Природа химических связей в органических соединениях: электронное строение соединений углерода, гибридизация орбиталей.
Представления о природе химической связи в органических соединениях впервые сформулировал Г.Льюис, предположивший, что атомы в молекуле связаны с помощью электронов: пара обобщенных электронов создает простую связь, а две или три пары образуют, соответственно, двойную и тройную связь. Рассматривая распределение электронной плотности в молекулах (например, ее смещение под влиянием электроотрицательных атомов O, Cl и др.) химики смогли объяснить реакционную способность многих соединений, т.е. возможность их участия в тех или иных реакциях.
Электронная формула: 1s22s22p2
1. Нормальное состояние атома углерода
В нормальном состоянии атом углерода имеет степень окисления +2.
В данной степени окисления углерод образует оксид – СО
2. Возбужденное состояние атома углерода
В возбужденном состоянии атом углерода имеет степень окисления +4. В данной степени окисления углерод образует оксид – СО2
Электронное строение атома углерода определяет ряд особых свойств органических соединений. В частности, органические молекулы не образуют прочных кристаллических решеток, отличаются значительной подвижностью, и органические вещества способны растворяться друг в друге. Такое электронное строение атома углерода обусловливает две характерных его особенности: возможность образовывать четыре ковалентные связи и неспособность к донорно-акцепторному взаимодействию.
Гибридизация орбиталей — гипотетический процесс смешения разных (s, p, d) орбиталей центрального атома многоатомной молекулы с возникновением одинаковых орбиталей, эквивалентных по своим характеристикам.
Тип гибридизации |
Число гибридных орбиталей |
Геометрия |
Структура |
Примеры |
sp |
2 |
Линейная |
|
BeF2, CO2, NO2+ |
sp2 |
3 |
Треугольная |
|
BF3, NO3-, CO32- |
sp3 |
4 |
Тетраэдрическая |
|
CH4, ClO4-, SO42-, NH4+ |
dsp2 |
4 |
Плоскоквадратная |
|
Ni(CO)4, [PdCl4]2- |
sp3d |
5 |
Гексаэдрическая |
|
PCl5, AsF5 |
sp3d2 |
6 |
Октаэдрическая |
|
SF6, Fe(CN)63-, CoF63 |
!!!!!!!!!!!!!!!!!!Выберешь какие надо… Я думаю первых 3х будет достаточно))
Пространственное строение органических соединений. Конфигурация и конформация. Стереоизомеры: геометрические, оптические
Под изомерией понимают существование молекул с одинаковыми суммарными формулами, но различным строением или расположением атомов в пространстве. Химические и физические свойства изомерных веществ различны. Различают структурную и пространственную изомерию (стереоизомерия).
Структурная изомерия обусловлена различным расположением атомов в молекуле.
Возможны следующие виды структурной изомерии:
1) Изомерия углеродного скелета или изомерия цепи обусловлена различным порядком связи атомов, образующих скелет молекулы органических соединений.
2) Изомерия положения обусловлена различным расположением функциональных групп или кратных связей.
3)Изомерия функциональных групп (межклассовая изомерия)
4) Таутомерия – изомеры отличаются функциональными группами легко переходящими друг в друга.
А) Кето-енольная таутомерия
Б) Лактам- лактимная таутомерия
Пространственная (стереоизомерия)
Пространственная изомерия обусловлена различным пространственным расположением атомов при одинаковом порядке их связывания.
Различают:
1) геометричекую (цис-, транс-изомерию)
Наиболее устойчивы транс-изомеры, поэтому в природе они наиболее распространены.
Цис-форма — 2 заместителя расположены по одну сторону плоскости двойной связи.
Транс-форма – 2 заместителя расположены по разные стороны плоскости двойной связи.
2) Оптическая изомерия
Для описания пространственных различий используют два важнейших понятия: конфигурация и конформация молекул.
Конфигурация – определенное пространственное расположение атомов в молекуле, без учета различий, возникающих вследствие вращения вокруг одинарных связей.
В основе пространственного строения лежит предположение Вант-Гоффа (1874 г) о тетраэдрической конфигурации атома углерода, которое впоследствии было полностью подтверждено. Если у атома углерода все четыре заместителя одинаковые, то пространственная модель - тетраэдр, валентный угол – 109,50. Если заместители разные, то угол несколько отличается от нормального. На плоскости обычно изображают атом углерода и две связи. Связь, направленную к наблюдателю показывают жирной чертой, от наблюдателя за плоскостью — пунктирной или заштрихованной линией.
Термин конформация был предложен в 1929 году Хеуорсом,
Конформации молекулы представляют собой различные ее геометрические формы, возникающие в результате вращения вокруг одинарных связей. Оперировать бесчисленным множеством конформаций практически невозможно, поэтому принимают во внимание молекулярные структуры, в которых последовательно осуществлен поворот вокруг простой связи на 600 , При полном обороте вокруг центральной связи возникает 6 конформаций.
Оптическая изомерия; хиральность молекул органических соединений. Энантиомеры и диастереомеры. Связь пространственного строения с физиологической активностью органических соединений.
Энантиомеры — пара стереоизомеров, представляющих собой зеркальные отражения друг друга, не совмещаемые в пространстве. Простейший пример такой молекулы — это атом углерода с четырьмя разными заместителями. К примеру, СHClBrF или аланин CH3CHNH2COOH (рис. 1). Наличие у такой молекулы двух разных конфигураций связано с тем, что у атома углерода, образующего четыре одинарные связи, эти связи направлены к вершинам тетраэдра.
|
Диастереомеры — стереоизомеры, не являющиеся зеркальными отражениями друг друга Диастереомерия возникает, когда соединение имеет несколько стереоцентров. Если два стереоизомера имеют противоположные конфигурации всех соответствующих стереоцентров, то они являются энантиомерами. Однако, если конфигурация различается лишь у некоторых (а не у всех) стереоцентров, то такие стереизомеры являются диастереомерами. Если диастереомеры отличаются конфигурацией лишь одного стереоцентра, то они называются эпимерами.
Атом углерода с четырьмя разными заместителями называется хиральным атомом (от греческого heiros «ладонь» — тот же корень, что и в слове «хиромантия»). Чем больше хиральных атомов в молекуле, тем больше у вещества может быть оптических изомеров. Интересно, что возможны органические вещества, которые имеют оптические изомеры, хотя в них формально нет ни одного хирального атома — центра изомерии.
Биологическая активность зависит от оптического строения. Некоторые ферменты могут взаимодействовать только с одним изомером одного вещества (абсолютная специфичность) либо с определенным изомером веществ гомологического ряда (стереоспецифичность)