Бейорганикалық және органикалық заттар молекулаларының кеңістіктік құрылымы олардың химиялық және физикалық қасиеттерін сипаттауда үлкен маңызға ие. Егер субстанцияны қағаздағы әріптер мен сандар жиынтығы деп қарастыратын болсақ, әрқашан дұрыс қорытындыға келу мүмкін емес. Көптеген құбылыстарды, әсіресе органикалық химияға қатысты құбылыстарды сипаттау үшін молекуланың стереометриялық құрылымын білу қажет.
Стереометрия дегеніміз не
Стереометрия – заттың молекулаларының қасиеттерін оның құрылымына қарай түсіндіретін химия саласы. Сонымен қатар, мұнда молекулалардың кеңістіктік көрінісі маңызды рөл атқарады, өйткені бұл көптеген биоорганикалық құбылыстардың кілті.
Стереометрия – кез келген дерлік молекуланы көлемдік түрде көрсетуге болатын негізгі ережелер жиынтығы. Кәдімгі қағазға жазылған брутто формуланың кемшілігі - зерттелетін заттың қасиеттерінің толық тізімін ашуға қабілетсіздігі.
Мысал ретінде екі негізді класқа жататын фумар қышқылын келтіруге болады. Суда нашар ериді,улы және табиғатта кездеседі. Дегенмен, егер сіз COOH топтарының кеңістіктегі орналасуын өзгертсеңіз, сіз мүлдем басқа зат - малеин қышқылын ала аласыз. Ол суда жақсы ериді, тек жасанды жолмен алуға болады және улы қасиеттеріне байланысты адам үшін қауіпті.
Вант Гоффтың стереохимиялық теориясы
19 ғасырда М. Бутлеровтың кез келген молекуланың жазық құрылымы туралы ойлары заттардың, әсіресе органикалық заттардың көптеген қасиеттерін түсіндіре алмады. Бұл вант Гофтың М. Бутлеровтың теориясын осы саладағы зерттеулерімен толықтырған «Ғарыштағы химия» еңбегін жазуға түрткі болды. Ол молекулалардың кеңістіктік құрылымы туралы түсінікті енгізді, сонымен қатар оның ашқан жаңалығының химия ғылымы үшін маңыздылығын түсіндірді.
Осылайша, сүт қышқылының үш түрінің бар екендігі дәлелденді: ет сүтті, декстророторлы және ашытылған сүт қышқылы. Осы заттардың әрқайсысының қағаз парағында құрылымдық формуласы бірдей болады, бірақ молекулалардың кеңістіктік құрылымы бұл құбылысты түсіндіреді.
Вант Гоффтың стереохимиялық теориясының нәтижесі көміртегі атомының жазық емес екендігінің дәлелі болды, өйткені оның төрт валенттік байланысы ойдан шығарылған тетраэдрдің төбелеріне қарайды.
Органикалық молекулалардың пирамидалық кеңістіктік құрылымы
Вант Хоффтың және оның зерттеулерінің нәтижелеріне сүйене отырып, органикалық заттардың қаңқасындағы әрбір көміртекті тетраэдр ретінде көрсетуге болады. Бізде солайС-С байланыстарының түзілуінің 4 ықтимал жағдайын қарастырып, мұндай молекулалардың құрылымын түсіндіре аламыз.
Бірінші жағдай, молекула сутегі протондарымен 4 байланыс түзетін жалғыз көміртек атомы болған кезде. Метан молекулаларының кеңістіктік құрылымы тетраэдрдің контурларын толығымен дерлік қайталайды, алайда сутегі атомдарының әрекеттесуіне байланысты байланыс бұрышы аздап өзгереді.
Бір химиялық C-C байланыстың түзілуін бір-бірімен ортақ төбемен байланыстырылған екі пирамида түрінде көрсетуге болады. Молекуланың мұндай құрылысынан бұл тетраэдрлердің өз осінің айналасында айнала алатынын және орнын еркін өзгертетінін көруге болады. Бұл жүйені этан молекуласының мысалында қарастыратын болсақ, қаңқадағы көміртектер шынымен айналуға қабілетті. Дегенмен, Ньюман проекциясындағы сутектер бір-біріне сәйкес келмегенде, екі сипаттамалық позицияның энергетикалық жағынан қолайлысына артықшылық беріледі.
Этилен молекуласының кеңістіктік құрылымы екі тетраэдрдің бір ортақ беті болған кезде С-С байланыстарының пайда болуының үшінші нұсқасының мысалы болып табылады, яғни. көршілес екі төбеде қиылысады. Молекуланың осындай стереометриялық орналасуына байланысты көміртегі атомдарының оның осіне қатысты қозғалысы қиын болатыны белгілі болды, өйткені сілтемелердің бірін бұзуды талап етеді. Екінші жағынан, заттардың цис- және транс-изомерлерінің түзілуі мүмкін болады, өйткені Әрбір көміртегінің екі бос радикалын шағылыстыруға немесе айқастыруға болады.
Cis- және молекуланың транспозициясы фумар және малеиннің болуын түсіндіредіқышқылдар. Бұл молекулалардағы көміртек атомдары арасында екі байланыс түзіледі және олардың әрқайсысында бір сутегі атомы және COOH тобы бар.
Молекулалардың кеңістіктік құрылымын сипаттайтын соңғы жағдайды бір ортақ беті бар және өзара үш төбемен байланысқан екі пирамидамен көрсетуге болады. Мысалы, ацетилен молекуласы.
Біріншіден, мұндай молекулаларда цис немесе транс изомерлері болмайды. Екіншіден, көміртегі атомдары өз осінің айналасында айнала алмайды. Үшіншіден, барлық атомдар мен олардың радикалдары бір осьте орналасқан және байланыс бұрышы 180 градус.
Әрине, сипатталған жағдайларды қаңқасында екіден көп сутегі атомы бар заттарға қолдануға болады. Мұндай молекулалардың стереометриялық құрылысының принципі сақталады.
Бейорганикалық заттар молекулаларының кеңістіктік құрылымы
Бейорганикалық қосылыстардағы коваленттік байланыстың түзілуі механизмі жағынан органикалық заттарға ұқсас. Байланыс құру үшін ортақ электрон бұлтын құрайтын екі атомда бөлінбеген электрон жұптары болуы керек.
Ковалентті байланыстың түзілуі кезінде орбитальдардың қабаттасуы атом ядроларының бір сызығы бойында жүреді. Егер атом екі немесе одан да көп байланыс түзсе, онда олардың арасындағы қашықтық байланыс бұрышының мәнімен сипатталады.
Бір оттегі атомы мен екі сутегі атомынан құралған су молекуласын алсақ, байланыс бұрышы идеалды түрде 90 градус болуы керек. Дегенменэксперименттік зерттеулер бұл мәннің 104,5 градус екенін көрсетті. Молекулалардың кеңістіктік құрылымы теориялық болжамнан ерекшеленеді, себебі сутегі атомдары арасында әрекеттесу күштері бар. Олар бір-бірін тежейді, осылайша олардың арасындағы байланыс бұрышын арттырады.
Sp-гибридтеу
Гибридтеу – молекуланың бірдей гибридті орбитальдарының түзілу теориясы. Бұл құбылыс орталық атомда әртүрлі энергетикалық деңгейлерде бөлінбеген электрон жұптарының болуына байланысты орын алады.
Мысалы, BeCl2 молекуласындағы коваленттік байланыстың түзілуін қарастырайық. Бериллийде s және p деңгейлерінде бөлінбеген электрон жұптары бар, олар теорияда біркелкі емес бұрыштық молекуланың пайда болуына себеп болуы керек. Дегенмен, іс жүзінде олар сызықты және байланыс бұрышы 180 градус.
Sp-гибридизациясы екі коваленттік байланысты түзуде қолданылады. Дегенмен, гибридті орбитальдардың пайда болуының басқа түрлері бар.
Sp2 будандастыру
Будандаудың бұл түрі үш коваленттік байланысы бар молекулалардың кеңістіктік құрылымына жауап береді. Мысалы, BCl3 молекуласы. Орталық барий атомында үш бөлінбеген электрон жұбы бар: екеуі p деңгейінде және біреуі s деңгейінде.
Үш коваленттік байланыс бір жазықтықта орналасқан молекуланы құрайды және оның байланыс бұрышы 120 градус.
Sp3 будандастыру
Орталық атомда 4 бөлінбеген электрон жұбы болған кезде гибридті орбитальдарды құрудың басқа нұсқасы: p-деңгейінде 3 және s-деңгейінде 1. Мұндай заттың мысалы - метан. Метан молекулаларының кеңістіктік құрылымы тетраэрд болып табылады, оның валенттік бұрышы 109,5 градус. Бұрыштың өзгеруі сутегі атомдарының бір-бірімен әрекеттесуімен сипатталады.
