wspólne wzorce wiązania w strukturach organicznych
opisane powyżej metody rysowania struktur Lewisa i określania obciążeń formalnych na atomach są niezbędnym punktem wyjścia dla początkującego chemika organicznego i działają całkiem sprawnie, gdy mamy do czynienia z małymi, prostymi strukturami. Ale jak można sobie wyobrazić, metody te stają się nierozsądnie żmudne i czasochłonne, gdy zaczynasz mieć do czynienia z większymi strukturami. Byłoby nierealistyczne, na przykład, poprosić Cię o narysowanie struktury Lewisa poniżej (jednego z czterech nukleozydowych bloków budulcowych, które tworzą DNA) i określenie wszystkich formalnych ładunków przez zsumowanie, na podstawie atom po atomie, elektronów walencyjnych.
a jednak, jako chemicy organiczni, a zwłaszcza jako chemicy organiczni zajmujący się cząsteczkami biologicznymi, oczekuje się, że wkrótce będziesz regularnie rysować strukturę dużych cząsteczek, takich jak ta. Oczywiście musisz rozwinąć umiejętność szybkiego i skutecznego rysowania dużych struktur i określania formalnych opłat. Na szczęście ta umiejętność nie jest strasznie trudna do zdobycia – wystarczy kilka skrótów i trochę praktyki w rozpoznawaniu wspólnych wzorców wiązania.
Zacznijmy od węgla, najważniejszego pierwiastka dla chemików organicznych. Mówi się, że węgiel jest tetrawalentny, co oznacza, że ma tendencję do tworzenia czterech wiązań. Jeśli spojrzysz na proste struktury metanu, metanolu, etanu, etenu i etyny na rysunkach z poprzedniej sekcji, powinieneś szybko rozpoznać, że w każdej cząsteczce atom węgla ma cztery wiązania i formalny ładunek zero.
jest to wzór, który utrzymuje się w większości cząsteczek organicznych, które zobaczymy, ale są też wyjątki.
w dwutlenku węgla atom węgla ma podwójne wiązania z tlenem po obu stronach (O=C=O). Później w tym rozdziale i w całej tej książce zobaczymy przykłady jonów organicznych zwanych „karbokacjami” i karbanionami”, w których atom węgla nosi odpowiednio dodatni lub ujemny ładunek formalny. Jeśli węgiel ma tylko trzy wiązania i niewypełnioną powłokę walencyjną (innymi słowy, jeśli nie spełnia reguły oktetu), będzie miał dodatni ładunek formalny.
jeśli z drugiej strony ma trzy wiązania plus samotną parę elektronów, będzie miał formalny ładunek -1. Inną możliwością jest węgiel z trzema wiązaniami i pojedynczym, niesparowanym (wolnym rodnikiem) elektronem: w tym przypadku węgiel ma formalny ładunek zerowy. (Ostatnia możliwość to wysoce reaktywny gatunek zwany „karbenem”, w którym węgiel ma dwa wiązania i jedną samotną parę elektronów, co daje mu formalny ładunek zerowy. Możesz spotkać karbeny na bardziej zaawansowanych kursach z chemii, ale nie będą one dalej omawiane w tej książce).
z pewnością powinieneś użyć metod, których się nauczyłeś, aby sprawdzić, czy te formalne opłaty są poprawne dla podanych powyżej przykładów. Co ważniejsze, zanim zaczniesz znacznie dalej studiować chemię organiczną, musisz po prostu rozpoznać te wzorce (i wzorce opisane poniżej dla innych atomów) i być w stanie zidentyfikować węgle, które niosą pozytywne i negatywne ładunki formalne poprzez szybką kontrolę.
wzór dla atomów wodoru jest prosty: atomy wodoru mają tylko jedno wiązanie i brak formalnego ładunku. Wyjątkami od tej reguły są proton, h+ i Jon wodorkowy, H -, który jest protonem plus dwa elektrony. Ponieważ koncentrujemy się w tej książce na Chemii Organicznej stosowanej do żywych istot, nie będziemy jednak widzieć „nagich” protonów i wodorków jako takich, ponieważ są one zbyt reaktywne, aby mogły być obecne w takiej formie w roztworze wodnym. Niemniej jednak idea protonu będzie bardzo ważna, gdy omówimy chemię kwasowo-zasadową, a idea jonu wodorkowego stanie się bardzo ważna znacznie później w książce, gdy omówimy organiczne reakcje utleniania i redukcji. Z reguły jednak wszystkie atomy wodoru w cząsteczkach organicznych mają jedno wiązanie i brak ładunku formalnego.
przejdźmy teraz do atomów tlenu. Zazwyczaj, można zobaczyć Wiązanie tlenowe na trzy sposoby, z których wszystkie spełniają zasadę oktetu.
jeśli ma dwa wiązania i dwie samotne pary, jak w wodzie, będzie miał formalny ładunek zerowy. Jeśli ma jedno wiązanie i trzy samotne pary, jak w Jonie wodorotlenkowym, będzie miał formalny ładunek-1. Jeśli ma trzy wiązania i jedną samotną parę, jak w Jonie hydroniowym, będzie miał formalny ładunek +1.
kiedy przejdziemy do naszej dyskusji o chemii wolnych rodników w rozdziale 17, zobaczymy inne możliwości, takie jak gdzie atom tlenu ma jedno wiązanie, jedną samotną parę i jeden niesparowany (wolny rodnik) elektron, dając mu formalny ładunek zero. Na razie jednak skoncentruj się na trzech głównych nieradykalnych przykładach, ponieważ będą one odzwierciedlać praktycznie wszystko, co widzimy, aż do rozdziału 17.
azot ma dwa główne schematy wiązania, z których oba spełniają zasadę oktetu:
jeśli azot ma trzy wiązania i samotną parę, ma formalny ładunek zerowy. Jeśli ma cztery wiązania (i nie ma samotnej pary), ma formalny ładunek + 1 . W dość nietypowym schemacie wiązania Ujemnie naładowany azot ma dwa wiązania i dwie pojedyncze pary.
dwa elementy trzeciego rzędu są powszechnie spotykane w biologicznych cząsteczkach organicznych: siarka i fosfor. Chociaż oba te elementy mają inne wzory wiązania, które są istotne w chemii laboratoryjnej, w kontekście biologicznym Siarka prawie zawsze podąża za tym samym wiązaniem / formalnym wzorem ładunku co tlen, podczas gdy fosfor jest obecny w postaci jonu fosforanowego (PO43 -), gdzie ma pięć wiązań (prawie zawsze do tlenu), brak samotnych par i formalny ładunek zero. Pamiętaj, że pierwiastki trzeciego rzędu układu okresowego mają orbitale D w swojej powłoce walencyjnej, a także orbitale S I p, a zatem nie są związane regułą oktetową.
wreszcie halogeny (fluor, chlor, brom i jod) są bardzo ważne w laboratoryjnej i leczniczej chemii organicznej, ale mniej powszechne w naturalnie występujących cząsteczkach organicznych. Halogeny w związkach organicznych zwykle występują z jednym wiązaniem, trzema samotnymi parami i ładunkiem formalnym zerowym. Czasami, zwłaszcza w przypadku bromu, spotykamy gatunki reaktywne, w których halogen ma dwa wiązania (zwykle w pierścieniu trójczłonowym), dwie samotne pary i formalny ładunek +1.
te zasady, jeśli nauczysz się i zinternalizujesz tak, że nawet nie musisz o nich myśleć, pozwolą ci dość szybko narysować duże struktury organiczne, wraz z formalnymi opłatami.
po opanowaniu rysowania struktur Lewisa nie zawsze jest konieczne rysowanie samotnych par na heteroatomach, ponieważ można założyć, że odpowiednia liczba elektronów jest obecna wokół każdego atomu, aby pasowała do wskazanego ładunku formalnego (lub jego braku). Czasami jednak losowane są samotne pary, jeśli pomoże to wyjaśnić sprawę.