Ковалентная связь

Краснокутская Елена Александровна,
д.х.н., заведующий кафедрой
Биотехнологии и органической химии
eak@tpu.ru
Органическая химия
Лекционный курс
2016г.
Структура курса и
информационные источники
Лекции 32 ч.
Лаборатория 48 ч.
Экзамен
Введение.
1. Проблема химической связи
2. Энергетика органических реакций.
3. Интермедиаты органических реакций.
Факторы, влияющие на устойчивость
интермедиатов (индукционный эффект).
4. Основы теории кислот и оснований
5. Алканы
6. Алкены
7. Алкины
8. Органические галогениды
9. Спирты и простые эфиры
10. Альдегиды и кетоны
11. Карбоновые кислоты и их производные
12. Амины
13. Ароматические соединения
http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/e/EAK
Учебники:
1. Травень В.Ф. Органическая химия : учебное пособие для
вузов : в 3 т.— Москва: Академкнига, 2013.
2. Юровская М.А. Основы органической химии.— Москва:
Бином ЛЗ, 2012. — 236 с.
Сборники задач для выполнения ИДЗ:
1. Сарычева Т.А. и др. «Алифатические и ароматические
углеводороды». – Томск: ТПУ, 2012.
2. Сарычева Т.А. и др. «Галоген- и кислородсодержащие
соединения». – Томск: ТПУ, 2012.
3. Юсубова Р.Я. «Альдегиды и кетоны». – Томск: ТПУ, 2011.
5. Тимощенко Л.В. «Спирты и фенолы». – Томск: ТПУ, 2012.
6. Штрыкова В.В. «Карбоновые кислоты». – Томск: ТПУ, 2012.
Лекция №1
1. Введение.
2. Проблема химической связи
«Органическая химия»
Органическая химия – это химия соединений
углерода. Название «органический» сохранилось с давних
времен (XVII в.), когда все вещества, в зависимости от
источника происхождения, делили на «неорганические»
(полученные из минералов) и «органические» (соединения
животного или растительного происхождения).
Реакция Велера, 1825г.
Известно более 25 миллионов органических соединений, их молекулы могут
быть большими по размеру и сложными построению
Роберт Вудворд
(10.04.1917–8.07.1979)
Витамин В12 (цианкобаламин)
Вудворд, Эшенмозер, 1973
Органический синтез – наука или искусство?
Органические соединения разделены на классы
Класс
Группа
Пример
Алканы
-
СH3CH3
этан
CH2=CH2
этен (этилен)
Алкены
этин (ацетилен)
Алкины
Органические
галогениды
СН3СН2Сl
хлорэтан (этил хлорид)
Спирты
СН3СН2ОН
этанол (этиловый спирт)
Простые
эфиры
СН3СН2ОСН2СН3
диэтиловый эфир
Альдегиды
этаналь (уксусный
альдегид)
Кетоны
пропанон (ацетон)
Карбоновые
кислоты
этановая кислота
(уксусная кислота)
Класс
Группа
Пример
Сложные эфиры
этиловый эфир этановой кислоты
Ангидриды карбоновых
кислот
ангидрид этановой кислоты,
Галоидангидриды
Карбоновых
кислот
хлорангидрид этановой кислоты
Амиды карбоновых
кислот
этанамид
Нитрилы
этаннитрил (ацетонитрил)
Амины (первичный)
СН3СH2NH2
этанамин
Нитросоединения
СН3СH2NО2
нитроэтан
Арены
метилбензол (толуол)
Фенолы
3-этилфенол
Предмет органической химии
Выделение
индивидуальных
соединений
из природных
веществ
Органическое
вещество
Установление
структуры
органического
соединения
Установление
закономерностей
реакций
Синтез
органических
соединений,
имеющих
практическое
значение
Чем обогатила современную цивилизацию органическая химия?
Медицинские
препараты
Пищевые
добавки
Углеводороды
Косметические и
душистые вещества
Искусственные материалы
Красители
Мыла
«Невозможно решать проблемы, используя для этой
цели тот же самый метод рассуждений, который
мы использовали, когда создавали их»
А. Эйнштейн
Химия в интересах
устойчивого развития.
«Зеленая» химия
Основы теории строения органических молекул
А. Купер всё своеобразие органических веществ объяснял
способностью атомов углерода соединяться с 4 или 2
эквивалентами различных элементов, а также друг
с другом в цепочку.
Ф. Кекуле впервые (1867) стал использовать термин
«валентность».
Углерод определил как четырёхосновный элемент.
•
•
•
•
А.М. Бутлеров ввел понятие химического
строения (под которым понимал порядок
связей в молекуле).
Важная идея: химическое строение
вещества определяет его химические и
физические свойства.
К началу 20 в. было известно:
в состав органического вещества обязательно входит углерод,
углерод может быть одновременно соединен с 4-мя другими атомами,
чрезвычайно важной является последовательность соединения атомов.
эта последовательность определяет индивидуальные физические свойства вещества –
температуру плавления и кипения, удельный вес, растворимость.
Написание структур органических молекул
HHH
H HH
H C HH
H C H H HH C C H
H C C C C C C C H
H H H H H H H
2,8-диметилнонан
Валентность углерода
в органических
молекулах = 4
H
C CH3
CH3
H3C CH H2C
CH3
CH2
H2C
CH2
C
H2
2,8-dimethylnonane
CH3CH(CH3)CH2CH2CH2CH2CH2CH(CH3)CH3
C11H24
Какая сила удерживает атомы в молекуле, как образуется
химическая связь и какова ее природа?
Ковалентная связь – наиболее часто
встречающийся тип связи в
органических молекулах
Типы химической связи,
встречающиеся в органических молекулах
• Ковалентная связь
• Донорно-акцепторная связь
• Ионная связь
• Водородная связь
Описание механизма образования ковалентной связи возможно с использованием трех теорий:
электронной теории Льюиса, метода валентных связей, метода молекулярных орбиталей
Все три теории объединяет один общий фундаментальный вывод: образование любой
химической связи сопровождается уменьшением внутренней энергии системы, т.е.
приобретением системой более устойчивого энергетического состояния
Ковалентная связь образуется за счет обобществления пары валентных
электронов атомов, участвующих в образовании связи;
Ковалентная связь характеризуется:
• полярностью,
• направленностью,
• насыщаемостью.
Электронная теория Льюиса
Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов
атомов, участвующих в образовании связи. «Движущей силой»
образования связи является заполнение внешней электронной оболочки
каждого из атомов.
Октетное правило Льюиса:
«При образовании молекул атомы удовлетворяют свою
потребность в достижении 8 электронной валентной
оболочки, подобной электронной конфигурации
благородных газов за счет попарного обобществления
своих валентных электронов»
Структуры Льюиса
Строение атома углерода
согласно модели Н.Бора
современное изображение
структуры Льюиса
Молекул формальдегида
и диметиламина
Квантово-механическая теория ковалентной связи
Уравнение Шредингера
Ĥφ=Eφ
φ – переменная величина;
E – полная энергия;
Ĥ – оператор Гамильтона
Уравнение Шредингера – это дифференциальное уравнение.
Его решения – простые уравнения, для которых можно
построить графики.
Эти графики служат трехмерным изображением
электронной плотности и называются орбиталями, или
электронными облаками
Если две части какой-либо орбитали
разделены узлом, функция φ всегда имеет
противоположные знаки по обе стороны
узла
а – 1s-орбиталь
б – 2p-орбитали
Каждая p-орбиталь имеет узловую область,
вероятность нахождения в которой электрона
ничтожна мала. Знаки «+», «-» являются знаками
волновой функции φ.
уравнение Шредингера имеет точное решение
только для одноэлектронной системы, т.е. оно
малопригодно для описания электронов
молекулы
Метод валентных связей
выполнен теоретический расчет энергии двух атомов водорода
(молекулы водорода) в зависимости от расстояния между ними
Когда электроны атомов водорода обладают
противоположными спинами, при
сближении происходит уменьшение энергии
системы – возникает химическая связь
Метод валентных связей. Полярность ковалентной связи
Ковалентная связь будет полярной, если
связанные атомы по-разному
притягивают электроны, т.е. отличаются
по своей электроотрицательности
Термин электроотрицательность (χП) впервые ввел Л.
Полинг и определил его как «способность атома в
молекуле оттягивать электроны на себя»
Атом
Na
Mg
Si
B
P
H
C
S
N
Cl
O
χП
0.9
1.2
1.9
2.0
2.2
2.2
2.5
2.6
3.0
3.2
3.4
чем больше величина χП, тем выше способность атома оттягивать на себя электроны
Мера полярности связи - дипольный момент связи (μ), Д (D) дебай
Связь
H3C-CH3 C-Cl
C-F
C-N
C-O
C=O
D
0
1.8
1.0
1.2
2.7
1.9
μ = e ·l
e - величина заряда;
l - длина связи
Метод валентных связей. Направленность ковалентной связи
распределение электронов внешнего
энергетического уровня атома углерода
Концепция гибридизации орбиталей Дж. Слейтера и Л. Полинга
Схема гибридизация s- и p-орбиталей атома углерода
(sp3-гибридизация)
Гибридизация орбиталей —
гипотетический процесс смешения
разных (s, p, d) орбиталей центрального
атома многоатомной молекулы с
возникновением того же числа
орбиталей, эквивалентных по своим
характеристикам
Орбитали взаимодействующих атомов определенным образом расположены
в пространстве. Это обеспечивает образование наиболее прочной связи и
формирование определенной геометрии молекулы
Метод молекулярных орбиталей (МО).
Насыщаемость ковалентоной связи. Прочность связи
Насыщаемость - способность атомов образовывать ограниченное
число ковалентных связей. Количество связей, образуемых атомом,
ограничено числом его внешних атомных орбиталей.
МО обозначают
греческими буквами s, p, d, f.
В общем случае связь, образованная электронным облаком, имеющим
максимальную плотность на линии, соединяющей центры атомов, называется
σ-связью
В общем случае связь, образованная электронами, орбитали
которых перекрываются по обе стороны от линии, соединяющей
центры атомов, называется π-связь
σ-связь более прочная, чем π-связь
Прочность связи
характеризуется энергией
связи.
Суммируем:
•
•
•
•
•
•
•
•
Ковалентная связь – наиболее часто встречающийся тип связи в органических молекулах.
Ковалентная связь образуется за счет обобществления взаимодействующими атомами
пары валентных электронов.
Описание механизма образования ковалентной связи возможно с использованием трех
теорий: электронной теории Льюиса, метода валентных связей, метода молекулярных
орбиталей.
Все три теории объединяет один общий фундаментальный вывод: образование любой
химической связи сопровождается уменьшением внутренней энергии системы, т.е.
приобретением системой более устойчивого энергетического состояния.
Ковалентная связь насыщаема, т.е. атом может образовывать только определенное
количество связей с другими атомами в молекуле. Так атом углерода в органической
молекуле может образовывать четыре связи с другими атомами.
Ковалентная связь может быть полярной и неполярной. Степень поляризации
ковалентной связи определяется разностью величин электроотрицательности атомов,
образующих эту связь. Мерой полярности связи является дипольный момент связи.
Прочность ковалентной связи определяется степенью перекрывания АО и характеризуется
энергией связи, чем больше ее величина, тем прочнее связь.
Ковалентная связь направлена в пространстве, т.е. орбитали взаимодействующих атомов
определенным образом расположены в пространстве. Это обеспечивает образование
наиболее прочной связи и формирование определенной геометрии молекулы.
Пространственное строение молекул наглядно описывается концепцией гибридизации
орбиталей.