Общая химия

Таким образом, многообразие органических соединений определяется и тем, что при одинаковом числе атомов углерода в молекуле возможны соединения с открытой, незамкнутой цепью углеродных атомов, а также вещества, молекулы которых содержат циклы (циклические соединения).

3. Ковалентные связи между атомами углерода, образованные одной парой обобщенных электронов, называют простыми (или ординарными) связями.

Связь между атомами углерода может осуществляться не одной, а двумя или тремя общими парами электронов. Тогда получаются цепи с кратными — двойными или тройными связями; эти связи можно изобразить следующим образом:

Простейшие соединения, содержащие кратные связи, - углеводороды этилен (с двойной связью) и ацетилен (с тройной связью):

Углеводороды с кратными связями называются непредельными или ненасыщенными. Этилен и ацетилен — первые представители двух гомологических рядов — этиленовых и ацетиленовых углеводородов.

Рис. 124. Схема образования ^^^ -связей в молекуле этана.

Простая ковалентная связь ^^^ (или С: С), образованная перекрыванием двух ^^^ -гибридных электронных облаков по линии, соединяющей центры атомов (по оси связи), как, например, в этане (рис. 124), представляет собой ^^^ -связь (см. § 42). Связи ^^^ также являются ^^^ -связями — они образуются перекрыванием по оси связи ^^^ -гибридного облака атома С и шарового облака ^^^ -электрона атома Н.

Природа кратных углерод-углеродных связей несколько иная. Так, в молекуле этилена при образовании двойной ковалентной связи ^^^ (или ^^^ ) в каждом из атомов углерода в гибридизации участвует одна ^^^ -орбиталь и только две р-орбнтали ( ^^^ -гибридизация); одна из р-орбиталей каждого атома С не гибридизуется. В результате образуются три ^^^ -гибридных электронных облака, которые участвуют в образовании трех ^^^ -связей. Всего в молекуле этилена пять ^^^ связей (четыре ^^^ и одна ^^^ ); все они расположены в одной плоскости под углами около 120° друг к другу (рис. 125).

Таким образом, одна из электронных пар в связи ^^^ осуществляет ^^^ -связь, а вторая — образуется р-электронами, не участвующими в гибридизации; их облака сохраняют форму объемной восьмерки ^^^ , ориентированы перпендикулярно к плоскости, в которой расположены ^^^ -связи, и перекрываются над и под этой плоскостью (рис. 126), образуя ^^^ -связь (см. § 42).

Рис. 125. Схема образования ^^^ -связей в молекуле этилена.

Рис. 126. Схема образования ^^^ -связи в молекуле этилена.

Следовательно, двойная связь С = С представляет собой сочетание одной ^^^ и одной ^^^ -связей.

Тройная связь ^^^ (или ^^^ ) является сочетанием одной ^^^ -связи и двух ^^^ -связей. Например, при образовании молекулы ацетилена в каждом из атомов углерода в гибридизации участвует одна ^^^ -орбнталь и только одна р-орбиталь ( ^^^ -гибридизация); в результате образуются два ^^^ -гибридных электронных облака, участвующих в образовании двух ^^^ -связей. Облака двух р-электронов каждого атома С не гибридизуются, сохраняют свою конфигурацию и участвуют в образовании двух ^^^ -связей. Таким образом, в ацетилене всего три ^^^ -связи (одна ^^^ и две ^^^ ), направленные вдоль одной прямой, и две ^^^ -связи, ориентированные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 127).

Кратные (т. е. двойные и тройные) связи при реакциях легко превращаются в простые; тройная вначале переходит в двойную, а последняя — в простую. Это обусловлено их высокой реакционной способностью и имеет место при присоединении каких-либо атомов к паре атомов углерода, связанных кратной связью.

Переход кратных связей в простые объясняется тем, что обычно ^^^ -связи обладают меньшей прочностью и поэтому большей лабильностью по сравнению с ^^^ -связями. При образовании ^^^ -связей р-электронные облака с параллельными осями перекрываются в значительно меньшей степени, чем электронные облака, перекрывающиеся по оси связи (т. е. гибридные, ^^^ -электронные или ориентированные вдоль оси связи р-электронные облака).

Рис. 127. Схема образования ^^^ -связей в молекуле ацетилена.

Рис. 128. Модели молекулы этилена: а - шариковая; б — сегментовая.

Кратные связи прочнее простых. Так, энергия разрыва связи ^^^ составляет ^^^ , связи ^^^ , а связи ^^^ только ^^^ .

Из сказанного следует, что в формулах две черточки из трех в связи ^^^ и одна черточка из двух в связи ^^^ выражают связи менее прочные, чем простая связь ^^^ .

На рис. 128 и 129 представлены шариковые и сегментовые пространственные модели соединений с двойной (этилен) и с тройной (ацетилен) связями.

4. Теория строения объяснила многочисленные случаи изомерии органических соединений.

Цепи из атомов углерода могут быть неразветвленными или разветвленными:

Так, состав ^^^ имеют три предельных углеводорода (пентана) с различным строением цепей — один с неразветвленной цепью (нормального строения) и два с разветвленной (изостроения):

Состав ^^^ имеют три непредельных углеводорода ^^^ два нормального строения, но изомерные по положению двойной связи и один — изостроения:

Рис. 129. Модели молекулы ацетилена: а шариковая; б — сегментовая.