Контрольная работа: Класична теорія будови речовини
Циклоалкани залежно від розміру циклу поділяють на циклоалкани з малим циклом (3–4-х членні), нормальним циклом (5–7-членні), середнім циклом (8–11-членні) і великим циклом (12-ти і більше членні). Циклічні сполуки залежно від величини циклу мають різну стійкість. Малоциклічні циклоалкани нестійкі і при хімічних реакціях, а також при нагріванні легко розриваються. Нормальні, середні і великі цикли мають високу стійкість. Для пояснення відмінності стійкості циклів А. Байєр запропонував у 1885 р. теорію напруження , згідно з якою мірою стійкості циклу є відхилення валентних кутів у циклі від тетраедричного – 109°28¢. Чим більше таке відхилення, тим меншу міцність має цикл. Внутрішній кут α правильного багатогранника (внутрішній кут циклу) обчислюють за формулою:
,
де n – кількість атомів у циклі, d = 90°.
Для визначення величини відхилення валентних кутів Δ від кута 109°28¢ віднімають значення кута α і одержану величину ділять на два, оскільки у відхиленні беруть участь два валентних зв’язки:
.
З цієї теорії виходило, що вже циклогексан і інші багаточленні цикли повинні мати негативне напруження, оскільки внутрішні кути у їхніх циклах повинні бути більшими від кута 109°28¢. Насправді ж циклогексан і інші багатоатомні цикли стійкі.
Дальшим розвитком теорії напруження була гіпотеза Г. Саксе (1890 р.) і Е. Мора (1919 р.), яке пізніше стало теорією про нейранертність молекул циклоалкенів. Згідно цієї теорії атоми вуглецю в циклі розміщені в просторі не в одній площині. Зокрема для циклогексану були запропоновані форми «крісла» і «ванни» (мал.), в яких атоми вуглецю розміщені в двох площинах, що наближає величину кутів між атомами вуглецю в циклі до 109°28¢.
Згідно з сучасними уявленнями про напружені в циклах важливого значення набула теорія конформаційного аналізу . Теорія конформаційного аналізу при характеристиці енегетичного стану молекул органічної сполуки, а отже і стійкості циклічних сполук враховує не тільки стан валентних кутів, але і можливість обертання навколо зв’язків та коливання і взаємне відштовхування атомів у молекулах. Це дало можливість сформулювати загальну теорію напруження в циклах .
1. У циклах існує кутове і конформаційне напруження.
2. Кутове напруження виявляється внаслідок відхилення валентних кутів від кута 109°28¢.
3. Конформаційне напруження виникає в результаті вимушеного повороту зв’язків і відхилення від заторможених конформацій, які є енергетично найбільш вигідними.
4. Напруження може виникнути внаслідок взаємного відштовхування зближених у просторі атомів.
5. Напруження в циклі може виникати як результат зміни міжатомних віддалей
Тому в циклоалканах існує конформаційна ізомерія. Для циклогексану стійкішою буде форма крісла, так як внутрішня енергія молекули буде мінімальна.
3. Оптична ізомерія . Відомо багато речовин, які здатні обертати (змінювати) площину поляризації світла. Ця здатність була названа оптичною активністю , а самі речовини, що мають таку здатність – оптично активними . Оптично активні речовини існують у вигляді оптичних ізомерів.
У 1860 р. Л. Пастер висловив думку про те, що оптична активність є результатом просторової асиметричної будови цих речовин. Основні положення стехіометричної теорії оптичної ізомерії органічних речовин сформульовані у 1874 р. Я. Вент-Гоффом і Ш. Ле-Белем.
1. Оптично активні речовини, як правило, містять асиметричні атоми вуглецю, які позначаються С*. Асиметричним називається атом вуглецю сполучений з 4-ма різними атомами або групами атомів. Наприклад:
Н O Н O
| // | //
HOCH2 – C* – C; H3 C – C* – C.
| \ | \
OН OH OН OH
2. Чотири ліганди розміщені навколо асиметричного атома вуглецю утворюють неправильний тетраедр.
3. Молекули, які містять асиметричні атоми вуглецю, не містять центра симетрії та площин симетрії. Несиметричні молекули не можна сумістити з їх дзеркальним відображенням. Тому такі молекули називаються хіральними .
4. Молекули з асиметричними атомами вуглецю існують у вигляді правих (+) – форм (конфігурацій) і лівих (–) – форм (конфігурацій), які відрізняються різним розміщенням лігандів у просторі навколо асиметричного атома вуглецю (мал.).
Отже, оптична ізомерія – це вид просторової ізомерії, при якій стеріоізомери відрізняються розміщенням у просторі лігандів навколо асиметричного атома вуглецю.
Право (+) і ліво (–) обертаючі ізомери мають однакову структуру, одинакові температури кипіння і плавлення, теплопровідність, електропровідність, але відрізняються такими властивостями:
