Образование ковалентных связей атомами углерода

Химическая связь, образованная однократным перекрыванием орбиталей по прямой, связывающей центры атомов, с максимумом перекрывания на этой прямой, получила название s - связи. Это ординарная (простая) связь двухэлектронная и двухцентровая. Перекрываться могут две s- орбитали, две p -орбитали, s- и p -орбитали или гибридные орбитали. Примеры:

s - s p - p s - p

В общем случае возможны и другие варианты образования s - связей. Как правило, углерод на образование s - связи предоставляет гибридные орбитали. Например, в метане s-связь возникает за счёт перекрывания sp ³-гибридных орбиталей атома углерода и s- орбиталей атома водорода:

в молекулах алканов имеются также s-связи и между углеродными атомами.

p - Связь образуется в результате бокового перекрывания негибридных («чистых») р -орбиталей с максимумом перекрывания по обе стороны от прямой, связывающей ядра атомов.

t - Связь (или «банановая» связь) может быть образована чистыми р -орбиталями или гибридными орбиталями, но максимум электронной плотности не находится на линии, связывающей центры атомов. Оси перекрывающихся орбиталей не параллельны, они находятся под тупым углом. Такой тип связи наблюдается в некоторых циклических углеводородах и их производных. Это можно объяснить напряжением в цикле, связанным с большим отклонением валентного угла от тетраэдрического (109°28¢). Так, в циклопропане угол между орбиталями, образующими С–С -связи составляет ~104° (а валентный угол, равный внутреннему углу правильного треугольника, 60°); гибридизация атомных орбиталей углерода близка к sp ³:

Углерод-углеродные связи возникают в результате перекрывания sp ³-гибридных орбиталей вне линии, соединяющей ядра атомов углерода, то есть по характеру своего образования они занимают промежуточное положение между s-связью и p-связью. При этом область перекрывания орбиталей мала по сравнению с перекрыванием вs-связях молекул алканов. Отсюда и меньшая прочность образующейся связи C–C. Аналогичная ситуация и в циклобутане, только отклонение области перекрывания орбиталей от линии, связывающей центры атомов, здесь меньше:

Так как образование ковалентной связи предполагает наличие общей электронной пары на перекрывающихся орбиталях, то возможны два способа образования общих электронных пар. Первый способ — каждый атом предоставляет по одному электрону:

H× + × Cl ® H: Cl H₃C× + × CH₃ ® H₃C: CH₃

Второй способ — один атом даёт электронную пару, а второй предоставляет незаполненную орбиталь:

H₃N: + H⁺ ® H₃⁺N: H H₃C¯: + ⁺CH₃ ® H₃C: CH₃

Этот способ называется координацией или донорно - акцепторным способом образования ковалентной связи. Более показателен пример образования N -оксидов аминов:

В данном случае возникает координационная связь между атомами азота и кислорода. При этом азот предоставляет электронную пару для образования связи и приобретает положительный заряд, а атом кислорода, являясь акцептором, — отрицательный. Обозначения такой связи могут быть различны:

или