فصل 2. پیوند شیمیایی و تأثیر متقابل اتم ها در ترکیبات آلی

فصل 2. پیوند شیمیایی و تأثیر متقابل اتم ها در ترکیبات آلی

خواص شیمیایی ترکیبات آلی بر اساس نوع پیوندهای شیمیایی، ماهیت اتم های پیوند خورده و تأثیر متقابل آنها در مولکول تعیین می شود. این عوامل به نوبه خود توسط ساختار الکترونیکی اتم ها و برهمکنش اوربیتال های اتمی آنها تعیین می شوند.

2.1. ساختار الکترونیکی اتم کربن

بخشی از فضای اتمی که احتمال یافتن الکترون در آن حداکثر است، اوربیتال اتمی (AO) نامیده می شود.

در شیمی، مفهوم اوربیتال های ترکیبی اتم کربن و سایر عناصر به طور گسترده ای استفاده می شود. مفهوم هیبریداسیون به عنوان راهی برای توصیف بازآرایی اوربیتال ها زمانی ضروری است که تعداد الکترون های جفت نشده در حالت پایه یک اتم از تعداد پیوندهای تشکیل شده کمتر باشد. به عنوان مثال اتم کربن است که در همه ترکیبات خود را به عنوان یک عنصر چهار ظرفیتی نشان می دهد، اما مطابق با قوانین پر کردن اوربیتال ها در سطح الکترونیکی بیرونی آن، تنها دو الکترون جفت نشده در حالت پایه 1s 2 2s 2 2p 2 قرار دارند (شکل 2.1، آو پیوست 2-1). در این موارد، فرض بر این است که اوربیتال‌های اتمی مختلف، از نظر انرژی نزدیک، می‌توانند با یکدیگر مخلوط شوند و اوربیتال‌های ترکیبی با شکل و انرژی یکسان را تشکیل دهند.

اوربیتال های ترکیبی، به دلیل همپوشانی بیشتر، پیوندهای قوی تری را در مقایسه با اوربیتال های غیر هیبرید تشکیل می دهند.

بسته به تعداد اوربیتال های هیبرید شده، یک اتم کربن می تواند در یکی از سه حالت باشد.

برنج. 2.1.توزیع الکترون ها در اوربیتال ها در اتم کربن در زمین (a)، حالت های برانگیخته (b) و هیبرید شده (c - sp 3، g-sp2، د- sp)

هیبریداسیون (نگاه کنید به شکل 2.1، c-e). نوع هیبریداسیون جهت گیری AOهای هیبریدی در فضا و در نتیجه هندسه مولکول ها، یعنی ساختار فضایی آنها را تعیین می کند.

ساختار فضایی مولکول ها آرایش متقابل اتم ها و گروه های اتمی در فضا است.

sp 3-هیبریداسیونهنگام اختلاط چهار AO خارجی یک اتم کربن برانگیخته (نگاه کنید به شکل 2.1، b) - یک اوربیتال 2s- و سه اوربیتال 2p - چهار اوربیتال معادل sp 3 -هیبریدی بوجود می آیند. آنها شکل یک "هشت" سه بعدی دارند که یکی از تیغه های آن بسیار بزرگتر از دیگری است.

هر اوربیتال هیبریدی با یک الکترون پر شده است. اتم کربن در حالت هیبریداسیون sp 3 دارای پیکربندی الکترونیکی 1s 2 2 (sp 3) 4 است (شکل 2.1، ج را ببینید). چنین حالت هیبریداسیون مشخصه اتم های کربن در هیدروکربن های اشباع (آلکان ها) و بر این اساس در رادیکال های آلکیل است.

به دلیل دافعه متقابل، sp 3-AOs هیبریدی در فضا به سمت رئوس هدایت می شوند. چهار وجهی،و زوایای بین آنها 109.5 است؟ (مناسب ترین مکان؛ شکل 2.2، a).

ساختار فضایی با استفاده از فرمول های استریوشیمیایی به تصویر کشیده شده است. در این فرمول ها، اتم کربن هیبرید شده sp 3 و دو پیوند آن در صفحه نقشه قرار گرفته و به صورت گرافیکی با یک خط منظم نشان داده شده است. یک خط پررنگ یا یک گوه پررنگ نشان‌دهنده اتصالی است که از صفحه نقاشی به جلو امتداد می‌یابد و به سمت ناظر هدایت می‌شود. یک خط نقطه چین یا یک گوه دریچه ای (..........) - اتصالی که از ناظر فراتر از صفحه نقاشی دور می شود.

برنج. 2.2.انواع هیبریداسیون اتم کربن نقطه در مرکز هسته اتم است (بخش های کوچکی از اوربیتال های هیبریدی برای ساده کردن شکل حذف شده اند؛ p-AO های هیبرید نشده به رنگ نشان داده شده اند)

zha (شکل 2.3، a). اتم کربن در حالت است sp 3هیبریداسیون دارای یک پیکربندی چهار وجهی است.

sp 2-هیبریداسیونهنگام مخلوط کردن یکی 2s-و دو 2p-AO از اتم کربن برانگیخته، سه معادل spاوربیتال 2 هیبریدی و 2p-AO هیبرید نشده باقی می ماند. اتم کربن در حالت است sp 2-هیبریداسیون دارای یک پیکربندی الکترونیکی 1s 2 2 (sp 2) 3 2p 1 است (شکل 2.1، d را ببینید). این حالت هیبریداسیون اتم کربن برای هیدروکربن های غیر اشباع (آلکن ها) و همچنین برای برخی از گروه های عاملی مانند کربونیل و کربوکسیل معمول است.

sp 2 - اوربیتال های هیبریدی در یک صفحه با زاویه 120? قرار دارند و AO غیر هیبرید شده در یک صفحه عمود بر هم قرار دارد (به شکل 2.2، b مراجعه کنید). اتم کربن در حالت است sp 2-هیبریداسیون دارد پیکربندی مثلثیاتم‌های کربنی که توسط یک پیوند دوگانه محدود شده‌اند، در صفحه نقاشی قرار دارند و پیوندهای منفرد آن‌ها که به سمت و دور از ناظر هدایت می‌شوند، همانطور که در بالا توضیح داده شد مشخص شده‌اند (شکل 2.3 را ببینید، ب).

هیبریداسیون sp.هنگامی که یک اوربیتال 2s و یک اوربیتال 2p از یک اتم کربن برانگیخته با هم مخلوط می‌شوند، دو AOs هیبرید sp تشکیل می‌شوند، در حالی که دو p AO بدون هیبرید باقی می‌مانند. اتم کربن در حالت هیبریداسیون sp دارای پیکربندی الکترونیکی است

برنج. 2.3.فرمول های استریوشیمیایی متان (a)، اتان (b) و استیلن (c)

1s 2 2 (sp 2) 2 2p 2 (شکل 2.1e را ببینید). این حالت هیبریداسیون اتم کربن در ترکیبات دارای پیوند سه گانه رخ می دهد، به عنوان مثال، در آلکین ها، نیتریل ها.

اوربیتال های هیبریدی sp در زاویه 180? قرار دارند و دو AO هیبرید نشده در صفحات متقابل عمود بر هم قرار دارند (شکل 2.2، ج را ببینید). اتم کربن در حالت هیبریداسیون sp دارد پیکربندی خط،برای مثال، در یک مولکول استیلن، هر چهار اتم در یک خط مستقیم قرار دارند (شکل 2.3 را ببینید، v).

اتم های سایر عناصر ارگانوژن نیز می توانند در حالت هیبرید شده باشند.

2.2. پیوندهای شیمیایی اتم کربن

پیوندهای شیمیایی در ترکیبات آلی عمدتاً با پیوندهای کووالانسی نشان داده می شوند.

پیوند کووالانسی یک پیوند شیمیایی است که در نتیجه اجتماعی شدن الکترون‌های اتم‌های پیوندی ایجاد می‌شود.

این الکترون های مشترک اوربیتال های مولکولی (MOs) را اشغال می کنند. به عنوان یک قاعده، MO یک اوربیتال چند مرکزی است و الکترون هایی که آن را پر می کنند غیرمحلی (پراکنده) هستند. بنابراین، MO، مانند AO، می تواند خالی باشد، با یک الکترون یا دو الکترون با اسپین های مخالف* پر شود.

2.2.1. σ- وπ -ارتباطات

دو نوع پیوند کووالانسی وجود دارد: پیوند σ (سیگما) و π (pi).

پیوند σ یک پیوند کووالانسی است که زمانی تشکیل می‌شود که یک AO در امتداد یک خط مستقیم (محور) همپوشانی داشته باشد که هسته‌های دو اتم پیوند خورده را با حداکثر همپوشانی روی این خط مستقیم به هم متصل می‌کند.

پیوند σ زمانی ایجاد می شود که هر AO از جمله پیوندهای هیبریدی همپوشانی داشته باشد. شکل 2.4 تشکیل یک پیوند σ بین اتم های کربن را در نتیجه همپوشانی محوری پیوندهای σ هیبریدی sp 3 -AO و C-H آنها با همپوشانی هیبرید sp 3 -AO کربن و s-AO هیدروژن نشان می دهد.

* برای جزئیات بیشتر رجوع کنید به: Popkov V.A., Puzakov S.A.شیمی عمومی. - M.: GEOTAR-Media، 2007. - فصل 1.

برنج. 2.4.تشکیل پیوند σ در اتان با همپوشانی محوری AO (بخش‌های کوچکی از اوربیتال‌های ترکیبی حذف شده‌اند، رنگ نشان می‌دهد. sp 3 -AOکربن، سیاه - هیدروژن s-AO)

علاوه بر همپوشانی محوری، نوع دیگری از همپوشانی امکان پذیر است - همپوشانی جانبی p-AO، که منجر به تشکیل یک پیوند π می شود (شکل 2.5).

اوربیتال های اتمی p

برنج. 2.5.تشکیل پیوند π در اتیلن توسط همپوشانی جانبی r-AO

پیوند π پیوندی است که از همپوشانی جانبی p-AO های هیبرید نشده با حداکثر همپوشانی در دو طرف خط مستقیم که هسته اتم ها را به هم متصل می کند، ایجاد می شود.

پیوندهای چندگانه موجود در ترکیبات آلی ترکیبی از پیوند σ- و π- هستند: پیوندهای دوگانه - یک σ- و یک π-، سه گانه - یک σ- و دو پیوند π.

خواص یک پیوند کووالانسی بر حسب ویژگی هایی مانند انرژی، طول، قطبیت و قطبش پذیری بیان می شود.

انرژی پیوندانرژی آزاد شده در طول تشکیل یک پیوند یا لازم برای جدا کردن دو اتم پیوند است. این به عنوان معیاری برای استحکام پیوند عمل می کند: هر چه انرژی بیشتر باشد، پیوند قوی تر است (جدول 2.1).

طول پیوندفاصله بین مراکز اتم های پیوند خورده است. یک پیوند دوگانه کوتاهتر از یک پیوند واحد است و یک پیوند سه گانه کوتاهتر از یک پیوند دوگانه است (جدول 2.1 را ببینید). پیوندهای بین اتم های کربن در حالت های مختلف هیبریداسیون دارای یک الگوی مشترک است -

جدول 2.1.ویژگی های اصلی پیوندهای کووالانسی

با افزایش کسری از اوربیتال s در اوربیتال هیبریدی، طول پیوند کاهش می یابد. به عنوان مثال، در یک سری از ترکیبات، پروپان CHطول پیوند 3 CH 2 CH 3 ، پروپن CH 3 CH = CH 2 ، پروپین CH 3 C = CH CH 3 -C به ترتیب برابر با 0.154 است. 0.150 و 0.146 نانومتر.

قطبیت ارتباط به دلیل توزیع ناهموار (قطبی شدن) چگالی الکترون. قطبیت یک مولکول با مقدار گشتاور دوقطبی آن تعیین می شود. از گشتاورهای دوقطبی یک مولکول، گشتاورهای دوقطبی پیوندهای منفرد را می توان محاسبه کرد (جدول 2.1 را ببینید). هرچه گشتاور دوقطبی بزرگتر باشد، پیوند قطبی تر است. دلیل قطبیت پیوند، تفاوت در الکترونگاتیوی اتم های پیوند شده است.

الکترونگاتیوی توانایی یک اتم در یک مولکول برای نگه داشتن الکترون های ظرفیت را مشخص می کند. با افزایش الکترونگاتیوی یک اتم، درجه جابجایی الکترون های پیوند در جهت آن افزایش می یابد.

بر اساس انرژی های پیوند، شیمیدان آمریکایی ال. پاولینگ (1901-1994) یک مشخصه کمی از الکترونگاتیوی نسبی اتم ها (مقیاس پالینگ) را پیشنهاد کرد. در این مقیاس (ردیف)، عناصر آلی معمولی بر اساس الکترونگاتیوی نسبی (دو فلز برای مقایسه آورده شده است) به صورت زیر مرتب شده اند:

الکترونگاتیوی ثابت مطلق یک عنصر نیست. این بستگی به بار موثر هسته، نوع هیبریداسیون AO و اثر جانشین ها دارد. به عنوان مثال، الکترونگاتیوی یک اتم کربن در حالت sp 2 - یا sp-hybridization بیشتر از حالت sp 3-hybridization است که با افزایش نسبت s-orbital در اوربیتال هیبریدی همراه است. . در طول انتقال اتم ها از sp 3 - به sp 2 - و بیشتر به sp- حالت هیبرید شده، طول اوربیتال هیبریدی به تدریج کاهش می یابد (به ویژه در جهتی که بیشترین همپوشانی را در طول تشکیل پیوند σ ایجاد می کند)، به این معنی که در همان دنباله، حداکثر چگالی الکترون نزدیک به هسته قرار می گیرد. از اتم مربوطه

در مورد پیوند کووالانسی غیر قطبی یا عملاً غیر قطبی، تفاوت در الکترونگاتیوی اتم های پیوند صفر یا نزدیک به صفر است. با افزایش اختلاف الکترونگاتیوی، قطبیت پیوند افزایش می یابد. با اختلاف تا 0.4، آنها از یک قطب ضعیف، بیش از 0.5، یک پیوند کووالانسی قوی قطبی، و بیش از 2.0، یک پیوند یونی صحبت می کنند. پیوندهای کووالانسی قطبی مستعد شکاف هترولیتیک هستند

(به 3.1.1 مراجعه کنید).

قطبی پذیری ارتباطات در جابجایی الکترون های پیوند تحت تأثیر یک میدان الکتریکی خارجی، از جمله ذره واکنش دهنده دیگر بیان می شود. قطبش پذیری توسط تحرک الکترون تعیین می شود. الکترون ها هر چه از هسته اتم ها دورتر باشند تحرک بیشتری دارند. از نظر قطبش پذیری، پیوند π به طور قابل توجهی از پیوند σ فراتر می رود، زیرا حداکثر چگالی الکترونی پیوند π دورتر از هسته های پیوند خورده قرار دارد. قطبش پذیری تا حد زیادی واکنش پذیری مولکول ها را نسبت به معرف های قطبی تعیین می کند.

2.2.2. اوراق قرضه اهداکننده و پذیرنده

همپوشانی دو AO تک الکترونی تنها راه برای تشکیل پیوند کووالانسی نیست. پیوند کووالانسی می تواند از برهمکنش یک اوربیتال دو الکترونی یک اتم (دهنده) با یک اوربیتال خالی اتم دیگر (پذیرنده) تشکیل شود. دهنده ها ترکیباتی هستند که شامل اوربیتال ها با یک جفت تک الکترون یا π-MO هستند. حاملان جفت های تک الکترون (n-electrons، از انگلیسی. غیر پیوندی)اتم های نیتروژن، اکسیژن، هالوژن هستند.

جفت های تک الکترون نقش مهمی در تجلی خواص شیمیایی ترکیبات دارند. به طور خاص، آنها مسئول توانایی ترکیبات برای وارد شدن به یک تعامل دهنده و گیرنده هستند.

پیوند کووالانسی که توسط یک جفت الکترون از یکی از شرکای پیوند ایجاد می شود، پیوند دهنده - گیرنده نامیده می شود.

پیوند دهنده-پذیرنده تشکیل شده تنها در نحوه شکل گیری متفاوت است. خواص آن مانند سایر پیوندهای کووالانسی است. اتم دهنده بار مثبت به دست می آورد.

پیوندهای دهنده-گیرنده مشخصه ترکیبات پیچیده است.

2.2.3. پیوند های هیدروژنی

یک اتم هیدروژن که به یک عنصر به شدت الکترونگاتیو (نیتروژن، اکسیژن، فلوئور و غیره) پیوند دارد، می‌تواند با جفت الکترون‌های یک اتم الکترونگاتیو دیگر از همان مولکول یا مولکول دیگر تعامل داشته باشد. در نتیجه یک پیوند هیدروژنی بوجود می آید که نوعی دهنده است.

اوراق قرضه پذیرنده از نظر گرافیکی، پیوند هیدروژنی معمولاً با سه نقطه نشان داده می شود.

انرژی پیوند هیدروژنی کم است (10-40 کیلوژول بر مول) و عمدتاً توسط برهمکنش الکترواستاتیکی تعیین می شود.

پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی باعث پیوند ترکیبات آلی مانند الکل ها می شود.

پیوندهای هیدروژنی بر خواص فیزیکی (نقاط جوش و ذوب، ویسکوزیته، ویژگی های طیفی) و شیمیایی (اسید-باز) ترکیبات تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، نقطه جوش اتانول C 2H5 OH (78.3 ? C) به طور قابل توجهی بالاتر از دی متیل اتر CH 3 OCH 3 (-24 ? C) با همان وزن مولکولی است که به دلیل پیوندهای هیدروژنی مرتبط نیست.

پیوندهای هیدروژنی نیز می توانند درون مولکولی باشند. چنین پیوندی در آنیون اسید سالیسیلیک منجر به افزایش اسیدیته آن می شود.

پیوندهای هیدروژنی نقش مهمی در تشکیل ساختار فضایی ترکیبات ماکرومولکولی - پروتئین ها، پلی ساکاریدها، اسیدهای نوکلئیک دارند.

2.3. سیستم های مرتبط

یک پیوند کووالانسی می تواند موضعی یا غیرمحلی باشد. پیوندی موضعی نامیده می شود که الکترون های آن در واقع بین دو هسته اتم های پیوندی تقسیم می شوند. اگر الکترون‌های پیوند با بیش از دو هسته مشترک باشند، آنگاه از یک پیوند غیرمحلی صحبت می‌شود.

پیوند غیرمحلی یک پیوند کووالانسی است که اوربیتال مولکولی آن بیش از دو اتم را در بر می گیرد.

پیوندهای غیرمحلی در اکثر موارد پیوندهای π هستند. آنها مشخصه سیستم های جفت شده هستند. در این سیستم ها، نوع خاصی از تأثیر متقابل اتم ها رخ می دهد - صرف.

صرف (mesomeria، از یونانی. مزوس- متوسط) تراز پیوندها و بارها در یک مولکول (ذره) واقعی در مقایسه با یک ساختار ایده آل، اما وجود ندارد.

اوربیتال‌های p غیرمکانیزه‌شده شرکت‌کننده در صرف می‌توانند به دو یا چند پیوند π، یا به پیوند π و یک اتم با اوربیتال p تعلق داشته باشند. مطابق با این، بین π،π-conjugation و ρ،π-conjugation تمایز ایجاد می شود. سیستم مزدوج می تواند باز یا بسته باشد و نه تنها اتم های کربن، بلکه هترواتم ها را نیز در بر گیرد.

2.3.1. سیستم های مدار باز

π,π -جفت شدنساده ترین نماینده سیستم های π، π مزدوج با زنجیره کربنی بوتادین-1،3 است (شکل 2.6، a). اتم های کربن و هیدروژن و در نتیجه همه پیوندهای σ در مولکول آن در یک صفحه قرار دارند و یک اسکلت σ مسطح را تشکیل می دهند. اتم های کربن در حالت هیبریداسیون sp 2 هستند. p-AOهای هیبرید نشده هر اتم کربن عمود بر صفحه اسکلت σ و موازی یکدیگر قرار دارند که شرط لازم برای همپوشانی آنهاست. همپوشانی نه تنها بین p-AO اتم های C-1 و C-2، C-3 و C-4، بلکه بین p-AO اتم های C-2 و C-3 رخ می دهد و در نتیجه تشکیل می شود. از یک π منفرد که شامل سیستم چهار اتم کربن است، به عنوان مثال، یک پیوند کووالانسی غیرمحلی ایجاد می شود (شکل 2.6، ب را ببینید).

برنج. 2.6.مدل مداری اتمی مولکول 1،3 بوتادین

این در تغییر طول پیوند در مولکول منعکس می شود. طول پیوند C-1-C-2، و همچنین C-3-C-4 در بوتادین-1،3 تا حدودی افزایش یافته است و فاصله بین C-2 و C-3 در مقایسه با دو و یکنفره معمولی کوتاه شده است. اوراق قرضه. به عبارت دیگر، فرآیند جابجایی الکترون منجر به همسویی طول پیوندها می شود.

هیدروکربن ها با تعداد زیادی پیوند دوگانه مزدوج در قلمرو گیاهی رایج هستند. اینها شامل کاروتن ها می شود که رنگ هویج، گوجه فرنگی و غیره را تعیین می کند.

یک سیستم کونژوگاسیون باز می تواند شامل هترواتم ها نیز باشد. نمونه ای از باز سیستم های کونژوگه π، π با یک هترواتم در زنجیرهترکیبات کربونیل غیراشباع α، β می توانند مفید باشند. به عنوان مثال، گروه آلدهید در آکرولئین CH 2 =CH-CH=O عضوی از زنجیره ترکیب سه اتم کربن هیبرید شده sp 2 و یک اتم اکسیژن است. هر یک از این اتم ها یک الکترون p به سیستم π منفرد کمک می کنند.

pn-pairing.این نوع ترکیب اغلب در ترکیبات حاوی قطعه ساختاری -CH=CH-X آشکار می شود، که در آن X یک هترواتم است که دارای یک جفت الکترون مشترک (عمدتاً O یا N) است. به عنوان مثال، اینها شامل وینیل اترها هستند، که در مولکول های آنها پیوند دوگانه با آرمدار یک اتم اکسیژن یک پیوند سه مرکزی غیرمحلی با همپوشانی دو اتم کربن هیبرید شده p-AO sp 2 و یک اتم کربن تشکیل می شود. آر-AO یک هترواتم با یک جفت الکترون n.

تشکیل یک پیوند سه مرکزی غیرمحلی مشابه در گروه کربوکسیل وجود دارد. در اینجا، الکترون‌های π پیوند C=O و الکترون‌های n اتم اکسیژن گروه OH در مزدوج شرکت می‌کنند. سیستم های مزدوج با پیوندها و بارهای کاملاً هم تراز شامل ذرات باردار منفی مانند یون استات است.

جهت تغییر چگالی الکترون با یک فلش منحنی نشان داده می شود.

روش های گرافیکی دیگری برای نمایش نتایج جفت سازی وجود دارد. بنابراین، ساختار یون استات (I) فرض می کند که بار به طور مساوی روی هر دو اتم اکسیژن توزیع شده است (همانطور که در شکل 2.7 نشان داده شده است، که درست است).

سازه های (II) و (III) در نظریه رزونانسطبق این نظریه، یک مولکول یا ذره واقعی با مجموعه ای از ساختارهای به اصطلاح تشدید مشخص می شود که تنها در توزیع الکترون ها با یکدیگر تفاوت دارند. در سیستم‌های مزدوج، سهم اصلی در هیبرید رزونانسی توسط ساختارهایی با توزیع‌های چگالی الکترون π متفاوت انجام می‌شود (فلش دو طرفه که این ساختارها را به هم متصل می‌کند نماد خاصی از نظریه رزونانس است).

ساختارهای حد (مرز) واقعاً وجود ندارند. با این حال، آنها تا حدی به توزیع واقعی چگالی الکترون در یک مولکول (ذره) کمک می کنند، که به عنوان یک هیبرید تشدید کننده به دست آمده از روی هم قرار دادن (برهم نهی) ساختارهای محدود کننده نشان داده می شود.

در سیستم‌های ρ،π-کونژوگه با یک زنجیره کربن، اگر یک اتم کربن با یک اوربیتال p غیر هیبرید در کنار پیوند π وجود داشته باشد، می‌تواند رخ دهد. چنین سیستم هایی می توانند ذرات واسطه باشند - کربنیون ها، کربوکاتیون ها، رادیکال های آزاد، به عنوان مثال، ساختارهای آلیل. قطعات آلیل رادیکال آزاد نقش مهمی در فرآیندهای پراکسیداسیون لیپیدی دارند.

در آنیون آلیل CH 2 \u003d CH-CH 2 اتم کربن هیبرید شده SP 2 C-3 به اتم کونژوگه مشترک تحویل می شود

برنج. 2.7.نقشه چگالی الکترونی گروه COONa در پنی سیلین

سیستم دو الکترونی، در رادیکال آلیل CH 2=CH-CH 2+ - یک، و در آلیل کربوکاتیون CH 2=CH-CH 2+ عرضه نمی کند. در نتیجه، هنگامی که p-AO با سه اتم کربن هیبرید شده sp 2 همپوشانی دارد، یک پیوند سه مرکزی غیرمحلی تشکیل می‌شود که شامل چهار (در کاربانیون)، سه (در رادیکال آزاد) و دو (در کربوکاتیون) است. الکترون ها به ترتیب

به طور رسمی، اتم C-3 در کاتیون آلیل دارای بار مثبت است، در رادیکال آلیل دارای یک الکترون جفت نشده و در آنیون آلیل دارای بار منفی است. در واقع، در چنین سیستم های مزدوج، یک جابجایی (پراکندگی) چگالی الکترون وجود دارد که منجر به همسویی پیوندها و بارها می شود. اتم های C-1 و C-3 در این سیستم ها معادل هستند. به عنوان مثال، در یک کاتیون آلیل، هر یک از آنها حامل بار مثبت هستند+1/2 و توسط یک پیوند "یک و نیم" با اتم C-2 متصل می شود.

بنابراین، صرف منجر به تفاوت قابل توجهی در توزیع چگالی الکترون در ساختارهای واقعی در مقایسه با ساختارهایی می‌شود که با فرمول‌های ساختاری معمولی نشان داده می‌شوند.

2.3.2. سیستم های حلقه بسته

سیستم‌های مزدوج چرخه‌ای به عنوان گروهی از ترکیبات با افزایش پایداری ترمودینامیکی در مقایسه با سیستم‌های باز مزدوج بسیار مورد توجه هستند. این ترکیبات دارای خواص ویژه دیگری نیز هستند که کلیت آنها با مفهوم کلی متحد می شود معطر بودناینها شامل توانایی چنین ترکیبات غیراشباع رسمی است

وارد واکنش‌های جایگزینی شوند، نه افزودن، مقاومت در برابر عوامل اکسید کننده و دما.

نمایندگان معمولی سیستم های معطر آرن ها و مشتقات آنها هستند. ویژگی های ساختار الکترونیکی هیدروکربن های آروماتیک به وضوح در مدل مداری اتمی مولکول بنزن آشکار می شود. چارچوب بنزن توسط شش اتم کربن هیبرید شده sp 2 تشکیل شده است. همه پیوندهای σ (C-C و C-H) در یک صفحه قرار دارند. شش p-AO هیبرید نشده عمود بر صفحه مولکول و موازی با یکدیگر قرار دارند (شکل 2.8، a). هر یک آر-AO می تواند به طور مساوی با دو همسایه همپوشانی داشته باشد آر-AO. در نتیجه این همپوشانی، یک سیستم π غیر محلی ایجاد می‌شود که در آن بالاترین چگالی الکترون در بالا و پایین صفحه اسکلت σ قرار دارد و تمام اتم‌های کربن چرخه را می‌پوشاند (شکل 2.8، b را ببینید). چگالی π-الکترون به طور مساوی در سراسر سیستم چرخه ای توزیع می شود که با یک دایره یا یک خط نقطه چین در داخل چرخه نشان داده می شود (شکل 2.8، ج را ببینید). تمام پیوندهای بین اتم های کربن در حلقه بنزن دارای طول یکسانی (0.139 نانومتر) هستند که حد واسط بین طول پیوندهای منفرد و دوگانه است.

بر اساس محاسبات مکانیک کوانتومی، مشخص شد که برای تشکیل چنین مولکول های پایدار، یک سیستم حلقوی مسطح باید حاوی (4n + 2) π-الکترون باشد، که در آن n= 1، 2، 3، و غیره (قانون هاکل، 1931). با در نظر گرفتن این داده ها، می توان مفهوم "آروماتیک" را مشخص کرد.

یک ترکیب اگر دارای یک حلقه مسطح و یک مزدوج باشد معطر استπ -سیستم الکترونیکی که تمام اتم های چرخه را پوشش می دهد و حاوی(4n+ 2) π-الکترون ها.

قانون هوکل در مورد هر سیستم متراکم مسطحی که در آن هیچ اتمی مشترک با بیش از

برنج. 2.8.مدل مداری اتمی مولکول بنزن (اتم های هیدروژن حذف شده اند؛ برای توضیح به متن مراجعه کنید)

دو چرخه ترکیبات دارای حلقه های بنزن متراکم، مانند نفتالین و غیره، معیارهای معطر بودن را دارند.

پایداری سیستم های جفت شده تشکیل یک سیستم مزدوج و به ویژه معطر یک فرآیند انرژی مطلوب است، زیرا درجه همپوشانی اوربیتال ها افزایش می یابد و جابجایی (پراکندگی) رخ می دهد. آر-الکترون ها در این راستا سیستم های مزدوج و آروماتیک پایداری ترمودینامیکی را افزایش داده اند. آنها حاوی مقدار کمتری انرژی داخلی هستند و در حالت پایه سطح انرژی پایین تری را در مقایسه با سیستم های غیر مزدوج اشغال می کنند. تفاوت بین این سطوح را می توان برای تعیین کمیت پایداری ترمودینامیکی ترکیب مزدوج استفاده کرد، به عنوان مثال، آن انرژی صرف(انرژی جابجایی). برای بوتادین-1،3، کوچک است و به حدود 15 کیلوژول بر مول می رسد. با افزایش طول زنجیره مزدوج، انرژی کونژوگه و بر این اساس، پایداری ترمودینامیکی ترکیبات افزایش می یابد. انرژی کونژوگه برای بنزن بسیار بیشتر است و به 150 کیلوژول بر مول می رسد.

2.4. اثرات الکترونیکی جانشین ها 2.4.1. اثر القایی

پیوند σ قطبی در یک مولکول باعث قطبش نزدیکترین پیوندهای σ می شود و منجر به ظاهر شدن بارهای جزئی در اتم های همسایه می شود.

جانشین ها نه تنها خود، بلکه پیوندهای σ مجاور را نیز قطبی می کنند. به این نوع انتقال تأثیر اتم ها، اثر القایی (/-اثر) می گویند.

اثر القایی - انتقال تأثیر الکترونیکی جایگزین ها در نتیجه جابجایی الکترون های پیوند σ.

به دلیل قطبش پذیری ضعیف پیوند σ، اثر القایی پس از سه یا چهار پیوند در مدار ضعیف می شود. عمل آن در رابطه با اتم کربن در مجاورت اتم که یک جانشین دارد، بارزتر است. جهت اثر القایی جانشین از نظر کیفی با مقایسه آن با اتم هیدروژن که اثر القایی آن صفر در نظر گرفته می شود، تخمین زده می شود. از نظر گرافیکی، نتیجه اثر / با یک فلش منطبق با موقعیت خط ظرفیت و به سمت اتم الکترونگاتیو تر نشان داده می شود.

/v\قوی تر از اتم هیدروژن استمنفیاثر القایی (-/-اثر).

چنین جایگزین هایی به طور کلی چگالی الکترون سیستم را کاهش می دهند، به آنها می گویند الکترون برداشتاینها شامل اکثر گروههای عملکردی می شوند: OH، NH 2، COOH، NO2 و گروه های کاتیونی، مانند -NH 3+.

جایگزینی که چگالی الکترون را در مقایسه با اتم هیدروژن تغییر می دهدσ -پیوند به اتم کربن زنجیره، نشان می دهدمثبتاثر القایی (+/- اثر).

چنین جایگزین هایی چگالی الکترون را در زنجیره (یا حلقه) افزایش می دهند و نامیده می شوند دهنده الکتروناینها شامل گروه های آلکیل واقع در اتم کربن هیبرید شده sp 2 و مراکز آنیونی در ذرات باردار، به عنوان مثال -O- است.

2.4.2. اثر مزومریک

در سیستم های مزدوج، نقش اصلی در انتقال نفوذ الکترونیکی توسط π-الکترون های پیوندهای کووالانسی غیرمحلی ایفا می شود. اثری که خود را در تغییر چگالی الکترون یک سیستم π غیرمحلی (مزوج) نشان می دهد، مزومریک (M-effect) یا اثر مزدوج نامیده می شود.

اثر مزومریک - انتقال نفوذ الکترونیکی جایگزین ها در امتداد سیستم مزدوج.

در این مورد، جایگزین خود عضوی از سیستم مزدوج است. می‌تواند پیوند π (گروه‌های کربونیل، کربوکسیل، و غیره) یا یک جفت الکترون مشترک از یک هترواتم (گروه‌های آمینه و هیدروکسی)، یا یک p-AO خالی یا پر شده با یک الکترون را وارد سیستم ترکیب کند. .

جایگزینی که چگالی الکترون را در یک سیستم مزدوج افزایش می دهد، نشان می دهدمثبتاثر مزومریک (+M- effect).

جانشین‌هایی که شامل اتم‌هایی با یک جفت الکترون تنها (مثلاً یک گروه آمینه در یک مولکول آنیلین) یا یک بار منفی کامل هستند، دارای اثر M هستند. این جایگزین ها توانمند هستند

به انتقال یک جفت الکترون به یک سیستم مزدوج مشترک، یعنی آنها هستند دهنده الکترون

جایگزینی که چگالی الکترون را در یک سیستم مزدوج کاهش می دهد، نشان می دهدمنفیاثر مزومریک (-M- effect).

همانطور که در مثال اسید اکریلیک و بنزآلدئید نشان داده شده است، اثر M در سیستم مزدوج توسط اتم های اکسیژن یا نیتروژن که توسط یک پیوند دوگانه به اتم کربن متصل شده اند، وجود دارد. چنین گروه بندی هایی هستند الکترون برداشت

جابجایی چگالی الکترون با یک فلش منحنی نشان داده می شود که ابتدای آن نشان می دهد کدام الکترون های p یا π در حال جابجایی هستند و انتهای آن پیوند یا اتمی است که به آن جابه جا شده اند. اثر مزومریک، بر خلاف اثر القایی، از طریق سیستمی از پیوندهای مزدوج در فاصله بسیار بیشتری منتقل می شود.

هنگام ارزیابی تأثیر جانشین ها بر توزیع چگالی الکترون در یک مولکول، لازم است که عملکرد حاصل از اثرات القایی و مزومریک را در نظر بگیریم (جدول 2.2).

جدول 2.2.اثرات الکترونیکی برخی از جایگزین ها

اثرات الکترونیکی جانشین‌ها، تخمین کیفی توزیع چگالی الکترون در یک مولکول غیرواکنش‌کننده و پیش‌بینی خواص آن را ممکن می‌سازد.

در حالت پایه، اتم کربن C (1s 2 2s 2 2p 2) دارای دو الکترون جفت نشده است که به همین دلیل تنها دو جفت الکترون مشترک می توانند تشکیل شوند. با این حال، کربن در بیشتر ترکیبات آن چهار ظرفیتی است. این به این دلیل است که اتم کربن، با جذب مقدار کمی انرژی، به حالت برانگیخته می رود که در آن 4 الکترون جفت نشده دارد، یعنی. قادر به تشکیل چهارپیوندهای کووالانسی دارند و در تشکیل چهار جفت الکترون مشترک شرکت می کنند:

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

↓

1

↓

پ

↓

پ

س

س

انرژی برانگیختگی با تشکیل پیوندهای شیمیایی که با آزاد شدن انرژی اتفاق می افتد، جبران می شود.

اتم های کربن توانایی تشکیل سه نوع هیبریداسیون اوربیتال های الکترونی را دارند. sp 3, sp 2, sp) و تشکیل پیوندهای متعدد (دو و سه گانه) بین خود (جدول 2.2).

جدول 2.2

انواع هیبریداسیون و هندسه مولکول ها

یک s-باند ساده (تک) زمانی رخ می دهد که sp 3-هیبریداسیون، که در آن هر چهار اوربیتال هیبریدی معادل هستند و جهت مکانی در زاویه 109 درجه و 29 دقیقه نسبت به یکدیگر دارند و به رئوس یک چهار وجهی منتظم گرایش دارند (شکل 2.8).

برنج. 2.8. تشکیل یک مولکول متان CH 4

اگر اوربیتال های ترکیبی کربن با کروی همپوشانی داشته باشند سمدارهای اتم هیدروژن، سپس ساده ترین ترکیب آلی متان CH 4 تشکیل می شود - یک هیدروکربن اشباع.

مطالعه پیوندهای اتم های کربن با یکدیگر و با اتم های عناصر دیگر بسیار جالب است. ساختار مولکول های اتان، اتیلن و استیلن را در نظر بگیرید.

زوایای بین تمام پیوندها در مولکول اتان تقریباً دقیقاً با یکدیگر برابر هستند (شکل 2.9) و با زوایای C - H در مولکول متان تفاوتی ندارند.

بنابراین، اتم های کربن در حالت هستند sp 3-هیبریداسیون

برنج. 2.9. مولکول اتان C 2 H 6

هیبریداسیون اوربیتال های الکترونی اتم های کربن می تواند ناقص باشد، به عنوان مثال. می تواند شامل دو نفر باشد sp 2هیبریداسیون) یا یکی ( spهیبریداسیون) از سه آر-اوربیتال ها در این حالت بین اتم های کربن تشکیل می شود اوراق قرضه متعدد (دو یا سه برابر). هیدروکربن‌هایی که دارای پیوندهای متعدد هستند، غیراشباع یا غیراشباع نامیده می‌شوند. پیوند دوگانه (C=C) زمانی تشکیل می شود که sp 2-هیبریداسیون

در این حالت، هر یک از اتم های کربن یکی از سه اتم را دارد آر-اوربیتال ها در هیبریداسیون دخیل نیستند و در نتیجه سه عدد تشکیل می شود sp 2- اوربیتال های هیبریدی واقع در یک صفحه با زاویه 120 درجه نسبت به یکدیگر و غیر هیبریدی 2 آر-اوربیتال بر این صفحه عمود است. دو اتم کربن به یکدیگر متصل می شوند و یک پیوند s به دلیل همپوشانی اوربیتال های هیبریدی و یک پیوند p به دلیل همپوشانی ایجاد می کنند. آر-اوربیتال ها

برهمکنش اوربیتال های هیبریدی آزاد کربن با 1 س-اوربیتال های اتم های هیدروژن منجر به تشکیل یک مولکول اتیلن C 2 H 4 می شود (شکل 2.10) - ساده ترین نماینده هیدروکربن های غیر اشباع.

برنج. 2.10. تشکیل یک مولکول اتیلن C 2 H 4

همپوشانی اوربیتال های الکترونی در مورد پیوند p کمتر است و مناطق با چگالی الکترونی افزایش یافته دورتر از هسته اتم ها قرار دارند، بنابراین این پیوند از پیوند s استحکام کمتری دارد.

یک پیوند سه گانه از یک پیوند s و دو پیوند p تشکیل می شود. در این حالت اوربیتال های الکترونی در حالت هیبریداسیون sp قرار می گیرند که تشکیل آن به دلیل یک س- و یکی آر-اوربیتال ها (شکل 2.11).

دو اوربیتال هیبریدی در زاویه 180 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند و دو اوربیتال غیر هیبریدی باقی مانده آراوربیتال ها در دو صفحه عمود بر هم قرار دارند. تشکیل یک پیوند سه گانه در مولکول استیلن C 2 H 2 صورت می گیرد (شکل 2.11 را ببینید).

برنج. 2.11. تشکیل یک مولکول استیلن C 2 H 2

نوع خاصی از پیوند در هنگام تشکیل یک مولکول بنزن (C 6 H 6) ایجاد می شود - ساده ترین نماینده هیدروکربن های معطر.

بنزن حاوی شش اتم کربن است که در یک چرخه (حلقه بنزن) به هم متصل شده اند، در حالی که هر اتم کربن در حالت هیبریداسیون sp 2 قرار دارد (شکل 2.12).

برنج. 2.12. sp 2 - اوربیتال های مولکول بنزن C 6 H 6

تمام اتم های کربن موجود در مولکول بنزن در یک صفحه قرار دارند. هر اتم کربن در حالت هیبریداسیون sp 2 دارای اوربیتال p غیر هیبریدی دیگری با یک الکترون جفت نشده است که یک پیوند p را تشکیل می دهد (شکل 2.13).

محور به این صورت آر-اوربیتال عمود بر صفحه مولکول بنزن قرار دارد.

هر شش غیر هیبریدی آراوربیتال‌ها یک اوربیتال مولکولی پیوند مشترک را تشکیل می‌دهند و هر شش الکترون در یک شش‌تایی الکترون p ترکیب می‌شوند.

سطح مرزی چنین اوربیتالی در بالا و زیر صفحه اسکلت s کربن قرار دارد. در نتیجه همپوشانی دایره‌ای، یک سیستم p غیرمحلی ایجاد می‌شود که تمام اتم‌های کربن چرخه را پوشش می‌دهد (شکل 2.13).

بنزن به صورت شماتیک به صورت یک شش ضلعی با حلقه ای در داخل به تصویر کشیده شده است که نشان می دهد که الکترون ها و پیوندهای مربوطه در آن جابجا شده اند.

برنج. 2.13. - پیوندهای موجود در مولکول بنزن C 6 H 6

پیوند شیمیایی یونی

پیوند یونی- یک پیوند شیمیایی که در نتیجه جذب الکترواستاتیک متقابل یون‌های باردار مخالف ایجاد می‌شود، که در آن با انتقال کامل چگالی کل الکترون به یک اتم عنصر الکترونگاتیو تر، حالت پایدار به دست می‌آید.

یک پیوند یونی محض، حالت محدود کننده پیوند کووالانسی است.

در عمل، انتقال کامل الکترون ها از یک اتم به اتم دیگر از طریق یک پیوند محقق نمی شود، زیرا هر عنصر دارای یک EO بیشتر یا کمتر (اما نه صفر) است و هر پیوند شیمیایی تا حدی کووالانسی خواهد بود.

چنین پیوندی در مورد اختلاف زیاد در ER اتم ها، به عنوان مثال، بین کاتیون ها ایجاد می شود. س-فلزات گروه اول و دوم سیستم تناوبی و آنیون های غیر فلزات گروه های VIA و VIIA (LiF، NaCl، CsF و غیره).

برخلاف پیوند کووالانسی، پیوند یونی جهت ندارد . این با این واقعیت توضیح داده می شود که میدان الکتریکی یون دارای تقارن کروی است، یعنی. با فاصله طبق همان قانون در هر جهت کاهش می یابد. بنابراین، برهمکنش بین یون ها مستقل از جهت است.

برهمکنش دو یون با علامت مخالف نمی تواند منجر به جبران کامل میدان نیروی آنها شود. به همین دلیل، آنها توانایی جذب یون های علامت مخالف را در جهات دیگر حفظ می کنند. بنابراین، بر خلاف پیوند کووالانسی، پیوند یونی نیز با غیر اشباع بودن مشخص می شود .

عدم جهت گیری و اشباع پیوند یونی باعث گرایش مولکول های یونی به همراهی می شود. همه ترکیبات یونی در حالت جامد دارای یک شبکه کریستالی یونی هستند که در آن هر یون توسط چندین یون با علامت مخالف احاطه شده است. در این حالت، تمام پیوندهای یک یون معین با یون های همسایه معادل هستند.

اتصال فلزی

فلزات با تعدادی ویژگی خاص مشخص می شوند: هدایت الکتریکی و حرارتی، درخشندگی فلزی مشخص، چکش خواری، شکل پذیری بالا و استحکام بالا. این خواص خاص فلزات را می توان با نوع خاصی از پیوند شیمیایی به نام توضیح داد فلزی .

پیوند فلزی نتیجه همپوشانی اوربیتال‌های غیرمحلی اتم‌هایی است که در شبکه بلوری یک فلز به یکدیگر نزدیک می‌شوند.

اکثر فلزات دارای تعداد قابل توجهی اوربیتال خالی و تعداد کمی الکترون در سطح الکترونیکی بیرونی هستند.

بنابراین، از نظر انرژی مطلوب تر است که الکترون ها موضعی نباشند، بلکه متعلق به کل اتم فلز باشند. در محل های شبکه یک فلز، یون هایی با بار مثبت وجود دارند که در یک الکترون "گاز" که در سراسر فلز توزیع شده است غوطه ور می شوند:

من ↔ من n + + n .

بین یون های فلزی با بار مثبت (Me n +) و الکترون های غیر موضعی (n) یک برهمکنش الکترواستاتیکی وجود دارد که پایداری ماده را تضمین می کند. انرژی این برهمکنش بین انرژی کریستال های کووالانسی و مولکولی حد واسط است. بنابراین، عناصر با پیوند کاملاً فلزی ( س-، و پعناصر) با نقاط ذوب و سختی نسبتاً بالا مشخص می شوند.

وجود الکترون‌هایی که می‌توانند آزادانه در اطراف حجم کریستال حرکت کنند و خواص خاصی را برای فلز فراهم کنند

پیوند هیدروژنی

پیوند هیدروژنی – نوع خاصی از برهمکنش بین مولکولی. اتم های هیدروژن که به صورت کووالانسی به اتم عنصری که دارای ارزش الکترونگاتیوی بالایی است (معمولاً F، O، N، اما همچنین Cl، S و C) پیوند کووالانسی دارند، بار مؤثر نسبتاً بالایی دارند. در نتیجه، چنین اتم های هیدروژن می توانند به صورت الکترواستاتیکی با اتم های این عناصر تعامل کنند.

بنابراین، اتم H d + یک مولکول آب جهت گیری می کند و بر این اساس (همانطور که با سه نقطه نشان داده شده است) با اتم Od - مولکول آب دیگر برهم کنش می کند:

پیوندهای تشکیل شده توسط یک اتم H که بین دو اتم عنصر الکترونگاتیو قرار دارد، پیوند هیدروژنی نامیده می شود:

d-d+d-

A - H × × B

انرژی یک پیوند هیدروژنی بسیار کمتر از انرژی یک پیوند کووالانسی معمولی است (150-400 کیلوژول در مول)، اما این انرژی برای ایجاد تجمع مولکول‌های ترکیبات مربوطه در حالت مایع کافی است، به عنوان مثال، در هیدروژن فلوراید مایع HF (شکل 2.14). برای ترکیبات فلوئور به حدود 40 کیلوژول بر مول می رسد.

برنج. 2.14. تجمع مولکول های HF به دلیل پیوندهای هیدروژنی

طول پیوند هیدروژنی نیز کمتر از طول پیوند کووالانسی است. بنابراین، در پلیمر (HF) n، طول پیوند F-H 0.092 نانومتر است و پیوند F∙∙∙H 0.14 نانومتر است. برای آب، طول پیوند O-H 0.096 نانومتر و طول پیوند O∙∙∙H 0.177 نانومتر است.

تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی منجر به تغییر قابل توجهی در خواص مواد می شود: افزایش ویسکوزیته، ثابت دی الکتریک، نقطه جوش و ذوب.

اطلاعات مشابه

بیشتر ترکیبات آلی ساختار مولکولی دارند. اتم های موجود در مواد با ساختار مولکولی همیشه تنها پیوند کووالانسی با یکدیگر تشکیل می دهند که در مورد ترکیبات آلی نیز مشاهده می شود. به یاد بیاورید که پیوند کووالانسی نوعی پیوند بین اتم ها است که به دلیل این واقعیت است که اتم ها بخشی از الکترون های بیرونی خود را اجتماعی می کنند تا پیکربندی الکترونیکی یک گاز نجیب را به دست آورند.

با توجه به تعداد جفت الکترون های اجتماعی شده، پیوندهای کووالانسی در مواد آلی را می توان به تک، دوتایی و سه گانه تقسیم کرد. این نوع اتصالات در فرمول گرافیکی به ترتیب با یک، دو یا سه خط نشان داده شده اند:

تعدد پیوند منجر به کاهش طول آن می شود، بنابراین یک پیوند C-C منفرد دارای طول 0.154 نانومتر، یک پیوند C=C دوگانه - 0.134 نانومتر، یک پیوند C≡C سه گانه - 0.120 نانومتر است.

انواع پیوندها با توجه به نحوه همپوشانی اوربیتال ها

همانطور که مشخص است، اوربیتال ها می توانند اشکال مختلفی داشته باشند، به عنوان مثال، اوربیتال های s کروی و دمبلی شکل هستند. به همین دلیل، پیوندها می توانند در نحوه همپوشانی اوربیتال های الکترون نیز متفاوت باشند:

ϭ-پیوندها - زمانی تشکیل می شوند که اوربیتال ها به گونه ای همپوشانی داشته باشند که ناحیه همپوشانی آنها با خطی که هسته ها را به هم متصل می کند قطع شود. نمونه هایی از اوراق قرضه ϭ:

پیوندهای π - هنگام همپوشانی اوربیتال ها، در دو ناحیه - بالا و پایین خطی که هسته اتم ها را به هم متصل می کند، تشکیل می شود. نمونه هایی از پیوند π:

چگونه بفهمیم که پیوندهای π و ϭ در یک مولکول وجود دارد؟

با یک نوع پیوند کووالانسی، همیشه بین هر دو اتم یک پیوند ϭ وجود دارد، و فقط در مورد پیوندهای متعدد (دو، سه گانه) دارای پیوند π است. که در آن:

• پیوند واحد - همیشه یک پیوند ϭ
• یک پیوند دوگانه همیشه از یک پیوند ϭ- و یک پیوند π تشکیل شده است
• یک پیوند سه گانه همیشه از یک پیوند ϭ و دو پیوند π تشکیل می شود.

اجازه دهید این نوع پیوندها را در مولکول اسید پروپینوئیک نشان دهیم:

هیبریداسیون اوربیتال های اتم کربن

هیبریداسیون مداری فرآیندی است که در آن اوربیتال‌هایی که در اصل دارای اشکال و انرژی‌های متفاوتی هستند، با هم مخلوط می‌شوند و در ازای آن تعداد اوربیتال‌های هیبریدی یکسان، از نظر شکل و انرژی برابر تشکیل می‌شوند.

به عنوان مثال، هنگام مخلوط کردن یکی s-و سه پ-چهار اوربیتال تشکیل می شود sp 3-اوربیتال های ترکیبی:

در مورد اتم های کربن، هیبریداسیون همیشه انجام می شود s-مداری و عدد پاوربیتال هایی که می توانند در هیبریداسیون شرکت کنند از یک تا سه متغیر است پ-اوربیتال ها

چگونه می توان نوع هیبریداسیون اتم کربن را در یک مولکول آلی تعیین کرد؟

بسته به اینکه یک اتم کربن به چند اتم دیگر پیوند دارد، یا در حالت است sp 3، یا در ایالت sp 2، یا در ایالت sp-هیبریداسیون:

بیایید تعیین نوع هیبریداسیون اتم های کربن را با استفاده از مثال مولکول آلی زیر تمرین کنیم:

اولین اتم کربن به دو اتم دیگر (1H و 1C) پیوند دارد، بنابراین در حالت است. sp-هیبریداسیون

• اتم کربن دوم به دو اتم پیوند دارد - sp-هیبریداسیون
• سومین اتم کربن به چهار اتم دیگر (دو اتم C و دو H) پیوند دارد - sp 3-هیبریداسیون
• چهارمین اتم کربن به سه اتم دیگر (2O و 1C) پیوند دارد - sp 2-هیبریداسیون

افراطی. گروه عملکردی

اصطلاح "رادیکال" اغلب به معنای رادیکال هیدروکربنی است، که باقیمانده یک مولکول هر هیدروکربنی بدون یک اتم هیدروژن است.

نام رادیکال هیدروکربنی بر اساس نام هیدروکربن مربوطه با جایگزینی پسوند تشکیل شده است. -en به پسوند -سیل .

گروه عملکردی - یک قطعه ساختاری از یک مولکول آلی (گروه خاصی از اتم ها) که مسئول خواص شیمیایی خاص آن است.

بسته به اینکه کدام یک از گروه های عاملی در مولکول ماده قدیمی ترین است، ترکیب به یک یا کلاس دیگر اختصاص می یابد.

R تعیین یک جایگزین هیدروکربنی (رادیکال) است.

رادیکال ها می توانند حاوی پیوندهای متعددی باشند که می توانند به عنوان گروه های عاملی نیز در نظر گرفته شوند، زیرا پیوندهای متعدد به خواص شیمیایی ماده کمک می کنند.

اگر یک مولکول آلی دارای دو یا چند گروه عاملی باشد، چنین ترکیباتی چند عملکردی نامیده می شوند.

انواع مواد معدنی و آلی

شیمی آلی شیمی است ترکیبات کربنی. ترکیبات کربن غیر آلی عبارتند از: اکسیدهای کربن، اسید کربنیک، کربنات ها و بی کربنات ها، کاربیدها. مواد آلی غیر از کربن حاوی هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، فسفر، گوگرد و عناصر دیگر است. اتم‌های کربن می‌توانند زنجیره‌های طولانی بدون شاخه و شاخه، حلقه‌ها، عناصر دیگر را بسازند، بنابراین تعداد ترکیبات آلی به 20 میلیون نزدیک شده است، در حالی که کمی بیش از 100 هزار ماده معدنی وجود دارد.

اساس توسعه شیمی آلی نظریه ساختار ترکیبات آلی توسط A. M. Butlerov است. نقش مهمی در توصیف ساختار ترکیبات آلی به مفهوم ظرفیت تعلق دارد که توانایی اتم ها برای تشکیل پیوندهای شیمیایی را مشخص می کند و تعداد آنها را تعیین می کند. کربن در ترکیبات آلی همیشه چهار ظرفیتی. اصل اصلی نظریه A. M. Butlerov موضع در مورد ساختار شیمیایی ماده، یعنی پیوند شیمیایی است. این ترتیب با استفاده از فرمول های ساختاری نمایش داده می شود. نظریه باتلروف این ایده را بیان می کند که هر ماده ای دارد ساختار شیمیایی خاصو خواص مواد به ساختار بستگی دارد.

تئوری ساختار شیمیایی ترکیبات آلی A. M. Butlerova

همانطور که برای شیمی معدنی اساس توسعه قانون تناوبی و سیستم تناوبی عناصر شیمیایی D.I. Mendeleev است، برای شیمی آلی نیز اساسی شده است.

تئوری ساختار شیمیایی ترکیبات آلی A. M. Butlerova

اصل اصلی نظریه باتلروف موقعیت ساختار شیمیایی یک ماده است که به عنوان ترتیب، توالی اتصال متقابل اتم ها به مولکول ها درک می شود، یعنی. پیوند شیمیایی.

ساختار شیمیایی- ترتیب اتصال اتم های عناصر شیمیایی در یک مولکول با توجه به ظرفیت آنها.

این ترتیب را می توان با استفاده از فرمول های ساختاری نشان داد که در آن ظرفیت اتم ها با خط تیره نشان داده می شود: یک خط تیره مربوط به واحد ظرفیت یک اتم یک عنصر شیمیایی است. به عنوان مثال، برای ماده آلی متان که دارای فرمول مولکولی CH 4 است، فرمول ساختاری به این صورت است:

مفاد اصلی نظریه A. M. Butlerov:

اتم های موجود در مولکول های مواد آلی به یکدیگر متصل هستند با توجه به ظرفیت آنها. کربن موجود در ترکیبات آلی همیشه چهار ظرفیتی است و اتم های آن می توانند با یکدیگر ترکیب شوند و زنجیره های مختلفی را تشکیل دهند.

خواص مواد نه تنها با ترکیب کیفی و کمی آنها، بلکه با ترتیب اتصال اتم ها در یک مولکول نیز تعیین می شود، یعنی. ساختار شیمیایی ماده.

خواص ترکیبات آلی نه تنها به ترکیب ماده و ترتیب اتصال اتم ها در مولکول آن بستگی دارد، بلکه به تأثیر متقابل اتم هاو گروه هایی از اتم ها به یکدیگر.

تئوری ساختار ترکیبات آلی یک دکترین پویا و در حال توسعه است. با توسعه دانش در مورد ماهیت پیوند شیمیایی، در مورد تأثیر ساختار الکترونیکی مولکول های مواد آلی، آنها شروع به استفاده از فرمول های الکترونیکی تجربی و ساختاری کردند. این فرمول ها جهت را نشان می دهند جابجایی جفت الکترون در یک مولکول.

شیمی کوانتومی و شیمی ساختار ترکیبات آلی تئوری جهت فضایی پیوندهای شیمیایی (ایزومر سیس و ترانس) را تأیید کرد، ویژگی های انرژی انتقال متقابل در ایزومرها را مورد مطالعه قرار داد، و امکان قضاوت در مورد تأثیر متقابل اتم ها را در ایزومرها فراهم کرد. مولکول‌های مواد مختلف، پیش‌نیازهایی را برای پیش‌بینی انواع ایزومریسم و ​​جهت‌ها و مکانیسم‌های واکنش‌های شیمیایی ایجاد کردند.

مواد آلی دارای تعدادی ویژگی هستند.

ترکیب همه مواد آلی شامل کربن و هیدروژن است، بنابراین، هنگام سوختن، تشکیل می شوند دی اکسید کربن و آب.

· مواد آلی مجتمع ساخته شدهو می تواند وزن مولکولی زیادی (پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها) داشته باشد.

مواد آلی را می توان در ردیف هایی مشابه از نظر ترکیب، ساختار و خواص مرتب کرد همولوگ ها.

برای مواد آلی، مشخصه است ایزومریسم.

ایزومریسم و ​​همسانی مواد آلی

خواص مواد آلی نه تنها به ترکیب آنها بستگی دارد، بلکه به آنها نیز بستگی دارد ترتیب اتصال اتم ها در یک مولکول.

ایزومریسم- این پدیده وجود مواد مختلف است - ایزومرهایی با ترکیب کیفی و کمی یکسان، یعنی با فرمول مولکولی یکسان.

دو نوع ایزومر وجود دارد: ساختاری و فضایی(استریوایزومریسم). ایزومرهای ساختاری از نظر ترتیب پیوند اتم ها در یک مولکول با یکدیگر متفاوت هستند. استریوایزومرها - آرایش اتم ها در فضا با همان ترتیب پیوندهای بین آنها.

انواع اصلی ایزومریسم:

ایزومری ساختاری - مواد از نظر ترتیب پیوند اتم ها در مولکول ها متفاوت هستند:

1) ایزومریسم اسکلت کربن.

2) ایزومری موقعیت:

• اوراق قرضه متعدد؛
• معاونین؛
• گروه های عاملی؛

3) ایزومریسم سری های همسانی (بین طبقاتی).

· ایزومر فضایی - مولکول های مواد نه در ترتیب اتصال اتم ها، بلکه در موقعیت آنها در فضا متفاوت هستند: سیس-، ایزومری ترانس (هندسی).

طبقه بندی مواد آلی

مشخص است که خواص مواد آلی با ترکیب و ساختار شیمیایی آنها تعیین می شود. بنابراین، تعجب آور نیست که طبقه بندی ترکیبات آلی بر اساس تئوری ساختار - نظریه A. M. Butlerov است. طبقه بندی مواد آلی بر اساس حضور و ترتیب اتصال اتم ها در مولکول های آنها. بادوام ترین و کم تغییرپذیرترین بخش مولکول یک ماده آلی آن است اسکلت - زنجیره ای از اتم های کربن. بسته به ترتیب اتصال اتم های کربن در این زنجیره، مواد به دو دسته تقسیم می شوند غیر حلقوی، فاقد زنجیره های بسته اتم های کربن در مولکول ها و کربوسیکلیکحاوی چنین زنجیره هایی (چرخه ها) در مولکول ها.

علاوه بر اتم‌های کربن و هیدروژن، مولکول‌های مواد آلی ممکن است حاوی اتم‌های سایر عناصر شیمیایی باشند. موادی که در مولکول های آنها این به اصطلاح هترواتم ها در یک زنجیره بسته قرار می گیرند به عنوان ترکیبات هتروسیکلیک طبقه بندی می شوند.

هترواتم ها(اکسیژن، نیتروژن و غیره) می توانند بخشی از مولکول ها و ترکیبات غیر حلقوی باشند و گروه های عاملی را در آنها تشکیل دهند، به عنوان مثال،

هیدروکسیل

کربونیل

,

کربوکسیل

,

گروه آمینو

.

گروه عملکردی- گروهی از اتم ها که مشخصه ترین خواص شیمیایی یک ماده و تعلق آن به کلاس خاصی از ترکیبات را تعیین می کند.

نامگذاری ترکیبات آلی

در آغاز توسعه شیمی آلی، ترکیبات کشف شده اختصاص داده شد نام های بی اهمیتاغلب با تاریخ تولید آنها مرتبط است: اسید استیک (که اساس سرکه شراب است)، اسید بوتیریک (تشکیل شده در کره)، گلیکول (یعنی "شیرین") و غیره. با افزایش تعداد مواد کشف شده جدید، نیاز به نام های مرتبط با ساختار آنها بوجود آمد. اینگونه نام های منطقی ظاهر شد: متیلامین، دی اتیلامین، اتیل الکل، متیل اتیل کتون، که بر اساس نام ساده ترین ترکیب است. برای ترکیبات پیچیده تر، نامگذاری منطقی نامناسب است.

تئوری ساختار A. M. Butlerov پایه ای را برای طبقه بندی و نامگذاری ترکیبات آلی بر اساس عناصر ساختاری و آرایش اتم های کربن در یک مولکول فراهم کرد. در حال حاضر، بیشترین استفاده از نامگذاری است که توسط اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC)، که نامگذاری نامیده می شود IUPAC. قوانین IUPAC چندین اصل را برای تشکیل نام توصیه می کند که یکی از آنها اصل جایگزینی است. بر این اساس، یک نامگذاری جایگزین ایجاد شده است که جهانی ترین است. در اینجا چند قانون اساسی در نامگذاری جانشینی آورده شده است و کاربرد آنها را با استفاده از مثالی از یک ترکیب هتروعملکردی حاوی دو گروه عاملی - اسید آمینه لوسین در نظر بگیرید:

1. نام ترکیبات بر اساس ساختار اصلی (زنجیره اصلی یک مولکول غیر حلقوی، یک سیستم کربوسیکلیک یا هتروسیکلیک) است. نام ساختار اجدادی اساس نام، ریشه کلمه است.

در این مورد، ساختار مادر زنجیره ای از پنج اتم کربن است که توسط پیوندهای منفرد به هم متصل شده اند. بنابراین، قسمت ریشه ای نام پنتان است.

2. گروه ها و جانشین های مشخصه (عناصر ساختاری) با پیشوندها و پسوندها مشخص می شوند. گروه های مشخصه بر اساس ارشدیت تقسیم بندی می شوند. ترتیب تقدم گروه های اصلی:

گروه مشخصه ارشد مشخص می شود که در پسوند مشخص شده است. همه جایگزین های دیگر در پیشوند به ترتیب حروف الفبا نامگذاری شده اند.

در این مورد، گروه مشخصه ارشد کربوکسیل است، یعنی این ترکیب متعلق به کلاس اسیدهای کربوکسیلیک است، بنابراین اسید اوئیک را به قسمت ریشه نام اضافه می کنیم. دومین گروه ارشد گروه آمینه است که با پیشوند amino- نشان داده می شود. علاوه بر این، مولکول حاوی یک جایگزین هیدروکربنی متیل- است. بنابراین، اساس نام آمینو متیل پنتانوئیک اسید است.

3. نام شامل تعیین پیوند دوگانه و سه گانه است که بلافاصله پس از ریشه آمده است.

ترکیب مورد بررسی حاوی پیوندهای متعدد نیست.

4. اتم های ساختار مادر شماره گذاری شده اند. شماره گذاری از انتهای زنجیره کربنی شروع می شود که به بالاترین گروه مشخصه نزدیک تر است:

شماره گذاری زنجیره ای از اتم کربن که بخشی از گروه کربوکسیل است شروع می شود، به آن عدد 1 اختصاص می یابد. در این حالت، گروه آمینه در کربن 2 و متیل در کربن 4 خواهد بود.

بنابراین، اسید آمینه طبیعی لوسین، طبق قوانین نامگذاری IUPAC، اسید 2-آمینو-4-متیل پنتانوئیک نامیده می شود.

هیدروکربن ها طبقه بندی هیدروکربن

هیدروکربن هاترکیباتی هستند که فقط از اتم های هیدروژن و کربن تشکیل شده اند.

بسته به ساختار زنجیره کربن، ترکیبات آلی به ترکیبات با زنجیره باز تقسیم می شوند - غیر حلقوی(آلیفاتیک) و چرخه ای- با یک زنجیره بسته از اتم ها.

چرخه ها به دو گروه تقسیم می شوند: ترکیبات کربوسیکلیک(چرخه ها فقط توسط اتم های کربن تشکیل می شوند) و هتروسیکلیک(چرخه ها شامل اتم های دیگری مانند اکسیژن، نیتروژن، گوگرد نیز می شوند).

ترکیبات کربوسیکلیک به نوبه خود شامل دو سری از ترکیبات هستند: alicyclicو معطر.

ترکیبات معطر در اساس ساختار مولکول ها دارند چرخه های مسطح حاوی کربن با یک سیستم بسته خاص از الکترون های p، تشکیل یک π-سیستم مشترک (یک ابر تک الکترونی π). معطر بودن نیز مشخصه بسیاری از ترکیبات هتروسیکلیک است.

تمام ترکیبات کربوسیکلیک دیگر متعلق به سری alicyclic هستند.

هر دو هیدروکربن های غیر حلقوی (آلیفاتیک) و حلقوی می توانند دارای پیوندهای متعدد (دو یا سه گانه) باشند. این هیدروکربن ها نامیده می شوند نامحدود(غیراشباع)، بر خلاف محدود کننده (اشباع)، فقط حاوی پیوندهای منفرد است.

هیدروکربن های آلیفاتیک محدود نامیده می شوند آلکان هاآنها دارای فرمول کلی C n H 2n+2 هستند که n تعداد اتم های کربن است. نام قدیمی آنها امروزه اغلب استفاده می شود - پارافین:

هیدروکربن های آلیفاتیک غیراشباع حاوی یک پیوند دوگانه نامیده می شوند آلکن ها. آنها فرمول کلی C n H 2n را دارند:

هیدروکربن های آلیفاتیک غیراشباع با دو پیوند دوگانه نامیده می شوند آلکادین ها. فرمول کلی آنها C n H 2n-2 است:

هیدروکربن های آلیفاتیک غیر اشباع با یک پیوند سه گانه نامیده می شوند آلکین ها. فرمول کلی آنها C n H 2n - 2 است:

محدود کردن هیدروکربن های آلی حلقوی - سیکلوآلکان هافرمول کلی آنها C n H 2n:

گروه خاصی از هیدروکربن ها، معطر، یا arenes(با یک سیستم n-الکترون مشترک بسته)، که از نمونه هیدروکربن ها با فرمول کلی C n H 2n - 6 شناخته می شود:

بنابراین، اگر در مولکول های آنها یک یا چند اتم هیدروژن با اتم های دیگر یا گروه های اتم (هالوژن ها، گروه های هیدروکسیل، گروه های آمینه و غیره) جایگزین شوند، مشتقات هیدروکربنی تشکیل می شوند: مشتقات هالوژن، حاوی اکسیژن، حاوی نیتروژن و غیره. ترکیبات آلی

سری همولوگ هیدروکربن ها

هیدروکربن ها و مشتقات آنها با گروه عاملی یکسان سری های همولوگ را تشکیل می دهند.

سریال همولوگتعدادی از ترکیبات متعلق به یک کلاس (همولوگ) نامیده می شوند که به ترتیب صعودی وزن مولکولی نسبی آنها، از نظر ساختار و خواص شیمیایی مشابه، مرتب شده اند، که در آن هر عضو با تفاوت همولوژیکی CH 2 با قبلی متفاوت است. به عنوان مثال: CH 4 - متان، C 2 H 6 - اتان، C 3 H 8 - پروپان، C 4 H 10 - بوتان و غیره شباهت خواص شیمیایی همولوگ ها مطالعه ترکیبات آلی را بسیار ساده می کند.

ایزومرهای هیدروکربن ها

آن دسته از اتم‌ها یا گروه‌هایی از اتم‌ها که مشخص‌ترین ویژگی‌های یک دسته معین از مواد را تعیین می‌کنند، نامیده می‌شوند گروه های عاملی.

مشتقات هالوژن هیدروکربن ها را می توان به عنوان محصولات جایگزینی در هیدروکربن های یک یا چند اتم هیدروژن توسط اتم های هالوژن در نظر گرفت. مطابق با این، می توان محدود و نامحدود mono-، di-، tri- (در حالت کلی، poly-) وجود داشته باشد. مشتقات هالوژن.

فرمول کلی مشتقات مونو هالوژن هیدروکربن های اشباع:

و ترکیب با فرمول بیان می شود

که در آن R باقیمانده هیدروکربن اشباع شده (آلکان)، رادیکال هیدروکربنی است (این نام بیشتر در هنگام در نظر گرفتن سایر کلاس های مواد آلی استفاده می شود)، Г یک اتم هالوژن است (F، Cl، Br، I).

برای مثال:

در اینجا یک نمونه از مشتقات دی هالوژن آورده شده است:

به مواد آلی اکسیژن دارشامل الکل ها، فنل ها، آلدهیدها، کتون ها، اسیدهای کربوکسیلیک، اترها و استرها می شود. الکل ها مشتقاتی از هیدروکربن ها هستند که در آنها یک یا چند اتم هیدروژن با گروه های هیدروکسیل جایگزین می شوند.

الکل ها را اگر یک گروه هیدروکسیل داشته باشند یکهیدریک و اگر مشتقات آلکان باشند محدود کننده نامیده می شوند.

فرمول کلی برای حد الکل های تک هیدریک:

و ترکیب آنها با فرمول کلی بیان می شود:

برای مثال:

نمونه های شناخته شده الکل های پلی هیدریک، یعنی داشتن چندین گروه هیدروکسیل:

فنل ها- مشتقات هیدروکربن های معطر (سری بنزن)، که در آن یک یا چند اتم هیدروژن در حلقه بنزن با گروه های هیدروکسیل جایگزین می شوند.

ساده ترین نماینده با فرمول C 6 H 5 OH یا

فنل نامیده می شود.

آلدهیدها و کتون ها- مشتقات هیدروکربن های حاوی یک گروه کربونیل از اتم ها

(کربونیل).

در مولکول ها آلدئیدهایک پیوند کربونیل به اتصال با اتم هیدروژن می رود، دیگری با رادیکال هیدروکربن. فرمول کلی آلدئیدها:

برای مثال:

چه زمانی کتون هاگروه کربونیل به دو رادیکال (به طور کلی متفاوت) پیوند دارد، فرمول کلی کتون ها به صورت زیر است:

برای مثال:

ترکیب آلدئیدها و کتون های محدود کننده با فرمول C 2n H 2n O بیان می شود.

اسیدهای کربوکسیلیک- مشتقات هیدروکربن های حاوی گروه های کربوکسیل

(یا -COOH).

اگر یک گروه کربوکسیل در مولکول اسید وجود داشته باشد، اسید کربوکسیلیک تک باز است. فرمول کلی اسیدهای مونوبازیک اشباع:

ترکیب آنها با فرمول C n H 2n O 2 بیان می شود.

برای مثال:

اترهامواد آلی حاوی دو رادیکال هیدروکربنی هستند که توسط یک اتم اکسیژن به هم متصل شده اند: R-O-R یا R1-O-R2.

رادیکال ها ممکن است یکسان یا متفاوت باشند. ترکیب اترها با فرمول C n H 2n + 2 O بیان می شود.

برای مثال:

استرها- ترکیباتی که از جایگزینی اتم هیدروژن گروه کربوکسیل در اسیدهای کربوکسیلیک با یک رادیکال هیدروکربنی تشکیل می شوند.

فرمول کلی استرها:

برای مثال:

ترکیبات نیترو- مشتقات هیدروکربن ها که در آنها یک یا چند اتم هیدروژن با یک گروه نیترو -NO 2 جایگزین شده است.

فرمول کلی ترکیبات مونونیترو محدود کننده:

و ترکیب با فرمول کلی C n H 2n + 1 NO 2 بیان می شود.

برای مثال:

مشتقات آرن نیترو:

آمین ها- ترکیباتی که به عنوان مشتقات آمونیاک در نظر گرفته می شوند (NH 3) که در آن اتم های هیدروژن با رادیکال های هیدروکربنی جایگزین می شوند. بسته به ماهیت رادیکال، آمین ها می توانند آلیفاتیک باشند، به عنوان مثال:

و معطر، به عنوان مثال:

بسته به تعداد اتم های هیدروژن که با رادیکال ها جایگزین می شوند، عبارتند از:

آمین های اولیهبا فرمول کلی:

ثانوی- با فرمول کلی:

درجه سوم- با فرمول کلی:

در یک مورد خاص، آمین های ثانویه و سوم ممکن است رادیکال های مشابهی داشته باشند.

آمین های اولیه را می توان به عنوان مشتقات هیدروکربن ها (آلکان ها) نیز در نظر گرفت که در آنها یک اتم هیدروژن با یک گروه آمینه -NH 2 جایگزین می شود. ترکیب آمین های اولیه محدود کننده با فرمول C n H 2n + 3 N بیان می شود.

برای مثال:

اسیدهای آمینه شامل دو گروه عاملی متصل به یک رادیکال هیدروکربنی هستند: گروه آمینه -NH 2 و کربوکسیل -COOH.

فرمول کلی اسیدهای آمینه α (آنها برای ساختن پروتئین هایی که موجودات زنده را تشکیل می دهند بسیار مهم هستند):

ترکیب اسیدهای آمینه محدود کننده حاوی یک گروه آمینه و یک کربوکسیل با فرمول C n H 2n + 1 NO 2 بیان می شود.

برای مثال:

سایر ترکیبات آلی مهم شناخته شده‌اند که دارای چندین گروه عملکردی متفاوت یا یکسان هستند، زنجیره‌های خطی بلند مرتبط با حلقه‌های بنزن. در چنین مواردی، تعریف دقیق اینکه آیا یک ماده به یک طبقه خاص تعلق دارد یا خیر غیرممکن است. این ترکیبات اغلب به گروه های خاصی از مواد جدا می شوند: کربوهیدرات ها، پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، آنتی بیوتیک ها، آلکالوئیدها و غیره.

در حال حاضر، ترکیبات زیادی نیز وجود دارد که می توان آنها را به دو دسته آلی و معدنی طبقه بندی کرد. x را ترکیبات آلی عنصری می نامند. برخی از آنها را می توان به عنوان مشتقات هیدروکربن ها در نظر گرفت.

برای مثال:

ترکیباتی وجود دارند که فرمول مولکولی یکسانی برای بیان ترکیب مواد دارند.

پدیده ایزومریسم شامل این واقعیت است که می تواند چندین ماده با خواص مختلف وجود داشته باشد که دارای ترکیب مولکول های یکسان، اما ساختارهای متفاوت هستند. به این مواد ایزومر می گویند.

در مورد ما، اینها ایزومرهای بین طبقه ای هستند: سیکلوآلکان ها و آلکان ها، آلکادی ئن ها و آلکین ها، الکل ها و اترهای تک هیدریک اشباع، آلدئیدها و کتون ها، اسیدهای کربوکسیلیک تک بازیک اشباع و استرها.

ایزومری ساختاری

انواع زیر وجود دارد ایزومریسم ساختاری: ایزومر اسکلت کربن، ایزومر موقعیت، ایزومری کلاس های مختلف ترکیبات آلی (ایزومر بین طبقاتی).

ایزومری اسکلت کربنی ناشی از ترتیب پیوندهای مختلف بین اتم های کربنکه اسکلت مولکول را تشکیل می دهند. همانطور که قبلا نشان داده شد، فرمول مولکولی C 4 H 10 مربوط به دو هیدروکربن است: n-بوتان و ایزوبوتان. برای هیدروکربن C 5 H 12، سه ایزومر امکان پذیر است: پنتان، ایزوپنتان و نئوپنتان.

با افزایش تعداد اتم های کربن در یک مولکول، تعداد ایزومرها به سرعت افزایش می یابد. برای هیدروکربن C 10 H 22 در حال حاضر 75 مورد از آنها وجود دارد، و برای هیدروکربن C 20 H 44 - 366 319.

ایزومری موقعیت به دلیل موقعیت متفاوت پیوند چندگانه، جانشین، گروه عاملی با اسکلت کربنی یکسان مولکول است:

ایزومری کلاس های مختلف ترکیبات آلی (ایزومر بین طبقاتی) به دلیل موقعیت و ترکیب متفاوت اتم ها در مولکول های موادی است که فرمول مولکولی یکسانی دارند، اما به طبقات مختلف تعلق دارند. بنابراین، فرمول مولکولی C 6 H 12 مربوط به هیدروکربن غیر اشباع هگزن-1 و هیدروکربن سیکلوهگزان حلقوی است.

ایزومرها یک هیدروکربن مربوط به آلکین ها - بوتین-1 و یک هیدروکربن با دو پیوند دوگانه در زنجیره بوتادین-1،3 هستند:

دی اتیل اتر و بوتیل الکل دارای فرمول مولکولی یکسان C 4 H 10 O هستند:

ایزومرهای ساختاری اسید آمینه استیک و نیترواتان هستند که مطابق با فرمول مولکولی C 2 H 5 NO 2 هستند:

ایزومرهای این نوع حاوی گروه های عاملی متفاوتی هستند و به کلاس های مختلفی از مواد تعلق دارند. بنابراین، آنها در خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار بیشتر از ایزومرهای اسکلت کربن یا ایزومرهای موقعیت متفاوت هستند.

ایزومریسم فضایی

ایزومریسم فضاییبه دو نوع هندسی و نوری تقسیم می شود.

ایزومری هندسی مشخصه ترکیبات است، حاوی پیوندهای دوگانه و ترکیبات حلقوی. از آنجایی که چرخش آزاد اتم‌ها حول یک پیوند دوگانه یا در یک چرخه غیرممکن است، جانشین‌ها می‌توانند در یک طرف صفحه پیوند دوگانه یا چرخه (موقعیت cis) یا در طرف‌های مخالف (جابه‌جایی) قرار گیرند. عناوین cis- و trans- معمولاً به یک جفت جانشین یکسان اشاره دارند.

ایزومرهای هندسی از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت است.

ایزومری نوری رخ می دهد اگر مولکول با تصویر خود در آینه ناسازگار باشد. این زمانی امکان پذیر است که اتم کربن موجود در مولکول دارای چهار جایگزین مختلف باشد. این اتم نامتقارن نامیده می شود. نمونه ای از چنین مولکولی، مولکول α-آمینوپروپیونیک اسید (α-آلانین) CH3 CH(NH2)OH است.

مولکول α-آلانین تحت هیچ حرکتی نمی تواند با تصویر آینه ای خود منطبق باشد. چنین ایزومرهای فضایی آینه ای، آنتی پادهای نوری یا انانتیومر نامیده می شوند. تمام خواص فیزیکی و تقریباً تمام خواص شیمیایی این ایزومرها یکسان است.

مطالعه ایزومریسم نوری با در نظر گرفتن بسیاری از واکنش های رخ داده در بدن ضروری است. بیشتر این واکنش ها تحت تأثیر آنزیم ها - کاتالیزورهای بیولوژیکی هستند. مولکول‌های این مواد باید به مولکول‌های ترکیباتی نزدیک شوند که روی آن‌ها مانند کلید قفل عمل می‌کنند، بنابراین ساختار فضایی، موقعیت نسبی نواحی مولکولی و سایر عوامل فضایی برای سیر این واکنش‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. . چنین واکنش هایی استریوسکتیو نامیده می شود.

بیشتر ترکیبات طبیعی انانتیومرهای منفرد هستند و عملکرد بیولوژیکی آنها (از طعم و بو گرفته تا اثر دارویی) به شدت با خواص آنتی پادهای نوری آنها که در آزمایشگاه به دست می آید متفاوت است. چنین تفاوتی در فعالیت بیولوژیکی از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا زیربنای مهمترین ویژگی همه موجودات زنده - متابولیسم است.

ایزومریسم

ساختار الکترونیکی اتم کربن

کربن، که بخشی از ترکیبات آلی است، ظرفیت ثابتی از خود نشان می دهد. آخرین سطح انرژی اتم کربن شامل 4 الکترونکه دو تای آن ها اوربیتال 2s که شکل کروی دارد و دو الکترون اوربیتال های 2p که شکل دمبلی دارند را اشغال می کنند. هنگامی که برانگیخته می شود، یک الکترون از اوربیتال 2s می تواند به یکی از اوربیتال های خالی 2p برود. این انتقال به مقداری هزینه انرژی (403 کیلوژول بر مول) نیاز دارد. در نتیجه، اتم کربن برانگیخته دارای 4 الکترون جفت نشده است و پیکربندی الکترونیکی آن با فرمول 2s 1 2p 3 بیان می شود. بنابراین، در مورد هیدروکربن متان (CH 4)، اتم کربن 4 پیوند با s تشکیل می دهد. -الکترون های اتم های هیدروژن در این حالت، 1 پیوند از نوع ss (بین الکترون s اتم کربن و الکترون s اتم هیدروژن) و پیوند 3 ps (بین 3 الکترون p اتم کربن و 3 الکترون s از اتم کربن 3 اتم هیدروژن) باید تشکیل می شد. این منجر به این نتیجه می شود که چهار پیوند کووالانسی تشکیل شده توسط اتم کربن معادل نیستند. با این حال، تجربه عملی شیمی نشان می دهد که هر 4 پیوند در مولکول متان کاملاً معادل هستند و مولکول متان دارای ساختار چهار وجهی با زوایای ظرفیت 109.5 0 است که اگر پیوندها هم ارز نبودند، چنین نمی شد. از این گذشته، فقط اوربیتال های الکترون های p در فضا در امتداد محورهای متقابل عمود بر x، y، z قرار گرفته اند و اوربیتال الکترون s شکل کروی دارد، بنابراین جهت تشکیل پیوند با این الکترون خواهد بود. دلخواه تئوری هیبریداسیون توانست این تناقض را توضیح دهد. L. Polling پیشنهاد کرد که در هیچ مولکولی پیوند جدا شده از یکدیگر وجود ندارد. هنگامی که پیوندها تشکیل می شوند، اوربیتال های همه الکترون های ظرفیت با هم همپوشانی دارند. چندین نوع شناخته شده است هیبریداسیون اوربیتال های الکترونی. فرض بر این است که در مولکول متان و سایر آلکان ها 4 الکترون وارد هیبریداسیون می شوند.

هیبریداسیون اوربیتال های اتم کربن

هیبریداسیون اوربیتال ها- این تغییر در شکل و انرژی برخی از الکترون ها در طول تشکیل یک پیوند کووالانسی است که منجر به همپوشانی کارآمدتر اوربیتال ها و افزایش استحکام پیوندها می شود. هیبریداسیون مداری همیشه زمانی اتفاق می افتد که الکترون های متعلق به انواع مختلف اوربیتال ها در تشکیل پیوندها شرکت کنند.

1. sp 3 -هیبریداسیون(اولین حالت ظرفیت کربن). با هیبریداسیون sp 3، 3 اوربیتال p و یک اوربیتال s یک اتم کربن برانگیخته به گونه ای برهم کنش می کنند که اوربیتال هایی به دست می آیند که از نظر انرژی کاملاً یکسان هستند و به طور متقارن در فضا قرار دارند. این تبدیل را می توان به صورت زیر نوشت:

در طول هیبریداسیون، تعداد کل اوربیتال ها تغییر نمی کند، بلکه فقط انرژی و شکل آنها تغییر می کند. نشان داده شده است که هیبریداسیون sp 3 اوربیتال ها شبیه یک شکل سه بعدی هشت است که یکی از تیغه های آن بسیار بزرگتر از دیگری است. چهار اوربیتال هیبریدی از مرکز تا رأس یک چهار وجهی منظم در زوایای 109.5 0 امتداد یافته اند. پیوندهای تشکیل شده توسط الکترون های ترکیبی (مثلاً پیوند s-sp 3) قوی تر از پیوندهای ایجاد شده توسط الکترون های p هیبرید نشده (مثلاً پیوند s-p) هستند. زیرا اوربیتال هیبرید sp 3 نسبت به اوربیتال p ترکیب نشده، ناحیه بزرگتری از همپوشانی اوربیتال الکترونی ایجاد می کند. مولکول هایی که در آنها هیبریداسیون sp 3 انجام می شود ساختار چهار وجهی دارند. علاوه بر متان، اینها شامل همولوگهای متان، مولکولهای معدنی مانند آمونیاک هستند. شکل ها یک اوربیتال هیبرید شده و یک مولکول متان چهار وجهی را نشان می دهند.

پیوندهای شیمیایی که در متان بین اتم‌های کربن و هیدروژن ایجاد می‌شوند از نوع پیوند σ (sp 3 -s-bond) هستند. به طور کلی، هر پیوند سیگما با این واقعیت مشخص می شود که چگالی الکترون دو اتم به هم پیوسته در امتداد خط اتصال مراکز (هسته) اتم ها همپوشانی دارند. پیوندهای σ با حداکثر درجه ممکن همپوشانی اوربیتال های اتمی مطابقت دارند، بنابراین به اندازه کافی قوی هستند.

2. sp 2 -هیبریداسیون(وضعیت ظرفیت دوم کربن). در نتیجه همپوشانی یک اوربیتال 2s و دو اوربیتال 2p رخ می دهد. اوربیتال های هیبریدی sp 2 حاصل در یک صفحه با زاویه 120 0 نسبت به یکدیگر قرار دارند و اوربیتال p غیر هیبرید شده عمود بر آن است. تعداد کل مدارها تغییر نمی کند - چهار مورد از آنها وجود دارد.

حالت هیبریداسیون sp 2 در مولکول های آلکن، در گروه های کربونیل و کربوکسیل رخ می دهد، به عنوان مثال. در ترکیبات حاوی پیوند دوگانه. بنابراین، در مولکول اتیلن، الکترون های هیبرید شده اتم کربن 3 پیوند σ تشکیل می دهند (دو پیوند نوع sp 2 -s بین اتم کربن و اتم هیدروژن و یک پیوند نوع sp 2 -sp 2 بین اتم های کربن). الکترون p هیبرید نشده باقیمانده از یک اتم کربن یک پیوند π با الکترون p هیبرید نشده اتم کربن دوم تشکیل می دهد. یکی از ویژگی های پیوند π این است که همپوشانی اوربیتال های الکترونی فراتر از خط اتصال دو اتم است. همپوشانی مداری بالا و پایین پیوند σ است که هر دو اتم کربن را به هم متصل می کند. بنابراین، پیوند دوگانه ترکیبی از پیوند σ و π است. دو شکل اول نشان می دهد که در مولکول اتیلن، زوایای پیوند بین اتم هایی که مولکول اتیلن را تشکیل می دهند 120 0 است (به ترتیب جهت گیری سه اوربیتال هیبریدی sp 2 در فضا). شکل ها شکل گیری پیوند π را نشان می دهند.

از آنجایی که مساحت همپوشانی اوربیتال های p غیر هیبریدی در پیوندهای π کمتر از مساحت همپوشانی اوربیتال ها در پیوند σ است، پیوند π نسبت به پیوند σ استحکام کمتری دارد و به راحتی در آن شکسته می شود. واکنش های شیمیایی

3. هیبریداسیون sp(حالت ظرفیت سوم کربن). در حالت sp-hybridization، اتم کربن دارای دو اوربیتال sp-hybrid است که به صورت خطی با زاویه 180 0 نسبت به یکدیگر و دو اوربیتال p ترکیب نشده در دو صفحه متقابل عمود بر هم قرار دارند. هیبریداسیون sp مشخصه آلکین ها و نیتریل ها است. برای ترکیبات حاوی پیوند سه گانه.

بنابراین، در یک مولکول استیلن، زاویه پیوند بین اتم ها 180 درجه است. الکترون های هیبرید شده یک اتم کربن 2 پیوند σ تشکیل می دهند (یک پیوند sp-s بین اتم کربن و یک اتم هیدروژن و یک پیوند دیگر از نوع sp-sp بین اتم های کربن. دو الکترون p هیبرید نشده از یک اتم کربن دو پیوند π- تشکیل می دهند. پیوندهایی با الکترون‌های p ترکیب نشده دوم همپوشانی اوربیتال‌های الکترون p نه تنها در بالا و پایین پیوند σ، بلکه در جلو و عقب نیز می‌رود، و کل ابر الکترون p شکل استوانه‌ای دارد. بنابراین، یک پیوند سه‌گانه است. ترکیبی از یک پیوند σ و دو پیوند π است. وجود دو پیوند π کمتر قوی در مولکول استیلن، توانایی این ماده را برای وارد شدن به واکنش‌های اضافه با شکستن پیوند سه‌گانه تضمین می‌کند.

مواد مرجع برای قبولی در آزمون:

جدول مندلیف

جدول حلالیت