Учебные материалы/ Органическая химия

Стереохимия - часть химии, посвященная изучению пространственного строения молекул и влияния этого строения на физические и химические свойства вещества, на направление и скорость их реакций. Объектами изучения в стереохимии являются, главным образом, органические вещества. Пространственное строение органических соединений связано прежде всего со стереохимическими особенностями атома углерода. Эти особенности зависят в свою очередь от валентного состояния (типа гибридизации).

В состоянии sp³-гибридизации атом углерода связан с четырьмя заместителями. Если представить себе атом углерода находящимся в центре тетраэдра, то заместители расположатся в углах тетраэдра. Примером может служить молекула метана, геометрия которой приведена ниже:

Если все четыре заместителя одинаковы (СH₄, CCl₄), молекулa представляет собой правильный тетраэдр с валентными углами 109^о28'. Если с центральным углеродным атомом связаны неодинаковые заместители, то валентные углы могут на несколько градусов отклоняться от тетраэдрических; разными оказываются и длины связей - тетраэдр становится неправильным.

В состоянии sp²-гибридизации атом углерода связан с тремя заместителями, причем все четыре атома лежат в одной плоскости; валентные углы равны 120^о. Между двумя соседними атомами углерода, находящимися в состоянии sp²-гибридизации, устанавливается, как известно, не только обычная сигма-связь (когда максимум электронной плотности находится точно на воображаемой линии, связывающей ядра взаимодействующих атомов), но и вторая связь особого типа. Эта так называемая пи-связь образуется путем перекрывания негибридизованных р-орбиталей.

Наибольшее перекрывание может быть достигнуто при параллельном расположении р-орбиталей: именно это положение является энергетически более выгодным, его нарушение требует затраты энергии на разрыв пи -связи. Поэтому свободное вращение вокруг двойной углерод-углеродной связи отсутствует (важным следствием отсутствия свободного вращения вокруг двойной связи является наличие геометрических изомеров; см. раздел II.2).

Для пи-связи на линии, связывающей ядра взаимодействующих атомов, электронная плотность нулевая; максимальна она "над" и "под" плоскостью, в которой лежит связь между ними. По этой причине энергия пи -связи меньше, чем сигма-связи, и в большинстве органических реакций для соединений, имеющих в своем составе как пи-, так и сигма- связи, в первую очередь разрываются менее прочные пи-связи.

Углерод в состоянии sp-гибридизации связан с двумя заместителями; все четыре атома системы с тройной связью лежат на одной прямой, валентный угол равен 180^о.