Основное и возбужденное состояние

Возбужденное состояние атома – это состояние с более высокой энергией, чем основное. При поглощении энергии (Е) один из электронов 2s-подуровня переходит на свободную орбиталь 2р-подуровня, в результате число неспаренных электронов увеличивается до четырех:

Углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен, то есть в образовании связей участвуют все внешние электроны.

Углерод, связанный с одним соседним углеродным атомом, называется ПЕРВИЧНЫМ, с двумя- ВТОРИЧНЫМ, с тремя - ТРЕТИЧНЫМ, с четырьмя - ЧЕТВЕРТИЧНЫМ. Водород в органических соединениях всегда одновалентен. Валентность обозначается черточкой.

.

В органической химии широко используется понятие о гибридизации атомных орбиталей (АО). Гибридизация -это смешение атомных орбиталей разной формы, обладающих различной энергией; в результате образуются гибридные орбитали, одинаковые по форме и энергии Число образующихся гибридных орбиталей равно числу орбиталей, участвующих в гибридизации.

В зависимости от типа гибридизации углеродного атома рассматривают его различные валентные состояния:

¹sp³ - гибридизация - первое валентное состояние (имеют форму объемной восьмерки у которой одна из лопастей значительно больше другой). Эти орбитали располагаются в пространстве относительно друг друга под углом 109,5° (а и б).

²sp² - гибридизация - второе валентное состояние (имеет тригональную (треугольник) конфигурацию. 120^о);

³sp - гибридизация - третье валентное состояние (имеет линейную конфигурацию. 180^о);

Химические связи в органических соединениях

Для неорганических соединений более характерны ионные связи, а для органических – ковалентные.

Ковалентной называется химическая связь, образованная за счет обобществления электронов связываемых атомов.

В органических соединениях существуют два типа ковалентных связей: σ (сигма) и π (пи)- связи.

σ –связь – это одинарная ковалентная связь, образованная при перекрывании АО по прямой (оси), соединяющей ядра двух связываемых атомов с максимальным перекрыванием на этой прямой (такое перекрывание называется осевым). σ -связь отличается большой прочностью, так как электронная плотность в ней сосредоточена на кратчайшем расстоянии между двумя ядрами. В образовании σ -связи со стороны атома углерода всегда участвует гибридная sp³, sp²-или sp-орбиталь.

Если принять относительную эффективность перекрывания s-АО за единицу, то согласно расчетным данным, эффективность перекрывания других орбиталей возрастает в последовательности:

π–Связь – эта связь, образованная при боковом перекрывании негибридизованных р-АО с максимальным перекрыванием над и под плоскостью σ –связей. При образовании π -связи р-АО перекрываются не в межъядерном пространстве, а вне его. Поэтому такое боковое перекрывание будет менее эффективным, чем осевое, и, следовательно, π -связь будет менее прочной, чем σ –связь

π–связь в этилене расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения σ-связей. В ацетилене имеющиеся две π -связи расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях:.

Система сопряжения может быть открытой или замкнутой (например, нафталин – см выше) и содержать не только атомы углерода, но и гетероатомы.

π, π – сопряженные системы

Делокализованные МО (молекулярные орбитали) могут принадлежать двум или более π -связям, тогда такой тип сопряжения называют π, π ~ сопряжением: например, образование сопряженной системы в молекуле бутандиена –1,3.

длина С-С – связей

перекрывание р-АО

делокализованная π-МО

Перекрывание происходит не только между р-АО С-1 и С-2, С-3 и С-4, а также между р-АО С-2 и С-3.

Выигрыш в энергии, получаемый в результате сопряжения, называется энергией сопряжения (энергией делокализации). Для бутадиена-1,3 энергия сопряжения невелика (15 кДж/моль). Цепь сопряжения может включать большое число кратных связей, и в этом случае энергия сопряжения может стать значительной величиной. Чем больше цепь сопряжения, тем более стабильным будет соединение.

π, р – сопряженные системы

Этот тип сопряжения осуществляется в том случае, когда орбитали двойных (или тройных) π связей перекрываются с р – орбиталью соседнего атома и образуется единая делокализованная система π -электронов. р, π -сопряжение осуществляется в молекулах, содержащих фрагмент , где X — гетероатом, имеющий свободную (не участвующую в образовании ковалентной связи) пару электронов на р-АО. Примерами таких систем являются винилдиметиламин

Участие атома углерода в р, π -сопряжении с кратной связью возможно только в том случае, если он превратится в радикал, катион или анион. При этом произойдет регибридизация такого атома из sp³- в sp ²-состояние.

Примерами таких систем являются аллильные свободные радикалы, аллильные катионы и анионы. В аллильном радикале на р-АО атома углерода, сопрягающегося с двойной связью, находится 1-ин электрон; в аллильном катионе в сопряжение вступает вакантная р- орбиталь; в аллильном анионе атом углерода, несущий отрицательный заряд, поставляет в систему сопряжения 2 электрона.

Свободный радикал карбокатион и т.д.