Как химик строит нужную молекулу

Как химик строит нужную молекулу

Прежде чем построить молекулу, химик дол­жен знать ее состав и структуру (строение), т. е. представлять себе, как взаимно расположены составляющие ее атомы элементов.

Строение молекул неорганических веществ выяснить не так трудно. Для этого нужно знать

их состав и валентность элементов, из которых они образованы. Валентностью назы­вают число атомов, с которым может соединить­ся атом того или другого элемента. Рассмотрим это на примерах. Возьмем соединения, состав которых хорошо известен: хлористый водород НСl, вода Н₂O, аммиак NH₃, болотный, или руд­ничный, газ — метан СН₄. Общее для их соста­ва — водород, но он входит в них в разных количествах.

В хлористом водороде с одним атомом хлора соединен один атом водорода, в воде с одним атомом кислорода соединены два атома водорода, в аммиаке с одним атомом азота соединены три атома водорода, в метане с одним атомом углерода соединены четыре атома водорода. Атомы хлора, кислорода, азота и углерода не могут присоединить к себе больше указанного числа атомов водорода. Поэтому говорят, что они обладают определенной валентностью: атом хлора одновалентен, атом кислорода двухвален­тен, атом азота трехвалентен, атом углерода четырехвалентен. Само собой разумеется, что атом водорода одновалентен. Из этого следует, что атом кислорода может присоединить к себе два атома хлора, образуя соединение Сl₂O, атом углерода — четыре атома хлора, образуя веще­ство ССl₄, или два атома кислорода, образуя соединение СO₂. Существуют элементы, атомы которых обладают более высокими валентностя­ми. Вот пример соединений таких атомов: пятихлористый фосфор РСl₅, трехокись серы SO₃, четырехокись осмия OsO₄.

Если взять такие коли­чества водорода и хлора, ко­торые будут эквивалентны их относительным атомным ве­сам, то, имея в виду, что оба эти элемента однова­лентны, можно попытаться соединить эти количества друг с другом. Дей­ствительно, при сильном освещении хлор и водород соединяются именно в таких отноше­ниях без остатка, образуются молекулы хло­ристого водорода НСl. Подобным же образом реагируют водород с кислородом, если их коли­чества соответствуют отношению двух атомов водорода к одному атому кислорода. Если на такую смесь воздействовать электрической ис­крой или губчатой платиной, образуется вода.

Зная состав даже такого сравнительно слож­ного соединения, как серная кислота, и валент­ности составляющих ее элементов, можно пред­положить, что она образуется соединением од­ной молекулы воды и одной молекулы трехокиси серы. Водород одновалентен, кислород двухва­лентен, а сера шестивалентна.

Гораздо сложнее построить или синтезиро­вать органические молекулы. В их состав всегда входят углерод и водород, часто — кислород и азот, иногда — сера или фосфор, хлор, бром или йод, а также металлы. Валентность углеро­да, водорода, кислорода и азота выражается небольшими числами. Казалось бы, что это не должно усложнять построение органических молекул. Однако у органических соединений есть одна особенность, которая и делает эту задачу очень трудной. Четырехвалентные атомы углерода могут соединяться друг с другом, обра­зуя прямые или разветвленные цепочки либо кольчатые образования. При этом число атомов углерода, принимающих участие в формирова­нии таких молекул, практически неограничен­но, следовательно, число органических соеди­нений, или соединений углерода, чрезвычайно велико и во много раз превышает число извест­ных соединений всех других элементов, вместе взятых (см. ст. «Органические вещества вокруг нас»). Знать структуру и строение молекулы — обязательное условие ее синтеза.

Простейшее органическое соединение — ме­тан СН₄ состоит из углерода и водорода. Его ближайшие соседи — этан С₂Н₆ и пропан С₃Н₈. Помня о валентности атомов углерода и водо­рода и о способности атомов углерода образовы­вать цепочки, можно прийти к единственно воз­можным формулам строения этих соединений:

Легко можно составить и формулы строения более сложных углеводородов, в молекулах ко­торых содержится 4, 5, 6 и более атомов угле­рода и соответствующее число атомов водорода.

Как же построены органические молекулы, в состав которых, кроме углерода и водорода, входит атом хлора, например хлористый метил СН₃Сl и хлористый этил С₂Н₅Сl? Для этих сое­динений, очевидно, можно написать только такие формулы:

Однако в молекуле, содержащей три атома углерода, т. е. в хлористом пропиле С₃Н₇Сl, это уже небезразлично. Для этого соединения существуют две формулы в зависимости от того, у какого из углеродных атомов водород замещен на хлор.

Они отличаются друг от друга не только строением, но и физическими и химическими свойствами. Вещества, подобные хлористому пропилу и изопропилу, т. е. состоящие из оди­накового числа атомов одних и тех же элементов, называются изомерами, а явление изоме­рии — одна из причин большого числа органиче­ских соединений, известных в настоящее время.

Обратимся к несколько более сложным при­мерам органических соединений, например к органическим спиртам. Простейшие представи­тели этого класса — метиловый спирт СН₄O и этиловый спирт С₂Н₆О. Их состав таков, как будто они получились присоединением одного атома кислорода к углеводородам метану СН₄ и этану С₂Н₆. Однако такое предположение про­тиворечило бы четырехвалентности углерода.

О том, как построены эти молекулы, можно судить по некоторым их превращениям. Оказы­вается, что в каждом из этих спиртов не все ато­мы водорода ведут себя одинаково: в их молекулах имеется по одно­му атому водорода, способному выделяться при действии метал­лического натрия:

Кроме того, при определенных условиях в моле­кулах этих спиртов хлором заменяется не атом водорода, как в углеводородах СН₄ и С₂Н₆, а группа атомов ОН. При этом образуются зна­комые уже нам хлористый метил СН₈Сl и хло­ристый этил С₂Н₅Сl.

Эти превращения позволяют построить фор­мулы строения метилового и этилового спирта:

 В этих формулах валентности Н, О и С, о ко­торых мы говорили выше, соблюдены, и в то же время один атом водорода, в отличие от всех остальных, соединен не непосредственно с ато­мом углерода, а через атом кислорода. Очевид­но, этим и объясняется его способность легко за­меняться металлом или вместе с кислородом при определенных условиях уступать место хлору.

Попробуем теперь, зная строение молекул этих спиртов, построить, или синтезировать, их. Долгое время метиловый спирт получали раз­лагая древесину нагреванием, а этиловый (винный) спирт и сейчас еще получают при спир­товом брожении крахмала, содержащегося в картофеле или злаках. Оба пути очень сложны.

Как химик приступает к построению моле­кул нужной структуры? Очевидно, так же, как и любой строитель, т. е. прежде всего он состав­ляет план строительства, иначе говоря, состав­ляет архитектурную схему здания и намечает, из каких строительных элементов он будет созда­вать целое. Но современный строитель применяет уже не отдельные кирпичи, а целые готовые блоки, из которых легче сложить здание. Так поступает и химик. Для построения желаемой молекулы он берет готовые полупродукты извест­ного строения и комбинирует их.

Для синтеза метилового спирта, очевидно, было бы целесообразно взять такие вещества, в которых уже есть готовая группа СН₃ и груп­па ОН. Такие вещества известны: это, напри­мер, хлористый метил СН₃Сl и едкий натр NaOH. Реакция между ними дает метиловый спирт:

Если прибавить к ней один объем водорода и пропустить новую смесь при высокой темпе­ратуре и под высоким давлением через соответ­ствующий катализатор, то получится синтети­ческий метиловый спирт, или метанол:

Промышленный синтез этилового спирта осу­ществляется при высокой температуре и в при­сутствии катализатора. Водяным паром дей­ствуют на газообразный этилен С₂Н₄, выделяе­мый из газов крекинга нефти. В молекуле эти­лена два атома углерода соединены так называе­мой двойной связью:

 Реакция происходит по следующему уравнению:

Один водородный атом воды Присоединился к первому углероду этилена, а гидроксильная группа воды ОН — ко второму.

Как же синтезируются более сложные моле­кулы? Важный класс органических соедине­ний — кислоты. Подобно спиртам, они состоят из углерода, водорода и кислорода, но в молекуле кислоты содержится на два атома водорода меньше и на один атом кислорода больше, чем в молекуле спирта с тем же числом атомов углерода. Сравним состав молекул винного спирта С₂Н₆O и уксусной кислоты С₂Н₄O₂. Воз­никает предположение, что уксусную кислоту можно получить из винного спирта, заменяя в нем два ато­ма одновалентного водорода на один атом двухвалентного кис­лорода путем окисления либо с помощью бактерий уксуснокис­лого брожения, либо при дей­ствии окислителей:

Подобным же образом можно получать и другие органические кислоты из соответствую­щих спиртов с тем же числом атомов углерода. Для всех этих кислот будет характерна так называемая карбоксильная группа, 

В ней один атом водорода связан, как и в спир­тах, с кислородом; поэтому он легко заме­щается на металлы, образуя соли. У натриевой соли уксусной кислоты, или уксуснокислого натрия, такое строение:

Группа атомов — О — Н в уксусной кислоте и в других кислотах, точно так же как и в спиртах, может быть заменена в соответствующих ус­ловиях хлором. Тогда получится соединение:

Сравнивая состав уксусной кислоты С₂Н₄O₂ и метана СН₄, мы видим, что уксусная кислота отличается от метана одним атомом углерода и двумя атомами кислорода, а это молекула углекислого газа. Нельзя ли соединить непо­средственно метан с углекислым газом, чтобы получить уксусную кислоту? К сожалению, этого сделать не удается. Но можно сделать так:

 т.е. в метане заместить атом водорода атомом одно­валентного металла, например лития. Такое металлоорганическое соединение легко реагирует с газом и дает уксуснокислый литий.

Как видим, и в классе органических кислот возможен, как говорят, «направленный синтез», т. е. построение молекул определенной структу­ры по заранее составленному плану. Синтез кис­лот — лишь отдельные, наиболее простые при­меры такого построения. Кислоты любой слож­ности и любой структуры могут быть синтези­рованы с помощью рационально подобранных последовательных реакций.

Сложные эфиры, имеющие близкое отноше­ние к спиртам и кислотам, широко распростра­нены в природе — в растительном и животном мире. Летучие сложные эфиры обладают прият­ными запахами и встречаются в растительных эфирных маслах. Все жиры — растительные и животные — принадлежат к классу сложных эфиров. Сюда же относятся различные виды пчелиного воска, содержащие 55—65 атомов углерода в молекулах.

Сложные эфиры при нагревании с едким натром превращаются в натриевую соль кисло­ты и спирт. При реакции уксусноэтилового эфира С₄Н₈O₂ образуются уже знакомые нам уксуснокислый натрий и этиловый (винный) спирт:

 Если мысленно отнять от полученных соеди­нений элементы едкого натра, а оставшиеся части молекул соединить друг с другом, то, очевидно, получится молекула исходного уксус­ноэтилового эфира:

















 

 Оба способа действительно приводят к цели, но на практике уксусноэтиловый эфир получают из смеси уксусной кислоты и этилового спирта, нагревая ее с концентрированной серной кисло­той:

 



Перечисленными реакциями, конечно, не ограничиваются все возможные пути построе­ния сложных эфиров. Такие пути меняются в за­висимости от состава и строения кислоты и спир­та, сложности их молекул и т. д.

Вообще задача построения нужных молекул не так проста, как может показаться при рас­смотрении всех приведенных выше примеров. Иногда десятилетиями ищут удобный и доступ­ный путь для синтеза того или иного вещества. Требуется большое количество промежуточных реакций, чтобы окончательное решение было удачным. Тем не менее в настоящее время хими­ки научились синтезировать очень многие из встречающихся в природе соединений, иногда с очень сложным составом и строением.

В наше время сложные природные соедине­ния успешно синтезируют в лабораториях и да­же на заводах.

Строение таких материалов обычно очень сложно, а их свойства, в том числе и механиче­ские, часто превосходят свойства самых цен­ных природных материалов.