Электронное строение атома углерода. Типы гибридизация атомных орбиталей. Ковалентные σ- и π-связи, их основные характеристики: длина, энергия, полярность

Занятие 8

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ. ИЗОМЕРИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Классификация органических соединений. Функциональная группа. Общие формулы биологически важных классов органических соединений: спиртов, фенолов, тиолов, аминов, простых эфиров, сульфидов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот

Органические соединения классифицируют по:

а) строению углеродной цепи;

б) наличию функциональных групп.

Функциональные группы – это заместители неуглеводородного характера, определяющие принадлежность вещества к определенному классу и одновременно его типичные химические свойства.

Классификация органических соединений по функциональным группам:

Органические вещества
Моно-, поли- гомофункциональные	гетерофункциональные
1. Галогенопроизводные   H3C-CH2-Cl хлорэтан	1. Оксикислоты H3C-CH-COOH ׀ OH лактат (оксипропановая кислота)
2. альдегиды, кетоны   CH3-C =O \ H этаналь	2. оксокислоты H3C-C-COOH ׀׀ O пируват (оксопропановая кислота)
3. Спирты, фенолы, тиолы   H3C-CH2-OH этанол OH фенол   H3C-CH2-SH Этантиол	3. Аминоспирты   CH2-CH2 ׀ ׀ OH NH2 этаноламин
4. Карбоновые кислоты   H3C-COOH этановая кислота	4. Аминокислоты H2N-CH-COOH ׀ CH3 аланин (аминопропановая кислота)
5. Простые эфиры   H3C-O-CH3 метоксиметан	5. Углеводы O ׀׀ C – H ׀ (HC-OH)4 ׀ CH2 - OH глюкоза
6. Амины   H3C-CH2-NH2 этиламин
7. Сложные эфиры O-CH3 H3C-C=O метилэтаноат

Классификации органических веществ по строению радикала:

предельные непредельные N пиррол

Циrлопропан N

Бензол

N

циклогексан H CH₃ CH₃ имидазол

толуол

Общие формулы биологически важных классов органических соединений: спирты – R-OH

Фенолы – OH

Тиолы – R-SH

Амины – R-NH₂

простые эфиры – R₁-O-R₂

сульфиды – Ме₂Sх

альдегиды – R-COH

кетоны – R₁-C-R₂

׀׀

O

карбоновые кислоты – R-COOH

Электронное строение атома углерода. Типы гибридизация атомных орбиталей. Ковалентные σ- и π-связи, их основные характеристики: длина, энергия, полярность

В органических соединениях углерод может находиться в одном из 3-х валентных состояний:

sp³-гибридизация, при которой происходит смешивание одной s и трех p – орбиталей, с возникновением 4-х гибридизованных орбиталей, расположенных в пространстве под углом 109°28´ по отношению друг к другу. Углерод в таком состоянии получил название тетрагонального атома углерода и встречается в предельных органических соединениях.

sp²-гибридизация, при которой происходит смешивание одной s- и двух p-орбиталей, с возникновением 3-х гибридизованных орбиталей, расположенных в одной плоскости, под углом 120° по отношению друг к другу. Негибридозованная p-орбиталь расположена перпендикулярно плоскости гибридизованных орбиталей. Углерод в таком состоянии называют тригональным, и встречается он в соединениях с двойными связями.

sp-гибридизация, при которой происходит смешивание одной s- и одной p-орбитали с возникновением 2-х гибридизованных орбиталей, расположенных в пространстве под углом 180° (линейно), а две негибридизованные p-орбитали расположены взаимно перпендикулярно друг другу. Такой вид гибридизации (sp-гибридизация) характерен для углерода, связанного тройной связью.

При образовании ковалентной связи в молекулах органических соединений общая электронная пара заселяет связывающие молекулярные орбитали (МО), имеющие более низкую энергию. В зависимости от формы МО – σ-МО или π-МО – образующиеся связи относят к σ- или p-типу.

σ-Связь – ковалентная связь, образованная при перекрывании s-, p- и гибридных атомных орбиталей (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 из-за менее полного перекрывания р-АО.

Различное строение σ- и π-молекулярных орбиталей определяет характерные особенности σ- и π-связей.

1. σ-Связь прочнее π-связи. Это обусловлено более эффективным осевым перекрыванием АО при образовании σ-МО и нахождением σ-электронов между ядрами.

2. По σ-связям возможно внутримолекулярное вращение атомов, т. к. форма σ-МО допускает такое вращение без разрыва связи (cм аним. Картинку внизу)). Вращение по двойной (σ + π) связи невозможно без разрыва π-связи!

3. Электроны на π-МО, находясь вне межъядерного пространства, обладают большей подвижностью по сравнению с σ-электронами. Поэтому поляризуемость π-связи значительно выше, чем σ-связи.

Длина связи – расстояние между ядрами атомов, ее образовавшими. С увеличением доли s-АО в гибридной орбитали (с увеличением ненасыщенности) длина связи уменьшается, ибо s-орбиталь лежит ближе к ядру (имеет меньший радиус), чем р-орбиталь.

Энергия связи – энергия, необходимая для гомолитического разрыва связи на радикалы или на атомы.

Табл. 1. Некоторые характеристики связей

То обстоятельство, что p-связь слабее s-связи, заставляет сделать вывод, что для ненасыщенных соединений должны быть характерны, т.е. идти в первую очередь, реакции присоединения по кратным связям, ибо на их разрыв идет меньше энергии и они, кроме того, более доступны с пространственной точки зрения.

Энергия связи зависит также от природы элемента, атомы которого образуют связь. Так, связи С-Hal составляют следующий ряд прочности: