Гибридизация

Типы связей в молекулах органических веществ.

В органических соединениях углерод всегда четырехвалентен. В возбужденном состоянии в его атоме происходит разрыв пары $2{\mathit{s}}^3$-электронов и переход одного из них на р-орбиталь:

Такой атом имеет четыре неспаренных электрона и может принимать участие в образовании четырех ковалентных связей.

На основании приведенной электронной формулы валентного уровня атома углерода можно было бы ожидать, что на нем находится один $\mathit{s}$-электрон (сферическая симметричная орбиталь) и три $\mathit{р}$-электрона, имеющих взаимно перпендикулярные орбитали ($2{\mathit{р}}_{\mathit{х}},2{\mathit{р}}_{\mathit{у}},2{\mathit{p}}_{\mathit{z}}$-орбиталь). В действительности же все четыре валентных электрона атома углерода полностью эквивалентны и углы между их орбиталями равны $109°28\prime$. Кроме того, расчеты показывают, что каждая из четырех химических связей углерода в молекуле метана ($\mathit{С}{\mathit{Н}}_4$) на $25\%$ является $\mathit{s}-$ и на $75\%$ — $\mathit{p}$-связью, т.е. происходит смешивание $\mathit{s}-$ и $\mathit{р}-$состояний электронов. Это явление называют гибридизацией, а смешанные орбитали — гибридными.

Атом углерода в $\mathit{s}{\mathit{p}}^3$-валентном состоянии имеет четыре орбитали, на каждой из которых находится по одному электрону. В соответствии с теорией ковалентной связи он имеет возможность образовывать четыре ковалентные связи с атомами любых одновалентных элементов ($\mathit{С}{\mathit{Н}}_4,\mathit{C}\mathit{H}\mathit{C}{\mathit{l}}_3,\mathit{C}\mathit{C}{\mathit{l}}_4$) или с другими атомами углерода. Такие связи называются $\mathit{\sigma }$-связями. Если атом углерода имеет одну $\mathit{С}\mathit{—}\mathit{С}$ связь, то он называется первичным (${\mathit{Н}}_3\mathit{С}\mathit{—}\mathit{С}{\mathit{Н}}_3$), если две — вторичным (${\mathit{Н}}_3\mathit{С}\mathit{—}\mathit{С}{\mathit{Н}}_2\mathit{—}\mathit{С}{\mathit{Н}}_3$), если три — третичным (), а если четыре — четвертичным ().

Одной из характерных особенностей атомов углерода является их способность образовывать химические связи за счет обобщения только $\mathit{р}$-электронов. Такие связи называются $\mathit{\pi }$-связями. $\mathit{\pi }$-связи в молекулах органических соединений образуются только в присутствии $\mathit{\sigma }$-связей между атомами. Так, в молекуле этилена ${\mathit{Н}}_2\mathit{С}=\mathit{С}{\mathit{Н}}_2$ атомы углерода связаны $\mathit{\sigma }-$ и одной $\mathit{\pi }$-связью, в молекуле ацетилена $\mathit{Н}\mathit{С}=\mathit{С}\mathit{Н}$ — одной $\mathit{\sigma }-$ и двумя $\mathit{\pi }$-связями. Химические связи, образовавшиеся с участием $\mathit{\pi }$-связей, называются кратными (в молекуле этилена — двойная, в молекуле ацетилена — тройная), а соединения с кратными связями — ненасыщенными.

Явление $\mathit{s}{\mathit{p}}^3$-, $\mathit{s}{\mathit{p}}^2$- и $\mathit{s}\mathit{p}$ - гибридизации атома углерода.

При образовании $\mathit{\pi }$-связей изменяется гибридное состояние атомных орбиталей атома углерода. Так как образование $\mathit{\pi }$-связей происходит за счет р-электронов, то в молекулах с двойной связью электроны будут иметь $\mathit{s}{\mathit{p}}^2$-гибридизацию (была $\mathit{s}{\mathit{p}}^3$, но один р-электрон отходит на $\mathit{\pi }$-орбиталь), а с тройной — $\mathit{s}\mathit{p}$-гибридизацию (два р-электрона отошли на $\mathit{\pi }$-орбиталь). Характер гибридизации изменяет направленность $\mathit{\sigma }$-связей. Если при $\mathit{s}{\mathit{p}}^3$-гибридизации они образовывают пространственно разветвленные структуры ($\mathit{а}$), то при $\mathit{s}{\mathit{p}}^2$-гибридизации все атомы лежат в одной плоскости и углы между $\mathit{\sigma }$-связями равны $120°$(б), а при $\mathit{s}\mathit{p}$-гибридизации молекула линейна (в):

При этом оси $\mathit{\pi }$-орбиталей перпендикулярны оси $\mathit{\sigma }$-связи.

Как $\mathit{\sigma }$-, так и $\mathit{\pi }$-связи являются ковалентными, значит, должны характеризоваться длиной, энергией, пространственной направленностью и полярностью.

Характеристики одинарных и кратных связей между атомами С.

Радикал. Функциональная группа.

Одной из особенностей органических соединений является то, что в химических реакциях их молекулы обмениваются не отдельными атомами, а группами атомов. Если эта группа атомов состоит только из атомов углерода и водорода, то она называется углеводородным радикалом, если же она имеет атомы других элементов, то она называется функциональной группой. Так, например, метил ($\mathit{С}{\mathit{Н}}_3$—) и этил (${\mathit{С}}_2{\mathit{Н}}_5$—) являются углеводородными радикалами, а оксигруппа (—$\mathit{О}\mathit{Н}$), альдегидная группа (), нитрогруппа (—$\mathit{N}{\mathit{O}}_2$) и т. д. являются функциональными группами спиртов, альдегидов и азотсодержащих соединений соответственно.

Как правило, функциональная группа определяет химические свойства органического соединения и поэтому является основой их классификации.