Что понимается под химическим строением

Процессы жизнедеятельности на молекулярном уровне

Вопрос 1. Какие процессы исследуют ученые на молекулярном уровне?
На молекулярном уровне изучаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: его рост и развитие, обмен веществ и превращение энергии, хранение и передача наследственной информации, изменчивость. Элементарной единицей на молекулярном уровне служит ген – фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, в котором записан определённый в качественном и количественном отношении объём биологической информации.

Вопрос 2. Какие элементы преобладают в составе живых организмов?
В составе живого организма насчитывают более 70—80 химических элементов, однако преобладают углерод, кислород, водород, азот и фосфор.

Вопрос 3. Почему молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов рассматриваются как биополимеры только в клетке?
Молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов являются полимерами, так как состоят из повторяющихся мономеров. Но лишь в живой системе (клетке, организме) эти вещества проявляют свою биологическую сущность, обладая рядом специфических свойств и выполняя множество важнейших функций. Поэтому в живых системах такие вещества называют биополимерами. Вне живой системы эти вещества теряют свои биологические свойства свойства и не являются биополимрами.

Вопрос 4. Что понимается под универсальностью молекул биополимеров?
Независимо от уровня сложности и выполняемых в клетке функций все биополимеры обладают следующими особенностями:
• в их молекулах мало длинных ответвлений, но много коротких;
• полимерные цепи прочны и не распадаются самопроизвольно на части;
• способны нести разнообразные функциональные группы и молекулярные фрагменты, обеспечивающие биохимическую функциональную активность, т. е. способность осуществлять нужные клетке биохимические реакции и превращения в среде внутриклеточного раствора;
• обладают гибкостью, достаточной для образования очень сложных пространственных структур, необходимых для выполнения биохимических функций, т. е. для работы белков как молекулярных машин, нуклеиновых кислот как программирующих молекул и т.д.;
• связи С—Н и С—С биополимеров, несмотря на их прочность, одновременно являются аккумуляторами электронной энергии.
Главным свойством биополимеров является линейность полимерных цепей, так как только линейные структуры легко кодируются и «собираются» из мономеров. Кроме того, если полимерная нить обладает гибкостью, то из нее довольно просто образовать нужную пространственную конструкцию, а после тот как построенная таким образом молекулярная машина амортизируется, сломается, ее легко разобрать на составные элементы, чтобы снова их использовать. Сочетание этих свойств имеется только в полимерах на углеродной основе. Все биополимеры в живых системах способны выполнять определённые свойства и выполнять множество важнейших функций. Свойства биополимеров зависят от числа, состава и порядка расположения составляющих их мономеров. Возможность изменения состава и последовательности мономеров в структуре полимера позволяет существовать огромному разнообразию вариантов биополимеров, независимо от видовой принадлежности организма. У всех живых организмов биополимеры построены по единому плану.

Источник

Что такое химическое строение

Впервые эта теория была выдвинута знаменитым русским химиком А.М. Бутлеровым в 1861-м году, в его докладе «О химическом строении веществ». Ее основные положения можно вкратце описать следующим образом:

— атомы, входящие в состав органических молекул, соединяются не в хаотичном, а в строго определенном порядке, согласно их валентности;

— свойства органических молекул зависят не только от природы и числа входящих в них атомов, но и от химического строения молекул;

— каждая формула органической молекулы соответствует определенному количеству изомеров;

— каждая формула органической молекулы дает представление о ее физико-химических свойствах;

— во всех органических молекулах существует взаимное воздействие атомов, причем как связанных друг с другом, так и не связанных.

Для того времени выдвинутая Бутлеровым теория явилась настоящим прорывом. Она позволила ясно и четко объяснить многие моменты, остававшиеся непонятными, а также дала возможность определить пространственное расположение атомов в молекуле. Правильность теории была неоднократно подтверждена самим Бутлеровым, который синтезировал большое количество органических соединений, прежде неизвестных, а также рядом других ученых (например, Кекуле, выдвинувшем предположение о структуре бензольного «кольца») Что, в свою очередь, способствовало быстрому развитию органической химии, прежде всего, в ее прикладном значении – химической промышленности.

Развивая теорию Бутлерова, Я. Вант-Гофф и Ж. Ле Бель предположили, что четыре валентности углерода имеют четкую пространственную ориентацию (сам атом углерода расположен в центре тетраэдра, а его валентные связи как бы «направлены» к вершинам этой фигуры). На основе этого предположения был создан новый раздел органической химии — стереохимия.

Теория химического строения, разумеется, в конце 19-го века не могла объяснить физико-химическую природу взаимного влияния атомов. Это удалось сделать только в первой половине 20-го века, после открытия структуры атома и введению понятия «электронная плотность». Именно смещением электронной плотности и объясняется взаимное влияние атомов друг на друга.

Источник

Химического строения теория

Химического строения теория

создатель теории химического строения, родоначальник «бутлеровской школы»

Содержание

Биография

Адреса в Санкт-Петербурге

Научный вклад

Основные идеи теории химического строения Бутлеров впервые высказал в 1861. Главные положения своей теории он изложил в докладе «О химическом строении вещества», прочитанном в химической секции Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере (сентябрь 1861). Основы этой теории сформулированы таким образом:

С этим постулатом прямо или косвенно связаны и все остальные положения классической теории химического строения. Бутлеров намечает путь для определения химического строения и формулирует правила, которыми можно при этом руководствоваться. Предпочтение он отдаёт синтетическим реакциям, проводимым в условиях, когда радикалы, в них участвующие, сохраняют своё химическое строение. Однако Бутлеров предвидит и возможность перегруппировок, полагая, что впоследствии «общие законы» будут выведены и для этих случаев. Оставляя открытым вопрос о предпочтительном виде формул химического строения, Бутлеров высказывался об их смысле: «… когда сделаются известными общие законы зависимости химических свойств тел от их химического строения, то подобная формула будет выражением всех этих свойств» (там же, с. 73-74).

Бутлеров впервые объяснил явление изомерии тем, что изомеры — это соединения, обладающие одинаковым элементарным составом, но различным химическим строением. В свою очередь, зависимость свойств изомеров и вообще органических соединений от их химического строения объясняется существованием в них передающегося вдоль связей «взаимного влияния атомов», в результате которого атомы в зависимости от их структурного окружения приобретают различное «химическое значение». Самим Бутлеровым и особенно его учениками В. В. Марковниковым и А. Н. Поповым это общее положение было конкретизировано в виде многочисленных «правил». Уже в XX в. эти правила, как и вся концепция взаимного влияния атомов, получили электронную интерпретацию.

Большое значение для становления теории химического строения имело её экспериментальное подтверждение в работах как самого Бутлерова, так и его школы. Он предвидел, а затем и доказал существование позиционной и скелетной изомерии. Получив третичный бутиловый спирт, он сумел расшифровать его строение и доказал (совместно с учениками) наличие у него изомеров. В 1864 Бутлеров предсказал существование двух бутанов и трёх пентанов, а позднее и изобутилена. Чтобы провести идеи теории химического строения через всю органическую химию, Бутлеров издал в 1864-1866 в Казани 3 выпусками «Введение к полному изучению органической химии», 2-е изд. которого вышло в 1867-1868 на немецком языке.

Бутлеров впервые начал на основе теории химического строения систематическое исследование полимеризации, продолженное в России его последователями и увенчавшееся открытием С. В. Лебедевым промышленного способа получения синтетического каучука.

Педагогическая деятельность

Огромная заслуга Бутлерова — создание первой русской школы химиков. Ещё при его жизни ученики Бутлерова по Казанскому университету В. В. Марковников, А. Н. Попов, А. М. Зайцев заняли профессорские кафедры в университетах. Из учеников Бутлерова по Петербургскому университету наиболее известны А. Е. Фаворский, М. Д. Львов и И. Л. Кондаков. В разное время в бутлеровской лаборатории работали практикантами Е. Е. Вагнер, Д. П. Коновалов, Ф. М. Флавицкий, А.И. Базаров, А. А. Каракау и др. видные русские химики. Отличительной чертой Бутлерова как руководителя было то, что он учил примером — студенты всегда могли сами наблюдать, над чем и как работает профессор.

Общественная деятельность

Много сил отнимала у Бутлерова борьба за признание Академией наук заслуг русских учёных. В 1882 в связи с академическими выборами Бутлеров обратился непосредственно к общественному мнению, опубликовав в московской газете «Русь» обличительную статью «Русская или только Императорская Академия наук в Санкт-Петербурге?».

Бутлеров был поборником высшего образования для женщин, участвовал в организации Высших женских курсов в 1878, создал химические лаборатории этих курсов. В Казани и Петербурге Бутлеров прочитал много популярных лекций, главным образом на химико-технические темы.

Кроме химии, Бутлеров много внимания уделял практическим вопросам сельского хозяйства, садоводству, пчеловодству, а позднее также и разведению чая на Кавказе. Был основателем и, первое время, главным редактором «Русского Пчеловодного Листка». С конца 1860-х гг. проявлял интерес к медиумизму — спиритизму.

Память о Бутлерове была увековечена только при Советской власти монументом (открыт в 1953) перед зданием химического факультета МГУ; было осуществлено академическое издание его трудов.

Источник

Теория строения органических соединений. Типы связей в молекулах органических веществ

Теория к заданию 12 из ЕГЭ по химии

Теория строения органических соединений: гомология и изомерия (структурная и пространственная). Взаимное влияние атомов в молекулах

Теория химического строения органических соединений А. М. Бутлерова

Подобно тому, как для неорганической химии основой развития являются Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, для органической химии основополагающей стала теория строения органических соединений А. М. Бутлерова.

Основным постулатом теории Бутлерова является положение о химическом строении вещества, под которым понимается порядок, последовательность взаимного соединения атомов в молекулы, т.е. химическая связь.

Под химическим строением понимают порядок соединения атомов химических элементов в молекуле согласно их валентности.

Основные положения теории А. М. Бутлерова

Теория строения органических соединений является динамичным и развивающимся учением. По мере развития знаний о природе химической связи, о влиянии электронного строения молекул органических веществ стали пользоваться, кроме эмпирических и структурных, электронными формулами. В таких формулах указывают направление смещения электронных пар в молекуле.

Квантовая химия и химия строения органических соединений подтвердили учение о пространственном направлении химических связей (цис- и трансизомерия), изучили энергетические характеристики взаимных переходов у изомеров, позволили судить о взаимном влиянии атомов в молекулах различных веществ, создали предпосылки для прогнозирования видов изомерии и направления и механизма протекания химических реакций.

Органические вещества имеют ряд особенностей:

Изомерия и гомология органических веществ

Свойства органических веществ зависят не только от их состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле.

Изомерия — это явление существования разных веществ — изомеров с одинаковым качественным и количественным составом, т.е. с одинаковой молекулярной формулой.

Различают два вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию). Структурные изомеры отличаются друг от друга порядком связи атомов в молекуле; стереоизомеры — расположением атомов в пространстве при одинаковом порядке связей между ними.

Выделяют следующие разновидности структурной изомерии: изомерию углеродного скелета, изомерию положения, изомерию различных классов органических соединений (межклассовую изомерию).

Структурная изомерия

Изомерия положения обусловлена различным положением кратной связи, заместителя, функциональной группы при одинаковом углеродном скелете молекулы:

Изомерами являются углеводород, относящийся к алкинам, — бутин-1 и углеводород с двумя двойными связями в цепи бутадиен-1,3:

Изомеры этого типа содержат различные функциональные группы и относятся к разным классам веществ. Поэтому они отличаются по физическим и химическим свойствам значительно больше, чем изомеры углеродного скелета или изомеры положения.

Пространственная изомерия

Пространственная изомерия подразделяется на два вида: геометрическую и оптическую. Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойные связи, и циклических соединений. Так как свободное вращение атомов вокруг двойной связи или в цикле невозможно, заместители могут располагаться либо по одну сторону плоскости двойной связи или цикла (цис-положение), либо по разные стороны (транс-положение). Обозначения цис- и транс- обычно относят к паре одинаковых заместителей:

Геометрические изомеры различаются по физическим и химическим свойствам.

Изучение оптической изомерии необходимо при рассмотрении многих реакций, протекающих в организме. Большинство этих реакций идет под действием ферментов — биологических катализаторов. Молекулы этих веществ должны подходить к молекулам соединений, на которые они действуют, как ключ к замку, следовательно, пространственное строение, взаимное расположение участков молекул и другие пространственные факторы имеют для течения этих реакций большое значение. Такие реакции называются стереоселективными.

Большинство природных соединений являются индивидуальными энантиомерами, и их биологическое действие резко отличается от свойств их оптических антиподов, полученных в лаборатории. Подобное различие в биологической активности имеет огромное значение, так как лежит в основе важнейшего свойства всех живых организмов — обмена веществ.

Типы связей в молекулах органических веществ. Гибридизация атомных орбиталей углерода. Радикал. Функциональная группа.

Типы связей в молекулах органических веществ.

Такой атом имеет четыре неспаренных электрона и может принимать участие в образовании четырех ковалентных связей.

Характеристики одинарных и кратных связей между атомами С.

Александр Михайлович Бутлеров
Дата рождения:

Радикал. Функциональная группа.

Одной из особенностей органических соединений является то, что в химических реакциях их молекулы обмениваются не отдельными атомами, а группами атомов. Если эта группа атомов состоит только из атомов углерода и водорода, то она называется углеводородным радикалом, если же она имеет атомы других элементов, то она называется функциональной группой. Так, например, метил ($СН_3$—) и этил ($С_2Н_5$—) являются углеводородными радикалами, а оксигруппа (—$ОН$), альдегидная группа (), нитрогруппа (—$NO_2$) и т. д. являются функциональными группами спиртов, альдегидов и азотсодержащих соединений соответственно.

Как правило, функциональная группа определяет химические свойства органического соединения и поэтому является основой их классификации.

Источник

Химический факультет

Кемеровский государственый университет

Материалы

Тема 17. Основные положения теории химического строения органических веществ

Основные положения теории химического строения органических соединений были сформулированы профессором Казанского университета А. М. Бутлеровым в 1861 г.

Теория химического строения А.М. Бутлерова претерпела эволюцию, важнейшие направления которой:

Из второго положения теории строения вытекает наличие у органических веществ гомологии и изомерии. Гомологическим рядом называют совокупность органических соединений, обладающих сходным строением и свойствами и отличающихся друг от друга по составу на одну или несколько групп –СН₂–. Представителей одного гомологического ряда называют гомологами.

Изомеры – вещества, которые имеют одинаковый количественный и качественный состав, но различаются строением молекул, а, следовательно, и свойствами. Различают структурную и пространственную (стерео-) изомерию. К первому типу относится

В пространственных изомерах порядок связи атомов в молекулах совпадает, а их расположение в пространстве различается, что вызывает различие в свойствах. К пространственной относится геометрическая изомерия. Она возможна, например, у алкенов.

Углеводородные радикалы по одну сторону двойной связи

Углеводородные радикалы по разные стороны двойной связи

Источник