Природа кратных углерод-углеродных связей несколько иная. Так, в молекуле этилена при образовании двойной ковалентной связи C=C (или C::C) в каждом из атомов углерода в гибридизации участвует одна s-орбиталь и только две р-орбнтали (sp2-гибридизация); одна из р-орбиталей каждого атома С не гибридизуется. В результате образуются три sp2-гибридных электронных облака, которые участвуют в образовании трех σ-связей. Всего в молекуле этилена пять σ-связей (четыре C-H и одна C-C); все они расположены в одной плоскости под углами около 120° друг к другу (рис. 125).
Таким образом, одна из электронных пар в связи C=C осуществляет σ-связь, а вторая — образуется р-электронами, не участвующими в гибридизации; их облака сохраняют форму объемной восьмерки ("гантели"), ориентированы перпендикулярно к плоскости, в которой расположены σ-связи, и перекрываются над и под этой плоскостью (рис. 126), образуя π-связь (см. § 42).
Рис. 125. Схема образования σ-связей в молекуле этилена.
- 444 -
Рис. 126. Схема образования π-связи в молекуле этилена.
Следовательно, двойная связь С = С представляет собой сочетание одной σ и одной π-связей.
Тройная связь ≡ (или ⁝⁝) является сочетанием одной σ-связи и двух π-связей. Например, при образовании молекулы ацетилена в каждом из атомов углерода в гибридизации участвует одна s-орбиталь и только одна р-орбиталь (sp-гибридизация); в результате образуются два sp-гибридных электронных облака, участвующих в образовании двух σ-связей. Облака двух р-электронов каждого атома С не гибридизуются, сохраняют свою конфигурацию и участвуют в образовании двух π-связей. Таким образом, в ацетилене всего три σ-связи (одна C-C и две C-H), направленные вдоль одной прямой, и две π-связи, ориентированные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 127).
Кратные (т. е. двойные и тройные) связи при реакциях легко превращаются в простые; тройная вначале переходит в двойную, а последняя — в простую. Это обусловлено их высокой реакционной способностью и имеет место при присоединении каких-либо атомов к паре атомов углерода, связанных кратной связью.
Переход кратных связей в простые объясняется тем, что обычно π-связи обладают меньшей прочностью и поэтому большей лабильностью по сравнению с p-связями. При образовании π-связей р-электронные облака с параллельными осями перекрываются в значительно меньшей степени, чем электронные облака, перекрывающиеся по оси связи (т. е. гибридные, s-электронные или ориентированные вдоль оси связи р-электронные облака).
Рис. 127. Схема образования π-связей в молекуле ацетилена.
- 445 -
Рис. 128. Модели молекулы этилена: а - шариковая; б — сегментовая.
Кратные связи прочнее простых. Так, энергия разрыва связи C≡C составляет 535 кДж/моль, связи C=C - 423 кДж/моль , а связи C-C только 264 кДж/моль.
Из сказанного следует, что в формулах две черточки из трех в связи C≡C и одна черточка из двух в связи C=C выражают связи менее прочные, чем простая связь C-C.
На рис. 128 и 129 представлены шариковые и сегментовые пространственные модели соединений с двойной (этилен) и с тройной (ацетилен) связями.
4. Теория строения объяснила многочисленные случаи изомерии органических соединений.
Цепи из атомов углерода могут быть неразветвленными или разветвленными:
Так, состав C5H12 имеют три предельных углеводорода (пентана) с различным строением цепей — один с неразветвленной цепью (нормального строения) и два с разветвленной (изостроения):
Состав C4H8 имеют три непредельных углеводорода (бутилена) - два нормального строения, но изомерные по положению двойной связи и один — изостроения:
Рис. 129. Модели молекулы ацетилена: а шариковая; б — сегментовая.
- 446 -
Этим непредельным соединениям изомерны два циклических углеводорода, также имеющие состав C4H8 и изомерные друг другу по величине цикла:
При одном и том же составе соединения могут различаться по строению вследствие различного положения в углеродной цепи и других, не углеродных, атомов, например:
Изомерия может быть обусловлена не только различным порядком соединения атомов. Известно несколько видов пространственной изомерии (стереоизометрии), заключающейся в том, что соответствующие изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и порядке соединения атомов отличаются различным расположением атомов (или групп атомов) в пространстве.
