탄소 원자 사이의 화학 결합 유형. 탄소 원자와 관련된 공유 결합

계속. 시작 부분 보기 № 15, 16/2004

5과. 혼성화
탄소 원자 궤도

공유 화학 결합은 다음과 같은 공유 결합 전자 쌍을 사용하여 형성됩니다.

화학 결합을 형성합니다. 짝을 이루지 않은 전자만이 다른 원자의 "외부" 전자와 공통 전자쌍을 생성할 수 있습니다. 전자 공식을 작성할 때 짝을 이루지 않은 전자는 궤도 셀에 한 번에 하나씩 위치합니다.
원자 궤도원자핵 주위 공간의 각 지점에서 전자 구름의 밀도를 설명하는 함수입니다. 전자구름은 전자가 높은 확률로 검출될 수 있는 공간 영역이다.
탄소 원자의 전자 구조와 이 원소의 원자가를 조화시키기 위해 탄소 원자의 여기에 대한 개념이 사용됩니다. 정상(자극되지 않은) 상태에서 탄소 원자는 짝을 이루지 않은 두 개의 2를 가지고 있습니다. 아르 자형전자 2개. 들뜬 상태(에너지가 흡수될 때) 2 중 하나 에스 2개의 전자가 무료로 갈 수 있습니다. 아르 자형-궤도 함수. 그런 다음 4개의 짝을 이루지 않은 전자가 탄소 원자에 나타납니다.

원자의 전자식(예를 들어 탄소 6 C – 1)에서 다음을 기억해 봅시다. 에스 2 2에스 2 2피 2) 문자 앞의 큰 숫자 - 1, 2 -는 에너지 수준의 수를 나타냅니다. 편지 에스그리고 아르 자형는 전자구름(궤도)의 모양을 나타내고, 문자 바로 위의 숫자는 주어진 궤도에 있는 전자의 수를 나타냅니다. 모두 에스-구형 궤도:

2를 제외한 두 번째 에너지 준위에서 에스- 3개의 궤도가 있다 2 아르 자형-궤도. 이 2 아르 자형-오비탈은 아령과 유사한 타원형 모양을 가지며 공간 내에서 서로 90° 각도로 방향이 지정됩니다. 2 아르 자형-궤도는 2를 나타냅니다. px, 2피그리고 2 피지이 궤도가 위치한 축에 따라.

화학 결합이 형성되면 전자 궤도는 동일한 모양을 얻습니다. 따라서 포화 탄화수소에서는 에스-궤도와 3개 아르 자형-4개의 동일한 탄소 원자를 형성하는 궤도(하이브리드) sp 3-궤도:

이것 - sp 3 - 혼성화.
이종 교잡– 원자 궤도의 정렬(혼합)( 에스그리고 아르 자형)라고 불리는 새로운 원자 궤도의 형성과 함께 하이브리드 궤도.

하이브리드 오비탈은 부착된 원자쪽으로 길쭉한 비대칭 모양을 가지고 있습니다. 전자 구름은 서로 반발하며 가능한 한 서로 멀리 떨어진 공간에 위치합니다. 이 경우 4개의 축이 sp 3-하이브리드 궤도정사면체 (정삼각형 피라미드)의 꼭지점을 향하는 것으로 나타났습니다.
따라서 이들 궤도 사이의 각도는 109°28"와 같은 사면체입니다.
전자 궤도의 꼭지점은 다른 원자의 궤도와 겹칠 수 있습니다. 전자 구름이 원자 중심을 연결하는 선을 따라 겹치면 이러한 공유 결합을 호출합니다. 시그마()-연결. 예를 들어, 에탄 분자 C 2 H 6 에서는 두 개의 혼성 오비탈이 중첩되어 두 탄소 원자 사이에 화학 결합이 형성됩니다. 이것은 연결입니다. 또한 각 탄소 원자는 세 개의 sp 3개의 궤도가 겹칩니다. 에스- 세 개의 수소 원자로 구성된 오비탈이 세 개의 - 결합을 형성합니다.

전체적으로 탄소 원자에 대해 서로 다른 유형의 혼성화를 갖는 세 가지 원자가 상태가 가능합니다. 제외하고 sp 3-혼성화가 존재함 sp 2 - 및 sp-이종 교잡.
sp 2 -이종 교잡- 하나를 섞는다 에스- 그리고 둘 아르 자형-궤도. 결과적으로 3개의 잡종이 형성된다. sp 2 -궤도. 이것들 sp 2개의 궤도는 동일한 평면에 위치합니다(축 포함). 엑스, ~에) 그리고 궤도 사이의 각도가 120°인 삼각형의 꼭지점을 향합니다. 혼성화되지 않은
아르 자형- 오비탈은 세 가지 혼성체의 평면에 수직이다. sp 2-궤도(축을 따라 방향 지정됨) 지). 상반부 아르 자형- 오비탈은 평면 위에 있고 아래쪽 절반은 평면 아래에 있습니다.
유형 sp 2-탄소 혼성화는 이중 결합(C=C, C=O, C=N)이 있는 화합물에서 발생합니다. 또한 두 원자 사이의 결합(예: C=C) 중 하나만 - 결합이 될 수 있습니다. (원자의 다른 결합 오비탈은 반대 방향을 향하고 있습니다.) 두 번째 결합은 비혼성체가 겹쳐서 형성됩니다. 아르 자형- 원자핵을 연결하는 선의 양쪽에 있는 궤도.

측면 중첩에 의해 형성된 공유 결합 아르 자형-이웃 탄소 원자의 궤도를 호출합니다. pi()-연결.

교육
-연락

궤도 중첩이 적기 때문에 -결합은 -결합보다 강도가 약합니다.
sp-이종 교잡– 이것은 하나의 혼합(형태와 에너지의 정렬)입니다. 에스-그리고 하나
아르 자형- 두 개의 혼성체를 형성하는 궤도 sp-궤도. sp- 오비탈은 같은 선상(180° 각도)에 위치하며 탄소 원자의 핵과 반대 방향을 향합니다. 둘
아르 자형-오비탈은 혼성화되지 않은 상태로 유지됩니다. 서로 수직으로 배치되어 있습니다.
연결 방향. 이미지에 sp-궤도는 축을 따라 표시됩니다. 와이, 그리고 혼성화되지 않은 두 개
아르 자형-궤도 – 축을 따라 엑스그리고 지.

탄소-탄소 삼중 결합 CC는 중첩되어 형성된 -결합으로 구성됩니다.
sp-하이브리드 오비탈과 두 개의 -결합.
부착된 그룹의 수, 혼성화 유형 및 형성된 화학 결합 유형과 같은 탄소 원자의 매개변수 간의 관계가 표 4에 나와 있습니다.

표 4

공유 탄소 결합

그룹 수 관련된 탄소로	유형 이종 교잡	유형 참여 화학 접착제	복합 공식의 예
4	sp 3	4개 - 연결
3	sp 2	세 가지 - 연결 및 하나 - 연결
2	sp	두 - 연결 그리고 두 - 연결	H–CC–H

수업 과정.

1. 짝을 이루지 않은 원자 전자(예: 탄소 또는 질소)는 무엇입니까?

2. 공유 결합이 있는 화합물(예: CH 4 )에서 "공유 전자쌍" 개념은 무엇을 의미합니까? 또는 H2S )?

3. 원자의 전자 상태(예: C 또는 N ) 베이직이라고 해서 어느 것이 신나는가?

4. 원자의 전자 공식에서 숫자와 문자는 무엇을 의미합니까(예: C 또는 N )?

5. 원자 궤도란 무엇입니까? C 원자의 두 번째 에너지 준위에는 몇 개의 궤도가 있습니까? 그리고 그것들은 어떻게 다른가요?

6. 하이브리드 궤도는 원래 형성된 궤도와 어떻게 다른가요?

7. 탄소 원자에 대해 어떤 유형의 혼성화가 알려져 있으며, 그 혼성화는 무엇으로 구성되어 있습니까?

8. 탄소 원자의 전자 상태 중 하나에 대한 오비탈의 공간적 배열을 그림으로 그려보세요.

9. 어떤 화학 결합이 호출됩니까? 그리고 뭐? 지정하다-그리고-연결 속의 연결:

10. 아래 화합물의 탄소 원자에 대해 다음을 표시하십시오. a) 혼성화 유형; b) 화학 결합의 유형; c) 결합 각도.

주제 1 연습 문제에 대한 답변

제5과

1. 궤도에 한 번에 하나씩 위치한 전자를 전자라고합니다. 짝을 이루지 않은 전자. 예를 들어, 여기된 탄소 원자의 전자 회절 공식에는 짝을 이루지 않은 전자 4개가 있고, 질소 원자에는 3개가 있습니다.

2. 하나의 화학 결합을 형성하는 데 관여하는 두 개의 전자를 전자라고 합니다. 공유 전자쌍. 일반적으로 화학 결합이 형성되기 전에 이 쌍의 전자 중 하나는 한 원자에 속하고 다른 전자는 다른 원자에 속했습니다.

3. 전자 궤도를 채우는 순서가 관찰되는 원자의 전자 상태: 1 에스 2 , 2에스 2 , 2피 2 , 3에스 2 , 3피 2 , 4에스 2 , 3디 2 , 4피 2 등이 호출됩니다. 기저질환. 안에 흥분된 상태원자의 원자가 전자 중 하나는 더 높은 에너지의 자유 궤도를 차지하며 이러한 전이에는 쌍을 이루는 전자의 분리가 수반됩니다. 개략적으로 다음과 같이 작성됩니다.

바닥 상태에는 짝을 이루지 않은 원자가 전자가 2개뿐인 반면, 들뜬 상태에는 그러한 전자가 4개 있습니다.

5. 원자 궤도는 주어진 원자의 핵 주위 공간의 각 지점에서 전자 구름의 밀도를 설명하는 함수입니다. 탄소 원자의 두 번째 에너지 준위에는 4개의 궤도가 있습니다. 에스, 2px, 2피, 2피지. 이러한 궤도는 다릅니다.
a) 전자 구름의 모양 ( 에스- 공, 아르 자형– 덤벨);
비) 아르 자형-오비탈은 서로 수직인 축을 따라 공간에서 서로 다른 방향을 가짐 엑스, 와이그리고 지, 그들은 지정됩니다 px, 피, 피지.

6. 하이브리드 오비탈은 모양과 에너지가 원래(비하이브리드) 오비탈과 다릅니다. 예를 들어, 에스-궤도 – 구형의 모양, 아르 자형– 대칭 숫자 8, sp-하이브리드 궤도 – 비대칭 숫자 8.
에너지 차이: 이자형(에스) < 이자형(sp) < 이자형(아르 자형). 따라서, sp-궤도 – 원본을 혼합하여 얻은 모양과 에너지의 평균을 낸 궤도 에스- 그리고 피-궤도.

7. 탄소 원자의 경우 세 가지 유형의 혼성화가 알려져 있습니다. sp 3 , sp 2 및 sp (5과의 내용을 참조하세요).

9. -결합 - 원자 중심을 연결하는 선을 따라 궤도가 정면으로 겹쳐서 형성된 공유 결합입니다.
-결합 – 측면 중첩에 의해 형성된 공유 결합 아르 자형-원자의 중심을 연결하는 선의 양쪽에 있는 궤도.
-결합은 연결된 원자 사이의 두 번째와 세 번째 선으로 표시됩니다.

2장. 유기화합물에서 원자의 화학적 결합과 상호 영향

유기 화합물의 화학적 특성은 화학 결합의 유형, 결합된 원자의 특성 및 분자 내 상호 영향에 따라 결정됩니다. 이러한 요소는 원자의 전자 구조와 원자 궤도의 상호 작용에 의해 결정됩니다.

2.1. 탄소 원자의 전자 구조

전자를 발견할 확률이 최대가 되는 원자 공간의 부분을 원자 궤도(AO)라고 합니다.

화학에서는 탄소 원자와 다른 원소의 하이브리드 궤도 개념이 널리 사용됩니다. 원자의 바닥 상태에 있는 짝을 이루지 않은 전자의 수가 형성된 결합의 수보다 적을 때 궤도의 재배열을 설명하는 방법으로서의 혼성화 개념이 필요합니다. 예를 들어 탄소 원자는 모든 화합물에서 4가 원소로 나타나지만 궤도 채우기 규칙에 따라 바닥 상태 1s 2 2s 2 2p 2의 외부 전자 수준에는 짝을 이루지 않은 전자 2개만 포함됩니다(그림 1). 2.1, ㅏ및 부록 2-1). 이러한 경우 에너지가 비슷한 서로 다른 원자 오비탈이 서로 혼합되어 동일한 모양과 에너지의 하이브리드 오비탈을 형성할 수 있다고 가정됩니다.

혼성 오비탈은 더 큰 중첩으로 인해 비 혼성 오비탈에 비해 더 강한 결합을 형성합니다.

혼성화에 들어간 궤도의 수에 따라 탄소 원자는 세 가지 상태 중 하나에 있을 수 있습니다.

쌀. 2.1.지상(a), 여기(b) 및 혼성화 상태(c -)에서 탄소 원자의 궤도에 대한 전자 분포 sp3,g-sp2, 디-sp)

혼성화 (그림 2.1, c-e 참조). 하이브리드화 유형은 공간에서 하이브리드 AO의 방향을 결정하고 결과적으로 분자의 기하학적 구조, 즉 공간 구조를 결정합니다.

분자의 공간 구조는 공간에서 원자와 원자 그룹의 상대적 배열입니다.

sp 3-이종 교잡.여기된 탄소 원자의 4개의 외부 AO(그림 2.1, b 참조)(1개의 2s 궤도와 3개의 2p 궤도)가 혼합되면 4개의 등가 sp 3 혼성 궤도가 발생합니다. 그들은 3차원 "8" 모양을 가지고 있으며, 그 중 하나는 다른 것보다 훨씬 큽니다.

각 하이브리드 오비탈은 하나의 전자로 채워져 있습니다. sp 3 혼성화 상태의 탄소 원자는 전자 배열 1s 2 2(sp 3) 4 를 갖습니다(그림 2.1, c 참조). 이러한 혼성화 상태는 포화 탄화수소(알칸) 및 그에 따른 알킬 라디칼의 탄소 원자의 특징입니다.

상호 반발로 인해 sp 3 -하이브리드 AO는 공간에서 정점을 향하게 됩니다. 사면체,그리고 그 사이의 각도는 109.5인가요? (가장 유리한 위치; 그림 2.2, a).

공간 구조는 입체화학 공식을 사용하여 묘사됩니다. 이 공식에서 sp 3 -혼성화된 탄소 원자와 그 두 결합은 그림 평면에 배치되고 일반 선으로 그래픽으로 표시됩니다. 두꺼운 선이나 두꺼운 쐐기는 그림의 평면에서 앞쪽으로 확장되어 관찰자를 향하는 연결을 나타냅니다. 점선 또는 음영 쐐기(..........) - 관찰자로부터 도면 평면 너머로 연장되는 연결 -

쌀. 2.2.탄소 원자 혼성화의 유형. 중앙의 점이 원자핵입니다. (그림을 단순화하기 위해 혼성 궤도의 작은 부분은 생략되었습니다. 혼성화되지 않은 p-AO는 색상으로 표시됩니다.)

아가씨 (그림 2.3, a). 탄소 원자는 이 상태에 있다. sp 3- 혼성화는 사면체 구성을 갖습니다.

sp 2-이종 교잡.하나를 섞을 때 2초-여기된 탄소 원자의 두 개의 2p-AO, 세 개의 등가물이 형성됩니다. sp 2-혼성 오비탈이며 혼성화되지 않은 2p-AO로 남아 있습니다. 탄소 원자는 이 상태에 있다. sp 2-혼성화는 전자 구성 1s 2 2(sp 2) 3 2p 1(그림 2.1, d 참조)을 갖습니다. 이러한 탄소 원자 혼성화 상태는 불포화 탄화수소(알켄)뿐만 아니라 카르보닐 및 카르복실과 같은 일부 작용기에서도 일반적입니다.

sp 2 -혼성화된 오비탈은 120°의 각도로 동일한 평면에 위치하며, 혼성화되지 않은 AO는 수직 평면에 있습니다(그림 2.2, b 참조). 탄소 원자는 이 상태에 있다. sp 2-혼성화는 삼각 구성.이중 결합으로 연결된 탄소 원자는 그림의 평면에 있고, 관찰자 쪽으로 향하거나 멀어지는 단일 결합은 위에서 설명한 대로 지정됩니다(그림 2.3 참조). 비).

sp-혼성화.여기된 탄소 원자의 2s-오비탈 하나와 2p-오비탈 하나가 혼합되면 두 개의 등가 sp-하이브리드 AO가 형성되고 두 개의 p-AO는 하이브리드되지 않은 상태로 유지됩니다. sp-혼성화된 상태의 탄소 원자는 전자 구성을 갖습니다.

쌀. 2.3.메탄(a), 에탄(b) 및 아세틸렌(c)의 입체화학식

1s 2 2(sp 2) 2 2p 2 (그림 2.1, d 참조). 탄소 원자의 이러한 혼성화 상태는 예를 들어 알킨 및 니트릴과 같은 삼중 결합을 갖는 화합물에서 발생합니다.

sp-혼성화된 오비탈은 180° 각도로 위치하며 두 개의 혼성화되지 않은 AO는 서로 수직인 평면에 위치합니다(그림 2.2, c 참조). sp-혼성화된 상태의 탄소 원자는 선형 구성예를 들어, 아세틸렌 분자에서는 네 개의 원자가 모두 동일한 직선 위에 있습니다(그림 2.3 참조). V).

다른 유기 요소의 원자도 혼성화된 상태에 있을 수 있습니다.

2.2. 탄소 원자의 화학 결합

유기 화합물의 화학 결합은 주로 공유 결합으로 표현됩니다.

공유 결합은 결합된 원자 사이에 전자를 공유함으로써 형성된 화학 결합입니다.

이러한 공유 전자는 분자 궤도(MO)를 차지합니다. 일반적으로 MO는 다중 중심 궤도이며 이를 채우는 전자는 비편재화(분산)됩니다. 따라서 MO는 AO와 마찬가지로 전자 1개 또는 스핀이 반대인 전자 2개로 채워져 비어 있을 수 있습니다*.

2.2.1. σ- 그리고π -사이

공유 결합에는 σ(시그마) 결합과 π(파이) 결합의 두 가지 유형이 있습니다.

σ-결합은 결합된 두 원자의 핵을 연결하는 직선(축)을 따라 AO가 이 직선에서 최대 겹침으로 겹칠 때 형성되는 공유 결합입니다.

σ-결합은 하이브리드 AO를 포함한 모든 AO가 겹칠 때 발생합니다. 그림 2.4는 탄소의 하이브리드 sp 3 -AO와 수소의 s-AO를 겹쳐서 하이브리드 sp 3 -AO와 σ C-H 결합의 축 중첩 결과로 탄소 원자 사이에 σ 결합이 형성되는 것을 보여줍니다.

* 자세한 내용은 다음을 참조하세요. Popkov V.A., Puzakov S.A.일반 화학. - M.: GEOTAR-Media, 2007. - 1장.

쌀. 2.4.AO의 축 중첩에 의한 에탄의 σ 결합 형성(하이브리드 궤도의 작은 부분은 생략되고 색상으로 표시됨) sp 3 -AO탄소, 검정색 - s-AO 수소)

축 중첩 외에도 다른 유형의 중첩이 가능합니다. 즉, p-AO의 측면 중첩으로 인해 π 결합이 형성됩니다(그림 2.5).

p 원자 궤도

쌀. 2.5.측면 중첩에 의한 에틸렌의 π 결합 형성 r-AO

π-결합은 원자핵을 연결하는 직선의 양쪽에서 최대 중첩을 갖는 혼성화되지 않은 p-AO의 측면 중첩에 의해 형성된 결합입니다.

유기 화합물에서 발견되는 다중 결합은 σ-와 π-결합의 조합입니다. 이중 - 하나는 σ- 및 하나의 π-, 삼중 - 하나는 σ- 및 두 개의 π-결합입니다.

공유 결합의 특성은 에너지, 길이, 극성 및 분극성과 같은 특성을 통해 표현됩니다.

커뮤니케이션 에너지결합이 형성되거나 결합된 두 원자를 분리하는 데 필요할 때 방출되는 에너지입니다. 이는 결합 강도를 측정하는 역할을 합니다. 에너지가 높을수록 결합이 더 강해집니다(표 2.1).

링크 길이결합된 원자의 중심 사이의 거리이다. 이중결합은 단일결합보다 짧고, 삼중결합은 이중결합보다 짧습니다(표 2.1 참조). 서로 다른 혼성화 상태에 있는 탄소 원자 사이의 결합은 공통된 패턴을 가지고 있습니다.

표 2.1.공유결합의 기본 특성

하이브리드 궤도에서 s 궤도의 비율이 증가함에 따라 결합 길이는 감소합니다. 예를 들어, 일련의 화합물에서 프로판 CH 3 CH 2 CH 3, 프로펜 CH 3 CH=CH 2, 프로핀 CH 3 C=CH 결합 길이 CH 3 -C는 이에 따라 0.154와 같습니다. 0.150 및 0.146nm.

통신 극성 전자 밀도의 고르지 않은 분포(분극)로 인해 발생합니다. 분자의 극성은 쌍극자 모멘트의 값으로 정량화됩니다. 분자의 쌍극자 모멘트로부터 개별 결합의 쌍극자 모멘트를 계산할 수 있습니다(표 2.1 참조). 쌍극자 모멘트가 클수록 결합의 극성이 커집니다. 결합 극성의 이유는 결합된 원자의 전기 음성도의 차이 때문입니다.

전기음성도 원자가 전자를 보유하는 분자 내 원자의 능력을 나타냅니다. 원자의 전기 음성도가 증가함에 따라 결합 전자의 방향으로의 이동 정도가 증가합니다.

미국의 화학자 L. Pauling(1901-1994)은 결합에너지의 값을 바탕으로 원자의 상대적 전기음성도(Pauling scale)의 정량적 특성을 제안했습니다. 이 척도(시리즈)에서 일반적인 유기물 원소는 상대 전기음성도에 따라 다음과 같이 배열됩니다(비교를 위해 두 금속이 제공됨).

전기 음성도는 요소의 절대 상수가 아닙니다. 이는 핵의 유효 전하, AO 혼성화 유형 및 치환기의 영향에 따라 달라집니다. 예를 들어, sp 2 또는 sp 혼성화 상태에서 탄소 원자의 전기음성도는 sp 3 혼성화 상태에서보다 높으며, 이는 혼성 오비탈에서 s 오비탈의 비율 증가와 관련이 있습니다. 원자가 sp 3에서 sp 2로, 그리고 더 나아가서 전이하는 동안 sp- 혼성화된 상태에서는 혼성 궤도의 정도가 점차적으로 감소합니다(특히 σ 결합이 형성되는 동안 가장 큰 중첩을 제공하는 방향으로). 이는 동일한 순서에서 최대 전자 밀도가 핵에 점점 더 가깝게 위치함을 의미합니다. 해당 원자의.

비극성 또는 실질적으로 비극성인 공유 결합의 경우 결합된 원자의 전기 음성도 차이는 0이거나 0에 가깝습니다. 전기음성도의 차이가 증가할수록 결합의 극성이 증가합니다. 0.4 이하의 차이는 약한 극성, 0.5 이상은 강한 극성 공유 결합, 2.0 이상은 이온 결합이라고 합니다. 극성 공유 결합은 이형분해 절단이 발생하기 쉽습니다.

(3.1.1 참조)

본드 분극성 다른 반응 입자의 전기장을 포함하여 외부 전기장의 영향으로 결합 전자의 변위로 표현됩니다. 분극성은 전자 이동도에 의해 결정됩니다. 전자는 원자핵에서 멀어질수록 이동성이 더 큽니다. 분극성 측면에서 π 결합의 최대 전자 밀도는 결합된 핵에서 더 멀리 위치하기 때문에 π 결합은 σ 결합보다 훨씬 우수합니다. 분극성은 극성 시약에 대한 분자의 반응성을 크게 결정합니다.

2.2.2. 기증자-수용자 채권

두 개의 단일 전자 AO가 겹치는 것이 공유 결합을 형성하는 유일한 방법은 아닙니다. 공유 결합은 한 원자(공여체)의 2전자 궤도와 다른 원자(수용체)의 빈 궤도의 상호작용에 의해 형성될 수 있습니다. 공여체는 고립 전자쌍이 있는 궤도함수 또는 π-MO를 포함하는 화합물입니다. 비공유 전자쌍의 운반체(n-전자, 영어. 비결합)질소, 산소, 할로겐 원자입니다.

고립 전자쌍은 화합물의 화학적 성질을 나타내는 데 중요한 역할을 합니다. 특히, 이들은 화합물이 기증자-수용자 상호 작용에 들어가는 능력을 담당합니다.

결합 파트너 중 하나의 전자 쌍에 의해 형성된 공유 결합을 기증자-수용자라고 합니다.

결과적인 기증자-수용자 결합은 형성 방법에서만 다릅니다. 그 특성은 다른 공유 결합과 동일합니다. 이로써 공여체 원자는 양전하를 얻습니다.

공여체-수용체 결합은 복합 화합물의 특징입니다.

2.2.3. 수소결합

전기음성도가 강한 원소(질소, 산소, 불소 등)에 결합된 수소 원자는 동일 분자나 다른 분자의 충분히 전기음성도가 높은 원자의 비공유 전자쌍과 상호작용할 수 있습니다. 결과적으로 공여체 결합의 일종인 수소 결합이 발생합니다.

수락자 채권. 그래픽적으로 수소 결합은 일반적으로 세 개의 점으로 표시됩니다.

수소 결합 에너지는 낮으며(10-40 kJ/mol) 주로 정전기 상호 작용에 의해 결정됩니다.

분자간 수소 결합은 알코올과 같은 유기 화합물의 결합을 결정합니다.

수소 결합은 화합물의 물리적(끓는점 및 녹는점, 점도, 스펙트럼 특성) 및 화학적(산-염기) 특성에 영향을 미칩니다. 따라서 에탄올의 끓는점은 C이다. 2시간 5 OH(78.3°C)는 동일한 분자량을 갖고 수소 결합을 통해 결합되지 않는 디메틸 에테르 CH 3 OCH 3(-24°C)보다 훨씬 높습니다.

수소 결합은 분자 내에서도 가능합니다. 살리실산 음이온의 이러한 결합은 산도를 증가시킵니다.

수소 결합은 단백질, 다당류, 핵산과 같은 고분자 화합물의 공간 구조 형성에 중요한 역할을 합니다.

2.3. 공액 시스템

공유 결합은 국재화되거나 비국재화될 수 있습니다. 국지적 결합은 결합된 원자의 두 핵 사이에서 전자가 실제로 공유되는 결합입니다. 결합 전자가 두 개 이상의 핵 사이에서 공유되는 경우 비편재화된 결합을 말합니다.

비편재화된 결합은 분자 궤도가 두 개 이상의 원자에 걸쳐 있는 공유 결합입니다.

비편재화된 결합은 대부분의 경우 π 결합입니다. 이는 결합 시스템의 특징입니다. 이러한 시스템에서는 원자의 특별한 유형의 상호 영향, 즉 접합이 발생합니다.

활용 (메소머리즘, 그리스어. 메소스- 평균)은 이상적이지만 존재하지 않는 구조와 비교하여 실제 분자(입자)의 결합 및 전하 정렬입니다.

접합과 관련된 비편재화된 p-오비탈은 두 개 이상의 π-결합에 속하거나 하나의 π-결합과 p-오비탈이 있는 하나의 원자에 속할 수 있습니다. 이에 따라 π,π-공액과 ρ,π-공액이 구별됩니다. 접합 시스템은 개방형 또는 폐쇄형일 수 있으며 탄소 원자뿐만 아니라 헤테로원자도 포함합니다.

2.3.1. 개방형 회로 시스템

π,π -편성.탄소 사슬을 갖는 π,π-공액 시스템의 가장 간단한 대표자는 부타디엔-1,3입니다(그림 2.6, a). 탄소와 수소 원자, 그리고 분자 내의 모든 σ 결합은 동일한 평면에 위치하여 평평한 σ 골격을 형성합니다. 탄소 원자는 sp 2 혼성화 상태에 있습니다. 각 탄소 원자의 혼성화되지 않은 p-AO는 σ-골격 평면에 수직이고 서로 평행하게 위치하며, 이는 중첩에 필요한 조건입니다. 중첩은 원자 C-1과 C-2, C-3과 C-4의 p-AO 사이뿐만 아니라 원자 C-2와 C-3의 p-AO 사이에서도 발생하여 단일 π를 형성합니다. 4개의 탄소 원자를 덮는 시스템, 즉 비편재화된 공유 결합이 나타납니다(그림 2.6, b 참조).

쌀. 2.6.1,3 부타디엔 분자의 원자 궤도 모델

이는 분자의 결합 길이 변화에 반영됩니다. 1,3-부타디엔의 C-1-C-2 결합과 C-3-C-4 결합의 길이가 약간 증가하였으며, C-2와 C-3 사이의 거리가 기존의 이중결합과 C-3 결합에 비해 짧아졌습니다. 단일 채권. 즉, 전자 비편재화 과정은 결합 길이의 균등화로 이어집니다.

많은 수의 공액 이중 결합을 가진 탄화수소는 식물 세계에서 흔히 볼 수 있습니다. 예를 들어 당근, 토마토 등의 색상을 결정하는 카로틴이 포함됩니다.

개방형 접합 시스템에는 헤테로원자가 포함될 수도 있습니다. 오픈의 예 사슬에 헤테로원자가 있는 π,π-공액 시스템α,β-불포화 카르보닐 화합물이 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 아크롤레인 CH의 알데히드 그룹 2 =CH-CH=O는 3개의 sp 2 -혼성화된 탄소 원자와 산소 원자의 접합 사슬에 참여합니다. 이들 원자 각각은 하나의 p-전자를 단일 π-시스템에 기여합니다.

pn-페어링.이러한 유형의 접합은 구조 단편 -CH=CH-X를 포함하는 화합물에서 가장 자주 발생하며, 여기서 X는 고립 전자쌍(주로 O 또는 N)을 갖는 헤테로원자입니다. 여기에는 예를 들어 이중 결합이 결합된 분자에 비닐 에테르가 포함됩니다. 아르 자형- 산소 원자의 궤도. 비편재화된 3중심 결합은 두 개의 p-AO sp 2 -혼성화된 탄소 원자와 하나의 중첩에 의해 형성됩니다. 아르 자형- 한 쌍의 n 전자를 갖는 헤테로원자의 AO.

유사한 비편재화된 3중심 결합의 형성이 카르복실기에서 발생합니다. 여기서 C=O 결합의 π전자와 OH기의 산소 원자의 n전자가 접합에 참여합니다. 완전히 정렬된 결합과 전하를 가진 공액 시스템에는 아세테이트 이온과 같이 음전하를 띤 종이 포함됩니다.

전자 밀도 이동 방향은 곡선 화살표로 표시됩니다.

페어링 결과를 표시하는 다른 그래픽 방법이 있습니다. 따라서, 아세트산 이온(I)의 구조는 전하가 두 산소 원자에 고르게 분포되어 있다고 가정합니다(그림 2.7에 표시된 것처럼 이는 사실임).

구조 (II)와 (III)은 다음과 같이 사용됩니다. 공명 이론.이 이론에 따르면 실제 분자 또는 입자는 전자 분포에서만 서로 다른 소위 공명 구조 세트로 설명됩니다. 공액 시스템에서 공명 하이브리드에 대한 주요 기여는 π-전자 밀도의 분포가 다른 구조에 의해 이루어집니다(이 구조를 연결하는 양면 화살표는 공명 이론의 특별한 상징입니다).

한계(경계) 구조는 실제로 존재하지 않습니다. 그러나 어느 정도 그들은 제한 구조의 중첩으로 얻은 공명 하이브리드로 표시되는 분자 (입자)의 실제 전자 밀도 분포에 "기여"합니다.

탄소 사슬이 있는 ρ,π-공액 시스템에서 π 결합 옆에 혼성화되지 않은 p-궤도를 갖는 탄소 원자가 있으면 접합이 발생할 수 있습니다. 이러한 시스템은 예를 들어 알릴 구조를 갖는 탄소 음이온, 탄소 양이온, 자유 라디칼과 같은 중간 입자일 수 있습니다. 자유 라디칼 알릴 부분은 지질 과산화 과정에서 중요한 역할을 합니다.

알릴 음이온에서 CH 2 =CH-CH 2 sp 2 -혼성화된 탄소 원자 C-3은 공통 공액체에 공급됩니다.

쌀. 2.7.페니실린의 COONa 그룹의 전자 밀도 맵

알릴 라디칼 CH에 있는 두 개의 전자 시스템 2 =CH-CH2+ - 하나, 그리고 알릴성 탄수화물 CH에 2 =CH-CH2+ 아무것도 공급하지 않습니다. 결과적으로, 3개의 sp 2 -혼성화된 탄소 원자의 p-AO가 중첩되면 4개(탄소 음이온에서), 3개(자유 라디칼에서) 및 2개(탄소 양이온에서) 전자를 포함하는 비편재화된 3중심 결합이 형성됩니다. , 각각.

공식적으로 알릴 양이온의 C-3 원자는 양전하를 띠고, 알릴 라디칼에서는 짝을 이루지 않은 전자를 운반하며, 알릴 음이온에서는 음전하를 띠고 있습니다. 실제로 이러한 공액 시스템에서는 전자 밀도의 비편재화(분산)가 발생하여 결합과 전하의 정렬이 이루어집니다. 이 시스템의 C-1 및 C-3 원자는 동일합니다. 예를 들어 알릴 양이온에서는 각각 양전하를 띤다.+1/2 C-2 원자에 1.5개 결합으로 연결되어 있습니다.

따라서 컨쥬게이션은 기존 구조식으로 묘사된 구조와 비교하여 실제 구조의 전자 밀도 분포에 상당한 차이를 가져옵니다.

2.3.2. 폐쇄 루프 시스템

순환 공액 시스템은 공액 개방 시스템에 비해 열역학적 안정성이 향상된 화합물 그룹으로서 큰 관심을 끌고 있습니다. 이들 화합물은 또한 다른 특별한 특성을 갖고 있으며, 그 전체는 일반적인 개념으로 통합됩니다 방향성.여기에는 형식적으로 불포화된 화합물의 능력이 포함됩니다.

첨가보다는 치환 반응, 산화제 및 온도에 대한 저항성을 나타냅니다.

방향족 시스템의 전형적인 대표자는 아렌과 그 유도체입니다. 방향족 탄화수소의 전자 구조의 특성은 벤젠 분자의 원자 궤도 모델에서 명확하게 나타납니다. 벤젠 골격은 6개의 sp 2 혼성화된 탄소 원자로 구성됩니다. 모든 σ 결합(C-C 및 C-H)은 동일한 평면에 있습니다. 6개의 혼성화되지 않은 p-AO는 분자 평면에 수직이고 서로 평행하게 위치합니다(그림 2.8, a). 각 아르 자형-AO는 두 개의 인접 항목과 동일하게 겹칠 수 있습니다. 아르 자형-아오. 이러한 중첩의 결과로 단일 비편재화된 π-시스템이 발생하는데, 이는 σ-골격 평면 위와 아래에 위치하며 사이클의 모든 탄소 원자를 덮는 가장 높은 전자 밀도입니다(그림 2.8, b 참조). . π-전자 밀도는 순환 시스템 전체에 고르게 분포되며, 이는 순환 내부에 원이나 점선으로 표시됩니다(그림 2.8, c 참조). 벤젠 고리의 탄소 원자 사이의 모든 결합은 단일 결합과 이중 결합 길이의 중간인 동일한 길이(0.139nm)를 갖습니다.

양자역학적 계산에 기초하여, 이러한 안정적인 분자를 형성하려면 편평한 순환 시스템이 (4n + 2)개의 π-전자를 포함해야 한다는 것이 확립되었습니다. N= 1, 2, 3 등 (Hückel의 법칙, 1931). 이러한 데이터를 고려하여 "방향성"이라는 개념을 지정할 수 있습니다.

평면고리와 공액결합을 갖고 있는 화합물은 방향족이다.π -주기의 모든 원자를 포괄하고 포함하는 전자 시스템(4n+ 2) π-전자.

휘켈의 법칙은 2개 이상의 원자가 공유하는 원자가 없는 모든 평면 응축 시스템에 적용됩니다.

쌀. 2.8.벤젠 분자의 원자 궤도 모델(수소 원자 생략, 텍스트 설명)

두 사이클. 나프탈렌 등 벤젠 고리가 축합된 화합물은 방향족 기준을 충족합니다.

결합 시스템의 안정성. 공액 및 특히 방향족 시스템의 형성은 궤도의 중첩 정도를 증가시키고 비편재화(분산)가 발생하기 때문에 에너지적으로 유리한 과정입니다. 아르 자형-전자. 이와 관련하여 공액 및 방향족 시스템은 열역학적 안정성이 향상되었습니다. 이는 내부 에너지 공급량이 적고 바닥 상태에서는 비공액 시스템에 비해 낮은 에너지 수준을 차지합니다. 이러한 수준의 차이로부터 공액 화합물의 열역학적 안정성을 정량화할 수 있습니다. 컨쥬게이션 에너지(비편재화 에너지). 부타디엔-1,3의 경우 그 양은 작고 약 15 kJ/mol입니다. 공액 사슬의 길이가 길어질수록 공액 에너지가 증가하고 이에 따라 화합물의 열역학적 안정성도 증가합니다. 벤젠의 결합 에너지는 훨씬 더 높아 150kJ/mol에 달합니다.

2.4. 치환기의 전자적 효과 2.4.1. 유도 효과

분자의 극성 σ 결합은 인근 σ 결합의 분극을 유발하고 인접한 원자*에 부분 전하가 나타납니다.

치환체는 자신의 분극뿐만 아니라 이웃한 σ 결합의 분극도 유발합니다. 이러한 유형의 원자 영향 전달을 유도 효과(/-효과)라고 합니다.

유도 효과는 σ 결합의 전자 이동으로 인해 치환기의 전자 영향이 전달되는 것입니다.

σ 결합의 약한 분극성으로 인해 유도 효과는 회로에서 3~4개의 결합 후에 사라집니다. 그 효과는 치환기를 갖는 탄소 원자에 인접한 탄소 원자와 관련하여 가장 두드러집니다. 치환기의 유도 효과의 방향은 유도 효과가 0으로 간주되는 수소 원자와 비교하여 정 성적으로 평가됩니다. 그래픽적으로, /-효과의 결과는 원자가 선의 위치와 일치하고 전기음성도가 더 높은 원자를 가리키는 화살표로 표시됩니다.

/V\수소 원자보다 더 강한 모습을 보여줍니다.부정적인유도 효과(-/- 효과).

이러한 치환기는 일반적으로 시스템의 전자 밀도를 감소시킵니다. 전자 철수.여기에는 대부분의 작용기가 포함됩니다: OH, NH 2, 쿠, 아니오 2 및 양이온성 그룹(예: -NH) 3+.

수소 원자에 비해 전자 밀도를 이동시키는 치환기σ -사슬의 탄소 원자에 대한 결합, 전시긍정적인유도 효과(+/- 효과).

이러한 치환체는 사슬(또는 고리)의 전자 밀도를 증가시키며 다음과 같이 불립니다. 전자 기증자.여기에는 sp 2 -혼성화된 탄소 원자에 위치한 알킬 그룹과 하전 입자의 음이온 중심(예: -O -)이 포함됩니다.

2.4.2. 메소머 효과

공액 시스템에서 비편재화된 공유 결합의 π-전자는 전자 영향 전달에 주요 역할을 합니다. 비편재화된(공액) π-시스템의 전자 밀도의 이동에서 나타나는 효과를 중간체(M-효과) 또는 공액 효과라고 합니다.

메소머 효과는 공액 시스템을 통해 치환기의 전자 영향이 전달되는 것입니다.

이 경우 대리인 자신이 결합 시스템의 참가자입니다. 이는 π-결합(카르보닐, 카르복실기 등), 고립 전자쌍(아미노 및 히드록시기), 비어 있거나 전자가 1개 채워진 p-AO를 접합 시스템에 도입할 수 있습니다.

공액 시스템에서 전자 밀도를 증가시키는 치환기는긍정적인중간체 효과(+M- 효과).

M-효과는 고립 전자쌍(예: 아닐린 분자의 아미노기) 또는 전체 음전하를 갖는 원자를 포함하는 치환기에 의해 나타납니다. 이들 치환체는 능력이 있다

한 쌍의 전자를 공통 공액 시스템으로 전달하는 것, 즉 그들은 전자 기증자.

공액 시스템에서 전자 밀도를 낮추는 치환기는부정적인중간체 효과(-M- 효과).

공액 시스템의 M 효과는 아크릴산과 벤즈알데히드의 예에서 볼 수 있듯이 탄소 원자에 이중 결합으로 연결된 산소 또는 질소 원자로 인해 발생합니다. 그러한 그룹은 전자 철수.

전자 밀도 이동은 구부러진 화살표로 표시되며, 시작 부분은 어떤 p 또는 π 전자가 옮겨졌는지를 보여주고, 끝은 그들이 옮겨진 결합이나 원자를 보여줍니다. 유도 효과와 달리 중간체 효과는 훨씬 더 먼 거리에 걸쳐 공액 결합 시스템을 통해 전달됩니다.

분자 내 전자 밀도 분포에 대한 치환기의 영향을 평가할 때 유도 및 중간체 효과의 결과적인 효과를 고려할 필요가 있습니다(표 2.2).

표 2.2.일부 치환체의 전자 효과

치환기의 전자 효과를 통해 비반응 분자의 전자 밀도 분포를 정성적으로 평가하고 그 특성을 예측할 수 있습니다.

대시 또는 막대(막대) 형태의 구조식으로 표시되는 원자 사이의 결합은 한 분자의 2개 원자의 외부(원가) 전자의 상호 작용에 의해 형성됩니다. 이 상호 작용의 특성에 따라 원자 사이의 두 가지 주요 또는 극단적 유형의 결합이 구별됩니다.

첫 번째 유형.이온 결합, 전기 결합 또는 염 결합은 강한 금속 원자(예: 알칼리)와 강한 비금속 원자(예: 알칼리) 사이의 상호 작용의 경우 (순수한 형태로) 가장 명확하게 나타납니다. , 할로겐). 단일 외부 전자를 잃은 알칼리 금속 원자는 양으로 하전된 입자가 되고, 하나의 외부 전자를 얻은 할로겐 원자는 음으로 하전된 Na + - Cl -이 됩니다. 이 결합의 강도는 서로 다른 하전 입자 사이의 쿨롱 인력과 할로겐 원자에서 새로운 전자쌍이 형성되는 동안 방출되는 에너지로 인해 발생합니다. 예로는 유기산과 무기산의 염이 있습니다.

두 번째 극단적 유형.유기 화합물의 더 많은 특징은 공유 결합(또는 원자)입니다. 연결완전히 동일한 원자 사이에 결합이 형성되는 H 2, O 2, N 2, C1 2 등의 2원자 가스 분자로 밝게 (순수한 형태로) 제시됩니다. 스핀이 반대인 두 원자의 전자 두 개가 짝을 이룬 결과, 서로 접근하면 일정량의 에너지(약 400 kJ/mol)가 방출되고, 새로운 전자쌍은 분자 궤도를 획득하여 한 세포를 차지합니다. 두 원자 모두. 더욱이, 이 쌍의 전자 구름의 가장 높은 밀도는 원자 사이에 위치합니다 (두 전자의 원자 궤도가 겹침, 그림 a) 또는 분자 궤도 형성-그림 b ).

이미지 b)가 진실에 더 가깝지만 공유 결합의 두 이미지는 모두 유효하고 적용됩니다. 순전히 공유 결합에서는 분자의 양전하와 음전하 중심의 편차가 없으며 일치합니다. 분자는 비극성입니다.

이러한 두 가지 극단적 유형의 결합(이온성 및 공유 결합) 외에도 소위 오늄 화합물(옥소늄, 암모늄, 설포늄)에서 주로 발견되는 중간 유형인 3) 극성, 4) 반극성, 5) 배위가 있습니다.

안에 극 연결두 원자(핵)의 중심 필드에 동시에 위치한 전자쌍은 전기음성도가 더 높은 원자 쪽으로 편향됩니다. 예를 들어 HC1 분자에서 전자쌍은 수소 전지보다 염소 전지에 더 많이 있습니다.

전자 밀도의 이러한 편차로 인해 분자의 양전하와 음전하의 중심이 갈라졌습니다. 0이 아닌 쌍극자 모멘트(즉, 전하와 전하 간 거리의 절반의 곱)를 가지면서 극성이 되었습니다.

반극성 연결 5가 질소의 산소 화합물에서 가장 명확하게 나타납니다.

이미지 a) 허용되지만 유효하지 않습니다. 질소 원자에는 두 개의 전자 수준(층)만 있고 외부(두 번째) 층에는 4개의 셀만 있고 5개의 전자 쌍(5개 결합)이 위치를 찾을 수 없기 때문입니다. 거기. 이와 관련하여 이미지 b)가 더 정확하며 이는 극단적인 구조(I 및 III)보다 에너지적으로 유리한 중간 구조로의 전환입니다. 따라서 전자 밀도의 대칭 분포로 인해 음전하는 두 개의 동일한 산소 원자 사이에서 절반으로 나뉩니다. 그러나 실제로 질소 원자에는 전체 양전하가 없지만 전체에 가까운 양전하가 있고 산소 원자 (구조 P)에는 전체 전하의 절반에 가까운 음전하가 있습니다.

코디 링크질소 원자가 4가가 되어 전자 하나를 양성자에게 내주고(수성 매질에서는 하이드로늄 양이온에) 양전하를 띠는 암모늄 화합물에서 가장 안정적입니다. 고립된 질소 전자쌍): H 3 N: + H + → N 4 N +

암모니아 양성자 암모늄 양이온

암모늄 양이온에서 형성된 새로운 결합은 이전에 질소에 존재했던 다른 3개의 N-H 결합의 성질을 수정하여 이제는 더 길어지고, 상호 반발하는 4개의 암모늄 수소 원자 모두 서로 가장 먼 위치에 있게 됩니다. , 즉 질소 원자가 이 사면체의 중심에 있을 때 정사면체의 모서리에 있습니다.

형성된 새로운 결합(배위)은 이전에 암모니아 분자에 존재했던 변형된 N-H 결합과 다르지 않습니다. 여기에서 s 1 p 3이 발생합니다. 즉, 질소(메탄 탄소와 같은)에 남아 있는 4개의 전자의 혼성화가 발생합니다.

메탄 분자가 전하가 없는 상대적으로 강한 형태인 경우 암모늄 양이온(중심 원자의 핵이 하나 더 많은 양성자와 하나의 중성자를 포함한다는 점에서만 구조가 다릅니다)은 덜 안정적이고 쉽게 해리될 수 있습니다. 암모니아 및 하이드로늄 양이온은 암모늄 화합물의 강도를 결정하는 특정 에너지 장벽을 극복합니다.

σ의 개념-(시그마) 및 π- (파이) 연결

유기 화합물에서 우세한 공유 결합은 일반적으로 이러한 물질의 화학적 활성을 결정합니다. 그러나 약한 다중결합(이중, 삼중)과 작용기 내 결합의 특성이 매우 중요합니다.

탄소는 유기 세계의 중심 요소입니다. 탄소 골격(분자의 중추)은 안정성과 거의 무한한 다양성을 결정합니다. 따라서 채권의 전자적 성격을 좀 더 자세히 고려할 필요가 있습니다.

탄소 원자에는 +6 전하의 핵과 전자 껍질(1s 2, 2s 2, 2p 2)이 있습니다. 여기서 4개의 외부 전자는 원자가 전자(2s 2, 2p 2)입니다. 그러나 이 전자들이 4개의 결합을 형성하기 위해서는 쌍을 이루는 형태로 공의 부피에 있는 2s 2 전자가 짝을 이루지 않은 상태로 들어가야 합니다. 그리고 여기된 탄소 원자는 껍질을 가져야 합니다: 1s 2, 2s 1, 2p 3. 여기서 짝을 이루지 않은 s-전자(구형)와 함께 3개의 p-전자(3차원 8 또는 아령 모양)가 있습니다. 좌표축(x, y, z)을 따라 위치한 3차원 공간(그림 3). 그러나 메탄처럼 서로 동일한 값의 4개의 결합을 형성하기 위해서는 s-전자 1개와 p-전자 3개가 수정된 혼성화(s 1 p 3 -혼성화) 상태로 들어가야 하며, 이미 4개의 외부 전자가 모두 구름과 정확히 같은 방향(혼성) 모양을 가지고 있으며, 메탄의 수소 원자는 서로 동일하고 가장 먼 위치에 있습니다.

이는 메탄 탄소 원자가 중앙에 배치되면 정사면체의 꼭지점에 해당합니다(그림 4). 원자가 전자의 혼성화가 s 1 p 3 비율로 일어날 때 탄소의 상태를 다음과 같이 부릅니다. 탄소의 첫 번째 원자가 상태,그러한 원자와 다른 원자의 결합을 호출합니다. b(시그마)-결합(그림 5, 6).

따라서, σ 결합다른 원자에 대한 탄소의 단일 결합입니다. 그리고 유기 물질 분자에서 가장 일반적인 C-H 및 C-H σ 결합은 다음과 같은 기본 데이터를 갖습니다(그림 6b, 6c).

C-H 결합 에너지 ~93-96 kcal/mol (~370-380 kJ/mol).

통신 길이 1.1A 0(0.11nm)

С-С 결합 에너지 ~84-86 kcal/mol (~340-360 kJ/mol)

결합 길이 1.54A 0(0.154nm)

탄소의 2차 원자가 상태에틸렌과 이중 결합을 가진 다른 화합물의 특징입니다. 에틸렌 탄소에서 여기 원자(2s 1, 2p 3)의 원자가 전자의 혼성화는 s 1 p 2 비율로 발생합니다. 이때 p 전자(3개 중 1개)가 혼성화에 참여하지 않고 p에 남아 있습니다. -형태. 그리고 방향성(길쭉한) 모양의 하이브리드 구름은 서로 120° 각도로 평면에 위치합니다(그림 7).

그리고 두 탄소의 p-전자는 이들 탄소 사이의 σ 결합에 더해 p-형태로 쌍을 이룹니다(그림 7). p-형태의 전자쌍에 의해 형성된 이 추가적인 (다중) 결합을 다음과 같이 부릅니다. π(파이)- 의사소통 C = C 이중 결합의 에너지가 ~140 kcal/mol(~560-580 kJ/mol)이기 때문에 형성 중에 방출되는 에너지는 σ 결합의 에너지보다 적습니다. 여기에서 C - C σ 결합의 에너지(~85 kcal/mol)를 빼면, π -결합은 ~55 kcal/mol(140-85=55)로 유지됩니다.

탄소의 3차 원자가 상태아세틸렌과 삼중 결합을 가진 다른 화합물의 특징입니다. 아세틸렌 탄소의 경우 여기 원자의 원자가 전자 4개(2s 1, 2p 3) 중 하나의 s-전자와 p-전자가 각각 혼성화(s 1 p 1 - 혼성화)에 참여합니다. 그리고 하이브리드(길쭉한) 두 구름은 동일한 직선에 위치하여 σ 연결을 형성합니다(그림 8). 즉, 3차원 공간의 좌표축(x, y)을 따라 p형으로 남아 있는 2개의 전자 중에서 가장 먼 위치(z좌표)를 차지하여 p형으로 쌍을 이루어 2개의 전자를 형성하게 된다. π - 서로 수직인 평면의 연결(그림 8). 삼중 결합이 형성되는 동안 방출되는 에너지는 ~200 kcal/mol입니다. 여기에서 85 kcal/mol(σ 결합의 에너지)을 빼면 두 개의 π 결합에 대해 ~115 kcal/m이 남습니다. 각 π 결합에 대해 ~57kcal/mol. 비교를 위해 단일, 이중 및 삼중 결합의 주요 특징은 다음과 같습니다.

C - C 결합 길이 1.54 A 0, 결합 형성 에너지 ~85 kcal/mol

C = C 결합 길이 1.34 A 0 , 결합 형성 에너지 ~140 kcal/mol

C = C 결합 길이 1.21 A 0, 결합 형성 에너지 ~200 kcal/mol π 결합의 전자는 부피가 더 크고 원자핵과의 결합이 약하며 시약의 공격에 더 쉽게 접근할 수 있고 전기장과 자기장에 쉽게 노출됩니다. 예를 들어 입사광이나 하전 입자에 의한 공격 등이 있습니다. 그렇기 때문에 π -결합은 σ 결합과 완전히 다른 성질을 가지며 포화(포화) 화합물에 비해 안정성이 낮고 불포화 화합물의 높은 화학적 활성을 유발합니다.

다양한 무기 및 유기 물질

유기화학은 화학이다 탄소 화합물. 무기 탄소 화합물에는 탄소 산화물, 탄산, 탄산염 및 중탄산염, 탄화물이 포함됩니다. 탄소 이외의 유기 물질 수소, 산소, 질소, 인, 황 및 기타 원소를 함유. 탄소 원자는 가지가 없거나 가지가 있는 긴 사슬, 고리를 형성하고 다른 원소를 부착할 수 있으므로 유기 화합물의 수는 2천만 개에 가까운 반면 무기 물질의 수는 10만 개가 조금 넘습니다.

유기 화학 발전의 기초는 A. M. Butlerov의 유기 화합물 구조 이론입니다. 유기 화합물의 구조를 설명하는 데 중요한 역할은 원자가의 화학 결합을 형성하고 그 수를 결정하는 능력을 특징으로 하는 원자가 개념에 속합니다. 유기 화합물의 탄소 항상 4가. A. M. Butlerov 이론의 주요 가정은 물질의 화학 구조, 즉 화학 결합에 대한 입장입니다. 이 순서는 구조식을 사용하여 표시됩니다. Butlerov의 이론은 모든 물질이 특정 화학 구조그리고 물질의 성질은 구조에 따라 다르다.

A. M. Butlerov의 유기 화합물의 화학 구조 이론

무기 화학과 마찬가지로 개발의 기초는 D.I. Mendeleev의 주기율과 화학 원소 주기율표이며, 유기 화학의 경우 이것이 기본이 되었습니다.

A. M. Butlerov의 유기 화합물의 화학 구조 이론

Butlerov 이론의 주요 가정은 물질의 화학 구조에 대한 위치입니다. 이는 원자가 분자로 상호 연결되는 순서, 즉 순서를 의미합니다. 화학 결합.

화학 구조- 원자가에 따른 분자 내 화학 원소의 원자 연결 순서.

이 순서는 원자의 원자가가 대시로 표시되는 구조식을 사용하여 표시할 수 있습니다. 한 줄은 화학 원소 원자의 원자가 단위에 해당합니다.. 예를 들어, 분자식 CH4를 갖는 유기 물질 메탄의 경우 구조식은 다음과 같습니다.

A. M. Butlerov 이론의 주요 조항 :

유기 분자의 원자는 서로 결합되어 있습니다. 그들의 가치에 따라. 유기 화합물의 탄소는 항상 4가이며 원자는 서로 결합하여 다양한 사슬을 형성할 수 있습니다.

· 물질의 성질은 그 질적, 양적 구성뿐만 아니라 분자 내 원자의 연결 순서에 의해서도 결정됩니다. 물질의 화학 구조.

· 유기 화합물의 특성은 물질의 구성과 분자 내 원자의 연결 순서에 따라 달라지지만, 원자의 상호 영향그리고 서로의 위에 원자 그룹이 있습니다.

유기 화합물의 구조 이론은 역동적이고 발전하는 교리입니다. 화학 결합의 본질과 유기 물질 분자의 전자 구조의 영향에 대한 지식이 발전함에 따라 그들은 경험적 및 구조적 공식 외에도 전자 공식을 사용하기 시작했습니다. 이러한 공식은 방향을 나타냅니다. 분자 내 전자쌍의 변위.

양자 화학과 유기 화합물 구조의 화학은 화학 결합의 공간 방향(시스 및 트랜스 이성질체)에 대한 교리를 확인하고, 이성질체의 상호 전이의 에너지 특성을 연구하고, 원자의 상호 영향을 판단할 수 있게 했습니다. 다양한 물질의 분자는 이성질체의 유형과 화학 반응의 방향 및 메커니즘을 예측하기 위한 전제 조건을 만들었습니다.

유기물질은 여러 가지 특성을 가지고 있습니다.

· 모든 유기물질은 탄소와 수소를 함유하고 있으므로 연소되면 형성됩니다. 이산화탄소와 물.

유기물 복잡하게 지어진그리고 엄청난 분자량(단백질, 지방, 탄수화물)을 가질 수 있습니다.

· 유기물질은 조성, 구조, 성질이 유사한 열로 배열될 수 있음 동족체.

· 유기물질의 경우 특징적임 이성질체.

유기물질의 이성질체와 상동성

유기 물질의 특성은 구성 성분뿐만 아니라 분자 내 원자의 연결 순서.

이성질체- 이것은 서로 다른 물질이 존재하는 현상입니다. 동일한 질적 및 양적 구성을 가진 이성질체, 즉 동일한 분자식을 사용합니다.

이성질체에는 두 가지 유형이 있습니다. 구조적 및 공간적(입체이성질체). 구조 이성질체는 분자 내 원자 결합 순서가 서로 다릅니다. 입체 이성질체 - 공간에서 원자 사이의 결합 순서가 동일한 원자 배열.

이성질체의 주요 유형:

· 구조적 이성질체 - 물질은 분자 내 원자 결합 순서가 다릅니다.

1) 탄소 골격의 이성질체 현상;

2) 위치 이성질체:

다중 채권;
대리인;
기능성 그룹;

3) 동종 계열의 이성질체 (계급 간).

· 공간 이성질체 - 물질의 분자는 원자 결합 순서가 아니라 공간에서의 위치가 다릅니다(시스-, 트랜스-이성질체(기하학적)).

유기물질의 분류

유기물질의 성질은 그 구성성분과 화학구조에 따라 결정되는 것으로 알려져 있다. 따라서 유기 화합물의 분류가 구조 이론, 즉 A. M. Butlerov의 이론을 기반으로한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 유기 물질은 분자 내 원자의 연결 여부와 연결 순서에 따라 분류됩니다. 유기 물질 분자의 가장 내구성이 있고 변화가 가장 적은 부분은 다음과 같습니다. 골격 - 탄소 원자 사슬. 이 사슬의 탄소 원자 연결 순서에 따라 물질은 다음과 같이 나뉩니다. 비순환, 분자 내에 탄소 원자의 닫힌 사슬을 포함하지 않으며, 탄소환식분자 내에 그러한 사슬(순환)을 함유하고 있습니다.

탄소와 수소 원자 외에도 유기 물질의 분자에는 다른 화학 원소의 원자가 포함될 수 있습니다. 이러한 소위 헤테로원자가 닫힌 사슬에 포함되어 있는 분자의 물질은 헤테로고리 화합물로 분류됩니다.

헤테로원자(산소, 질소 등)은 분자 및 비고리형 화합물의 일부가 되어 그 안에 작용기를 형성할 수 있습니다. 예를 들어,

수산기

카르보닐

카르복실기

아미노기

기능성 그룹- 물질의 가장 특징적인 화학적 특성을 결정하고 특정 종류의 화합물에 속하는 원자 그룹입니다.

유기 화합물의 명명법

유기화학의 발전초기에는 발견할 화합물을 지정하였다. 사소한 이름, 종종 생산 이력과 관련이 있습니다: 아세트산(와인 식초의 기초가 되는), 부티르산(버터에서 형성됨), 글리콜(즉, "단맛") 등. 새로 발견된 물질의 수가 증가함에 따라 구조와 관련된 이름이 필요합니다. 이것이 합리적인 이름이 나타난 방식입니다: 메틸아민, 디에틸아민, 에틸 알코올, 메틸 에틸 케톤은 가장 간단한 화합물의 이름을 기반으로 합니다. 더 복잡한 화합물의 경우 합리적인 명명법이 적합하지 않습니다.

A. M. Butlerov의 구조 이론은 구조 요소와 분자 내 탄소 원자 배열에 따른 유기 화합물의 분류 및 명명법의 기초를 제공했습니다. 현재 가장 일반적으로 사용되는 명명법은 다음과 같습니다. 국제순수응용화학연맹(IUPAC), 이를 명명법이라고 합니다. IUPAC. IUPAC 규칙은 이름 형성에 대한 몇 가지 원칙을 권장하며 그 중 하나는 대체 원칙입니다. 이를 바탕으로 가장 보편적인 대체 명명법이 개발되었습니다. 치환 명명법의 몇 가지 기본 규칙을 제시하고 아미노산 류신이라는 두 가지 작용기를 포함하는 이종작용성 화합물의 예를 사용하여 그 적용을 고려해 보겠습니다.

1. 화합물의 이름은 모구조(비환식 분자의 주쇄, 탄소환식 또는 복소환식 시스템)를 기반으로 합니다. 상위 구조의 이름은 이름의 기초, 즉 단어의 어근을 형성합니다.

이 경우 모구조는 단일 결합으로 연결된 5개의 탄소 원자 사슬입니다. 따라서 이름의 어근은 펜탄입니다.

2. 특성군과 치환체(구조적 요소)는 접두사와 접미사로 표시한다. 특성 그룹은 연공서열에 따라 구분됩니다. 주요 그룹의 우선순위:

상위 특성 그룹이 식별되며 이는 접미사에 지정됩니다. 다른 모든 치환체는 알파벳 순서로 접두사로 명명됩니다.

이 경우 상위 특성 그룹은 카르복실입니다. 즉, 이 화합물은 카르복실산 클래스에 속하므로 이름의 라디칼 부분에 -ic acid를 추가합니다. 두 번째로 오래된 그룹은 접두사 아미노-로 지정되는 아미노 그룹입니다. 또한, 분자에는 탄화수소 치환체인 메틸-이 포함되어 있습니다. 따라서 이름의 기초는 아미노메틸펜탄산입니다.

3. 이름에는 어근 바로 뒤에 나오는 이중 및 삼중 결합의 명칭이 포함되어 있습니다.

문제의 화합물에는 다중 결합이 포함되어 있지 않습니다.

4. 모구조의 원자에는 번호가 매겨져 있습니다. 번호 매기기는 가장 높은 특성 그룹이 가장 가까이 위치한 탄소 사슬의 끝에서 시작됩니다.

사슬의 번호 매기기는 카르복실기의 일부인 탄소 원자로 시작하며 숫자 1이 지정됩니다. 이 경우 아미노기는 탄소 2에 있고 메틸기는 탄소 4에 있습니다.

따라서 IUPAC 명명법의 규칙에 따라 천연 아미노산인 류신을 2-아미노-4-메틸펜탄산이라고 합니다.

탄화수소. 탄화수소의 분류

탄화수소- 수소와 탄소 원자로만 구성된 화합물입니다.

탄소 사슬의 구조에 따라 유기 화합물은 열린 사슬 화합물로 구분됩니다 - 비순환(지방족) 및 순환- 닫힌 원자 사슬로.

순환 그룹은 두 그룹으로 나뉩니다. 탄소환식 화합물(사이클은 탄소 원자로만 형성됨) 헤테로사이클릭(사이클에는 산소, 질소, 황과 같은 다른 원자도 포함됩니다).

탄소환식 화합물에는 두 가지 계열의 화합물이 포함됩니다. 지환족그리고 향긋한.

분자 구조에 기초한 방향족 화합물은 p-전자의 특별한 폐쇄 시스템을 갖춘 편평한 탄소 함유 사이클, 공통 π-시스템(단일 π-전자 구름)을 형성합니다. 방향족성은 또한 많은 헤테로고리 화합물의 특징입니다.

다른 모든 탄소환식 화합물은 지환식 계열에 속합니다.

비고리형(지방족) 탄화수소와 고리형 탄화수소 모두 다중(이중 또는 삼중) 결합을 포함할 수 있습니다. 이러한 탄화수소를 탄화수소라고 합니다. 제한 없는(불포화) 제한(포화)과 달리 단일 결합만 포함합니다.

포화 지방족 탄화수소라고 합니다. 알칸, 그들은 일반식 C n H 2n+2를 가지며, 여기서 n은 탄소 원자의 수입니다. 오늘날 파라핀이라는 옛 이름이 자주 사용됩니다.

이중결합이 1개 있는 불포화 지방족 탄화수소라고 합니다. 알켄. 그들은 일반식 C n H 2n을 가지고 있습니다:

두 개의 이중 결합을 갖는 불포화 지방족 탄화수소라고 합니다. 알카디엔. 일반식은 CnH2n-2이다:

삼중 결합이 1개 있는 불포화 지방족 탄화수소라고 합니다. 알킨. 그들의 일반식은 CnH2n-2이다:

포화 지환식 탄화수소 - 사이클로알칸, 그들의 일반 공식은 C n H 2n입니다:

탄화수소, 방향족 또는 경기장(폐쇄된 공통 n-전자 시스템 포함) 일반 공식 C n H 2n - 6을 사용하는 탄화수소의 예에서 알려져 있습니다.

따라서 분자에서 하나 이상의 수소 원자가 다른 원자 또는 원자 그룹 (할로겐, 수산기, 아미노기 등)으로 대체되면 할로겐 유도체, 산소 함유, 질소 함유 및 기타 탄화수소 유도체가 형성됩니다. 유기 화합물.

동종 탄화수소 계열

동일한 관능기를 갖는 탄화수소 및 그 유도체는 동종 계열을 형성합니다.

동종 시리즈구조 및 화학적 특성이 유사하고 상대 분자 질량이 증가하는 순서로 배열된 동일한 클래스(동족체)에 속하는 일련의 화합물의 이름을 지정합니다. 여기서 각 구성원은 동종 차이 CH 2에 의해 이전 구성원과 다릅니다. 예: CH 4 - 메탄, C 2 H 6 - 에탄, C 3 H 8 - 프로판, C 4 H 10 - 부탄 등. 동족체의 화학적 성질의 유사성은 유기 화합물 연구를 크게 단순화합니다.

탄화수소 이성질체

주어진 물질 종류의 가장 특징적인 특성을 결정하는 원자 또는 원자 그룹을 기능성 그룹.

탄화수소의 할로겐 유도체는 탄화수소의 하나 이상의 수소 원자가 할로겐 원자로 대체된 생성물로 간주될 수 있습니다. 이에 따라 유한하고 불포화된 모노-, 디-, 트리-(일반적인 경우 폴리-)가 있을 수 있습니다. 할로겐 유도체.

포화 탄화수소의 모노할로겐 유도체의 일반식:

그리고 그 구성은 공식으로 표현됩니다

여기서 R은 포화 탄화수소(알칸), 탄화수소 라디칼(이 지정은 다른 종류의 유기 물질을 고려할 때 추가로 사용됨)의 나머지이고, G는 할로겐 원자(F, Cl, Br, I)입니다.

예를 들어:

다음은 디할로겐 유도체의 한 예입니다.

에게 산소 함유 유기 물질알코올, 페놀, 알데히드, 케톤, 카르복실산, 에테르 및 에스테르가 포함됩니다. 알코올은 하나 이상의 수소 원자가 수산기로 대체된 탄화수소의 유도체입니다.

알코올은 수산기가 하나 있으면 1가 알코올이라고 하고, 알칸 유도체이면 포화 알코올이라고 합니다.

한계에 대한 일반 공식 1가 알코올:

그 구성은 일반식으로 표현됩니다.

예를 들어:

알려진 예 다가 알코올, 즉 여러 개의 하이드록실 그룹을 가짐:

페놀- 벤젠 고리의 하나 이상의 수소 원자가 수산기로 대체되는 방향족 탄화수소 (벤젠 계열)의 유도체.

공식 C 6 H 5 OH를 사용하는 가장 간단한 대표자 또는

페놀이라고 합니다.

알데히드와 케톤- 원자의 카르보닐기를 함유한 탄화수소의 유도체

(카르보닐).

분자에서 알데히드하나의 카르보닐 결합은 수소 원자와 결합하고 다른 하나는 탄화수소 라디칼과 결합합니다. 알데히드의 일반식:

예를 들어:

언제 케톤카르보닐기는 두 개의 (일반적으로 다른) 라디칼에 연결되어 있으며 케톤의 일반식은 다음과 같습니다.

예를 들어:

포화 알데히드와 케톤의 조성은 C 2n H 2n O라는 공식으로 표현됩니다.

카르복실산- 카르복실기를 함유한 탄화수소 유도체

(또는 -COOH).

산 분자에 카르복실기가 1개 있으면 카르복실산은 일염기성입니다. 포화 일염기산의 일반식:

그들의 구성은 C n H 2n O 2 공식으로 표현됩니다.

예를 들어:

에테르산소 원자, 즉 R-O-R 또는 R 1 -O-R 2로 연결된 두 개의 탄화수소 라디칼을 포함하는 유기 물질입니다.

라디칼은 같을 수도 있고 다를 수도 있습니다. 에테르의 조성은 CnH2n+2O라는 공식으로 표현됩니다.

예를 들어:

에스테르- 카르복실산의 카르복실기의 수소 원자를 탄화수소 라디칼로 대체하여 형성된 화합물.

에스테르의 일반식:

예를 들어:

니트로 화합물- 하나 이상의 수소 원자가 니트로 그룹 -NO 2로 대체 된 탄화수소 유도체.

포화 모노니트로 화합물의 일반식:

조성은 일반식 CnH2n+1NO2로 표현된다.

예를 들어:

아렌의 니트로 유도체:

아민- 수소 원자가 탄화수소 라디칼로 대체되는 암모니아 (NH 3) 유도체로 간주되는 화합물. 라디칼의 특성에 따라 아민은 지방족일 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

예를 들면 다음과 같습니다.

라디칼로 대체된 수소 원자의 수에 따라 다음이 구별됩니다.

1차 아민일반 공식을 사용하면 다음과 같습니다.

중고등 학년- 일반 공식:

제삼기- 일반 공식:

특별한 경우, 2차 및 3차 아민은 동일한 라디칼을 가질 수 있습니다.

1차 아민은 또한 하나의 수소 원자가 아미노 그룹 -NH 2로 대체되는 탄화수소(알칸)의 유도체로 간주될 수 있습니다. 포화 1차 아민의 조성은 C n H 2n + 3 N의 공식으로 표현됩니다.

예를 들어:

아미노산은 탄화수소 라디칼에 연결된 두 개의 관능기, 즉 아미노 그룹 -NH 2 및 카르복실 -COOH를 포함합니다.

α-아미노산의 일반식(살아 있는 유기체를 구성하는 단백질의 구성에 가장 중요함):

하나의 아미노기와 하나의 카르복실기를 포함하는 포화 아미노산의 조성은 C n H 2n + 1 NO 2라는 공식으로 표현됩니다.

예를 들어:

벤젠 고리에 연결된 긴 선형 사슬, 여러 가지 서로 다르거나 동일한 작용기, 긴 선형 사슬을 갖는 다른 중요한 유기 화합물도 알려져 있습니다. 이러한 경우 물질이 특정 클래스에 속하는지 여부를 엄격하게 결정하는 것은 불가능합니다. 이러한 화합물은 종종 탄수화물, 단백질, 핵산, 항생제, 알칼로이드 등 특정 물질 그룹으로 분류됩니다.

현재, 유기 및 무기로 분류될 수 있는 많은 화합물도 알려져 있습니다. x는 유기원소 화합물이라 불린다. 그 중 일부는 탄화수소 파생물로 간주될 수 있습니다.

예를 들어:

동일한 분자식을 가지고 물질의 구성을 표현하는 화합물이 있습니다.

이성질체 현상은 분자 구성은 동일하지만 구조가 다르고 특성이 다른 여러 물질이 있을 수 있다는 것입니다. 이러한 물질을 이성질체라고 합니다.

우리의 경우에는 시클로알칸 및 알칸, 알카디엔 및 알킨, 포화 1가 알코올 및 에테르, 알데히드 및 케톤, 포화 모노카르복실산 및 에스테르와 같은 클래스 간 이성질체입니다.

구조적 이성질체

다음과 같은 품종이 구별됩니다. 구조적 이성질체: 탄소 골격의 이성질체, 위치 이성질체, 다양한 종류의 유기 화합물의 이성질체(계층 이성질체).

탄소 골격의 이성질체 현상은 다음과 같습니다. 탄소 원자 사이의 결합 순서가 다릅니다., 분자의 골격을 형성합니다. 이미 나타낸 바와 같이, 분자식 C 4 H 10은 n-부탄과 이소부탄이라는 두 가지 탄화수소에 해당합니다. 탄화수소 C5H12의 경우 펜탄, 이소펜탄, 네오펜탄의 세 가지 이성질체가 가능합니다.

분자 내의 탄소 원자 수가 증가함에 따라 이성질체의 수도 급격히 증가합니다. 탄화수소 C 10 H 22의 경우 이미 75개가 있고 탄화수소 C 20 H 44 - 366,319가 있습니다.

위치 이성질체 현상은 분자의 동일한 탄소 골격을 갖는 다중 결합, 치환체 및 작용기의 위치가 다르기 때문에 발생합니다.

다양한 클래스의 유기 화합물의 이성질체 현상(클래스 간 이성질체 현상)은 동일한 분자식을 가지지만 다른 클래스에 속하는 물질 분자 내 원자의 위치와 원자 조합이 다르기 때문에 발생합니다. 따라서, 분자식 C 6 H 12 는 불포화 탄화수소 헥센-1 및 고리형 탄화수소 사이클로헥산에 해당합니다.

이성질체는 알킨과 관련된 탄화수소(부틴-1)와 부타디엔-1,3 사슬에 두 개의 이중 결합이 있는 탄화수소입니다.

디에틸 에테르와 부틸 알코올은 동일한 분자식 C 4 H 10 O를 갖습니다.

구조 이성질체는 분자식 C 2 H 5 NO 2에 해당하는 아미노아세트산과 니트로에탄입니다.

이 유형의 이성질체는 다양한 기능 그룹을 포함하며 다양한 종류의 물질에 속합니다. 따라서 탄소 골격 이성질체 또는 위치 이성질체보다 물리적, 화학적 특성이 훨씬 더 다릅니다.

공간 이성질체

공간 이성질체기하학과 광학의 두 가지 유형으로 나뉩니다.

기하학적 이성질체는 화합물의 특징입니다 이중 결합을 포함하는 고리형 화합물. 이중 결합 주변이나 고리 내에서 원자의 자유 회전이 불가능하기 때문에 치환기는 이중 결합이나 고리 평면의 같은 쪽(시스 위치) 또는 반대쪽(트랜스 위치)에 위치할 수 있습니다. cis 및 trans라는 명칭은 일반적으로 한 쌍의 동일한 치환기를 나타냅니다.

기하 이성질체 물리적, 화학적 특성이 다릅니다.

광학 이성질체가 발생합니다. 분자가 거울의 이미지와 호환되지 않는 경우. 이는 분자의 탄소 원자가 4개의 서로 다른 치환기를 가질 때 가능합니다. 이 원자를 비대칭이라고 합니다. 그러한 분자의 예는 α-아미노프로피온산(α-알라닌) 분자 CH 3 CH(NH 2)OH입니다.

α-알라닌 분자는 어떤 움직임에도 거울상과 일치할 수 없습니다. 이러한 공간 이성질체를 거울, 광학적 대척체 또는 거울상 이성질체라고 합니다. 이러한 이성질체의 모든 물리적 특성과 거의 모든 화학적 특성은 동일합니다.

신체에서 일어나는 많은 반응을 고려할 때 광학 이성질체에 대한 연구가 필요합니다. 이러한 반응의 대부분은 효소, 즉 생물학적 촉매의 작용으로 발생합니다. 이러한 물질의 분자는 자물쇠의 열쇠처럼 작용하는 화합물의 분자에 맞아야 합니다. 따라서 공간 구조, 분자 섹션의 상대적 배열 및 기타 공간 요소는 이러한 반응 과정에서 매우 중요합니다. . 이러한 반응을 입체선택적이라고 합니다.

대부분의 천연 화합물은 개별 거울상 이성질체이며, 그 생물학적 효과(맛과 냄새부터 의약 효과까지)는 실험실에서 얻은 광학적 대척체의 특성과 크게 다릅니다. 이러한 생물학적 활동의 차이는 모든 살아있는 유기체의 가장 중요한 특성인 신진대사의 기초가 되므로 매우 중요합니다.

이성질체

탄소 원자의 전자 구조

유기 화합물에 포함된 탄소는 일정한 원자가를 나타냅니다. 탄소 원자의 마지막 에너지 준위에는 다음이 포함됩니다. 전자 4개, 그 중 2개는 구형의 2s 오비탈을 차지하고, 두 개의 전자는 아령 모양의 2p 오비탈을 차지합니다. 여기되면 2s 오비탈의 전자 하나가 비어 있는 2p 오비탈 중 하나로 이동할 수 있습니다. 이 전환에는 약간의 에너지 소비(403 kJ/mol)가 필요합니다. 결과적으로 여기된 탄소 원자는 4개의 짝을 이루지 않은 전자를 가지며 그 전자 구성은 2s 1 2p 3 .의 식으로 표현됩니다. 따라서 메탄 탄화수소(CH 4)의 경우 탄소 원자는 s와 4개의 결합을 형성합니다. -수소 원자의 전자. 이 경우 1 s-s형 결합(탄소 원자의 s-전자와 수소 원자의 s-전자 사이)과 3 p-s 결합(탄소 원자의 3 p-전자와 3개의 수소의 3 s-전자 사이) 원자)가 형성되어야 한다. 이는 탄소 원자에 의해 형성된 4개의 공유 결합이 동일하지 않다는 결론으로 이어집니다. 그러나 화학 분야의 실제 경험에 따르면 메탄 분자의 4개 결합은 모두 절대적으로 동일하며, 메탄 분자는 결합각이 109.5°인 사면체 구조를 갖고 있으며, 이는 결합이 동일하지 않은 경우에는 불가능합니다. 결국, p-전자의 궤도만이 공간에서 서로 수직인 x, y, z 축을 따라 방향이 지정되고 s-전자의 궤도는 구형이므로 이 전자와의 결합 형성 방향은 다음과 같습니다. 임의적. 혼성화 이론은 이러한 모순을 설명할 수 있었습니다. L. Polling은 어떤 분자에도 서로 분리된 결합이 없다고 제안했습니다. 결합이 형성되면 모든 원자가 전자의 궤도가 겹칩니다. 여러 종류가 알려져 있다 전자 궤도의 혼성화. 메탄과 기타 알칸 분자에서는 4개의 전자가 혼성화되는 것으로 가정됩니다.

탄소 원자 궤도의 혼성화

궤도 혼성화공유 결합이 형성되는 동안 일부 전자의 모양과 에너지가 변화하여 궤도 중첩이 더욱 효율적으로 이루어지고 결합 강도가 증가합니다. 궤도 혼성화는 서로 다른 유형의 궤도에 속하는 전자가 결합 형성에 참여할 때마다 발생합니다.

1. sp 3 -이종 교잡(탄소의 첫 번째 원자가 상태). sp 3 혼성화 동안, 들뜬 탄소 원자의 3p 오비탈과 1개의 s 오비탈은 결과 오비탈이 에너지 면에서 완전히 동일하고 공간에서 대칭적으로 위치하는 방식으로 상호 작용합니다. 이 변환은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

혼성화 과정에서 오비탈의 총 개수는 변하지 않고 에너지와 모양만 변합니다. sp 3 -혼성화 궤도는 3차원 숫자 8과 유사하며 블레이드 중 하나가 다른 블레이드보다 훨씬 큰 것으로 나타났습니다. 4개의 혼성 오비탈이 중심에서 정사면체의 꼭지점까지 109.5° 각도로 확장됩니다. 혼성 전자에 의해 형성된 결합(예: s-sp 3 결합)은 혼성화되지 않은 p 전자에 의해 형성된 결합(예: sp 결합)보다 강합니다. 하이브리드 sp 3 오비탈은 하이브리드되지 않은 p 오비탈보다 더 큰 전자 오비탈 중첩 영역을 제공하기 때문입니다. sp 3 혼성화가 일어나는 분자는 사면체 구조를 갖는다. 여기에는 메탄 외에도 메탄 동족체, 암모니아와 같은 무기 분자가 포함됩니다. 그림은 혼성화된 궤도함수와 사면체 메탄 분자를 보여줍니다.

탄소와 수소 원자 사이의 메탄에서 발생하는 화학 결합은 σ-결합 유형(sp 3 -s-결합)입니다. 일반적으로 모든 시그마 결합은 서로 연결된 두 원자의 전자 밀도가 원자의 중심(핵)을 연결하는 선을 따라 겹쳐진다는 사실을 특징으로 합니다. σ-결합은 원자 궤도의 가능한 최대 중첩 정도에 해당하므로 매우 강합니다.

2. sp 2 -이종 교잡(탄소의 두 번째 원자가 상태). 이는 하나의 2s 궤도와 두 개의 2p 궤도가 겹쳐서 발생합니다. 생성된 sp 2 -혼성 오비탈은 서로 120°의 각도로 동일한 평면에 위치하며, 혼성화되지 않은 p-오비탈은 이에 수직입니다. 총 궤도 수는 변경되지 않습니다. 그 중 4개가 있습니다.

sp 2 혼성화 상태는 알켄 분자, 카르보닐 및 카르복실기에서 발생합니다. 이중 결합을 포함하는 화합물에서. 따라서 에틸렌 분자에서 탄소 원자의 혼성화된 전자는 3σ 결합(탄소 원자와 수소 원자 사이에 두 개의 sp 2 -s 유형 결합과 탄소 원자 사이에 하나의 sp 2 -sp 2 유형 결합)을 형성합니다. 한 탄소 원자의 나머지 혼성화되지 않은 p-전자는 두 번째 탄소 원자의 혼성화되지 않은 p-전자와 π-결합을 형성합니다. π 결합의 특징은 전자 궤도의 중첩이 두 원자를 연결하는 선 외부에서 발생한다는 것입니다. 궤도의 중첩은 두 탄소 원자를 연결하는 σ 결합 위와 아래에서 발생합니다. 따라서 이중 결합은 σ와 π 결합의 조합입니다. 처음 두 그림은 에틸렌 분자에서 에틸렌 분자를 형성하는 원자 사이의 결합 각도가 120°(3개의 sp 2 혼성 궤도의 공간 방향에 해당)임을 보여줍니다. 그림은 π 결합의 형성을 보여줍니다.

π 결합에서 혼성화되지 않은 p-오비탈의 중첩 면적은 σ 결합에서 오비탈의 중첩 면적보다 작기 때문에 π 결합은 σ 결합보다 강도가 약하고 화학 반응에서 더 쉽게 부서집니다.

3. sp 혼성화(탄소의 3차 원자가 상태). sp-혼성화 상태에서 탄소 원자는 서로 180°의 각도로 선형으로 위치한 두 개의 sp-혼성 오비탈과 서로 수직인 두 평면에 위치한 두 개의 비혼성 p-오비탈을 갖습니다. sp-혼성화는 알킨과 니트릴의 특징입니다. 삼중 결합을 포함하는 화합물의 경우.

따라서 아세틸렌 분자에서 원자 사이의 결합각은 180°입니다. 탄소 원자의 혼성화된 전자는 2개의 σ 결합을 형성합니다(탄소 원자와 수소 원자 사이의 하나의 sp-s 결합과 탄소 원자 사이의 또 다른 sp-sp 결합. 하나의 탄소 원자의 두 개의 혼성화되지 않은 p 전자는 혼성화되지 않은 p와 두 개의 π 결합을 형성합니다) 두 번째 탄소 원자의 전자 p-전자 오비탈의 중첩은 σ-결합의 위와 아래뿐만 아니라 앞뒤에도 발생하며 전체 p-전자 구름은 원통형 모양을 갖습니다. 하나의 σ-결합과 두 개의 π-결합의 조합입니다. 아세틸렌 분자에 덜 강한 두 개의 π-결합이 존재하면 이 물질이 삼중 결합의 절단과 함께 추가 반응을 시작할 수 있는 능력이 보장됩니다.

시험 응시를 위한 참고 자료:

멘델레예프 테이블

용해도 표

바닥 상태에서 탄소 원자 C(1s 2 2s 2 2p 2)는 두 개의 짝을 이루지 않은 전자를 가지므로 두 개의 공통 전자 쌍만 형성될 수 있습니다. 그러나 대부분의 화합물에서 탄소는 4가입니다. 이는 소량의 에너지를 흡수하는 탄소 원자가 4개의 짝을 이루지 않은 전자를 갖는 들뜬 상태로 변한다는 사실로 설명됩니다. 형성할 수 있는 네공유 결합을 형성하고 4개의 공통 전자쌍 형성에 참여합니다.

6C 1초 2 2초 2 2p 2 6C * 1초 2 2초 1 2p 3 .

↓

피

↓

피

에스

여기 에너지는 에너지 방출과 함께 발생하는 화학 결합의 형성으로 보상됩니다.

탄소 원자는 세 가지 유형의 전자 궤도 혼성화를 형성하는 능력을 가지고 있습니다( sp 3, sp 2, sp) 및 그들 사이의 다중 (이중 및 삼중) 결합 형성 (표 2.2).

표 2.2

혼성화 유형 및 분자 기하학

간단한(단일) s-연결은 다음과 같은 경우에 수행됩니다. sp 3-혼성화, 4개의 혼성 오비탈이 모두 동일하고 공간 내에서 서로 109°29'의 각도로 향하고 정사면체의 꼭지점을 향하는 혼성화(그림 2.8).

쌀. 2.8. 메탄 분자 CH 4의 형성

하이브리드 탄소 궤도가 구형 궤도와 겹치는 경우 에스-수소 원자의 궤도, 가장 간단한 유기 화합물 메탄 CH 4가 형성됩니다-포화 탄화수소.

큰 관심은 탄소 원자 서로 및 다른 원소의 원자와의 결합에 대한 연구입니다. 에탄, 에틸렌, 아세틸렌 분자의 구조를 고려해 봅시다.

에탄 분자의 모든 결합 사이의 각도는 서로 거의 동일하며(그림 2.9) 메탄 분자의 C - H 각도와 다르지 않습니다.

따라서 탄소 원자는 다음과 같은 상태에 있습니다. sp 3-이종 교잡.

쌀. 2.9. 에탄 분자 C 2 H 6

탄소 원자의 전자 궤도의 혼성화는 불완전할 수 있습니다. 둘 ( sp 2-혼성화) 또는 하나( sp-혼성화) 3개 중 아르 자형-궤도. 이 경우 탄소 원자 사이에 형성됩니다. 다중 연결 (이중 또는 삼중). 다중 결합을 가진 탄화수소를 불포화 또는 불포화라고 합니다. 이중결합(C=C)이 형성되는 경우 sp 2-이종 교잡.

이 경우 각 탄소 원자는 세 가지 중 하나를 갖습니다. 아르 자형-오비탈은 혼성화에 관여하지 않으므로 3개의 오비탈이 형성됩니다. sp 2- 같은 평면에 서로 120°의 각도로 위치한 하이브리드 오비탈 및 비하이브리드 2 아르 자형-궤도는 이 평면에 수직으로 위치합니다. 두 개의 탄소 원자가 서로 결합하여 하이브리드 오비탈 중첩으로 인해 하나의 s-결합을 형성하고 중첩으로 인해 하나의 p-결합을 형성합니다. 아르 자형-궤도.

탄소의 자유 하이브리드 오비탈과 1의 상호 작용 에스-수소 원자의 궤도는 불포화 탄화수소의 가장 간단한 대표자 인 에틸렌 분자 C 2 H 4 (그림 2.10)의 형성으로 이어집니다.

쌀. 2.10. 에틸렌 분자 C 2 H 4의 형성

p-결합의 경우 전자 궤도의 중첩이 적고 전자 밀도가 증가한 영역이 원자핵에서 더 멀리 위치하므로 이 결합은 s-결합보다 덜 강합니다.

삼중 결합은 하나의 s 결합과 두 개의 p 결합으로 구성됩니다. 이 경우 전자 궤도는 sp-혼성화 상태에 있으며, 그 형성은 다음 중 하나로 인해 발생합니다. 에스- 그리고 하나 아르 자형-궤도(그림 2.11).

두 개의 혼성 오비탈은 서로 180°의 각도로 위치하며, 나머지 두 개의 비혼성 오비탈은 아르 자형-오비탈은 서로 수직인 두 평면에 위치합니다. 삼중 결합의 형성은 아세틸렌 분자 C 2 H 2에서 발생합니다 (그림 2.11 참조).

쌀. 2.11. 아세틸렌 분자 C 2 H 2의 형성

방향족 탄화수소의 가장 단순한 대표자인 벤젠 분자(C 6 H 6)가 형성되는 동안 특별한 유형의 결합이 발생합니다.

벤젠은 고리(벤젠 고리)로 서로 연결된 6개의 탄소 원자를 포함하며, 각 탄소 원자는 sp 2 혼성화 상태에 있습니다(그림 2.12).

쌀. 2.12. sp 2 – 벤젠 분자 C 6 H 6의 궤도

벤젠 분자에 포함된 모든 탄소 원자는 동일한 평면에 위치합니다. sp 2 혼성화 상태의 각 탄소 원자는 p-결합을 형성하는 짝을 이루지 않은 전자를 갖는 비-혼성 p-오비탈을 하나 더 갖습니다(그림 2.13).

축은 이렇습니다 아르 자형-오비탈은 벤젠 분자 평면에 수직으로 위치합니다.

6개 모두 하이브리드가 아님 아르 자형-오비탈은 공통 결합 분자 p-오비탈을 형성하고, 6개의 전자가 모두 결합하여 p-전자 6중주를 형성합니다.

그러한 궤도의 경계면은 탄소 s-골격 평면 위와 아래에 위치합니다. 원형 중첩의 결과로, 순환의 모든 탄소 원자를 포함하는 단일 비편재화된 p-시스템이 발생합니다(그림 2.13).

벤젠은 내부에 고리가 있는 육각형으로 개략적으로 묘사되어 있으며, 이는 전자와 해당 결합의 비편재화가 발생함을 나타냅니다.

쌀. 2.13. -벤젠 분자 C 6 H 6의 결합

이온 화학 결합

이온 결합- 반대로 전하를 띤 이온의 상호 정전기 인력의 결과로 형성된 화학 결합으로, 전체 전자 밀도가 전기 음성도가 더 높은 원소의 원자로 완전히 전달되어 안정된 상태가 달성됩니다.

순수한 이온 결합은 공유 결합의 극단적인 경우입니다.

실제로, 결합을 통해 한 원자에서 다른 원자로 전자의 완전한 전달은 실현되지 않습니다. 왜냐하면 각 원소는 더 크거나 작은(0은 아님) EO를 갖고 모든 화학 결합은 어느 정도 공유 결합이기 때문입니다.

이러한 결합은 예를 들어 양이온 사이에서 원자의 EO 차이가 큰 경우에 발생합니다. 에스-주기율표의 첫 번째 및 두 번째 그룹의 금속과 VIА 및 VIIА 그룹의 비금속 음이온 (LiF, NaCl, CsF 등).

공유결합과 달리, 이온결합에는 방향성이 없다 . 이는 이온의 전기장이 구형 대칭을 갖는다는 사실, 즉 모든 방향에서 동일한 법칙에 따라 거리에 따라 감소합니다. 따라서 이온 간의 상호 작용은 방향과 무관합니다.

부호가 반대인 두 이온의 상호작용은 역장의 완전한 상호 보상으로 이어질 수 없습니다. 이 때문에 그들은 다른 방향으로 반대 부호의 이온을 끌어당기는 능력을 유지합니다. 그러므로 공유결합과 달리 이온 결합은 또한 불포화를 특징으로 합니다. .

이온 결합의 방향성과 포화도가 부족하면 이온 분자가 결합하는 경향이 결정됩니다. 고체 상태의 모든 이온 화합물은 이온 결정 격자를 가지며, 각 이온은 반대 부호의 여러 이온으로 둘러싸여 있습니다. 이 경우, 주어진 이온과 이웃 이온의 모든 결합은 동일합니다.

금속 연결

금속은 전기 및 열 전도성, 특유의 금속 광택, 가단성, 높은 연성 및 뛰어난 강도 등 여러 가지 특수한 특성이 특징입니다. 금속의 이러한 특정 특성은 다음과 같은 특수한 유형의 화학 결합으로 설명될 수 있습니다. 금속 .

금속 결합은 금속의 결정 격자에서 서로 접근하는 원자의 비편재화된 궤도가 겹쳐서 발생합니다.

대부분의 금속은 상당수의 빈 궤도함수와 외부 전자 수준에 적은 수의 전자를 가지고 있습니다.

따라서 전자가 국부화되지 않고 전체 금속 원자에 속하는 것이 에너지적으로 더 유리합니다. 금속의 격자 노드에는 양으로 하전된 이온이 있으며, 이는 금속 전체에 분포된 전자 "가스"에 잠겨 있습니다.

나 ← 나 n + + n .

양전하를 띤 금속 이온(Me n +)과 국소화되지 않은 전자(n) 사이에는 정전기적 상호 작용이 있어 물질의 안정성이 보장됩니다. 이 상호 작용의 에너지는 공유 결합 에너지와 분자 결정 에너지 사이의 중간입니다. 따라서 순수 금속 결합을 가진 요소( 에스-, 그리고 피-원소)은 상대적으로 높은 융점과 경도를 특징으로 합니다.

결정 전체를 자유롭게 이동할 수 있는 전자의 존재는 금속의 특정 특성을 제공합니다.

수소 결합

수소 결합 – 특별한 유형의 분자간 상호 작용. 전기음성도 값이 높은 원소(대개 F, O, N뿐만 아니라 Cl, S, C도 있음)의 원자에 공유 결합된 수소 원자는 상대적으로 높은 유효 전하를 운반합니다. 결과적으로 이러한 수소 원자는 이러한 원소의 원자와 정전기적으로 상호 작용할 수 있습니다.

따라서 한 물 분자의 H d + 원자는 방향이 지정되고 그에 따라 (3개의 점으로 표시됨) 다른 물 분자의 O d - 원자와 상호 작용합니다.

전기 음성 원소의 두 원자 사이에 위치한 H 원자에 의해 형성된 결합을 수소라고 합니다.

ㄷ- ㄷ+ ㄷ-

A − H ××× B

수소 결합의 에너지는 기존 공유 결합의 에너지(150-400 kJ/mol)보다 훨씬 적지만, 이 에너지는 예를 들어 다음과 같은 액체 상태의 해당 화합물 분자의 응집을 일으키기에 충분합니다. 액체 불화수소 HF(그림 2.14). 불소 화합물의 경우 약 40kJ/mol에 이릅니다.