Химиялық құрылыс теориясы

Химиялық құрылыс теориясы

Неміс ғалымдары А. Кекуле мен А. Кольбенің зерттеулері нәтижесінде (1857 жылдары) көміртек атомының валенттіктері төртке тең екені және басқа көміртек атомдарымен тізбек түзе байланыса алатындығы белгілі болды. Сол кезден бастап көміртек атомы оның валенттіктерін бейнелейтін төрт сызықша арқылы байланысқан "С" таңбасы арқылы белгіленді.

Бірақ бұл ғалымдар органикалық химияда сол кезде түсініксіз болған көп сұрақтарға жауап беретін жалпы теорияны шығара алмады.

Осындай көп мәселелерді Қазан университетінің профессоры Александр Михайлович Бутлеров 1861 жылы негізін қалаған органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясы түсіндірді. Ол теорияның негізгі қағидалары мыналар:

1. 
   Органикалық зат молекуласындағы атомдар ретсіз орналаспайды, олар өздерінің валенттіктеріне сай белгілі бір ретпен байланысады. A. М. Бутлеров молекуладағы атомдардың байланысу ретін заттың химиялық құрылысы депатады.
   
2. 
   Заттың қасиеті оның молекуласының құрамына, қандай атомдардың қанша мөлшерде кіретіндігіне тәуелді болуымен қатар молекуладағы атомдардың өзара байланысу ретіне де (яғни, химиялық құрылысына) тәуелді болады. Молекуладағы атомдардың байланысу реті көрсетілген химиялық формула құрылымдың формула немесе құрылыс формуласы деп аталады. Зат молекуласының құрылысын осы заттың өзіне ғана тән жалғыз құрылымдың формуласы арқылы өрнектеуге болады.
   
3. 
   Молекула құрамындағы атомдар мен атом топтары бір- бірінің химиялық қасиетіне әсер етеді. Бір-бірімен тікелей байланысқан атомдар мен атом топтарының өзара әсерлері күштірек болады.
   
4. 
   Заттың қасиеті арқылы оның молекуласының құрылысын анықтауға және керісінше оның молекуласының химиялық құрылысы бойынша заттың қасиетін болжауға болады.
   

Енді химиялық құрылыс теориясының кейбір жағдайларын талдап түсінейік.

1. Органикалық қосылыстар молекуласындағы әр элемент атомы өзінің валенттігіне сәйкес (көміртек — төрт, оттек — екі, сутек — бір валентті) белгілі бір тәртіппен қосылады. Көміртек атомдары бірімен-бірі және басқа атомдармен ортақ электрон жұптарын түзеді. Сендер коваленттік байланыстың екі элемент атомы электрондарының жұптасуы (электрон орбитальдарының өзара қаптасуы) арқылы түзілетінін білесіңдер. Молекуладағы атомдардың байланысу ретін электрондық формуламен қатар құрылымдық формуласы да бейнелейді. Яғни, құрылымдың формула (кейде құрылыс формуласы деп те аталады) молекуладағы атомдардың өзара байланысу тәртібін көрсететін формула.

2. Сандық және сапалық құрамдары бірдей, бірақ қасиеттері әр түрлі заттардың болуын химиялық құрылыс теориясы түсіндірді. Молекулалық формуласы бірдей С₂Н₆O-ға сай екі заттың құрылысы мен қасиеттерін салыстырайық. Диметил эфирінің құрамындағы оттек атомы екі жағынан көміртек атомдарымен байланысқан, сутек атомдарының бәрі көміртектермен байланысқан.

Этил спиртіндегі оттек бір көміртек және бір сутек атомымен байланысқан, сутек атомдарының бесеуі көміртекпен, біреуі оттекпен жалғаскан. Бұл екі қосылыстың қасиеттері әр түрлі. Диметил эфирі бөлме температурасында газ тәрізді, ал этил спирті — сұйық зат. Химиялық касиеттері де өзгеше.

3. Енді молекуладағы атомдар мен атом топтары бір-біріне өзара қалай әсер ететінін қарастырайық. Атомдардың (не атомдар тобының) реакцияласу қабілеті олардың қандай атомдармен байланысқанына тәуелді. Себебі атомдар мен атом топтары өзара әсерлеседі. Бір-бірімен өзара байланысқан атомдардың әсерлері көбірек болады. Жоғарыда қарастырылған диметил эфирі мен этил спиртінің құрамдарын салыстырсақ, спирт молекуласындағы оттек атомымен байланысқан сутектің қасиеті көміртекпен байланысқан сутектердің қасиеттерінен өзгеше. Электртерістігі үлкен оттек атомының әсерінен тек оттекпен байланысқан сутек қана белсенді металдармен орынбасу реакцияларына түсе алады:

2С₂Н₅ОН + 2Na → 2C₂H₅ONa+ Н₂↑

Ал диметил эфиріндегі сутектер белсенді металмен орынбасу реакциясына түспейді.

4. Зат молекуласының құрылысы мен қасиеттерінің арасындағы өзара байланысқа қысқаша тоқталайық. Жоғарыда қарастырылған мысалдан молекулалық құрамдары бірдей екі заттың біреуі (диметил эфирі) белсенді металдармен әрекеттеспей, ал екіншісінің (этил спиртінің) әрекеттесетініне көз жеткіздіңдер. Осыдан диметил эфирі құрамындағы сутектердің бәрі көміртек атомдарымен байланысқанын, ал этил спиртіндегі белсенді металға орнын алмастырған бір сутектің оттек атомымен жалғасып тұрғанын болжауға болады.

Диметил эфирі мен этил спиртінің мысалында келтірілген құрылымдық формулалары арқылы жалғасып тұрған атомдар бір-біріне әсер ететіндіктен, заттардың қасиеттері (физикалық та, химиялық та) өзгеше болатынын білдіңдер. Органикалық химиямен кеңірек танысқаннан кейін өздерің де құрылымдық формулалары бойынша заттардың қасиеттерін болжай аласыңдар.

Енді изомерлену құбылысымен кеңірек танысайық. Органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясы жасалғанға дейін құрамы С₄Н₁₀-ға сәйкес бір ғана тармақталмаған бутан белгілі болған. A. М. Бутлеров молекулалық формуласы осындай (С₄Н₁₀), бірақ молекуласындағы көміртек атомдары басқа ретпен қосылысқан тағы бір заттың болуы мүмкін екенін болжады. Кейін ол құрылысы басқа екінші бутанды (изобутанды) синтездеп алып, теориясының дұрыстығын дәлелдеді

Ықшамдалған формулалардағы сызықшалар көміртек атомдарының арасындағы өзара байланысу ретін ғана көрсетеді, көміртек мен сутек атомдарының арасындағы байланысты көрсетпейді.

Қаныққан көмірсутектердің бутаннан кейінгі өкілі пентанның С₅Н₁₂ үш изомері бар. Молекула құрамындағы көміртек атомдарының саны өскен сайын изомерлердің саны да өседі. Мысалы, құрамында алты көміртек атомы бар гексанның С₆Н₁₄ 5 изомері, ал гептанның С₇Н₁₆ 9 изомері болады. Деканның С₁₀Н₂₂ изомерлерінің саны 75-ке жетеді екен.

Бутанның мысалында сендер құрылымдық изомерленумен, соның ішінде көміртек қаңқасынының изомерлерімен таныстыңдар. Изомерленудің бұл түрі көміртек тізбегіндегі көміртек атомдарының өзара қосылысу ретіне байланысты. Көміртек қаңқасы — молекуладағы көміртек атомдарының өзара байланысу ретіне қарай ашық (тізбекті, тармақты) және тұйық (циклді) болады.

Көміртек қаңқасының изомерлерін табу үшін, ең алдымен, берілген молекуладағы көміртек атомдарының санына сәйкес көміртек қаңқасын (көміртек тізбегін) құрып алады.

Көміртек атомдарының валенттіктерін төртке жеткізіп, қалған валенттіктерін сутек атомдарымен толтырамыз. Басқа көміртек атомдарымен байланысқа бір валенттігін жұмсаған шеткі көміртек атомы үш сутек атомымен, ал екі жағындағы екі көміртекпен байланысқа екі валенттігі жұмсалған ортадағы көміртек екі сутек атомымен, үш көміртек атомымен байланысып тұрған көміртек бір сутек атомымен ғана байланыса алады. Ал төрт валенттігі байланысқа түгел жұмсалған көміртек сутек атомымен байланыспайды.

Химиялық құрылыс теориясы — органикалық химияның іргетасы. Оның органикалық химиядағы маңызын бейорганикалық химиядағы Д. И. Менделеевтің периодтық жүйесімен салыстыруға болады.

Химиялық құрылыс теориясы молекулаларды өзара қатаң тәртіппен байланысқан атомдардан тұратын жүйе ретінде қарауға мүмкіндік берді. "Молекуланың құрылысын білуге болмайды" деген идеалистік көзқарасқа соққы беріп, органикалық химияда белгісіз болған көп фактілерді, мысалы, изомерлену құбылысын түсіндірді.

Органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясы іс жүзінде жинақталған көп материалдарды жүйелеуге, жаңа заттардың бар екенін болжауға және олардың алу жолдарын көрсетуге көмектесті.

Органикалық химия құрылыс теориясының арқасында аналитикалық ғылымнан синтетикалық ғылымға айналды.

Дәріс материалдарын игергеннен кейін білуге қажетті негізгі түсініктер: циклоалкандардың номенклатурасы мен изомериясы, физикалық және химиялық қасиеттері, жеке өкілдері

Өзін өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. 
   Алициклды қосылыстарды қандай жолмен алады?
   
2. 
   Алициклді қосылыстардың химиялық қасиеттері қандай?
   
3. 
   Алициклді қосылыстарға тән изомерия?
   

1. Бруис, П.Ю. Органикалық химия негіздері. 1-бөлім: оқулық /П.Ю. Бруис; [қазақ тіліне ауд. Бажықова К.Б.] – Алматы: Полиграфкомбинат, 2013. 93, 115-127 б.

2. В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабян, А.П. Лузин, Н.А. Тюкавкина. Органическая химия. – М.: Дрофа, 2008. –Кн.1, С. 171-182

3. В.Ф. Травень. Органическая химия. – М.: Академкнига, 2008. Т.1., С.208-232

Дәріс жоспары:

1. 
   Ароматтылық. Кекуле формуласы.
   
2. 
   Бензол құрылысы туралы замануи электрондық және кванттық-химиялық көзқарастар
   
3. 
   Бензол және оның гомологтары
   

Классификациясы:

1. 
   Гомоциклді ароматты қосылыстар
   
2. 
   Гетероциклді ароматты қосылыстар
   

Пиридин Пиррол фуран

Гомоциклді ароматты қосылыстардың ең қарапайым өкілі бензол. Формуласы С₆Н₆. Бензолдың бірнеше құрылымдық формулалары бар.

Армстронг Байер Дьюар Клаус Ладенбург

Бірақ осылардың ішінен ең ықтималдысы кекуле формуласы болып табылады. Оны эксперименттік түрде дәлелдеген.

Бензол малекуласында барлық алты көміртек атомы бір-бірімен 2 σ-байланыс арқылы, ал бір атомы 1 σ-байланыспен сутегіне байланысқан.

Сурет. 1 σ – байланысының түзілуі

Сонымен қатар көміртегі атомдарының әр қайсысының бір-бірден р-электроны бар. Осы р-электрондары арқылы π секстет түзеді. Секстет дегеніміз алтыны білдіреді.

Изомериясы бүйір тізбегіндегі көміртегі атомдарының санына және орналасу тәртібіне байланысты.

Хюккельдің ароматтылық ережесі

Кез-келген жазық орналасқан тұйық система ароматты болады, егер оның құрамындағы гибридтелмеген р-электрондарының саны 4n+2 ге тең болса (n=0,1,2,3…)

Хюккель ережесіне мысал:

1) циклді +

2)копланарлы+

(барлық көміртегі sp² гибриттелген)

3)4n + 2 = 6

бензол n = 1 ароматты

1. 
   циклді +
   
2. 
   копланарлы +
   
3. 
   4n + 2 = 10
   

1. 
   циклді +
   
2. 
   копланарлы емес –
   
3. 
   4n + 2 = 4
   

1. 
   циклды +
   
2. 
   копланарлы емес –
   
3. 
   4n + 2 = 6
   

циклогептатриен

1. 
   циклды +
   
2. 
   копланарлы +
   
3. 
   4n + 2 = 6
   

тропилий катионы

Дәріс материалдарын игергеннен кейін білуге қажетті негізгі түсініктер: ароматтылық, Кекуле формуласы, бензол құрылысы туралы замануи электрондық және кванттық-химиялық көзқарастар, бензол және оның гомологтары

Өзін өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. 
   Қандай қосылыстар ароматтылыққа ие?
   
2. 
   Неліктен бензол және оның гомологтары ароматты қосылыстарға жатады
   
3. 
   Бензолдың құрылысы жайлы қандай көзқарастар бар?
   

1. Бруис, П.Ю. Органикалық химия негіздері. 1-бөлім: оқулық /П.Ю. Бруис; [қазақ тіліне ауд. Бажықова К.Б.] – Алматы: Полиграфкомбинат, 2013. 293-330 б.

2. В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабян, А.П. Лузин, Н.А. Тюкавкина. Органическая химия. – М.: Дрофа, 2008. –Кн.1, С. 249-298

3. В.Ф. Травень. Органическая химия. – М.: Академкнига, 2008. Т.1., С.380-384, 411-457

Дәріс жоспары:

1. 
   Гибридтену негіздері
   
2. 
   Молекулалар арасындағы байланыс
   
3. 
   Молекуланың диполь сәті
   
4. 
   Молекулааралық күш және молекуланың электрлік құрамы
   
5. 
   Бензол молекуласының электрондық құрылысы π электрондық жуықтауда
   

Құрамы АВ_n формуласымен өрнектелетін молекулалардағы көпвалентті А атомы орталық атом, ал онымен тікелей байланысқан В атомдары лиганд деп аталады. Орталық атоммен тікелей байланысқан шеткі атомдардың (лигандтардың) саны n - орталық атомның координаңиялық саны деп аталады, оның мәні ВБ әдісі бойынша орталық атомның сигма-байланыстар түзуге жүмсайтын орбитальдарының санына тең болады. АВ_n молекуласындағы ВАВ бұрышы валенттік бұрыш деп аталады.

Гибридтену теориясы бойынша молекуланың (ионның) кеңістіктегі құрылысы орталық атомның о-байланыстар түзуге жұмсайтын орбитальдарының типіне байланысты болады.

Орталық атомның $-байланыстар түзуге жұмсайтын орбитальдарының типі және молекулалардың геометриялық пішіні