โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลของสารอนินทรีย์และอินทรีย์มีความสำคัญอย่างยิ่งในการอธิบายคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพของพวกมัน หากเราพิจารณาเนื้อหาเป็นชุดของตัวอักษรและตัวเลขบนกระดาษ ก็ไม่สามารถสรุปได้ถูกต้องเสมอไป เพื่ออธิบายปรากฏการณ์มากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับเคมีอินทรีย์ จำเป็นต้องรู้โครงสร้างสามมิติของโมเลกุล
stereometry คืออะไร
Stereometry เป็นสาขาหนึ่งของเคมีที่อธิบายคุณสมบัติของโมเลกุลของสารตามโครงสร้าง นอกจากนี้ การแสดงเชิงพื้นที่ของโมเลกุลยังมีบทบาทสำคัญที่นี่ตั้งแต่ มันคือกุญแจสู่ปรากฏการณ์ทางชีวภาพมากมาย
Stereometry เป็นชุดของกฎพื้นฐานที่เกือบทุกโมเลกุลสามารถแสดงในรูปแบบปริมาตร ข้อเสียของสูตรรวมที่เขียนบนกระดาษธรรมดาคือไม่สามารถเปิดเผยรายการคุณสมบัติของสารที่อยู่ระหว่างการศึกษาทั้งหมดได้
ตัวอย่างจะเป็นกรดฟูมาริก ซึ่งอยู่ในกลุ่มไดเบสิก มันละลายได้ไม่ดีในน้ำเป็นพิษและสามารถพบได้ในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม หากคุณเปลี่ยนการจัดเรียงเชิงพื้นที่ของกลุ่ม COOH คุณจะได้สารที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง นั่นคือกรดมาเลอิก มันสามารถละลายได้ดีในน้ำ ได้มาจากการเทียมเท่านั้น และเป็นอันตรายต่อมนุษย์เนื่องจากคุณสมบัติเป็นพิษ
ทฤษฎีเคมีสามมิติของแวนท์ ฮอฟฟ์
ในศตวรรษที่ 19 ความคิดของ M. Butlerov เกี่ยวกับโครงสร้างเรียบของโมเลกุลใดๆ ไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติมากมายของสารได้ โดยเฉพาะสารอินทรีย์ นี่เป็นแรงผลักดันให้ Van't Hoff เขียนงาน "Chemistry in Space" ซึ่งเขาได้เสริมทฤษฎีของ M. Butlerov ด้วยงานวิจัยของเขาในด้านนี้ เขาแนะนำแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุล และยังอธิบายความสำคัญของการค้นพบของเขาในด้านวิทยาศาสตร์เคมี
ดังนั้น การมีอยู่ของกรดแลคติกสามประเภทจึงได้รับการพิสูจน์แล้ว: แลคติกในเนื้อ กรดแลคติก dextrorotatory และกรดแลคติกหมัก บนแผ่นกระดาษสำหรับสารแต่ละชนิด สูตรโครงสร้างจะเหมือนกัน แต่โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลอธิบายปรากฏการณ์นี้
ผลของทฤษฎีสเตอริโอเคมีของ Van't Hoff เป็นการพิสูจน์ว่าอะตอมของคาร์บอนไม่แบนเพราะ พันธะเวเลนซ์ทั้งสี่ของมันเผชิญกับจุดยอดของจัตุรมุขในจินตภาพ
โครงสร้างเชิงพื้นที่พีระมิดของโมเลกุลอินทรีย์
จากผลการวิจัยของ Van't Hoff และงานวิจัยของเขา คาร์บอนแต่ละชนิดในโครงกระดูกของอินทรียวัตถุสามารถแสดงเป็นจัตุรมุขได้ นั่นเป็นวิธีที่เราเราสามารถพิจารณาถึง 4 กรณีที่เป็นไปได้ของการเกิดพันธะ CC และอธิบายโครงสร้างของโมเลกุลดังกล่าว
กรณีแรกคือเมื่อโมเลกุลเป็นอะตอมของคาร์บอนเดี่ยวที่สร้างพันธะ 4 กับโปรตอนไฮโดรเจน โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลมีเทนเกือบจะทำซ้ำโครงร่างของจัตุรมุข อย่างไรก็ตาม มุมพันธะจะเปลี่ยนไปเล็กน้อยเนื่องจากปฏิกิริยาของอะตอมไฮโดรเจน
การก่อตัวของพันธะ CC เคมีหนึ่งพันธะสามารถแสดงเป็นปิรามิดสองอันซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยจุดยอดทั่วไป จากการสร้างโมเลกุลดังกล่าว จะเห็นได้ว่าจัตุรมุขเหล่านี้สามารถหมุนรอบแกนของพวกมันและเปลี่ยนตำแหน่งได้อย่างอิสระ หากเราพิจารณาระบบนี้โดยใช้ตัวอย่างของโมเลกุลอีเทน คาร์บอนในโครงกระดูกก็สามารถหมุนได้อย่างแท้จริง อย่างไรก็ตาม ตำแหน่งที่มีลักษณะเฉพาะ 2 ตำแหน่ง ตำแหน่งที่พึงปรารถนาจะมอบให้กับตำแหน่งที่เอื้ออาทร เมื่อไฮโดรเจนในการฉายภาพนิวแมนไม่ทับซ้อนกัน
โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลเอทิลีนเป็นตัวอย่างของรูปแบบที่สามของการก่อตัวของพันธะซี-ซี เมื่อทรงสี่เหลี่ยมจตุรัสสองหน้ามีหน้าเดียวกัน นั่นคือ ตัดกันที่จุดยอดสองจุดที่อยู่ติดกัน เป็นที่ชัดเจนว่าเนื่องจากตำแหน่งสเตอริโอของโมเลกุลการเคลื่อนที่ของอะตอมคาร์บอนที่สัมพันธ์กับแกนของมันจึงยากเพราะ ต้องทำลายลิงค์ใดลิงค์หนึ่ง ในทางกลับกัน การก่อตัวของสารซิส- และทรานส์-ไอโซเมอร์เป็นไปได้ตั้งแต่ อนุมูลอิสระสองชนิดจากแต่ละคาร์บอนสามารถสะท้อนหรือไขว้กันได้
Cis- และการขนย้ายของโมเลกุลอธิบายการมีอยู่ของ fumaric และ maleicกรด พันธะสองพันธะเกิดขึ้นระหว่างอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุลเหล่านี้ และแต่ละพันธะมีอะตอมไฮโดรเจนหนึ่งอะตอมและกลุ่ม COOH
กรณีสุดท้ายซึ่งแสดงลักษณะโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลสามารถแทนด้วยปิรามิดสองอันที่มีหน้าร่วมกันหนึ่งหน้าและเชื่อมต่อกันด้วยจุดยอดสามจุด ตัวอย่างคือโมเลกุลอะเซทิลีน
ประการแรก โมเลกุลดังกล่าวไม่มี cis หรือ trans isomers ประการที่สอง อะตอมของคาร์บอนไม่สามารถหมุนรอบแกนได้ และประการที่สาม อะตอมและอนุมูลทั้งหมดอยู่บนแกนเดียวกัน และมุมพันธะคือ 180 องศา
แน่นอน กรณีที่อธิบายไว้สามารถใช้กับสารที่โครงกระดูกมีอะตอมไฮโดรเจนมากกว่าสองอะตอม หลักการของการสร้างสามมิติของโมเลกุลดังกล่าวยังคงอยู่
โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลของสารอนินทรีย์
การเกิดพันธะโควาเลนต์ในสารประกอบอนินทรีย์มีความคล้ายคลึงกันในกลไกของสารอินทรีย์ ในการสร้างพันธะ จำเป็นต้องมีคู่อิเล็กตรอนที่ไม่แบ่งแยกในสองอะตอม ซึ่งก่อตัวเป็นเมฆอิเล็กตรอนทั่วไป
การทับซ้อนกันของออร์บิทัลระหว่างการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์เกิดขึ้นตามแนวหนึ่งของนิวเคลียสอะตอม หากอะตอมก่อตัวเป็นพันธะตั้งแต่สองพันธะขึ้นไป ระยะห่างระหว่างพวกมันจะถูกกำหนดโดยค่าของมุมพันธะ
ถ้าเราพิจารณาโมเลกุลของน้ำซึ่งประกอบขึ้นจากอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอมและไฮโดรเจนสองอะตอม มุมพันธะควรเป็น 90 องศา อย่างไรก็ตามการศึกษาทดลองแสดงให้เห็นว่าค่านี้คือ 104.5 องศา โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลแตกต่างจากที่คาดการณ์ไว้ในทางทฤษฎีเนื่องจากการมีอยู่ของแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมไฮโดรเจน พวกมันผลักกัน จึงเป็นการเพิ่มมุมพันธะระหว่างพวกเขา
Sp-hybridization
Hybridization คือทฤษฎีการก่อตัวของออร์บิทัลลูกผสมที่เหมือนกันของโมเลกุล ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากการมีอยู่ของอิเล็กตรอนคู่ที่ระดับพลังงานต่างกันในอะตอมกลาง
ตัวอย่างเช่น พิจารณาการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์ในโมเลกุล BeCl2 เบริลเลียมมีคู่อิเล็กตรอนที่ไม่แบ่งที่ระดับ s และ p ซึ่งตามทฤษฎีแล้วควรทำให้เกิดโมเลกุลมุมไม่เท่ากัน อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ พวกมันเป็นเส้นตรงและมุมพันธะคือ 180 องศา
Sp-hybridization ใช้ในการสร้างพันธะโควาเลนต์สองพันธะ อย่างไรก็ตาม มีรูปแบบอื่นของออร์บิทัลลูกผสม
ลูกผสม Sp2
การผสมพันธุ์แบบนี้มีหน้าที่ในโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลที่มีพันธะโควาเลนต์สามพันธะ ตัวอย่างคือโมเลกุล BCl3 อะตอมแบเรียมกลางมีคู่อิเล็กตรอนที่ไม่แบ่งแยกสามคู่: สองคู่ที่ระดับ p และอีกหนึ่งคู่ที่ระดับ s
พันธะโควาเลนต์สามตัวสร้างโมเลกุลที่อยู่ในระนาบเดียวกัน และมีมุมพันธะ 120 องศา
ลูกผสม Sp3
อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับการก่อตัวของออร์บิทัลแบบไฮบริด เมื่ออะตอมกลางมีคู่อิเล็กตรอนที่ไม่แบ่งแยก 4 คู่: 3 คู่ที่ระดับ p และ 1 คู่ที่ระดับ s ตัวอย่างของสารดังกล่าวคือมีเทน โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลมีเทนเป็นแบบเตตระเอิร์ด ซึ่งมีมุมวาเลนซ์อยู่ที่ 109.5 องศา การเปลี่ยนแปลงของมุมนั้นเกิดจากปฏิกิริยาของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งกันและกัน