Теория химического строения органических соединений, выдвинутая А. М. Бутлеровым во второй половине прошлого века (1861 г.), была подтверждена работами многих ученых, в том числе учениками Бутлерова и им самим.
Первое положение. Атомы в молекулах соединяются в определенном порядке в соответствии с их валентностью. Углерод во всех органических и в большинстве неорганических соединений четырехвалентен.
Последнюю часть первого положения теории легко объяснить тем, что в соединениях атомы углерода находятся в возбужденном состоянии:
Наличие четырех одиночных электронов на внешнем уровне определяет валентность углерода, равную четырем.
Атомы четырехвалентного углерода могут соединяться друг с другом, образуя различные цепи:
- открытые разветвленные
- открытые неразветвленные
- замкнутые
Порядок соединения атомов углерода в молекулах может быть различным и зависит от вида ковалентной химической связи между атомами углерода — одинарной или кратной (двойной и тройной).
Второе положение. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул (от порядка соединений атомов в молекулах и характера связей).
Это положение объясняет явление изомерии. Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое или пространственное строение, а следовательно, и разные свойства, называют изомерами.
Третье положение. Свойства веществ зависят от взаимного влияния атомов в молекулах.
Например, в уксусной кислоте в реакцию со щелочью вступает только один из четырех атомов водорода. На основании этого можно предположить, что только один атом водорода связан с кислородом:
С другой стороны, из структурной формулы уксусной кислоты можно сделать вывод о наличии в ней одного подвижного атома водорода, то есть о ее одноосновности.
Четвертое положение. Свойства веществ определяются их строением, и, наоборот, зная строение, можно прогнозировать свойства.
Типы химических связей в органических соединениях. Валентные состояния атомов углерода, кислорода, азота. Гибридизация; сигма- и пи-связи ( σ- и π-связи) . Двойная и тройная связь
Гибридизация - это смешивание валентных электронных облаков и образование качественно новых, равноценных гибридных валентных электронных облаков.
Число гибридных орбиталей равно числу исходных орбиталей. По сравнению с ними гибридные орбитали более вытянуты в пространстве, что обеспечивает их более полное перекрывание с орбиталями соседних атомов.
У атома углерода в возбужденном состоянии 4 валентных электрона
Они неравноценны: s-электрон сферической формы, р-электроны имеют форму восьмерки и направлены по осям х, у, z.
При образовании химических связей у атома углерода происходит гибридизация. В зависимости от вида гибридизации атомы углерода могут находиться в трех валентных состояниях:
I валентное состояние. Для него характерна sр3-гибридизация. В случае sp3- гибридизации образуется четыре гибридных облака, которые направлены из центра тетраэдра к его вершинам. Угол между осями гибридных электронных облаков оказывается равным 109°28». Так образуется метан и его гомологи — алканы с общей формулой
CnH2n + 2.
Алканы в пространстве имеют зигзагообразное строение - это ряд тетраэдров, соединенных своими вершинами:
II валентное состояние - sр2-гибридизация. Если происходит sр2-гибридизация, то образуется три гибридных валентных облака, которые лежат на плоскости под углом 120°.
Они образуют на плоскости три сигма-связи. Четвертая связь с соседним атомом углерода образуется в перпендикулярной плоскости двумя р-электронами, которые не участвовали в гибридизации. Так образуется этилен и его гомологи с общей формулой CnH2n.
III валентное состояние — sp-гибридизация. В случае sp-гибридизации образуются два гибридных облака, которые лежат на осевой линии, соединяющей ядра двух атомов под углом 180°. Они образуют две сигма-связи по осевой линии — с водородом и углеродом. 2р-электрона, которые не участвовали в гибридизации, образуют с соседним атомом углерода две П-связи в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. Так образуется ацетилен и его гомологи с общей формулой CnH2n + 2.
H–C≡C–H ацетилен
σ-Связь – ковалентная связь, образованная при перекрывании s-, p- и гибридных АО вдоль оси, соединяющей ядра связываемых атомов (т.е. при осевом перекрывании АО).
π-Связь – ковалентная связь, возникающая при боковом перекрывании негибридных р-АО. Такое перекрывание происходит вне прямой, соединяющей ядра атомов.
π-Связи возникают между атомами, уже соединенными σ-связью (при этом образуются двойные и тройные ковалентные связи). π-Связь слабее σ-связи.
При двойном связывании атомов углерода первые 2p-орбитали создают σ-связь, а вторые - π-связь; в этом случае образуется остов молекулы этиленаC2H4.
При тройном связывании (одна σ-связь, две π-связи) образуется остов молекулы ацетилена C2H2 :
H–C≡C–H ацетилен