Химические связи в органических соединениях

Атомы углерода в органических соединениях четырехвалентны и при этом могут находиться в трех разных состояниях гибридизации (табл. 22.1).

Таблица 22.1

Гибридизация атомов углерода

В образовании органических соединений особую роль играет способность атомов углерода соединяться между собой с образованием цепей, разветвленных цепей и циклов. Связи С-С значительно превосходят по прочности связи между другими одинаковыми атомами, чем и объясняется устойчивость углеродных структур:

Связанные между собой атомы углерода называют углеродным скелетом молекулы.

Пространственная конфигурация углеродных структур определяется гибридизацией атомов углерода. При^{-гибридизации} всех атомов образуются зигзагообразные цепи. В случае образования цикла атомы углерода отклоняются от плоскостного расположения. Примеры представлены на схемах:

Если в зигзагообразной цепи присутствуют атомы углерода в состоянии 5р²-гибридизации, то возникают участки с плоскостным расположением атомов. При наличии атомов углерода в состоянии sp-гибридизации появляются линейные участки цепи.

У концевых атомов углерода, называемых первичными, остаются три валентности для присоединения других атомов и атомных групп: Н, ОН, Cl, NH₂ и т. д. Неконцевые атомы, связанные с двумя атомами углерода, называются вторичными. К ним присоединяются еще два атома. В углеродном цикле первичных атомов углерода нет. При наличии в цепи разветвления появляется третичный атом углерода. У него остается только одна валентность для присоединения других атомов. Наконец, в цепи атомов углерода могут возникать два ответвления у одного атома. Такой атом называется четвертичным; он связан только с атомами углерода:

В молекуле с одним атомом углерода этот атом называется изолированным.

В зависимости от типа гибридизации углерод образует одинарные (а) и кратные — двойные (а + л) и тройные (а + 2л) связи. л-Связи могут возникать не только между атомами углерода, но и с атомами, присоединенными к углероду. Особой разновидностью химической связи является сопряженная двойная связь, возникающая при условии, что в углеродной цепи находятся более двух атомов в состоянии 5р²-гибридизации (см. рис. 6.26). Из рисунка следует, что неспаренные электроны на негибридных р-орбиталях могут образовать связи между любыми расположенными рядом атомами углерода, и это приводит к делокализации л-связи по всей цепочке $р²-атомов углерода. При химических реакциях наличие л-связи может проявляться то между атомами 1 и 2, то между атомами 2 и 3 и т. д.

Соединения, в которых имеются кратные связи и соответственно sp²- и sp-атомы углерода, называются ненасыщенными. Если это углеводороды, то содержание водорода в них меньше максимально возможного. Эти соединения проявляют повышенную реакционную способность, так как электронное облако л-связи сконцентрировано по двум сторонам от атомов С и поэтому довольно легко смещается от одного из двух атомов к другому под влиянием молекул реагентов.

В важнейших классах органических соединений кроме углерода и водорода могут содержаться кислород, азот, галогены, сера. Из этих элементов водород имеет меньшую электроотрицательность, чем углерод, а остальные — большую. Ковалентные связи углерода с ними в той или иной мере полярны, а на атомах имеются частичные электрические заряды ±8:

Полярность связей влияет на реакционную способность соединений.

Атомам углерода присуща способность образовывать устойчивые связи сразу с несколькими разными атомами. Это приводит к множеству комбинаций, редко встречающихся в неорганической химии. Сравним углерод и алюминий. Последний образует четыре галогенида (AIF3, А1С1₃, А1Вг₃, АП₃) и гидрид А1Н₃. Углерод же может дать много молекул с одновременным присутствием разных галогенов, а также водорода и других атомов углерода: СН₃С1, СН₂С1₂, CH₂ClBr, CHFClBr, СН₃СНС1Вг и т. д. В этом также одна из причин разнообразия органических соединений.

В органической химии широко используются структурные формулы молекул. Структурные формулы можно изображать с разной степенью конкретизации и приближения к реальной структуре. Рассмотрим несколько разновидностей формул, изображающих молекулу пропана.

В многоатомных молекулах органических соединений возможно непрерывное вращение атомных групп вокруг осей, совпадающих с направлением одинарных связей С-С (для краткости говорят: вращение вокруг связи С-С). В самом простом случае этана С₂Н₆ две группы СН₃ почти беспрепятственно вращаются одна относительно другой, как два колеса, свободно надетые на ось:

Молекулы с углеродными цепочками из четырех и более атомов в процессе внутреннего вращения изгибаются наподобие гусеницы, создавая всевозможные конформации (взаимные положения) атомов как в объеме, так и на плоскости. Цепочка из пяти атомов углерода имеет три плоские конформации:

Между тремя плоскими конформациями возникают объемные переходные конформации. Конформация «подкова» благоприятна для образования циклической структуры.

В органических молекулах различают отдельные части (фрагменты), отличающиеся по составу. К основной углеродной цепи или циклу могут быть присоединены ответвления, состоящие из углерода и водорода, называемые углеводородными радикалами. Простейшие радикалы, уже встречавшиеся в тексте, — это метилСН₃ и этилС₂Н₅. Четвертую связь радикала изображают черточкой или точкой (СН₃). Остальные элементы, кроме углерода и водорода, в молекулах органических соединений рассматривают как функциональные группы. Этот термин связан с тем, что химические реакции идут преимущественно с участием этих групп. В уже встречавшихся в тексте органических соединениях СН₃СООП и C₂H₅NH₂ имеются функциональные группыСООН (карбоксил) с кислотными свойствами иNH₂ (аминогруппа) с основными свойствами.