Глава 1. Строение атома углерода. Гибридизация

Введение.

К настоящему времени известно чуть более 120 элементов, часть из них получены искусственным путем и в природе не встречаются. Общее число химических соединений этих элементов около 25 тысяч. Есть только один элемент в периодической системе Д.И. Менделеева, количество соединений которого исчисляется десятками миллионов – это углерод. Атомы углерода обладают практически уникальной способностью образовывать устойчивые связи между собой с образованием цепочек, циклов и каркасных структур практически любой протяженности*. На основе соединений углерода базируется и «особый вид существования белковых тел» - жизнь. Изначально, когда соединения углерода выделяли исключительно из продуктов животного или растительного происхождения - эти соединения стали называть органическими.

Позднее, когда химики смогли получать многие из этих соединений без привлечения живой материи, название все равно сохранилось. Таким образом, за дисциплиной изучающей соединения углерода прочно закрепилось название «Органическая химия» в противовес «Неорганической химии», в чьем ведении осталась химические свойства всех остальных элементов. Органическая химия изучает не только огромное количество соединений, но и значительное количество разнообразных превращений органических веществ. Ориентировочно представить объем базовой информации, можно рассмотрев объем информации, собранный в наиболее полном справочнике – 12-ти томах «Общей органической химии»1.

Фридрих Веллер**

Естественно, даже малую часть фактического материала известного на данный момент «утрамбовать» в небольшой спецкурс невозможно. Однако есть общие закономерности в свойствах основных классов органических соединений и направлениях протекания органических реакций. Именно общим свойствам, присущим целым классам органических соединений, и основным механизмам протекания органических реакций посвящен курс «Теоретические основы органической химии».

*Таким свойством в очень ограниченной степени обладает сера, она образует стабильные циклические молекулы S₈ черенковой серы и метастабильные полимерные цепочки S_n пластической серы. Атомы кремния также способны образовывать связи Si-Si, однако, соединения, содержащие подобные связи весьма не устойчивы и легко подвергаются гидролизу или окислению. В отличие от углерода, кремний и имеет высокое сродство к кислороду, и большинство поликремниевых соединений содержат связь Si-O-Si.

**Фридрих Веллер в 1828 году осуществил первый в истории органический синтез. При нагревании цианата аммония он получил мочевину (карбамид) и в дальнейшем показал ее полную идентичность с природной.

Глава 1. Строение атома углерода. Гибридизация.

Простейшая органическая молекула – первый представитель класса алканов – метан. Из структурных исследований известно что молекула СН₄ имеет строение правильного тетраэдра с атомом углерода в центре и атомами водорода в вершинах. Как известно, геометрия молекул определяется пространственным расположением электронных облаков соответствующих атомов образующих молекулу, как участвующих в образовании связей так и не участвующих. Однако для атома углерода сразу возникает противоречие. Электронное строение внешнего уровня атома углерода 2s²p². При этом на s подуровне находится электронная пара, а на двух р-орбиталях по одному неспаренному электрону. Из этого строения вытекает двухвалентность атома углерода, что практически никогда не реализуется в действительности. Углерод практически всегда четырехвалентен, как в метане. Редким исключением является угарный газ СО, в котором углерод действительно двухвалентен.

Современное объяснение четырехвалентности углерода основано на модели гибридизации атомных орбиталей. Предлагается, что четыре валентных электрона атома углерода располагаются на четырех вырожденных гибридных орбиталях (т.н. sp³-орбиталях). Эти орбитали направлены к вершинам правильного тетраэдра. Угол между орбиталями 109,5˚, что соответствует максимальному удалению их друг от друга. В отличие от р-орбиталей, гибридные sp-орбитали не симметричны относительно узла и плотность вероятности нахождения электрона в большей доле значительно выше. Химическая связь при наличии данного типа гибридизации осуществляется за счет фронтального перекрывания sp³-орбитали (σ-связь). Такую гибридизацию имеют атомы углерода в наиболее твердой аллотропической модификации углерода – алмазе.

sp³-Гибридизация объясняет тетраэдрическую конфигурацию атома углерода в насыщенных органических соединениях (содержащих одинарные, или «простые» связи С-С). Однако атомы углерода способны образовывать кратные связи (двойные и тройные) между собой и с атомами других элементов. Геометрия молекул содержащих кратные связи существенно отличается от тетраэдра. Углы при атоме углерода при двойной связи составляют 120^◦, а при тройной 180^◦. Для объяснения этого в концепции гибридизации постулируется возможность участия в образовании гибридных орбиталей не всех атомных р-орбиталей. В молекулах содержащих двойную связь в гибридизации участвует только две из трех р-орбиталей с образованием трех гибридных sp²-орбиталей лежащих в одной плоскости. Негибридизованная р_z-орбиталь располагается перпендикулярно этой плоскости. При этом одна из кратных связей образуется за счет фронтального перекрывания гибридных орбиталей (σ-связь), а вторая – за счет бокового перекрывания негибридизованных р-орбиталей (π-связь). Гибридизацию sp² имеют атомы углерода в самой распространенной аллотропической модификации углерода – графите, и открытых в конце 20-го века фуллеренах (молекулярная форма углерода).

При образовании тройной связи две из трех связей образуются за счет бокового перекрывания взаимно перпендикулярных негибридизованных р-орбиталей (π-связи), а одна – за счет фронтального перекрывания одной из противоположно направленных sp-гибридных орбиталей (σ-связь).

Увеличение кратности связи С-С приводит к уменьшению длины и увеличению прочности углерод-углеродной связи – (1,54Ǻ, 369 кДж) простая связь, (1,34Ǻ, 605 кДж) двойная связь и (1,20Ǻ, 814 кДж) тройная связь. Кроме того меняются другие физические характеристики связей, так барьер вращения вокруг двойной С=С связи значительно выше, чем вокруг одинарной, за счет наличия не осевой π-связи (вращение вокруг связи С=С возможно только за счет обратимого разрыва π-связи). Вращение вокруг тройной связи наблюдать не возможно по причине линейности ее строения. Углерод в состоянии sp-гибридизации присутствует в аллотропической модификации – карбине. Карбин представляет собой длинные молекулярные цепочки атомов углерода с чередованием одинарных и тройных связей.