Теория химического строения Бутлерова

Органические соединения отличаются от неорганических свойствами и многообразием. Особенности строения и свойств этих соединений были объяснены в сформулированной Л. М. Бутлеровым в 1861 г. теории химического строения. Согласно этой теории свойства органических соединений определяются их качественным, количественным составом, порядком соединения атомов в молекуле и их взаимным влиянием.

Современная теория строения органических соединений содержит следующие положения.

1. Особенности строения органических соединений связаны с особыми свойствами элемента углерода.

В органических соединениях углерод четырехвалентен, т.е. в образовании связей участвуют все валентные электроны. В возбужденном состоянии атома s- и три /7-орбитали валентного уровня содержат по одному электрону:

Выравниваясь по форме и энергии (гибридизуясь), одно s- и три р-валентные орбитали образуют четыре $/?3-гибридных облака. Электронная плотность гибридного облака несимметрична, она смещена по одну сторону от ядра. Находясь в состоянии наибольшего расталкивания, эти четыре гибридных облака направлены к вершинам правильного тетраэдра. При перекрывании этих облаков в области повышенной электронной плотности с электронными облаками других атомов образуется четыре прочные ст-связи, направленные под углом 109°28'. Это первое валентное состояние углерода, характерное для предельных углеводородов, например для молекулы метана (рис. 13.1):

Строение молекулы метана между собой, могут сближаться, молекула при этом может принимать различные формы и даже замыкаться в цикл

Рис. 13.1. Строение молекулы метана между собой, могут сближаться, молекула при этом может принимать различные формы и даже замыкаться в цикл.

3. Атомы углерода могут соединяться между собой одинарными и кратными связями.

Во втором валентном состояния углерод для образования a-связей использует три гибридных облака (лр-гибридизация), расположенных в одной плоскости под утлом 120°. Четвертое, неги- бридизованное р-облако расположено перпендикулярно к плоскости гибридных облаков, боковым перекрыванием с таким же облаком соседнего атома углерода образует тт-связь. Наложение тт-связи на a-связь дает кратную двойную связь (рис. 13.2).

Строение молекулы этилена

Рис. 13.2. Строение молекулы этилена

В третьем валентном состоянии для образования a-связей атомы углерода используют два гибридных облака (sp-гибридизация). Эти облака вытянуты в линию (угол 180°). Две негибридные р-орбитали, расположенные перпендикулярно друг к другу и к sp-гибридным орбиталям, перекрываясь с негибридными р-орбиталями другого атома углерода, образуют две тт-связи, наложением которых на a-связь формируется тройная связь. Такая связь реализуется в молекуле ацетилена (рис. 13.3).

Строение молекулы ацетилена

Рис. 13.3. Строение молекулы ацетилена

Прочность тт-связи меньше прочности a-связи, но с увеличением кратности прочность связи возрастает, что следует из табл. 4.2.

  • 1
  • 4. Теория строения объяснила явление изомерии органических соединений.

Углеродные цепи могут быть неразветвленными (нормального строения) и разветвленными (изостроения).

Изомерия может быть связана с положением кратных связей, атомов заместителей и функциональных групп:

Известно также несколько видов пространственной изомерии (стереоизомерия). Например, молекулы углеводородов с двойной связью, вращение вокруг которой невозможно, при наличии у атомов углерода, соединенных такой связью различных заместителей образуют цис-трапс-изомеры. [1]

зью, больше, чем на соединенных а-связыо. Такой вид сдвига электронной плотности связи обозначают нагнутыми стрелками.

Участвовать в перераспределении электронной плотности в молекуле могут и неподеленные пары электронов гетероатомов:

Эффект сопряжения имеет место и в молекулах, в которых двойные связи чередуются с простыми связями, например: СН2=СН-СН=СН2. Негибридные р-орбитали перекрываются не только между 1—2, 3—4 атомами, но и между 2 и 3, образуя для всех четырех атомов углерода общее л-электронное облако (общая электронная орбиталь). Процесс сопряжения ведет к выравниванию энергии и длины связей. Делокализация связей ведет к понижению энергии системы и повышению ее устойчивости.

  • [1] Взаимное влияние атомов в молекулах органических веществобусловлено электронными эффектами. Индуктивный эффект — смещение электронной пары вдольa-связи к более электроотрицательному атому. При этом болееэлектроотрицательный атом приобретает частичный отрицательныйзаряд (6-), атом с меньшей электроотрицательностью — частичныйположительный (5+). Смещение электронной плотности показывается стрелкой, например: Н3С—»С1, II3C<—Na. Смещение электронной плотности передается по цепи атомов углерода, связанныхa-связями, при этом величина дробного заряда быстро убываетно цепи, что объясняется малой подвижностью а-связей. Эффект сопряжения (мезомерный эффект) — эффект перераспределения электронной плотности в молекуле, происходящийс участием р-электронов тт-связи. Поскольку тт-связь расположенанад и под линией, соединяющей атомы, то ее электронное облакоболее подвижно, поэтому смещение электронной плотности связипроисходит в большей степени. Величина частичных зарядов на атомах с разной электроотрицательностью, соединенных кратной свя
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >