Основы органической химии

Электронная конфигурация углерода. Основное и возбуждённое состояние.

В настоящее время известно более 30 миллионов органических соединений и причина такого многообразия кроется в особенностях атома углерода, связанных с его электронным строением.

Углерод – 6 элемент Периодической Системы. Заряд ядра атома углерода равен +6. Значит, всего электронов тоже 6. Два электрона будут располагаться на первом уровне, а четыре на втором (внешнем) уровне. Электроны, находящиеся на внешнем энергетическом уровне углерода, способны к образованию химических связей и называются валентные.  Таким образом, внешний уровень атома углерода содержит четыре валентных электрона. В невозбуждённом состоянии два из них являются спаренными, а два — неспаренными. 

На внешнем уровне мы видим одну полностью заполненную орбиталь, её оставляем в покое, обратим внимание на две орбитали с неспаренными электронами и одну пустую, именно на них возможно образование связи: видим, что больше трёх электронов такой углерод не способен присоединить. В невозбуждённом (основном) состоянии углерод может образовать три ковалентные связи, значит, его валентность равна трём.

Основное состояние

Однако при поглощении энергии электроны внешнего уровня атома углерода распариваются и атом переходит в возбуждённое состояние, в котором на внешнем уровне содержится 4 неспаренных электрона. В возбуждённом состоянии атом углерода может образовать четыре ковалентные связи.

Возбужденное состояние

Получается, что электроны не равны по энергии (1 электрон на 2s-подуровне и 3 электрона на 2p-подуровне), следовательно, одна из связей должна носить другой характер. Однако, рассматривая молекулу метана, видим четыре равноценные связи — длина каждой 1,54 Å.

Для объяснения этого факта была разработана теория гибридных состояний атома углерода.

Теория гибридизации атомных орбиталей углерода

Принято считать, что в истинных соединениях электроны распределены не на «простых» s- и p-орбиталях, а на смешанных или гибридных орбиталях. 

Гибридные орбитали – результат объединения (комбинации) s- и p-орбиталей. Форма любой гибридной орбитали представляет собой несимметричную объёмную восьмёрку, в центре которой ядро атома, справа большая доля, а слева – малая. 

Первое гибридное состояние углерода – sp3-гибридизация.

Гибридизация с участием одной s-орбитали и трёх p-орбиталей. В результате образуется четыре равноценные по форме и энергии sp3-гибридные орбитали. 

Четыре гибридные орбитали образуют собой тетраэдр, угол между ними составляет 109о.

атомно-орбитальная модель углерода в sp3-гибридизации

Углерод в состоянии sp3-гибридизации находится в молекуле метана СН4. Рассмотрим её строение. Изобразим четыре гибридные орбитали атома углерода в форме объёмной неправильной восьмёрки, на каждую из них поместим электрон. Четыре атома водорода имеют по одной сферической s-орбитали с одним электроном на ней. Молекула имеет форму тетраэдра, в его углах – водороды, а в центре – углерод. Связи между углеродом и водородом представляет собой перекрытие sp3-гибридной орбитали атома углерода и s-орбитали атома водорода, такой вид перекрытия называется σ-связью (сигма-связью). 

атомно-орбитальная модель молекулы метана

Подытожим, если углерод связан с четырьмя атомами посредством одинарных σ-связей – это sp3-гибридизованный углерод.

Второе гибридное состояние углерода – sp2-гибридизация.

Гибридизация с участием одной s-орбитали и двух p-орбиталей. В результате образуется три равноценные по форме и энергии sp2-гибридные орбитали и остаётся одна p-орбиталь, не подвергающаяся гибридизации.

Три гибридные орбитали образуют собой правильный треугольник, угол между ними составляет 120о

атомно-орбитальная модель углерода в sp2-гибридизации

Углерод в состоянии sp2-гибридизации находится в молекуле этена СН2=СН2. Рассмотрим её строение. Изобразим три гибридные орбитали атома углерода в форме объёмной неправильной восьмёрки, для каждого атома углерода расположим негибридизованную p-орбиталь перпендикулярно плоскости «треугольника», на каждую из орбиталей поместим электрон. Четыре атома водорода имеют по одной сферической s-орбитали с одним электроном на ней. В молекуле этена 5 сигма-связей. Оставшиеся две негибридизованные p-орбитали параллельны друг другу и тоже перекрываются, в результате бокового перекрывания этих орбиталей образуется π-связь (пи-связь). Двойная связь в молекуле этена представляет собой сочетание одной σ-связи одной π-связи.

атомно-орбитальная модель молекулы этилена

Таким образом, если углерод связан с тремя атомами и молекула содержит в своём составе двойную связь – это sp2-гибридизованный углерод.

Третье гибридное состояние углерода – sp-гибридизация.

Гибридизация с участием одной s-орбитали и одной p-орбитали. В результате образуется две равноценные по форме и энергии sp-гибридные орбитали и остаётся две p-орбитали, не подвергающиеся гибридизации.

Две гибридные орбитали лежат в одной плоскости, образуя угол 180о.

атомно-орбитальная модель углерода в sp-гибридизации

Углерод в состоянии sp-гибридизации находится в молекуле этина СН≡СН. Рассмотрим её строение. Изобразим две гибридные орбитали атома углерода в форме объёмной неправильной восьмёрки. Четыре негибридизованные р-орбитали (для каждого атома углерода по две) располагаются взаимно перпендикулярно. Два атома водорода имеют по одной сферической s-орбитали с одним электроном на ней. В молекуле этена 3 сигма-связи. Оставшиеся четыре негибридизованные p-орбитали посредством бокового перекрывания образуют две π-связи. Тройная связь в молекуле этина представляет собой сочетание двух π-связей (πz и πx) и одной σ-связи.

атомно-орбитальная модель молекулы ацетилена

Итак, если углерод связан с двумя атомами и молекула содержит в своём составе тройную связь – это sp-гибридизованный углерод.

Основные положения теории Бутлерова.

Основой органической химии по праву можно считать «Теорию химического строения», разработанную русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым. Для знакомства с ней рассмотрим основные положения:

Первое положение

Химическое строение или химическая структура – строго определенная последовательность химического связывания атомов в молекулах веществ.

Формулы, отражающие последовательность атомов в молекуле, называют структурными, химические связи между атомами принято изображать с помощью чёрточек.

Второе положение

Свойства органических веществ зависят как от элементного состава соединения, так и от его строения: атомы в молекуле оказывают друг на друга взаимное влияние. 

Третье положение

Бутлеров вводит и определяет одно из важнейших в органической химии понятий «изомерия»

Изомерия – это явление, заключающееся в существовании химических соединений — изомеров, — одинаковых по атомному составу и молекулярной массе, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и, вследствие этого, по свойствам.

Изомерия делится на два вида: структурную и пространственную.

Структурная включает в себя изомерию

  • углеродного скелета 

обусловлена различным порядком связи между атомами углерода, за счет которых образуется скелет молекулы: если углерод в цепи связан с одним атомом углерода, он называется первичным, с двумя – вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя – четвертичным.

Например, молекула бутана имеет линейное строение, а молекула изобутана – разветвлённое. 

  • положения кратной связи

обусловлена различным положением кратной связи при одинаковом углеродном скелете молекулы.

Например, двойная связь в молекуле бутена-1 располагается между первым и вторым атомами углерода, а в молекуле бутена-2 двойная связь – между вторым и третьим.

  • положения функциональных групп

обусловлена различным положением функциональной группы или заместителя при одинаковом углеродном скелете молекулы.

Например, функциональная группа спиртов OH- в бутаноле-1 связана с первым атомом углерода, в бутаноле-2 со вторым.

  • межклассовая изомерия

обусловлена различным сочетанием и положением атомов в молекулах веществ, имеющих одинаковый химический состав (молекулярную формулу), но принадлежащих к различным классам.

Например, молекула бутена-1, принадлежащего к классу алкенов, и молекула циклобутана, принадлежащего к классу циклоалканов, обе имеют состав C4H8

Пространственная в свою очередь делится на:

  • геометрическую (цис-, транс-изомерия) 

обусловлена существованием геометрических изомеров, отличающихся друг от друга характером взаимного расположения заместителей относительно двойной связи.

Например, в молекуле цис-бутена-2 метильные группы располагаются в одной плоскости, а в молекуле транс-бутена-2 – в разных: одна сверху, относительно двойной связи, другая – снизу.

  • оптическую

обусловлена существованием энантиомеров – изомеров, которые соотносятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное отражение.

энантиомеры молочной кислоты

Четвёртое положение

исследовать строение органического вещества можно с помощью химических превращений, то есть исследование продуктов химической реакции может помочь определить строение исходных веществ.

Теория Бутлерова является по сей день господствующей теорией органической химии. Она не только объясняет строение и свойства всех известных органических соединений, но, как и Периодическая система элементов, позволяет на основании закономерностей предсказывать строение и свойства ещё неизвестных органических соединений. Также способы их синтеза – получения химических соединений из составных частей путём химической реакции.