9.2 Углеродные цепи и изомерия

Если друг с другом соединяется большое число атомов углерода, то они могут образовать или прямые, или разветвленные цепи (явление изомерии).

Для цепи, содержащей 5 атомов углерода, могут быть следую­щие структуры (изомерные формы):

C

|

С-С-С-С-С или С-С-С-С

C

|

C– C – C

|

C

Эти изомеры были получены практически и свойства их изучены.

Для цепи из пяти атомов углерода, содержащей одну двойную связь, возможны следующие изомерные формы: C

С=С-С-С-С С-С=С-С-С С=С-С

C

С увеличением числа атомов углерода в цепи число возможных изомеров возрастает: для С₅ возможны 3 изомера, С₆—5 изомеров, C₁₀—-35 изомеров, С₂о — 366 319 изомеров, С₃₀ — 4 111 846 763 изомера.

9.3 Электронные структуры органических соединений

Схематически распределение электронов атома углерода может быть изображено следующим образом:

В схеме I на оболочке К имеются два электрона, что может быть записано как 1s². На оболочке l два электрона находятся на энергетическом уровне s(2s²) и два электрона — на уровнях р (2р²). Для схемы I электронная конфигурация атома углерода может быть записана так: 1s²2s²2р².

Исходя из схемы II, электронная конфигурация может быть выражена формулой 1s²2s2р³. Схема II соответствует возбужденному состоянию атома углерода (гибридизация).

Как было показано, ковалентная связь может быть образована только за счет одиночных (неспаренных) электронов. Поэтому атом углерода в состоянии 1s²2s²2р² может образовать только две ко-валентные связи, т. е. должен быть двухвалентным. Практика по­казала, что углерод всегда четырехвалентен и образует четыре ковалентные связи, значит ему соответствует состояние 1s²2s2р³.

Благодаря отличительной особенности атома углерода (совпадение координационного числа и валентности) между его атомами образуются только чисто ковалентные связи. Поэтому между молекулами органических соединений очень слабое взаимодействие,, следствием чего можно считать их низкие температуры кипения и плавления. Как правило, простейшие органические соединения являются низкокипящими жидкостями или газами.

Согласно современным представлениям, образование химиче­ской связи осуществляется в результате перекрывания электрон­ных облаков двух связующих электронов.

В случае одинарной связи перекрывание облаков электронов происходит по прямой, соединяющей два атома (σ-связи). Так, в молекуле этана все 7 связей являются σ-связями и расположены относительно друг друга под углами 109°28'

В случае двойной связи из двух ее валентных штрихов только один может быть σ-связью; принцип Паули исключает возможность идентичного расположения электронной пары второго штриха. В результате этого в плоскости σ -связей будут находиться все атомы углерода и водорода, а число σ-связей составит пять ,

Угол между направлениями валентностей – 120^о У каждого атома углерода остается по одному р-электрону; все они должны расположиться в плоскости, перпендикулярной плоскости σ-свя- зей. Эти электроны образуют π-связь.

Электроны π-связи имеют форму несколько сплюснутых восьмерок, одна половина которых расположена над плоскостью σ-связей, а вторая — под этой плоскостью (рис. 33).

Рис. 3

Таким образом, два валентных штриха двойной связи неравно­ценны, π-связь легко поляризуется, возможна ее ионизация и даже разрыв с образованием свободных бирадикалов:

Это придает соединениям, содержащим двойную связь, повы­шенную химическую активность и ряд особых химических и фи­зических свойств.

При тройной связи σ-связи расположены на одной прямом (угол 180°):

а четыре р-электрона образуют попарно две π-связи, расположен­ные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 34).

Особое значение имеют ароматические соединения, простейшим представителем которых является бензол С₆Н₆, имеющий в обыч­ном изображении формулу

В этой молекуле все атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости и образуют

Восьмерки π-электронов расположены над и под плоскостью цикла и, взаимно перекрываясь, образуют единую систему, в ко­торой все связи совершенно равноценны. Таким соединениям при­сущ особый комплекс химических и физических свойств—арома­тические свойства.