Электронная структура атома углерода в органических соединениях

В основном состоянии атом углерода имеет следующее электронное строение:

Возбужденное состояние атома углерода:

Для возбужденного атома углерода возможны 3 валентных состояния с различными типами гибридизации (sp, sp², sp³), причем тип гибридизации определяется числом «атакующих» атом углерода атомов.

Химическая связь в органических соединениях

Для органических соединений наиболее характерны ковалентные связи. В органических соединениях существует 2 вида ковалентных связей –  (сигма)- и  (пи)-связи.

-Связь образуется при перекрывании гибридных орбиталей атома углерода с гибридными орбиталями другого атома углерода или любыми орбиталями атомов других элементов. Перекрывание осуществляется таким образом, что область максимальной электронной плотности сосредоточена в пространстве между ядрами на оси связи (осевое перекрывание).

Между двумя атомами углерода может образоваться только одна -связь.

-Связь отличается большой прочностью. Атомы углерода, связанные -связями, образуют «каркас» органической молекулы (углеродный скелет).

-Связь образуется при боковом перекрывании негибридных р-атомных орбиталей. При этом возникают 2 области максимальной электронной плотности.

Между двумя sp²-гибридизованными атомами углерода образуется одна -связь, а между двумя sp-гибридизованными атомами – 2 -связи.

Таким образом, между двумя атомами углерода в sp²-гибридном состоянии возможно образование одной - и одной -связи, т.е. возникает двойная связь С=С, а между двумя атомами углерода в sp-гибридном состоянии возможна одна - и две -связи, т.е. образуется тройная связь СС.

Дополнительное -связывание двух атомов углерода приводит к тому, что уменьшается расстояние между ядрами и увеличивается энергия связи (табл. 3).

Таблица 3

Длины и энергии углерод-углеродных связей

Связь	Длина связи, нм	Энергия связи, кДж/моль
С–С	0,154	348
С=С	0,133	614
СС	0,120	810

Классификация органических реакций

Органические реакции классифицируют по конечному результату, по характеру разрыва связей и по реагирующим частицам.

Классификация по конечному результату

Эта классификация аналогична классификации по признаку изменения числа и состава исходных и образующихся веществ в неорганической химии. Отличие состоит в том, что в неорганической химии учитывается конечный результат для всех исходных веществ, а в органической химии – только для органических веществ, конечный результат превращения неорганических веществ при этом не учитывается. Поэтому в органической химии реакции замещения и обмена объединены в общую группу реакций замещения.

По конечному результату все реакции органических веществ делятся на следующие типы:

– реакции замещения (в молекуле органического вещества атом или группа атомов замещается на другие атом или группу атомов):

СН₃Сl + NaОН  СН₃ОН + NaCl;

СН₄ + Сl₂ CH₃Cl + HCl;

– реакции присоединения (происходит присоединение к органическому веществу какой-либо молекулы):

Н₂С=СН₂ + Н₂ Н₃С–СН₃;

– реакции отщепления или элиминирования (от органического вещества отщепляются какие-либо молекулы или частицы):

Н₃С–СН₂–ОН Н₂С=СН₂ + Н₂О.

Классификация по характеру разрыва связей

В органических реакциях возможны два вида разрыва связей: гомолитический и гетеролитический.

Гомолитический разрыв связи происходит, когда электронная пара делится пополам между атомами и образуются частицы, называемые свободными радикалами:

          метан       радикал атом

      метил водорода

Свободный радикал – это электронейтральная частица, имеющая один или несколько неспаренных электронов и способная к самостоятельному существованию.

Гомолитическому разрыву связи способствуют нагревание, свет и механическое воздействие. Обычно радикальному разрыву подвергаются неполярные и малополярные связи.

Реакции, проходящие с гомолитическим разрывом старых связей и образованием в промежуточном состоянии радикалов, называются радикальными. Например:

СН₄ + Сl₂ CH₃Cl + HCl^.

Гетеролитический (ионный) разрыв связи происходит, когда электронная пара переходит к более электроотрицательному атому и образуются ионы:

Н₃С:I  H₃C⁺ + I^–

иодметан ион карбения иодид-ион

Н₃С:Li  H₃C^– + Li⁺

метиллитий метанид-ион ион лития

Частица с положительным зарядом на атоме углерода называется карбкатионом (карбениевым ионом), а с отрицательным – карбанионом.

Гетеролитическому разрыву связи способствует наличие полярного растворителя (например, воды). К нему склонны сильно полярные и легко поляризуемые связи.

Реакции, проходящие с гетеролитическим разрывом старых связей и образованием в промежуточном состоянии ионов, называются ионными. Например:

СН₃–СН=СН₂ + НВr  СН₃–СНВr–СН₃^.

Классификация по реагирующим частицам

По природе реагента, взаимодействующего с органическим веществом (субстратом), органические реакции делятся на следующие группы.

1. Радикальные реакции. В этих реакциях реагентом является радикал.

2. Электрофильные реакции. Реагент – электрофильная частица («любящая электроны»), т.е. частица, имеющая дефицит электронной плотности (ион водорода, катионы металлов, карбкатионы, органические остатки с частичным положительным зарядом). Например, в реакции присоединения бромоводорода к пропену реагентом является ион водорода Н⁺, поэтому данная реакция является реакцией электрофильного присоединения.

3. Нуклеофильные реакции. Реагент – нуклеофильная частица («Любящая ядра»). К нуклеофильным реагентам относятся анионы (ОН^–, кислотные остатки), молекулы воды, аммиака. Например, реакция

H₃C–Br + NaOH H₃C–OH + NaBr

является реакцией нуклеофильного замещения, так как реагентом служит гидроксид-ион ОН^–.