Organik bileşiklerdeki bağlar

Organik bileşiklerde karbon bağları teorisinin tarihi

1858 gibi erken bir tarihte, iki bilim adamı, August Kekule ve Archibald Couper, tüm organik bileşiklerdeki karbon atomunun dört ikame edici bağlayabildiğini iddia ettikleri bağımsız çalışmalar yayınladılar. Daha sonra, karbonun diğer birimlerle dört yakınlık merkezine sahip olduğu tanımlandı; bu, pratikte dört değerlikli karbon atomlarının, kararlı bileşiklerin oluşumuna yol açan dört kimyasal bağ üretebildiği anlamına geliyordu. August Kekule ayrıca karbon atomlarının daha uzun karbon zincirleri oluşturmak için birbirleriyle bağlantı kurabileceğini iddia etti. Bir sonraki adım, çoklu bağların olası varlığına ilişkin teorilerdi. Alexander Crum Brown, etilende çift C=C bağının varlığını öne sürerken, Emil Erlenmeyer – asetilen molekülünde üçlü C≡C bağının varlığını öne sürdü. 1865’te Kekule, karbon atomlarının yalnızca basit bir şekilde değil, aynı zamanda halkalar oluşturmak için bükülüp kapanarak bağlanması kavramını geliştirerek başka bir katkı yaptı. 1874’te Jacobus vant’t Hoff ve Joseph Le Bel, uzayda var olan karbon bağlarının kaotik bir şekilde yönlendirilmediğini, ancak belirli bir uzamsal düzenlemeye sahip olduğunu varsayarak moleküllerin kimyasına başka bir boyut kazandırdı. Böylece, uzaydaki bağları bir tetrahedron oluşturan ve köşeleri sadece düz bir çizgi üzerinde değil, aynı zamanda gözlemci çizgisinin düzleminin önünde ve arkasında da düzenlenmiş dört değerlikli karbon atomunun mevcut modeline ulaşmış olduk.

Kimyasal bağlar neden oluşur?

Atomlar, üretilen molekülü mümkün olduğu kadar kararlı hale getirmek için birbirleriyle bağlanır. Böyle bir form daha dayanıklıdır ve ayrı ayrı atomlardan daha düşük bir enerjiye sahiptir. Kimyasal bağ oluştuğunda sistemin enerjisi açığa çıkar ve azalır. Bu tür bağların oluşumunun analizi, elektron değerlik kabuğunun durumu hakkındaki bilgilere de dayanır. Gerçek şu ki, en yüksek kararlılık, o kabukta bir sekizliye sahip olan elementler tarafından gösterilirken, serbest durumda bir sekizliye sahip olmayan elementler, bir soy gazın elektron konfigürasyonunu benimsemeye eğilimlidir. Gruba bağlı olarak, bu duruma giden yol, örneğin bir elektron kaybını gerektirebilir. Böyle bir işlemi gerçekleştirmek için gereken enerji miktarı, iyonlaşma enerjisi ( _Ej ) ile tanımlanır.

İyonik bağlar

Periyodik tablonun sol tarafında yer alan metaller, elektronlarını vererek pozitif iyonlar (katyonlar) üretme eğilimindedir. Aksine, halojenler ve diğer reaktif ametaller ek elektronları çekerek negatif iyonlar (anyonlar) üretir. Atomların elektronlara göre davranışını etkileyen temel unsur, analiz edilen atomların her birine özgü olan elektron _ilgisidir (Epe). Çoğu elemente bağlanan bir elektron, enerjinin salınmasına neden olur, bu nedenle E _pe değerlerinin çoğu negatiftir. İyonik bağ, analiz için en basit durumdur – düşük E _j değerine sahip bir metal ile yüksek mutlak E _pe değerine sahip bir ametal arasında bulunur.

atomik bağ

Periyodik tablonun ortasında yer alan elementler, elektron konfigürasyonları nedeniyle iyonik bağ oluşturamazlar. Organik kimya için en önemli element olan karbon, metanın en basit yapısını (CH ₄ ) düşünürsek, aşağıdaki konfigürasyona sahiptir: 1s ¹ 2s ² 2p ² , bu nedenle elektronları kabul etmesi veya elektronlardan vazgeçmesi çok zor olacaktır. bir soy gazın konfigürasyonunu elde etmek. Bu tür atomlar, elektronlarını diğer atomlarla paylaşarak farklı bir şekilde hareket eder. Böyle bir şema ilk olarak 1916’da Gilbert N. Lewis tarafından önerildi. Bağa kovalent bağ ve ona bağlı atomlar kümesine molekül adı verildi. Bu tür bağların gösterimini sunma yöntemi, değerlik elektronlarının noktalarla temsil edildiği Lewis’in yapısal formüllerine dayanmaktadır. En yüksek moleküler kararlılık, atomun konfigürasyonu bir soy gazın elektron konfigürasyonuna ulaştığında ve değeri s- ve p-orbitalleri dolduğunda elde edilir. Oluşabilecek atomik bağların sayısı, atomun değerlik elektronlarının sayısına bağlıdır. Atom bir, iki veya üç değerlik elektronu içeriyorsa, üretebileceği bağ sayısı budur. Atomun dört veya daha fazla değerlik elektronu varsa, bir oktete ulaşılana kadar kabuklarının s- ve p-seviyelerini doldurmaya yetecek kadar çok bağ üretir.

değerlik bağları teorisi

Atom tipi bir kimyasal bağın, atomlar tek tek dolu yörüngeleri üst üste binecek kadar bir mesafede birbirlerine yaklaştıklarında oluştuğunu varsayar. Bu şekilde eşlenen elektronlar, birbirlerine bağlanırken her iki atomun çekirdeği tarafından çekilir. Böyle bir bağın gücü büyük ölçüde yörüngelerin örtüşme derecesine bağlıdır: örtüşme ne kadar büyükse bağ o kadar güçlüdür. Bu bizi teorinin bir sonraki noktasına götürür: s dışındaki orbitallerin örtüşmesi durumunda bağların yönü. Örneğin bir 2p- ve 1s-orbital arasında bir etkileşim varsa, yönlü p-orbital ekseni boyunca geliştirilir. Örtüşen orbitallerin şekline bağlı olarak bağın enine kesitini de elde edebiliriz. Bir örnek vermek gerekirse: eğer iki hidrojen atomu küre şeklindeki s-yörüngesinden elektronları paylaşıyorsa, bu bağın kesiti de daire olacak ve HH bağının simetrisi silindirik olacaktır. Çekirdekler arasındaki çizgi boyunca orbitallerin önden örtüşmesiyle oluşan bir bağ, en yaygın olan bir sigma (σ) bağıdır. Bir diğeri, ayrı ayrı doldurulmuş 2p-orbitallerin üst üste binmesinin bir sonucu olan pi (π) bağıdır. Örneğin CC bağı etrafında dönmeyi önler. Sigma bağından daha zayıftır ve kırılması daha kolaydır, bu da onu daha reaktif yapar. Değerlik bağları teorisinin en önemli varsayımları şunlardır:

1. Atomik bağlar, ters dönüşlü bir elektrona sahip moleküler orbitallerin üst üste binmesi sayesinde oluşturulabilir.
2. Bağ oluşumunda yer alan her atom, atomik orbitallerini korurken, örtüşen orbitallerde bulunan elektron çifti paylaşılır.
3. Orbitaller ne kadar üst üste binerse, kimyasal bağ o kadar güçlü olur.

Bağ kuvveti veya bağ uzunluğu gibi terimler, her bir atomik bağa özgüdür. Mukavemet – molekülü atomlarına ayırmak için sisteme sağlanması gereken enerji miktarını tanımlar. Kararlı ürünün enerjisi ile substratın enerjisi karşılaştırılarak hesaplanabilir. Örneğin, hidrojen atomlarının bağlanması molekülün 436 kJ/mol salmasına neden oluyorsa, ürünün enerjisi o değer kadar daha düşük olacaktır ve bu bağın kuvveti olacaktır. Onu kırmak için en azından bu miktarda enerji sağlamamız gerekirdi. Bir bağın uzunluğu, çekirdekler arasında belirlenen optimum mesafeyi ifade eder. Çok yakınlarsa, pozitif yükleri nedeniyle birbirlerini uzaklaştırırlar. Eğer birbirlerinden çok uzaktalarsa, bağ elektronlarını paylaşamazlar.

Moleküler orbital teorisi

Atomik bağların tanımını, moleküler orbitalleri oluşturan dalga fonksiyonlarının matematiksel kombinasyonları olarak varsayar. Belirli bir atomun değil, tüm molekülün bileşenleri olarak kabul edilirler. Bu nedenle, bir moleküler orbital, molekülün uzayında elektronların bulunma olasılığının en yüksek olduğu kısmı tanımlar. Atomik orbitallerde olduğu gibi, karakteristik değerler boyut, şekil ve enerjiyi içerir. Onlardan farklı olarak, moleküler orbitaller iki farklı şekilde etkileşime girebilir: eklemeli veya çıkarmalı. Örnek olarak hidrojen molekülünü ele alırsak, eğer orbitaller birbirine bağlanırsa, şekilleri yumurtaya benzer. Eksiltici bağlantı, bu orbitallerin karşılıklı olarak çıkarılmasına neden olur ve çekirdekler arasındaki boşluk, yalnızca elektron bulutunun düşük yoğunluğuna ve dolgu eksikliğine neden olan bir dalga fonksiyonu düğümü içerecektir. Eklemeli bağlanma durumunda, yörüngenin enerjisi, bir hidrojen atomunun bireysel 1s-orbitallerinden daha düşüktür ve bir bağ yörüngesi oluşturur. Eksiltici kombinasyonla oluşturulan bir orbitalin enerjisi, bireysel atomik orbitallerin enerjisinden daha yüksektir ve böyle bir orbital, bir antibağ orbital olarak adlandırılır. Bunun nedeni, böyle bir yörüngede bulunan elektronların düğüm uzayına yerleştirilememesi ve sonuç olarak bağ üretememeleridir. Moleküler orbitaller teorisinin temel varsayımları aşağıdakileri içerir:

1. Moleküler orbitaller, atomlardaki atomik orbitaller ile moleküllerdeki aynı kısımdır. Tanımlamaları mümkün olduğu için, molekülde elektronların bulunma olasılığının en yüksek olduğu uzaysal kısmı gösterebiliriz. Her moleküler orbitalin kendine özgü boyutu, şekli ve enerji seviyesi vardır.
2. Moleküler orbitaller, atomik orbitallerin dönüştürülmesiyle oluşturulur. Sayıları, kombinasyonları oluşturan mevcut atomik orbitallerin sayısına eşittir.
3. Bir moleküler orbitalin atomik orbitallere göre enerjisine bağlı olarak, bunlar bağlı veya bağsız olabilir. Oluşturulan bir moleküler orbitalin enerjisi daha düşükse, bunlar bağlayıcı orbitallerdir; daha yüksekse, bağlayıcı olmayan yörüngelerdir.