I. Строение молекулы метана.
Молекулярная формула метана CH4.
Так как атом углерода имеет большую электроотрицательность (2,5), чем водород (2,1), то в молекуле метана происходит незначительное смещение общих электронных пар в сторону атома углерода.
Однако такая формула не отражает пространственного строения молекулы. Чтобы это показать, необходимо вспомнить о формулах электронных облаков и размещении электронов по энергетическим уровням и подуровням. Например, строение атома углерода изображают следующей схемой:
| 2P | |||
| ) ) | 2S | ↑ | ↑ |
| С +6 2 4 | S | ↑↓ | |
| ) ) | ↑↓ | 1S2 2S2 2P2 |
Так как на втором энергетическом уровне р-подуровне имеется свободная орбиталь, то на нее может перейти один из 2S2 – электронов:
| ) ) | |||
| С +6 2 4 | ↓ | ↓ | ↓ |
| ) ) | ↓ | ||
| S Sp | ↑↓ |
В результате все четыре наружных электрона второго энергетического уровня в атоме углерода окажутся неспаренными, и атом углерода в возбужденном состоянии становится четырехвалентным.
Чтобы понять, как происходит образование химических связей в молекуле метана перекрыванием электронных облаков и почему молекула метана имеет тетраэдрическое строение, нужно знать то, что эти облака после гибридизации распространяется в пространстве так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдры. При образовании молекул метана вершины этих гибридных облаков перекрываются с облаками электронов атомов водорода.
Так как в этом случае в гибридизации участвует один S-электрон и три p-электрона, то такой ее вид называется SP3- гибридизацией.
Химическая формула и строение молекул этилена.
Молекулярная формула этилена C2H4.
Если между двумя взаимно связанными атомами углерода разместить четыре атома водорода, то структурную формулу этилена следовало бы изобразить так:
HH
| |
H – C – C – H
| |
Однако свободных связей в молекуле не должно быть. Поэтому в структурной формуле этилена изображают двойную связь:
HH
| |
H – C = C – H
Следовательно, в отличие от предельных углеводородов, в молекулах которых между атомами углерода имеется ординарная связь, в молекулах углеводородов ряда этилена между атомами углерода имеется одна двойная связь.
В молекуле этилена подвергаются гибридизации одно S- и два p – электронных облака атомов углерода. Таким образом каждый атом углерода имеет по три (всего шесть) гибридных электронных облака и по одному (всего два) негибридному p – облаку. Два из гибридных электронных облаков атомов углерода взаимно перекрываются и образуют между атомами углерода δ (сигма) – связь. Остальные четыре гибридных электронных облака атомов углерода перекрываются в той же плоскости с четыремя S – электронными облаками атомов водорода и также образуют четыре δ – связи. Негибридные два p-облака атомов углерода взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости δ – связи, т.е. образуется одна П-связь. Следовательно, в молекуле этилена между атомами имеется одна δ и одна П – связь. В углеродных соединениях П – связь значительно слабее, чем δ – связь. Под воздействием респектов П – связь легко разрывается.
Легко понять, что в молекулах предельных углеводов атомы углерода могут свободно вращаться вокруг δ – связи. Если же между атомами углерода существует не только δ – связь, но и П – связь, то такое вращение без разрыва последней невозможно.
II.
1.Изомерия цепи атомов углерода в различных органических соединениях
Впервые с этим видом изомерии мы встретились при изучении предельных углеводородов. Например, молекулярной формуле C5H12 соответствуют три вещества:
CH3 – CH2 - CH2 - CH2 - CH3
Пентан
| CH3 | |
| | | |
| CH3 – CH – CH2 – CH3 | CH3 – C - CH3 |
| | | | |
| CH3 | CH3 |
| 2-метилбутан | 2,2 диметилпропан |
Этот вид изомерии встречается не только у предельных углеводородов, но и у других классов органических соединений. Так, например, в зависимости от строения углеродной цепи одной и той же молекулярной формуле С4Н90Н соответствуют два спирта:
| CH3 | |
| 4 3 2 1 | 3 2| 1 |
| CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - ОH | CH3 - CH – CH2 - ОH |
| 1-бутанол | 2-метил-1-пропанол |
Другой пример. Одной и той же молекулярной формуле C4H9O2в зависимости от строения углеродной цепи соответствуют две аминокислоты:
| O | CH3 O |
| 4 3 2 1// | 3 2| 1// |
| CH3 – CH2 – CH – C | CH3 – C – C |
| | | | \ |
| NH2 | NH2 OH |
| 2-аминобутановая кислота | 2-амино-2-метил-пропановая кислота |
2. Изомерия положения двойной или тройной связи в молекуле
С этим видом изомерии мы встретились при изучении непредельных углеводородов. Так, например, молекулярной формуле C4H6 в зависимости от места расположения тройной связи соответствуют два вещества:
CH3 – CH2 – C ≡ CH CH3 – C ≡С - CH3
1- бутин 2-бутин
Другой пример. Одной и той же молекулярной формуле С4Н602 в зависимости от места двойной связи соответствуют две непредельные карбоновые кислоты:
| O | O |
| // | // |
| CH2 = CH – CH2 - C | CH3 - CH = CH - C |
| \ | \ |
| ОН | ОН |
| Винилуксусная кислота | Кротоновая кислота |
3. Изомерия положения функциональной группы или отдельных атомов в молекуле.
С этим видом изомерии мы ознакомились при изучении спиртов, аминокислот, а также галогенопроизводных углеводородов. Рассмотрим несколько примеров.
Молекулярной формуле С3Н7ОН в зависимости от положения гид роке ильной группы в молекуле соответствуют два вещества:
| CH3 - CH – CH3 | |
| CH3 - CH2 - CH2 - ОH | | |
| ОH | |
| 1-пропанол | 2-пропанол |
Молекулярной формуле С3Н7О2Nв зависимости от положения аминогруппы —NH2 в молекуле соответствуют два вещества:
| O | O |
| 3 2 // | // |
| NH2 - CH2 – CH2 - C | CH3 - CH – C |
| \ | \ |
| ОН | ОН |
| 3-аминопропановая кислота | 2-аминопропановая кислота |
Молекулярной формуле С3Н7Сlв зависимости от положения атома хлора в молекуле тоже соответствуют два вещества:
CH3 – CH2 – CH2 - Cl CH3 – CНCl - CH3
1-хлорпропан 2-хлорпропан
4. Пространственная, или стереоизомерия. Этот вид изомерии встречается у непредельных углеводородов, в составе которых имеются разные атомы или группы атомов, способные занимать различные положения в пространстве. Например, олеиновая кислота С17Н33СООН существует в двух изомерных формах:
| Н Н | CH3 – (CH2)7 Н |
| \ / | \ / |
| С = С | С = С |
| / \ | / \ |
| CH3 – (CH2)7 (CH2)7 - СООН | Н (CH2)7 - СООН |
| Цис-изомер | транс-изомер |
Этим же видом изометрии обусловлена стереорегулярность и стереонерегулярность различных полимеров. Характерным примером регулярного строения является дивиниловый каучук
| H H | |
| \ / | |
| C = C | |
| / \ | |
| -CH2 CH2- | n |
А примером нерегулярного строения-бутадиеновый каучук
| H CH2- | |
| \ / | |
| C = C | |
| / \ | |
| -CH2 H | n |
которые существенно отличаются по свойствам.
5. Изомерия, характерная для органических соединений, в молекулах которых имеется бензольное кольцо.
Этот вид изомерии возможен при наличии двух заместителей в бензольном кольце. В зависимости от расположения заместителей в бензольном кольце различают орто-, мета- и пара-изомерию. Так, например, если в бензольном кольце имеется два заместителя — радикал метил и гидроксильная группа, то такое вещество называется крезолом. И в зависимости от расположения этих групп в бензольном кольце существует три различных вещества:
| C-CH3 HC C-OH HC CH CH | C-CH3 HC CH HC C-OH CH | C-CH3 HC CH HC CH C-OH |
| о-крезол | м-крезол | n-крезол |
Следует учесть, что многие соединения, имеющие одну и ту же молекулярную формулу, могут отличаться между собой различными видами изомерии, например:
| CH3 O | O |
| | // | // |
| CH3 – C – C | NH2 – CH2 – CН – C |
| | \ | | \ |
| NH2 OH | CH3 OH |
| 2-амино-2метилпропановая кислота | 3-амино-2-метилпропановая кислота |
| CH3 – CH2 – CH – CООН |
| | |
| NH2 |
| 2-аминобутановая кислота |
Эти изомерные вещества отличаются одновременно изометрией углеродной цепи и изометрией положения функциональной группы – NH2.
III. Например, из молекулы этанола натрий вытесняет только один атом водорода. Следовательно, этот атом водорода более подвижен.