12.3. Тип химических связей и валентность углерода в органических соединениях

Атом углерода образует только ковалентные связи. Это объясняется тем, что углерод имеет электроотрицатеьность (ЭО) = 2,5, что является промежуточной величиной между значениями ЭО типичных металлов (ЭО = 0,7—1,5) и ЭО типичных неметаллов (ЭО = 3,0 ÷ 4,0).

Рассмотрим валентные возможности атома углерода:

₆С 1s² 2s² 2p² C* 1s² 2s¹ 2p³

валентные

ē-ны

↑

↑

↑

↑

↑

+Е

↑↓

↑

2p 2p

2s 2s

основное возбуждённое

состояние состояние

В=2 В*=4

Во всех органических соединениях атом С находится в возбуждённом состоянии, и поэтому валентность С равна 4.

Атом углерода в органических соединениях может находиться в трёх валентных состояниях (табл.1). Этим валентным состояниям соответствуют различные типы гибридизации атомных орбиталей (облаков) атома углерода.

Таблица 1.

Валентные состояния и типы гибридизации атома углерода.

12.4. Основные положения теории

Химического строения органических

Соединений

А. М. Бутлерова

Химическая природа органических соединений, свойства, отличающие их от соединений неорганических, а также их многообразие нашли объяснение в сформулированной Бутлеровым в 1861 г. теории химического строения органических веществ. Основные положения данной теории:

I. Атомы в молекулах органических веществ соединяются друг с другом в определенной последовательности согласно их валентности. Последовательность соединения атомов в молекуле называется химическим строением (структурой).

Формулы

Эмпирические- структурные-

(брутто-формулы)- показывают химическое

показывают только строение веществ

состав веществ

С ₂Н₄, С₂Н₆, С₂Н₆О H H

С = С

H H

(H₂C = CH₂)

H H H H

׀ ׀ ׀ ׀

H– C – C – H H– C – C – O –H

׀ ׀ ׀ ׀

H H H H

(CH₃ – CH₃) (CH₃–CH₂–OH)

В органических соединениях, как уже отмечалось, атомы углерода могут соединяться друг с другом, образуя цепи (углеродный скелет).

В образующихся цепях атом углерода может быть свя­зан либо с одним соседним атомом углерода, либо с двумя, либо с тремя, либо с четырьмя. Соответственно различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода. В зависимости от наличия тех или иных атомов углерода цепи бывают:

а) прямые (неразветвленные) — содержат два первичных атома углерода (крайние в цепи), остальные атомы — вторичные; например:

׀ ׀ ׀ ׀ ׀

– C – C – C – C – C – ;

׀ ׀ ׀ ׀ ׀

б) разветвленные — содержат хотя бы один третичный или хотя бы один четвертичный атом углерода; напри­мер:

׀ ׀ ׀ ׀

– C – C – C – C –

׀ ׀ ׀ ׀

– C –

׀

третичный атом

углерода

в) замкнутые (циклы) — не содержат первичных атомов углерода; например:

С – С

С С С

С –

С С

С

II. Свойства веществ зависят не только от состава, но и от строения их молекул.

Огромной заслугой А. М. Бутлерова является то, что он первым объяснил явление изомерии.

Изомерия – это явление существования веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение или различную пространственную конфигурацию молекул и, соответственно, различные свойства. Эти вещества называются изомерами.

Например, существуют 2 различных вещества, которые имеют одинаковый состав, выражаемый эмпирической формулой С₂Н₆О:

Изомеры

С₂Н₆О

Н–Н Н Н

׀ ׀ ׀ ׀

Н – С – С – О –Н Н – С – О – С – Н

׀ ׀ ׀ ׀

Н – Н Н Н

СН₃–СН₂–ОН СН₃–О–СН₃

Этанол (жидкость, взаимо- Диметиловый эфир (газ, не

действует с Na) взаимодействует с Na)

Изомеры имеют одинаковую эмпирическую формулу и разные структурные формулы. С увеличением числа атомов углерода в молекуле число изомеров резко возрастает; например:

С₄Н₁₀ – 2 изомера,

С₁₀Н₂₂ – 75 изомеров.

Типы изомеров

1. Структурная изомерия обусловлена различным порядком связей углеродных атомов (изомерия скелета) или различным расположением функциональных групп или кратных связей(изомерия положения).

Изомерия Изомерия положения

цепи: кратной связи:

1 2 3 4

СН₃ – СН₂ –СН₂ – СН₃ СН₃ – СН = СН – СН₃

С ₄Н₁₀ С₄Н₈

1 2 3 4

СН₃ – СН – СН₃ СН₂=СН– СН₂ – СН₃

׀

СН₃