Общие представления о стереохимии

Дальнейшим развитием теории строения явилось создание стереохимии – учения о пространственной структуре органических молекул. В 1874г. голландский химик Я. Вант-Гофф и французский химик Ле-Бель одновременно и независимо друг от друга высказали гипотезу о том, что молекулы органических веществ имеют пространственное, объемное строение.

Пространственное строение молекул обусловлено тем, что валентные связи углеродного атома расположены не в плоскости, а определенным образом направлены в пространстве; атом углерода, связанный с четырьмя одновалентными атомами или атомными группами, является как бы центром тетраэдра – четырехгранной пирамиды (рис. 7), а его валентные связи направлены к вершинам тетраэдра (H). В этих вершинах помещаются соединенные с атомом углерода одновалентные атомы или атомные группы. В результате молекулы органических веществ имеют объемность, пространственное строение.

 

Рис. 7 Модели пространственного строения молекулы метана:

А – тетраэдрическая; б – шаростержневая; в – по Бригдебу.

Оказалось, что и при одинаковой последовательности связей в молекулах, возможна изомерия, обусловленная различным расположением атомов в пространстве. Этот вид изомерии называется пространственной изомерией или стереоизомерией.

Стереоизомеры могут содержать асимметричный атом углерода, соединенный с четырьмя различными атомами или атомными группами (рис. 8). Органические вещества, содержащие асимметричный углеродный атом, существуют в виде двух изомерных молекул с различным пространственным расположением атомов. Эти стереоизомерные молекулы относятся друг к другу как предмет к зеркальному изображению и называются энантиомерами (асимметричный атом углерода в формулах обозначается звездочкой):

CH₃—C^*HOH—COOH молочная кислота

Стереоизомеры, обладая одинаковыми химическими и физическими свойствами, отличаются между собой оптической активностью, т.е. по отношению к поляризованном свету. Каждый из них вращает плоскость поляризованного луча в противоположном направлении, являясь оптическим антиподом.

 

Поляризация связей

Когда ковалентной связью соединяются одинаковые атомы, обобщенная электронная пара в равной степени принадлежит им обоим. Иначе обстоит дело, если ковалентной связью соединены атомы различных элементов,

Рис. 8 Энантиомеры молочной кислоты.

 

обладающие различной электроотрицательностью (ЭО) (т.е. способностью притягивать обобщенные электроны, образующие ковалентную связь). В этом случае обобщенная электронная пара оказывается в той или иной мере смещенной (оттянутой) сторону более ЭО- атома. В результате у этого атома возникает некоторый (избыточный или частичный) отрицательный заряд, а у атома, от которого электронная пара оттянута, - равный по величине положительный заряд. Связь между такими атомами является поляризованной связью.

Так, например, в молекуле хлора обобщенная электронная пара в одинаковой мере принадлежит обоим атомам, в молекуле же органического вещества – хлористого метила CH₃Cl пара электронов, осуществляющая связь между хлором и углеродом, смещена в сторону несколько более электроотрицательного хлора (и условно может быть изображена ^d+ и ^d-):

Cl: Cl H₃C^d+: Cl^d- H₃C^d+ ® Cl^d-

I II III

У хлора возникает некоторый отрицательный заряд, у углерода – положительный, ковалентная связь между этими атомами в хлористом метиле поляризована. Как показано в формуле II, частичные заряды атомов, соединенных поляризованной связью, принято обозначать греческой буквой d (дельта) со знаком плюс и знаком минус соответственно. Смещение электронной пары в поляризованной простой ковалентной связи обычно обозначают стрелкой на середине черточки, выражающей эту связь, как представлено в формуле III.

Чем более поляризована связь, т.е. чем больше осуществляющая ее пара смещена к одному из атомов, тем больше эта связь по своему характеру приближается к ионной связи и тем выше реакционная способность соединенных такой связью атомов.

Степень поляризации связи между двумя атомами, а следовательно, и ее прочность, зависят от влияния других соединенных с ними атомов или атомных групп. В частности, связь С—С между двумя формально одинаковыми углеродными атомами, может быть поляризованной, если каждый из них в свою очередь соединен с различными атомами или группами. Особенно склонны к поляризации двойные и тройные связи.

В молекулах с двойными связями p-электроны, образующие p-связь, смещены в направлении более электроотрицательного атома:

R₂C=O, R₂C=CH₂, R₃C—N=O.

 

Изогнутая стрелка указывает направление смещения p-связей.

Взаимодействие электронов p-связей с электронами остальных участков ненасыщенной молекулы вызывает ее электрическую асимметрию.

В молекулах соединений с кратными связями p-связи значительно легче поляризуются, чем s-связи. В результате поляризации атомы, связанные двойной связью, приобретают частичные (неполные) электрические заряды:

 

R₂C^d+=O^d- R₂C^d+=CH₂^d- R₃C—N^d+=O^d-

 

Молекулы, содержащие две или несколько чередующихся двойных связей, разделенных s-связью, называются сопряженными системами:

>C=C—C=C< >C=C—C=O>C=C—N=O

ú ú ú ú ú

 

В сопряженных системах электроны p-связей находятся в поле всех углеродных ядер и поэтому изменение распределения электронов в одной части молекулы вызывает перегруппировки электронов во всех других ее частях, как в едином целом.. Такой тип взаимодействия атомов называют сопряжением связей.

Органические молекулы с достаточно хорошо развитой системой сопряженных связей проявляют полупроводниковые свойства.