KABANATA 2. CHEMICAL BOND AT MUTUAL INFLUENCE NG MGA ATOM SA ORGANIC COMPOUNDS
Ang mga kemikal na katangian 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 orbital.
2.1. Ang 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 sa panlabas na antas ng elektroniko nito, dalawang unpaired electron lamang ang nasa ground state 1s 2 2s 2 2p 2 (Fig 2.1, a at Apendise 2-1). Sa mga kasong ito, ipinapalagay na ang iba't ibang mga atomic na orbital, malapit sa enerhiya, ay maaaring maghalo sa isa't isa, na bumubuo ng mga hybrid na orbital ng parehong hugis at enerhiya.
Ang mga hybrid na orbital, dahil sa mas malaking overlap, ay bumubuo ng mas malakas na mga bono kumpara sa mga hindi hybrid na orbital.
Depende sa bilang ng mga hybridized na orbital, ang isang carbon atom ay maaaring nasa isa sa tatlong estado
kanin. 2.1.Ang pamamahagi ng mga electron sa mga orbital sa carbon atom sa lupa (a), excited (b) at hybridized na estado (c - sp 3 , 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 magkaparehong pag-aayos ng mga atomo at mga grupong atomiko sa kalawakan.
sp 3-Hybridization.Kapag pinaghahalo ang apat na panlabas na AO ng isang excited na carbon atom (tingnan ang Fig. 2.1, b) - isang 2s- at tatlong 2p-orbitals - apat na katumbas na sp 3 -hybrid orbitals ang lumitaw. Mayroon silang hugis ng tatlong-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 ganitong estado ng hybridization 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 eroplano ng drawing at graphical na tinutukoy ng isang regular na linya. Ang isang naka-bold na linya o isang naka-bold na wedge ay nagpapahiwatig ng isang koneksyon na umaabot pasulong mula sa eroplano ng pagguhit at nakadirekta patungo sa nagmamasid; isang tuldok na linya o isang hatched wedge (..........) - isang koneksyon na lumalayo mula sa nagmamasid sa kabila ng eroplano ng pagguhit
kanin. 2.2.Mga uri ng hybridization ng carbon atom. Ang tuldok sa gitna ay ang nucleus ng atom (ang maliliit na praksyon ng mga hybrid na orbital ay tinanggal upang pasimplehin ang figure; ang mga unhybridized na p-AO ay ipinapakita sa kulay)
zha (Larawan 2.3, a). Ang carbon atom ay nasa estado sp 3-Ang hybridization ay may tetrahedral configuration.
sp 2-Hybridization.Kapag naghahalo ng isa 2s- at dalawang 2p-AO ng nasasabik na carbon atom, tatlong katumbas 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 hybridization ng carbon atom ay tipikal para sa unsaturated hydrocarbons (alkenes), gayundin para sa ilang functional na grupo, tulad 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 tatsulok na pagsasaayos. Ang mga carbon atom na nakagapos 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 na AO ang nabubuo, habang ang dalawang p AO ay nananatiling unhybridized. Ang carbon atom sa estado ng sp hybridization 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. 2.1e). Ang estado ng hybridization ng carbon atom ay nangyayari sa mga compound na may triple bond, halimbawa, sa mga alkynes, nitriles.
Ang sp-hybrid orbitals ay matatagpuan sa isang anggulo na 180?, at dalawang unhybridized na AO ay nasa magkaparehong patayo na mga eroplano (tingnan ang Fig. 2.2, c). Ang carbon atom sa sp hybridization state ay mayroon configuration ng linya, 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 atomo ng iba pang mga elemento ng organogen ay maaari ding nasa isang hybridized na estado.
2.2. Mga bono ng kemikal ng 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 pagsasapanlipunan ng mga electron ng mga nakagapos na atomo.
Ang mga nakabahaging electron na ito ay sumasakop sa molecular orbitals (MOs). Bilang isang tuntunin, ang MO ay isang multicenter orbital at ang mga electron na pumupuno dito ay delocalized (dispersed). Kaya, ang MO, tulad ng AO, ay maaaring mabakante, napuno ng isang electron o dalawang electron na may magkasalungat na spin*.
2.2.1. σ- atπ -Komunikasyon
Mayroong dalawang uri ng covalent bond: σ (sigma)- at π (pi)-bond.
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 atom na may pinakamataas na overlap sa tuwid na linyang ito.
Ang σ-bond ay bumangon 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 C-H σ-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.Pagbubuo ng σ-bond sa ethane sa pamamagitan ng axial overlapping ng AO (tinatanggal ang maliliit na fraction ng hybrid orbitals, ipinapakita ng kulay sp 3 -AO carbon, itim - s-AO hydrogen)
Bilang karagdagan sa axial overlap, ang isa pang uri ng overlap ay posible - ang lateral overlap ng p-AO, na humahantong sa pagbuo ng isang π bond (Larawan 2.5).
p-atomic orbitals
kanin. 2.5.π-bond formation sa ethylene sa pamamagitan ng lateral overlap r-AO
Ang π-bond ay isang bono na nabuo sa pamamagitan ng lateral overlap ng mga unhybridized na p-AO na may maximum 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 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 mga tuntunin ng mga katangian tulad ng enerhiya, haba, polarity, at polarizability.
Enerhiya ng bonoay ang enerhiya na inilabas sa panahon ng pagbuo ng isang bono o kinakailangan upang paghiwalayin ang dalawang nakagapos na mga atomo. Ito ay nagsisilbing sukatan ng lakas ng bono: mas malaki 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 bono, 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.Pangunahing katangian ng mga covalent bond
na may pagtaas sa 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 CH 3 haba ng bono -C, ayon sa pagkakabanggit, ay katumbas ng 0.154; 0.150 at 0.146 nm.
Polarity ng komunikasyon dahil sa hindi pantay na pamamahagi (polarisasyon) 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 nagpapakilala sa kakayahan ng isang atom sa isang molekula na humawak ng mga electron ng valence. Sa pagtaas ng electronegativity ng isang atom, ang antas ng pag-aalis ng mga electron ng bono sa direksyon nito ay tumataas.
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's scale). Sa sukat na ito (hilera), ang mga tipikal na organogenic na elemento 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 epekto ng mga substituent. Halimbawa, ang electronegativity ng isang carbon atom sa estado ng sp 2 - o sp-hybridization ay mas mataas kaysa sa estado ng sp 3 -hybridization, na nauugnay sa pagtaas ng proporsyon ng s-orbital sa hybrid orbital . Sa panahon ng paglipat ng mga atom mula sa sp 3 - sa sp 2 - at higit pa sa sp-hybridized state, ang haba ng hybrid na orbital ay unti-unting bumababa (lalo na sa direksyon na nagbibigay ng pinakamalaking overlap sa panahon ng pagbuo ng σ-bond), na nangangahulugan na sa parehong pagkakasunud-sunod, ang maximum na density ng elektron ay matatagpuan mas malapit sa nucleus ng kaukulang atom.
Sa kaso ng isang non-polar o praktikal na non-polar na covalent bond, ang pagkakaiba sa electronegativity ng bonded atoms ay zero o malapit sa zero. Habang tumataas ang pagkakaiba sa electronegativity, tumataas ang polarity ng bono. Sa pagkakaiba ng hanggang sa 0.4, nagsasalita sila ng isang mahinang polar, higit sa 0.5 - ng isang malakas na polar covalent bond, at higit sa 2.0 - ng isang ionic bond. Ang mga polar covalent bond ay madaling kapitan ng heterolytic cleavage
(tingnan ang 3.1.1).
Polarisability ng komunikasyon ay ipinahayag sa displacement ng bond electron sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na electric field, kabilang ang isa pang reacting particle. Ang polarizability ay natutukoy 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 makabuluhang lumampas sa σ-bond, dahil ang pinakamataas na electron density ng π-bond ay matatagpuan sa mas malayo mula sa bonded nuclei. Ang polarizability ay higit na tinutukoy ang reaktibiti ng mga molekula na may paggalang 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 nitrogen, oxygen, halogen atoms.
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 isang 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 isang donor-acceptor bond.
Ang nabuong donor-acceptor bond ay naiiba lamang sa paraan ng pagbuo; ang mga katangian nito ay kapareho ng iba pang mga covalent bond. Ang donor atom 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 nagagawang 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-
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.
Ang mga intermolecular hydrogen bond ay nagiging sanhi ng pag-uugnay ng mga organikong compound, tulad ng mga alkohol.
Ang mga hydrogen bond ay nakakaapekto sa pisikal (mga kumukulo at natutunaw na punto, lagkit, spectral na katangian) at kemikal (acid-base) na mga katangian ng mga compound. Halimbawa, ang kumukulong punto ng ethanol C 2H5 Ang OH (78.3 ? C) ay higit na mataas kaysa sa dimethyl ether CH 3 OCH 3 (-24 ? C) ng parehong molekular na timbang, na hindi nauugnay dahil sa hydrogen bond.
Ang mga hydrogen bond ay maaari ding maging intramolecular. Ang gayong bono sa anion ng salicylic acid ay humahantong sa pagtaas ng kaasiman nito.
Ang mga bono ng hydrogen ay may mahalagang papel sa pagbuo ng spatial na istraktura ng mga macromolecular compound - mga protina, polysaccharides, nucleic acid.
2.3. Mga kaugnay na sistema
Ang isang covalent bond ay maaaring ma-localize o ma-delocalize. Ang isang bono ay tinatawag na naisalokal, ang mga electron na aktwal na nahahati sa pagitan ng dalawang nuclei ng mga nakagapos na atomo. Kung ang mga electron ng bono ay pinagsasaluhan ng higit sa dalawang nuclei, kung gayon ang isa ay nagsasalita ng isang delocalized na bono.
Ang delocalized bond ay isang covalent bond na ang molecular orbital ay sumasaklaw ng higit sa dalawang atoms.
Ang mga na-delokalis na bono sa karamihan ng mga kaso ay mga π-bond. Ang mga ito ay katangian ng mga pinagsamang sistema. Sa mga sistemang ito, ang isang espesyal na uri ng mutual na impluwensya ng mga atom ay nangyayari - conjugation.
Conjugation (mesomeria, mula sa Greek. mesos- medium) ay ang pagkakahanay ng mga bono at singil sa isang tunay na molekula (particle) kumpara sa isang ideal, ngunit hindi umiiral na istraktura.
Ang mga delokalisadong p-orbital na nakikilahok sa conjugation ay maaaring kabilang sa dalawa o higit pang π-bond, o sa isang π-bond at isang atom na may p-orbital. Alinsunod dito, ginawa ang pagkakaiba 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). Carbon at hydrogen atoms at, dahil dito, ang lahat ng σ-bond sa molekula nito ay nakahiga sa parehong eroplano, na bumubuo ng isang patag na σ-skeleton. Ang mga carbon atom ay nasa estado ng sp 2 hybridization. Ang mga unhybridized na p-AO 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 overlapping ay nangyayari hindi lamang sa pagitan ng p-AO ng C-1 at C-2, C-3 at C-4 atoms, kundi pati na rin sa pagitan ng p-AO ng C-2 at C-3 atoms, na nagreresulta sa pagbuo ng isang solong π na sumasaklaw sa apat na carbon atoms -system, ibig sabihin, isang delocalized covalent bond ang lumitaw (tingnan ang Fig. 2.6, b).
kanin. 2.6.Atomic orbital model ng 1,3-butadiene molecule
Ito ay makikita sa pagbabago sa mga haba ng bono sa molekula. Ang haba ng bono C-1-C-2, pati na rin ang C-3-C-4 sa butadiene-1,3 ay medyo tumaas, at ang distansya sa pagitan ng C-2 at C-3 ay pinaikli kumpara sa maginoo na doble at solong mga bono. Sa madaling salita, ang proseso ng delokalisasi ng elektron ay humahantong sa pagkakahanay 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 miyembro ng chain of conjugation 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 iisang π-system.
pn-pagpapares.Ang ganitong uri ng conjugation ay kadalasang nakikita sa mga compound na naglalaman ng structural fragment -CH=CH-X, kung saan ang X ay isang heteroatom na mayroong hindi nakabahaging pares ng mga electron (pangunahin ang O o N). Kabilang dito, halimbawa, ang mga vinyl ether, sa mga molekula kung saan pinagsama ang dobleng bono R ang orbital ng isang oxygen atom. Nabubuo ang isang delokalisadong three-center bond sa pamamagitan ng pagsasanib ng dalawang p-AO sp 2 -hybridized carbon atoms at isa R-AO ng isang heteroatom na may isang pares ng n-electrons.
Ang pagbuo ng isang katulad na delocalized na tatlong-gitnang bono ay umiiral 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 particle na may negatibong charge, gaya ng acetate ion.
Ang direksyon ng paglilipat ng density ng elektron ay ipinahiwatig ng isang hubog na arrow.
Mayroong 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 teorya ng resonance. Ayon sa teoryang ito, ang isang tunay na molekula o butil ay inilalarawan ng isang hanay ng ilang mga tinatawag na resonance structures, na naiiba lamang sa isa't isa sa pamamahagi ng mga electron. Sa mga conjugated system, ang pangunahing kontribusyon sa resonant hybrid ay ginawa ng mga istruktura na may iba't ibang π-electron density distribution (ang dalawang panig na 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, sila ay "nag-aambag" sa ilang lawak sa tunay na pamamahagi ng densidad ng elektron sa isang molekula (particle), na kinakatawan bilang isang resonant hybrid na nakuha sa pamamagitan ng superimposition (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 unhybridized p-orbital sa tabi ng π-bond. Ang ganitong mga sistema ay maaaring maging mga intermediate na particle - carbanions, carbocations, free radicals, halimbawa, allyl structures. Ang mga free radical allyl fragment ay may mahalagang papel sa mga proseso ng lipid peroxidation.
Sa allyl anion CH 2 \u003d CH-CH 2 sp 2 -hybridized carbon atom C-3 naghahatid sa karaniwang conjugated
kanin. 2.7.Mapa ng density ng elektron ng pangkat ng COONa sa penicillin
dalawang electron system, sa allyl radical CH 2=CH-CH 2+ - isa, at sa allyl carbocation CH 2=CH-CH 2+ hindi nagbibigay ng anumang. Bilang resulta, kapag nag-overlap ang p-AO ng tatlong sp 2 -hybridized carbon atoms, nabuo ang isang delocalized three-center bond, na naglalaman ng apat (sa carbanion), tatlo (sa free radical), at dalawa (sa carbocation) 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 mayroon itong isang hindi pares na elektron, at sa allyl anion mayroon itong negatibong singil. Sa katunayan, sa ganitong mga conjugated system, mayroong isang delokalisasi (dispersal) ng density ng elektron, na humahantong sa pagkakahanay ng mga bono at singil. Ang C-1 at C-3 atoms ay katumbas sa mga sistemang ito. Halimbawa, sa isang allyl cation, ang bawat isa sa kanila ay nagdadala ng isang positibong singil+1/2 at konektado sa pamamagitan ng isang "isa at kalahating" bono sa C-2 atom.
Kaya, ang conjugation ay humahantong sa isang makabuluhang pagkakaiba sa pamamahagi ng density ng elektron sa mga tunay na istruktura kumpara sa mga istruktura na kinakatawan ng mga maginoo na formula ng istraktura.
2.3.2. Mga saradong sistema ng loop
Ang mga cyclic conjugated system ay may malaking interes bilang isang grupo 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
pumasok sa mga reaksyon ng pagpapalit, hindi 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 tampok 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. Lahat ng σ-bond (C-C at C-H) ay nasa parehong eroplano. Anim na unhybridized p-AOs ay matatagpuan patayo sa eroplano ng molekula at parallel sa bawat isa (Larawan 2.8, a). Bawat isa R-Ang AO ay maaaring pantay na magkakapatong sa dalawang magkatabi R-AO. Bilang resulta ng overlap na ito, lumitaw ang isang solong delocalized π-system, kung saan ang pinakamataas na density ng elektron ay matatagpuan sa itaas at ibaba ng σ-skeleton plane 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 ipinahiwatig ng isang bilog o isang 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 planar 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, posibleng i-concretize ang konsepto ng "aromaticity".
Ang tambalan ay mabango kung ito ay may planar ring at conjugatedπ -electronic system na sumasaklaw sa lahat ng atoms ng cycle at naglalaman(4n+ 2) π-mga electron.
Nalalapat ang tuntunin ni Hückel sa anumang mga planar condensed system kung saan walang mga atomo na karaniwan sa higit sa
kanin. 2.8.Atomic orbital model ng benzene molecule (hydrogen atoms inalis; tingnan ang text para sa paliwanag)
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 ang antas ng overlapping ng mga orbital ay tumataas at ang delocalization (dispersal) ay nangyayari. R- mga electron. Sa bagay na ito, ang mga conjugated at aromatic system ay nadagdagan ang thermodynamic stability. Naglalaman ang mga ito ng isang mas maliit na halaga ng panloob na enerhiya at sa ground state ay sumasakop sa isang mas mababang antas ng enerhiya kumpara sa mga non-conjugated system. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga antas na ito ay maaaring gamitin upang mabilang ang thermodynamic na 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. Sa pagtaas ng haba ng conjugated chain, ang conjugation energy at, nang naaayon, ang thermodynamic stability ng mga compound ay tumataas. 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 pinakamalapit 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 paghahatid ng impluwensya ng mga atomo ay tinatawag na inductive effect (/-effect).
Inductive effect - 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 pinahina pagkatapos ng tatlo o apat na bono sa circuit. Ang pagkilos nito ay pinaka-binibigkas na may kaugnayan sa carbon atom na katabi ng isa na mayroong substituent. Ang direksyon ng inductive effect ng substituent ay qualitatively na tinatantya sa pamamagitan ng paghahambing nito sa hydrogen atom, ang inductive effect na kung saan ay kinuha bilang zero. Sa graphically, ang resulta ng /-effect ay inilalarawan ng isang arrow na tumutugma sa posisyon ng valence line at tumuturo patungo sa mas electronegative na atom.
/v\mas malakas kaysa sa isang hydrogen atom, nagpapakitanegatiboinductive effect (-/-epekto).
Ang ganitong mga substituent sa pangkalahatan ay nagpapababa ng density ng elektron ng system, ang mga ito ay tinatawag pag-withdraw ng elektron. Kabilang dito ang karamihan sa mga functional na grupo: OH, NH 2, COOH, NO2 at mga cationic group, tulad ng -NH 3+.
Isang substituent na nagbabago ng density ng elektron kumpara sa hydrogen atomσ -mga bono patungo sa carbon atom ng kadena, nagpapakitapositiboinductive effect (+/- effect).
Ang ganitong mga substituent ay nagpapataas ng densidad ng elektron sa kadena (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 na epekto
Sa mga conjugated system, ang pangunahing papel sa paglipat ng elektronikong impluwensya ay nilalaro ng π-electrons ng mga delocalized covalent bond. Ang epekto na nagpapakita ng sarili sa isang pagbabago sa density ng elektron ng isang delokalisado (conjugated) π-system ay tinatawag na mesomeric (M-effect), o conjugation effect.
Mesomeric effect - ang paglipat ng elektronikong impluwensya ng mga substituent kasama ang conjugated system.
Sa kasong ito, ang kapalit ay mismong miyembro ng conjugated system. Maaari itong ipasok sa conjugation system alinman sa isang π-bond (carbonyl, carboxyl groups, atbp.), o isang hindi nakabahaging pares ng mga electron ng isang heteroatom (amino at hydroxy groups), o isang bakanteng o isang-electron-filled na p-AO .
Ang isang substituent na nagpapataas ng densidad ng elektron sa isang conjugated system ay nagpapakitapositibomesomeric effect (+M- effect).
Ang 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 ay may M-Effect. Ang mga kapalit na ito ay may kakayahan
sa paglipat ng isang pares ng mga electron sa isang karaniwang conjugated system, iyon ay, sila ay donor ng elektron.
Ang isang substituent na nagpapababa sa density ng elektron sa isang conjugated system ay nagpapakitanegatibomesomeric effect (-M- effect).
Ang M-effect sa conjugated system ay nagtataglay ng oxygen o nitrogen atoms na nakagapos ng double bond sa isang carbon atom, gaya ng ipinapakita sa halimbawa ng acrylic acid at benzaldehyde. Ang mga ganitong pagpapangkat ay pag-withdraw ng elektron.
Ang pag-aalis ng density ng elektron ay ipinahiwatig ng isang hubog na arrow, ang simula nito ay nagpapakita kung aling mga p- o π-electron ang inililikas, at ang dulo ay ang bono o atom kung saan ang mga ito ay inilipat. Ang mesomeric effect, sa kaibahan sa inductive effect, ay ipinapadala sa isang sistema ng conjugated bond sa isang mas malaking distansya.
Kapag sinusuri ang impluwensya ng mga substituent sa pamamahagi ng density ng elektron sa isang molekula, kinakailangang isaalang-alang ang nagresultang pagkilos ng inductive at mesomeric effects (Talahanayan 2.2).
Talahanayan 2.2.Mga elektronikong epekto ng ilang mga substituent
Ang mga elektronikong epekto ng mga substituent ay ginagawang posible na magbigay ng isang husay na pagtatantya ng distribusyon ng density ng elektron sa isang nonreacting na molekula at upang mahulaan ang mga katangian nito.
Sa ground state, ang carbon atom C (1s 2 2s 2 2p 2) ay may dalawang hindi magkapares na mga electron, dahil sa kung saan dalawang karaniwang pares ng electron lamang ang maaaring mabuo. Gayunpaman, sa karamihan ng mga compound nito, ang carbon ay tetravalent. Ito ay dahil sa ang katunayan 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. kayang 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 pagitan nila (Talahanayan 2.2).
Talahanayan 2.2
Mga uri ng hybridization at geometry ng mga molekula
Ang isang simpleng (iisang) s-bond ay nangyayari kapag sp 3-hybridization, kung saan ang lahat ng apat na hybrid na orbital ay katumbas at may spatial na oryentasyon sa isang anggulo na 109 ° 29 ’ sa isa't isa at nakatuon sa mga vertices ng isang regular na tetrahedron (Fig. 2.8).
kanin. 2.8. Ang pagbuo ng methane CH 4 molecule
Kung ang mga hybrid na orbital ng carbon ay magkakapatong sa 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 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 estado sp 3-hybridization.
kanin. 2.9. Molekyul ng ethane C 2 H 6
Ang hybridization ng mga orbital ng elektron ng mga carbon atom ay maaaring hindi kumpleto, i.e. maaari itong magsama ng dalawa sp 2-hybridization) o isa ( sp-hybridization) ng tatlo R-mga orbital. Sa kasong ito, sa pagitan ng mga carbon atom ay nabuo maramihang mga bono (doble o triple). Ang mga hydrocarbon na may maraming mga bono ay tinatawag na unsaturated o unsaturated. Ang isang dobleng bono (C=C) ay nabuo kapag sp 2-hybridization.
Sa kasong ito, ang bawat isa sa mga 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-orbital ay patayo sa eroplanong ito. Dalawang carbon atoms ang konektado sa isa't isa, na bumubuo ng isang s-bond dahil sa overlap ng hybrid orbitals at isang p-bond dahil sa overlap 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. Ang pagbuo ng isang ethylene molecule 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 mas malayo sa nuclei ng mga atomo, 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 isa s- at isa R-orbitals (Larawan 2.11).
Ang dalawang hybrid na orbital ay matatagpuan sa isang anggulo ng 180° na may kaugnayan sa isa't isa, at ang natitirang dalawang non-hybrid R-Ang mga orbital ay matatagpuan sa dalawang magkabilang patayo na eroplano. Ang pagbuo ng isang triple bond ay nagaganap sa molekula ng C 2 H 2 acetylene (tingnan ang Fig. 2.11).
kanin. 2.11. Ang pagbuo ng isang molekula ng acetylene C 2 H 2
Ang isang espesyal na uri ng bono ay lumitaw sa panahon ng pagbuo ng isang molekula ng benzene (C 6 H 6) - ang pinakasimpleng kinatawan ng aromatic hydrocarbons.
Ang Benzene ay naglalaman ng anim na carbon atoms na pinagsama-sama sa isang cycle (benzene ring), habang ang bawat carbon atom ay nasa estado ng sp 2 hybridization (Fig. 2.12).
kanin. 2.12. sp 2 - mga orbital ng benzene molecule C 6 H 6
Ang lahat ng mga carbon atom 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).
Axis ganito R-orbital ay matatagpuan patayo sa eroplano ng benzene molecule.
Lahat ng anim na non-hybrid R-orbital ay bumubuo ng isang karaniwang bonding molecular p-orbital, at lahat ng anim na electron ay pinagsama sa isang p-electron sextet.
Ang hangganang ibabaw ng naturang orbital ay matatagpuan sa itaas at ibaba ng carbon s-skeleton plane. 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 eskematiko na inilalarawan bilang isang heksagono na may singsing sa loob, na nagpapahiwatig na mayroong isang delokalisasi ng mga electron at ang 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 magkaparehong electrostatic na atraksyon ng magkasalungat na sisingilin na mga ion, kung saan ang isang matatag na estado ay nakakamit sa pamamagitan ng isang kumpletong paglipat ng kabuuang density ng elektron sa isang atom ng isang mas electronegative na elemento.
Ang isang purong ionic na bono ay ang naglilimita sa kaso ng isang covalent bond.
Sa pagsasagawa, ang isang 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 lumitaw sa kaso ng isang malaking pagkakaiba sa ER ng mga atomo, halimbawa, sa pagitan ng mga kasyon s-mga metal ng una at pangalawang grupo ng periodic system at mga anion ng mga non-metal ng mga grupo VIA at VIIA (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 independiyente 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 na bono ay nailalarawan din sa pamamagitan ng unsaturability .
Ang kakulangan ng oryentasyon at saturation ng ionic bond ay nagiging sanhi ng pagkahilig 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, katangian ng metallic luster, malleability, mataas na ductility, at mataas 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 metaliko .
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 panlabas na antas ng elektroniko.
Samakatuwid, ito ay energetically mas kanais-nais na ang mga electron ay hindi naisalokal, ngunit nabibilang sa buong atom ng metal. Sa mga lugar ng sala-sala ng isang metal, may mga positibong sisingilin na mga ion na nakalubog sa isang electron "gas" na ipinamahagi sa buong metal:
Ako ↔ Ako n + + n .
Sa pagitan ng mga positibong sisingilin na mga metal na ion (Me n +) at di-lokal na mga electron (n) mayroong isang electrostatic na pakikipag-ugnayan 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-mga 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 dami ng kristal, at nagbibigay ng mga tiyak 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 (pinakakaraniwang F, O, N, ngunit pati na rin 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 naaayon ay nakikipag-ugnayan (tulad ng ipinapakita ng tatlong puntos) sa O d atom - 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 bonds:
d- d+ d-
A − H × × × B
Ang enerhiya ng isang hydrogen bond ay mas mababa kaysa sa enerhiya ng isang ordinaryong covalent bond (150–400 kJ / mol), ngunit ang enerhiya na ito ay sapat upang maging sanhi ng pagsasama-sama ng mga molekula ng kaukulang mga compound sa isang 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 hydrogen bond ay mas mababa din kaysa sa haba ng covalent bond. Kaya, sa polymer (HF) n, ang F−H bond length ay 0.092 nm, at ang F∙∙∙H bond ay 0.14 nm. Para sa tubig, ang haba ng bono ng O−H ay 0.096 nm, at ang haba ng bono ng O∙∙∙H ay 0.177 nm.
Ang pagbuo ng mga 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.
Katulad na impormasyon.
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 na ang isang covalent bond ay isang uri ng bono sa pagitan ng mga atomo, na natanto dahil sa ang katunayan na ang mga atom ay nakikisalamuha sa bahagi ng kanilang mga panlabas na electron upang makuha ang elektronikong pagsasaayos ng isang marangal na gas.
Ayon sa bilang ng mga socialized na 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, ayon sa pagkakabanggit, ng isa, dalawa o tatlong linya:
Ang multiplicity ng bond ay humahantong sa pagbaba ng haba nito, kaya ang isang solong C-C bond ay may haba na 0.154 nm, isang double C=C bond - 0.134 nm, isang triple C≡C bond - 0.120 nm.
Mga uri ng mga bono ayon sa paraan ng pagsasanib ng 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-bond - ay nabuo kapag ang mga orbital ay nagsasapawan sa paraang ang rehiyon ng kanilang overlap ay intersected ng isang linya na nagkokonekta sa nuclei. Mga halimbawa ng ϭ-bond:
π-bond - ay nabuo kapag ang mga orbital ay nagsasapawan, sa dalawang lugar - sa itaas at sa ibaba ng linya na nagkokonekta sa nuclei ng mga atomo. Mga halimbawa ng π bond:
Paano malalaman kung mayroong π- at ϭ-bond sa isang molekula?
Sa isang covalent na uri ng bono, palaging mayroong ϭ-bond sa pagitan ng alinmang dalawang atom, at mayroon itong π-bond lamang sa kaso ng maramihang (doble, triple) na bono. kung saan:
- Single bond - palaging isang ϭ-bond
- Ang double bond ay palaging binubuo ng isang ϭ- 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 propinoic acid:
Hybridization ng mga orbital ng carbon atom
Ang orbital hybridization ay isang proseso kung saan ang mga orbital na orihinal na may iba't ibang mga hugis at enerhiya ay pinaghalo, na bumubuo bilang kapalit ng parehong bilang ng mga hybrid na orbital, pantay sa hugis at enerhiya.
Halimbawa, kapag naghahalo ng isa s- at tatlo p- apat na orbital ang nabuo sp 3-hybrid orbitals:
Sa kaso ng mga carbon atom, 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 atom ang nakagapos sa isang carbon atom, ito ay nasa estado sp 3, o sa estado sp 2, o sa estado 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), kaya ito ay nasa estado sp-hybridization.
- Ang pangalawang carbon atom ay nakagapos sa dalawang atoms - 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 nangangahulugang isang hydrocarbon radical, na ang natitira sa isang molekula ng anumang hydrocarbon na walang isang hydrogen atom.
Ang pangalan ng hydrocarbon radical ay nabuo batay sa pangalan ng kaukulang hydrocarbon sa pamamagitan ng pagpapalit ng suffix –tl sa panlapi – banlik .
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 sangkap ang pinakamatanda, ang tambalan ay itinalaga sa isa o ibang klase.
Ang R ay ang pagtatalaga ng isang hydrocarbon substituent (radical).
Ang mga radikal ay maaaring maglaman ng maraming mga bono, na maaari ding ituring bilang mga functional na grupo, dahil ang maramihang mga bono ay nag-aambag sa mga kemikal na katangian ng sangkap.
Kung ang isang organikong molekula ay naglalaman ng dalawa o higit pang mga functional na grupo, ang mga naturang compound ay tinatawag na polyfunctional.
Iba't ibang inorganic at organic na mga sangkap
Ang organikong kimika ay kimika mga compound ng carbon. Kabilang sa mga inorganikong carbon compound ang: carbon oxides, carbonic acid, carbonates at bicarbonates, carbides. Organic na bagay maliban sa carbon naglalaman ng hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, sulfur at iba pang mga elemento. Ang mga carbon atom ay maaaring bumuo ng mahabang unbranched at branched chain, singsing, nakakabit ng iba pang mga elemento, kaya ang bilang ng mga organic compound ay lumalapit sa 20 milyon, habang mayroong higit sa 100 libong mga inorganic na sangkap.
Ang batayan para sa pagbuo ng organikong kimika ay ang teorya ng istraktura ng mga organikong compound ni A. M. Butlerov. Ang isang mahalagang papel sa paglalarawan ng istraktura ng mga organikong compound ay kabilang sa konsepto ng valency, na nagpapakilala sa kakayahan ng mga atomo na bumuo ng mga bono ng kemikal at tinutukoy ang kanilang bilang. Carbon sa mga organikong compound laging tetravalent. Ang pangunahing postulate ng teorya ng A. M. Butlerov ay ang posisyon sa kemikal na istraktura ng bagay, iyon ay, ang kemikal na bono. Ang order na ito ay ipinapakita gamit ang mga structural formula. Ang teorya ni Butlerov ay nagsasaad ng ideya na mayroon ang bawat sangkap tiyak na istraktura ng kemikal at ang mga katangian ng mga sangkap ay nakasalalay sa istraktura.
Teorya ng kemikal na istraktura ng mga organikong compound A. M. Butlerova
Tulad ng para sa inorganic na kimika ang batayan ng pag-unlad ay ang Periodic na batas at ang Periodic na sistema ng mga elemento ng kemikal ng D. I. Mendeleev, para sa organikong kimika ito ay naging pangunahing.
Teorya ng kemikal na istraktura ng mga organikong compound A. M. Butlerova Ang pangunahing postulate ng teorya ni Butlerov ay ang posisyon sa istraktura ng kemikal ng isang sangkap, na nauunawaan bilang pagkakasunud-sunod, ang pagkakasunud-sunod ng magkaparehong kumbinasyon ng mga atomo sa mga molekula, i.e. kemikal na dumidikit.
Kemikal na istraktura- ang pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo ng mga elemento ng kemikal sa isang molekula ayon sa kanilang valency.
Ang pagkakasunud-sunod na ito ay maaaring ipakita gamit ang mga istrukturang formula, kung saan ang mga valence ng mga atom ay ipinahiwatig ng mga gitling: ang isang gitling ay tumutugma sa yunit ng valence ng isang atom ng isang elemento ng kemikal. Halimbawa, para sa organikong sangkap na methane, na mayroong molecular formula CH 4, ang pormula ng istruktura ay ganito ang hitsura:
Ang mga pangunahing probisyon ng teorya ng A. M. Butlerov:
Ang mga atomo sa mga molekula ng mga organikong sangkap ay konektado sa isa't isa ayon sa kanilang valency. Ang carbon sa mga organikong compound ay palaging tetravalent, at ang mga atomo nito ay nakakapagsama sa isa't isa, na bumubuo ng iba't ibang mga kadena.
Ang mga katangian ng mga sangkap ay tinutukoy hindi lamang sa pamamagitan ng kanilang husay at dami na komposisyon, kundi pati na rin sa pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo sa isang molekula, i.e. ang kemikal na istraktura ng bagay.
Ang mga katangian ng mga organikong compound ay nakasalalay hindi lamang sa komposisyon ng sangkap at sa pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo sa molekula nito, kundi pati na rin sa magkaparehong impluwensya ng mga atomo at mga pangkat ng mga atomo sa bawat isa.
Ang teorya ng istruktura ng mga organikong compound ay isang pabago-bago at umuunlad na doktrina. Sa pag-unlad ng kaalaman tungkol sa likas na katangian ng bono ng kemikal, tungkol sa impluwensya ng elektronikong istraktura ng mga molekula ng mga organikong sangkap, nagsimula silang gumamit, bilang karagdagan sa mga empirical at istruktura, mga elektronikong formula. Ipinapakita ng mga formula na ito ang direksyon pagbabago ng mga pares ng elektron sa isang molekula.
Ang quantum chemistry at chemistry ng istraktura ng mga organikong compound ay nakumpirma ang teorya ng spatial na direksyon ng mga bono ng kemikal (cis- at trans isomerism), pinag-aralan ang mga katangian ng enerhiya ng mutual transition sa isomer, ginawang posible upang hatulan ang magkaparehong impluwensya ng mga atomo sa mga molekula ng iba't ibang mga sangkap, lumikha ng mga kinakailangan para sa paghula ng mga uri ng isomerismo at mga direksyon at mekanismo ng mga reaksiyong kemikal.
Ang mga organikong sangkap ay may ilang mga tampok.
Ang komposisyon ng lahat ng mga organikong sangkap ay kinabibilangan ng carbon at hydrogen, samakatuwid, kapag sinunog, sila ay bumubuo carbon dioxide at tubig.
・Mga organikong bagay binuo complex at maaaring magkaroon ng malaking molekular na timbang (protina, taba, carbohydrates).
Ang mga organikong sangkap ay maaaring ayusin sa mga hilera na katulad sa komposisyon, istraktura at mga katangian mga homologue.
Para sa mga organikong sangkap, ito ay katangian isomerismo.
Isomerismo at homology ng mga organikong sangkap
Ang mga katangian ng mga organikong sangkap ay nakasalalay hindi lamang sa kanilang komposisyon, kundi pati na rin sa pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo sa isang molekula.
isomerismo- ito ang kababalaghan ng pagkakaroon ng iba't ibang mga sangkap - mga isomer na may parehong husay at dami na komposisyon, i.e. na may parehong formula ng molekular.
Mayroong dalawang uri ng isomerism: istruktura at spatial(stereoisomerism). Ang mga istrukturang isomer ay naiiba sa bawat isa sa pagkakasunud-sunod ng pagbubuklod ng mga atomo sa isang molekula; stereoisomer - ang pagkakaayos ng mga atomo sa espasyo na may parehong pagkakasunud-sunod ng mga bono sa pagitan nila.
Ang mga pangunahing uri ng isomerism:
Structural isomerism - ang mga sangkap ay naiiba sa pagkakasunud-sunod ng pagbubuklod ng mga atomo sa mga molekula:
1) isomerism ng carbon skeleton;
2) posisyon isomerismo:
- maramihang mga bono;
- mga kinatawan;
- panksyunal na grupo;
3) isomerism ng homological series (interclass).
· Spatial isomerism - ang mga molekula ng mga sangkap ay hindi naiiba sa pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo, ngunit sa kanilang posisyon sa espasyo: cis-, trans-isomerism (geometric).
Pag-uuri ng mga organikong sangkap
Ito ay kilala na ang mga katangian ng mga organikong sangkap ay tinutukoy ng kanilang komposisyon at istraktura ng kemikal. Samakatuwid, hindi nakakagulat na ang pag-uuri ng mga organikong compound ay batay sa teorya ng istraktura - ang teorya ng A. M. Butlerov. Pag-uri-uriin ang mga organikong sangkap ayon sa presensya at pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga atomo sa kanilang mga molekula. Ang pinaka-matibay at hindi gaanong nababago na bahagi ng isang molekula ng organikong sangkap ay ang nito skeleton - isang kadena ng mga carbon atom. Depende sa pagkakasunud-sunod ng koneksyon ng mga carbon atom sa kadena na ito, nahahati ang mga sangkap sa acyclic, hindi naglalaman ng mga saradong kadena ng mga carbon atom sa mga molekula, at carbocyclic naglalaman ng mga naturang kadena (cycle) sa mga molekula.
Bilang karagdagan sa mga atomo ng carbon at hydrogen, ang mga molekula ng mga organikong sangkap ay maaaring maglaman ng mga atomo ng iba pang mga elemento ng kemikal. Ang mga sangkap sa mga molekula kung saan ang mga tinatawag na heteroatom na ito ay kasama sa isang saradong kadena ay inuri bilang mga heterocyclic compound.
mga heteroatom(oxygen, nitrogen, atbp.) ay maaaring maging bahagi ng mga molekula at acyclic compound, na bumubuo ng mga functional na grupo sa kanila, halimbawa,
hydroxyl
carbonyl
,
carboxyl
,
pangkat ng amino
.
Functional na grupo- isang pangkat ng mga atomo na tumutukoy sa pinakakatangiang mga katangian ng kemikal ng isang sangkap at ang pag-aari nito sa isang tiyak na klase ng mga compound.
Nomenclature ng mga organic compound
Sa simula ng pagbuo ng organikong kimika, ang mga natuklasang compound ay itinalaga walang kuwentang pangalan, kadalasang nauugnay sa kasaysayan ng kanilang produksyon: acetic acid (na siyang batayan ng suka ng alak), butyric acid (nabuo sa mantikilya), glycol (ie "matamis"), atbp. Habang dumarami ang bilang ng mga bagong natuklasang sangkap, ang kailangan lumitaw iugnay ang mga pangalan sa kanilang istraktura. Ganito lumitaw ang mga makatwirang pangalan: methylamine, diethylamine, ethyl alcohol, methyl ethyl ketone, na batay sa pangalan ng pinakasimpleng compound. Para sa mas kumplikadong mga compound, ang rational nomenclature ay hindi angkop.
Ang teorya ng istraktura ng A. M. Butlerov ay nagbigay ng batayan para sa pag-uuri at katawagan ng mga organikong compound ayon sa mga elemento ng istruktura at ang pag-aayos ng mga atomo ng carbon sa isang molekula. Sa kasalukuyan, ang pinakaginagamit ay ang katawagang binuo ni International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), na tinatawag na nomenclature IUPAC. Inirerekomenda ng mga panuntunan ng IUPAC ang ilang mga prinsipyo para sa pagbuo ng mga pangalan, isa sa mga ito ay ang prinsipyo ng pagpapalit. Batay dito, nabuo ang isang kapalit na nomenclature, na siyang pinaka-unibersal. Narito ang ilang mga pangunahing tuntunin ng pagpapalit ng nomenclature at isaalang-alang ang kanilang aplikasyon gamit ang halimbawa ng isang heterofunctional compound na naglalaman ng dalawang functional na grupo - ang amino acid leucine:
1. Ang pangalan ng mga compound ay batay sa istraktura ng magulang (ang pangunahing kadena ng isang acyclic molecule, isang carbocyclic o heterocyclic system). Ang pangalan ng istruktura ng ninuno ay ang batayan ng pangalan, ang ugat ng salita.
Sa kasong ito, ang parent structure ay isang chain ng limang carbon atoms na naka-link ng single bond. Kaya, ang ugat na bahagi ng pangalan ay pentane.
2. Ang mga pangkat ng katangian at mga substituent (mga elemento ng istruktura) ay tinutukoy ng mga prefix at suffix. Ang mga pangkat ng katangian ay nahahati ayon sa seniority. Ang pagkakasunud-sunod ng mga pangunahing grupo:
Natukoy ang pangkat ng senior na katangian, na itinalaga sa suffix. Ang lahat ng iba pang mga substituent ay pinangalanan sa prefix sa alphabetical order.
Sa kasong ito, ang pangkat ng senior na katangian ay carboxyl, ibig sabihin, ang tambalang ito ay kabilang sa klase ng mga carboxylic acid, kaya idinagdag namin ang -oic acid sa root na bahagi ng pangalan. Ang pangalawang pinakanakatatanda na grupo ay ang amino group, na tinutukoy ng prefix na amino-. Bilang karagdagan, ang molekula ay naglalaman ng isang hydrocarbon substituent methyl-. Kaya, ang batayan ng pangalan ay aminomethylpentanoic acid.
3. Kasama sa pangalan ang pagtatalaga ng isang double at triple bond, na dumating kaagad pagkatapos ng ugat.
Ang tambalang isinasaalang-alang ay hindi naglalaman ng maramihang mga bono.
4. Ang mga atomo ng parent structure ay binibilang. Nagsisimula ang pagnumero mula sa dulo ng carbon chain, na mas malapit sa pinakamataas na pangkat ng katangian:
Ang chain numbering ay nagsisimula sa carbon atom na bahagi ng carboxyl group, ito ay nakatalaga sa numero 1. Sa kasong ito, ang amino group ay nasa carbon 2, at methyl sa carbon 4.
Kaya, ang natural na amino acid na leucine, ayon sa IUPAC nomenclature rules, ay tinatawag na 2-amino-4-methylpentanoic acid.
Hydrocarbon. Pag-uuri ng hydrocarbon
haydrokarbon ay mga compound na binubuo lamang ng hydrogen at carbon atoms.
Depende sa istraktura ng carbon chain, ang mga organic compound ay nahahati sa mga compound na may bukas na chain - acyclic(aliphatic) at paikot- na may saradong kadena ng mga atomo.
Ang mga cycle ay nahahati sa dalawang grupo: mga carbocyclic compound(Ang mga siklo ay nabuo lamang ng mga atomo ng carbon) at heterocyclic(kasama rin sa mga cycle ang iba pang mga atom, tulad ng oxygen, nitrogen, sulfur).
Ang mga carbocyclic compound, naman, ay kinabibilangan ng dalawang serye ng mga compound: alicyclic at mabango.
Ang mga aromatic compound sa batayan ng istraktura ng mga molekula ay mayroon planar carbon-containing cycle na may espesyal na saradong sistema ng mga p-electron, na bumubuo ng isang karaniwang π-system (isang solong π-electron cloud). Ang aromaticity ay katangian din ng maraming heterocyclic compound.
Ang lahat ng iba pang mga carbocyclic compound ay nabibilang sa alicyclic series.
Ang parehong acyclic (aliphatic) at cyclic hydrocarbons ay maaaring maglaman ng maramihang (double o triple) na mga bono. Ang mga hydrocarbon na ito ay tinatawag walang limitasyon(unsaturated), sa kaibahan sa nililimitahan (saturated), na naglalaman lamang ng mga solong bono.
Limit aliphatic hydrocarbons ay tinatawag na alkanes, mayroon silang pangkalahatang formula C n H 2n+2, kung saan ang n ay ang bilang ng mga carbon atom. Ang kanilang lumang pangalan ay madalas na ginagamit ngayon - mga paraffin:
Ang unsaturated aliphatic hydrocarbons na naglalaman ng isang double bond ay tinatawag mga alkenes. Mayroon silang pangkalahatang formula C n H 2n:
Ang unsaturated aliphatic hydrocarbons na may dalawang double bond ay tinatawag alkadienes. Ang kanilang pangkalahatang formula ay C n H 2n-2:
Ang unsaturated aliphatic hydrocarbons na may isang triple bond ay tinatawag alkynes. Ang kanilang pangkalahatang formula ay C n H 2n - 2:
Limitahan ang alicyclic hydrocarbons - cycloalkanes, ang kanilang pangkalahatang formula C n H 2n:
Isang espesyal na grupo ng mga hydrocarbon, aromatic, o arene(na may saradong karaniwang n-electron system), na kilala mula sa halimbawa ng mga hydrocarbon na may pangkalahatang formula C n H 2n - 6:
Kaya, kung sa kanilang mga molekula ang isa o higit pang mga atomo ng hydrogen ay pinalitan ng iba pang mga atomo o mga grupo ng mga atomo (halogens, hydroxyl group, amino group, atbp.), Ang mga hydrocarbon derivatives ay nabuo: halogen derivatives, oxygen-containing, nitrogen-containing at iba pa. mga organikong compound.
Homologous na serye ng hydrocarbons
Ang mga hydrocarbon at ang kanilang mga derivatives na may parehong functional group ay bumubuo ng homologous series.
Homologous na serye ang isang bilang ng mga compound na kabilang sa parehong klase (homologues) ay tinatawag, na nakaayos sa pataas na pagkakasunud-sunod ng kanilang mga kamag-anak na molekular na timbang, katulad sa istraktura at kemikal na mga katangian, kung saan ang bawat miyembro ay naiiba mula sa naunang isa sa pamamagitan ng homological pagkakaiba CH 2 . Halimbawa: CH 4 - methane, C 2 H 6 - ethane, C 3 H 8 - propane, C 4 H 10 - butane, atbp. Ang pagkakapareho ng mga kemikal na katangian ng mga homologue ay lubos na nagpapadali sa pag-aaral ng mga organikong compound.
Isomer ng hydrocarbons
Ang mga atomo o grupo ng mga atomo na tumutukoy sa pinakakatangiang katangian ng isang partikular na klase ng mga sangkap ay tinatawag panksyunal na grupo.
Ang mga halogen derivatives ng hydrocarbons ay maaaring ituring bilang mga produkto ng pagpapalit sa hydrocarbons ng isa o higit pang hydrogen atoms ng halogen atoms. Alinsunod dito, maaaring magkaroon ng limitasyon at walang limitasyong mono-, di-, tri- (sa pangkalahatang kaso, poly-) mga halogen derivatives.
Ang pangkalahatang formula ng monohalogen derivatives ng saturated hydrocarbons:
at ang komposisyon ay ipinahayag ng pormula
kung saan ang R ay ang natitira sa saturated hydrocarbon (alkane), hydrocarbon radical (ang pagtatalaga na ito ay ginagamit pa kapag isinasaalang-alang ang iba pang mga klase ng mga organikong sangkap), ang Г ay isang halogen atom (F, Cl, Br, I).
Halimbawa:
Narito ang isang halimbawa ng isang hinalogen derivative:
SA oxygenated na organikong bagay isama ang mga alkohol, phenol, aldehydes, ketone, carboxylic acid, eter at ester. Ang mga alkohol ay mga derivatives ng hydrocarbons kung saan ang isa o higit pang mga hydrogen atom ay pinapalitan ng mga hydroxyl group.
Ang mga alkohol ay tinatawag na monohydric kung mayroon silang isang hydroxyl group, at nililimitahan kung sila ay derivatives ng mga alkanes.
Pangkalahatang formula para sa limitasyon monohydric na alkohol:
at ang kanilang komposisyon ay ipinahayag ng pangkalahatang pormula:
Halimbawa:
Mga kilalang halimbawa polyhydric na alkohol, ibig sabihin, pagkakaroon ng ilang pangkat ng hydroxyl:
Phenols- derivatives ng aromatic hydrocarbons (serye ng benzene), kung saan ang isa o higit pang mga hydrogen atoms sa benzene ring ay pinalitan ng mga hydroxyl group.
Ang pinakasimpleng kinatawan na may formula C 6 H 5 OH o
tinatawag na phenol.
Aldehydes at ketones- mga derivatives ng hydrocarbons na naglalaman ng carbonyl group ng mga atoms
(carbonyl).
sa mga molekula aldehydes ang isang bono ng carbonyl ay napupunta sa koneksyon sa hydrogen atom, ang isa pa - kasama ang hydrocarbon radical. Pangkalahatang formula ng aldehydes:
Halimbawa:
Kailan ketones ang pangkat ng carbonyl ay nakagapos sa dalawang (karaniwan ay magkaiba) na mga radikal, ang pangkalahatang pormula ng mga ketone ay:
Halimbawa:
Ang komposisyon ng paglilimita ng mga aldehydes at ketone ay ipinahayag ng formula C 2n H 2n O.
mga carboxylic acid- mga derivatives ng hydrocarbons na naglalaman ng mga carboxyl group
(o -COOH).
Kung mayroong isang pangkat ng carboxyl sa molekula ng acid, kung gayon ang carboxylic acid ay monobasic. Ang pangkalahatang formula ng saturated monobasic acids:
Ang kanilang komposisyon ay ipinahayag ng formula C n H 2n O 2 .
Halimbawa:
Ethers ay mga organikong sangkap na naglalaman ng dalawang hydrocarbon radical na konektado ng isang oxygen atom: R-O-R o R 1 -O-R 2 .
Ang mga radikal ay maaaring pareho o iba. Ang komposisyon ng mga eter ay ipinahayag ng formula C n H 2n+2 O.
Halimbawa:
Ester- mga compound na nabuo sa pamamagitan ng pagpapalit ng hydrogen atom ng carboxyl group sa mga carboxylic acid ng isang hydrocarbon radical.
Pangkalahatang formula ng mga ester:
Halimbawa:
Mga compound ng Nitro- derivatives ng hydrocarbons kung saan ang isa o higit pang hydrogen atoms ay pinapalitan ng isang nitro group -NO 2 .
Pangkalahatang formula ng paglilimita sa mga mononitro compound:
at ang komposisyon ay ipinahayag ng pangkalahatang formula C n H 2n+1 NO 2 .
Halimbawa:
Arene nitro derivatives:
Amines- mga compound na itinuturing na derivatives ng ammonia (NH 3), kung saan ang mga hydrogen atom ay pinapalitan ng mga hydrocarbon radical. Depende sa likas na katangian ng radical, ang mga amin ay maaaring aliphatic, halimbawa:
at mabango, halimbawa:
Depende sa bilang ng mga atomo ng hydrogen na pinalitan ng mga radikal, mayroong:
pangunahing amine na may pangkalahatang formula:
pangalawa- na may pangkalahatang formula:
tersiyaryo- na may pangkalahatang formula:
Sa isang partikular na kaso, ang pangalawang pati na rin ang mga tertiary na amin ay maaaring may parehong mga radical.
Ang mga pangunahing amin ay maaari ding ituring bilang mga derivatives ng hydrocarbons (alkanes), kung saan ang isang hydrogen atom ay pinapalitan ng isang amino group -NH 2 . Ang komposisyon ng paglilimita sa mga pangunahing amin ay ipinahayag ng formula C n H 2n + 3 N.
Halimbawa:
Ang mga amino acid ay naglalaman ng dalawang functional na grupo na konektado sa isang hydrocarbon radical: ang amino group -NH 2 at carboxyl -COOH.
Ang pangkalahatang formula ng mga α-amino acid (ang mga ito ay pinakamahalaga para sa pagbuo ng mga protina na bumubuo sa mga buhay na organismo):
Ang komposisyon ng paglilimita sa mga amino acid na naglalaman ng isang amino group at isang carboxyl ay ipinahayag ng formula C n H 2n+1 NO 2.
Halimbawa:
Ang iba pang mahahalagang organikong compound ay kilala na may iba't ibang o magkaparehong functional na grupo, mahabang linear chain na nauugnay sa benzene ring. Sa ganitong mga kaso, imposible ang isang mahigpit na kahulugan kung ang isang sangkap ay kabilang sa isang partikular na klase. Ang mga compound na ito ay madalas na nakahiwalay sa mga partikular na grupo ng mga sangkap: carbohydrates, protina, nucleic acid, antibiotics, alkaloids, atbp.
Sa kasalukuyan, mayroon ding maraming mga compound na maaaring mauri bilang parehong organic at inorganic. x ay tinatawag na organoelement compound. Ang ilan sa mga ito ay maaaring ituring bilang mga derivatives ng hydrocarbons.
Halimbawa:
May mga compound na may parehong molecular formula na nagpapahayag ng komposisyon ng mga substance.
Ang kababalaghan ng isomerism ay binubuo sa katotohanan na maaaring mayroong maraming mga sangkap na may iba't ibang mga katangian na may parehong komposisyon ng mga molekula, ngunit magkakaibang mga istraktura. Ang mga sangkap na ito ay tinatawag na isomer.
Sa aming kaso, ito ay mga interclass na isomer: cycloalkanes at alkanes, alkadienes at alkynes, saturated monohydric alcohols at ethers, aldehydes at ketones, saturated monobasic carboxylic acids at esters.
Structural isomerism
Mayroong mga sumusunod na varieties isomerismo sa istruktura: carbon skeleton isomerism, position isomerism, isomerism ng iba't ibang klase ng organic compounds (interclass isomerism).
Ang isomerism ng carbon skeleton ay dahil sa iba't ibang pagkakasunud-sunod ng bono sa pagitan ng mga atomo ng carbon na bumubuo sa balangkas ng molekula. Tulad ng ipinakita na, ang molecular formula C 4 H 10 ay tumutugma sa dalawang hydrocarbon: n-butane at isobutane. Para sa hydrocarbon C 5 H 12, tatlong isomer ang posible: pentane, isopentane at neopentane.
Sa pagtaas ng bilang ng mga carbon atom sa isang molekula, mabilis na tumataas ang bilang ng mga isomer. Para sa hydrocarbon C 10 H 22 mayroon nang 75 sa kanila, at para sa hydrocarbon C 20 H 44 - 366 319.
Ang isomerism ng posisyon ay dahil sa magkaibang posisyon ng maramihang bono, substituent, functional group na may parehong carbon skeleton ng molekula:
Ang isomerismo ng iba't ibang klase ng mga organikong compound (interclass isomerism) ay dahil sa magkaibang posisyon at kumbinasyon ng mga atomo sa mga molekula ng mga sangkap na may parehong molecular formula, ngunit kabilang sa iba't ibang klase. Kaya, ang molecular formula C 6 H 12 ay tumutugma sa unsaturated hydrocarbon hexene-1 at ang cyclic hydrocarbon cyclohexane.
Ang mga isomer ay isang hydrocarbon na nauugnay sa alkynes - butyne-1 at isang hydrocarbon na may dalawang double bond sa butadiene-1,3 chain:
Ang diethyl ether at butyl alcohol ay may parehong molecular formula C 4 H 10 O:
Ang mga istrukturang isomer ay aminoacetic acid at nitroethane, na naaayon sa molecular formula C 2 H 5 NO 2:
Ang mga isomer ng ganitong uri ay naglalaman ng iba't ibang mga functional na grupo at nabibilang sa iba't ibang klase ng mga sangkap. Samakatuwid, ang mga ito ay naiiba sa pisikal at kemikal na mga katangian ng higit pa kaysa sa carbon skeleton isomers o position isomers.
Spatial isomerism
Spatial isomerism nahahati sa dalawang uri: geometric at optical.
Ang geometric isomerism ay katangian ng mga compound, naglalaman ng dobleng bono, at mga paikot na compound. Dahil imposible ang libreng pag-ikot ng mga atomo sa paligid ng double bond o sa isang cycle, maaaring matatagpuan ang mga substituent sa isang gilid ng eroplano ng double bond o cycle (posisyon ng cis), o sa magkabilang panig (transposition). Ang mga pagtatalagang cis- at trans- ay karaniwang tumutukoy sa isang pares ng magkatulad na mga substituent.
Mga geometric na isomer naiiba sa mga katangiang pisikal at kemikal.
Nagaganap ang optical isomerism kung ang molekula ay hindi tugma sa imahe nito sa salamin. Ito ay posible kapag ang carbon atom sa molekula ay may apat na magkakaibang mga substituent. Ang atom na ito ay tinatawag na asymmetric. Ang isang halimbawa ng naturang molekula ay ang molekula ng α-aminopropionic acid (α-alanine) CH 3 CH(NH 2)OH.
Ang molekula ng α-alanine ay hindi maaaring magkasabay sa imaheng salamin nito sa ilalim ng anumang paggalaw. Ang ganitong mga spatial isomer ay tinatawag na salamin, optical antipodes, o enantiomer. Ang lahat ng pisikal at halos lahat ng kemikal na katangian ng naturang mga isomer ay magkapareho.
Ang pag-aaral ng optical isomerism ay kinakailangan kapag isinasaalang-alang ang maraming mga reaksyon na nagaganap sa katawan. Karamihan sa mga reaksyong ito ay nasa ilalim ng pagkilos ng mga enzyme - mga biological catalyst. Ang mga molekula ng mga sangkap na ito ay dapat lumapit sa mga molekula ng mga compound kung saan kumikilos ang mga ito tulad ng isang susi sa isang lock, samakatuwid, ang spatial na istraktura, ang kamag-anak na posisyon ng mga molekular na rehiyon at iba pang spatial na mga kadahilanan ay napakahalaga para sa kurso ng mga reaksyong ito. . Ang ganitong mga reaksyon ay tinatawag na stereoselective.
Karamihan sa mga natural na compound ay mga indibidwal na enantiomer, at ang kanilang biological action (mula sa lasa at amoy hanggang sa nakapagpapagaling na aksyon) ay naiiba nang husto mula sa mga katangian ng kanilang mga optical antipode na nakuha sa laboratoryo. Ang ganitong pagkakaiba sa biological na aktibidad ay may malaking kahalagahan, dahil pinagbabatayan nito ang pinakamahalagang pag-aari ng lahat ng nabubuhay na organismo - metabolismo.
isomerismo Ang elektronikong istraktura ng carbon atom
Ang carbon, na bahagi ng mga organikong compound, ay nagpapakita ng patuloy na lakas. Ang huling antas ng enerhiya ng carbon atom ay naglalaman 4 na electron, dalawa sa mga ito ay sumasakop sa 2s orbital, na may spherical na hugis, at dalawang electron ang sumasakop sa 2p orbital, na may hugis ng dumbbell. Kapag nasasabik, ang isang electron mula sa 2s orbital ay maaaring pumunta sa isa sa mga bakanteng 2p orbital. Ang paglipat na ito ay nangangailangan ng ilang gastos sa enerhiya (403 kJ/mol). Bilang resulta, ang nasasabik na carbon atom ay may 4 na hindi magkapares na mga electron at ang elektronikong pagsasaayos nito ay ipinahayag ng formula 2s 1 2p 3 .. Kaya, sa kaso ng methane hydrocarbon (CH 4), ang carbon atom ay bumubuo ng 4 na bono na may s -mga electron ng hydrogen atoms. Sa kasong ito, 1 bono ng uri ng ss (sa pagitan ng s-electron ng carbon atom at ng s-electron ng hydrogen atom) at 3 ps bond (sa pagitan ng 3 p-electron ng carbon atom at 3 s-electron ng 3 hydrogen atoms) ay dapat na nabuo. Ito ay humahantong sa konklusyon na ang apat na covalent bond na nabuo ng carbon atom ay hindi katumbas. Gayunpaman, ang praktikal na karanasan ng chemistry ay nagpapahiwatig na ang lahat ng 4 na bono sa molekula ng methane ay ganap na katumbas, at ang molekula ng methane ay may istrukturang tetrahedral na may mga anggulo ng valence na 109.5 0, na hindi maaaring mangyari kung ang mga bono ay hindi katumbas. Pagkatapos ng lahat, tanging ang mga orbital ng mga p-electron ay nakatuon sa espasyo kasama ang magkabilang patayo na mga axes x, y, z, at ang orbital ng isang s-electron ay may spherical na hugis, kaya ang direksyon ng pagbuo ng isang bono sa elektron na ito ay magiging arbitraryo. Ang teorya ng hybridization ay nagawang ipaliwanag ang kontradiksyon na ito. Iminungkahi ni L. Polling na sa anumang mga molekula ay walang mga bono na nakahiwalay sa isa't isa. Kapag nabuo ang mga bono, ang mga orbital ng lahat ng mga electron ng valence ay magkakapatong. Kilala ang ilang uri hybridization ng mga orbital ng elektron. Ipinapalagay na sa molekula ng mitein at iba pang mga alkanes 4 na electron ang pumapasok sa hybridization.
Hybridization ng mga orbital ng carbon atom
Hybridization ng mga orbital- ito ay isang pagbabago sa hugis at enerhiya ng ilang mga electron sa panahon ng pagbuo ng isang covalent bond, na humahantong sa isang mas mahusay na overlap ng mga orbital at isang pagtaas sa lakas ng mga bono. Palaging nangyayari ang orbital hybridization kapag ang mga electron na kabilang sa iba't ibang uri ng mga orbital ay lumahok sa pagbuo ng mga bono.
1. sp 3 -hybridization(ang unang valence state ng carbon). Sa sp 3 hybridization, 3 p-orbital at isang s-orbital ng isang excited na carbon atom ay nakikipag-ugnayan sa paraan na ang mga orbital ay nakuha na ganap na magkapareho sa enerhiya at simetriko na matatagpuan sa kalawakan. Ang pagbabagong ito ay maaaring isulat tulad nito:
Sa panahon ng hybridization, ang kabuuang bilang ng mga orbital ay hindi nagbabago, ngunit ang kanilang enerhiya at hugis lamang ang nagbabago. Ipinakita na ang sp 3 hybridization ng mga orbital ay kahawig ng isang three-dimensional figure-eight, ang isa sa mga blades ay mas malaki kaysa sa isa. Apat na hybrid na orbital ang pinalawak mula sa gitna hanggang sa mga vertices ng isang regular na tetrahedron sa mga anggulo na 109.5 0 . Ang mga bono na nabuo ng mga hybrid na electron (halimbawa, ang s-sp 3 bond) ay mas malakas kaysa sa mga bono na ginawa ng mga unhybridized na p-electron (halimbawa, ang s-p bond). Dahil ang hybrid sp 3 orbital ay nagbibigay ng mas malaking lugar ng electron orbital overlap kaysa sa unhybridized p orbital. Ang mga molekula kung saan isinasagawa ang sp 3 hybridization ay may istrukturang tetrahedral. Bilang karagdagan sa methane, kabilang dito ang mga homologue ng methane, mga di-organikong molekula tulad ng ammonia. Ang mga figure ay nagpapakita ng isang hybridized orbital at isang tetrahedral methane molecule.
Ang mga kemikal na bono na lumabas sa methane sa pagitan ng carbon at hydrogen atoms ay nasa uri ng σ-bond (sp 3 -s-bond). Sa pangkalahatan, ang anumang sigma bond ay nailalarawan sa pamamagitan ng katotohanan na ang density ng elektron ng dalawang magkakaugnay na mga atomo ay magkakapatong sa linya na nagkokonekta sa mga sentro (nuclei) ng mga atomo. Ang σ-Bonds ay tumutugma sa pinakamataas na posibleng antas ng overlap ng mga atomic orbital, kaya sapat ang kanilang lakas.
2. sp 2 -hybridization(ang pangalawang valence state ng carbon). Nangyayari bilang resulta ng overlap ng isang 2s at dalawang 2p orbital. Ang resultang sp 2 hybrid orbitals ay matatagpuan sa parehong eroplano sa isang anggulo ng 120 0 sa bawat isa, at ang unhybridized p orbital ay patayo dito. Ang kabuuang bilang ng mga orbital ay hindi nagbabago - mayroong apat sa kanila.
Ang estado ng sp 2 hybridization ay nangyayari sa mga molekula ng alkene, sa mga pangkat ng carbonyl at carboxyl, i.e. sa mga compound na naglalaman ng double bond. Kaya, sa molekula ng ethylene, ang mga hybridized na electron ng carbon atom ay bumubuo ng 3 σ-bond (dalawang sp 2 -s type bond sa pagitan ng carbon atom at hydrogen atoms at isang sp 2 -sp 2 type bond sa pagitan ng carbon atoms). Ang natitirang unhybridized p-electron ng isang carbon atom ay bumubuo ng π-bond na may unhybridized p-electron ng pangalawang carbon atom. Ang isang katangian ng π bond ay ang overlap ng mga orbital ng elektron ay lumampas sa linyang nagkokonekta sa dalawang atomo. Ang orbital overlap ay napupunta sa itaas at sa ibaba ng σ-bond na kumukonekta sa parehong carbon atoms. Kaya, ang double bond ay isang kumbinasyon ng σ- at π-bond. Ang unang dalawang figure ay nagpapakita na sa molekula ng etilena ang mga anggulo ng bono sa pagitan ng mga atomo na bumubuo sa molekula ng etilena ay 120 0 (naaayon sa oryentasyon ng tatlong sp 2 hybrid na orbital sa espasyo). Ang mga figure ay nagpapakita ng pagbuo ng isang π bond.
Dahil ang area ng overlap ng unhybridized p-orbitals sa π-bond ay mas mababa kaysa sa area ng overlapping ng orbitals sa σ-bond, ang π-bond ay hindi gaanong malakas kaysa sa σ-bond at mas madaling masira sa mga reaksiyong kemikal.
3. sp hybridization(ang ikatlong valence state ng carbon). Sa estado ng sp-hybridization, ang carbon atom ay may dalawang sp-hybrid na orbital na matatagpuan nang linear sa isang anggulo na 180 0 sa isa't isa at dalawang unhybridized na p-orbital na matatagpuan sa dalawang magkaparehong patayo na eroplano. sp hybridization ay katangian ng alkynes at nitriles; para sa mga compound na naglalaman ng triple bond.
Kaya, sa isang molekula ng acetylene, ang mga anggulo ng bono sa pagitan ng mga atomo ay 180 o. Ang hybridized electron ng carbon atom ay bumubuo ng 2 σ-bond (isang sp-s bond sa pagitan ng carbon atom at hydrogen atom at isa pang sp-sp type bond sa pagitan ng carbon atoms. Dalawang unhybridized p-electron ng isang carbon atom ang bumubuo ng dalawang π- mga bono na may unhybridized na p electron ng pangalawa Ang overlap ng mga p-electron orbital ay hindi lamang napupunta sa itaas at ibaba ng σ-bond, kundi pati na rin sa harap at likod, at ang kabuuang p-electron na ulap ay may cylindrical na hugis. Kaya, isang triple bond ay isang kumbinasyon ng isang σ-bond at dalawang π-bond. Ang pagkakaroon ng hindi gaanong malakas na dalawang π-bond sa molekula ng acetylene ay nagsisiguro sa kakayahan ng substance na ito na pumasok sa mga reaksyon ng karagdagan sa pagkasira ng triple bond.
Sangguniang materyal para sa pagpasa sa pagsusulit:
Mendeleev table
Talahanayan ng solubility
