Cấu trúc không gian của phân tử các chất vô cơ và hữu cơ có tầm quan trọng lớn trong việc mô tả các tính chất hóa học và vật lý của chúng. Nếu chúng ta coi một chất là một tập hợp các chữ cái và con số trên giấy, thì không phải lúc nào chúng ta cũng có thể đưa ra kết luận đúng. Để mô tả nhiều hiện tượng, đặc biệt là những hiện tượng liên quan đến hóa học hữu cơ, cần phải biết cấu trúc lập thể của phân tử.
Phép đo lập thể là gì
Lập thể học là một nhánh của hóa học giải thích các đặc tính của các phân tử của một chất dựa trên cấu trúc của nó. Hơn nữa, sự biểu diễn trong không gian của các phân tử đóng một vai trò quan trọng ở đây, vì nó là chìa khóa của nhiều hiện tượng hữu cơ sinh học.
Phép đo lập thể là một tập hợp các quy tắc cơ bản mà hầu như bất kỳ phân tử nào cũng có thể được biểu diễn ở dạng thể tích. Nhược điểm của công thức tổng được viết trên một tờ giấy thông thường là không có khả năng tiết lộ danh sách đầy đủ các đặc tính của chất đang nghiên cứu.
Một ví dụ là axit fumaric, thuộc nhóm bazơ. Nó hòa tan kém trong nước,độc và có thể được tìm thấy trong tự nhiên. Tuy nhiên, nếu bạn thay đổi sự sắp xếp trong không gian của các nhóm COOH, bạn có thể nhận được một chất hoàn toàn khác - axit maleic. Nó rất dễ hòa tan trong nước, chỉ có thể được lấy nhân tạo và nguy hiểm cho con người do đặc tính độc hại của nó.
Lý thuyết lập thể của Vant Hoff
Vào thế kỷ 19, những ý tưởng của M. Butlerov về cấu trúc phẳng của bất kỳ phân tử nào không thể giải thích được nhiều đặc tính của các chất, đặc biệt là chất hữu cơ. Đây là động lực để van't Hoff viết tác phẩm "Hóa học trong không gian", trong đó ông bổ sung lý thuyết của M. Butlerov với nghiên cứu của mình trong lĩnh vực này. Ông đã đưa ra khái niệm về cấu trúc không gian của các phân tử, đồng thời giải thích tầm quan trọng của khám phá của mình đối với khoa học hóa học.
Như vậy, sự tồn tại của ba loại axit lactic đã được chứng minh: axit lactic trong thịt, axit lactic dextrorotatory và axit lactic lên men. Trên một tờ giấy cho mỗi chất này, công thức cấu tạo sẽ giống nhau, nhưng cấu trúc không gian của các phân tử giải thích hiện tượng này.
Kết quả của lý thuyết lập thể của Van't Hoff là bằng chứng về thực tế là nguyên tử cacbon không phẳng, bởi vì bốn liên kết hóa trị của nó đối mặt với các đỉnh của một tứ diện tưởng tượng.
Cấu trúc không gian hình chóp của các phân tử hữu cơ
Dựa trên những phát hiện của van't Hoff và nghiên cứu của ông, mỗi carbon trong khung chất hữu cơ có thể được biểu diễn dưới dạng một tứ diện. Đó là cách chúng tôichúng ta có thể xem xét 4 trường hợp có thể xảy ra về sự hình thành liên kết C-C và giải thích cấu trúc của các phân tử đó.
Trường hợp đầu tiên là khi phân tử là một nguyên tử cacbon đơn lẻ tạo thành 4 liên kết với các proton hydro. Cấu trúc không gian của các phân tử metan gần như lặp lại hoàn toàn các đường viền của một tứ diện, tuy nhiên, góc liên kết có chút thay đổi do tương tác của các nguyên tử hydro.
Sự hình thành một liên kết C-C hóa học có thể được biểu diễn dưới dạng hai hình chóp liên kết với nhau bằng một đỉnh chung. Từ cấu tạo phân tử như vậy, có thể thấy rằng các tứ diện này có thể quay quanh trục của chúng và tự do thay đổi vị trí. Nếu chúng ta xem xét hệ thống này bằng cách sử dụng ví dụ về phân tử etan, các cacbon trong khung thực sự có thể quay. Tuy nhiên, trong số hai vị trí đặc trưng, ưu tiên được ưu tiên cho vị trí thuận lợi về mặt năng lượng, khi các hydro trong phép chiếu Newman không trùng nhau.
Cấu trúc không gian của phân tử etylen là một ví dụ về biến thể thứ ba của sự hình thành liên kết C-C, khi hai tứ diện có một mặt chung, tức là cắt nhau tại hai đỉnh kề nhau. Rõ ràng là do vị trí lập thể như vậy của phân tử, chuyển động của các nguyên tử cacbon so với trục của nó là khó khăn, bởi vì yêu cầu phá vỡ một trong các liên kết. Mặt khác, sự hình thành các đồng phân cis- và trans của các chất có thể trở nên khả thi, vì hai gốc tự do từ mỗi carbon có thể được nhân đôi hoặc đan chéo.
Cis- và sự chuyển vị của phân tử giải thích sự tồn tại của fumaric và maleiccác axit. Hai liên kết được hình thành giữa các nguyên tử cacbon trong các phân tử này và mỗi liên kết có một nguyên tử hydro và một nhóm COOH.
Trường hợp cuối cùng, đặc trưng cho cấu trúc không gian của phân tử, có thể được biểu diễn bằng hai hình chóp có một mặt chung và được nối với nhau bằng ba đỉnh. Một ví dụ là phân tử axetilen.
Thứ nhất, những phân tử như vậy không có đồng phân cis hoặc trans. Thứ hai, các nguyên tử cacbon không có khả năng quay quanh trục của chúng. Và thứ ba, tất cả các nguyên tử và gốc của chúng đều nằm trên cùng một trục và góc liên kết là 180 độ.
Tất nhiên, các trường hợp được mô tả có thể được áp dụng cho các chất có khung xương chứa nhiều hơn hai nguyên tử hydro. Nguyên tắc cấu tạo lập thể của các phân tử như vậy vẫn được giữ lại.
Cấu trúc không gian của phân tử các chất vô cơ
Sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong các hợp chất vô cơ cũng tương tự như cơ chế của các chất hữu cơ. Để hình thành một liên kết, cần có các cặp electron không chia sẻ trong hai nguyên tử, chúng tạo thành một đám mây electron chung.
Sự xen phủ của các obitan trong quá trình hình thành liên kết cộng hóa trị xảy ra dọc theo một dòng của hạt nhân nguyên tử. Nếu một nguyên tử tạo thành hai hoặc nhiều liên kết, thì khoảng cách giữa chúng được đặc trưng bởi giá trị của góc liên kết.
Nếu chúng ta xem xét một phân tử nước, được tạo thành bởi một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro, thì góc liên kết lý tưởng là 90 độ. Tuy nhiêncác nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng giá trị này là 104,5 độ. Cấu trúc không gian của các phân tử khác với dự đoán về mặt lý thuyết do sự hiện diện của lực tương tác giữa các nguyên tử hydro. Chúng đẩy nhau, do đó làm tăng góc liên kết giữa chúng.
lai hóa sp
Lai hóa là lý thuyết về sự hình thành các obitan lai hóa giống hệt nhau của một phân tử. Hiện tượng này xảy ra do sự hiện diện của các cặp electron không chia sẻ ở các mức năng lượng khác nhau trong nguyên tử trung tâm.
Ví dụ: xét sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử BeCl2. Berili có các cặp electron không chia sẻ ở mức s và p, theo lý thuyết, điều này gây ra sự hình thành phân tử góc không đồng đều. Tuy nhiên, trên thực tế chúng là tuyến tính và góc liên kết là 180 độ.
Lai hóa sp được sử dụng trong việc hình thành hai liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên, có những kiểu hình thành obitan lai khác.
lai hóa Sp2
Kiểu lai hóa này gây ra cấu trúc không gian của các phân tử có ba liên kết cộng hóa trị. Một ví dụ là phân tử BCl3. Nguyên tử bari trung tâm có ba cặp electron không chia sẻ: hai ở mức p và một ở mức s.
Ba liên kết cộng hóa trị tạo thành một phân tử nằm trong cùng một mặt phẳng và góc liên kết của nó là 120 độ.
lai hóa Sp3
Một lựa chọn khác để hình thành các obitan lai hóa, khi nguyên tử trung tâm có 4 cặp electron không chia sẻ: 3 ở mức p và 1 ở mức s. Một ví dụ về một chất như vậy là metan. Cấu trúc không gian của phân tử metan là một tứ phân, góc hóa trị trong đó là 109,5 độ. Sự thay đổi góc được đặc trưng bởi sự tương tác của các nguyên tử hydro với nhau.
