Мезомерный эффект (эффект сопряжения)

Группа 1ПК 1-й курс

Предмет ХИМИЯ

Тема 1: Теория строения органических соединений.

Урок № 17, 18 химия

Тема урока «Взаимосвязь строения веществ и их свойств, реакционная способность органических соединений.».

Тип урока: изучение нового материала, закрепление знаний студентов по теме: Понятие о гомологии и гомологах, изомерии и изомерах, значение органических соединений в природе и жизни человека, роль ученых в становлении и развитии органической химию..

Цель урока:

Ознакомить студентов с типами химической связи в молекулах органических веществ и их влияния на реакционную способность, расширить у студентов представление о взаимном влиянии атомов в молекулах органических веществ, изучив индукционный и мезомерный эффекты.

Дидактические цели:

Образовательная

Подвести учащихся к пониманию, осознанию электронной природы химической связи в органических соединениях.

Развивающая

Развить абстрактное мышление, познавательную активность, умение работать с таблицами, шаростержневыми моделями, анализировать, делать выводы, умение выделить главное.

Воспитательная

Воспитать уверенность к себе, самостоятельность, аккуратность, внимательность, культуру труда, любовь к выбранной профессии.

Тип урока: изучение новой темы

Методы урока: лекция - беседа

Учебные элементы:

Электронное облако и орбиталь.
Форы орбиталей.
Гибридизация.
Одинарная связь.
Двойная связь.
Тайная связь.
δ – (сигма) и - (пи) связи.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

План урока:

Организационный момент.
Определение задач урока, актуализация ранее усвоенных знаний.
Постановка проблемы
Изучение учебного материала.
Домашнее задание.

ХОД УРОКА

Организационный момент (тема, число – на доске, цель урока).
Актуализация ранее усвоенных знаний:

а) фронтальный опрос:

1. Что понимают под состоянием электронов в атоме?

- это совокупность информации об энергии определенного

электрона (ē) и пространстве, в котором он находится.

2. Что называют электронным облаком или орбиталью?

- это пространство вокруг ядра атома, в котором наиболее вероятно пребывание ē.

3. О какой степени вероятности можно говорить в данном случае?

- 90 %.

4. Какие первых два типа орбиталей вам известны?

- два известных типа – S – P.

5. Какую форму имеют эти орбитали?

- S – форму шара (круга) – (показывают трафареты);

- P – форму правильной гантели.

б) объяснение нового материала:

1. строение атома углерода 2-х и 4-х валентных;

2. электронно-графические формулы.

Все органические вещества содержат углерод. В молекулах органических веществ атом углерода переходит в возбужденное состояние (показываю на экране).

Вы уже знаете, что атом углерода содержит на внешнем уровне четыре валентных электрона:

1 электрон на S – орбитали сферической формы

3 электрона на трех P – орбиталях, орбитали имеют форму гантели и расположены под углом 90º.

рис. Атом углерода в возбуждённом состоянии (s¹p_x¹p_y¹p_z¹)

Таким образом, можно предположить, что в молекуле метана CH₄ атом углерода не может образовать 4 одинаковых связи с четырьмя атомами водорода (1 атом водорода имеет 1 электрон на S – орбитали сферической формы). Однако экспериментально доказано, что в молекуле метана все связи С – Н равноценны и направлены к вершинам правильного тетраэдра под углом 109˚28`.

В 1931 г. американский учёный Л. Полинг доказал, что в молекуле метана в момент образования молекулы электронные облака смешиваются и образуют гибридные электронные облака, происходит процесс гибридизации.

Гибридизация – процесс смешения разных, но близких по энергии, орбиталей данного атома, с возникновением того же числа новых гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии.

4. В зависимости от числа вступивших в гибридизацию орбиталей атом углерода может находиться в одном из трёх состояний гибридизации: sp³, sp², sp.

sp³– гибридизация: происходит смешение одной S и трёх P орбиталей. Образуются четыре одинаковые гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под тетраэдрическим углом 109˚28`. Образуются 4 ковалентные σ – связи.

Объяснение Характерен для алканов.

рис. Строение молекулы метана СН₄ (тетраэдрическое)

sp²– гибридизация: происходит смешение одной S и двух P орбиталей. Образуются три одинаковые гибридные орбитали, они расположены относительно друг друга под углом 120˚, лежат в одной плоскости и стремятся к вершинам треугольника. Образуются 3 ковалентные δ – связи.

Объяснение Характерен для алканов.

Оставшаяся одна негибридизованная орбиталь расположена перпендикулярно плоскости образования δ – связей и участвует в образовании - связи.

рис. Строение молекулы этилена С₂Н₄ (плоское тригональное)

sp – гибридизация: происходит смешение одной S и одной P орбитали. Образуются две одинаковые гибридные орбитали, они расположены относительно друг друга под углом 180˚, лежат на одной линии. Образуются 2 ковалентные δ – связи.

Объяснение Характерен для алканов.

Оставшиеся две негибридизованные орбитали расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и образуют две - связи.

рис. Строение молекулы ацетилена С₂Н₂ (линейное)

Направленность гибридных орбиталей в пространстве , а следовательно, и геометрическое строение молекул зависят от типа гибридизации. На форму молекулы в пространстве влияет направленность только σ – связей.

5. Упражнение по закреплению и совершенствованию знаний.

1. В предложенных органических соединениях у каждого атома С определите:

а) тип гибридизации;

б) количество δ (сигма) и π (пи) связей.

I вариант II вариант

Н Н Н Н

С = С = С Н С = С – С

Н С Н Н Н Н С = С – Н

2. Какие формы в пространстве имеют перечисленные ниже молекулы, какая их геометрия?

Метан Этен Этин

СН₄ С₂Н₄ С₂Н₂

Различают два типа взаимного влияния атомов в молекулах органических веществ: индуктивный эффект (обозначается I) и эффект сопряжения или мезомерный эффект (обозначается М)

Индуктивный эффект

Учитель: Развивающаяся на основе современной квантовой механики электронная теория позволила глубже подойти к закономерностям взаимного влияния атомов в молекулах. Рассматривая проявления взаимного влияния атомов как результат различных типов смещения электронов межатомными связями, можно объяснить направление многих реакций и превращений молекул.

Взаимное влияние атомов обуславливает полярность и поляризуемость связей в органических молекулах. Электрическая асимметрия ковалентной связи в органических молекулах, построенных из атомов с различной электроотрицательностью (ЭО), изменяет состояние связей и заряды всех атомов молекулы.

Что такое электроотрицательность?

- электроотрицательность элемента характеризует способность его атома в молекуле притягивать к себе общую электронную пару.

Как меняется электроотрицательность элементов по Периодической системе?

- Элeктроотрицательность элементов подчиняется периодическому закону: она растет слева направо в периодах и снизу вверх в главных подгруппах периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Если в органической молекуле атом водорода заменить на атом, обладающий большей электроотрицательностью, то этот атом не только оттягивает пару общих электронов непосредственно связанных углеродных атомов, но и вызывает смещение электронных пар у более удаленных атомов:

С®С¾®С—¾®Х

Этот тип взаимного влияния атомов называется индуктивным эффектом « I ».Индуктивным эффект ─ это смещение электронной плотности по σ-связи к атому углерода или от него – вследствие различия электроотрицательности связанных атомов.

Индуктивный эффект атомов и атомных групп может быть отрицательным − I и положительным + I. Эталоном сравнения является водород, индуктивный эффект которого принят за нуль.

Индуктивный эффект заместителя является отрицательным – I, если заместитель уменьшает электронную плотность на данном атоме углерода, индуцируя на нем частичный положительный заряд d+, сам при этом приобретает частичный отрицательный заряд δ-.

Отрицательный индуктивный эффект – I проявляют заместители - электроноакцепторы, обладающие большей электроотицательностью, чем водород:

a) галогены

-F> -Cl> -Br>-I

б) кислород-, азот-, сера- содержащие группы

-OH, -NH₂, -NO₂, -SH

в) группы с δ+ на ключевом атоме

>C=O, -COOH, - С ≡N, -COCl, и др .

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

Индуктивный эффект заместителя является положительным +J, если заместитель увеличивает электронную плотность на данном атоме углерода, индуцируя на нем частичный отрицательный заряд δ -, сам при этом приобретая заряд δ+.

Положительный индуктивный эффект +J проявляют заместители с меньшей электроотрицательностью - электронодоноры:

a) алкильные группы:

(СН₃)₃С→ > (СН₃)₂СН→ > СН₃СН₂→ > СН₃

б) отрицательно заряженные атомы или группы: O^- , COO^- и др.

в) металлы: -Mg-, -Li и др.

Пример 1

d+ d - d - d +

СН₃®СН₂®Сl R-CH₂←O^-

(- I эффект хлора)(+ I эффект кислорода)

Из-за слабой поляризуемости σ-связей I - эффект быстро затухает с удалением от заместителя и через 3-4 связи становится практически равным 0.

d₄+ d₃+ d₂+ d₁+ d-

СН₃®СН₂®СН₂®СН₂®Сl

d₃+<< d₂+ < d₁+ ; d₄@0

Таким образом, при индуктивном эффекте взаимное влияние атомов передается вдоль углеродной цепи с силой, затухающей по мере удаления от атома, притягивающего или отталкивающего электроны.

Ребята, выделите основные признаки индукционного эффекта?

смещение электронной плотности по цепи σ-связей;
обусловлено различной электроотрицательностью атомов;
быстро ослабляется.

Мезомерный эффект (эффект сопряжения)

Мезомерный эффект (М) – перераспределение электронной плотности кратных связей в ненасыщенных сопряженных системах за счет взаимодействия π-электронных облаков с соседними π- или р- электронными облаками в результате которого образуется общее π-электронное облако. Электронная плотность выравнивается между всеми атомами в молекуле.

Отмечаем, что в отличие от индукционного эффекта, избыток электронной плотности частично (реже полностью) перемещается в октеты соседних атомов.

Перераспределение электронной плотности приводит к изменению кратности связей; одинарные приобретают частично (реже полностью) двойной характер и укорачиваются, двойные связи становятся длиннее или превращаются в одинарные.

Молекулы, содержащие две или несколько чередующихся двойных связей, разделенных s-связью, называются сопряженными системами:

>C=C—C=C< >C=C—C=O>C=C—N=O

ú ú ú ú ú

Мезомерный эффект изображают изогнутой стрелкой ( ,) направленной в сторону смещения плотности электронного облака. Этот эффект легко передается по системе сопряженных связей и практически не затухает.

Положительным мезомерным эффектом +М обладают заместители, подающие электронную плотность в сопряженную систему (электронодоноры). К ним относятся группы, которые, как правило, связаны с сопряженной системой через атом, обладающий орбиталью с неподелѐнной парой электронов:

-OH, -NH₂, -OCH₃, -O-, -F, -Cl, -Br, -I -CH₂

Отрицательным мезомерным эффектом -М обладают заместители, которые понижают электронную плотность в сопряженной системе (электроноакцепторы). Как правило, у таких групп на атоме, связанном с сопряженной системой, нет ни неподелѐнных электронных пар, ни свободных электронов:

-CHO, -COOH, -NO₂, - SO₃H, -CN

Мезомерный эффект или π- π-сопряжение, проявляется в молекулах, имеющих π- связи, разделенные одной σ-связью.

Например, в молекуле бутадиена-1,3 происходит перекрывание р-орбиталей не только в пространстве между атомами С₁- С₂ и С₃- С₄, но и в пространстве между атомами С₂- С₃ (рис. 1)._.

Рис. 1. Эффект сопряжения в молекуле бутадиена-1,3.

При этом образуется единое 4-х электронное облако. Эффект сопряжения приводит к изменению длины связи:

• длина одинарной связи здесь – 0,146 нм ( в алканах 0,154 нм);

• длина двойной связи – 0,137 нм (в алкенах 0,133 нм).

Аналогичное явление происходит в молекуле бензола, все шесть атомов углерода, которые находятся в sp²- гибридизации.

Негибридные р-орбитали шести атомов углерода в молекуле бензола перекрываются в единую π-электронную систему (рис.2). Эффект сопряжения в молекуле бензола также приводит к выравниванию длины углерод-углеродных связей. Длина всех связей между атомами углерода в молекуле бензола равна 0,140 нм.

Рис. 2 Образование π-системы в молекуле бензола

Эффект сопряжения является важным фактором протекания химических реакций.

Особую роль элекронные эффекты играют в реакциях ароматических углеводородов.

В молекулах гомологов бензола имеет место взаимное влияние радикала, находящегося в боковой цепи, и бензольного ядра.

Заместители первого рода, проявляющие +M - эффект, повышают электронную плотность в сопряженной системе. Присутствие этих заместителей в бензольном кольце облегчает замещение атомов водорода в орто- и пара- положениях (т.е. в положениях 2,4,6) (рис.3).

Рис. 3 р –π-сопряжение в молекуле фенола

Заместители второго рода, проявляющие -M - эффект, снижают электронную плотность в сопряженной системе, что в целом понижает реакционную способность бензольного ядра в реакциях замещения. Однако в наименьшей степени реакционная способность понижается в мета- положении (т.е. в положениях 3, 5) (рис.4):

Рис. 4 р –π-сопряжение в молекуле фенола

В качестве примера рассмотрим взаимное влияние атомов в молекуле фенола.

ОН^- - группа, являющаяся заместителем первого рода, смещает электронную плотность на ароматическое ядро, увеличивая ее в орто- и пара- положениях, вследствие чего увеличивается подвижность водорода в этих положениях, и реакции электрофильного замещения у фенола идут легче, чем у бензола.

В свою очередь, бензольное ядро, смещая электронную плотность от гидроксила, увеличивает подвижность атомов водорода в ОН - группе, поэтому фенол обладает слабовыраженной кислотностью и реагирует со щелочами, в то время как одноатомные спирты с щелочами не реагируют.

С₂H₅OH+ NaOH ®̷

Учитель: Итак, напомним как показывается перераспределение электронной плотности в случае I- и М- эффектов:

Ученик: I : прямая стрелка

М: изогнутая стрелка

Стрелка означает смещение электронной пары. Поэтому начало стрелки должно быть либо на неподеленной паре электронов, либо на двойной связи, конец стрелки можно направить либо на атом, либо на связь.

Один и тот же заместитель может проявлять разные электронные эффекты в зависимости от того, с каким радикалом он связан.

Рассмотрим фенол и бензиловый спирт:

Группа OH^- в феноле проявляет оба эффекта, причем +М больше чем –I. Следовательно, группа OH в феноле является электронодонором.

Группа OH^- в бензиловом спирте проявляет только –I эффект (+М эффекта нет, так как нет сопряжения с кольцом). Следовательно, в данном случае группа OH^- является электроноакцептором.

Таким образом, в сопряженных молекулах мезомерный эффект проявляется одновременно с индуктивным и может либо совпадать с ним по знаку, либо иметь противоположный знак. При несовпадении знаков индуктивного и мезомерного эффектов заместителей учитывают их суммарное действие (табл. 1).

Учитель: Для лучшего запоминания этой темы составляем опорный конспект (табл.2), отличия индуктивного и мезомерного эффектов:

Таблица 1

Таблица 2

Обусловлен взаимодейтвием

π- и р-электронов

Перехода электронов от одного атома к другому не происходит

Возможен переход электронов из оболочки одного атома в оболочку другого

Быстро ослабляется (распространяется на 3-4 связи)

Передается по цепи сопряженных связей без ослабления

-I

-H<-NH₂<-OH<-COOH<-I<-Br<-Cl<-F<-CO<-COH<-NO₂

Акцепторы электронов

-М

-Н<-СООН<-СО<- NO₂

Акцепторы электронов

+ I

-H<-CH₃<-C₂H₅<-C₃H₇<-CH(CH₃)₂<-C(CH₃)₃

Доноры электронов

+М

-H<- Br<-Cl<-ОСН₃<-ОН<

-NH₂

Доноры электронов

. Домашнее задание:

- учить конспект;

- повторить понятия "гомологи", "изомеры".

Ответьте на вопросы:

1. Что понимают под состоянием электронов в атоме?

- это совокупность информации об энергии определенного

электрона (ē) и пространстве, в котором он находится.

2. Что называют электронным облаком или орбиталью?

- это пространство вокруг ядра атома, в котором наиболее вероятно пребывание ē.

3. О какой степени вероятности можно говорить в данном случае?

- 90 %.

4. Какие первых два типа орбиталей вам известны?

- два известных типа – S – P.

5. Какую форму имеют эти орбитали?

- S – форму шара (круга) – (показывают трафареты);

- P – форму правильной гантели.

6. В предложенных органических соединениях у каждого атома С определите:

а) тип гибридизации;

б) количество δ (сигма) и (пи) связей.

I вариант II вариант

Н Н Н Н

С = С = С Н С = С – С

Н С Н Н Н Н С = С – Н

7. Какие формы в пространстве имеют перечисленные ниже молекулы, какая их геометрия?

Метан Этен Этин

СН₄ С₂Н₄ С₂Н₂

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 43; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!