Legături covalente în compuşii organici

După cum am văzut în lecția introductivă despre chimia organică,

la ora actuală se cunosc peste 12 milioane de compuși care conțin carbon,

adică un număr cu mult mai mare de compuși decât formează toate celelalte elemente la un loc.

Acest lucru se întâmplă deoarece carbonul, care are 4 electroni de valență,

are tendința cea mai pronunțată de a-și forma configurația de octet prin punere în comun de electroni.

Astfel, carbonul poate forma 4 legături covalente cu alții atomi de carbon sau cu atomii ai elementelor organogeni.

Este singurul element care poate forma un număr practic infinit de legături covalente cu el însuși,

generând în acest fel lanțuri de atom de carbon, care știm de data trecută că se numesc catene.

Singura posibilă excepție ar fi siliciul, care se află imediat sub carbon în grupa 14,

însă legăturile pe care le formează siliciul nu sunt atât de puternice și nici de cum atât de variate precum cele formate de carbon.

Toate aceste proprietăți îi permit carbonului să formeze milioanele de compuși necesari pentru a crea o bacterie sau un fluture sau un om.

Bun, deci am zis că atomul de carbon are 4 electroni de valență.

Aceasta este reprezentarea lui SA celor 4 electroni. Fiecare punct reprezintă un electron.

Să ne reamintim care este configurația electronică a carbonului. Carbonul are 6 electroni în înveliș, deci 1s2, 2s2 și 2p2.

Acesta este stratul de valență.

Pentru a vedea mai clar aranjarea electronilor în orbital, putem scrie configurația electronică și în acest fel.

Orbitalul 1s complet ocupat cu 2 electroni de spin opus.

Apoi avem stratul 2 cu orbitalul 2s complet ocupat și mai rămân 2 electroni care vor fi repartizați conform reguliile îmbunză în substratul 2p.

Și după cum știm, un substrat p are 3 orbitali de tic-tec.

În acest fel ne este foarte ușor să vedem că atomul de carbon are 2 orbitali monoelectronici, adică 2 orbitali care conțin fiecare câte un singur electron.

Având acești 4 electroni pe ultimul strat, carbonul poate forma 4 legături cu valență.

Legăturile cu valente din compuși organici pot fi simple, duble sau triple.

Haideți să ne reamintim ce este legătura cu valentă.

Legătura cu valentă se formează prin punerea în comun de electroni împerecheați, adică prin întrepătrunderea a 2 orbitali atomici monoelectronici.

Se formează astfel un orbital molecular de legătură.

Să vedem, de exemplu, ce se întâmplă la realizarea legăturii cu valente din molecul acidului clorid.

Atomul de hidrogen, care are un electron în orbitalul 1s, participă la legătură cu acest orbital.

Atomul de clor are electronii repartizați astfel.

2 electroni în orbitalul 1s, 2 în 2s, 6 electroni în cei 3 orbitali 2p, 2 electroni în orbitalul 3s și 5 electroni repartizați în cei 3 orbitali 3p.

Deci clorul participă la formarea legăturii cu valente cu acest orbital monoelectronic.

Putem reprezenta, în acest fel, legătura cu valentă din molecula de acest clorhid.

Hidrogenul, care participă la legătură cu un electron, și clorul cu cei 7 electronii ai săi de valență, acesta fiind electronul din orbitalul monoelectronic.

Aceștia doi sunt electronii care vor fi puși în pomul.

Și se formează legătura cu valentă, prin care hidrogenul își obține configurația stabilă de dublet pe care își dorește, iar clorul își obține configurația stabilă de octet.

Putem reprezenta mai simplu legătura cu valentă printr-o linguriță.

Aceștia sunt orbitalii atomici monoelectronici care se întrepătrund pentru a forma legătura cu valentă.

Orbitalul S, care are formă sferică, și orbitalul P, care are formă bilobală.

Iar acesta este orbitalul molecular de legătură.

În cazul atomului de carbon, orbitalii atomici în stare fundamentală nu asigură întrepătrunderea maximă necesară formării legăturilor cu valente stabile.

De aceea, în timpul reacțiilor chimice, orbitalii în care se găsesc electronii de valență suferă un proces de hibridizare.

Hibridizarea este un fel de contopire a orbitalilor atomici în orbitalii hibrizi.

Adică în momentul stabilirii legăturilor cu valente, atomul de carbon, dar și atomii de azosă oxigen, își distribuie electronii de pe ultimul strat în noi orbitali, în orbitalii hibrizi.

Aceștia au o nouă formă, o nouă energie și o nouă orientare în spațiu.

Orbitalii hibrizi au energii mai mici și volum mai mare.

Asta înseamnă că e mai ușor pentru electron să formeze legătura, nu mai au nevoie să cheltuie foarte multă energie.

Deci, formarea legăturilor cu valente este favorizată atât energetic cât și steric.

Și, în acest fel, se asigură formarea unor molecule stabile.

Așadar, acest proces de redistribuire a electronilor în noi orbitali este procesul de hibridizare.

Cele mai importante hibridizări adoptate de atomii din compușii organici sunt hibridizările sp3, sp2 și sp.

Atomul de carbon adoptă toate cele trei tipuri de hibridizare în funcție de natura legăturii cu valente pe care o stabilește cu alții atomi.

Adică, dacă e vorba de o legătură simplă, dublă sau triplă.

Putem compara volumele orbitalelor hibridizi cu volumul unui orbital p.

Acesta este orbitalul p.

Apoi, orbitalul sp, care e rezultatul contopirii dintre un orbital s și un orbital p.

Urmează sp2, care e rezultatul contopirii dintre un orbital s și doi orbitali p.

Și sp3, cel mai voluminos, care e rezultatul hibridizării dintre un orbital s și trei orbitali p.

Hibridizarea atomilor de carbon explică geometria moleculelor compușilor organici, adică explică unghiurile dintre valențe și lungimea legăturilor.

În cazul carbonului, hibridizarea are loc între orbitalul 2s și orbitalii 2p.

În cazul hibridizării sp3, din combinarea orbitalului 2s cu cei trei orbitali 2p, rezultă patru orbitali sp3, care au formă bilobală cu un lob extins, așa cum am văzut mai devreme.

Tot și patru orbitali sp3 au aceeași energie, mai mare decât orbitalului 2s și mai mică decât energia orbitalilor 2p.

Orientarea spațială este tetraedrică, cu unghiuri puțin mai mari de 109 grade între axe.

Prin intermediul acestor orbitali hibridize sp3, atomii de carbon formează numai legături covalente simple.

Aceste legături covalente se mai numesc și legături sigma.

Legăturile sigma se formează când doi atomi pun în comun o perechie de electroni.

Deci, atomul de carbon hibridizat sp3 poate forma patru legături sigma.

În aceste molecule, carbonul este întotdeauna legat de alți patru atomi, care pot fi atom de carbon sau atomii a elementelor organogeni.

Spre exemplu, aceasta este molecula de metal, care ilustrează orientarea orbitalilor hibridize sp3 către vârfurile unui tetraedru regular.

Hibridizarea sp2 presupune combinarea unui orbital s cu doi orbital p, combinare din care vor rezulta trei orbitali hibridize sp2 și un orbital p nehibridizat.

Deci, în cazul carbonului, e vorba de orbitalul 2s și doi dintre orbitalii 2p.

Orbitalii sp2 au formă bilobală cu un lob extins. Au aceeași energie, mai mare decât a orbitalului s și mai mică decât energia orbitalilor p.

Cei trei orbitali hibridize sunt orientați în plan către vârfurile unui triunghi echilateral.

Adică, axele orbitalilor sp2 sunt cu o planare și au între ele unghiuri de 120 de grade.

Orbitalul p nehibridizat este orientat perpendicular pe planul axelor orbitalilor sp2.

Deci, aici avem un unghi de 90 de grade.

Un atom de carbon hibridizat sp2 realizează trei legături sigma cu cei trei orbitali hibridize sp2, iar cu orbitalul p nehibridizat realizează o legătură pi.

Deci, atomul de carbon hibridizat sp2 formează două legături simple, sigma, și o legătură dublă.

Legătura dublă este formată dintr-o legătură sigma și o legătură pi.

Orbitalul molecular pi se obține prin întrepătrunderea laterală a doi orbitali p cu axele paralele.

Acesta este un orbital molecular pi.

Iar aceasta este reprezentarea unei legături duble între doi atomi de carbon hibridizat sp2.

Aceasta este legătura pi formată între doi orbitali p nehibridizat aparținând fiecare câte unui atom de carbon sp2.

Legătura sigma funcționează destul de simplu.

Atomii de carbon legați printr-o legătură sigma se pot roti liber în jurul acestei legături.

Acest lucru e foarte important pentru că numai legăturile sigma oferă acest fel de libertate de mișcare.

Pentru o suprapunere maximă, orbitalii p trebuie să rămână paralele.

Astfel, rotația în jurul legăturii centrale nu mai este posibilă.

Legătura pi blochează și rotația legăturii sigma.

Această proprietate duce la formarea izomeriei cis-trans a compușilor organici, despre care vom avea ocazia să discutăm pe viitor.

Hibridizarea sp presupune combinarea unui orbital s cu un orbital p.

Combinare din care rezultă doi orbitali hibrid sp.

Orbitalii sp au și ei tot formă bilobală cu un lob extins și au aceeași energie mai mare decât energia orbitalului s și mai mică decât energia orbitalilor p.

Cei doi orbitali sp au orientare axială cu un unghi de 180 grade între axe.

Cei doi orbitali p nehibridizați sunt orientați perpendicular între ei și perpendicular pe axea orbitalilor hibrid sp.

Ne trebuie puțină imaginație aici ca să vedem molecula în 3D.

Un atom de carbon hibridizat sp are doi orbitali hibrid sp monoelectronici cu care realizează două legături sigma și mai are doi orbitali p monoelectronici.

Prin întrepătrunderea laterală a câte doi orbitali p nehibridizați de la acei doi atomi de carbon se formează două legături pi.

Așadar, carbonul hibridizat sp realizează o legătură triplă și o legătură simplă sau poate realiza două legături duble.

Legătura triplă e formată dintr-o legătură sigma și două legături pi.

Ce înseamnă că între cei doi atomi participanți la legătură se pun în comun trei perechi de electroni.

Aceasta este structura unei substanțe cu atom de carbon în stare de hibridizare sp.

Avem o legătură triplă formată dintr-o legătură sigma și două legături pi.

Un alt exemplu este această moleculă în care acest atom de carbon este hibridizat tot sp

având două legături sigma, una aici și una aici, și două legături pi, una aici și una aici.

Azotul poate adopta și el toate aceste trei tipuri de hibridizare sp3, sp2 și sp.

Dar și azotul poate forma legături duble sau triple.

Atomul de oxigen poate adopta numai hibridizare sp3.

După cum am spus, hibridizarea influențează lungimea legăturilor covalente.

Deci lungimea unei legături covalente scade în această ordine.

Cea mai lungă legătură este cea covalentă simplă, apoi urmează cea dublă, iar cea mai scurtă este legătura covalentă triple.

Tăria unei legături covalente depinde, printre altele, și de forma orbitalului molecular de legătură care se formează.

Orbitalii moleculari voluminoși obținuți printr-o întrebătunere mai redusă a orbitalelor atomic conduc la legături covalente mai slabe.

De aceea, legătura pi este mai slabă și mai reactivă decât legătura sigma.

Vom vedea în lecțiile viitoare că legăturile duble și triple, care conțin legături pi, se rup mai ușor decât legăturile simple.

Și polaritatea este o caracteristică foarte importantă a legăturilor covalente.

Legăturile carbon-nemetal, unde nemetalul poate fi oxigen, azot, sulf, fosfor sau halogen, sunt legături covalente polare.

Electronii puși în comun sunt atrași cu mai multă putere de către atomul de nemetal, acesta fiind mai electronegativ decât carbonul.

Atomii de carbon aflați în stări diferite de hibridizare au caracter atrăgător de electron diferit.

Atomul de carbon hibridizat SP3 este respingător de electron.

Atomul de carbon hibridizat SP2 este slab atrăgător de electron.

Iar cel hibridizat SP este mai atrăgător de electron.

Legăturile carbon-SP3-hidrogen și carbon-SP2-hidrogen sunt foarte slab polare, practic depolare, iar legăturile carbon-SP-hidrogen sunt slab polare.

Proprietățile fizice și chimice ale substanților organice depinde structura lor moleculară,

iar structura moleculară depinde de caracteristicile legăturilor covalente pe care le conțin,

adică depinde stabilitatea legăturii covalente de orientarea în spațiu și de polaritatea lor.

Așadar, vedem că este foarte important să înțelegem cum se formează aceste legături în moleculele organice.

Am rezumat în acest tabel informațiile generale despre legăturile covalente pe care le întâlnim cel mai des în substanțele organice.

Carbonul care are covalența 4 poate forma legături simple, duble sau triple.

Când este în stare de hibridizare SP3, carbonul formează 4 legături sigma, adică 4 legături covalente simple.

Când este hibridizat SP2, carbonul formează 3 legături sigma și o legătură pi,

ceea ce duce la formarea unei legături duble și a două legături simple.

În stare de hibridizare SP, carbonul formează 2 legături sigma și 2 legături pi,

ceea ce înseamnă formarea unei legături triple și a unei legături simple sau formarea a două legături duble.

Azotul care are covalența 3 poate adopta și el, după cum am spus mai devreme, toate cele trei stări de hibridizare.

Când este hibridizat SP3, azotul formează 3 legături simple.

Când este hibridizat SP2, formează o legătură dublă și o legătură simplă.

Iar în stare de hibridizare SP, azotul formează o legătură triple.

Oxigenul poate adopta și el hibridizare SP3, caz în care poate forma două legături simple.

Când are orbitanie în stare fundamentală, oxigenul poate forma o legătură sigma și o legătură pi, adică poate forma o legătură dublă.

Halogenii și hidrogenul au covalența 1, aceștia nu adoptă niciun fel de hibridizare și formează numai legături sigma simple.

Așadar, acum știm cum se leagă între ei atomii din moleculele organice.

În lecția viitoare vom vedea și ce structuri se formează datorită acestor legături.