1864 году Бутлеров первым объясняет явление изомерии, показав что изомеры - это соединения, обладающие одинаковым элементным составом, но различным химическим строением. В 1874 году возникает стереохимия , или трёхмерная структурная химия в форме постулата Вант-Гоффа о тетраэдрической системе валентностей у атома углерода .

В настоящее время принято различать структурную и пространственную изомерию.

Структурную изомерию подразделяют на изомерию скелета, обусловленную различным порядком связи атомов, образующих скелет молекулы, например в Н-бутане и изобутане , и на изомерию положения одинаковых функциональных групп при одинаковом углеродном скелете молекулы, например в орто- , мета- и пара- изомерах ароматических соединений.

Пространственная изомерия обусловлена существованием стереоизомеров , соединений, имеющих одинаковый порядок связей атомов, но различное пространственное расположение. К видам пространственной изомерии относятся: оптическая изомерия , обусловливающая существование энантиомеров - пары стереоизомеров, представляющих собой зеркальные отражения друг от друга, не совмещаемые в пространстве; диастереомерия, обусловливающая существование изомеров, не являющихся энантиомерами; геометрическая изомерия, обусловливающая цис- и транс- изомеров , свойственных соединениям с двойными связями и малыми циклами.

Электронные интерпретации строения молекул

С открытием в 1897 году электрона (Дж. Томсоном , Э. Вихертом) появились электронные интерпретации строения молекул. Американский физикохимик Г. Льюис в 1912 году предложил электронную теорию химической связи, по которой связь между атомами в молекуле осуществляется обобществлённой электронной парой . Электронная теория химической связи Льюиса стала основой классической теории строения в органической химии, базирующейся на представлении о парной связи между атомами, образованной дублетом электронов. Валентный штрих между символами элементов в молекуле был заменён двумя точками, обозначающими связывающую электронную пару.

Квантовая природа межатомных сил

В своём докладе, прочитанном в Королевском колледже в Лондоне в ознаменовании столетия опубликования трудов Дж. Максвелла по электромагнитному излучению, К. Коулсон дал анализ происхождения и сущности межатомных сил, приводящих к образованию молекулы . Коулсон, ссылаясь на работу Лондона , на примере двух атомов водорода показывает «каким образом два нейтральных атома или молекулы могут оказывать притяжение друг к другу на значительном расстоянии».

Ядра A и B двух атомов водорода находятся на расстоянии r друг от друга (рис.). Каждый атом несёт по одном электрону (в P и Q соответственно). Совокупность зарядов +e в A и -e в P приблизительно эквивалентна электрическому диполю, имеющему величину e·AP. Подобным же образом совокупность +e в B и -e в Q приблизительно эквивалентна электрическому диполю e·BQ. Эти два диполя взаимодействуют друг с другом. Общая потенциальная энергия двух диполей, m и m", находящихся на расстоянии r, равна:

M m ′ r 3 − 3 (m r) (m ′ r) r 5 {\displaystyle {\frac {mm"}{r^{3}}}-3{\frac {(mr)(m"r)}{r^{5}}}}

На языке волновой механики это выражение рассматривается как возмущение, действующее на оба атома.

Природа межатомных сил имеет электромагнитный характер и называется диполь-дипольным взаимодействием. Существуют диполь-квадрупольные, квадруполь-квадрупольные и другие взаимодействия, при которых энергия изменяется в зависимости от более высоких степеней 1/r .

Распределение электронной плотности в химических соединениях

Электронная плотность - это плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке пространства. Электронная плотность нормирована и, соответственно, указывает на вероятное число электронов в данном элементарном объёме.

Вероятностную (статистическую) интерпретацию волновой функции сформулировал М. Борн в 1926 году как только было опубликована волновое уравнение Шрёдингера . В 1954 году М. Борн удостоен Нобелевской премии по физике с формулировкой «За фундаментальное исследование в области квантовой механики, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции».

Расчёт электронной плотности проводят с использованием уравнения Шрёдингера, которое решается аналитически точно для систем, содержащих только один электрон.

Получаемая радиальная функция распределения вероятности нахождения электрона в атоме водорода обладает максимумом при α 0 , как показано на рисунке. Этот наиболее вероятный радиус совпадает с боровским радиусом и принят в качестве атомной единицы для линейных размеров 1 а. е. (бор) = 0,529177·10 −10 м ≈ 0,529 Å. Более размытое облако плотности вероятности, полученное при решении уравнения Шрёдингера для атома водорода, значительно отличается от боровской модели атома и согласуется с принципами неопределённости Гейзенберга . С учётом статистической интерпретации волновой функции М. Борна и принципа неопределённости Гейзенберга длины диполей AP и BQ взаимодействующих атомов в расчётах Ф. Лондона достаточно размыты. Размыто и электронное кольцо в модели молекулы водорода по Н. Бору до состояния тороидального электронного облака с неопределёнными границами.

Наиболее вероятный радиус электронного кольца (тора) молекулы водорода (r e) определяется боровским радиусом (α 0) и длиной химической связи (d): r e 2 = α 0 2 - (d/2) 2 ; r e = 0,374 Å.

Благодаря пространственной симметрии дипольный момент молекулы водорода равен нулю, что соответствует её низкой химической активности . Пространственная симметрия электронной плотности сохраняется, если соединяющиеся в молекулу атомы имеют одинаковую энергию ионизации . В этом случае связывающее электронное кольцо располагается на равном расстоянии от каждого из ядер. Если же потенциалы ионизации различны электронная плотность смещается в сторону атома с большим первым потенциалом ионизации . Смещение электронной плотности приводит к асимметрии распределения электрических зарядов в молекуле, молекула становится полярной системой с определённым дипольным моментом .

Приближённые квантовохимические методы расчёта

Поскольку точное решение уравнения Шрёдингера для атомно-молекулярных систем, содержащих два и более электрона, невозможно, предложены приближённые методы расчёта электронной плотности. Все они возникли в 1930-х годах, проделали значительный путь развития и долгое время дополняли друг друга. Наиболее важные из них - теория валентных связей , теория молекулярных орбиталей , теория кристаллического поля , теория функционала плотности .

В рамках теории валентных связей разработана концепция резонанса (Л. Полинг) и родственная ей концепция мезомерии (К. Ингольд). Концепция резонанса рассмотрена на примере молекулярного иона водорода . Л. Полинг показал, что стабильность молекулярного иона водорода:

вызвана резонансом электрона, то есть движением его «взад и вперёд» между двумя ядрами с «резонансной частотой», равной по величине энергии резонанса (50 ккал/моль), делённой на константу Планка h. Для молекулярного иона в основном состоянии эта частота равна 7.10 14 сек −1 .

Концепция резонанса дополняла постулаты классической теории химического строения и утверждала, что если для данного соединения классическая теория допускает построение нескольких приемлемых структурных формул, то действительному состоянию молекул этого соединения отвечает не какая-либо одна отдельная формула, а некоторое их сочетание (наложение, резонанс структур) .

Мезомерия является теорией электронного строения химических соединений, согласно которой истинное распределение электронной плотности в молекуле является промежуточным между распределениями, представленными несколькими классическими формулами .

Обычно рассматривают положительный и отрицательный мезомерные эффекты:

Кампания идеологического вмешательства в теорию химического строения

Кампания началась в 1949 году с публикации статьи В. М. Татевского и М. М. Шахпаронова «Об одной махистской теории в химии и её пропагандистах» . В качестве главного объекта нападения была выбрана теория резонанса Л. Полинга. Было объявлено, что «представления о реальной молекуле как о чём-то среднем между двумя (и более) крайними абстрактными структурами являются буржуазными и поэтому направленными против всего самого „святого“». Были указаны и пропагандисты теории Я. К. Сыркин и М. Е. Дяткина - авторы книги «Химическая связь и строение молекул», в которой нашла отражение теория резонанса.

В воздухе очередной раз запахло инквизицией. В этой тревожной обстановке ведущие химики страны собрались на Всесоюзное совещание по проблемам химического строения (1951 г., Москва). Стенограмма этого совещания - один из наиболее позорных документов, когда-либо созданных коллективными усилиями ученых, хранится в химических библиотеках всего мира, и от этого срама бог весть когда ещё удастся отмыться… До крови не дошло - спасла оттепель, начавшаяся весной следующего года. Я. К. Сыркин и М. Е. Дяткина, подготовленные недавними друзьями и коллегами к выдаче в качестве первых козлов отпущения, уцелели; более того Я. К. Сыркин в дальнейшем стал академиком .

Лайнус Полинг удостоен в 1954 году Нобелевской премии по химии «за исследование природы химической связи и её применение для определения структуры сложных соединений».

Однако консенсус в теории химического строения не был достигнут. В. М. Татевский в курсе «Строение молекул» (1977 г.) отмечал:

… полностью выпадают и «висят в воздухе» представления уходящих в прошлое, но всё ещё фигурирующих в литературе так называемых «теории резонанса» и «теории мезомерии», которые не имеют основы ни в классической теории химического строения, ни в законных приложениях классической физики к вопросам строения молекул, ни в квантовой механике .

Лишь в 1991 году проведён принципиальный анализ кампании по борьбе с теорией резонанса и было показано, что эта кампания «нанесла серьёзный ущерб престижу советской науки» .

Атомы в молекулах

В классической теории химического строения понятие атома в молекуле является изначальным. Интуитивно ясно, что атом в молекуле меняется, меняются и его свойства в зависимости от окружения этого атома, прежде всего ближайшего. Основным показателем является расстояние между атомами в молекуле, определяющее как длину химической связи , так и прочность химической связи .

В квантовой теории понятие атома вторично. Так, по утверждению В. М. Татевского, молекула не состоит из атомов: «С современной точки зрения ясно, что при образовании молекулы сохраняются не атомы, а только ядра атомов и электроны» .

Одна из наиболее удачных попыток сохранения классической концепции атома в молекуле принадлежит Р. Бейдеру и его сотрудникам . В рамках этой теории (QTAIM) электронная плотность «задаёт некоторое скалярное поле в трёхмерном пространстве, которое может быть охарактеризовано, например, его совокупностью экстремальных точек, линий и поверхностей, особых точек и т. п.» .

Таким образом, в квантовой теории атомов в молекулах Р. Бейдера оказывается возможным физическое обоснование ключевых понятий химии «атом », «молекула », «химическая связь » в терминах топологии функции электронной плотности в трёхмерном пространстве и описание химического строения молекул.

Электронная корреляция и конфигурация молекул

Электронная корреляция (взаимная обусловленность движения всех электронов атомной или молекулярной системы как целого определяется электростатическим отталкиванием электронов и статическим особенностями систем, в частности принципом Паули (фермиевская корреляция). Полный учёт электронной корреляции при расчёте энергии и определении электронной структуры системы достигается методом конфигурационного взаимодействия.

Простая и надёжная система правил для понимания и предсказания конфигурации молекул заложена в теории отталкивания электронных пар, наиболее важное правило которой достаточно эмпирично, хотя имеет квантовомеханическое обоснование, заключающееся в принципе Паули, а именно «электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга». При этом конфигурация молекулы будет определяться числом связывающих и неподелённых электронных пар у центрального атома:

• две связывающие электронные пары дают линейную конфигурацию молекулы;
• три - конфигурацию правильного треугольника;
• четыре - конфигурацию тетраэдра;
• пять - тригонально-бипирамидальную конфигурацию;
• шесть - конфигурацию октаэдра.

Наличие неподелённых электронных пар у центрального атома приводит к расширению типов конфигураций молекулы .

Строение соединений благородных газов

Открытие Бартлетта показало ошибочность популярного в то время правила октета , [как? ] согласно которому при образовании молекул атомы удовлетворяют свою потребность в достижении 8-электронной валентной оболочки, подобной электронной конфигурации благородных газов за счёт попарного обобществления своих валентных электронов. Оказалось, что атомы благородных газов, имея полностью заполненную валентную оболочку, могут вступать в химические реакции и участвовать в химическом строении молекул.

Строение электронодефицитных соединений

Структурная проблема, связанная с электронодефицитными соединениями, довольно сложна. Фундаментальная трудность заключалась в том, что в молекулах нет достаточного числа валентных электронов для того, чтобы связать все атомы обычными двухэлектронными связями. Так, например, в молекуле диборана имеется двенадцать валентных электронов, все двенадцать нужны для образования ковалентных связей шести атомов водорода с бором, так что для связи атомов бора между собой электронов не остаётся. Сам Полинг допускал, что в диборане функционируют одноэлектронные связи , а молекула в основном состоянии резонирует между семью структурами льюисовского типа, а также между многочисленными структурами, содержащими одноэлектронные связи.

Однако заслуженное признание получили исследования природы химической связи в бороводородах, выполненные американским физикохимиком У. Липскомбом . В его интерпретации в диборане имеют место четыре двух- и две трёхцентровые связи.

Четыре концевые двухцентровые двухэлектронные связи HB лежат в одной плоскости. Два же центральных атома водорода расположены симметрично над этой плоскостью и под нею и объединены с атомами бора двумя трёхцентровыми связями.

В 1976 году Липскомб удостоен Нобелевской премии по химии с формулировкой «за исследование структуры боранов (боргидритов), проясняющих проблему химических связей».

Особенности строения сэндвичевых соединений

Дальнейшее развитие теории химического строения связано с открытием и установлением структуры