bahay » Sa guro ng klase

Uri ng chemical bond sa pagitan ng mga carbon atom. Covalent bond na kinasasangkutan ng isang carbon atom. Iba't ibang inorganic at organic na mga sangkap

Karamihan sa mga organikong compound ay may istrukturang molekular. Ang mga atomo sa mga sangkap na may isang molekular na uri ng istraktura ay palaging bumubuo lamang ng mga covalent bond sa isa't isa, na sinusunod din sa kaso ng mga organikong compound. Alalahanin natin na ang covalent ay isang uri ng bono sa pagitan ng mga atomo na natanto dahil sa katotohanan na ang mga atomo ay nagbabahagi ng bahagi ng kanilang mga panlabas na electron upang makuha ang elektronikong pagsasaayos ng isang marangal na gas.

Batay sa bilang ng mga ibinahaging pares ng elektron, ang mga covalent bond sa mga organikong sangkap ay maaaring nahahati sa single, double at triple. Ang mga uri ng koneksyon ay ipinahiwatig sa graphic formula ng isa, dalawa o tatlong linya, ayon sa pagkakabanggit:

Ang multiplicity ng isang bono ay humahantong sa pagbaba sa haba nito, kaya ang isang solong C-C bond ay may haba na 0.154 nm, ang isang double C=C bond ay may haba na 0.134 nm, at ang isang triple C≡C bond ay may haba na 0.120 nm.

Mga uri ng mga bono ayon sa paraan ng magkakapatong na mga orbital

Tulad ng nalalaman, ang mga orbital ay maaaring magkaroon ng iba't ibang mga hugis, halimbawa, ang mga s-orbital ay spherical at p-dumbbell-shaped. Para sa kadahilanang ito, ang mga bono ay maaari ding mag-iba sa paraan ng pag-overlap ng mga electron orbital:

ϭ mga bono - ay nabuo kapag ang mga orbital ay nagsasapawan sa paraang ang lugar ng kanilang pagkakapatong ay intersected ng isang linya na nagkokonekta sa nuclei. Mga halimbawa ng ϭ-koneksyon:

π-bond - ay nabuo kapag ang mga orbital ay nagsasapawan, sa dalawang rehiyon - sa itaas at sa ibaba ng linya na nagkokonekta sa nuclei ng mga atomo. Mga halimbawa ng π bond:

Paano mo malalaman kung ang isang molekula ay may π at ϭ na mga bono?

Sa covalent na uri ng bono, palaging mayroong ϭ-bond sa pagitan ng alinmang dalawang atomo, at isang π-bond lamang sa kaso ng maramihang (doble, triple) na bono. kung saan:

  • Ang solong bono ay palaging isang ϭ-bond
  • Ang double bond ay palaging binubuo ng isang ϭ-bond at isang π-bond
  • Ang isang triple bond ay palaging nabubuo ng isang ϭ at dalawang π bond.

Ipahiwatig natin ang mga ganitong uri ng mga bono sa molekula ng propinic acid:

Hybridization ng mga orbital ng carbon atom

Ang orbital hybridization ay isang proseso kung saan ang mga orbital na sa una ay may iba't ibang mga hugis at enerhiya ay pinaghalo, sa halip ay bumubuo ng parehong bilang ng mga hybrid na orbital na pantay sa hugis at enerhiya.

Kaya, halimbawa, kapag naghahalo ng isa s- at tatlo p- apat na orbital ang nabuo sp 3-hybrid orbitals:

Sa kaso ng mga atomo ng carbon, palaging nakikibahagi ang hybridization s- orbital, at ang numero p-Ang mga orbital na maaaring makilahok sa hybridization ay nag-iiba mula isa hanggang tatlo p- mga orbital.

Paano matukoy ang uri ng hybridization ng isang carbon atom sa isang organikong molekula?

Depende sa kung gaano karaming iba pang mga atomo ang nakagapos sa isang carbon atom, ito ay nasa isang estado sp 3, o kaya sp 2, o kaya sp- hybridization:

Magsanay tayo sa pagtukoy sa uri ng hybridization ng mga carbon atom gamit ang halimbawa ng sumusunod na organikong molekula:

Ang unang carbon atom ay nakagapos sa dalawang iba pang mga atomo (1H at 1C), na nangangahulugang ito ay nasa isang estado sp-hybridization.

  • Ang pangalawang carbon atom ay nakagapos sa dalawang atomo - sp-hybridization
  • Ang ikatlong carbon atom ay nakagapos sa apat na iba pang mga atomo (dalawang C at dalawang H) - sp 3-hybridization
  • Ang ikaapat na carbon atom ay nakagapos sa tatlong iba pang mga atomo (2O at 1C) - sp 2-hybridization.

Radikal. Functional na grupo

Ang terminong radical ay kadalasang nangangahulugan ng isang hydrocarbon radical, na ang natitira sa isang hydrocarbon molecule na walang isang hydrogen atom.

Ang pangalan ng isang hydrocarbon radical ay nabuo batay sa pangalan ng kaukulang hydrocarbon sa pamamagitan ng pagpapalit ng suffix –an sa panlapi –il .

Functional na grupo - isang fragment ng istruktura ng isang organikong molekula (isang tiyak na pangkat ng mga atomo), na responsable para sa mga tiyak na katangian ng kemikal nito.

Depende sa kung alin sa mga functional na grupo sa molekula ng isang sangkap ang pinakamatanda, ang tambalan ay inuri sa isang klase o iba pa.

R – pagtatalaga ng hydrocarbon substituent (radical).

Ang mga radikal ay maaaring maglaman ng maramihang mga bono, na maaari ding ituring na mga functional na grupo, dahil maramihang mga bono ang nag-aambag sa mga kemikal na katangian ng isang sangkap.

Kung ang isang molekula ng isang organikong sangkap ay naglalaman ng dalawa o higit pang mga functional na grupo, ang mga naturang compound ay tinatawag na polyfunctional.

Sa ground state, ang carbon atom C (1s 2 2s 2 2p 2) ay may dalawang hindi magkapares na electron, dahil sa kung saan dalawang karaniwang pares ng elektron lamang ang mabubuo. Gayunpaman, sa karamihan ng mga compound nito, ang carbon ay tetravalent. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang carbon atom, na sumisipsip ng isang maliit na halaga ng enerhiya, ay napupunta sa isang nasasabik na estado kung saan mayroon itong 4 na hindi magkapares na mga electron, i.e. may kakayahang bumuo apat mga covalent bond at nakikibahagi sa pagbuo ng apat na karaniwang pares ng elektron:

6 C 1s 2 2s 2 2p 2 6 C * 1s 2 2s 1 2p 3 .

↓
1 ↓ p ↓ p
s s

Ang enerhiya ng paggulo ay binabayaran ng pagbuo ng mga bono ng kemikal, na nangyayari sa pagpapalabas ng enerhiya.

Ang mga carbon atom ay may kakayahang bumuo ng tatlong uri ng hybridization ng mga electron orbital ( sp 3, sp 2, sp) at ang pagbuo ng maramihang (doble at triple) na mga bono sa kanilang sarili (Talahanayan 2.2).

Talahanayan 2.2

Mga uri ng hybridization at molecular geometry

Ang isang simpleng (solong) s-koneksyon ay isinasagawa kapag sp 3-hybridization, kung saan ang lahat ng apat na hybrid na orbital ay katumbas at nakadirekta sa espasyo sa isang anggulo na 109°29 'sa isa't isa at naka-orient sa mga vertices ng isang regular na tetrahedron (Fig. 2.8).

kanin. 2.8. Pagbuo ng methane molecule CH 4

Kung ang mga hybrid na carbon orbital ay magkakapatong sa mga spherical s-orbitals ng hydrogen atom, pagkatapos ay ang pinakasimpleng organic compound methane CH 4 ay nabuo - isang saturated hydrocarbon.

Ang malaking interes ay ang pag-aaral ng mga bono ng mga atomo ng carbon sa isa't isa at sa mga atomo ng iba pang mga elemento. Isaalang-alang natin ang istraktura ng mga molekula ng ethane, ethylene at acetylene.

Ang mga anggulo sa pagitan ng lahat ng mga bono sa molekula ng ethane ay halos eksaktong katumbas ng bawat isa (Larawan 2.9) at hindi naiiba sa mga anggulo ng C - H sa molekula ng methane.

Samakatuwid, ang mga carbon atom ay nasa isang estado sp 3-hybridization.

kanin. 2.9. Molekyul ng ethane C 2 H 6

Ang hybridization ng electronic orbitals ng carbon atoms ay maaaring hindi kumpleto, i.e. dalawa ( sp 2-hybridization) o isa ( sp-hybridization) ng tatlo R-mga orbital. Sa kasong ito, sa pagitan ng mga carbon atom ay nabuo maraming koneksyon (doble o triple). Ang mga hydrocarbon na may maraming mga bono ay tinatawag na unsaturated o unsaturated. Ang dobleng bono (C=C) ay nabuo kapag sp 2-hybridization.

Sa kasong ito, ang bawat carbon atom ay may isa sa tatlo R-Ang mga orbital ay hindi kasangkot sa hybridization, na nagreresulta sa pagbuo ng tatlo sp 2-hybrid orbitals na matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo ng 120° sa bawat isa, at non-hybrid 2 R Ang -orbital ay matatagpuan patayo sa eroplanong ito. Dalawang carbon atoms ang nagbubuklod upang bumuo ng isang s-bond dahil sa magkakapatong na hybrid orbitals at isang p-bond dahil sa overlapping R-mga orbital.

Pakikipag-ugnayan ng mga libreng hybrid na orbital ng carbon na may 1 s-orbitals ng hydrogen atoms humahantong sa pagbuo ng isang ethylene molecule C 2 H 4 (Fig. 2.10) - ang pinakasimpleng kinatawan ng unsaturated hydrocarbons.

kanin. 2.10. Pagbubuo ng isang molekulang ethylene C 2 H 4

Ang overlap ng mga orbital ng elektron sa kaso ng isang p-bond ay mas kaunti at ang mga zone na may tumaas na densidad ng elektron ay namamalagi pa mula sa atomic nuclei, kaya ang bono na ito ay hindi gaanong malakas kaysa sa s-bond.

Ang isang triple bond ay nabuo ng isang s-bond at dalawang p-bond. Sa kasong ito, ang mga orbital ng elektron ay nasa isang estado ng sp-hybridization, ang pagbuo nito ay nangyayari dahil sa isang s- at isa R-orbital (Larawan 2.11).

Ang dalawang hybrid na orbital ay matatagpuan sa isang anggulo na 180° na may kaugnayan sa isa't isa, at ang natitirang di-hybrid ay dalawa. R-Ang mga orbital ay matatagpuan sa dalawang magkaparehong patayo na eroplano. Ang pagbuo ng isang triple bond ay nagaganap sa molekula ng acetylene C 2 H 2 (tingnan ang Fig. 2.11).

kanin. 2.11. Pagbuo ng molekula ng acetylene C 2 H 2

Ang isang espesyal na uri ng bono ay nangyayari sa panahon ng pagbuo ng isang benzene molecule (C 6 H 6), ang pinakasimpleng kinatawan ng aromatic hydrocarbons.

Ang Benzene ay naglalaman ng anim na carbon atoms na pinagsama-sama sa isang singsing (benzene ring), na ang bawat carbon atom ay nasa estado ng sp 2 hybridization (Fig. 2.12).

kanin. 2.12. sp 2 – orbital ng benzene molecule C 6 H 6

Ang lahat ng carbon atoms na kasama sa benzene molecule ay matatagpuan sa parehong eroplano. Ang bawat carbon atom sa sp 2 hybridization state ay may isa pang non-hybrid na p-orbital na may isang hindi pares na electron, na bumubuo ng isang p-bond (Larawan 2.13).

Ang axis ay ganito R Ang mga orbital ay matatagpuan patayo sa eroplano ng molekula ng benzene.

Lahat ng anim ay non-hybrid R-ang mga orbital ay bumubuo ng isang karaniwang bonding molecular p-orbital, at lahat ng anim na electron ay nagsasama-sama upang bumuo ng isang p-electron sextet.

Ang ibabaw ng hangganan ng naturang orbital ay matatagpuan sa itaas at sa ibaba ng eroplano ng carbon s-skeleton. Bilang resulta ng pabilog na overlap, lumitaw ang isang solong delocalized na p-system, na sumasaklaw sa lahat ng carbon atoms ng cycle (Larawan 2.13).

Ang Benzene ay inilalarawan ng eskematiko bilang isang hexagon na may singsing sa loob, na nagpapahiwatig na nagaganap ang delokalisasi ng mga electron at kaukulang mga bono.

kanin. 2.13. -mga bono sa molekula ng benzene C 6 H 6

Ionic na kemikal na bono

Ionic na bono- isang kemikal na bono na nabuo bilang isang resulta ng mutual electrostatic attraction ng magkasalungat na sisingilin na mga ion, kung saan ang isang matatag na estado ay nakakamit sa pamamagitan ng kumpletong paglipat ng kabuuang density ng elektron sa isang atom ng isang mas electronegative na elemento.

Ang isang purong ionic na bono ay isang matinding kaso ng isang covalent bond.

Sa pagsasagawa, ang kumpletong paglipat ng mga electron mula sa isang atom patungo sa isa pang atom sa pamamagitan ng isang bono ay hindi natanto, dahil ang bawat elemento ay may mas malaki o mas maliit (ngunit hindi zero) EO, at anumang kemikal na bono ay magiging covalent sa ilang lawak.

Ang gayong bono ay nangyayari sa kaso ng malaking pagkakaiba sa EO ng mga atomo, halimbawa, sa pagitan ng mga kasyon s-mga metal ng una at pangalawang pangkat ng periodic system at mga anion ng mga di-metal ng mga pangkat VIА at VIIА (LiF, NaCl, CsF, atbp.).

Hindi tulad ng isang covalent bond, Ang ionic bond ay walang direksyon . Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na ang electric field ng ion ay may spherical symmetry, i.e. bumababa nang may distansya ayon sa parehong batas sa anumang direksyon. Samakatuwid, ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga ion ay hindi nakasalalay sa direksyon.

Ang pakikipag-ugnayan ng dalawang ion ng magkasalungat na tanda ay hindi maaaring humantong sa kumpletong kabayaran sa isa't isa ng kanilang mga patlang ng puwersa. Dahil dito, napapanatili nila ang kakayahang makaakit ng mga ion ng kabaligtaran na tanda sa ibang direksyon. Samakatuwid, hindi tulad ng isang covalent bond, Ang ionic bonding ay nailalarawan din sa pamamagitan ng unsaturation .

Ang kakulangan ng direksyon at saturation sa mga ionic na bono ay tumutukoy sa ugali ng mga molekulang ionic na mag-ugnay. Ang lahat ng ionic compound sa solid state ay may ionic crystal lattice, kung saan ang bawat ion ay napapalibutan ng ilang ions ng kabaligtaran na sign. Sa kasong ito, ang lahat ng mga bono ng isang ibinigay na ion na may mga kalapit na ion ay katumbas.

Koneksyon ng metal

Ang mga metal ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang bilang ng mga espesyal na katangian: electrical at thermal conductivity, isang katangian ng metallic luster, malleability, mataas na ductility, at mahusay na lakas. Ang mga partikular na katangian ng mga metal ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng isang espesyal na uri ng kemikal na bono na tinatawag metal .

Ang isang metal na bono ay ang resulta ng magkakapatong na mga delocalized na orbital ng mga atom na papalapit sa isa't isa sa kristal na sala-sala ng isang metal.

Karamihan sa mga metal ay may malaking bilang ng mga bakanteng orbital at isang maliit na bilang ng mga electron sa kanilang panlabas na antas ng elektroniko.

Samakatuwid, ito ay mas kanais-nais para sa mga electron na hindi ma-localize, ngunit kabilang sa buong atom ng metal. Sa mga lattice node ng metal mayroong mga positibong sisingilin na mga ion, na nahuhulog sa isang electron "gas" na ipinamamahagi sa buong metal:

Ako ↔ Ako n + + n .

Mayroong isang electrostatic na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga positibong sisingilin na mga ion ng metal (Me n +) at mga di-lokal na electron (n), na nagsisiguro sa katatagan ng sangkap. Ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan na ito ay intermediate sa pagitan ng mga energies ng covalent at molecular crystals. Samakatuwid, ang mga elemento na may purong metal na bono ( s-, At p-elemento) ay nailalarawan sa pamamagitan ng medyo mataas na mga punto ng pagkatunaw at katigasan.

Ang pagkakaroon ng mga electron, na maaaring malayang gumagalaw sa kabuuan ng dami ng kristal, ay nagbibigay ng mga partikular na katangian ng metal

Hydrogen bond

Hydrogen bond – isang espesyal na uri ng intermolecular interaction. Ang mga hydrogen atoms na covalently bonded sa isang atom ng isang elemento na may mataas na electronegativity value (kadalasan F, O, N, ngunit gayundin ang Cl, S, at C) ay nagdadala ng medyo mataas na epektibong singil. Bilang resulta, ang gayong mga atomo ng hydrogen ay maaaring makipag-ugnayan sa electrostatically sa mga atomo ng mga elementong ito.

Kaya, ang H d + atom ng isang molekula ng tubig ay nakatuon at nakikipag-ugnayan nang naaayon (tulad ng ipinapakita ng tatlong tuldok) sa O d - atom ng isa pang molekula ng tubig:

Ang mga bono na nabuo ng isang H atom na matatagpuan sa pagitan ng dalawang atom ng mga electronegative na elemento ay tinatawag na hydrogen:

d- d+ d-

A − H ××× B

Ang enerhiya ng isang hydrogen bond ay makabuluhang mas mababa kaysa sa enerhiya ng isang conventional covalent bond (150–400 kJ/mol), ngunit ang enerhiya na ito ay sapat na upang maging sanhi ng pagsasama-sama ng mga molekula ng mga kaukulang compound sa likidong estado, halimbawa, sa likido hydrogen fluoride HF (Larawan 2.14). Para sa mga compound ng fluorine umabot ito ng halos 40 kJ/mol.

kanin. 2.14. Pagsasama-sama ng mga molekula ng HF dahil sa mga bono ng hydrogen

Ang haba ng isang hydrogen bond ay mas maikli din kaysa sa haba ng isang covalent bond. Kaya, sa polymer (HF) n, ang haba ng bono ay F−H = 0.092 nm, at ang haba ng bono ay F∙∙∙H = 0.14 nm. Para sa tubig, ang haba ng bono ay O−H=0.096 nm, at ang haba ng bono O∙∙∙H=0.177 nm.

Ang pagbuo ng intermolecular hydrogen bond ay humahantong sa isang makabuluhang pagbabago sa mga katangian ng mga sangkap: isang pagtaas sa lagkit, dielectric na pare-pareho, kumukulo at natutunaw na mga punto.


Kaugnay na impormasyon.


KABANATA 2. CHEMICAL BONDING AT MUTUAL INFLUENCE NG MGA ATOM SA ORGANIC COMPOUNDS

KABANATA 2. CHEMICAL BONDING AT MUTUAL INFLUENCE NG MGA ATOM SA ORGANIC COMPOUNDS

Ang mga katangian ng kemikal ng mga organikong compound ay tinutukoy ng uri ng mga bono ng kemikal, ang likas na katangian ng mga nakagapos na atomo at ang kanilang impluwensya sa isa't isa sa molekula. Ang mga salik na ito, sa turn, ay tinutukoy ng elektronikong istraktura ng mga atomo at ang pakikipag-ugnayan ng kanilang mga atomic na orbital.

2.1. Elektronikong istraktura ng carbon atom

Ang bahagi ng atomic space kung saan ang posibilidad na makahanap ng isang electron ay pinakamataas ay tinatawag na atomic orbital (AO).

Sa kimika, malawakang ginagamit ang konsepto ng hybrid orbitals ng carbon atom at iba pang elemento. Ang konsepto ng hybridization bilang isang paraan ng paglalarawan ng muling pagsasaayos ng mga orbital ay kinakailangan kapag ang bilang ng mga hindi magkapares na electron sa ground state ng isang atom ay mas mababa sa bilang ng mga bono na nabuo. Ang isang halimbawa ay ang carbon atom, na sa lahat ng mga compound ay nagpapakita ng sarili bilang isang tetravalent na elemento, ngunit alinsunod sa mga patakaran para sa pagpuno ng mga orbital, ang panlabas na antas ng elektroniko nito sa ground state 1s 2 2s 2 2p 2 ay naglalaman lamang ng dalawang hindi magkapares na mga electron (Fig. 2.1, A at Apendise 2-1). Sa mga kasong ito, ipinapalagay na ang iba't ibang mga atomic na orbital, na katulad ng enerhiya, ay maaaring maghalo sa isa't isa, na bumubuo ng mga hybrid na orbital ng parehong hugis at enerhiya.

Ang mga hybridized na orbital, dahil sa mas malaking overlap, ay bumubuo ng mas malakas na mga bono kumpara sa mga non-hybridized na orbital.

Depende sa bilang ng mga orbital na pumasok sa hybridization, ang isang carbon atom ay maaaring nasa isa sa tatlong estado.

kanin. 2.1.Pamamahagi ng mga electron sa mga orbital ng isang carbon atom sa lupa (a), excited (b) at hybridized na estado (c - sp3, g-sp2, d-sp)

hybridization (tingnan ang Fig. 2.1, c-e). Tinutukoy ng uri ng hybridization ang oryentasyon ng mga hybrid na AO sa espasyo at, dahil dito, ang geometry ng mga molekula, ibig sabihin, ang kanilang spatial na istraktura.

Ang spatial na istraktura ng mga molekula ay ang relatibong pag-aayos ng mga atomo at mga grupong atomiko sa espasyo.

sp 3-Hybridization.Kapag ang apat na panlabas na AO ng isang excited na carbon atom (tingnan ang Fig. 2.1, b) - isang 2s at tatlong 2p orbital - ay pinaghalo, apat na katumbas na sp 3 hybrid na orbital ang lumitaw. Mayroon silang hugis ng isang three-dimensional na "walong", ang isa sa mga blades ay mas malaki kaysa sa isa.

Ang bawat hybrid na orbital ay puno ng isang elektron. Ang carbon atom sa estado ng sp 3 hybridization ay may electronic configuration 1s 2 2(sp 3) 4 (tingnan ang Fig. 2.1, c). Ang estado ng hybridization na ito ay katangian ng mga carbon atom sa saturated hydrocarbons (alkanes) at, nang naaayon, sa mga alkyl radical.

Dahil sa mutual repulsion, ang sp 3 -hybrid AOs ay nakadirekta sa espasyo patungo sa vertices tetrahedron, at ang mga anggulo sa pagitan nila ay 109.5? (ang pinakakapaki-pakinabang na lokasyon; Fig. 2.2, a).

Ang spatial na istraktura ay inilalarawan gamit ang mga stereochemical formula. Sa mga formula na ito, ang sp 3 -hybridized carbon atom at ang dalawang bono nito ay inilalagay sa plane ng drawing at graphical na ipinahiwatig ng isang regular na linya. Ang isang makapal na linya o isang makapal na wedge ay nagpapahiwatig ng isang koneksyon na umaabot pasulong mula sa eroplano ng pagguhit at nakadirekta patungo sa tagamasid; may tuldok na linya o may kulay na kalang (..........) - isang koneksyon na umaabot mula sa tagamasid sa kabila ng eroplano ng pagguhit -

kanin. 2.2.Mga uri ng carbon atom hybridization. Ang punto sa gitna ay ang nucleus ng atom (ang mga maliliit na praksyon ng mga hybrid na orbital ay tinanggal upang pasimplehin ang figure; ang mga di-hybridized na p-AO ay ipinapakita sa kulay)

ginang (Larawan 2.3, a). Ang carbon atom ay nasa estado sp 3-may tetrahedral configuration ang hybridization.

sp 2-Hybridization.Kapag naghahalo ng isa 2s- at dalawang 2p-AO ng isang excited na carbon atom, tatlong katumbas ang nabuo sp 2-hybrid orbitals at nananatiling unhybridized 2p-AO. Ang carbon atom ay nasa estado sp Ang 2-hybridization ay may elektronikong configuration 1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 (tingnan ang Fig. 2.1, d). Ang ganitong estado ng carbon atom hybridization ay tipikal para sa unsaturated hydrocarbons (alkenes), gayundin para sa ilang functional na grupo, gaya ng carbonyl at carboxyl.

sp 2 -Ang mga hybrid na orbital ay matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo na 120?, at ang di-hybridized na AO ay nasa isang patayo na eroplano (tingnan ang Fig. 2.2, b). Ang carbon atom ay nasa estado sp 2-hybridization ay may trigonal na pagsasaayos. Ang mga carbon atoms na konektado ng double bond ay nasa plane ng drawing, at ang kanilang mga single bond na nakadirekta patungo at palayo sa observer ay itinalaga gaya ng inilarawan sa itaas (tingnan ang Fig. 2.3, b).

sp-Hybridization.Kapag ang isang 2s- at isang 2p-orbital ng isang excited na carbon atom ay pinaghalo, dalawang katumbas na sp-hybrid AO ang nabubuo, at dalawang p-AO ang nananatiling unhybridized. Ang carbon atom sa sp-hybridized na estado ay may elektronikong pagsasaayos

kanin. 2.3.Stereochemical formula ng methane (a), ethane (b) at acetylene (c)

1s 2 2(sp 2) 2 2p 2 (tingnan ang Fig. 2.1, d). Ang estado ng hybridization ng carbon atom ay nangyayari sa mga compound na may triple bond, halimbawa, sa mga alkynes at nitriles.

Ang sp-Hybridized orbitals ay matatagpuan sa isang anggulo ng 180°, at dalawang non-hybridized AOs ay matatagpuan sa magkabilang patayo na mga eroplano (tingnan ang Fig. 2.2, c). Ang carbon atom sa sp-hybridized na estado ay may linear na pagsasaayos halimbawa, sa isang molekula ng acetylene, lahat ng apat na atomo ay nasa parehong tuwid na linya (tingnan ang Fig. 2.3, V).

Ang mga atom ng iba pang organogenic na elemento ay maaari ding nasa hybridized na estado.

2.2. Mga kemikal na bono ng isang carbon atom

Ang mga kemikal na bono sa mga organikong compound ay pangunahing kinakatawan ng mga covalent bond.

Ang covalent bond ay isang kemikal na bono na nabuo bilang resulta ng pagbabahagi ng mga electron sa pagitan ng mga nakagapos na atomo.

Ang mga nakabahaging electron na ito ay sumasakop sa molecular orbitals (MOs). Bilang isang tuntunin, ang isang MO ay isang multicenter orbital at ang mga electron na pumupuno dito ay delocalized (dispersed). Kaya, ang isang MO, tulad ng isang AO, ay maaaring mabakante, napuno ng isang electron o dalawang electron na may magkasalungat na mga spin*.

2.2.1. σ- Atπ -Mga koneksyon

Mayroong dalawang uri ng covalent bonds: σ (sigma) at π (pi) bonds.

Ang σ-bond ay isang covalent bond na nabuo kapag ang isang AO ay nag-overlap sa isang tuwid na linya (axis) na nagkokonekta sa nuclei ng dalawang bonded na atom na may pinakamataas na overlap sa tuwid na linyang ito.

Nagaganap ang σ-bond kapag nag-overlap ang anumang AO, kabilang ang mga hybrid. Ipinapakita ng Figure 2.4 ang pagbuo ng σ bond sa pagitan ng carbon atoms bilang resulta ng axial overlap ng kanilang hybrid sp 3 -AO at σ C-H bond sa pamamagitan ng overlapping ng hybrid sp 3 -AO ng carbon at s-AO ng hydrogen.

* Para sa higit pang mga detalye tingnan ang: Popkov V.A., Puzakov S.A. Pangkalahatang kimika. - M.: GEOTAR-Media, 2007. - Kabanata 1.

kanin. 2.4.Ang pagbuo ng mga σ bond sa ethane sa pamamagitan ng axial overlap ng AOs (maliit na fraction ng hybrid orbitals ay tinanggal at ipinapakita sa kulay sp 3 -AO carbon, itim - s-AO hydrogen)

Bilang karagdagan sa axial overlap, ang isa pang uri ng overlap ay posible - lateral overlap ng p-AO, na humahantong sa pagbuo ng isang π bond (Larawan 2.5).

p-atomic orbitals

kanin. 2.5.Pagbubuo ng π bond sa ethylene sa pamamagitan ng lateral overlap r-AO

Ang π-bond ay isang bono na nabuo sa pamamagitan ng lateral overlap ng unhybridized p-AOs na may pinakamataas na overlap sa magkabilang panig ng tuwid na linya na nagkokonekta sa nuclei ng mga atomo.

Ang maramihang mga bono na matatagpuan sa mga organikong compound ay isang kumbinasyon ng mga σ- at π-bond: doble - isang σ- at isang π-, triple - isang σ- at dalawang π-bond.

Ang mga katangian ng isang covalent bond ay ipinahayag sa pamamagitan ng mga katangian tulad ng enerhiya, haba, polarity at polarizability.

Enerhiya ng komunikasyonay ang enerhiya na inilabas kapag ang isang bono ay nabuo o kinakailangan upang paghiwalayin ang dalawang nakagapos na mga atomo. Ito ay nagsisilbing sukatan ng lakas ng bono: mas mataas ang enerhiya, mas malakas ang bono (Talahanayan 2.1).

Haba ng linkay ang distansya sa pagitan ng mga sentro ng nakagapos na mga atomo. Ang double bond ay mas maikli kaysa sa isang solong bond, at ang triple bond ay mas maikli kaysa sa double bond (tingnan ang Talahanayan 2.1). Ang mga bono sa pagitan ng mga carbon atom sa iba't ibang estado ng hybridization ay may isang karaniwang pattern -

Talahanayan 2.1.Mga pangunahing katangian ng mga covalent bond

Habang tumataas ang fraction ng s orbital sa hybrid orbital, bumababa ang haba ng bono. Halimbawa, sa isang serye ng mga compound propane CH 3 CH 2 CH 3, propene CH 3 CH=CH 2, propyne CH 3 C=CH haba ng bono CH 3 -C ay katumbas na katumbas ng 0.154; 0.150 at 0.146 nm.

Polarity ng komunikasyon dahil sa hindi pantay na pamamahagi (polarization) ng density ng elektron. Ang polarity ng isang molekula ay nasusukat sa halaga ng dipole moment nito. Mula sa mga sandali ng dipole ng isang molekula, maaaring kalkulahin ang mga sandali ng dipole ng mga indibidwal na bono (tingnan ang Talahanayan 2.1). Kung mas malaki ang dipole moment, mas polar ang bond. Ang dahilan para sa polarity ng bono ay ang pagkakaiba sa electronegativity ng bonded atoms.

Electronegativity nailalarawan ang kakayahan ng isang atom sa isang molekula na humawak ng mga electron ng valence. Habang tumataas ang electronegativity ng isang atom, tumataas ang antas ng displacement ng mga bond electron sa direksyon nito.

Batay sa mga halaga ng enerhiya ng bono, ang American chemist na si L. Pauling (1901-1994) ay nagmungkahi ng isang quantitative na katangian ng kamag-anak na electronegativity ng mga atomo (Pauling scale). Sa sukat na ito (serye), ang mga tipikal na elemento ng organogen ay nakaayos ayon sa kamag-anak na electronegativity (dalawang metal ang ibinibigay para sa paghahambing) tulad ng sumusunod:

Ang electronegativity ay hindi isang ganap na pare-pareho ng isang elemento. Depende ito sa epektibong singil ng nucleus, ang uri ng AO hybridization at ang impluwensya ng mga substituent. Halimbawa, ang electronegativity ng isang carbon atom sa sp 2 o sp hybridization state ay mas mataas kaysa sa sp 3 hybridization state, na nauugnay sa pagtaas ng proporsyon ng s orbital sa hybrid orbital. Sa panahon ng paglipat ng mga atomo mula sa sp 3 - sa sp 2 - at higit pa sa sp-hybridized state, ang lawak ng hybrid orbital ay unti-unting bumababa (lalo na sa direksyon na nagbibigay ng pinakamalaking overlap sa panahon ng pagbuo ng isang σ bond), na nangangahulugang sa parehong pagkakasunud-sunod ang maximum na density ng elektron ay matatagpuan malapit at mas malapit sa nucleus ng kaukulang atom.

Sa kaso ng isang non-polar o praktikal na non-polar covalent bond, ang pagkakaiba sa electronegativity ng mga bonded na atom ay zero o malapit sa zero. Habang tumataas ang pagkakaiba sa electronegativity, tumataas ang polarity ng bono. Ang pagkakaiba ng hanggang sa 0.4 ay sinasabing mahinang polar, higit sa 0.5 ay isang malakas na polar covalent bond, at higit sa 2.0 ay isang ionic bond. Ang mga polar covalent bond ay madaling kapitan ng heterolytic cleavage

(tingnan ang 3.1.1).

Pagkaka-polarize ng bono ay ipinahayag sa displacement ng bond electron sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na electric field, kasama na ang isa pang reacting particle. Ang polarizability ay tinutukoy ng electron mobility. Ang mga electron ay mas mobile kung mas malayo sila sa nuclei ng mga atomo. Sa mga tuntunin ng polarizability, ang π bond ay higit na nakahihigit sa σ bond, dahil ang pinakamataas na electron density ng π bond ay matatagpuan sa malayo mula sa bonded nuclei. Ang polarizability ay higit na tinutukoy ang reaktibiti ng mga molekula patungo sa mga polar reagents.

2.2.2. Mga bono ng donor-acceptor

Ang overlap ng dalawang one-electron AO ay hindi lamang ang paraan upang makabuo ng covalent bond. Ang isang covalent bond ay maaaring mabuo sa pamamagitan ng interaksyon ng isang two-electron orbital ng isang atom (donor) sa isang bakanteng orbital ng isa pang atom (acceptor). Ang mga donor ay mga compound na naglalaman ng alinman sa mga orbital na may nag-iisang pares ng mga electron o π-MO. Mga carrier ng nag-iisang pares ng mga electron (n-electrons, mula sa English. hindi nagbubuklod) ay mga atom ng nitrogen, oxygen, halogens.

Ang nag-iisang pares ng mga electron ay may mahalagang papel sa pagpapakita ng mga kemikal na katangian ng mga compound. Sa partikular, responsable sila para sa kakayahan ng mga compound na pumasok sa mga pakikipag-ugnayan ng donor-acceptor.

Ang isang covalent bond na nabuo ng isang pares ng mga electron mula sa isa sa mga kasosyo sa bono ay tinatawag na donor-acceptor.

Ang nagreresultang donor-acceptor bond ay naiiba lamang sa paraan ng pagbuo; ang mga katangian nito ay magkapareho sa iba pang mga covalent bond. Ang donor atom sa gayon ay nakakakuha ng isang positibong singil.

Ang mga bono ng donor-acceptor ay katangian ng mga kumplikadong compound.

2.2.3. Hydrogen bonds

Ang isang hydrogen atom na nakagapos sa isang malakas na electronegative na elemento (nitrogen, oxygen, fluorine, atbp.) ay may kakayahang makipag-ugnayan sa nag-iisang pares ng mga electron ng isa pang sapat na electronegative na atom ng pareho o ibang molekula. Bilang resulta, lumitaw ang isang hydrogen bond, na isang uri ng donor bond.

acceptor bond. Sa graphically, ang isang hydrogen bond ay karaniwang kinakatawan ng tatlong tuldok.

Ang enerhiya ng hydrogen bond ay mababa (10-40 kJ/mol) at pangunahing tinutukoy ng electrostatic interaction.

Tinutukoy ng mga intermolecular hydrogen bond ang pagkakaugnay ng mga organikong compound, tulad ng mga alkohol.

Ang mga hydrogen bond ay nakakaapekto sa pisikal (mga punto ng kumukulo at natutunaw, lagkit, spectral na katangian) at kemikal (acid-base) na mga katangian ng mga compound. Kaya, ang kumukulong punto ng ethanol ay C 2 H 5 Ang OH (78.3°C) ay higit na mataas kaysa sa dimethyl ether CH 3 OCH 3 (-24°C), na may parehong molecular weight at hindi nauugnay sa pamamagitan ng hydrogen bonds.

Ang mga hydrogen bond ay maaari ding maging intramolecular. Ang bond na ito sa salicylic acid anion ay humahantong sa pagtaas ng acidity nito.

Ang mga bono ng hydrogen ay may mahalagang papel sa pagbuo ng spatial na istraktura ng mga high-molecular compound - mga protina, polysaccharides, nucleic acid.

2.3. Mga sistema ng conjugate

Ang isang covalent bond ay maaaring ma-localize o ma-delocalize. Ang isang naisalokal na bono ay isa na ang mga electron ay aktwal na ibinabahagi sa pagitan ng dalawang nuclei ng mga nakagapos na atomo. Kung ang mga bonding electron ay ibinahagi sa pagitan ng higit sa dalawang nuclei, pagkatapos ay nagsasalita sila ng isang delokalisado na bono.

Ang isang delocalized bond ay isang covalent bond na ang molecular orbital ay sumasaklaw ng higit sa dalawang atoms.

Ang mga na-delokyal na bono sa karamihan ng mga kaso ay mga π na bono. Ang mga ito ay katangian ng mga pinagsamang sistema. Sa mga sistemang ito, nangyayari ang isang espesyal na uri ng mutual na impluwensya ng mga atomo—conjugation.

Conjugation (mesomerism, mula sa Griyego. mesos- average) ay ang pagkakahanay ng mga bono at mga singil sa isang tunay na molekula (particle) kung ihahambing sa isang perpekto, ngunit hindi umiiral na istraktura.

Ang mga delokalisadong p-orbital na kasangkot sa conjugation ay maaaring kabilang sa dalawa o higit pang π-bond, o isang π-bond at isang atom na may p-orbital. Alinsunod dito, ang pagkakaiba ay ginawa sa pagitan ng π,π-conjugation at ρ,π-conjugation. Ang conjugation system ay maaaring bukas o sarado at naglalaman hindi lamang ng mga carbon atom, kundi pati na rin ng mga heteroatom.

2.3.1. Buksan ang mga sistema ng circuit

π,π -Pagpapares. Ang pinakasimpleng kinatawan ng π,π-conjugated system na may carbon chain ay butadiene-1,3 (Larawan 2.6, a). Ang carbon at hydrogen atoms at, samakatuwid, ang lahat ng σ bond sa molekula nito ay nasa iisang eroplano, na bumubuo ng flat σ skeleton. Ang mga carbon atom ay nasa estado ng sp 2 hybridization. Ang unhybridized p-AOs ng bawat carbon atom ay matatagpuan patayo sa eroplano ng σ-skeleton at parallel sa isa't isa, na isang kinakailangang kondisyon para sa kanilang overlap. Ang overlap ay nangyayari hindi lamang sa pagitan ng p-AO ng mga atomo C-1 at C-2, C-3 at C-4, kundi pati na rin sa pagitan ng p-AO ng mga atomo C-2 at C-3, na nagreresulta sa pagbuo ng isang solong π sumasaklaw sa apat na carbon atoms -system, ibig sabihin, lumilitaw ang isang delocalized covalent bond (tingnan ang Fig. 2.6, b).

kanin. 2.6.Atomic orbital model ng 1,3 butadiene molecule

Ito ay makikita sa mga pagbabago sa mga haba ng bono sa molekula. Ang haba ng C-1-C-2 pati na rin ng C-3-C-4 na mga bono sa 1,3-butadiene ay bahagyang nadagdagan, at ang distansya sa pagitan ng C-2 at C-3 ay pinaikli kumpara sa maginoo na doble at solong bono. Sa madaling salita, ang proseso ng delokalisasi ng elektron ay humahantong sa pagkakapantay-pantay ng mga haba ng bono.

Ang mga hydrocarbon na may malaking bilang ng mga conjugated double bond ay karaniwan sa mundo ng halaman. Kabilang dito, halimbawa, ang mga carotenes, na tumutukoy sa kulay ng mga karot, kamatis, atbp.

Ang isang bukas na sistema ng conjugation ay maaari ding magsama ng mga heteroatom. Isang halimbawa ng bukas π,π-conjugated system na may heteroatom sa chain Maaaring magsilbi ang α,β-unsaturated carbonyl compounds. Halimbawa, ang pangkat ng aldehyde sa acrolein CH 2 Ang =CH-CH=O ay isang kalahok sa conjugation chain ng tatlong sp 2 -hybridized carbon atoms at isang oxygen atom. Ang bawat isa sa mga atom na ito ay nag-aambag ng isang p-electron sa isang solong π-system.

pn-Pagpapares.Ang ganitong uri ng conjugation ay kadalasang nangyayari sa mga compound na naglalaman ng structural fragment -CH=CH-X, kung saan ang X ay isang heteroatom na mayroong nag-iisang pares ng mga electron (pangunahing O o N). Kabilang dito, halimbawa, ang mga vinyl ether, sa mga molekula kung saan pinagsama ang dobleng bono R-orbital ng oxygen atom. Ang isang delokalisadong three-center bond ay nabuo sa pamamagitan ng pag-overlay ng dalawang p-AO sp 2 -hybridized carbon atoms at isa R-AO ng isang heteroatom na may isang pares ng n-electron.

Ang pagbuo ng isang katulad na delocalized na tatlong-gitnang bono ay nangyayari sa pangkat ng carboxyl. Dito, ang π-electrons ng C=O bond at ang n-electrons ng oxygen atom ng OH group ay lumahok sa conjugation. Ang mga conjugated system na may ganap na nakahanay na mga bono at mga singil ay kinabibilangan ng mga species na may negatibong charge, gaya ng acetate ion.

Ang direksyon ng paglilipat ng density ng elektron ay ipinahiwatig ng isang hubog na arrow.

May iba pang mga graphical na paraan upang ipakita ang mga resulta ng pagpapares. Kaya, ang istraktura ng acetate ion (I) ay ipinapalagay na ang singil ay pantay na ipinamamahagi sa parehong mga atomo ng oxygen (tulad ng ipinapakita sa Fig. 2.7, na totoo).

Ang mga istruktura (II) at (III) ay ginagamit sa resonance theory. Ayon sa teoryang ito, ang isang tunay na molekula o particle ay inilalarawan ng isang hanay ng ilang mga tinatawag na resonance structures, na naiiba sa bawat isa lamang sa pamamahagi ng mga electron. Sa conjugated system, ang pangunahing kontribusyon sa resonance hybrid ay ginawa ng mga istruktura na may iba't ibang distribusyon ng π-electron density (ang double-sided arrow na nagkokonekta sa mga istrukturang ito ay isang espesyal na simbolo ng resonance theory).

Ang mga istruktura ng limitasyon (hangganan) ay hindi talaga umiiral. Gayunpaman, sa isang antas o iba pa, sila ay "nag-aambag" sa tunay na pamamahagi ng densidad ng elektron sa isang molekula (particle), na kinakatawan bilang isang resonant hybrid na nakuha sa pamamagitan ng superposition ng mga naglilimita sa mga istruktura.

Sa ρ,π-conjugated system na may carbon chain, maaaring mangyari ang conjugation kung mayroong carbon atom na may non-hybridized p-orbital sa tabi ng π bond. Ang ganitong mga sistema ay maaaring maging mga intermediate na particle - mga carbanion, carbocation, libreng radical, halimbawa, na may isang allylic na istraktura. Ang mga libreng radical allylic moieties ay may mahalagang papel sa mga proseso ng lipid peroxidation.

Sa allyl anion CH 2 = CH-CH 2 sp 2 -hybridized carbon atom C-3 supply sa karaniwang conjugate

kanin. 2.7.Mapa ng density ng elektron ng pangkat ng COONa sa penicillin

sistema ng dalawang electron, sa allylic radical CH 2 =CH-CH 2+ - isa, at sa allylic carbocation CH 2 =CH-CH 2+ hindi nagsusuplay ng anuman. Bilang resulta, kapag ang p-AO ng tatlong sp 2 -hybridized carbon atoms ay nagsasapawan, ang isang delocalized three-center bond ay nabuo na naglalaman ng apat (sa carbanion), tatlo (sa free radical) at dalawa (sa carbocation) na mga electron , ayon sa pagkakabanggit.

Sa pormal na paraan, ang C-3 atom sa allyl cation ay nagdadala ng isang positibong singil, sa allyl radical ito ay nagdadala ng isang hindi pares na elektron, at sa allyl anion ito ay nagdadala ng isang negatibong singil. Sa katunayan, sa naturang conjugated system mayroong delokalisasi (dispersal) ng density ng elektron, na humahantong sa pagkakahanay ng mga bono at singil. Ang mga atomo ng C-1 at C-3 sa mga sistemang ito ay katumbas. Halimbawa, sa isang allyl cation, ang bawat isa sa kanila ay may positibong singil+1/2 at ito ay konektado ng isa at kalahating bono sa C-2 atom.

Kaya, ang conjugation ay nagreresulta sa isang makabuluhang pagkakaiba sa distribusyon ng density ng elektron sa mga tunay na istruktura kumpara sa mga istruktura na inilalarawan ng mga kumbensyonal na formula ng istraktura.

2.3.2. Mga closed-loop system

Ang mga cyclic conjugated system ay may malaking interes bilang isang pangkat ng mga compound na may mas mataas na thermodynamic stability kumpara sa conjugated open system. Ang mga compound na ito ay mayroon ding iba pang mga espesyal na katangian, ang kabuuan nito ay pinagsama ng pangkalahatang konsepto aromaticity. Kabilang dito ang kakayahan ng naturang pormal na unsaturated compound

makisali sa mga reaksyon ng pagpapalit sa halip na karagdagan, paglaban sa mga ahente ng oxidizing at temperatura.

Ang mga karaniwang kinatawan ng mga aromatic system ay arene at ang kanilang mga derivatives. Ang mga kakaibang katangian ng elektronikong istraktura ng aromatic hydrocarbons ay malinaw na ipinakita sa atomic orbital model ng benzene molecule. Ang balangkas ng benzene ay nabuo ng anim na sp 2 -hybridized carbon atoms. Ang lahat ng σ bond (C-C at C-H) ay nasa iisang eroplano. Anim na unhybridized p-AOs ay matatagpuan patayo sa eroplano ng molekula at parallel sa bawat isa (Larawan 2.8, a). Ang bawat isa R-Ang AO ay maaaring pantay na magkakapatong sa dalawang magkatabi R-AO. Bilang resulta ng naturang overlap, lumitaw ang isang solong delocalized π-system, ang pinakamataas na density ng elektron kung saan matatagpuan sa itaas at ibaba ng eroplano ng σ-skeleton at sumasaklaw sa lahat ng carbon atoms ng cycle (tingnan ang Fig. 2.8, b) . Ang π-Electron density ay pantay na ipinamamahagi sa buong cyclic system, na ipinapahiwatig ng isang bilog o may tuldok na linya sa loob ng cycle (tingnan ang Fig. 2.8, c). Ang lahat ng mga bono sa pagitan ng mga carbon atom sa benzene ring ay may parehong haba (0.139 nm), intermediate sa pagitan ng mga haba ng single at double bond.

Batay sa mga kalkulasyon ng quantum mechanical, itinatag na para sa pagbuo ng naturang mga matatag na molekula, ang isang flat cyclic system ay dapat maglaman ng (4n + 2) π-electrons, kung saan n= 1, 2, 3, atbp. (Hückel's rule, 1931). Isinasaalang-alang ang mga datos na ito, maaaring tukuyin ang konsepto ng "aromaticity".

Ang tambalan ay mabango kung mayroon itong planar ring at conjugateπ -electronic system na sumasaklaw sa lahat ng atoms ng cycle at naglalaman(4n+ 2) π-mga electron.

Nalalapat ang panuntunan ni Hückel sa anumang planar condensed system kung saan walang mga atomo na pinagsasaluhan ng higit sa

kanin. 2.8.Atomic na orbital model ng benzene molecule (hydrogen atoms inalis; paliwanag sa text)

dalawang cycle. Ang mga compound na may condensed benzene ring, tulad ng naphthalene at iba pa, ay nakakatugon sa pamantayan para sa aromaticity.

Katatagan ng mga pinagsamang sistema. Ang pagbuo ng isang conjugated at lalo na aromatic system ay isang masiglang kanais-nais na proseso, dahil pinapataas nito ang antas ng overlap ng mga orbital at nangyayari ang delokalisasi (dispersal). R-mga electron. Kaugnay nito, ang mga conjugated at aromatic system ay nadagdagan ang thermodynamic stability. Naglalaman ang mga ito ng isang mas maliit na supply ng panloob na enerhiya at sa ground state ay sumasakop sa isang mas mababang antas ng enerhiya kumpara sa mga non-conjugated system. Mula sa pagkakaiba sa pagitan ng mga antas na ito, maaaring mabilang ang termodinamikong katatagan ng conjugated compound, ibig sabihin, ang conjugation energy(enerhiya ng delokalisasi). Para sa butadiene-1,3 ito ay maliit at humigit-kumulang 15 kJ/mol. Habang tumataas ang haba ng conjugated chain, tumataas ang conjugation energy at, nang naaayon, ang thermodynamic stability ng mga compound. Ang conjugation energy para sa benzene ay mas mataas at umaabot sa 150 kJ/mol.

2.4. Mga elektronikong epekto ng mga substituent 2.4.1. Inductive effect

Ang isang polar σ bond sa isang molekula ay nagdudulot ng polarisasyon ng mga kalapit na σ bond at humahantong sa paglitaw ng mga bahagyang singil sa mga kalapit na atomo*.

Ang mga substituent ay nagdudulot ng polariseysyon hindi lamang ng kanilang sarili, kundi pati na rin ng mga kalapit na σ-bond. Ang ganitong uri ng paglipat ng impluwensya ng mga atomo ay tinatawag na inductive effect (/-effect).

Ang inductive effect ay ang paglipat ng elektronikong impluwensya ng mga substituent bilang resulta ng pag-aalis ng mga electron ng σ bond.

Dahil sa mahinang polarizability ng σ bond, ang inductive effect ay kumukupas pagkatapos ng tatlo o apat na bond sa circuit. Ang epekto nito ay pinaka-binibigkas na may kaugnayan sa carbon atom na katabi ng isa na may substituent. Ang direksyon ng inductive effect ng substituent ay qualitatively assessed sa pamamagitan ng paghahambing nito sa hydrogen atom, ang inductive effect na kung saan ay kinuha na zero. Sa graphically, ang resulta ng /-effect ay kinakatawan ng isang arrow na tumutugma sa posisyon ng valence line at tumuturo patungo sa mas electronegative atom.

/V\mas malakas kaysa sa hydrogen atom, nagpapakitanegatiboinductive effect (-/- effect).

Ang ganitong mga substituent sa pangkalahatan ay binabawasan ang density ng elektron ng system; sila ay tinatawag pag-withdraw ng elektron. Kabilang dito ang karamihan sa mga functional na grupo: OH, NH 2, COOH, NO 2 at mga cationic group, halimbawa -NH 3+.

Isang substituent na nagbabago sa density ng elektron kumpara sa hydrogen atomσ -mga bono patungo sa carbon atom ng chain, exhibitspositiboinductive effect (+/- effect).

Ang ganitong mga substituent ay nagpapataas ng density ng elektron sa chain (o singsing) at tinatawag donor ng elektron. Kabilang dito ang mga pangkat ng alkyl na matatagpuan sa sp 2 -hybridized na carbon atom, at mga anionic na sentro sa mga naka-charge na particle, halimbawa -O -.

2.4.2. Mesomeric effect

Sa mga conjugated system, ang mga π-electron ng delocalized covalent bond ay gumaganap ng pangunahing papel sa paghahatid ng elektronikong impluwensya. Ang epekto na ipinakita sa isang pagbabago sa density ng elektron ng isang delokalisado (conjugated) π-system ay tinatawag na mesomeric (M-effect), o conjugation effect.

Ang mesomeric effect ay ang paglipat ng elektronikong impluwensya ng mga substituent sa pamamagitan ng conjugated system.

Sa kasong ito, ang representante mismo ay isang kalahok sa pinagsamang sistema. Maaari itong ipasok sa conjugation system alinman sa isang π-bond (carbonyl, carboxyl groups, atbp.), o isang solong pares ng heteroatom electron (amino at hydroxy groups), o isang bakanteng o isang-electron-filled na p-AO.

Ang isang substituent na nagpapataas ng density ng elektron sa isang conjugated system ay nagpapakitapositibomesomeric effect (+M- effect).

Ang M-effect ay ipinapakita ng mga substituent na kinabibilangan ng mga atom na may nag-iisang pares ng mga electron (halimbawa, isang amino group sa isang aniline molecule) o isang buong negatibong singil. Ang mga substituent na ito ay may kakayahan

sa paglipat ng isang pares ng mga electron sa isang karaniwang conjugate system, i.e. sila donor ng elektron.

Ang isang substituent na nagpapababa ng density ng elektron sa isang conjugated system ay nagpapakitanegatibomesomeric effect (-M- effect).

Ang M-effect sa isang conjugated system ay sanhi ng oxygen o nitrogen atoms na naka-link ng double bond sa isang carbon atom, gaya ng ipinapakita sa halimbawa ng acrylic acid at benzaldehyde. Ang mga ganitong grupo ay pag-withdraw ng elektron.


Ang paglilipat ng density ng elektron ay ipinahiwatig ng isang hubog na arrow, ang simula nito ay nagpapakita kung aling mga p o π na mga electron ang inilipat, at ang dulo nito ay nagpapakita ng bono o atom kung saan sila displaced. Ang mesomeric effect, sa kaibahan sa inductive effect, ay ipinapadala sa pamamagitan ng isang sistema ng conjugated bonds sa mas malayong distansya.

Kapag tinatasa ang impluwensya ng mga substituent sa pamamahagi ng density ng elektron sa isang molekula, kinakailangang isaalang-alang ang nagresultang epekto ng inductive at mesomeric effects (Talahanayan 2.2).

Talahanayan 2.2.Mga elektronikong epekto ng ilang mga substituent

Ginagawang posible ng mga elektronikong epekto ng mga substituent na masuri nang husay ang pamamahagi ng density ng elektron sa isang molekulang hindi tumutugon at mahulaan ang mga katangian nito.

169375 0

Ang bawat atom ay may isang tiyak na bilang ng mga electron.

Kapag pumapasok sa mga reaksiyong kemikal, ang mga atom ay nag-donate, nakakakuha, o nagbabahagi ng mga electron, na nakakamit ang pinaka-matatag na pagsasaayos ng elektroniko. Ang pagsasaayos na may pinakamababang enerhiya (tulad ng sa noble gas atoms) ay lumalabas na ang pinaka-matatag. Ang pattern na ito ay tinatawag na "octet rule" (Fig. 1).

kanin. 1.

Nalalapat ang panuntunang ito sa lahat mga uri ng koneksyon. Ang mga elektronikong koneksyon sa pagitan ng mga atomo ay nagpapahintulot sa kanila na bumuo ng mga matatag na istruktura, mula sa pinakasimpleng mga kristal hanggang sa mga kumplikadong biomolecules na sa huli ay bumubuo ng mga buhay na sistema. Naiiba sila sa mga kristal sa kanilang tuluy-tuloy na metabolismo. Kasabay nito, maraming mga reaksiyong kemikal ang nagpapatuloy ayon sa mga mekanismo elektronikong paglipat, na gumaganap ng isang kritikal na papel sa mga proseso ng enerhiya sa katawan.

Ang kemikal na bono ay ang puwersang nagsasama-sama ng dalawa o higit pang mga atomo, ion, molekula, o anumang kumbinasyon ng mga ito..

Ang likas na katangian ng isang kemikal na bono ay pangkalahatan: ito ay isang electrostatic na puwersa ng atraksyon sa pagitan ng mga negatibong sisingilin na mga electron at positibong sisingilin na nuclei, na tinutukoy ng pagsasaayos ng mga electron ng panlabas na shell ng mga atomo. Ang kakayahan ng isang atom na bumuo ng mga kemikal na bono ay tinatawag valency, o estado ng oksihenasyon. Ang konsepto ng mga electron ng valence- mga electron na bumubuo ng mga bono ng kemikal, iyon ay, matatagpuan sa pinakamataas na orbital ng enerhiya. Alinsunod dito, ang panlabas na shell ng atom na naglalaman ng mga orbital na ito ay tinatawag shell ng valence. Sa kasalukuyan, hindi sapat na ipahiwatig ang pagkakaroon ng isang kemikal na bono, ngunit kinakailangan upang linawin ang uri nito: ionic, covalent, dipole-dipole, metallic.

Ang unang uri ng koneksyon ayionic koneksyon

Ayon sa teorya ng electronic valence ni Lewis at Kossel, ang mga atomo ay maaaring makamit ang isang matatag na pagsasaayos ng elektroniko sa dalawang paraan: una, sa pamamagitan ng pagkawala ng mga electron, pagiging mga kasyon, pangalawa, ang pagkuha sa kanila, nagiging mga anion. Bilang resulta ng paglipat ng elektron, dahil sa electrostatic na puwersa ng pagkahumaling sa pagitan ng mga ion na may mga singil ng magkasalungat na mga palatandaan, nabuo ang isang kemikal na bono, na tinatawag na Kossel " electrovalent"(tinatawag na ngayon ionic).

Sa kasong ito, ang mga anion at cation ay bumubuo ng isang matatag na pagsasaayos ng elektroniko na may puno na panlabas na shell ng elektron. Ang mga tipikal na ionic bond ay nabuo mula sa mga grupong cation T at II ng periodic system at mga anion ng di-metallic na elemento ng mga grupo VI at VII (16 at 17 subgroup, ayon sa pagkakabanggit, chalcogens At halogens). Ang mga bono ng mga ionic compound ay unsaturated at non-directional, kaya pinananatili nila ang posibilidad ng electrostatic na pakikipag-ugnayan sa iba pang mga ion. Sa Fig. Ang mga figure 2 at 3 ay nagpapakita ng mga halimbawa ng mga ionic bond na naaayon sa modelo ng Kossel ng paglilipat ng elektron.

kanin. 2.

kanin. 3. Ionic bond sa isang molekula ng table salt (NaCl)

Dito angkop na alalahanin ang ilang mga katangian na nagpapaliwanag sa pag-uugali ng mga sangkap sa kalikasan, sa partikular, isaalang-alang ang ideya ng mga acid At mga dahilan.

Ang mga may tubig na solusyon ng lahat ng mga sangkap na ito ay mga electrolyte. Magkaiba sila ng kulay mga tagapagpahiwatig. Ang mekanismo ng pagkilos ng mga tagapagpahiwatig ay natuklasan ni F.V. Ostwald. Ipinakita niya na ang mga tagapagpahiwatig ay mahina na mga acid o base, ang kulay nito ay naiiba sa mga hindi pinaghihiwalay at dissociated na estado.

Ang mga base ay maaaring neutralisahin ang mga acid. Hindi lahat ng base ay natutunaw sa tubig (halimbawa, ang ilang mga organikong compound na hindi naglalaman ng mga pangkat ng OH ay hindi matutunaw, sa partikular, triethylamine N(C 2 H 5) 3); ang mga natutunaw na base ay tinatawag alkalis.

Ang mga may tubig na solusyon ng mga acid ay sumasailalim sa mga katangiang reaksyon:

a) na may mga metal oxide - na may pagbuo ng asin at tubig;

b) na may mga metal - na may pagbuo ng asin at hydrogen;

c) na may carbonates - na may pagbuo ng asin, CO 2 at N 2 O.

Ang mga katangian ng mga acid at base ay inilalarawan ng ilang mga teorya. Alinsunod sa teorya ng S.A. Arrhenius, isang acid ay isang sangkap na naghihiwalay upang bumuo ng mga ion N+ , habang ang base ay bumubuo ng mga ion SIYA- . Ang teoryang ito ay hindi isinasaalang-alang ang pagkakaroon ng mga organikong base na walang mga hydroxyl group.

Alinsunod sa proton Ayon sa teorya ni Brønsted at Lowry, ang asido ay isang sangkap na naglalaman ng mga molekula o ion na nag-aabuloy ng mga proton ( mga donor proton), at ang base ay isang sangkap na binubuo ng mga molekula o ion na tumatanggap ng mga proton ( mga tumatanggap proton). Tandaan na sa mga may tubig na solusyon, ang mga hydrogen ions ay umiiral sa hydrated form, iyon ay, sa anyo ng mga hydronium ions. H3O+ . Ang teoryang ito ay naglalarawan ng mga reaksyon hindi lamang sa tubig at hydroxide ions, kundi pati na rin sa mga natupad sa kawalan ng solvent o may non-aqueous solvent.

Halimbawa, sa reaksyon sa pagitan ng ammonia N.H. 3 (mahinang base) at hydrogen chloride sa yugto ng gas, nabuo ang solidong ammonium chloride, at sa isang equilibrium na pinaghalong dalawang sangkap ay palaging may 4 na particle, dalawa sa mga ito ay mga acid, at ang iba pang dalawa ay mga base:

Ang equilibrium mixture na ito ay binubuo ng dalawang conjugate na pares ng mga acid at base:

1)N.H. 4+ at N.H. 3

2) HCl At Cl ‑

Dito, sa bawat pares ng conjugate, ang acid at base ay naiiba ng isang proton. Ang bawat acid ay may conjugate base. Ang isang malakas na acid ay may mahinang conjugate base, at isang mahinang acid ay may isang malakas na conjugate base.

Ang teorya ng Brønsted-Lowry ay tumutulong na ipaliwanag ang natatanging papel ng tubig para sa buhay ng biosphere. Ang tubig, depende sa sangkap na nakikipag-ugnayan dito, ay maaaring magpakita ng mga katangian ng alinman sa isang acid o isang base. Halimbawa, sa mga reaksyon sa may tubig na solusyon ng acetic acid, ang tubig ay isang base, at sa mga reaksyon sa may tubig na solusyon ng ammonia, ito ay isang acid.

1) CH 3 COOH + H2O ↔ H3O + + CH 3 COO- . Dito, ang isang molekula ng acetic acid ay nagbibigay ng isang proton sa isang molekula ng tubig;

2) NH 3 + H2O ↔ NH 4 + + SIYA- . Dito, ang isang molekula ng ammonia ay tumatanggap ng isang proton mula sa isang molekula ng tubig.

Kaya, ang tubig ay maaaring bumuo ng dalawang pares ng conjugate:

1) H2O(acid) at SIYA- (conjugate base)

2) H 3 O+ (acid) at H2O(conjugate base).

Sa unang kaso, ang tubig ay nag-donate ng isang proton, at sa pangalawa, tinatanggap ito.

Ang ari-arian na ito ay tinatawag na amphiprotonism. Ang mga sangkap na maaaring tumugon bilang parehong mga acid at base ay tinatawag amphoteric. Ang ganitong mga sangkap ay madalas na matatagpuan sa buhay na kalikasan. Halimbawa, ang mga amino acid ay maaaring bumuo ng mga asing-gamot na may parehong mga acid at base. Samakatuwid, ang mga peptide ay madaling bumubuo ng mga compound ng koordinasyon na may mga metal ions na naroroon.

Kaya, ang isang katangian ng isang ionic bond ay ang kumpletong paggalaw ng mga bonding electron sa isa sa mga nuclei. Nangangahulugan ito na sa pagitan ng mga ion ay mayroong isang rehiyon kung saan ang density ng elektron ay halos zero.

Ang pangalawang uri ng koneksyon aycovalent koneksyon

Ang mga atom ay maaaring bumuo ng mga matatag na elektronikong pagsasaayos sa pamamagitan ng pagbabahagi ng mga electron.

Ang gayong bono ay nabubuo kapag ang isang pares ng mga electron ay ibinahagi nang paisa-isa mula sa lahat atom. Sa kasong ito, ang mga nakabahaging electron ng bono ay ibinahagi nang pantay sa pagitan ng mga atomo. Kasama sa mga halimbawa ng covalent bond homonuclear diatomic mga molekula H 2 , N 2 , F 2. Ang parehong uri ng koneksyon ay matatagpuan sa allotropes O 2 at ozone O 3 at para sa isang polyatomic molecule S 8 at gayundin mga molekulang heteronuklear hydrogen chloride HCl, carbon dioxide CO 2, mitein CH 4, ethanol SA 2 N 5 SIYA, sulfur hexafluoride SF 6, acetylene SA 2 N 2. Ang lahat ng mga molekulang ito ay nagbabahagi ng parehong mga electron, at ang kanilang mga bono ay puspos at nakadirekta sa parehong paraan (Larawan 4).

Mahalaga para sa mga biologist na ang doble at triple na mga bono ay nagpababa ng covalent atomic radii kumpara sa isang solong bono.

kanin. 4. Covalent bond sa isang Cl 2 molecule.

Ang mga ionic at covalent na uri ng mga bono ay dalawang matinding kaso ng maraming umiiral na mga uri ng mga kemikal na bono, at sa pagsasagawa karamihan ng mga bono ay intermediate.

Ang mga compound ng dalawang elemento na matatagpuan sa magkabilang dulo ng pareho o magkaibang mga panahon ng periodic system ay nakararami na bumubuo ng mga ionic bond. Habang lumalapit ang mga elemento sa loob ng isang panahon, ang ionic na katangian ng kanilang mga compound ay bumababa, at ang covalent na karakter ay tumataas. Halimbawa, ang mga halides at oxide ng mga elemento sa kaliwang bahagi ng periodic table ay bumubuo ng mga ionic bond ( NaCl, AgBr, BaSO 4, CaCO 3, KNO 3, CaO, NaOH), at ang parehong mga compound ng mga elemento sa kanang bahagi ng talahanayan ay covalent ( H 2 O, CO 2, NH 3, NO 2, CH 4, phenol C6H5OH, glucose C 6 H 12 O 6, ethanol C 2 H 5 OH).

Ang covalent bond, sa turn, ay may isa pang pagbabago.

Sa mga polyatomic ions at sa mga kumplikadong biological na molekula, ang parehong mga electron ay maaari lamang magmula isa atom. Ito ay tinatawag na donor pares ng elektron. Ang isang atom na nagbabahagi ng pares ng mga electron na ito sa isang donor ay tinatawag tumanggap pares ng elektron. Ang ganitong uri ng covalent bond ay tinatawag koordinasyon (donor-acceptor, odatibo) komunikasyon(Larawan 5). Ang ganitong uri ng bono ay pinakamahalaga para sa biology at medisina, dahil ang kimika ng mga d-element na pinakamahalaga para sa metabolismo ay higit na inilalarawan ng mga bono ng koordinasyon.

Fig. 5.

Bilang isang patakaran, sa isang kumplikadong tambalan ang metal na atom ay kumikilos bilang isang acceptor ng isang pares ng elektron; sa kabaligtaran, sa ionic at covalent bond ang metal na atom ay isang electron donor.

Ang kakanyahan ng covalent bond at ang pagkakaiba-iba nito - ang coordination bond - ay maaaring linawin sa tulong ng isa pang teorya ng mga acid at base na iminungkahi ng GN. Lewis. Medyo pinalawak niya ang semantikong konsepto ng mga terminong "acid" at "base" ayon sa teorya ng Brønsted-Lowry. Ipinapaliwanag ng teorya ni Lewis ang likas na katangian ng pagbuo ng mga kumplikadong ion at ang pakikilahok ng mga sangkap sa mga reaksyon ng pagpapalit ng nucleophilic, iyon ay, sa pagbuo ng CS.

Ayon kay Lewis, ang isang acid ay isang sangkap na may kakayahang bumuo ng isang covalent bond sa pamamagitan ng pagtanggap ng isang pares ng elektron mula sa isang base. Ang base ng Lewis ay isang sangkap na may nag-iisang pares ng elektron, na, sa pamamagitan ng pagbibigay ng mga electron, ay bumubuo ng isang covalent bond sa Lewis acid.

Iyon ay, pinalawak ng teorya ni Lewis ang hanay ng mga reaksyong acid-base sa mga reaksyon kung saan ang mga proton ay hindi nakikilahok. Bukod dito, ang proton mismo, ayon sa teoryang ito, ay isa ring acid, dahil ito ay may kakayahang tumanggap ng isang pares ng elektron.

Samakatuwid, ayon sa teoryang ito, ang mga kasyon ay mga asidong Lewis at ang mga anion ay mga base ng Lewis. Ang isang halimbawa ay ang mga sumusunod na reaksyon:

Nabanggit sa itaas na ang paghahati ng mga sangkap sa ionic at covalent ay kamag-anak, dahil ang kumpletong paglipat ng elektron mula sa mga atomo ng metal patungo sa mga atomo ng pagtanggap ay hindi nangyayari sa mga molekulang covalent. Sa mga compound na may mga ionic bond, ang bawat ion ay nasa electric field ng mga ions ng kabaligtaran na pag-sign, kaya sila ay kapwa polarized, at ang kanilang mga shell ay deformed.

Polarizability tinutukoy ng elektronikong istraktura, singil at laki ng ion; para sa mga anion ito ay mas mataas kaysa para sa mga cation. Ang pinakamataas na polarisability sa mga cation ay para sa mga cation na may mas malaking singil at mas maliit na sukat, halimbawa, Hg 2+, Cd 2+, Pb 2+, Al 3+, Tl 3+. May malakas na polarizing effect N+ . Dahil ang impluwensya ng polarization ng ion ay two-way, makabuluhang binabago nito ang mga katangian ng mga compound na kanilang nabuo.

Ang ikatlong uri ng koneksyon aydipole-dipole koneksyon

Bilang karagdagan sa mga nakalistang uri ng komunikasyon, mayroon ding dipole-dipole intermolecular pakikipag-ugnayan, tinatawag ding van der Waals .

Ang lakas ng mga pakikipag-ugnayang ito ay nakasalalay sa likas na katangian ng mga molekula.

May tatlong uri ng pakikipag-ugnayan: permanenteng dipole - permanenteng dipole ( dipole-dipole atraksyon); permanenteng dipole - induced dipole ( pagtatalaga sa tungkulin atraksyon); agarang dipole - induced dipole ( nagpapakalat atraksyon, o puwersa ng London; kanin. 6).

kanin. 6.

Tanging ang mga molekula na may polar covalent bonds ang may dipole-dipole moment ( HCl, NH 3, SO 2, H 2 O, C 6 H 5 Cl), at ang lakas ng bono ay 1-2 Debaya(1D = 3.338 × 10‑30 coulomb metro - C × m).

Sa biochemistry, may isa pang uri ng koneksyon - hydrogen koneksyon na isang limitadong kaso dipole-dipole atraksyon. Ang bono na ito ay nabuo sa pamamagitan ng atraksyon sa pagitan ng isang hydrogen atom at isang maliit na electronegative atom, kadalasang oxygen, fluorine at nitrogen. Sa malalaking atomo na may katulad na electronegativity (tulad ng chlorine at sulfur), ang hydrogen bond ay mas mahina. Ang hydrogen atom ay nakikilala sa pamamagitan ng isang makabuluhang tampok: kapag ang mga bonding electron ay hinila palayo, ang nucleus nito - ang proton - ay nakalantad at hindi na sinasanggalang ng mga electron.

Samakatuwid, ang atom ay nagiging isang malaking dipole.

Ang isang hydrogen bond, hindi tulad ng isang van der Waals bond, ay nabuo hindi lamang sa panahon ng intermolecular interaction, kundi pati na rin sa loob ng isang molekula - intramolecular hydrogen bond. Ang mga hydrogen bond ay may mahalagang papel sa biochemistry, halimbawa, upang patatagin ang istruktura ng mga protina sa anyo ng isang a-helix, o para sa pagbuo ng isang double helix ng DNA (Larawan 7).

Fig.7.

Ang hydrogen at van der Waals bond ay mas mahina kaysa sa ionic, covalent at coordination bond. Ang enerhiya ng mga intermolecular bond ay ipinahiwatig sa talahanayan. 1.

Talahanayan 1. Enerhiya ng mga puwersa ng intermolecular

Tandaan: Ang antas ng intermolecular na pakikipag-ugnayan ay makikita ng enthalpy ng pagkatunaw at pagsingaw (pagkulo). Ang mga ionic compound ay nangangailangan ng mas maraming enerhiya upang paghiwalayin ang mga ion kaysa sa paghiwalayin ng mga molekula. Ang enthalpy ng pagtunaw ng mga ionic compound ay mas mataas kaysa sa molecular compound.

Ang ikaapat na uri ng koneksyon aykoneksyon ng metal

Sa wakas, may isa pang uri ng intermolecular bond - metal: koneksyon ng mga positibong ion ng isang metal na sala-sala na may mga libreng electron. Ang ganitong uri ng koneksyon ay hindi nangyayari sa mga biological na bagay.

Mula sa isang maikling pagsusuri ng mga uri ng bono, isang detalye ang nagiging malinaw: isang mahalagang parameter ng isang metal na atom o ion - isang electron donor, pati na rin ang isang atom - isang electron acceptor, ay ang laki.

Nang walang mga detalye, mapapansin natin na ang covalent radii ng mga atomo, ionic radii ng mga metal at van der Waals radii ng mga nakikipag-ugnayang molekula ay tumataas habang tumataas ang kanilang atomic number sa mga grupo ng periodic system. Sa kasong ito, ang mga halaga ng ion radii ay ang pinakamaliit, at ang van der Waals radii ang pinakamalaki. Bilang isang patakaran, kapag lumilipat pababa sa pangkat, ang radii ng lahat ng mga elemento ay tumataas, parehong covalent at van der Waals.

Pinakamahalaga para sa mga biologist at manggagamot ay koordinasyon(donor-acceptor) mga bono na isinasaalang-alang ng kimika ng koordinasyon.

Medikal na bioinorganics. G.K. Barashkov