Позааудиторна самостійна робота № 16

Тема: Просторова будова органічних сполук

План

1. Будова атома Карбону та основні характеристики ковалентного зв’язку.

2. Просторова будова молекул вуглеводнів.

3. Просторова будова молекул деяких оксигеновмісних органічних сполук.

Час виконання: 2 години

Мета роботи: систематизувати знання про просторову будову органічних сполук.

 

Здатність атомів Карбону сполучатися між собою у довгі ланцюги можна пояснити таким чином. Карбон розташований у другому періоді періодичної системи хімічних елементів, радіус його атома порівняно невеликий. В хімічних реакціях атому Карбону важко повністю віддати 4 валентні електрони або приєднати стільки ж електронів від інших атомів до утворення октету. Цим можна пояснити те, що Карбон легко утворює ковалентні зв’язки. Саме тому для органічних сполук є характерним переважно ковалентний зв’язок.

В 1874 році голландський вчений Я. Вант – Гофф висунув ідею про просторову (стереохімічну) будову органічних сполук. Найпростішим прикладом, який відображає таку будову, може служити молекула метану.

В атома Карбону 6 електронів, які у звичайному стані розташовані слідуючим чином (мал. 11а).В такому стані він виявляє валентність, яка дорівнює двом. В дійсності, фізичними та хімічними методами було доведено, що в молекулі метану Карбон чотиривалентний. Це можна пояснити тим, що його атом переходить у збуджений стан (1 електрон з орбіта лі 2s переходить на вакантну 2р – орбіталь (мал. 11б):

 

Електронна конфігурація атома Карбону

1s² 2s² 2p² 1s² 2s¹ 2p³

Основний стан Збуджений стан

Мал. 11а Мал. 11б

1s і 3 р – орбіталі другого рівня гібридизуються (вирівнюються за формою та енергією). Таке вирівнювання орбіталей називається sp³ – гібридизацією.. Експериментально доведено, щ всі чотири гібридні орбіталі атома Карбону в молекулі метану направлені одна відносно одної під тетраедричним кутами 109^о28^/. Така просторова направленість дозволяє їм перебувати на максимальній відстані один від одного. В результаті перекривання гібридних sp³ –орбіталей і s – орбіталей чотирьох атомів Гідрогену утворюється молекула з міцними ковалентними зв’язками (мал. 12.)

Будова молекули метану

 

Схема утворення чотирьох гібридних орбіталей атома Карбону

. 109^о28^/

а) б)

 

Мал. 12.Схема утворення -зв'язків (а); геометрія молекули метану (б)

Як пояснити утворення подвійного зв’язку в молекулі етилену з точки зору електронної теорії? Фізичні методи дослідження показали, що в молекулі етилену всі ядра атомів розташовані в одній площині. Відстань між ядрами атомів Карбону складає 0,134 нм (в алканів 0,154 нм), а валентні кути в молекулі 120 ^о. Ці дані не відповідають уявленням про sp³ –гібридизацію. Очевидно, що у випадку подвійного зв’язку буде інший тип гібридизації, він називається sp² –гібридизацією. При цьому гібридизації піддаються не всі орбіталі збудженого атома Карбону, а тільки три: s – орбіталь і дві р – орбіталі, вони розташовані в одній площині під кутом 120 ^о.

Схема утворення трьох гібридних електронних хмар атома Карбону.

Схема утворення -зв'язків.

Мал. 13

В кожного атома Карбону залишилося по одній негібридизованій р – орбіталі і тому її форма не змінилась. Ці орбіталі розташовані паралельно одна до одної і перпендикулярно до площини - зв’язків, вони частково перекриваються між собою над і під площиною - зв’язків з утворенням нового - зв’язку. З встановленням - зв’язку ядра атомів Карбону дещо стягуються, тому довжина подвійного зв’язку дорівнює 0,134 нм. (мал. 14.):

Схема утворення -зв'язків.

-Електронна хмара зв’язку Геометрія молекули етилену

Між атомами Карбону

Мал. 14

У похідних етилену можливе існування геометричної (цис – транс – ізомерії), яке зумовлене різним розташуванням замісників біля карбонових атомів відносно подвійного зв’язку. Пояснимо це явище на прикладі дихлоретилену CHCl = CHCl, який можна добути у вигляді двох геометричних ізомерів; ці ізомери мають різні фізичні та хімічні властивості:

 

Геометрична ізомерія насичених сполук невідома; наприклад, дихлоретан СН₂Cl – CH₂Cl не має ізомерів, зумовлених різним розташуванням обох груп СН₂Cl відносно простого зв’язку С – С, бо навколо нього можливе вільне обертання атомів. Але ретельне вивчення фізичних властивостей різних насичених сполук показує, що внутрішнє обертання навколо простих зв’язків у багатьох випадках загальмоване, а не вільне: воно потребує певної витрати енергії. Ця обставина зумовлює існування молекул у вигляді енергетично нерівноцінних форм, які більш – менш легко можуть переходити одна в одну тільки внаслідок обертання навколо простого зв’язку. Такі форми називають конформаціями.

Мал. 15 Крива залежності потенціальної енергії молекули дихлоретану від будови поворотних ізомерів.

Дієнові вуглеводні містять два подвійні зв’язки, тип гібридизації і механізм її утворення аналогічний до алкенів (мал. 16)

.

Мал. 16 Схема утворення о-зв'язків у молекулі бутадієну та схема перекривання хмар р-електронів

У молекулі ацетилену відстань між ядрам атомів Карбону – 0,12 нм, атоми Карбону перебувають у стані sp – гібридизації.

У випадку потрійного зв’язку в гібридизації беруть участь по одному s – і p -електрону. В кожного атома Карбону є дві гібридизовані орбіталі, які максимально віддалені одна від одної (кут 180 ^о). По одній орбіталі вони витрачають на утворення - зв’язку С – С, інші орбіталі ідуть на утворення зв’язків C - Н (мал. 17.)

 

Схема утворення двох гібридних електронних хмар атома Карбону.

Мал. 1 7 Схема утворення о-зв'язків у молекулі ацетилену.

 

Ті дві негібридизовані р- орбіталі, які залишилися в кожного атома Карбону, взаємно перекриваються, в результаті чого утворюються два - зв’язки, розташовані взаємно перпендикулярно (мал. 18.)

Мал. 18. Схема утворення - зв’язків у молекулі ацетилену

Атоми Карбону в молекулі бензену перебувають у стані sp² – гібридизації В кожного атома Карбону три гібридні орбіталі розташовані в одній площині під кутом 120 ^о. З них дві орбіталі перекриваються з такими ж орбіталями сусідніх атомів Карбону з утворенням - зв’язків С – С, а третя орбіталь, перекриваючись з s – орбіталлю атома Гідрогену, утворює ще один - зв’язок С – Н. В результаті цих перекривань утворюються - зв’язки, розташовані в одній площині (мал. 19)

 

Мал. 19 Схема утворення о-зв'язків у молекулі бензену і геометрія

Молекули.

Але у кожного атома Карбону залишається ще по одній негібридизованій орбіталі у формі симетричної вісімки. Оскільки ці орбіталі розташовані паралельно одна до одної і перпендикулярно до площини - зв’язку, вони взаємно перекриваються і утворюється єдина для всієї молекули - електронна хмара, густина якої симетрично ділиться на дві частини площиною - зв’язків (мал. 20). Під впливом - електронної системи ядра атомів Карбону зближуються, відстань між ними скорочується до 0,14 нм. Електронна густина в молекулі бензену розподіляється рівномірно, томі зв’язки між атомами Карбону однакові. Таким чином, бензенове ядро - це стійка, міцна система. Хімічний зв’язок у молекулі бензену та його гомологах часто називають ароматичним.

Мал. 20 Схема перекривання хмар р-електронів у молекулі бензену та

- електронна хмара

Одноатомні спирти можна розглядати як похідні насичених вуглеводнів, в молекулах яких один атом Гідрогену заміщений на гідроксильну групу. У цих молекулах атоми сполучені між собою ковалентними - зв’язками. (мал. 21)

 

Мал. 21 Схема утворення -зв'язків у молекулі метанолу.

Особливості електронної будови альдегідів і кетонів зумовлені наявністю в їх молекулах карбонільної групи. В карбонільні групі атом Карбону перебуває в стані sp² –гібридизації. В формальдегіді три орбіталі атома Карбону витрачаються на утворення - зв’язків з двома атомами гідрогену і атомом Оксигену (мал. 22). Ці зв’язки, як і в молекулі етилену, розташовані в одній площині під кутом 120 ^о. Орбіталь негібридизованого р – електрона атома Карбону розташована перпендикулярно до площини - зв’язку. Атом Оксигену однією р – орбіталлю сполучений з атомом Карбону (зв’язок С – О), другою р – орбіталлю, розташованою перпендикулярно до першої, утворює з не гібридизованою р – орбіталлю Карбону - зв’язок. Не дивлячись на певну подібність в електронній будові карбонільної групи і подвійного зв’язку молекули етилену, між ними існує велика різниця: електронна густина в молекулі етилену рівномірно і симетрично розподілена між атомами Карбону; в карбонільній групі електронна густина зміщена від Карбону до Оксигену як до більш електронегативного атома, тобто зв’язок С = О сильно полярний: на атомі Карбону виникає частковий позитивний заряд, на атомі Оксигену – частковий негативний:

+ -

R C = O

I

H

Будова молекул альдегідів

 

Мал. 22 Схема утворення о-зв'язків у молекулі формальдегіду.

Карбонові кислоти характеризуються наявністю функціональної групи атомів – СООН, яка називається карбоксильною. Її можна розглядати як сукупність карбонільної та гідроксильної груп (мал. 23)