Электронные эффекты в молекулах органических соединений.
учебно-методический материал по химии (10 класс) на тему

Электронные эффекты в молекулах органических соединений

Замещение атомов водорода в молекулах алканов на любой гетероатом (галоген, азот, серу, кислород и т.д.) или группу вызывает перераспределение электронной плотности. Природа этого явления различна. Она зависит от свойств гетероатома (его электроотрицательности) и от типа связей, по которым это влияние распространяется.

Индуктивный эффект

Если влияние заместителя передается при участии -связей, то происходит постепенное изменение электронного состояния связей. Такая поляризация называется индуктивным эффектом (I), изображается стрелкой в направлении смещения электронной плотности:

СН3-СН2Cl,

HOСН2-СН2Cl,

СН3-СН2COOH,

СН3-СН2NO2 и т.д.

Индуктивный эффект обусловлен стремлением атома или группы атомов подавать или оттягивать на себя электронную плотность, в связи с чем он может быть положительным или отрицательным. Отрицательный индуктивный эффект проявляют элементы, более электроотрицательные, чем углерод, т.е. галогены, кислород, азот и другие, а также группы с положительным зарядом на элементе, связанном с углеродом. Отрицательный индуктивный эффект уменьшается справа налево в периоде и сверху вниз в группе периодической системы:

F > O > N,

F > Cl > Br > J.

В случае заместителей с полным зарядом отрицательный индуктивный эффект увеличивается с возрастанием электроотрицательности атома, связанного с углеродом:

>O+- >> N+< .

В случае сложных заместителей отрицательный индуктивный эффект определяется природой атомов, составляющих заместитель. Кроме этого, индуктивный эффект зависит от характера гибридизации атомов. Так, электроотрицательность атомов углерода зависит от гибридизации электронных орбиталей и изменяется в следующем направлении:

sp3 < sp2 < sp.

Положительный индуктивный эффект проявляют элементы, менее электроотрицательные, чем углерод; группы с полным отрицательным зарядом; алкильные группы. +I-эффект уменьшается в ряду:

(СН3)3С- > (CH3)2CH- > CH3-CH2- > CH3- > H-.

Индуктивный эффект заместителя быстро затухает по мере увеличения длины цепи.

Таблица 1. Сводная таблица заместителей и их электронных эффектов

 Мезомерный эффект

Наличие заместителя со свободной парой электронов или вакантной р-орбиталью, присоединенного к системе, содержащей p-электроны, приводит к возможности смешения р-орбиталей заместителя (занятых или вакантных) с p-орбиталями и перераспределению электронной плотности в соединениях. Такой эффект называется мезомерным.

Смещение электронной плотности обычно незначительно и длины связей практически не меняются. О незначительном смещении электронной плотности судят по дипольным моментам, которые даже в случае больших эффектов сопряжения на крайних атомах сопряженной системы невелики.

Мезомерный эффект изображают изогнутой стрелкой, направленной в сторону смещения электронной плотности:

В зависимости от направления смещения электронного облака мезомерный эффект может быть положительным (+М):

и отрицательным (-М):

Положительный мезомерный эффект (+М) уменьшается при увеличении электроотрицательности атома, несущего неподеленную пару электронов, вследствие снижения тенденции отдавать ее, а также при увеличении объема атома. Положительный мезомерный эффект галогенов изменяется в следующем направлении:

F > Cl > Br > J (+M-эффект).

Положительным мезомерным эффектом обладают группировки с неподеленными парами электронов на атоме, присоединенном к сопряженной пи-системе:

-NH2 (NHR, NR2) > OH (OR) > X (галоген) (+М-эффект).

Положительный мезомерный эффект уменьшается в том случае, если атом связан с группой-акцептором электронов:

-NH2 > -NH-CO-CH3.

Отрицательный мезомерный эффект возрастает с увеличением электроотрицательности атома и достигает максимальных значений, если атом-акцептор несет заряд:

>C=O+H >> >C=O.

Уменьшение отрицательного мезомерного эффекта наблюдается в случае, если группа- акцептор сопряжена с донорной группой:

-CO-O- << -СО-NH2 < -CO-OR < -CO-H(R) << -CO- CO- < -CO-X (галоген) (–М-эффект).

Таблица 2. Сводная таблица заместителей и их электронных эффектов

Гиперконъюгация или сверхсопряжение

Эффект, подобный положительному мезомерному, возникает при замещении водорода у кратной связи алкильной группой. Этот эффект направлен в сторону кратной связи и называется гиперконъюгацией (сверхсопряжением):

Эффект напоминает положительный мезомерный, поскольку отдает электроны в сопряженную -систему:

Сверхсопряжение уменьшается в последовательности:

СН3 > CH3-CH2 > (CH3)2CH > (CH3) 3C.

Для проявления эффекта гиперконъюгации необходимо наличие хотя бы одного атома водорода при атоме углерода, соседствующем с - системой. Трет-бутильная группировка не проявляет этого эффекта, а потому мезомерный эффект ее равен нулю.

Таблица 3. Сводная таблица заместителей и их электронных эффектов

Решение задач на реакционную способность органических веществ.

Задание 1. Расставьте вещества в порядке увеличения их кислотной активности: вода, этиловый спирт, фенол.

Решение

Кислотность – это способность вещества при диссоциации давать ион Н+.

С2Н5ОН С2Н5О– + H+,       Н2О Н+ + OH–          (или 2Н2О Н3О+ + ОН–),

С6Н5ОН С6Н5О– + H+.

Более сильный кислотный характер фенолов по сравнению с водой объясняется влиянием бензольного ядра. Неподеленная пара электронов атома кислорода вступает в сопряжение с -электронами бензольного ядра. В результате электронная плотность кислородного атома перемещается частично на связь кислород–углерод (увеличивая при этом электронную плотность в орто- и параположениях в бензольном ядре). Электронная пара связи кислород–водород сильнее притягивается к атому кислорода.

Тем самым создается больший положительный заряд на атоме водорода гидроксильной группы, что способствует отщеплению этого водорода в виде протона.

При диссоциации спирта ситуация иная. На связь кислород–водород действует положительный мезомерный эффект (нагнетание электронной плотности) от СН3-группы. Поэтому разорвать связь О–Н в спирте труднее, чем в молекуле воды, а следовательно, и фенола.

Эти вещества по кислотности выстраиваются в ряд:

 С2Н5ОН < Н2О < С6Н5ОН. 

 Задание 2. Расположите в порядке увеличения скорости реакции с бромом следующие вещества: этилен, хлорэтилен, пропилен, бутен-1, бутен-2.

Решение

Все эти вещества имеют двойную связь и будут давать реакцию с бромом. Но в зависимости от того, где расположена двойная связь и какие заместители влияют на сдвиг электронной плотности, скорость реакции будет разная. Рассмотрим все эти вещества как производные этилена:

Хлор обладает отрицательным индукционным эффектом – оттягивает на себя электронную плотность с двойной связи и поэтому уменьшает ее реакционную способность.

Три вещества имеют алкильные заместители, обладающие положительным индукционным эффектом, и поэтому имеют бо'льшую, чем этилен, реакционную способность. Положительный эффект этильной и двух метильных групп больше, чем одной метильной, следовательно, и реакционная способность бутена-2 и бутена-1 больше, чем пропена.

Бутен-2 – симметричная молекула, и двойная связь С–С неполярна. В бутене-1 связь поляризована, поэтому в целом это соединение более реакционноспособно.

Эти вещества в порядке увеличения скорости реакции с бромом располагаются в следующий ряд:

хлорэтен < этилен < пропилен < бутен-2 < бутен-1.

 Задание 3. Какая из кислот будет более сильной: хлоруксусная, трихлоруксусная или трифторуксусная?

Решение

Сила кислоты тем сильнее, чем легче происходит отрыв Н+:

CH2ClCOOH СH2ClCOO– + H+,

 CCl3COOH СCl3COOH– + H+,    

 CF3COOH CF3COO– + Н+.

Все три кислоты отличаются тем, что имеют разное количество заместителей. Хлор – заместитель, проявляющий достаточно сильный отрицательный индукционный эффект (оттягивает на себя электронную плотность), чем способствует ослаблению связи О–Н. Три атома хлора еще больше проявляют этот эффект. Значит, трихлоруксусная кислота по сравнению с хлоруксусной – более сильная. В ряду электроотрицательности фтор занимает самое крайнее место, он является еще большим электроноакцептором, и связь О–Н еще больше ослабляется по сравнению с трихлоруксусной кислотой. Поэтому трифторуксусная кислота более сильная, чем трихлоруксусная.

Эти вещества в порядке увеличения силы кислоты выстраиваются в следующий ряд:

CH2ClCOOH < CCl3COOH < CF3COOH.

Задание 4. Расположите в ряд по увеличению основности следующие вещества: анилин, метиламин, диметиламин, аммиак, дифениламин.

Решение

Основные свойства этих соединений связаны с неподеленной электронной парой на атоме азота. Если в веществе электронная плотность нагнетается на эту электронную пару, то это вещество будет более сильным основанием, чем аммиак (его активность примем за единицу), если в веществе электронная плотность будет оттягиваться, то вещество будет более слабым основанием, чем аммиак.

Метильный радикал обладает положительным индукционным эффектом (нагнетает электронную плотность), значит, метиламин более сильное основание, чем аммиак, а вещество диметиламин еще более сильное основание, чем метиламин.

Бензольное кольцо по эффекту сопряжения оттягивает на себя электронную плотность (отрицательный индукционный эффект), поэтому анилин более слабое основание, чем аммиак, дифениламин еще более слабое основание, чем анилин.

Эти вещества по основности выстраиваются в ряд:

Задание 5. Напишите схемы дегидратации н-бутилового, втор-бутилового и трет-бутилового спиртов в присутствии серной кислоты. Расположите эти спирты в порядке увеличения скорости дегидратации. Дайте объяснения.

На скорость протекания многих реакций влияет устойчивость промежуточных соединений. В этих реакциях промежуточные вещества – карбкатионы, и чем они устойчивее, тем быстрее идет реакция.

Третичный карбкатион самый устойчивый. Эти спирты по скорости реакции дегидратации можно распределить в следующий ряд: