Электронные структуры органических соединений

Схематически распределение электронов атома углерода может быть изображено следующим образом:

В схеме I на оболочке К имеются два электрона, что может быть записано как 1s². На оболочке l два электрона находятся на энергетическом уровне s(2s²) и два электрона — на уровнях р (2р² ). Для схемы I электронная конфигурация атома углерода может быть записана так: 1s²2s²2р².

Исходя из схемы II, электронная конфигурация может быть выражена формулой 1s²2s2р³.Схема II соответствует возбужденному состоянию атома углерода (гибридизация).

Как было показано, ковалентная связь может быть образована только за счет одиночных (неспаренных) электронов. Поэтому атом углерода в состоянии 1s²2s²2р²может образовать только две ковалентные связи, т. е. должен быть двухвалентным. Практика по­казала, что углерод всегда четырехвалентен и образует четыре ковалентные связи, значит ему соответствует состояние 1s²2s2р³.

Благодаря отличительной особенности атома углерода (совпадение координационного числа и валентности) между его атомами образуются только чисто ковалентные связи. Поэтому между молекулами органических соединений очень слабое взаимодействие,, следствием чего можно считать их низкие температуры кипения и плавления. Как правило, простейшие органические соединения являются низкокипящими жидкостями или газами.

Согласно современным представлениям, образование химиче­ской связи осуществляется в результате перекрывания электрон­ных облаков двух связующих электронов.

В случае одинарной связи перекрывание облаков электронов происходит по прямой, соединяющей два атома (σ-связи). Так, в молекуле этана все 7 связей являются σ-связями и расположены относительно друг друга под углами 109°28'

В случае двойной связи из двух ее валентных штрихов только один может быть σ-связью; принцип Паули исключает возможность идентичного расположения электронной пары второго штриха. В результате этого в плоскости σ -связей будут находиться все атомы углерода и водорода, а число σ-связей составит пять,

Угол между направлениями валентностей – 120^о У каждого
атома углерода остается по одному р-электрону; все они должны
расположиться в плоскости, перпендикулярной плоскости σ-связей. Эти электроны образуют π-связь.

Электроны π-связи имеют форму несколько сплюснутых восьмерок, одна половина которых расположена над плоскостью σ-связей, а вторая — под этой плоскостью.

Таким образом, два валентных штриха двойной связи неравно­ценны, π-связь легко поляризуется, возможна ее ионизация и даже разрыв с образованием свободных бирадикалов:

Это придает соединениям, содержащим двойную связь, повы­шенную химическую активность и ряд особых химических и фи­зических свойств.

При тройной связи σ-связи расположены на одной прямом (угол 180°):

а четыре р-электрона образуют попарно две π-связи, расположен­ные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Особое значение имеют ароматические соединения, простейшим представителем которых является бензол С₆Н₆, имеющий в обыч­ном изображении формулу

В этой молекуле все атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости и образуют

Восьмерки π-электронов расположены над и под плоскостью цикла и, взаимно перекрываясь, образуют единую систему, в ко­торой все связи совершенно равноценны. Таким соединениям при­сущ особый комплекс химических и физических свойств—арома­тические свойства.

Классификация органических соединений. Типы реакций

Радикалы

Компоненты, из которых построено химическое соединение, еще со времени Лавуазье называются радикалами. Формально можно представить, что радикал является частью молекулы, по­лучаемой отщеплением от нее водорода. Поэтому все радикалы содержат неспаренные электроны R: R₁ → R + R₁ и сами по себе неспособны существовать или существуют в течение ничтожных промежутков времени. Радикалы стремятся присоединить к себе атомы или группы и перейти в стабильное состояние. При таких превращениях радикалы, как правило, сохраняют неизменными все существовавшие в них связи между отдельными атомами.

В зависимости от числа образовавшихся неспаренных электро­нов, радикалы могут быть одновалентными, двухвалентными и т. д. От метана могут быть произведены радикалы

∙ СН₃ ∙ Н₂ ∙ H

Доказательством существования этих радикалов является то, что первый из них — метил — может стабилизоваться путем при­соединения другого метила, давая углеводород этана; второй об­разует соответственно этилен, а третий — ацетилен:

Третий процесс лежит в основе промышленного способа полу­чения ацетилена из природного газа — метана.

Известны и неорганические радикалы. Так, при отщеплении атома водорода от молекулы воды образуется радикал ∙ОН. Ра­дикалы содержат неспаренные электроны, но не несут электриче­ского заряда.

К радикалам, с известной оговоркой, можно отнести простые газообразные вещества в атомарном состоянии, например атомар­ный водород, хлор и т. д.

Цепная реакция образования хлористого водорода протекает

через стадии образования свободных атомов (радикалов):

Cl₂→ 2 ∙Cl

∙Cl + H₂ → HCl + ∙H

∙H + Cl₂ → HCl + ∙Cl и т. д.

Реакции, протекающие с образованием свободных радикалов, характеризуются большой скоростью и часто протекают взрывоподобно.

Радикалы имеют огромное значение в процессах полимериза­ции; их способность полимеризоваться используется в производ­стве синтетических каучуков и т. п. Взрывные реакции в двигате­лях внутреннего сгорания также протекают, с образованием сво­бодных радикалов.

Функциональные группы

Подобно тому, как путем отнятия водорода от органических соединений можно произвести органические радикалы, отнятие водорода от неорганических соединений приводит к появлению неорганических радикалов, или остатков. Например, отнятие атома водорода от молекулы воды приводит к образованию радикала ∙ОН. Подобным образом из аммиака можно произвести амино­группу ∙NH₂ и т. д.

Связывая любой органический радикал с радикалом ∙ОН, мож­но получить спирты, а с аминогруппой — амины. Можно произвести радикалы и из более сложных неорганических соединений.

Вещества, образующиеся из углеводородных радикалов и раз­личных остатков, обладают большим разнообразием свойств в за­висимости от природы этих остатков.

Углеводородную цепь органических соединений часто называют скелетом соединения, тем самым подчеркивая, что при большинстве химических реакций относительное положение отдельных атомов остается неизменным. Наблюдающиеся превращения чаще всего касаются лишь тех остатков или групп, которые присоединены к этой углеродной цепи и вызывают комплекс химических свойств. Чаще всего остатки неорганических соединений, связанных с угле­родной цепью, называют функциональными группами, или функциями. Главнейшими из них являются:

неорганические

∙ОН—гидроксил, спиртовая группа, оксигруппа;

∙NH₂—аминогруппа;

: NH—аминогруппа;

∙˙NO₂—нитрогруппа;

∙˙NO—нитрозогруппа;

∙SO₃H—сульфогруппа;

∙О∙—эфирный кислород;

∙Х(С1, Вг, J, F)—галогены;

органические

∙СООН—карбоксил, кислотная группа;

∙СО∙—карбонил, оксогруппа;

∙C=N—нитрил, цианогруппа.

От наличия тех или иных функциональных групп зависит хи­мический характер органических соединений, ибо группы, являясь подвижной, реакционноспособной частью молекулы, участвуют, в первую очередь, в химических реакциях.

Вместе с тем нельзя забывать, что и углеродный скелет, с ко­торым соединена та или иная функциональная группа, оказывает определенное влияние на свойства соединения, усиливая или ос­лабляя химическую активность. Так, группа ОН, связывающаяся с углеводородными радикалами, образует спирты, которые почти нейтральны — не реагируют со щелочами; только активные ме­таллы способны вытеснить из них водород. В фенолах гидроксильная группа связана с остатком бензола; они способны реагировать со щелочами.

Большое влияние на функциональную группу оказывает при­сутствие в данной, молекуле других функциональных групп. Нередко в таких случаях изменяется весь ход химических превра­щений.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: