5.2. Строение этилена. Двойная углерод-углеродная связь

Простейшим представителем ряда алкенов является этилен . Поскольку этилен легко превращается в этан, можно ожидать определенных аналогий в строении этих двух соединений.

Сначала атомы углерода соединяют ковалентной связью и затем присоединяют по два атома водорода к каждому атому углерода. Таким образом, каждый атом углерода имеет только шесть электронов на своем валентном уровне вместо требуемых восьми; чтобы вся молекула была нейтральной, необходима еще пара электронов. Обе эти проблемы можно решить, если предположить, что оба атома углерода владеют совместно двумя парами электронов. Обычно говорят, что атомы углерода связаны двойной связью. Двойная углерод-углеродная связь является отличительной особенностью строения алкенов.

Квантовая механика дает более детальную картину этилена и двойной углерод-углеродной связи. Для образования связей с тремя другими атомами углерод использует три эквивалентные гибридные орбитали: -орбитали, образованные комбинацией одной и двух -орбиталей. Как было показано в разд. 2.23, sр2-орбитали лежат в одной плоскости, а именно плоскости ядра углерода, и направлены к углам правильного треугольника; угол между двумя орбиталями составляет 120° (2,094 рад). Тригональное расположение (рис. 5.1) предполагает максимальное удаление гибридных

орбиталей друг от друга. Так же как взаимное отталкивание приводит к тетраэдрическому расположению -орбиталей, так в данном случае оно приводит к тригональному.

Если расположить два атома углерода и четыре атома водорода этилена так, чтобы обеспечить максимальное перекрывание орбиталей, то получается структура, приведенная на рис. 5.2. Каждый атом углерода находится в центре треугольника, в углах которого расположены два атома водорода и второй углеродный атом. Каждый угол между связями равен 120° (2,094 рад). Эти связи хотя и расположены иначе относительно ядра углерода, очень похожи на связи в этане; они имеют цилиндрическую симметрию относительно линии связи и их также называют с-связями (сигма-связь).

Рис. 5.1. Атомные гибридные sp2-opбитали. Оси орбиталей направлены к углам правильного треугольника.

Рис. 5.2. Молекула этилена: приведены только -связи.

Но построение молекулы еще не закончено. При образовании -орбиталей каждый атом углерода использовал только две из трех имеющихся -орбиталей.

Рис. 5.3. Молекула этилена: двойная углерод-углеродная связь. Перекрывание -орбиталей приводит к образованию -связи; -электронное облако расположено над и под плоскостью, в которой лежат атомы.

Оставшаяся -орбиталь состоит из двух равных долей, из которых одна расположена над, а другая под плоскостью трех -орбиталей (рис. 5.3); она занята одним электроном. Если -орбиталь одного атома углерода перекрывается с -орбиталью другого углеродного атома, происходит спаривание электронов и образуется дополнительная связь.

Эта связь образуется в результате перекрывания -орбиталей, и, чтобы отличить ее от с-связей, имеющих другую форму, такую связь называют -связью (пи-связь). Она состоит из двух частей, причем одно электронное облако расположено над, а другое под плоскостью, в которой лежат атомы. Вследствие меньшего перекрывания -связь менее прочна, чем углерод-углеродная -связь. Как видно из рис. 5.3, такое перекрывание может происходить только, когда шесть атомов лежат в одной плоскости. Следовательно, этилен — плоская молекула.

Таким образом, углерод-углеродная «двойная связь» построена из прочной -связи исходя из данных для этана] и менее прочной -связи 162 ккал Общая энергия связи, равная 145 ккал больше, чем энергия простой

углерод-углеродной связи в этане 183 ккал Поскольку атомы углерода находятся ближе, расстояние в этилене меньше, чем расстояние в этане, т. е. двойная углерод-углеродная связь короче простой углерод-углеродной связи.

Эта квантовомеханическая картина этилена подтверждена экспериментально. Методом дифракции электронов и спектральными исследованиями показано, что этилен (рис. 5.4) представляет собой плоскую молекулу с углами между связями около 120° (2,094 рад). Расстояние в этилене равно а в этане

Рис. 5.4. Молекула этилена: форма и размеры.

Кроме этих цифровых данных, еще два важных аспекта химии алкенов находятся в соответствии с квантовомеханической картиной двойной связи и наиболее легко объяснимы с точки зрения этих представлений. Это, во-первых, концепция затрудненного вращения и связанное с ним явление геометрической изомерии (разд. 5.6) и, во-вторых, реакционная способность двойной углерод-углеродной связи (разд. 6.2).