Органическая химия 2. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений

Продолжаем разбирать основы органической химии. В теории Бутлерова сказано, что одна из особенностей строения веществ — взаимное влияние атомов друг на друга. Химические связи определяют свойства соединений. Например, в зависимости от радикалов и полярности связей в бензольном кольце новые атомы замещаются в разных положениях. Теория взаимного влияния атомов в молекуле — достаточно сложная тема. В статье мы разберем ее основы. Если вы хотите понимать химию лучше, запишитесь на курсы подготовки к ЕГЭ, где каждый раздел изучается подробно. 

Химические связи в органических веществах

Прежде чем изучать влияние атомов друг на друга, нужно разобраться в природе связей в молекулах органических соединений. Вещества в органике образованы неметаллами — углеродом, кислородом, водородом, азотом, серой. Элементы связаны между собой ковалентными полярными связями. Они образуются в результате появления общих электронных пар. Рассмотрим на примере неорганического вещества — HCl. Водород имеет всего один электрон. Он и участвует в образовании соединений. У хлора на внешнем уровне 7 валентных электронов. Происходит объединение, при котором образуется общая плотность с 8 электронами. Хлор — более электроотрицательный элемент, поэтому он оттягивает на себя электронную плотность. 

Это влияет на свойства органических соединений. Когда молекула HCl распадается (например, в водных растворах), хлор забирает себе электроны и становится анионом с зарядом —. Он будет взаимодействовать с электроположительными областями, то есть является нуклеофилом. Водород лишается электрона, поэтому становится катионом с зарядом +. В реакциях он выступает в роли электрофила, взаимодействуя с электроотрицательными участками. Напомним, что при распаде молекул с неполярной связью образуются радикалы — нейтральные частицы. 

Смещение электронной плотности

Разберем влияние атомов в молекуле на примере хлорметана CH3Cl. В нем присутствуют три типа связей: С-С, С-Н и С-Cl. Связь С-С неполярна, поэтому ее мы рассматривать не будем. В группе CH3- углерод является более электроотрицательным элементом. Электронные плотности всех трех атомов водорода стянуты к нему. Они приобретают частично положительный заряд, а углерод — частично отрицательный. В связи C-Cl более электроотрицательным является хлор. Он забирает на себя электронную плотность со всей группы -CH3. В химии это обозначают стрелками: CH3→Cl. Метильный радикал передает электроны хлору, то есть является донором. Хлор, в свою очередь, выступает в роли акцептора. Если мы рассмотрим этан CH3-CH3, то не увидим такого явного донорно-акцепторного взаимодействия. Небольшое смещение наблюдается только по направлению от Н к С. В органических молекулах донорами являются все углеводородные радикалы. Акцепторами — группы, содержащие кислород, азот, галогены.

Индуктивный эффект

Первый вариант взаимного влияния атомов в молекулах органических веществ — индуктивный эффект. Он характеризует смещение плотности по сигма-связям. Эффект возникает в полярных молекулах, распространяется в одном направлении и быстро затухает. Пример индуктивного влияния — рассмотренный нами хлорметан CH3→Cl. Метильная группа — это электрофильный (донорный) участок, обладающий положительным индуктивным эффектом +I. Галоген выступает в роли нуклеофильного участка с отрицательным эффектом -I. Важный момент: в акцепторной области всегда есть элемент с высокой электроотрицательностью (O, N, Hal). 

Мезомерный эффект

Перед изучением мезомерного влияния атомов в молекулах органических веществ разберемся в таком понятии, как π-система. Как вам наверное известно, π-связь — часть кратной. Если в молекуле есть одна двойная или тройная связь, то она локализована, так как взаимодействует только с ядрами соседних атомов. Если же таких связей несколько и они разделены одним простым (сигма) переходом, то они делокализуются. Электронная плотность распределяется между всеми атомами, благодаря чему образуется сопряженная система. Простейшей π-системой является бутадиен-1,3. Кроме того, она реализуется в бензольном кольце. Сопряженные связи являются чем-то средним между одинарными и двойными. Они меняют свойства органических веществ. 

Мезомерный эффект — это взаимное влияние атомов в молекуле с π-связями. В случае отрицательного эффекта электронная плотность притягивается атомом, в случае положительного — отталкивается.

Определение свойств веществ

Разберем примеры взаимного влияния атомов в молекулах. Сравним кислотные свойства фенола, этанола и азотной кислоты. Все три соединения можно описать общей формулой Х-О-Н. При этом электронная плотность смещается к более отрицательному кислороду, что обеспечивает отщепление водорода и, соответственно, кислотные свойства: Х-О←Н. Осталось определить, насколько сильно это взаимодействие: 

1. В азотной кислоте есть нитрогруппа -NO2, обладающая отрицательными мезомерным и индуктивным эффектами. Азот — электроотрицательный элемент, он стягивает на себя электронную плотность, поэтому водород становится еще более активным. Вещество является сильной кислотой.

2. У этанола вместо Х стоит углеводородный радикал. Он обладает положительным индуктивным эффектом, из-за чего полярность связи О-Н снижается. У вещества очень слабые кислотные свойства.

3. Особенность фенола — наличие бензольного кольца. У кислорода есть неподеленная электронная пара, которая вступает в сопряжение с π-системой. Благодаря этому электронная плотность стягивается в кольцо, водород становится более подвижным. Кислотные свойства фенола сильнее, чем у этанола, но слабее азотной кислоты. 

Итак, мы разобрались с взаимным влиянием атомов в молекуле, узнали о мезомерном и индуктивном эффектах. Эти термины не встречаются в ЕГЭ по химии, но они позволяют лучше понимать природу соединений и предсказывать их химические свойства. Разберитесь с теорией из статьи, а также уделите время практике, определяя эффекты у разных веществ. Это можно делать самостоятельно, а можно записаться на курсы и решать задачи под руководством преподавателя. В любом случае мы уверены — при должной подготовке вы сможете набрать высокие баллы на ЕГЭ.