Электронное строение элементов-органогенов. Химическая связь в органических молекулах

Биоорганическая химия изучает строение и свойства соединений, участвующих в процессах жизнедеятельности, во взаимосвязи с их биологическими функциями.

Основные объекты изучения биоорганической химии – это биополимеры (углеводы, пептиды и белки, нуклеиновые кислоты) и биорегуляторы (гормоны, витамины, лекарственные средства).

Биоорганическая химия неразрывно связана с органической химией, т.к. использует её методы и принципы. В основе теории органической химии, сформулированной А.М. Бутлеровым, лежит положение о зависимости свойств соединений от их химического строения и взаимного влияния атомов в молекулах. Это значит, что химические свойства органических соединений обусловлены типом химических связей, природой связываемых атомов и их взаимным влиянием. А это, в свою очередь, определяется электронным строением атомов и взаимодействием их атомных орбиталей.

Рассмотрим электронное строение атомов тех элементов, которые чаще всего встречаются в структуре органических молекул углерода, водорода, азота и кислорода.

Атомная орбиталь – это область пространства вокруг атомного ядра, в которой возможность нахождения электрона максимальна.

Водород – элемент первого периода, следовательно, его внешний электронный уровень представлен только s-орбиталью (она имеет сферическую форму). Углерод, азот и кислород – элементы второго периода, их внешний электронный уровень представлен одной s- и тремя p-орбиталями. Причём эти три p-орбитали характеризуются одинаковой формой (объёмной восьмёрки или гантели), энергией, но отличны ориентацией в пространстве (в трёхмерной системе координат – p_x, p_y и p_z).

Электронное строение углерода в основном состоянии 1s²2s²2p². В возбуждённом состоянии (т.е. при образовании связей) – 1s²2s2p³.

В органической химии широко используются представления о гибридных орбиталях. Сущность гибридизации заключается в том, что из нескольких различных орбиталей, близких по энергии, образуется такое же число атомных орбиталей одинаковых по форме и энергии. Гибридные орбитали за счёт большего перекрывания затем образуют более прочные связи по сравнению с негибридными.

Атомы углерода и азота могут находиться в одном из трёх состояний гибридизации – sp³, sp², sp. Для атома кислорода характерна sp³- и sp²-гибридизация.

Процесс sp³-гибридизации протекает с участием всех четырёх внешних атомных орбиталей углерода:

Гибридные орбитали равноценны, имеют форму неправильных объёмных восьмёрок и расположены в пространстве под углом 109^о28’, т.е. направлены к углам тетраэдра. Поэтому sp³-гибридизованный атом углерода называют тетраэдрическим. У атома углерода на каждой гибридной орбитали присутствует по одному электрону.

Электронная конфигурация sp³-гибридизованного атома азота отличается тем, что на одной из гибридных орбиталей у него присутствуют два электрона (электронная формула азота 1s²2s²2p³):

Эту пару электронов называют неподелённой электронной парой, т.к. обычно она не участвует в образовании связей. Валентный угол sp³-гибридизованного азота равен 107^о.

У sp³-гибридизованного атома кислорода (электронная формула – 1s²2s²2p⁴) две гибридные орбитали заняты неподелёнными электронными парами и валентный угол равен 104,5^о :

В sp²-гибридизации участвуют s-орбиталь и две p-орбитали:

Одна p_z-атомная орбиталь остаётся негибридизованной.
sp²-атомные орбитали расположены в одной плоскости под углом 120^о, а p_z-орбиталь – перпендикулярно им.

У sp²-гибридизованного атома углерода на каждой орбитали находится по одному электрону:

Распределение электронов по орбиталям (электронная конфигурация) у sp²-гибридизованного атома азота может быть различным: неподелённая электронная пара может находиться или на sp²-атомной орбитали, или на негибридной p_z-орбитали.

Известны также два типа sp²-гибридизованных атома кислорода: на p_z-орбитали может находиться один электрон или неподелённая электронная пара.

В sp-гибридизации участвуют s- и p-атомные орбитали:

Две гибридные орбитали

расположены под углом

180^о.

Оставшиеся негибридными py- и p_z-орбитали расположены перпендикулярно осям гибридных орбиталей и перпендикулярно друг другу:

У sp-гибридизованного атома углерода каждая орбиталь занята одним электроном:

Неподелённая электронная пара sp-гибридизованного азота всегда расположена на одной из гибридных орбиталей:

Для кислорода sp-гибридизация не характерна.

Очень важно научиться определять тип гибридизации и электронную конфигурацию атомов. Это необходимо для понимания распределения электронной плотности в молекулах, определения электронных эффектов, стабильности молекул и промежуточных частиц. А это, в свою очередь, помогает определить преимущественное направление реакции, сравнить активность различных соединений в той или иной химической реакции.

Как же правильно определить тип гибридизации атомов в молекулах?

Для углерода тип гибридизации определяется по количеству σ-связей. σ-Связи образуются за счёт гибридных орбиталей, значит, сколько σ-связей у углерода, столько и гибридных орбиталей. Например, определим тип гибридизации атомов углерода в молекуле пропена CH₂=CH-CH₃. Первый атом углерода образовал три σ-связи (одну – с соседним углеродом и две – с двумя атомами водорода), значит, у этого углерода три гибридных орбитали, что соответствует sp²-гибридизации. Второй атом углерода также образовал три σ-связи (две – с двумя соседними атомами углерода и одну – с водородом), т.е. он также находится в sp²-гибридизации. Третий углерод образовал четыре σ-связи, имея четыре гибридных орбитали, т.е. он sp³-гибридизован.

Тип гибридизации атомов азота или кислорода определяется по соседнему углероду, например, в молекуле этиламина CH₃-CH₂-NH₂ азот имеет sp³-гибридизацию так же, как и соседний углерод. В молекуле виниламина CH₂=CH-NH₂ азот sp²-гибридизован.

Если вы определили, что азот или кислород в какой-либо молекуле sp²-гибридизован, возникает следующая проблема. Нужно определить его электронную конфигурацию (распределение электронов по орбиталям). Другими словами, нужно определить число электронов на негибридной орбитали. Запомните, что если sp²-гибридизованный азот (или кислород) образовал только одинарные связи, на негибридной орбитали – 2 электрона (неподелённая электронная пара). Если же он образовал двойную связь, на негибридной орбитали – 1 электрон. Например, электронная конфигурация атома азота в молекуле виниламина CH₂=CH-NH₂ :

а в молекуле имина формальдегида CH₂=NH: