Chemija · Pamoka

Anglies ryšiai, funkcinės grupės ir struktūrinės šeimos

Sisteminkite anglies junginių struktūras pagal ryšių pobūdį ir funkcines grupes. Rezonansą laikykite vieno cheminio darinio elektronų apskaitos būdu, o nesotumo laipsnį naudokite kaip molekulinės formulės nustatomą apribojimą, o ne kaip visą struktūrą.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Suskaičiuoti σ ir π indėlius pasirinktuose paprasčiausiuose ryšių modeliuose.
Atskirti karbonilinių junginių šeimas pagal atomus, susijungusius su karbonilo grupės anglies atomu.
Atskirti rezonansą, protono netekimą ir konstitucinius pokyčius.
Apskaičiuoti nesotumo laipsnį neperžengiant įprasto valentingumo taikymo ribų.

Kartotinis ryšys vis tiek jungia vieną atomų porą

Elementariame lokalizuotų dviejų centrų ryšių apraše kiekviena susijungusių atomų pora turi vieną σ dedamąją. Dvigubasis ryšys papildomai turi vieną π dedamąją, o trigubasis – dvi. Skaičiuodami visos molekulės ryšius, įtraukite ir C–H ryšius: skaičiuojant tik sunkiųjų atomų skeletą, praleidžiama didelė dalis molekulės σ ryšių.

Įprasti sp³, sp² ir sp hibridizacijos aprašai padeda paaiškinti tam tikras tetraedrines, trigonines ir tiesines vietines atomų aplinkas. Tai orbitalių modeliai, o ne teiginys, kad kiekvienoje realioje anglies atomo aplinkoje yra tiksliai vienas idealus kampas. Benzenas turi delokalizuotą π sistemą; Kekulės formulė su trimis dvigubaisiais ryšiais yra naudingas elektronų apskaitos būdas, o ne trijų izoliuotų, išmatuotų π ryšių seka.

Suskaičiuokite visus ryšius nurodytame elementariajame struktūros vaizde

Struktūra	σ dėmenys	π dėmenys	DBE pagal formulę
Etanas, C₂H₆	7	0	0
Etenas, C₂H₄	5	1	1
Etinas, C₂H₂	3	2	2
Benzenas, C₆H₆; apskaita pagal Kekulę	12	3	4

Tikslus nurodytų neutralių struktūrų ryšių skaičiavimas sveikaisiais skaičiais. Į σ ryšių skaičių įtraukti ir C–H ryšiai. Benzeno Kekulės formulėje nurodomas π ryšių skaičius yra delokalizuotos šešių π elektronų sistemos vaizdavimo būdas; šie įrašai nėra išmatuotos lokalizuotų ryšių populiacijos ar idealiųjų kampų duomenys.

Nagrinėkite būdingos grupės kaimynus

Funkcinė grupė – atpažįstamas ryšių struktūrinis motyvas, padedantis sisteminti chemines savybes. Alkenas turi C=C motyvą, alkinas – C≡C motyvą, alkoholis šiuose paprastuose pavyzdžiuose – OH grupę, susijungusią su sočiuoju anglies atomu, o eteris – deguonies atomą tarp anglies grupių. Molekulėje gali būti kelios grupės, kurių cheminės savybės veikia viena kitą.

Nagrinėdami karbonilo grupę, pirmiausia nustatykite C=O, o tada patikrinkite, kas dar prisijungę prie to anglies atomo. Aldehido karbonilo grupėje prie anglies atomo prisijungęs H; ketono karbonilo grupėje – du anglies atomai. Karboksirūgštyje prie karbonilo anglies atomo yra OH motyvas, esteryje – OR, o amide – azoto atomas. Taigi propanalis CH₃CH₂CHO ir propanonas CH₃COCH₃ turi tą pačią formulę C₃H₆O, bet priklauso skirtingoms konstitucinėms klasėms. Struktūrinis motyvas yra atspirties taškas; svarbūs ir krūvis, konjugacija, sterinė aplinka bei sąlygos.

Rezonansinės struktūros keičia elektronų aprašą, bet ne branduolių padėtis

Rezonansinės struktūros išlaiko pažymėtų atomų karkasą, prie jų prisijungusius vandenilio atomus ir bendrą elektronų skaičių. Jos keičia ryšių kartotinumo ir ryšiuose nedalyvaujančių elektronų apskaitą. Acetato jono CH₃CO₂⁻ dvi įprastos rezonansinės struktūros skiriasi tuo, kuris C–O ryšys vaizduojamas kaip dvigubasis ir kuriam deguonies atomui priskiriamas formalusis neigiamas krūvis. Abiem atvejais jono bendras krūvis yra −1.

Tikroji elektroninė struktūra nėra mišinys, kuris kiekvienoje rezonansinėje struktūroje praleidžia išmatuotą laiko dalį. Rezonansinių struktūrų indėliai nebūtinai vienodi; idealiame izoliuoto jono apraše du lygiaverčius acetato deguonies atomus sieja simetrija. Pašalinus rūgštinį protoną iš CH₃CO₂H, pasikeičia sudėtis ir krūvis, todėl tai yra rūgšties ir bazės procesas, o ne rezonansas. Rezonansinėje struktūroje nurodytas formalusis krūvis taip pat skiriasi nuo išmatuoto ar apskaičiuoto dalinių krūvių pasiskirstymo.

Formulė gali apriboti žiedų ir kartotinių ryšių skaičių

Neutralių įprasto valentingumo junginių, kurie sudaro vieną susietą struktūrą, turi C, H, N, O bei halogenų ir kuriuose visi elektronai suporuoti, formulėms nesotumo laipsnis yra DBE=(2C+2+N−H−X)/2. Čia simboliai žymi atomų skaičių, o X – bendrą halogenų atomų skaičių. Deguonis šio skaičiaus nekeičia. Žiedas arba dvigubasis ryšys prideda vieną DBE vienetą, o trigubasis ryšys – du.

DBE nusako vandenilio trūkumo apribojimą, o ne kiekvieno ryšio vietą ar tipą. C₄H₈ atveju DBE=1 nurodytuose įprastuose pavyzdžiuose leidžia alkeną arba žiedą. Krūviams, radikalams ir neįprastam valentingumui reikia papildomos analizės, o ne aklo šios neutraliai struktūrai skirtos formulės taikymo. Trupmeninis arba neigiamas rezultatas skatina patikrinti formulę ir prielaidas; jis nesuteikia pagrindo išgalvoti įtikinamai atrodantį struktūros brėžinį.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Įtraukite vandenilį skaičiuodami etino ryšius

Suskaičiuokite H–C≡C–H σ ir π indėlius pagal nurodytą lokalizuotų ryšių modelį.

Dvi C–H atomų poros sudaro du σ indėlius.
C–C atomų pora sudaro dar vieną σ indėlį.
Šios poros vaizdavimas trigubuoju ryšiu prideda du π indėlius.

Trys σ ir du π indėliai; trigubasis ryšys neskaičiuojamas kaip trys σ ryšiai.

Patikrinkite nitrilo formulės ir struktūrinio fragmento atitiktį

Neutraliam etannitrilui CH₃C≡N apskaičiuokite DBE pagal formulę C₂H₃N.

Naudokite C=2, H=3, N=1 ir X=0.
DBE=(4+2+1−3)/2=2.
Pavaizduotas trigubasis C≡N ryšys suteikia tuos du vienetus, o žiedo nėra.

DBE=2, ir tai atitinka šį nitrilo grafą. Vien formulės nustatomas apribojimas neleistų nustatyti trigubojo ryšio vietos.

Išsaugokite elektronus keisdami rezonansinę struktūrą

Palyginkite dvi įprastas acetato rezonansines struktūras ir neutralią etano rūgštį.

Kiekvienos acetato rezonansinės struktūros sudėtis yra C₂H₃O₂, o suminis krūvis −1.
Bendras valentinių elektronų skaičius yra 2×4+3×1+2×6+1=24.
Neutrali C₂H₄O₂ molekulė taip pat turi 24 valentinius elektronus, tačiau turi vienu branduoliu daugiau ir kitokį suminį krūvį.
Rezonansui būtini tie patys branduoliai ir tas pats bendras elektronų skaičius, o ne vien vienodas elektronų skaičius.

Acetato brėžiniai vaizduoja vieno jono rezonansines struktūras. Rūgšties sudėtis ir krūvio būsena yra kitokios.

Pabandykite patys

Kuriai iš pasirinktų karbonilinių junginių klasių priklauso CH₃C(=O)NH₂?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Amidams.
Karbonilo grupės anglies atomas tiesiogiai susijungęs su azoto atomu.
Ar CH₃CH₂CHO ir CH₃COCH₃ yra dvi rezonansinės struktūros?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne; tai konstituciniai izomerai.
Jų atomų jungimosi tvarka skiriasi, nors molekulinė formulė C₃H₆O yra tokia pati.
Apskaičiuokite C₆H₆ nesotumo laipsnį (DBE) ir paaiškinkite jo vertę pagal Kekulės žiedinę struktūrą.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Keturi: vienas dėl žiedo ir trys dėl dvigubųjų ryšių.
Skaičiuojama taip: (12+2−6)/2=4; tikrojoje aromatinėje dalelėje π elektronai išlieka delokalizuoti.
Ar vien DBE=1 leidžia atskirti alkeną nuo sočiojo žiedo?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Abiem atvejais nesotumo laipsnis yra vienas, jei galioja nurodytos elektrinio neutralumo ir įprasto valentingumo prielaidos.

Ką verta įsidėmėti

Skaičiuodami visos molekulės σ ryšius, įtraukite ir C–H ryšius.
Nustatykite kiekvienos funkcinės grupės atomų tiesioginius ryšius.
Rezonansas nekeičia atomų branduolių ir bendro elektronų skaičiaus.
DBE naudokite siūlomos struktūros apribojimams nustatyti, o ne struktūrą pagrindžiantiems duomenims pakeisti.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.