ハイブリダイゼーション型株式会社 有機化学の基本概念

ハイブリダイゼーション- これは、エネルギー的に近い分子軌道間の相互作用現象です。 共通の要素対称性があり、より低いエネルギーで混成軌道を生成します。

化学結合に関与する電子雲が空間内でより完全に重なり合うほど、重なり合って結合を実行する領域に位置する電子のエネルギーは小さくなり、これらの原子間の化学結合はより強くなります。

場合によっては、原子間の結合が計算に基づいた予想よりも強いことがあります。 原子軌道は、隣接する原子の軌道とより完全に重なるような形状をとると仮定されます。 原子軌道は、同じ原子の異なる対称性を持つ他の原子軌道と結合することによってのみその形状を変えることができます。 異なる軌道 (s、p、d) の組み合わせの結果、中間形状の新しい原子軌道が生じます。これは、と呼ばれます。 ハイブリッド .

異なる原子軌道を、形状が平均化された新しい軌道に再配置することを、 ハイブリダイゼーション .

混成軌道の数は元の軌道の数と同じです。したがって、s 軌道と p 軌道の組み合わせ (sp 混成) により、互いに 180° の角度を向いた 2 つの混成軌道が生じます (図 3、表)。 5と6。

(s+p)-軌道 2 つの sp - 軌道 2 つの sp ハイブリッド

軌道

図 3 – sp – 価電子軌道の混成

表 6 – 混成軌道の形成

表 7 - V 期と VI 期のいくつかの分子の形成

混成軌道の電子によって形成される化学結合は、混成軌道の電子が関与する結合よりも強力です。これは、混成中に重なりが大幅に発生するためです。 混成軌道はs結合のみを形成します.

同様のエネルギーを持つ軌道は混成を起こす可能性があります。核電荷が小さい原子の場合、ハイブリッド形成に適しているのは s 軌道と p 軌道のみです。 これは、表のグループ II ～ VI の第 2 期の要素に最も典型的です。 6と7。

上から下までグループで原子半径が大きくなると、共有結合を形成する能力が弱まり、s電子とp電子のエネルギーの差が大きくなり、それらのハイブリダイゼーションの可能性が減少します。

結合の形成に関与する電子軌道とその空間的配向により、分子の幾何学的形状が決まります。

分子の直線的な形状. 直線状の分子形状を持つ化合物は、次の場合に形成されます。

1. 2 つの s-軌道 (s-s 結合): H 2、Na 2、K 2 など。

2. s 軌道および p 軌道 (s – p 結合): HC1、HBr など。

3. 2 つの p- 軌道 (p-p 結合): F 2、C1 2、Br 2 など。

s–s s–p р–р

図 4 – 線状分子

分子の線形は、II 族のいくつかの元素の原子と水素またはハロゲン原子 (BeH 2、BeG 2、ZnG 2) によっても形成されます。 BeC1 2 分子の形成を考えてみましょう。 励起状態のベリリウム原子には 2 つの不対電子 (2s l および 2p 1) があるため、sp 混成が発生し、互いに 180° の角度で位置する 2 つの sp 混成軌道が形成されます (軌道混成を参照)。 。 ベリリウムがハロゲンと相互作用すると、ベリリウム原子の 2 つの sp 混成軌道が 2 つの塩素原子の p 軌道と重なり、線状分子が形成されます (図)。 5.

図 5 – 直鎖状 BeCl 2 分子

分子の三角形の形 ホウ素およびアルミニウムのハロゲン化物の形成中に発生します。 励起されたボット原子には 3 つの不対電子 (2s 1 および 2p 2) があり、化学結合が形成されると、sp 2 混成が起こり、同一平面内にあり、互いに角度をなして配向した 3 つの sp 2 混成軌道が形成されます。 120°、図。 6.

(s+p+p) - 3 sp 2 - ハイブリッド

軌道

図 6 – sp 2 – 価電子軌道 (a) と

三角分子 BCl 3 (b)

ホウ素が塩素と相互作用すると、ホウ素原子の 3 つの sp 2 混成軌道が 3 つの塩素原子の p 軌道と重なり、その結果、平坦な三角形の形状の分子が形成されます。 BCl 3 分子の結合角は 120°です。

分子の四面体形状 主要サブグループの IV 族元素とハロゲンおよび水素との化合物の特徴。 したがって、励起状態の炭素原子は 4 つの不対電子 (2s 1 と 2p 3) を持っているため、sp 混成が起こり、互いに 109.28° の角度で位置する 4 つの混成軌道が形成されます。 7。

(s+p+p+p) - 4 sp3 -ハイブリッド

軌道

図 7 – sp 3 – 価電子軌道 (a) と

四面体分子 CH 4 (b)

炭素原子の 4 つの sp 3 混成軌道と 4 つの水素原子の s 軌道が重なると、四面体の形状をしたメタン分子が形成されます。 結合角は109.28°です。

審査 幾何学的形状分子（直鎖、三角形、四面体）が理想的（ガレスピーの法則）。

上で論じた化合物とは対照的に、主要サブグループの V 族と VI 族の元素の分子は電子の非共有電子対を持っているため、結合間の角度は理想的な分子に比べて小さくなります。

分子のピラミッド形状 主要サブグループの V 族の元素の水素化合物の形成中に発生します。 例えば炭素原子だけでなく窒素原子にも化学結合が形成されると、sp 3 混成軌道が発生し、互いに 109.28° の角度を向いた 4 つの sp 3 混成軌道が形成されます。 しかし炭素原子とは異なります 窒素原子の場合、混成には一電子軌道だけが関与するわけではありません(2р3)、 しかし二電子でもある(2秒2)。 したがって、4 つの sp 3 混成軌道のうち、3 つはそれぞれ 1 つの電子を含み (1 電子軌道)、これらの軌道は 3 つの水素原子と結合を形成します。 非共有電子対を持つ 4 番目の軌道は結合形成に関与しません。 NH 3 分子はピラミッドの形をしています (図)。 8.

図 8 – ピラミッド型のアンモニア分子

ピラミッドの頂点には窒素原子があり、底辺の隅（三角形）には水素原子があります。 結合角は107.3°です。 四面体値 (109.28°) からの角度の偏差は、4 番目の sp 3 混成軌道の孤立電子対と他の 3 つの軌道の結合対の間の反発によるものです。 孤立電子対を含む sp 3 混成軌道は、他の 3 つの N-H 結合軌道をそれ自体から遠ざけ、角度を 107.3° に減少させます。

ガレスピーの法則によると、中心原子が第 3 周期以降の元素に属し、末端原子がハロゲンよりも電気陰性度の低い元素に属している場合、結合の形成は純粋な p - 軌道を介して発生し、結合角は「90°」になります。したがって、窒素類似体 (P、As、Sb) については、水素化合物の分子内の軌道の混成は観察されません。 たとえば、ホスフィン分子 (PH 3) の形成には、電子軌道が互いに直交する 3 つの方向に位置する 3 つの不対 p 電子 (3s 2 および 3p 3) と 3 つの水素原子の s 電子が関与します。 結合は p 軌道の 3 つの軸に沿って配置されます。 結果として生じる分子は、NH 3 分子と同様に、 ピラミッド型しかし、NH 3 分子とは異なり、PH 3 分子の結合角は 93.3°であり、化合物 AsH 3 と SbH 3 ではそれぞれ 91.8 と 91.3° です。 9とテーブル。 4.

図 9 – PH3 分子

孤立電子対は非結合性 s 軌道を占めます。

角張った形状分子 主要サブグループの VI 族の元素の水素化合物を形成します。 V 族元素の化合物における結合形成の考慮された特徴は、VI 族元素の水素化合物の特徴でもあります。 したがって、水分子では、酸素原子は窒素原子と同様に sp 3 混成状態にあります。 4 つの sp 3 混成軌道のうち、2 つはそれぞれ 1 つの電子を含み、これらの軌道は 2 つの水素原子と結合を形成します。

4 つの sp 3 混成軌道のうちの他の 2 つはそれぞれ孤立電子対を含み、結合形成には関与しません。

H2O 分子は角張った形状をしており、結合角は 104.5°です。 四面体値からの角度の偏差は、2 つの孤立電子対からの反発によりさらに大きくなります (図)。 10.

図 10 – 角張った水分子

H 2 S、H 2 Se、H 2 Te は角張った分子形状をしていますが、 酸素の類似体であるため、結合した H 2 E での結合の形成は純粋な p 軌道を通じて起こります。(ガレスピーの法則) したがって、結合角は »90° になります。 したがって、分子 H 2 S、H 2 Se、H 2 Te ではそれぞれ 92 に等しくなります。 91; 89.5°。

表 8 – 第 2 周期の元素の水素化合物の分子

説明書

最も単純な飽和炭化水素であるメタンの分子を考えてみましょう。 CH4 は次のようになります。 分子の空間モデルは四面体です。 炭素原子は、長さとエネルギーがまったく同じ 4 つの水素原子と結合を形成します。 それらには、上記の例によると、3つのP電子と1つのS電子が参加しており、その軌道は、何が起こった結果として他の3つの電子の軌道と正確に一致し始めました。 このタイプのハイブリダイゼーションは sp^3 ハイブリダイゼーションと呼ばれます。 それはすべての究極のものに固有のものです。

しかし、不飽和化合物の最も単純な代表はエチレンです。 その式は次のとおりです: C2H4。 この物質の分子内の炭素にはどのような種類のハイブリッド形成が内在していますか? その結果、3 つの軌道が互いに 120^0 の角度で同一平面上に位置する非対称な「8 の字」の形で形成されます。 それらは 1 – S および 2 – P 電子によって形成されました。 最後の 3 番目の P - 電子は軌道を変更せず、通常の「8」の形のままでした。 このタイプのハイブリダイゼーションは sp^2 ハイブリダイゼーションと呼ばれます。

分子内で結合はどのように形成されるのでしょうか? 各原子の 2 つの混成軌道が 2 つの水素原子と接触しました。 3 番目の混成軌道は、別の同じ軌道と結合を形成しました。 そして残りのP軌道は？ それらは分子平面の両側で互いに「引き付け」られました。 炭素原子間に結合が形成されています。 sp^2 によって特徴付けられるのは、「二重」結合を持つ原子です。

アセチレン分子内では何が起こっているのでしょうか? その式は次のとおりです: C2H2。 各炭素原子では、1 -S と 1 -P の 2 つの電子だけが混成を起こします。残りの 2 つは、分子の平面内およびその両側で「規則的な 8 の形で重なり合う」軌道を保持します。 このタイプのハイブリダイゼーションが sp ハイブリダイゼーションと呼ばれるのはこのためです。 それは三重結合を持つ原子に固有のものです。

全て 言葉特定の言語に存在する言語は、いくつかのグループに分類できます。 これは意味と文法機能の両方を決定する上で重要です 言葉。 あることに起因する タイプ, これまで見たことがないものでも、ルールに従って修正することができます。 要素の種類 言葉辞書学は言語の構成を扱います。

必要になるだろう

• - 文章;
• - 辞書。

説明書

種類を判定したい単語を選択します。 文中での形式や機能と同様に、どの品詞に属するかはまだ役割を果たしていません。 それは絶対にどんな言葉でも構いません。 タスクに示されていない場合は、最初に見つかったものを書き留めてください。 オブジェクト、品質、アクションに名前を付けるかどうかを決定します。 このパラメータのすべて 言葉主格、代名詞、数詞、助動詞、間投詞に分けられます。 最初へ タイプ名詞、形容詞、動詞、および が含まれます。 それらは物体、性質、行動の名前です。 命名機能を持つ 2 番目のタイプの単語は代名詞です。 名前を付ける機能は、 、間投詞、およびサービス タイプにはありません。 これらは比較的小さな単語のグループですが、誰にでも存在します。

与えられた単語が概念を表現できるかどうかを判断します。 この機能が利用できるのは、 言葉あらゆる言語の概念シリーズを形成するのはこれらの単位であるため、分母型の項単位です。 しかし、どんな数字も概念のカテゴリーに属しており、それに応じてこの機能も担っています。 機能語にもそれがありますが、代名詞と間投詞にはありません。

その単語が文の中にあったらどうなるかを考えてみましょう。 それは可能性が？ 重要な単語であれば何でも構いません。 しかし、数字にも数字にもその可能性はあります。 でも公式のものは 言葉補助的な役割を果たします。間投詞のように、主語にも、文の二次的な構成要素にもなりえません。

便宜上、4 列 6 行のテーブルを作成できます。 一番上の行で、適切な列に「単語の種類」、「ネーミング」、「コンセプト」、および「文の一部に使用できる」というラベルを付けます。 最初の左の列には、単語の種類の名前を書き留めます。単語の種類は 5 つあります。 与えられた単語がどのような機能を持ち、どのような機能を持たないのかを判断します。 対応する列にプラスと を入力します。 3 つの列すべてにプラスが含まれている場合、これは重要なタイプです。 代名詞のプラスは、1 列目と 3 列目、2 列目と 3 列目に表示されます。 サービス 言葉概念のみを表現できます。つまり、2 列目にプラスが 1 つあります。 3 つの列すべての間投詞の反対側にはマイナスがあります。

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ハイブリダイゼーションは、交配によって植物または動物の雑種を取得するプロセスです。 さまざまな品種そして品種。 ハイブリッド（ハイブリダ）という言葉は、ラテン語から「交雑種」と訳されます。

ハイブリッド形成: 天然および人工

ハイブリダイゼーションのプロセスは 1 つの細胞内での結合に基づいています 遺伝物質異なる個人からの異なる細胞。 種内と遠隔の区別があり、異なるゲノムの接続が発生します。 自然界では、人間の介入なしに自然交配が発生しており、今後も発生し続けます。 植物が変化し改良され、動物の新しい種類や品種が出現したのは、種内で交雑することによってでした。 観点から見ると、DNA、核酸のハイブリダイゼーション、原子レベルおよび原子内レベルでの変化が起こります。

学術化学では、ハイブリダイゼーションとは、物質分子内の原子軌道の特定の相互作用を指します。 でもそれは本物じゃない 物理的プロセス、ただし、単なる仮説モデル、コンセプトにすぎません。

作物生産における雑種

1694年、ドイツの科学者R.カメラリウスは人工生産を提案しました。 そして1717年、イギリス人のT.フェアチャイルドが初めてさまざまな種類のカーネーションを交配しました。 今日、植物の種内交配は、例えば、高収量または適応性を得るために行われます。 耐寒性品種。 形態と品種の交雑は植物育種法の 1 つです。 こうして作成された 大量の 現代の品種農作物。

遠隔交雑中、代表者が交差するとき 他の種類異なるゲノムを組み合わせた場合、結果として生じる雑種は、ほとんどの場合、子孫を生み出さないか、低品質の交配を生み出します。 そのため、ハイブリッドキュウリの種子を庭で熟したままにし、毎回専門店で種子を購入するのは意味がありません。

家畜における繁殖

世界では、種内および遠隔交雑の両方で自然交配も行われています。 ラバは私たちの時代の 2000 年前から人類に知られていました。 そして今日ではラバとヒニーが使われています。 家庭比較的安価な使役動物として。 確かに、そのような交雑は種間で行われるため、雄の雑種は必然的に不妊で生まれます。 メスが子孫を産むことができるのは非常にまれです。

ラバは雌馬とロバの交雑種です。 牡馬とロバを交配して得られる雑種をヒニーといいます。 ラバは特別に飼育されています。 彼らはヒニーよりも背が高くて強いです。

しかし、飼い犬とオオカミを交配することは、狩猟者の間では非常に一般的な行為でした。 その後、その子孫がさらに選抜され、新しい品種の犬が作出されました。 今日、動物の選択は畜産業の成功の重要な要素です。 ハイブリダイゼーションは、指定されたパラメータに焦点を当てて意図的に実行されます。

ハイブリダイゼーション– 原子軌道の整列（混合）（ sそして R) と呼ばれる新しい原子軌道の形成に伴い 混成軌道.

原子軌道は、原子核の周囲の空間内の各点における電子雲の密度を表す関数です。 電子雲とは、高い確率で電子が検出できる空間領域です。

Spハイブリダイゼーション

1 つの s 軌道と 1 つの p 軌道が混合するときに発生します。 2 つの等価な sp 原子軌道が形成され、180 度の角度で直線的に位置し、中心原子の核から異なる方向を向いています。 残りの 2 つの非混成 p 軌道は相互に垂直な面に位置し、π 結合の形成に関与するか、孤立電子対を占有します。

Sp2ハイブリダイゼーション

Sp2ハイブリダイゼーション

1 つの s 軌道と 2 つの p 軌道が混合するときに発生します。 3 つの混成軌道は、同じ平面内に位置し、三角形の頂点に 120 度の角度を向いた軸で形成されます。 非混成 p 原子軌道は平面に対して垂直であり、原則として π 結合の形成に関与します。

この表は、すべての混成軌道が化学結合の形成に関与している (孤立電子対は存在しない) という仮定の下で、最も一般的なタイプの混成と分子の幾何学的構造の間の対応関係の例を示しています。

ハイブリダイゼーションタイプ	混成軌道の数	ジオメトリ	構造	例
		線形		BeF2、CO2、NO2+
sp 2		三角		BF3、NO3-、CO32-
sp 3		四面体		CH4、ClO4-、SO42-、NH4+
DSP 2		平角		Ni(CO) 4 、2-
sp 3 d		六面体
sp 3 d 2 , d 2 sp 3		八面体		SF 6、Fe(CN) 6 3-、CoF 6 3-

4. 電子結合、共有結合、ドナー-アクセプター結合、水素結合。 σ結合とπ結合の電子構造。 共有結合の主な特徴: 結合エネルギー、長さ、結合角、極性、分極率。

2 つの原子または 2 つの原子グループ間に静電相互作用があり、強い引力と化学結合の形成につながる場合、そのような結合は次のように呼ばれます。 電気的または異極性。

共有結合- 一対の価電子雲の重なりによって形成される化学結合。 通信を提供する電子雲は共通電子対と呼ばれます。

ドナーとアクセプターの結合 2 つの原子または原子団間の化学結合であり、1 つの原子の非共有電子対 (ドナー) と別の原子の自由準位 (アクセプター) によって行われます。 この結合は、電子結合の起源が共有結合とは異なります。

水素結合 - これは分子内の原子の化学的相互作用の一種であり、すでに他の原子と共有結合している水素原子がその中で重要な役割を果たすという事実を特徴とします。

σ結合は、電子雲が原子の中心を結ぶ直線の方向に重なったときに形成される最初のより強い結合です。

σ 結合は、炭素原子と水素原子の間の通常の共有結合です。 飽和炭素の分子にはσ結合のみが含まれています。

π結合は、核原子の電子面が重なったときに形成される弱い結合です。

π および σ 結合電子は、特定の原子との所属を失います。

σ結合とπ結合の特徴は、1) σ結合でつながっていれば分子内の炭素原子の回転が可能、2) π結合の出現により分子内の炭素原子の自由な回転が奪われることです。

リンク長- 結合した原子の中心間の距離です。

結合角- は、共通の原子を共有する 2 つの結合間の角度です。

コミュニケーションエネルギー - 化学物質の生成中に放出されるエネルギー。 接続とその強度の特徴

極性 コミュニケーションは、原子の電気陰性度の違いによる電子密度の不均一な分布によって起こります。 これに基づいて、共有結合は非極性結合と極性結合に分類されます。 分極率 結合は、他の反応粒子の電場を含む外部電場の影響下での結合電子の変位として表現されます。 分極率は電子の移動度によって決まります。 共有結合の極性と分極率は、極性試薬に対する分子の反応性を決定します。

5. イオン結合（電子結合） -電気陰性度の差が大きい原子間に形成される非常に強力な化学結合。共有電子対は電気陰性度のより高い原子に優先的に移動します。 共有結合 - 相互作用する各原子が 1 つの電子を供給するとき、交換メカニズムによる電子対の共有により発生します。 供与体-受容体結合 (配位結合) 1 つの原子 (供与体) の非共有電子対と別の原子 (受容体) の自由軌道によって行われる 2 つの原子または原子団間の化学結合。例 NH4 水素の場合結合が発生するには、物質の分子内に、O、N、F などの小さいながら電気陰性の原子と水素結合している原子が存在することが重要です。これにより、水素原子に顕著な部分的な正電荷が生じます。 一方、電気陰性原子が孤立電子対を持つことが重要です。 ある分子 (アクセプター) の電子が枯渇した水素原子が、別の分子 (ドナー) の N、O、または F 原子上の孤立電子対と相互作用すると、極性共有結合と同様の結合が形成されます。 有機化合物の分子内に共有結合が形成されると、共有電子対はより低いエネルギーを有する結合分子軌道を占有します。 MO の形状 (σ-MO または π-MO) に応じて、形成される結合は σ 型または p 型に分類されます。 σ-結合は、結合した原子の核を接続する軸に沿った s-、p-、およびハイブリッド AO の重なりによって (つまり、AO の軸方向の重なりによって) 形成される共有結合です。 π結合は、非ハイブリッドp-AOが横方向に重なるときに発生する共有結合です。 この重なりは、原子核を結ぶ直線の外側で発生します。
π結合は、すでにσ結合で接続されている原子間に発生します（二重および三重共有結合が形成されます）。 p-AO の重なりが完全ではないため、π 結合は σ 結合よりも弱くなります。 σ 分子軌道と π 分子軌道の異なる構造により、 特徴σ結合とπ結合。 1.σ結合はπ結合より強い。 これは、σ-MO の形成中の AO のより効率的な軸方向の重なりと、核間の σ 電子の存在によるものです。 2. σ-MO の形状により、結合を破壊することなくそのような回転が可能になるため、σ 結合によって原子の分子内回転が可能になります (アニメーションを参照。下の図))。 二重 (σ + π) 結合に沿った回転は、π 結合を切断しない限り不可能です。 3. π-MO 上の電子は、核間空間の外側にあるため、σ 電子と比較して大きな移動度を持っています。 したがって、π結合の分極率はσ結合の分極率よりもはるかに高くなります。

共有結合の特徴的な特性 (方向性、飽和度、極性、分極率) が、化学結合と結合結合を決定します。 物理的特性接続。

結合の方向は物質の分子構造によって決まります。 幾何学的形状それらの分子。 2つの結合の間の角度は結合角と呼ばれます。

飽和性とは、原子が限られた数の共有結合を形成する能力です。 原子によって形成される結合の数は、その外側の原子軌道の数によって制限されます。

結合の極性は、原子の電気陰性度の違いによる電子密度の不均一な分布によって決まります。 これに基づいて、共有結合は非極性結合と極性結合に分けられます (非極性 - 二原子分子は同一の原子 (H 2、Cl 2、N 2) で構成され、各原子の電子雲はこれらの原子に対して対称的に分布します) ; 極性 - 二原子分子は異なる化学元素の原子で構成されており、一般的な電子雲は原子の 1 つに向かって移動し、それによって分子内の電荷の分布に非対称性が形成され、分子の双極子モーメントが生成されます。

結合の分極率は、他の反応粒子の電場を含む外部電場の影響下での結合電子の変位で表されます。 分極率は電子の移動度によって決まります。 共有結合の極性と分極率は、極性試薬に対する分子の反応性を決定します。

6.命名法は、個々の接続に明確な名前を付けることができるルール システムです。 医学にとって、命名法の一般規則の知識は特に重要です。 薬。 現在一般的に受け入れられている IUPAC の体系的命名法(IUPAC - 国際純粋応用化学連合)*。

しかし、それらは今でも保存されており、（特に医学において）広く使用されています。 つまらない物質の構造が知られる前から使われていた（普通の）および半ば自明な名前。 これらの名前は、天然資源や生産方法、特に注目すべき特性や用途を反映している場合があります。 たとえば、ラクトース（乳糖）は牛乳から（緯度から）分離されます。 ラクタム- 牛乳）、パルミチン酸 - パーム油から、ピルビン酸はブドウ酸の熱分解によって得られ、グリセリンという名前はその甘味を反映しています（ギリシャ語から）。 グリキス- 甘い）。

特に天然化合物には、アミノ酸、炭水化物、アルカロイド、ステロイドなどの平凡な名前が付けられていることがよくあります。 いくつかの確立された自明名および準自明名の使用は、IUPAC 規則によって許可されています。 このような名前には、たとえば「グリセロール」や多くのよく知られた芳香族炭化水素およびその誘導体の名前が含まれます。

飽和炭化水素の合理的な命名法

ありきたりな名前とは対照的に、それらは分子の構造に基づいています。 複雑な構造の名前は、分子の主要な最も重要な単位に関連するラジカルのブロックの名前で構成されており、この命名法によれば、アルカンは、水素原子が対応する水素原子に置き換えられたメタンの誘導体と見なされます。ラジカル。 メタン炭素の選択は任意であるため、1 つの化合物に複数の名前が付けられる場合があり、この命名法によれば、アルケンはエチレンおよびアルキン - アセチレンの誘導体と見なされます。

7. 有機化合物の相同性または相同性の法則- 同じ化学機能と同じ構造の物質が互いに異なるという事実にある によるそれらの原子組成はnCH 2 上のみにありますが、他のすべての化学組成に統合されていることがわかります。 性質が異なり、CH 2 基の数 n によって決定される、組成の違いが増加するにつれて物理的特性の違いが増加するか、一般に正しく変化する化学物質。 同様の化合物はいわゆるものを形成します。 相同系列。その系列のすべてのメンバーの原子組成は、系列の最初のメンバーの組成と炭素原子の数に応じて一般式で表すことができます。 アルカンなどの同名の有機物質のみ。

異性体は、同じ組成を持つが、構造と特性が異なる化合物です。

8.ヌクレオフそして線と電気泳動そして個人的な反応ents。 置換反応に関与する試薬は、求核試薬と求電子試薬に分けられます。 求核試薬または求核試薬は、新しい結合の形成のために電子対を提供し、古い結合を形成した電子対で RX 分子の脱離基 (X) を置き換えます。

(ここで、R は有機ラジカルです)。

求核剤には、負に帯電したイオン (Hal -、OH -、CN -、NO 2 -、OR -、RS -、NH 2 -、RCOO - など)、自由電子対を持つ中性分子 (H 2 など) が含まれます。 O、NH3、R3N、R2S、R3P、ROH、RCOOH)、および有機金属。 十分に分極した C - Me + 結合を持つ R - Me 化合物、つまり R - カルボアニオンの供与体となることができます。 求核試薬 (求核置換) が関与する反応は、主に脂肪族化合物に特徴的です。例: 加水分解 (OH -、H 2 O)、アルコーリシス (RO -、ROH)、酸分解 (RCOO -、RCOOH)、アミノ化 (NH - 2、NH 3) 、RNH 2 など）、シアン化（CN - ）など

求電子試薬または求電子試薬は、新しい結合を形成するときに、一対の電子の受容体として機能し、正に帯電した粒子の形で脱離基を置き換えます。 求電子剤には、正に荷電したイオン (H + 、NO 2 + など)、電子欠損した中性分子 (SO 3 など)、および高度に分極した分子 (CH 3 COO - Br + など) が含まれ、分極は特に効果的に達成されます。係数 Lewis (Hal + - Hal - A、R + - Cl - A、RCO + - Cl - A、A = A1C1 3、SbCl 5、BF 3 など) との錯体形成によって。 求電子試薬が関与する反応 (求電子置換) には、芳香族炭化水素の最も重要な反応 (ニトロ化、ハロゲン化、スルホン化、フリーデル クラフツ反応など) が含まれます。

(E + = Hal +、NO + 2、RCO +、R + など)

特定の系では、求核剤が関与する反応は芳香族系で行われ、求電子剤が関与する反応は脂肪族系（有機金属化合物系）で行われます。

53. オキソ化合物と有機金属化合物（ケトンまたはアルデヒドと有機金属）との相互作用

この反応はアルコールの製造に広く使用されており、ホルムアルデヒドにグリニャール試薬 (R-MgX) を加えると一級アルコールが生成され、他のアルデヒドと二級アルデヒドが生成され、ケトンと三級アルコールが生成されます。

炭素原子モデル

炭素原子の価電子は、1 つの 2s 軌道と 2 つの 2p 軌道に位置しています。 2p 軌道は互いに 90°の角度で配置され、2s 軌道は球面対称です。 したがって、空間内の炭素原子軌道の配置は、有機化合物における結合角 109.5°、120°、および 180°の発生を説明するものではありません。

この矛盾を解決するために、この概念が導入されました。 原子軌道の混成。炭素原子結合の配置に関する 3 つのオプションの性質を理解するには、3 つのタイプのハイブリッド形成を理解する必要がありました。

ハイブリダイゼーションの概念の出現は、化学結合理論の発展に多大な貢献をしたライナス・ポーリングのおかげです。

ハイブリダイゼーションの概念は、炭素原子がどのように軌道を変化させて化合物を形成するかを説明します。 以下では、この軌道の変換プロセスを段階的に検討していきます。 ハイブリダイゼーションのプロセスを複数の段階または段階に分割することは、実際には、概念をより論理的にわかりやすく表現できるようにするための頭の中でのテクニックにすぎないことに留意する必要があります。 それにもかかわらず、私たちが最終的に到達する炭素原子の結合の空間的配向に関する結論は、現実の状況と完全に一致しています。

基底状態および励起状態における炭素原子の電子配置

左の図は炭素原子の電子配置を示しています。 私たちが興味があるのは価電子の運命だけです。 と呼ばれる最初のステップの結果として、 興奮または プロモーション、2つの2s電子のうちの1つが空の2p軌道に移動します。 第 2 段階では、ハイブリッド形成の実際のプロセスが発生します。これは、1 つの s 軌道と 3 つの p 軌道の混合と、それらからそれぞれ s の特性を保持する 4 つの新しい同一軌道の形成としてやや従来的に想像できます。 -軌道は 4 分の 1 で、プロパティは p 軌道の 4 分の 3 です。 これらの新しい軌道は次のように呼ばれます。 sp 3 -ハイブリッド。 ここで、上付き文字 3 は、軌道を占有する電子の数ではなく、混成に関与した p 軌道の数を示します。 混成軌道は、中心に炭素原子がある四面体の頂点に向けられています。 各 sp 3 混成軌道には 1 つの電子が含まれています。 これらの電子は、4 つの水素原子との結合形成の第 3 段階に関与し、109.5°の結合角を形成します。

sp3 - ハイブリダイゼーション。 メタン分子。

結合角 120° の平面分子の形成を下の図に示します。 ここでは、sp 3 ハイブリダイゼーションの場合と同様に、最初のステップは励起です。 第 2 段階では、1 つの 2s 軌道と 2 つの 2p 軌道が混成に参加し、3 つの 2p 軌道が形成されます。 sp2-ハイブリッド互いに120°の角度で同じ平面上に位置する軌道。

3つのsp2混成軌道の形成

1 つの p 軌道は混成されずに残り、sp 2 混成軌道の面に対して垂直に位置します。 次に (ステップ 3)、2 つの炭素原子の 2 つの sp 2 混成軌道が電子を結合して共有結合を形成します。 原子核を結ぶ線に沿った 2 つの原子軌道の重なりの結果として形成されるこのような結合は、と呼ばれます。 σ結合.

エチレン分子内でのシグマ結合とパイ結合の形成

第 4 段階は、2 つの炭素原子間の 2 番目の結合の形成です。 この結合は、互いに向かい合った混成していない 2p 軌道のエッジが重なり合った結果として形成され、結合と呼ばれます。 π結合。 新しい分子軌道は、σ 結合の上と下の、π 結合電子が占める 2 つの領域の組み合わせです。 両方の結合 (σ と π) が一緒になって構成されます 二重結合炭素原子の間。 そして最後の 5 番目のステップは、残りの 4 つの sp 2 混成軌道の電子を使用して炭素原子と水素原子の間に結合を形成することです。

エチレン分子内の二重結合

3 番目で最後のタイプのハイブリダイゼーションは、三重結合を含む最も単純な分子であるアセチレン分子の例で説明されています。 最初のステップは、前と同じように原子を励起することです。 第 2 段階では、1 つの 2s 軌道と 1 つの 2p 軌道のハイブリッド形成が起こり、2 つの軌道が形成されます。 sP-ハイブリッド 180°の角度に位置する軌道。 そして、2つのπ結合の形成に必要な2つの2p軌道は変化しません。

2つのsp混成軌道の形成

次のステップでは、2 つの sp 混成炭素原子間に σ 結合が形成され、その後 2 つの π 結合が形成されます。 2 つの炭素原子間の 1 つの σ 結合と 2 つの π 結合が一緒になって構成されます。 三重結合。 最後に、2 つの水素原子と結合が形成されます。 アセチレン分子は直線構造をしており、4 つの原子はすべて同じ直線上にあります。

主な 3 つの方法を説明しました。 有機化学さまざまな種類の分子幾何学は、炭素原子軌道のさまざまな変換の結果として生じます。

分子内のさまざまな原子のハイブリダイゼーションのタイプを決定するには 2 つの方法が提案されています。

方法 1。 ほとんど 一般的な方法、あらゆる分子に適しています。 ハイブリダイゼーションに対する結合角の依存性に基づいて、次のようになります。

a) 結合角 109.5°、107°、および 105°は sp 3 ハイブリダイゼーションを示します。

ｂ）約１２０°の結合角－ｓｐ ２ －ハイブリダイゼーション。

c) 結合角 180°-sp ハイブリダイゼーション。

方法 2。 ほとんどの有機分子に適しています。 結合のタイプ (単結合、二重結合、三重結合) は幾何学構造に関連付けられているため、結合の性質によって特定の原子のハイブリダイゼーションのタイプを決定することができます。

a) すべての接続は単純です - sp 3 - ハイブリッド化。

b) 1 つの二重結合 - sp 2 -ハイブリダイゼーション。

c) 1 つの三重結合 - sp-ハイブリダイゼーション。

ハイブリダイゼーションは、通常の（エネルギー的に最も有利な）原子軌道を新しい軌道に変換する精神的な操作であり、その幾何学形状は実験的に決定された分子の幾何学形状に対応します。

ハイブリダイゼーション仮想混合プロセスと呼ばれる さまざまな種類、ただし、エネルギー的に近い特定の原子の軌道は、エネルギーと形状が同一で、同じ数の新しい (ハイブリッド 1) 軌道が出現します。

原子軌道のハイブリダイゼーションは、共有結合の形成中に発生します。

混成軌道は、原子核の片側に強く引き伸ばされた、三次元の非対称な 8 の字の形状をしています。

この形態は、純粋な原子軌道の場合よりも混成軌道と他の原子の軌道 (純粋または混成) とのより強い重複を引き起こし、より強力な共有結合の形成につながります。 したがって、原子軌道の混成に費やされるエネルギーは、混成軌道を含むより強力な共有結合の形成によるエネルギーの放出によって補われる以上のものになります。 混成軌道の名前と混成軌道の種類は、混成軌道に関与する原子軌道の数と種類によって決まります。次に例を示します。 sp-, sp 2 -, sp 3 -, sp 2 d- またはsp 3 d 2 -ハイブリダイゼーション.

混成軌道の方向、つまり分子の幾何学形状は、混成の種類によって異なります。 実際には、通常、逆問題が解決されます。まず、分子の幾何学形状が実験的に確立され、その後、その形成に関与する混成軌道の種類と形状が記述されます。

sp -ハイブリッド化。 ツーハイブリッド sp- 相互反発の結果、軌道は原子核に対して、それらの間の角度が180°になるように配置されます（図7）。

米。 7。 相互協定二人の空間で sp- 1 つの原子の混成軌道: A -電子が存在する確率が 90% である空間領域を覆う表面。 b -条件付きの画像。

この混成軌道の配置の結果、組成 AX 2 (A が中心原子) の分子は、 線状構造つまり、3 つの原子すべての共有結合は同じ直線上にあります。 たとえば、ある状態では sp- ハイブリダイゼーションにより、BeCl 2 分子内のベリリウム原子の価電子軌道が特定されます (図 8)。 線形構成による sp- BeH 2、Be(CH 3) 2、ZnCl 2、CO 2、HC≡N、およびその他の多くの分子も、原子の価電子軌道のハイブリッド形成を持っています。

米。 8. 塩化ベリリウム BeCl 2 の三原子線状分子 (気体状態): 1 - 3R- Cl 原子軌道。 2 - 二 sp- Be原子の混成軌道。

s R 2 -ハイブリッド化。 あるもののハイブリッド化を考えてみましょう。 s- そして2つ R-軌道。 この場合、3 つの軌道の線形結合の結果、3 つの混成軌道が生成されます。 sR 2 -軌道。 それらは互いに 120°の角度で同一平面上に配置されています (図 9)。 sR 2 - 混成はホウ素の多くの化合物の特徴であり、上に示したように、励起状態では 3 つの不対電子を持ちます。 s- そして2つ R-電子。 重ね合わせる場合 sR 2 -ホウ素原子の軌道は他の原子の軌道とともに、長さとエネルギーが等しい 3 つの共有結合を形成します。 中心原子の価電子軌道が次の状態にある分子 sR 2 -ハイブリダイゼーション、三角形の構成を持っています。 共有結合間の角度は 120°です。 できる sR 2 -混成は、分子BF 3 、BCl 3 のホウ素原子、陰イオンCO 3 2 - 、NO 3 - の炭素原子および窒素原子の価電子軌道です。

米。 9. 3人の空間での互いの位置 sR 2 -混成軌道。

s R 3 -ハイブリッド化。 とても 広く普及している分子内の中心原子に 4 つの原子が含まれる物質がある sR 3 - 1 つの線形結合から生じる軌道 s- そして3つ R-軌道。 これらの軌道は互いに109°28'の角度で位置し、四面体の頂点に向かって方向付けられており、その中心には原子核があります（図10a）。

重複による 4 つの等しい共有結合の形成 sR 3 -他の原子の軌道を伴う軌道は、IVA族の炭素原子および他の元素に典型的です。 これにより、分子 (CH 4、CCl 4、SiH 4、SiF 4、GeH 4、GeBr 4 など) の四面体構造が決まります。

米。 10. 分子の幾何学的形状に対する非結合電子対の影響:

ある– メタン (非結合電子対なし);

b– アンモニア (1 つの非結合電子対);

V– 水 (2 つの非結合ペア)。

混成軌道の孤立電子対 レイ . 考慮したすべての例で、混成軌道には単一の電子が「埋め込まれ」ました。 ただし、混成軌道が電子対によって「占有されている」場合がよくあります。 これは分子の形状に影響を与えます。 非結合性電子対はその原子の原子核のみの影響を受けるのに対し、結合性電子対は2つの原子核の影響を受けるため、非結合性電子対は結合性電子対よりも原子核に近くなります。 その結果、非結合電子対は、結合電子対が互いに反発するよりも強く反発します。 わかりやすくするために、非結合電子対と結合電子対の間に作用する大きな斥力は、体積が大きくなるように表すことができます。 電子軌道非結合ペア。 非結合電子対は、たとえばアンモニア分子の窒素原子上にあります (図 10) b）。 結合電子対との相互作用の結果、H-NH 結合角は正四面体の特徴である 109.5° と比較して 107.78° に減少します。

酸素原子に 2 つの非結合電子対がある場合、結合電子対は水分子内でさらに大きな反発を受けます。 その結果、水分子のH-O-H結合角は104.5°になります（図10） V).

ドナー-アクセプター機構による共有結合の形成の結果、非結合電子対が結合電子対に変わると、この結合と分子内の他の共有結合の間の反発力が等しくなります。 これらの結合間の角度も揃っています。 これは、たとえば、アンモニウム カチオンの形成中に発生します。

ハイブリダイゼーションへの参加 d -軌道。 原子のエネルギーなら d- 軌道はエネルギーとあまり変わらない s- そして R-軌道にある場合、それらはハイブリダイゼーションに参加できます。 最も一般的なタイプのハイブリダイゼーションには、 d- 軌道は sR 3 d 2 - 混成化。その結果、同じ形状とエネルギーの 6 つの混成軌道が形成されます (図 11) あ）、互いに90°の角度で位置し、八面体の頂点に向かって方向を向いており、その中心には原子核があります。 八面体（図11） b) – は正八面体です。その中のすべての辺は同じ長さで、すべての面は正三角形です。

米。 十一。 sR 3 d 2 - ハイブリダイゼーション

あまり一般的ではありません sR 3 d- 5 つの混成軌道を形成する混成反応 (図 12) あ）、三角両錐の頂点に向けられています（図12） b). 三角両錐は、2 つの二等辺錐を共通の底辺、つまり正三角形で接続することによって形成されます。 図の太字のストローク。 12 b等しい長さのエッジが表示されます。 幾何学的にもエネルギー的にも sR 3 d- 混成軌道は不等です。3 つの「赤道」軌道は正三角形の頂点に向けられ、2 つの「軸状」軌道はこの三角形の平面に垂直に上下に向けられます (図 12)。 V）。 「赤道」軌道間の角度は、次のように 120° に等しくなります。 sR 2 - ハイブリダイゼーション。 「軸」軌道と「赤道」軌道の間の角度は 90°です。 したがって、「エクアトリアル」軌道が関与して形成される共有結合は、「アキシャル」軌道が関与して形成される結合とは長さとエネルギーが異なります。 たとえば、PC15 分子では、「アキシャル」結合の長さは 214 pm、「エクアトリアル」結合の長さは 202 pm です。

米。 12. sR 3 d- ハイブリダイゼーション

したがって、原子軌道の重なりの結果として共有結合を考慮すると、結合の形成に関与する原子軌道の数と種類に応じて、結果として生じる分子やイオンの幾何学的形状を説明することができます。 原子軌道のハイブリダイゼーションの概念。ハイブリダイゼーションは、AO の組み合わせによって分子の幾何学形状を明確に説明できる従来の手法であることを理解する必要があります。