А.М. Бутлеровтың органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясының негізгі қағидалары. Химия, 11 сынып, дидактикалық материал.

Дәріс 1 – Органикалық құрылыс теориясының қазіргі күйі.

Дәріс жоспары:

• Химиялық құрылыс теориясы
• Химиялық құрылыс теориясының негізгі қағидалары
• Органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясының дамуы мен маңызы

ОРГАНИКАЛЫҚ ХИМИЯ – химияның көміртек және оның басқа элементтермен түзілген органикалық қосылыстарын, олардың өзара түрлену заңдылықтарын зерттейтін саласы. О. х-ның органик. заттардың синтезі мен құрылымын анықтауда, ондағы электрон тығыздығының таралуын, атомдардың кеңістіктік орналасуын және хим. реакция механизмін белгілеудегі мүмкіндіктері шексіз. Сонымен қатар ол ғылым мен техниканың жаңа салаларының пайда болуына және дамуына ықпал етеді. О. х. терминін алғаш 1808 ж. швед химигі И.Берцелиус (1779 – 1848) ұсынған. Бұл термин ол кезде тек тірі организмдермен ғана байланыстырылып түсіндірілді. 19 ғ-дың аяғында көптеген зерттеулер нәтижесінде органик. қосылыстар синтезделіп, ол түсінік жоққа шығарылды. О. х-ның ғылым ретінде дамуы осы кезден басталады. О. х-ның дамуында 1861 ж. А.Бутлеров ашқан органик. заттардың құрылыс теориясы маңызды орын алады. Осыған байланысты О. х-ға химиялық байланыс, молекулада атомдардың байланысу реті, олардың өзара әсері, т.б. жаңа ұғымдар енді. Бутлеровтың құрылыс теориясы осыған дейін белгісіз болып келген изомерия құбылысын толық түсіндіре алды. Одан басқа: типтер теориясы, фрагменттердің молекуладан өзгеріссіз жаңа молекулаға өтуі, валенттілік ережесі, бензолдық теория, құрылыс, изомерия құбылысы, молекуладағы атомдардың кеңістіктік орналасуы, атомдардың өзара әсер теориялары, т.б. көптеген жаңалықтар О. х-ны одан әрі дамытты. 20 ғ-дың басында талдаудың жаңа физ. әдістері жасалып, жетілдірілді: хроматогр., ЭПР, рентген, құрылымдық талдау, масс-спектроскопия, ядр.-магн. резонанс, инфрақызыл- және ультракүлгін-спектрометриясы, т.б. Бұл әдістер хим. әдістерді қолданбай-ақ, күрделі органик. заттардың құрылымын тез және дәл анықтау мүмкіндігін берді. 1915 – 16 ж. химияға кванттық механика әдістерін қолдануға байланысты органик. қосылыстарда электрон және оның тығыздығының таралу табиғатын түсінуге мүмкіндік туды (мезомерия және резонанс теориясы). 20 ғ-дың 2-жартысында тізбекті реакциялар теориясы,  қышқыл-негіз және гетерогендік катализ теорияларын түсінуге жол салған зерттеудің кенетик. әдістері қолданыла бастады. Әсіресе сұйық отын тапшылығы туғанда Бергиус реакциясы арқылы көмірді сұйық көмір сутектерге гидрлеу орын алды (1912 – 13). Полимерлер химиясы кең өріс ала бастады. 1897 – 99 ж. полимерлеу нәтижесінде каучук, медицина мен техникада қолданылып жүрген бластомерлер алынды. Ал 1936 ж. синтетик. полимерлер найлон, тефлон синтезделді. Полимерлер хи-миясы жоғары молекулалы қосылыстар деп аталатын химияның үлкен бір саласына айналды. О. х-да бояулар химиясы ерекше орын алады. Бұл саланың дамуында неміс химик-органигі А.Гофман (1818 – 1892) лаб-ның еңбектері зор болды. 1856 ж. ең алғашқы синтет. бояғыш – мовеин, ал 1858 ж. фуксин алынды. Бояғыш заттар фотогр. ісінде кеңінен қолданыла бастады. Қазақстанда О. х. өткен ғ-дың 30-жылдарынан дами бастады. Оның негізін салушы ғалымдар: А.Ш. Шәріпханов, И.Н. Назаров, И.Н. Азербаев, Т.І. Шомбалов, Н.Н. Воронцов болды. Олар өз зерттеулерін екі бағытта жүргізді: жаңа органик. заттар синтездеу және Қазақстан өсімдіктерінің хим. құрамын зерттеу. Зерттеулердің мақсаты синтез жолымен және өсімдіктер дүниесі негізінде дәрілік, биол. белсенді заттар алу. Қазақстанның органик ғалымдары гетероциклді және ацетилен қосылыстары негізінде нәзік органик. синтезді жүзеге асырып, дәрілік препараттар “Рихлокаин”, “Алмакаин”, “Цефедрин”, “Пирикаин”, “Просидол”, өсімдік тектес препараттар “Алхидин”, “Рамон”, “Сүттіген”, т.б. синтездеп, өндіріске енгізді. О. х. басқа пәндермен (биохимия, агрохимия, медицина, т.б.) тығыз байланысты. Ол тірі организмдердегі биохим. процестерді анықтап, көптеген ауруларды емдеудің тиімді жолдарын табуға мүмкіндік береді. О. х-ның жетістіктері қазіргі кездегі өндірісте (өсімдік өсуін реттеуіштер, бояу, жасанды каучук, жанармай өндіру) кеңінен қолданылады.

Химиялық құрылыс теориясы

XIX ғасырдың бірінші жартысында қарқындап дамып келе жатқан өнеркәсіпке қажет көптеген органикалық заттар (әр түрлі бояулар, дәрі-дәрмек, жарылғыш заттар, т.б.) алынып, зерттеле бастады. Сондықтан жинақталған тәжірибелік материалдарды жүйелеп түсіндіретін ілім қажет болды. Сол кезде көптеген мәселелер түсініксіз болды. Мысалы, "Екі ғана элемент — көміртек пен сутектен тұратын қосылыстардың саны неге өте көп (СН₄, С₂Н₂, С₂Н₄, С₂Н₆, С₆Н₆ және т.б.)?", "Бұл қосылыстардағы көміртек атомдарының валенттіктерін қалай түсіндіруге болады?", "Құрамдары (формулалары) бірдей кейбір заттар (С₆Н₁₂О₆ — глюкоза мен фруктоза, С₂Н₆О — этил спирті мен диметил эфирі) неліктен әр түрлі қасиет көрсетеді?" деген сияқты сансыз көп сұрақтар туды.

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.

Кекуле Фридрих Август (1829-1896) Неміс химигі. Кольбемен қатар көміртектің төрт валентті екенін болжады (1857 жылы). Көміртек атомдарының n санымен байланысқан сутек атомдарының саны 2n+2-ге тең болатындығын алғаш дәлелдеді. Бензол молекуласының циклді пішінін ұсынып (1865 жылы), Бутлеровтың химиялық құрылыс теориясын ароматты қосылыстарға пайдаланды. Ароматты қосылыстар теориясын жасады. Карлсруэде өткен химиктердің I Халық- аралық конгресін ұйымдастырушылардың бірі.

Кольбе Адольф Вильгельм Герман (1818-1884) Неміс химигі. Төртхлорлы көміртекті элементтерден синтездеуге болатынын (1843 жылы) дәлелдеді. Карбон қышқылдарының тұздарынан электрохимиялық жолмен қаныққан көмірсутектерді электролиздеп алу әдісін ашты (Кольбе реакциясы). Екіншілік және үшіншілік спирттердің болатынын болжады. Кекулемен қатар көміртектің төрт валентті екендігін айтты. Радикалдар теориясын қолдады.

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:

• 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.
• 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.
• Молекула құрамындағы атомдар мен атом топтары бір- бірінің химиялық қасиетіне әсер етеді. Бір-бірімен тікелей байланысқан атомдар мен атом топтарының өзара әсерлері күштірек болады.
• Заттың қасиеті арқылы оның молекуласының құрылысын анықтауға және керісінше оның молекуласының химиялық құрылысы бойынша заттың қасиетін болжауға болады.

Молекуланың химиялық құрылысы

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.

Бутлеров Александр Михайлович (1828-1886) Орыс химигі. Органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясының негізін қалады. Теорияға сүйене отырып бірқатар жаңа қосылыстарды болжап, тұңғыш рет синтездеді. Көптеген органикалық, қосылыстардың изомерленуін болжап түсіндірді (1864 жылы). Қанықпаған көмірсутектердің полимерлену реакциясын ашып, жоғары молекулалық қосылыстарды синтездеу жолын тапты. Этиленді гидраттау жөніндегі жұмыстары этил спиртін алудың қазіргі кезде қолданылып жүрген негізгі әдістерінің бірі болып табылады. Қантты заттарды синтездеуді алғаш жүзеге асырды. "Органикалық химияны толык оқуға кіріспе" оқулығын жазды (1864 жылы).