탄수화물은 반드시 sp2 하이브리드 화되고 삼각 평면형입니까?
On 2월 12, 2021 by adminMy copy of Pearson s Organic Chemistry (7e) , Morrison and Boyd, under the section “ 반응 중간체 “는 탄수화물 구조에 대한 간결한 설명을 제공합니다.
중심 $ C $-원자 (탄산 양이온)는 $ \ mathrm {sp ^ {2}} $ 혼성화 상태, 탄화 양이온이 평면 기하학을 갖습니다. $ \ mathrm {p_ {z}} $-AO (원자 궤도)는 비어 있습니다.
괄호 안의 내용은 내가 추가 한 것입니다.
이 설명에 따라 다음과 같은 탄수화물의 “일반적인”구조를 만들어 냈습니다.
Google 이미지에서 위의 이미지를 뽑아 낸 것은 지금까지 시각화 한 것과 거의 동일한 구조였습니다. 제 자신의 그림을 그리는 것은 지저분 할 것입니다.
보시다시피, 나는 boo에서 언급 한 “평면 구조”를 동일시했습니다. k에서 “삼각 평면 구조”(축이 비어있는 $ p $ 궤도 포함). 염두에두고있는이 탄수화물 구조의 이미지는 다소 편리했으며 전혀 잘못된 것 같지는 않았습니다.
위키 백과, 반면에 중앙 $ C $ -atom “의 $ \ mathrm {sp ^ {2}} $ 혼성화 상태에 대해 그렇게 확신하지 않습니다.
탄화 양이온이 $ \ mathrm {sp ^ {3}} $ 혼성화를 가지고 $ \ mathrm {sp ^ {3}} $ 궤도가 양전하를 띠는 것으로 합리적으로 가정 할 수 있습니다. 그러나 탄수화물의 반응성은 $ \ mathrm {sp ^ {2}} $ 혼성화와 삼각 평면과 더 밀접하게 유사합니다. 분자 기하학.
(Emphasis, mine)
보시다시피 Wikipedia는 그렇지 않습니다. 중앙 $ C $ -atom의 $ \ mathrm {sp ^ {2}} $ 구조를 (완전히)지지하는 것처럼 보입니다.
탄 양양 이온의 “삼각형 평면”구조를 계속 유지했습니다. 이 문제는 이러한 탄수화물을 발견 할 때까지 아무런 방해가되지 않았습니다 (실제로 언급 할 가치가없는 책에서).
PubChem Sketcher V2를 사용하여 생성 .4
중심의 양수 $ C $-원자의 혼성화 cum 기하학 / 구조를 확인하는 동안 여러 문제에 직면했습니다. 그 탄수화물에서. 별도로 나열하겠습니다.
1) 아릴 탄수화물 문제
저는 이것을 벤젠의 특정 Kekule 구조로 시각화했습니다. 수소 음이온 하나를 손실하여 고리에 양으로 하전 된 탄소 원자를 남깁니다. 양의 $ C $-원자를 포함하는 채권 (내가 올린 특정 Kekule 구조에서)을 고려하면 두 개의 $ σ $ 채권과 하나의 $ π $ 채권이 보입니다. 또한 $ \ mathrm {C = C ^ {+}-C} $ 결합 각도는 $ \ mathrm {120 ^ {o}} $로 보입니다 (일반 벤젠 분자와 같습니다. 솔직히 여기에서 양의 $ C $-원자의 혼성화 또는 구조 / 기하학. 고리를 가로 지르는 “양전하의 비 국소화”를 고려해야 할 것 같지만, 그것은 결실을 맺지 못했습니다.
2) 비닐 탄수화물 문제
를 갖는 에텐 분자로 시각화했습니다. 하나의 수소 음이온이 손실되어 양으로 하전 된 탄소 원자를 남겼습니다 (이미지의 오른쪽 끝에 있음). 여기에서도 $ σ $ 채권 2 개와 $ π $ 채권 1 개가 표시됩니다. VSEPR 이론에 대한 지식으로 볼 때 $ \ mathrm {C = C ^ {+}-H} $ 결합 각도가 $ \ mathrm {180 ^ {o}} $ (즉, 선형)이라고 가정합니다. 그러나 저는 여기서 양의 $ C $-원자의 혼성화가 무엇인지 알 수 없습니다. 처음에 지오메트리 (선형)를 올바르게 예측했는지 완전히 확신 할 수 없습니다. ,이 사례는 나에게 외계인입니다.
3)에 티닐 탄수화물 문제
I 하나의 수소 음이온을 잃은 이를 에틴 분자로 시각화하여 양전하 탄소 원자를 남깁니다 (오른쪽 끝에 ). 양의 $ C $-원자를 포함하는 채권을 고려하면 $ σ $ 채권 1 개와 $ π $ 채권 2 개가 표시됩니다. 이종 교잡? 실마리 없음. 양의 $ C $-원자에 대한 기하학? 음 … 막대 끝에 공처럼 생겼는데 … “각도”가 있는지 모르겠네요 ._.
누군가 위에서 언급 한 (아릴, 비닐,에 티닐) 탄수화물에 대해 내가 만난 이러한 “문제”를 해결해 주시겠습니까? “평면 구조”가 반드시 ” 삼각 평면 구조 “… 또는”혼성화 “에 대해 내가 간과 한 것이 있다면.
[참고-내가 배운 것은 특정 혼성화 상태가 특정 기하학 / 구조 …. “혼성화”를 VSEPR 이론과 결합하려는 결과]
내 질문, 더 명확하게 말하면 :
1) 위에서 사용한 세 가지 예에서 양전하를 띠는 탄소 원자의 혼성화 상태는 무엇입니까? 어떻게 결정됩니까?
2) 상기 혼성화 된 탄소 원자의 기하학 / 구조는 무엇입니까? {그렇지 않다면 ” t clear : “If it”s $ \ mathrm {sp ^ {3}} $ 줄을 따라 $ \ mathrm {sp ^ {2}} $ it i s 삼각 평면, 만약 “$ sp $ it”s linear “}
저는 아직 고등학교에 다니기 때문에 지금은 약간 압도적 인 느낌이 듭니다. … 절망적으로)
댓글
- @Sawarnik 예, ethynyl carbocation도 마찬가지입니다. 본드 라인 표기법을 사용하여 그리려고합니다 ($ CH $를 의미 함) … google.co.in/ …
- 1-adamantyl 양이온을 잊지 마세요. ‘ : pubs.acs.org/ doi / abs / 10.1021 / ja00515a002
- pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jo990724x
- 이것이 카르 베늄 이온이어야합니까? ( en.m.wikipedia.org/wiki/Carbenium_ion ). 탄수화물은 훨씬 더 광범위한 클래스입니다.
- @Oscar Ouch, ” 카르 베늄 이온 ” 및 ” 카르 보늄 이온 “은 저에게 새로운 용어입니다. 저는 ‘ 항상 ” 탄수화물 “을 사용했습니다 (알아 두지 못함 ‘의 광범위한 의미), 그리고 ‘는 ‘ 조직까지만 해당됩니다. 화학은 우리 학교에 간다. 이제 ‘ ” Carbocations “의 Wikipedia 페이지를 비교해 보았습니다. 및 ” Carbenium ” 및 ” Carbonium ” 이온 …하지만 ” 탄화 양이온 “의 사용이 더 적절하다고 믿게합니다 {계속 ..}
답변
실제로 인용문에 큰 문제가 있습니다.
중앙 C- 원자는 sp 2 혼성 상태에 있으며, 탄소 양이온은 평면 형상을 갖습니다. p $ z $ -AO는 비어 있습니다.
여기에있는 저자들은 분명히 그들의 추론을 뒤 섞어서 탄수화물을 그들이 확실히 아닌 것으로 보이게 만들었다. (tl; dr) 위의 진술은 사실 일 수 없습니다. 계속 진행하기 전에 몇 가지 사항을 똑바로 살펴 보겠습니다. 더 복잡한 예입니다.
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p 궤도는 비어 있습니다.
s 궤도 ( $ \ ell = 0 $ )의 동일한 원리 양자 수 $ n $ 는 해당 p 궤도 ( $ \ ell = 1 $ ). 따라서 가능한 한 많은 문자로 궤도를 점유하는 것이 (거의) 항상 에너지 적으로 더 유리합니다. -
배위는 평면입니다.
이상적으로는 p 궤도 중 하나 (임의)가 완전히 비어있는 상태로 유지됩니다. 대칭 고려 사항으로 인해 중심 원자 주변의 리간드를 평면으로 배열하면 사실상이를 보장합니다. 평면 조정은 유리한 전자 상태의 결과입니다. 분명히 다른 상호 작용이 작용할 것입니다. pproximation은 항상 사실입니다.
(또한 전체 분자를 위해 예약되어야하기 때문에 기하학이라는 단어를 피하고 있습니다.) -
궤도는 원자가 아니라 혼성화됩니다.
“혼성 상태”와 같은 것은 없습니다. 파동 함수를 하이브리드 궤도로 설명 할 수있는 원자가있을 수 있습니다. 특히 유기 화학자들에게 인기있는 구어체 “the carbon is sp 3 hybridised”는 쓰레기 단순화입니다. -
Valence Bond Theory는 단순화가 아닙니다. 일명 벤트의 규칙.
sp $ n $ 궤도에 대한 설명은 VB 이론의 첫날.오늘날이 이론은 이러한 엄격한 설명을 넘어서 잘 발전했습니다. 기본적으로 $ n \ in \ mathbb {R} $ 를 허용하면 더 나은 설명과 실험 데이터에 대한 더 나은 동의를 얻을 수 있습니다. (자세히보기 : Bent ‘의 규칙이란 무엇입니까? Bent ‘ s 규칙의 유용성-Bent ‘의 규칙이 다른 정 성적 고려 사항으로는 불가능하다고 설명 할 수있는 것은 무엇입니까? ) -
혼성화는 수학적 설명입니다.
혼성화. 하이브리드 궤도는 (대부분의 경우) 매우 일반적인 표준 궤도보다 훨씬 쉬운보기로 분자의 기하학적 구조를 나타 내기 때문에 하이브리드 궤도를 사용하기로 선택했습니다.
불행히도 하이브리드 궤도는 유기 화학 교과서에서 예측 도구가되었습니다. 너무 쉽게 이해할 수 있습니다. 그 결과 최소한 필요하지 않은 많은 것들이 이러한 방식으로 설명됩니다. 종종 잘못된 결론으로 이어지는 경우도 있고 우연의 일치로만 옳은 경우도 있습니다 (잘못된 이유에 대한 옳음). -
탄산화물은 사소한 것이 아닙니다.
이론이 받아 들여지고 실험을 통해 확인되기까지 2 년 이 걸렸으며, 이는 쉽게 이해할 수있는 것이 없음을 보여줍니다. 전자 안정성 측면에서 점유 궤도 만 계산됩니다. 분자 개체는 항상 최적의 기하학에서 가장 낮은 전자 상태를 채택합니다.
Bent의 규칙으로 인해 탄수화물이 일반은 자주 가르치는 3 × sp 2 + p 혼성화 방식. 원칙적으로 $ \ ce {^ + CR3} $ 형태의 탄수화물 만이이 방식을 가질 수있을만큼 충분히 대칭입니다. 이것은 이미 하이퍼 컨쥬 게이션으로 인해 $ \ ce {R {=} CH3} $ 로 분해되기 시작합니다.하지만 첫 번째 근사에서는 편리한 모델이 유지됩니다. 염두에 두세요.
이 모든 것을 통해 구체적인 질문으로 이동할 수 있습니다. 모든 예는 일반적으로 비고 전적인 탄수화물을 언급하는 것입니다. 이제 스스로에게 질문 할 수 있습니다. 비고 전적인 탄수화물이란 무엇입니까? 따라서 링크를 읽는 것이 좋습니다. 계속하기 전에 d Q & A. ( 이러한 양이온의 중요성. 뻔뻔한 자기 홍보.)
골드 북 , 약간 반동적이라고 생각하지만 우리는”고착되어있어 불평 할 필요가 없습니다.
비 고전적 탄수화물
바닥 상태가 비 국소화 된 (브리지 된) 결합 π- 또는 σ- 전자. (NB Allylic 및 benzylic carbocations는 비고 전적인 것으로 간주되지 않습니다.)
답변의 나머지 부분에 대한 참고 사항은 다음과 같습니다. 네트워크에있는 두 가지 소스의 내용을 요약하고 있습니다. (1) 비닐 양이온이 고전적 구조 또는 비 고전적 구조를 채택합니까? (2) 페닐 양이온 또는 에티 닐륨이 더 안정적입니까?
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페닐 양이온 / 아릴 탄수화물
이 경우 이미 평탄한 양이온 성 탄소가 있습니다. 따라서 필요한 변경은 선형 조정을 채택하는 것입니다. 이것은 분명히 순환 백본에 의해 제한됩니다.
기술적으로 이것은 정의에 따르면 비고 전적인 탄수화물이 아닙니다. 이것이 제가 처음에이 정의를 좋아하지 않는 이유 중 하나입니다.
브리징이있는 진정한 비 클래식 버전 양성자는 DF-BP86 / def2-SVP에서 안정된 고정 점이 아닙니다.
브리징 $ C_ \ mathrm {5v} $ 대칭 $ \ ce {^ + C (CH) 5} $ 는 고정 점이며 약 $ \ pu {145 kJ mol-1}입니다. 에너지가 $ 더 높습니다.
비닐 양이온
tl; TL; DR; dr : 최근 연구에 따르면 연결된 형태의 비닐 양이온이 약간 더 안정적입니다 (약 1-3kcal / mol).
Ethynylene Carbocation
tl; dr : 선형 $ \ ce {HCC +} $ 는 DF-BP86 / def2-SVP에서 고정 지점이 아닙니다.안정된 구조는 거의 3 원 고리로 양성자 화 된 중 탄소로 가장 잘 생각됩니다.
결론 (?!)
혼성화에 대한 제한적인 생각을 버리십시오. 탄수화물 (최상의 시나리오)에 관해서는 거의 항상 쓸모가 없거나 완전히 잘못된 아이디어를 제공합니다. 오비탈은 원자가 아니라 혼성화로 설명 될 수 있으며 혼성화 자체는 고정 된 거래가 아니라는 점을 항상 기억하십시오.
가장 작은 분자 개체가 가장 복잡한 결합 상황에서 가장 이상한 일을한다는 점을 항상 기억하십시오.
열린 마음을 유지하십시오.
답변
그 개념은 사실과는 거리가 멀습니다. 비 편재 결합을 사용하여 탄소가 5 개 이상의 원자에 결합 될 수있는 탄수화물의 예가 많이 있습니다. 예를 들어 https://en.m.wikipedia.org/wiki/Carbocation 를 참조하세요. 무엇보다 메탄도 양성자 화되어 $ \ ce {CH3 +} $ 가 아니라 $ \ ce {CH5 +} $ !
댓글
- 별도의 등급 (카보 늄 이온)입니다.
- 카보 늄 이온 탄수화물의 일종입니다. 그리고 질문은 ” carbocation “을 사용합니다.
- 음, @para가 carb에 대해 생각한 것 같습니다 en 이온 이온, 그의 예를 보면 좋은 점이 있습니다.
- @Oscar > _ <. 귀하의 답변은 유용했지만 ‘ 좀 더 자세히 설명해 주시면 감사하겠습니다. 나는 바보 모범생이기 때문에 ‘ … ” 어려움 ” …이 주제에 대한 대부분의 출처에 존재하는 미묘함을 정확하게 이해합니다. [” 탄화 양이온 “, ” 카베 늄 이온 ” 및 ” 카보 늄 이온 “은 예]. 더 구체적으로 말하면 ‘ ” … 비 국소화 된 결합, 탄소 사용을 통해 자세히 설명해 주시면 감사하겠습니다. 5 개 이상의 원자가를 가질 수 있습니다 … “.
- 위에 추가로; 내 게시물에서 예로 사용한 ” 탄수화물 “의 하이브리드 화 및 구조를 확인할 수없는 이유를 명시 적으로 설명해 주시겠습니까? ?
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