Ковалентные связи в соединениях углерода
Ковалентные связи, свойства, способы и причины образования – школьная программа.
Напомню, лишь что:
1. Образование связи между атомами можно рассматривать как результат перекрывания их атомных орбиталей, при этом, чем оно эффективнее (больше интеграл перекрывания), тем прочнее связь.
Согласно расчетным данным, относительные эффективности перекрывания атомных орбиталей Sотн возрастают следующим образом:
Следовательно, использование гибридных орбиталей, например, sp3-орбиталей углерода в образовании связей с четырьмя атомами водорода, приводит к возникновению более прочных связей.
2. Ковалентные связи в соединениях углерода образуются двумя способами:
А) Если две атомные орбитали перекрываются вдоль их главных осей, то образующуюся связь называют — σ-связью.
Геометрия. Так, при образовании связей с атомами водорода в метане четыре гибридные sр3~орбитали атома углерода перекрываются с s-орбиталями четырех атомов водорода, образуя четыре идентичные прочные σ-связи, располагающиеся под углом 109°28' друг к другу (стандартный тетраэдрический угол). Сходная строго симметричная тетраэдрическая структура возникает также, например, при образовании ССl4; если же атомы, образующие связи с углеродом, неодинаковы, например, в случае СН2С12, пространственная структура будет несколько отличаться от полностью симметричной, хотя по существу она остается тетраэдрической.
Длина σ-связи между атомами углерода зависит от гибридизации атомов и уменьшается при переходе от sр3 – гибридизации к sр. Это объясняется тем, что s – орбиталь находится ближе к ядру, чем р-орбиталь, поэтому, чем больше её доля в гибридной орбитале, тем она короче, а следовательно, короче и образующаяся связь
Б) Если две атомные p-орбитали, расположенные параллельно друг другу, осуществляют боковое перекрывание над и под плоскостью, где расположены атомы, то образующуюся связь называют — π (пи)-связью
Боковое перекрывание атомных орбиталей менее эффективно, чем перекрывание вдоль главной оси, поэтому π -связи менее прочны, чем σ -связи. Это проявляется, в частности, в том, что энергия двойной углерод-углеродной связи превышает энергию одинарной связи менее чем в два раза. Так, энергия связи С—С в этане равна 347 кДж/моль, тогда как энергия связи С = С в этене составляет только 598 кДж/моль, а не ~ 700 кДж/моль.
Степень бокового перекрывания двух атомных 2р-орбиталей, а следовательно, и прочность π -связи максимальна, если два атома углерода и четыре связанные с ними атомы расположены строго в одной плоскости, т. е. если они копланарны, поскольку только в этом случае атомные 2р-орбитали точно параллельны одна другой и поэтому способны к максимальному перекрыванию. Любое отклонение от копланарного состояния вследствие поворота вокруг σ-связи, соединяющей два атома углерода, приведет к уменьшению степени перекрывания и соответственно к снижению прочности π-связи, которая, таким образом, способствует сохранению плоскостности молекулы.
Вращение вокруг двойной углерод-углеродной связи невозможно.
Распределение π-электронов над и под плоскостью молекулы означает существование области отрицательного заряда, готовой к взаимодействию с любыми электронодефицитными реагентами.
Атомы кислорода, азота и др. также имеют разные валентные состояния (гибридизации), при этом их электронные пары могут находиться как на гибридных, так и p-орбиталях.