§ 65. Структурная теория органических соединений

Определения и обозначения

Химическое строение — порядок соединения атомов в молекуле и характер связей между ними. Оно сообщает не только, какие атомы есть в молекуле, но и кто с кем связан. Поэтому две молекулы с одинаковым набором атомов могут иметь разное строение.

Структурная формула — запись, показывающая, какие атомы соединены друг с другом и какими связями. В ней черта обозначает ковалентную связь, то есть общую для атомов электронную пару; несколько черт показывают кратную связь. Такая запись нужна, чтобы наглядно представить строение молекулы.

Изомерия — существование веществ с одинаковым составом, но различным химическим строением и свойствами. Она помогает объяснить, почему одной молекулярной формуле могут соответствовать разные вещества. Различие строения может быть связано, например, с формой углеродного скелета.

Изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным химическим строением. Например, бутан и 2-метилпропан имеют состав C₄H₁₀, однако атомы углерода в них соединены по-разному. Понятие изомеров позволяет точно различать такие вещества.

Как это устроено

Молекулярная формула сообщает состав, но не порядок соединения атомов. Например, формула C₄H₁₀ показывает четыре атома углерода и десять атомов водорода, однако не говорит, образуют ли атомы углерода прямую цепь или разветвление. Поэтому для полного описания органического вещества одной такой записи недостаточно. Чтобы представить конкретное вещество, нужно показать связи между атомами.

Возможные связи ограничены валентностью — числом связей, которые обычно образует атом. Углерод четырёхвалентен: у него должно быть всего четыре связи, если одинарную считать за одну, двойную за две, а тройную за три. Водород образует одну связь, поэтому атомы водорода обычно присоединяются к углероду так, чтобы дополнить его валентность. Связываясь друг с другом, атомы углерода могут строить длинные цепи; если к одному атому присоединяется дополнительная углеродная группа, возникает разветвление.

Структурная формула показывает, какие атомы соседствуют и сколько связей их соединяет. Например, запись CH₃–CH₂–CH₃ отображает цепь из трёх атомов углерода с одинарными связями. В ней можно проверить и число атомов водорода, и валентность каждого атома углерода. При этом один и тот же скелет можно нарисовать горизонтально, вертикально или под углом: направление изображения не меняет связи.

Из одного состава могут получаться разные структуры, если по-разному соединить атомы углерода или изменить положение кратной связи. Для C₄H₁₀ возможны прямая цепь и разветвлённый скелет; обе структуры удовлетворяют валентности, но обозначают разные вещества. У непредельных углеводородов изомерия может возникать и из-за положения двойной связи в цепи. Значит, для поиска вариантов нужно перебирать допустимые связи, а не менять расположение букв на странице.

Свойства вещества зависят не только от того, какие атомы входят в молекулу, но и от их взаимного расположения. Изменение связей может влиять на то, как молекулы взаимодействуют друг с другом и вступают в реакции. Поэтому изомеры с одинаковой молекулярной формулой способны иметь разные свойства. Представление о химическом строении связывает запись формулы с реальными особенностями вещества.

Что сообщают молекулярная и структурная формулы

Пользуйтесь молекулярной формулой, когда нужно определить состав, а структурной — когда важно проследить связи между атомами. Если сравниваются возможные изомеры, одинаковой молекулярной формулы недостаточно: сопоставьте углеродные скелеты и связи. Помните, что схемы, отличающиеся только ориентацией на странице, могут изображать одну и ту же структуру.

Разбор задач

1. Для вещества состава C₂H₆ изобразить структурную формулу, указав все связи между атомами.

Используем валентности: каждый атом углерода образует четыре связи, каждый атом водорода — одну. Сначала соединяем два атома углерода одинарной связью, затем добавляем водороды так, чтобы у каждого углерода в сумме получилось четыре связи. Последовательно проверяем полученную схему, а не полагаемся только на число атомов в формуле.

1. Проводим связь C–C; у каждого углерода остаётся по три незаполненные связи.
2. Добавляем к каждому атому углерода по три атома водорода: связи C–H дополняют валентность.
3. Проверяем состав: два атома углерода и шесть водородов, то есть C₂H₆.

Ответ: структурная формула — CH₃–CH₃. В развёрнутой записи у каждого углерода одна связь C–C и три связи C–H.

2. Составить структурные формулы всех углеводородов состава C₄H₁₀.

Сначала ищем различные углеродные скелеты, не считая поворот или изгиб той же цепи новым вариантом. Из четырёх атомов углерода можно построить прямую цепь либо скелет с одним центральным атомом и тремя ответвлениями. Затем присоединяем водороды и проверяем валентность каждого атома. Третьего скелета без повторения этих двух вариантов нет.

1. Для прямой цепи соединяем атомы C–C–C–C. На концах получается по группе CH₃, а между ними — две группы CH₂.
2. Для разветвлённого скелета соединяем один атом углерода с тремя другими. Центральный атом получает три связи C–C и один водород; каждый концевой атом становится группой CH₃.
3. Проверяем оба варианта: в каждом четыре атома углерода и десять водородов, а валентность углерода равна четырём.

Ответ: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ и CH₃–CH(CH₃)–CH₃. Это две структуры состава C₄H₁₀.

3. Сравнить CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ и CH₃–CH(CH₃)–CH₃.

Сначала сравним состав, затем связи, потому что только так можно установить, являются ли вещества изомерами. В первой записи углероды образуют непрерывную цепь из четырёх атомов. Во второй записи один из атомов углерода связан с тремя углеродными группами, поэтому скелет разветвлён.

1. Подсчитываем атомы в первой формуле: четыре C и десять H, получаем C₄H₁₀.
2. Во второй формуле также четыре C: один входит в фрагмент CH, а три — в группы CH₃; водородов всего 1 + 3 × 3 = 10.
3. Сравниваем порядок соединения: в первой структуре цепь не разветвлена, во второй есть ответвление. Формулы не совпадают только по расположению записи, а показывают разные связи.

Ответ: состав одинаков, строение различно, поэтому это изомеры — бутан и 2-метилпропан.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что одинаковая молекулярная формула всегда обозначает одно вещество. Так думают, потому что формула действительно показывает все виды и количества атомов, но не их связи. Проверьте себя: попробуйте построить разные скелеты для одного состава и сравните соединения атомов. Если связи различаются, перед вами могут быть изомеры.

При составлении структурной формулы иногда забывают проверить валентность. Тогда у атома углерода может оказаться три или пять связей, хотя в обычных органических соединениях он четырёхвалентен. После построения схемы проследите каждую связь и учтите кратность: двойная считается за две, тройная — за три. Отдельно проверьте, что у водорода только одна связь.

Поворот схемы или её запись в другой части страницы иногда принимают за новое вещество. Это происходит, когда сравнивают внешний вид рисунков, а не то, какие атомы с какими связаны. Мысленно поверните или перестройте изображения и проверьте соседей каждого атома. Если набор связей тот же, это одна структура.

Ещё одна ошибка — называть изомерами любые вещества, формулы которых отличаются. Изомеры обязаны иметь одинаковый состав, поэтому вещества с разными молекулярными формулами этому определению не соответствуют. Сначала сравните формулы и подсчитайте атомы, а затем — порядок их соединения. Только при совпадении состава и различии строения можно говорить об изомерии.

Связь с другими темами

Для работы со структурными формулами нужны знания о валентности элементов и одинарных и кратных ковалентных связях. Умение читать молекулярные формулы помогает проверить, совпадает ли состав разных структур. Эти навыки позволяют переходить от простой записи вещества к его подробному описанию.

Химическое строение и изомерия станут основой для изучения номенклатуры: название органического вещества связано с его структурой. Они также помогают объяснять различия в свойствах веществ и понимать способы их получения. Поэтому при изучении органической химии важно сопоставлять формулу не только с составом, но и со связями.

Что запомнить

• Молекулярная формула показывает состав молекулы, но не порядок соединения атомов.
• Углерод в органических соединениях обычно четырёхвалентен.
• Структурная формула отражает порядок соединения атомов и кратность связей.
• Химическое строение влияет на свойства вещества.
• Изомеры имеют одинаковый состав, но различное строение.
• Разные по виду записи могут изображать одну и ту же молекулу.