Удивительный мир органической химии

В то же время нельзя забывать и о том, что любая, даже очень удачная структурная формула — всего лишь абстрактный образ молекулы. Она не является точным отображением реальной структуры и конечно же не может выразить полностью свойства органической молекулы. Формула лишь показывает расположение атомов в молекуле. Это означает, что нельзя отождествлять символ молекулы — формулу — с ее реальной «фотографией».

1.8. Изомер означает «равный»

В органической химии существует очень интересное явление — изомерия. Это явление известно химикам давно. Так, в 1822 г. Ф. Вёлер открыл циановую кислоту и установил ее эмпирическую формулу (CHNO). Через год другой химик — Ю. Либих, изучая гремучую кислоту, был крайне удивлен, когда обнаружил, что она имеет тот же состав, что и циановая кислота. Однако эти вещества резко отличались по свойствам. Итак, одинаковый состав, но разные свойства. Было чему удивляться! Й. Берцелиус, узнав об этом факте, не сразу поверил ему. Но уже в 1830 г. сам столкнулся с таким же явлением. Он обнаружил, что две органические кислоты — виноградная и винная — хотя и обладают разными свойствами, но имеют одну и ту же эмпирическую формулу — С₄Н₆O₆. Поскольку содержание элементов в этих соединениях было одинаковым, Й. Берцелиус назвал такие вещества изомерами, а само явление — изомерией. Это греческое слово в переводе обозначает «равные части». Таким образом, циановая и гремучая кислоты — изомеры. Изомерами являются виноградная и винная кислоты.

Число открытых изомеров быстро росло, и это явление нуждалось в объяснении. На правильном пути к ответу на этот вопрос были Й. Берцелиус, а затем и Ж. Дюма. Они рассуждали так: если две молекулы построены из одинакового числа одних и тех же атомов, но обладают различными свойствами, то причина тут одна — различное распределение атомов в молекуле. Но как понимать и чем объяснить это различное распределение? На этот главный вопрос они ответить не могли.

Потребовалось почти три десятилетия, чтобы явление изомерии получило научное объяснение. Это сделал А. М. Бутлеров в своей теории строения органических соединений. Это было ярким примером удивительного предвидения. Например, до 1861 г. было известно лишь одно вещество состава С₄Н₁₀ — бутан. Его формулу изображают в виде прямой цепочки.

Однако ученый высказал предположение о том, что должно существовать еще одно соединение с такой же эмпирической формулой, но с другой последовательностью соединения углеродных атомов в молекуле.

Такое вещество А. М. Бутлеров назвал изобутаном (приставка «изо» обозначает разветвление). Ученый не только предложил метод получения этого вещества, но и получил его. Это было первым убедительным доказательством справедливости теории А. М. Бутлерова.

Итак, если в молекуле четыре атома углерода, то они могут образовать только два вида (изомера) молекул — н-бутан и изобутан (н — означает «нормальный», т. е. неразветвленный). Если же количество углеродных атомов увеличить, то возрастет и число их возможных расположений, т. е. число изомеров.

Рассмотрим изомерию углеводорода с шестью углеродными атомами — С₆Н₁₄. Сколько же у него изомеров?

Вначале изобразим строение молекулы самого простого соединения — н-гексана. Его формула будет такой.

В этой молекуле атомы углерода связаны друг с другом без разветвления. Теперь «разорвем» связь между первым и вторым углеродными атомами, а отделившуюся метальную группу (СН₃) «присоединим» к третьему углеродному атому. В результате получится такая формула.

Это — второй изомер. Он имеет ответвление при втором углеродном атоме. Если это ответвление «перенести» на третий углеродный атом, то получим третий изомер.

А теперь поступим так: в третьем изомере «разорвем» связь между первым и вторым углеродными атомами, а образовавшуюся метильную группу «присоединим» к третьему углеродному атому. Это — четвертый изомер, у которого главная цепь стала еще короче.

В этом изомере со вторым углеродным атомом связаны три метильные группы. Если же метальную группу «присоединим» не ко второму углеродному атому (как мы поступили, образуя четвертый изомер), а к третьему, то получим пятый изомер.

Итак, углеводород состава С₆Н₁₄ имеет пять изомеров: один — нормальный (т. е. неразветвленный) и четыре — разветвленные. Других изомеров у этого углеводорода нет.

Отличаются ли эти изомеры по химическим и физическим свойствам? По химическим — практически нет, а по физическим — отличаются. Так, бутан кипит при — 0,5 °С, а изобутан — при — 11,4 °С. Точки кипения изомеров углеводорода С₆Н₁₄ равны соответственно: 68, 60,3, 63,3, 49,7 и 58 °С. Интересно, что температуры кипения изомеров разветвленного строения имеют более низкие значения, чем нормального строения. Все это является доказательством того, что строение молекулы определяет свойства вещества. Это является одним из основных положений теории А. М. Бутлерова.