Химические связи и взаимное влияние атомов в органических соединениях

Электронная структура атома углерода в органических соединениях
основное состояние
возбужденное состояние

Строение атомных орбиталей
Атомная орбиталь - это часть пространства, в которой вероятность нахождения электрона максимальна.

Гибридизация атомных орбиталей
Гибридизация – это процесс выравнивания атомных орбиталей по форме и энергии.

sp3-Гибридизация
Происходит смешение одной 2s- и трех 2р-орбиталей. Характерна для атомов углерода в насыщенных углеводородах. Атом углерода в состоянии sp3-гибридизации имеет тетраэдрическую конфигурацию.

sp2-Гибридизация
Происходит смешение одной 2s- и двух 2р-орбиталей. Одна 2р-орбиталь остается негибридизованной. Такая гибридизация характерна для атомов углерода в соединениях, имеющих двойную связь. Атом углерода в состоянии sp2-гибридизации имеет тригональную конфигурацию.

sp-Гибридизация
Происходит смешение одной 2s- и одной 2р-орбиталей. Две 2р-орбитали остаются негибридизованными. Такая гибридизация характерна для атомов углерода в соединениях, имеющих тройную связь. Атом углерода в состоянии sp-гибридизации имеет линейную конфигурацию.

Химическая связь в органических молекулах
В органических соединениях преимущественно встречаются ковалентные связи – химические связи, образованные в результате обобществления электронов связываемых атомов.
Ковалентные связи бывают двух видов:
- σ - связи;
- π - связи.

σ-Связь
Образуется при перекрывании атомных орбиталей по прямой (оси), соединяющей ядра двух связываемых атомов.

π-Связь
Образуется при боковом перекрывании негибридизированных р-орбиталей.

Основные характеристики ковалентной связи

Полярность ковалентной связи
Электроотрицательность – это способность атома в молекуле притягивать электроны, участвующие в образовании химической связи.
Лайнус
Полинг

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи
донор
акцептор

Водородная связь
Энергия водородной связи — 12,5 - 20 кДж/моль
Характерна для органических соединений, имеющих атомы водорода, связанные с сильно электроотрицательными атомами (фтора, азота, кислорода).

Сопряжение
Локализованная связь – это ковалентная связь, электронная пара которой находится в поле двух ядер и охватывает только два атома.
Делокализованная связь – это ковалентная связь, молекулярные орбитали которой охватывают более двух атомов.
Сопряжение – это образование в молекуле единого делокализованного электронного облака в результате перекрывания р-орбиталей.

Условия, необходимые для образования сопряженных систем
Все атомы, участвующие в образовании сопряженной системы, находятся в sр2-гибридизации;
рZ-орбитали всех атомов, образующих сопряженную систему, перпендикулярны плоскости σ-скелета, т. е. параллельны друг другу.

π,π-Сопряжение
Наблюдается при чередовании в системе простых и кратных связей.
Выравнивание связей и зарядов за счет сопряжения
Гипотетическая структура
бутадиен-1,3
Энергия сопряжения – выигрыш в энергии, получаемый за счет сопряжения; для бутадиена-1,3 составляет 15 кДж/моль.

р,π-Сопряжение
Наблюдается при взаимодействии кратной связи с расположенной по соседству р­орбиталью.
Метилвиниловый эфир
Гипотетическая структура
Выравнивание связей и зарядов за счет сопряжения

Ароматичность
Это особое свойство некоторых химических соединений, благодаря которому сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность; большую чем ту, которую можно было бы ожидать только при одном сопряжении.
бензол
Гипотетические структуры
Выравнивание связей и зарядов
Термодинамическая стабильность бензола (его энергия сопряжения) составляет 151 кДж/моль.

Типы ароматических систем
Ароматические соединения
бензоидные
небензоидные
гетероциклические

Критерии ароматичности

Взаимное влияние атомов в молекуле
Взаимное влияние атомов в молекулах передается с помощью электронных и пространственных эффектов:
Индуктивный эффект
Эффект поля
Мезомерный эффект

Индуктивный эффект
Индуктивный эффект (I) − передача электронного влияния заместителя в результате смещения электронов σ-связей.
присутствует в любой полярной молекуле;
является затухающим (распространяется не более чем на три связи).
СН3→СН2→Сl CH3←CH2←MgCl
Заместитель, притягивающий электронную плотность σ-связи сильнее, чем атом водорода, проявляет отрицательный индуктивный эффект (–I).
Заместитель, смещающий электронную плотность σ-связи от себя, проявляет положительный индуктивный эффект (+I).
-I-эффект
+I-эффект

Мезомерный эффект
Мезомерный эффект (М) − передача электронного влияния заместителя по цепи сопряжения. проявляется лишь при наличии сопряженной системы;
является незатухающим (распространяется по всей сопряженной системе).
Заместитель, повышающий электронную плотность в сопряженной системе, проявляет положительный мезомерный эффект (+М).
Заместитель, понижающий электронную плотность в сопряженной системе, проявляет отрицательный мезомерный эффект (–М).
+М-эффект
-М-эффект