Начальные теоретические понятия в органической химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 544 (072)

БрГУ

Начальные теоретические понятия в органической химии

В.Г. Салищев

Органическая химия, как и любой другой предмет, имеет свою специфику, поскольку изучает колоссальное количество известных соединений и практически безграничное число их может быть синтезировано. Особенности химического языка и терминологии, качественно новые понятия (номенклатура, функциональные группы) и явления в органической химии, такие как гомология, изомерия, специфика химического взаимодействия органических молекул, определяемая особенностями ковалентной связи, - все это создает немалые трудности в ходе изучения органической химии. Поэтому необходимо, чтобы изучение химических свойств и способов получения органических соединений сопровождалось комплексом теоретических представлений о природе химической ковалентной связи с электронной и квантово-химической точки зрения, об электронном строении органических молекул, взаимном влиянии атомов в молекуле, обуславливающем их «поведение» в химических реакциях, их реакционную способность, о механизмах реакций, знание которых позволяет объяснить и предсказать направление реакций.

Одним из основных вопросов теории органической химии является вопрос о природе химической связи. Специфика химической связи определяет особенности поведения соединений. Почему органические соединения резко отличаются по своим свойствам от неорганических. Действительно, по преимуществу ионно-связанные неорганические соединения высокополярны, часто солеобразны, в водных растворах электропроводны, имеют высокие температуры плавления и кипения и представляют собой в основном твердые вещества, образующие ионные кристаллические решетки. В то же время органические соединения малополярны, как правило, плохо растворимы в воде, растворы их не проводят электрический ток, они имеют низкие температуры плавления и кипения, образуют молекулярные кристаллические решетки. Подобные отличия определяются тем, что в органических веществах атомы соединяются главным образом ковалентной связью. Поэтому понятие о природе ковалентной связи, ее характеристиках, поведении в различных условиях относятся к теоретическим основам оргаческой химии [1].

Понятие физической природы химической связи стало возможным после открытия элетрона в 1897 г. Первые электронные теории в органической химии (Коссель, Льюис, Штарк) объясняли явления на качественном уровне. Высказываемые гипотезы о роли и распределении электронов в органических молекулах учитывали достижения физики в области строения атома, и выводы из гипотез сопоставлялись с фактами. Атомы многих элементов обнаружили тенденцию к приобретению, отдаче или обобществлению электронов с образованием устойчивых ионов или центральных атомов, обладающих конфигурацией инертных газов. Это наблюдение послужило предпосылкой к возникновению «октетной теории», или теории «электронных пар». Учитывая стабильность конфигурации из восьми электронов, авторы «октетной теории» постулировали, что при возникновении химической связи атомы стремятся образовать устойчивый октет. В октетных формулах атом любого элемента должен быть окружен восемью электронами, а у атомов элементов высших периодов возможно расширение электронного октета. Например, хотя, «октетная теория» имеет значительные ограничения, она сыграла положительную роль, так как позволила подразделить химическую связь на основные типы.

Возникновение стабильных восьмиэлектронных оболочек атомов в образующихся молекулах может происходить двумя путями, каждый из которых приводит к определенному типу связи.

Гетерополярная, электровалентная связь, или ионное взаимодействие (Коссель), возникает в том случае, когда образование устойчивых октетов связано с полной отдачей электронов одними атомами и приобретением их другими. При этом атомы превращаются в ионы с завершенными внешними оболочками. Связь, образованная за счет электростатического притяжения между ионами, называется электровалентной. Примеры гетерополярной связи в органической химии - соли карбоновых кислот, алкоголяты спиртов, металлоорганические соединения, ацетелиниды. Гомеополярная, ковалентная, или атомная связь, образуется в том случае, когда устойчивые октеты создаются путем обобществления электронов. Связывание атомов в молекуле осуществляется электронной парой, принадлежащей одновременно двум атомам. Различают два механизма образования ковалентной связи. Коллигация (обменный механизм) - каждый из атомов предоставляет по одному электрону в общее пользование. Координация (донорно-акцепторный механизм) - один из атомов (донор) предоставляет в общее пользование электронную пару, а другой (акцептор) имеет в своей оболочке вакантную орбиталь. Оба механизма представляют собой два различных способа образования одной и той же ковалентной связи, характеристики которой не зависят от механизма ее образования. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи часто встречается в соединениях, содержащих атомы с неподеленными электронными парами, также, как азот, кислород, сера. Например, при взаимодействии метиламина с хлороводородом возникает ковалентная связь между азотом и водородом по механизму координации. Атом азота (донор) отдает свою неподеленную электронную пару (НЭП) в общее пользование, тогда как протон (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь. Вновь образовавшаяся связь N-H в молекуле хлорида метиламмония не отличается от других, имевшихся уже в молекуле N-H-связей, кроме механизма образования. Однако в ходе образования новой связи атом азота получил положительный заряд, тогда как протон превратился в нейтральный атом водорода [2].

Для выявления зарядов на атомах, связывающихся по механизму координации, следует изображать формулы Льюиса и придерживаться следующих правил: обобществленная электронная пара принадлежит обоим атомам и учитывается при подсчете каждого из них. Каждому из атомов формально приписывается полное владение одним электроном из связующей электронной пары независимо от того, отдал атом фактически свои электроны в общее пользование или нет. При образовании хлорида метиламмония ковалентная связь образовалась за счет НЭП азота. Следовательно атом азота формально потерял один электрон и зарядился положительно. Катион водорода приобрел один электрон из общей пары, поэтому стал нейтральным. Образование таких связей сопровождается появление ионов и ионного взаимодействия. Образование ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму приписывается не только при образовании аммониевых соединений, но и оксониевых сульфониевых соединений [2]. химический атом молекула семиполярный

По донорно-акцепторному механизму образуется разновидность ковалентной связи - семиполярная связь. Семиполярной называют такую связь, в которой ковалентносвязанные атомы несут противоположные формальные заряды, например, в боразане. Этот вид связи представляет собой комбинацию ковалентной и электровалентной связи. От обычной ковалентной семиполярная связь отличается тем, что связанные атомы несут формальные заряды. Но в отличие от электровалентной связи эти атомы соединены общей электронной парой, и поэтому молекула не диссоциирует в водном растворе [3].

Таким образом, резкие различия свойств органических соединений от неорганических обусловлены прежде всего присутствием в органических соединениях преимущественно ковалентной связи и связаны с особенностями механизмов ее образования и распада, а также с особенностями свойств различных типов ковалентной связи.

Список литературы

1. Иыгольд, К. Теоретические основы органической химии / К. Иыгольд. - М. : Мир, 1973. - 1055 с.

2. Терней, А. Современная органическая химия / А. Терней. - М. : Мир, 1981. - Т. 1. - 678 с.

3. Райд, К. Курс физической органической химии / К. Райд. - М. : Мир, 1972. - 575 с.

Размещено на Allbest.ru