Теоретические представления в органической химии

Теоретические представления в органической химии

Углерод расположен в главной подгруппе 4-й группы Периодической системы. В стационарном состоянии атом углерода имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p². Этой конфигурации соответствует оксид СО, однако в органических соединениях и большинстве неорганичеких веществ более характерным состоянием углерода является 1s²2s¹2p³. Четыре неспаренных электрона дают возможность образовывать связи с атомами углерода, а также с атомами как электроотрицательных, так и электроположительных элементов. Четыре валентности атома углерода могут образовывать ковалентные связи двух типов: σ-связи и π-связи. Оба типа связи позволяют углероду быть связанным тройной, двойной и ординарной связью.

Тогда как атомы элементов-органогенов имеют обычно степени окисления [кислород (-2), азот (-3), фосфор (+5)], углерод может проявлять в соединениях любые степени окисления от (+4) до (-4). В ходе реакций он может присоединять или отдавать электроны, выступая в роли окислителя или восстановителя. Направление перехода электронов зависит от свойств другого реагента.

Степень окисления есть условный заряд атома, который рассчитывается с учетом того, что общая электронная пара связи между атомами полностью относится к более электроотрицательному атому (электроотрицательность характеризует способность атома удерживать электроны, особенно внешние). Общие пары электронов между атомами одного элемента при определении степени окисления не учитываются.

Степени окисления атомов углерода в соединениях

-4	CH₄
-3	CH₃-CH₃; R-CH₃
-2	R₂CH₂; H₂C=CH₂; CH₃Cl; CH₃OH; RCH₂-CH₂R
-1	R₃CH; HC≡CH; RHC=CHR; R₂CH-CHR₂; C₆H₆; RCH₂OH
0	R₄C; R₃C-CR₃; R₂C=CR₂; RC≡CR; H₂C=O; CH₂Cl₂; R₂CHOH
+1	R₃COH; RHC=O
+2	R₂C=O; HCOOH; CHCl₃
+3	RCOOH
+4	CO₂; CCl₄; H₂CO₃

В молекуле органического соединения степени окисления атомов углерода могут быть различными:

Таким образом, степень окисления любого атома углерода в органических соединениях равна алгебраической сумме числа всех его связей с атомами более электроотрицательных элементов (кислород, азот, сера,…), учитываемых со знаком (+), и числа связей с атомами водорода, учитываемых со знаком (-), а все его связи с соседними атомами углерода не учитываются.

Степень окисления является условной величиной, но ее изменение указывает на окислительно-восстановительный характер реакции. Атомы углерода обладают окислительно-восстановительной двойственностью, в органической химии распространены реакции окислительно-восстановительной дисмутации за счет атомов углерода, которые могут протекать как межмолекулярно, так и в рамках одной молекулы.

Электронная конфигурация атома углерода в основном состоянии 1s²2s²2p², в возбужденном– 1s²2s¹2p³. Различные атомные орбитали, имеющие близкие значения уровней энергии, взаимодействуют между собой, образуя гибридные (смешанные) орбитали с одинаковой формой и энергией. В зависимости от числа вступивших в гибридизацию орбиталей атом углерода может находиться в одном из трех состояний гибридизации.

1. sp³-Гибридизация (тетраэдрическая), при которой взаимодействуют 1 s и 3 p орбитали. Возникают 4 одинаковых электоронных орбитали, направленные к вершинам тетраэдра, в центре которого находится ядро атома углерода. Угол между нами 109°28’, они имеют форму объемной восьмерки, одна из лопастей которой значительно больше другой.

2. sp²-Гибридизация (тригональная), при которой взаимодействуют 1 s и 2 p орбитали. Возникают 3 одинаковых электронных орбитали, с осями расположенными в одной плоскости и направленными из центра треугольника к его вершинам под углом 120°. sp²-Гибридные орбиталиимеют форму объемной восьмерки, одна из лопастей которой значительно больше другой. Оставшаяся негибридизованная р-орбиталь перпендикулярна плоскости, в которой лежат гибридные орбитали.

3. sp-Гибридизация (дигональная), при которой взаимодействуют 1 s и 1 p орбитали. Возникают 2 одинаковых электронных орбитали, расположенные линейно под углом 180°, они имеют форму объемной восьмерки, одна из лопастей которой значительно больше другой. Оставшаяся негибридизованные орбитали взаимно перпендикулярны и перпендикулярны плоскости, в которой лежат sp-гибридные орбитали.