Obraz
7 (151)

stancji ze stanu ciekłego w stan gazowy wymaga pokonania międzycząs-teczkowych sił przyciągania.

Zależność temperatury wrzenia od kształtu cząsteczek wynika stąd, że o działaniu sił międzycząsteczkowych decyduje wielkość powierzchni styku cząsteczek. Jest rzeczą oczywistą, że powierzchnia styku kulistych cząsteczek 2,2-dimetyiopropanu musi być mniejsza od powierzchni na jakiej stykają się nitkowate, ułożone równolegle cząsteczki nierozgałęzionego pentanu. Nic zatem dziwnego, że 2,2-dimetylopropan ma niższą temperaturę wrzenia.

Ćwiczenie 2.6. Czy balon napełniony metanem może unosić się w powietrzu?

2.8. Kształt cząsteczek alkanów

Konsekwencje hybrydyzacji sp³

Każdy, kto przystępuje do uczenia się chemii organicznej, zetknął się już z pojęciem hybrydyzacji. Dlatego w podręczniku chemii organicznej wystarczy tylko przypomnieć, jakie są przestrzenne konsekwencje różnych typów hybrydyzacji, czyli jak hybrydyzacja orbitali wpływa na kształt cząsteczek. W tym miejscu możemy rozważania ograniczyć do hybrydyzacji sp³. Kształt cząsteczek z atomami węgla o hybrydyzacji sp² i sp musi być omawiany osobno.

Hybrydyzacja sp³ wymaga, aby cztery pojedyncze wiązania tworzone przez atom węgla były rozmieszczone w przestrzeni w taki sposób, żeby kąty między nimi były jednakowe i wynosiły po 109,5°. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy połączone z atomem węgla cztery podstawniki są rozmieszczone na narożach czworościanu (tetraedru) z atomem węgla w środku. Wyciągamy stąd prosty ale fundamentalny dla całej chemii organicznej wniosek:

Z hybrydyzacji sp³ wynika, że cząsteczki zawierające atom węgla połączony z czterema podstawnikami nie mogą być płaskie. Modelem rozmieszczenia czterech podstawników wokół atomu węgla jest tetraedr.

Tetraedryczne rozmieszczenie podstawników wokół atomu węgla tworzącego cztery pojedyncze wiązania zostało odkryte już w roku 1873, a więc wiele lat przed wprowadzeniem mechaniki kwantowej z jej abstrakcyjnymi pojęciami, takimi jak falowa natura elektronu, orbitale i hybrydyzacja. Okazuje się, że bez uciekania się do hybrydyzacji można wniosek o rozmieszczeniu podstawników na narożach tetraedru w prosty sposób wyprowadzić z faktu, że nie istnieją izomeryczne związki o wzorze CXzY2.

Z najprostszych rozważań geometrycznych wynika, że w układzie pięciu punktów w trójwymiarowej przestrzeni możliwe są tylko trzy sposoby umieszczenia czterech punktów w jednakowych odległościach od punktu piątego. W chemii oznacza to, że można rozpatrywać tylko trzy sposoby rozmieszczenia czterech podstawników wokół atomu węgla:

1.    Atom węgla w środku kwadratu, podstawniki na wierzchołkach

2.    Atom węgla na wierzchołku piramidy o podstawie kwadratowej, podstawniki na wierzchołkach kwadratu tworzącego podstawę.

3.    Atom węgla w środku tetraedru, podstawniki na jego wierzchołkach.

Kwadrat i piramidę tetragonalną można odrzucić, ponieważ wymagają one, żeby każdy związek typu CXzY2 miał dwa izomery, których cząsteczki różniłyby się położeniami podstawników X i Y. W rzeczywistości jednak izomerów takich nigdy nie udało się zauważyć, chociaż związków typu CXjY2 jest wiele tysięcy. Jest to bardzo silny dowód tetraedrycznego rozmieszczenia podstawników wokół atomów węgla.

Izomeria o którą tu chodzi polega na tym, że w układzie kwadratowym i w piramidzie tetragonalnej podstawniki X mogłyby leżeć w sąsiednich wierzchołkach kwadratu albo w wierzchołkach połączonych przekątną, Są to położenia różne w sensie geometrycznym, ponieważ odpowiadają im różne odległości między podstawnikami. Położenia takie musiałyby być przyczyną izomerii, bo różne odległości międzyatomowe zawsze pociągają za sobą różne własności chemiczne.

Ćwiczenie 2.7. Jednym z leków przeciwnowotworowych jest związek o wzorze PtCWNHjfc, nazywany potocznie cisplatyną. Związek ten ma płaską, kwadratową budowę z atomem platyny w środku kwadratu. Napisz wzory izomerów tego związku, różniących się położeniem podstawników. Izomer o mniejszych odległościach między identycznymi podstawnikami został nazwany cisplatyną. Który to izomer? Drugi izomer nie ma własności leczniczych. Przykład ten uczy, że drobne na pozór różnice w budowie cząsteczek decydują o ich własnościach. Dlatego ucząc się chemii trzeba dużo uwagi poświęcać różnym rodzajom izomerii.

Do pokazania tetraedrycznego rozmieszczenia podstawników potrzebne są wzory strukturalne, z których można odczytać kierunki wiązań. Według obowiązującej konwencji wiązania leżące w płaszczyźnie papieru oznacza się zwykłą kreską. Kreski pogrubione oznaczają wiązania leżące nad płaszczyzną a kreskami przerywanymi zaznaczamy wiązania skierowane pod płaszczyznę papieru.