Organik birikmalarning tuzilish nazariyasi

Kovalent bog‘lanish. Lyuis nazariyasiga ko‘ra valent elektronlarning umumlashuvi natijasida barqaror elektron qavat hosil bo‘ladi. Masalan, uglerod va vodorod atomlaridan metan molekulasining hosil bo‘lishida har bir atom bittadan elektronni «o‘rtaga» qo‘yadi:

metan
Hosil bo‘lgan to‘rtta elektron juftlar bitta uglerod va to‘rtta vodorod atomlari uchun umumiydir. Boshqacha aytganda, uglerod atomi uchun neon atominiki singari barqaror oktet, har bir vodorod atomi uchun esa geliy atominiki singari barqaror dublet qavat hosil bo‘ldi.
Bu tip bog‘lanishlar kovalent, goho gomopolyar bog‘lanish deyiladi. Demak,Lyuis nazariyasiga ko‘ra bog‘lanish hosil bo‘lishi uchun elektronlar jufti zarur. Bunda ikkita elektron umumiy orbitalga ega bo‘ladi. Pauli prinsipiga muvofiq ularning spinlari qarama-qarshi bo‘lishi kerak. Bog‘lardagi elektronlar sonini hamda kislorod, azot, oltingugurt, kremniy, fosfor singari organogenlar va geteroatomlardagi umumlashmagan elektron juftlarni ko‘rsatadigan formulalar «Lyuis formulalari» deb ataldi. Lyuis formulasida har bir elektron bitta nuqta bilan belgilanadi.
Tuzilish formulasidagi har bir chiziqcha(valent shtrix)ga Lyuis formulasidagi bitta elektronlar jufti to‘g‘ri keladi. Bunday formulalarni karrali (qo‘sh va uch) bog‘lari bor birikmalar uchun ham tuzish mumkin. Taqqoslash maqsadida tuzilish formulalarini ham keltiramiz:

etilen

atsetilen

formaldegid
Hozirgi zamon kvantomexanikaviy tasavvurlarga ko‘ra, kimyoviy bog‘lanish hosil bo‘lishida atomlardagi valent elektronlar buluti (ya’ni, atom orbitallari) bir-birini qoplaydi. Natijada ikkita yadro o‘rtasida elektron bulutining zichligi ortadi. Turli xil (s-, p-) elektronlar bulutlarining qoplanishi 5-rasmda ko‘rsatilgan.
Shuni eslatib o‘tish kerakki, s-orbital sferik simmetriyaga ega, ya’ni fazoda qanday joylashishining qoplanish uchun ahamiyati yo‘q. p-Elektronlar orbitallari fazoda turli xil (x,y,z) o‘qlari bo‘ylab joylashishi mumkin. Fazoda bir xil yo‘nalishga ega bo‘lgan orbitallargina bir-birini qoplaydi. Masalan, p-orbitallarning x o‘qida joylashgani faqat shu o‘qda yotgan p- yoki d-orbitalni qoplaydi va hokazo.

5-rasm. s, p-Orbitallarning qoplanishi va bog‘lanishlarning hosil bo‘lishi

5-rasmga ko‘ra s-orbitallarning o‘zaro qoplanishi natijasida -bog‘ (a), p-orbitallarning x o‘qi bo‘ylab o‘zaro qoplanishidan -bog‘ (b), y va z o‘qlari bo‘ylabikki tomonlama qoplanishidan esa -bog‘ (d va e) hosil bo‘ladi.
Agar atom orbitallar molekula hosil qiladigan atom (yadro) lar markazlarini tutashtiruvchi to‘g‘ri chiziq bo‘ylab bir tomonlama qoplansa -bog‘lar, agar orbitallar atomlar markazlarini tutashtiruvchi to‘g‘ri chiziqqa perpendikulyar yo‘nalishda ikki tomonlama qoplansa -bog‘lar hosil bo‘ladi.
s-Elektronlar faqat -bog‘, p-elektronlar esa - va -bog‘lar hosil qila olishi 5-rasmdan ko‘rinib turibdi.
Bog‘ hosil bo‘lganda, elektron bulutining zichligi molekulada turlicha taqsimlanadi. Masalan, orbitallarning qoplangan joyida zichligi ko‘p bo‘lsa molekulaning boshqa joylarida kamroq bo‘ladi. Kimyoviy bog‘lanishni xarakterlash uchun elektron bulutning molekulada taqsimlanishini topish zarur. Molekuladagi elektron zichlikni aniq hisoblash metodi yo‘q, lekin asosan qoniqarli natijalar beruvchi ikkita metod mavjud:
1. Valent bog‘lar nazariyasi yoki lokallashgan elektron juftlar metodi.
2. Molekulyar orbitallar metodi (MOM).
Valent bog‘lar nazariyasining mohiyati asosan quyidagilardan iborat:
1. Bu nazariyaga ko‘ra molekulada atomlar bir yoki bir necha elektron juftlar bilan bog‘langan. Elektron juftlar buluti ikkala atom o‘rtasida lokallashgan. Hosil bo‘lgan bog‘lanish esa ikki yadroli va ikki elektronlidir. Har ikki elektron ikkala yadroga tegishlidir.
2. Kimyoviy bog‘lanish hosil bo‘lishida antiparallel spinli valent elektronlar ishtirok etadi. Bu elektronlar bog‘lanayotgan orbitallarni to‘ldiradi. Sirtqi qavatda oktet (yoki dublet) hosil bo‘lmaguncha orbitallarning elektronlar bilan to‘lishi davom etaveradi. Elementning sirtqi elektron qavatidagi juftlashmagan elektronlari uning valentligini ko‘rsatadi.
Bog‘ hosil bo‘lishi uchun, albatta elektronlar jufti zarur, ya’ni elektron bulutlar bir-birini qoplashi lozim. Bitta elektron jufti bitta oddiy bog‘ga to‘g‘ri keladi.
3. Lokallashgan elektron juftlar u yoki bu struktura elektron(atom orbitallar)ning qanday juftlashishini bildiradi, shuning uchun ham bu metod lokallashgan elektron juftlar deb ataladi. Orbitallarning juftlashishidan (qoplanishidan) kovalent bog‘lar hosil bo‘ladi.
4. Valent bog‘lar nazariyasi strukturalarni ifodalashda juda qulay metod hisoblanadi.
MOM atomlarning elektron tuzilishini molekulaga tatbiq qiladi, ya’ni atomda elektronlar atom orbitallari bo‘ylab qanday taqsimlansa, molekuladagi jami elektronlar ham molekulyar orbitallar (MO)da xuddi shunga o‘xshash prinsip asosida joylashadi, deb qaraydi.
MO atom orbitallarining qo‘shilishidan (aniqrog‘i qoplanishidan) hosil bo‘ladi. MOning AOdan farqi, MO ikki markazlidir. AO esa bir markazli. Boshqacha aytganda, MOda elektron (yoki elektron jufti) har ikkala yadroga ham yaqin joylashgan orbitalda harakat qilsa, AOda u faqat bitta yadro atrofidagi orbitalda harakatlanadi. MO va AOlarning o‘xshashlik tomoni shundaki, MOning elektronlar bilan to‘lishi Pauli prinsipi va Gund qoidasiga bo’ysunadi, MO ham kvant sonlari bilan xarakterlanadi. Demak, bitta MOda elektron ikkitadan ko‘p bo‘la olmaydi, bu elektronlarning ham spinlari Pauli prinsipiga binoan antiparallel bo‘lishi zarur. Odatda, molekulada 2 xil MO mavjud deb qaraladi: 1) bog‘lovchi; 2) ajratuvchi.
6-rasmda vodorod atomlarining 1s orbitallaridan vodorod molekulasining orbitali (MO) hosil bo‘lishi ko‘rsatilgan. Ko‘rinib turibdiki, bog‘lovchi MO (,s kabi belgilanadi) hosil bo‘lganda elektron bulutlar ikkita yadro o‘rtasida yig‘ilgan. Yadrolarning elektron bulutlariga tortishish kuchi yadrolar o‘rtasida itarilish kuchidan katta bo‘lgani uchun H₂ hosil bo‘ladi:



1s 1s , s



1s 1s , s*
6-rasm. Vodorod atomi orbitallaridan vodorod MOning hosil bo‘lishi

Ajratuvchi MO (,s* kabi belgilanadi) hosil bo‘lganda yadrolar o‘rtasida elektron bulut zichligi kam, shuning uchun bu holda yadrolarning elektron bulutga tortilish kuchi juda kam, aksincha, bu kuch yadrolarning itarilish kuchi bilan bir yo‘nalishda bo‘lgani sababli molekula hosil bo‘lmaydi.

Bog‘lovchi MOdagi elektronlar energiyasi ajratuvchi MOdagi elektronlar energiyasidan kam bo‘ladi. Shuningdek, bog‘lanayotgan atomlar orbitallaridagi elektronlar energiyasidan ham kam. Bu grafik tarzda energetik diagrammalar ko‘rinishida ifodalanadi(7-rasm).

7-rasm. Orbitallarning energetik sathi

Demak, AOlar bir-birini ikki xil qoplashi mumkin; birinchisida yadrolar o‘rtasidagi elektron bulutining zichligi ortadi, ikkinchisida kamayadi. Birinchi holda yadrolarning elektron bulutga tortilishi natijasida bog‘lanish hosil bo‘ladi (bog‘lovchi MO), ikkinchi holda esa elektron bulutlar shunday qoplanadiki, bunda yadrolarning elektron bulutga tortilish kuchi ikkala yadro o‘rtasidagi itarilish kuchi bilan bir yo‘nalishda bo‘ladi(ajratuvchi MO), natijada bog‘lanish yuzaga kelmaydi.