Organic Bonding Menu

  • Uploaded by: surya kant upadhyay
  • 0
  • 0
  • May 2020
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Organic Bonding Menu as PDF for free.

More details

  • Words: 7,008
  • Pages: 31
ORGANIC BONDING MENU  Electronic structure and  orbitals     . . .     An introduction to the arrangement of electrons in atoms ­ leading to the  modern electronic structures of carbon and hydrogen. Bonding in methane . . . Covers bonding in methane and ethane, including a simple look at  hybridisation.  Bonding in  ethene     . . .     Covers bonding in ethene, including a simple look at hybridisation.  Bonding in  ethyne     (acetylene). . .     Looks at the formation of a carbon­carbon triple bond. (If you aren't happy  about bonding in ethene, read that first!)  Bonding in benzene ­ the  Kekulé     structure . . .     A description of the Kekulé structure for benzene and the reasons (including  hydrogenation energies) why it isn't satisfactory. Bonding in benzene ­ a modern orbital view . . . Covers a modern view of the bonding in benzene, including a simple look at  hybridisation. Bonding in carbonyl compounds . . . Describes the carbon­oxygen double bond in methanal (including a simple  look at hybridisation), but applies equally to other aldehydes and ketones like  ethanal and propanone.  Electronegativity  . . .     An introduction to electronegativity as it applies to organic chemistry, including  its causes. Bond polarity.

ELECTRONIC STRUCTURE AND ATOMIC  ORBITALS A simple view

In any introductory chemistry course you will have come across the  electronic structures of hydrogen and carbon drawn as:

Note:  There are many places where you could still make use of this  model of the atom at A' level. It is, however, a simplification and can  be misleading. It gives the impression that the electrons are circling  the nucleus in orbits like planets around the sun. As you will see in a  moment, it is impossible to know exactly how they are actually  moving.

The circles show energy levels - representing increasing distances from the nucleus. You could straighten the circles out and draw the electronic structure as a simple energy diagram.

Atomic orbitals Orbits and orbitals sound similar, but they have quite different  meanings. It is essential that you understand the difference  between them. The impossibility of drawing orbits for electrons To plot a path for something you need to know exactly where the  object is and be able to work out exactly where it's going to be an  instant later. You can't do this for electrons. Note:  In order to plot a plane's course, it is no use knowing its exact  location in mid­Atlantic if you don't know its direction or speed.  Equally it's no use knowing that it is travelling at 500 mph due west if  you have no idea whether it is near Iceland or the Azores at that  particular moment.

The Heisenberg Uncertainty Principle (not required at A'level) says - loosely - that you can't know with certainty both where an electron is and where it's going next. That makes it impossible to plot an orbit for an electron around a nucleus. Is this a big problem? No. If something is impossible, you have to accept it and find a way around it. Hydrogen's electron - the 1s orbital Note:  In this diagram (and the orbital diagrams that follow), the  nucleus is shown very much larger than it really is. This is just for  clarity.

Suppose you had a single hydrogen atom and at  a particular instant plotted the position of the one  electron. Soon afterwards, you do the same  thing, and find that it is in a new position. You  have no idea how it got from the first place to the  second. You keep on doing this over and over again, and gradually build up  a sort of 3D map of the places that the electron is likely to be found. In the hydrogen case, the electron can be found anywhere within a  spherical space surrounding the nucleus. The diagram shows a  cross­section through this spherical space. 95% of the time (or any other percentage you choose), the electron  will be found within a fairly easily defined region of space quite  close to the nucleus. Such a region of space is called an orbital.  You can think of an orbital as being the region of space in which the  electron lives. Note:  If you wanted to be absolutely 100% sure of where the electron  is, you would have to draw an orbital the size of the Universe!

What is the electron doing in the orbital? We don't know, we can't  know, and so we just ignore the problem! All you can say is that if  an electron is in a particular orbital it will have a particular definable  energy. Each orbital has a name.

The orbital occupied by the hydrogen electron is called a 1s   orbital. The "1" represents the fact that the orbital is in the energy  level closest to the nucleus. The "s" tells you about the shape of  the orbital. s orbitals are spherically symmetric around the nucleus  ­ in each case, like a hollow ball made of rather chunky material  with the nucleus at its centre. The orbital on the left is a 2s orbital. This  is similar to a 1s orbital except that the  region where there is the greatest chance  of finding the electron is further from the  nucleus ­ this is an orbital at the second  energy level. If you look carefully, you will notice that  there is another region of slightly higher electron density (where the  dots are thicker) nearer the nucleus. ("Electron density" is another  way of talking about how likely you are to find an electron at a  particular place.) 2s (and 3s, 4s, etc) electrons spend some of their time closer to the  nucleus than you might expect. The effect of this is to slightly  reduce the energy of electrons in s orbitals. The nearer the nucleus  the electrons get, the lower their energy. 3s, 4s (etc) orbitals get progressively further from the nucleus. p orbitals Not all electrons inhabit s orbitals (in fact, very  few electrons live in s orbitals). At the first  energy level, the only orbital available to  electrons is the 1s orbital, but at the second  level, as well as a 2s orbital, there are also  orbitals called 2p orbitals. A p orbital is rather like 2 identical balloons tied  together at the nucleus. The diagram on the  right is a cross­section through that 3­ dimensional region of space. Once again, the orbital shows where  there is a 95% chance of finding a particular electron. Beyond A'level:   If you imagine a horizontal plane through the  nucleus, with one lobe of the orbital above the plane and the other 

beneath it, there is a zero probability of finding the electron on that  plane. So how does the electron get from one lobe to the other if it  can never pass through the plane of the nucleus? For A'level  chemistry you just have to accept that it does! If you want to find out  more, read about the wave nature of electrons.

Unlike an s orbital, a p orbital points in a particular direction ­ the  one drawn points up and down the page. At any one energy level it is possible to have three absolutely  equivalent p orbitals pointing mutually at right angles to each other.  These are arbitrarily given the symbols px, py and pz. This is simply  for convenience ­ what you might think of as the x, y or z direction  changes constantly as the atom tumbles in space.

The p orbitals at the second energy level  are called 2px, 2py and 2pz. There are  similar orbitals at subsequent levels ­ 3px,  3py, 3pz, 4px, 4py, 4pz and so on. All levels except for the first level have p  orbitals. At the higher levels the lobes get  more elongated, with the most likely place  to find the electron more distant from the nucleus.

Fitting electrons into orbitals Because for the moment we are only interested in the electronic  structures of hydrogen and carbon, we don't need to concern  ourselves with what happens beyond the second energy level. Remember: At the first level there is only one orbital ­ the 1s orbital. At the second level there are four orbitals ­ the 2s, 2px, 2py  and 2pz orbitals. Each orbital can hold either 1 or 2 electrons, but no more. "Electrons­in­boxes" Orbitals can be represented as boxes with the electrons in them  shown as arrows. Often an up­arrow and a down­arrow are used to  show that the electrons are in some way different.

Beyond A'level:  The need to have all electrons in an atom different  comes out of quantum theory. If they live in different orbitals, that's  fine ­ but if they are both in the same orbital there has to be some  subtle distinction between them. Quantum theory allocates them a  property known as "spin" ­ which is what the arrows are intended to  suggest.

A 1s orbital holding 2 electrons would be drawn as  shown on the right, but it can be written even more  quickly as 1s2. This is read as "one s two" ­ not as "one  s squared". You mustn't confuse the two numbers in this notation:

The order of filling orbitals Electrons fill low energy orbitals (closer to the nucleus) before they  fill higher energy ones. Where there is a choice between orbitals of  equal energy, they fill the orbitals singly as far as possible. The diagram (not to scale) summarises the energies of the various  orbitals in the first and second levels.

Notice that the 2s orbital has a slightly lower energy than the 2p  orbitals. That means that the 2s orbital will fill with electrons before  the 2p orbitals. All the 2p orbitals have exactly the same energy.

The electronic structure of hydrogen Hydrogen only has one electron and that will go into the orbital with  the lowest energy ­ the 1s orbital.

Hydrogen has an electronic structure of 1s1. We have already  described this orbital earlier.

The electronic structure of carbon Carbon has six electrons. Two of them will be found in the 1s orbital  close to the nucleus. The next two will go into the 2s orbital. The  remaining ones will be in two separate 2p orbitals. This is because  the p orbitals all have the same energy and the electrons prefer to  be on their own if that's the case.

Note:  People sometimes wonder why the electrons choose to go into  the 2px and 2py orbitals rather than the 2pz. They don't! All of the 2p  orbitals are exactly equivalent, and the names we give them are  entirely arbitrary. It just looks tidier if we call the orbitals the electrons  occupy the 2px and 2py.

The electronic structure of carbon is normally written  1s22s22px12py1. BONDING IN METHANE AND ETHANE Warning!  If you aren't happy with describing electron  arrangements in s and p notation, and with the shapes of s  and p orbitals, you really should read about orbitals    .   Use the BACK button on your browser to return quickly to this  point.

Methane, CH4 The simple view of the bonding in methane You will be familiar with drawing methane 

using dots and crosses diagrams, but it is worth looking at its  structure a bit more closely. There is a serious mis­match between this structure and the  modern electronic structure of carbon, 1s22s22px12py1. The modern  structure shows that there are only 2 unpaired electrons for  hydrogens to share with, instead of the 4 which the simple view  requires. You can see this more readily using the  electrons­in­boxes notation. Only the 2­ level electrons are shown. The 1s2  electrons are too deep inside the atom to  be involved in bonding. The only electrons directly available for  sharing are the 2p electrons. Why then isn't methane CH2? Promotion of an electron When bonds are formed, energy is  released and the system becomes more  stable. If carbon forms 4 bonds rather  than 2, twice as much energy is released  and so the resulting molecule becomes  even more stable. There is only a small energy gap  between the 2s and 2p orbitals, and so it  pays the carbon to provide a small  amount of energy to promote an electron  from the 2s to the empty 2p to give 4 unpaired electrons. The extra  energy released when the bonds form more than compensates for  the initial input. Note:  People sometimes worry that the promoted electron is  drawn as an up­arrow, whereas it started as a down­arrow.  The reason for this is actually fairly complicated ­ well beyond  the level we are working at. Just get in the habit of writing it like  this because it makes the diagrams look tidy!

Now that we've got 4 unpaired electrons ready for bonding, another  problem arises. In methane all the carbon­hydrogen bonds are  identical, but our electrons are in two different kinds of orbitals. You 

aren't going to get four identical bonds unless you start from four  identical orbitals. Hybridisation The electrons rearrange themselves  again in a process called hybridisation.  This reorganises the electrons into four  identical hybrid orbitals called sp3 hybrids  (because they are made from one s orbital and three p orbitals).  You should read "sp3" as "s p three" ­ not as "s p cubed".

sp3 hybrid orbitals look a bit like half a p  orbital, and they arrange themselves in space  so that they are as far apart as possible. You  can picture the nucleus as being at the centre  of a tetrahedron (a triangularly based pyramid) with the orbitals  pointing to the corners. For clarity, the nucleus is drawn far larger  than it really is.

What happens when the bonds are formed?  Remember that hydrogen's electron is in a 1s orbital ­ a spherically  symmetric region of space surrounding the nucleus where there is  some fixed chance (say 95%) of finding the electron. When a  covalent bond is formed, the atomic orbitals (the orbitals in the  individual atoms) merge to produce a new molecular orbital which  contains the electron pair which creates the bond.

Four molecular orbitals are formed, looking rather like the original  sp3 hybrids, but with a hydrogen nucleus embedded in each lobe.  Each orbital holds the 2 electrons that we've previously drawn as a  dot and a cross. The principles involved ­ promotion of electrons if necessary, then  hybridisation, followed by the formation of molecular orbitals ­ can  be applied to any covalently­bound molecule.

Ethane, C2H6 The formation of molecular orbitals in ethane Ethane isn't particularly important in its own right, but is included  because it is a simple example of how a carbon­carbon single bond  is formed.  Each carbon atom in the ethane promotes an electron and then  forms sp3 hybrids exactly as we've described in methane. So just  before bonding, the atoms look like this:

The hydrogens bond with the two carbons to produce molecular  orbitals just as they did with methane. The two carbon atoms bond 

by merging their remaining sp3 hybrid orbitals end­to­end to make a  new molecular orbital. The bond formed by this end­to­end overlap  is called a sigma bond. The bonds between the carbons and  hydrogens are also sigma bonds.

In any sigma bond, the most likely place to find the pair of electrons  is on a line between the two nuclei. Free rotation about the carbon­carbon single bond The two ends of this molecule can spin quite freely about the sigma  bond so that there are, in a sense, an infinite number of possibilities  for the shape of an ethane molecule. Some possible shapes are:

In each case, the left hand CH3 group has been kept in a constant  position so that you can see the effect of spinning the right hand  one. Other alkanes All other alkanes will be bonded in the same way: •

The carbon atoms will each promote an electron and then  hybridise to give sp3 hybrid orbitals.



The carbon atoms will join to each other by forming sigma  bonds by the end­to­end overlap of their sp3 hybrid orbitals. 



Hydrogen atoms will join on wherever they are needed by  overlapping their 1s1 orbitals with sp3 hybrid orbitals on the  carbon atoms.

BONDING IN ETHENE

Important!  You will find this much easier to understand if you first  read the article about the bonding in methane.  You may also find it useful to read the article on orbitals if you aren't  sure about simple orbital theory.

Ethene, C2H4 The simple view of the bonding in ethene At a simple level, you will have drawn ethene  showing two bonds between the carbon  atoms. Each line in this diagram represents  one pair of shared electrons. Ethene is actually much more interesting than this. An orbital view of the bonding in ethene Ethene is built from hydrogen atoms (1s1) and carbon atoms  (1s22s22px12py1). The carbon atom doesn't have enough unpaired electrons to form  the required number of bonds, so it needs to promote one of the  2s2 pair into the empty 2pz orbital. This is exactly the same as  happens whenever carbon forms bonds ­ whatever else it ends up  joined to.

Important!  If this isn't really clear to you, you must go and read the  article about the bonding in methane.

Now there's a difference, because each carbon is only joining to  three other atoms rather than four ­ as in methane or ethane. When  the carbon atoms hybridise their outer orbitals before forming  bonds, this time they only hybridise three of the orbitals rather than  all four. They use the 2s electron and two of the 2p electrons, but  leave the other 2p electron unchanged.

The new orbitals formed are called sp2  hybrids, because they are made by an  s orbital and two p orbitals  reorganising themselves. sp2 orbitals  look rather like sp3 orbitals that you  have already come across in the  bonding in methane, except that they are shorter and fatter. The  three sp2 hybrid orbitals arrange themselves as far apart as  possible ­ which is at 120° to each other in a plane. The remaining  p orbital is at right angles to them. The two carbon atoms and four hydrogen atoms would look like this  before they joined together:

The various atomic orbitals which are  pointing towards each other now merge to  give molecular orbitals, each containing a  bonding pair of electrons. These are sigma   bonds ­ just like those formed by end­to­end overlap of atomic  orbitals in, say, ethane.

The p orbitals on each carbon aren't pointing towards each other,  and so we'll leave those for a moment. In the diagram, the black  dots represent the nuclei of the atoms. Notice that the p orbitals are so close that they are overlapping  sideways. This sideways overlap also creates a  molecular orbital, but of a different kind. In  this one the electrons aren't held on the  line between the two nuclei, but above and  below the plane of the molecule. A bond  formed in this way is called a pi bond.

For clarity, the sigma bonds are shown using lines ­ each line  representing one pair of shared electrons. The various sorts of line  show the directions the bonds point in. An ordinary line represents  a bond in the plane of the screen (or the paper if you've printed it),  a broken line is a bond going back away from you, and a wedge  shows a bond coming out towards you. Note:  The really interesting bond in ethene is the pi bond. In almost  all cases where you will draw the structure of ethene, the sigma  bonds will be shown as lines.

Be clear about what a pi bond is. It is a region of space in which  you can find the two electrons which make up the bond. Those two  electrons can live anywhere within that space. It would be quite  misleading to think of one living in the top and the other in the  bottom. Taking chemistry further:  This is another example of the curious  behaviour of electrons. How do the electrons get from one half of the  pi bond to the other if they are never found in between? It's an  unanswerable question if you think of electrons as particles.

Even if your syllabus doesn't expect you to know how a pi bond is  formed, it will expect you to know that it exists. The pi bond  dominates the chemistry of ethene. It is very vulnerable to attack ­  a very negative region of space above and below the plane of the  molecule. It is also somewhat distant from the control of the nuclei  and so is a weaker bond than the sigma bond joining the two  carbons. Important!  Check your syllabus! Find out whether you actually need  to know how a pi bond is formed. Don't forget to look in the bonding  section of your syllabus as well as under ethene. If you don't need to  know it, there's no point in learning it! You will, however, need to know  that a pi bond exists ­ that the two bonds between the carbon atoms  in ethene aren't both the same.  If you are working to a UK­based syllabus for 16 ­ 18 year olds, and  haven't got a copy of your syllabus, find out how to download one

All double bonds (whatever atoms they might be joining) will consist  of a sigma bond and a pi bond. BONDING IN ETHYNE (ACETYLENE) Important!  The approach on this page follows on from the similar  (but very slightly easier) explanation of the bonding in ethene. Unless  you are already familiar with this, you should first read the page about   ethene .   To understand ethene you also have to understand orbitals and the  bonding in methane ­ sorry, there are no short­cuts! Depending on  how many other pages you might have to refer to as well, return here  later using the BACK button on your browser or the GO menu or  HISTORY file ­ or via the Organic Bonding Menu (link from the bottom  of each page in this section).

Ethyne, C2H2 The simple view of the bonding in ethyne Ethyne has a triple bond between the two carbon atoms. In the  diagram each line represents one pair of shared electrons.

If you have read the ethene page, you will expect that ethyne is  going to be more complicated than this simple structure suggests. An orbital view of the bonding in ethyne Ethyne is built from hydrogen atoms (1s1) and carbon atoms  (1s22s22px12py1). The carbon atom doesn't have enough unpaired electrons to form  four bonds (1 to the hydrogen and three to the other carbon), so it  needs to promote one of the 2s2 pair into the empty 2pz orbital. This  is exactly the same as happens whenever carbon forms bonds ­  whatever else it ends up joined to.

Important!  If this isn't really clear to you, you must go and read the  article about the bonding in methane.

Each carbon is only joining to two other atoms rather than four (as  in methane or ethane) or three (as in ethene) and so when the  carbon atoms hybridise their outer orbitals before forming bonds,  this time they only hybridise two of the orbitals. They use the 2s electron and one of the 2p electrons, but leave the  other 2p electrons unchanged. The new hybrid orbitals formed are  called sp1 hybrids (sometimes just sp hybrids), because they are  made by an s orbital and a single p orbital reorganising themselves.

What these look like in the atom (using the same colour coding) is:

Notice that the two green lobes are two different hybrid orbitals ­  arranged as far apart from each other as possible. Don't confuse  them with the shape of a p orbital. The two carbon atoms and two hydrogen atoms would look like this  before they joined together:

The various atomic orbitals which are pointing towards each other  now merge to give molecular orbitals, each containing a bonding  pair of electrons. These are sigma bonds ­ just like those formed  by end­to­end overlap of atomic orbitals in, say, ethane. The sigma  bonds are shown as orange in the next diagram. The various p orbitals (now shown in slightly different reds to avoid  confusion) are now close enough together that they overlap  sideways.

Sideways overlap between the two sets of p orbitals produces two  pi bonds ­ each similar to the pi bond found in, say, ethene. These  pi bonds are at 90° to each other ­ one above and below the  molecule, and the other in front of and behind the molecule. Notice  the different shades of red for the two different pi bonds.

Note:  Forgive my artistic (in)ability! In particular, these diagrams are  not to scale. To get the p orbitals to overlap and still see what is going  on at the back of the molecule, you have to shorten the carbon­ carbon distance completely out of proportion. In truth, the carbon­ hydrogen bond length is shorter than the carbon­carbon triple bond.

BONDING IN BENZENE The Kekulé structure for benzene, C6H6 What is the Kekulé structure? Kekulé was the first to suggest a sensible  structure for benzene. The carbons are  arranged in a hexagon, and he suggested  alternating double and single bonds between  them. Each carbon atom has a hydrogen  attached to it. This diagram is often simplified by leaving out all the carbon and  hydrogen atoms!

In diagrams of this sort, there is a carbon atom at  each corner. You have to count the bonds leaving  each carbon to work out how many hydrogens there  are attached to it. In this case, each carbon has three bonds leaving it. Because  carbon atoms form four bonds, that means you are a bond missing  ­ and that must be attached to a hydrogen atom. Problems with the Kekulé structure Although the Kekulé structure was a good attempt in its time, there 

are serious problems with it . . . Problems with the chemistry Because of the three double bonds, you might expect benzene to  have reactions like ethene ­ only more so! Ethene undergoes addition reactions in which one of the two bonds  joining the carbon atoms breaks, and the electrons are used to  bond with additional atoms. Benzene rarely does this. Instead, it usually undergoes substitution  reactions in which one of the hydrogen atoms is replaced by  something new. Note:  Follow these links to get details about the   addition reactions of  ethene    , or the substitution  reactions of benzene.

Problems with the shape Benzene is a planar molecule (all the atoms lie in one plane), and  that would also be true of the Kekulé structure. The problem is that  C­C single and double bonds are different lengths. C­C

0.154 nm

C=C

0.134 nm Note:  "nm" means "nanometre", which is 10­9  metre.

That would mean that the hexagon would be irregular if it had the  Kekulé structure, with alternating shorter and longer sides. In real  benzene all the bonds are exactly the same ­ intermediate in length  between C­C and C=C at 0.139 nm. Real benzene is a perfectly  regular hexagon. Problems with the stability of benzene Real benzene is a lot more stable than the Kekulé structure would  give it credit for. Every time you do a thermochemistry calculation  based on the Kekulé structure, you get an answer which is wrong  by about 150 kJ mol­1. This is most easily shown using enthalpy 

changes of hydrogenation. Help!  It doesn't matter whether you've done any  thermochemistry sums recently or not. This is all  so simple that you could understand it even if  you had never done any!

Hydrogenation is the addition of hydrogen to something. If, for  example, you hydrogenate ethene you get ethane: CH2=CH2  +  H2

CH3CH3

In order to do a fair comparison with benzene (a  ring structure) we're going to compare it with  cyclohexene. Cyclohexene, C6H10, is a ring of six  carbon atoms containing just one C=C.

Note:  If you are a bit shaky on names:  cyclohexene: hex means six carbons, cyclo  means in a ring, ene means with a C=C bond.

When hydrogen is added to this, cyclohexane, C6H12, is formed.  The "CH" groups become CH2 and the double bond is replaced by  a single one. Note:  cyclohexane: six carbons in a ring, but  the ane ending means NO C=C bond.

The structures of cyclohexene and cyclohexane are usually  simplified in the same way that the Kekulé structure for benzene is  simplified ­ by leaving out all the carbons and hydrogens.

In the cyclohexane case, for example, there is a carbon atom at 

each corner, and enough hydrogens to make the total bonds on  each carbon atom up to four. In this case, then, each corner  represents CH2. The hydrogenation equation could be written: 

The enthalpy change during this reaction is ­120 kJ mol­1. In other  words, when 1 mole of cyclohexene reacts, 120 kJ of heat energy is  evolved. Help!  "Enthalpy change" can be translated as  "heat evolved or absorbed". The negative sign  shows that heat is evolved.

Where does this heat energy come from? When the reaction  happens, bonds are broken (C=C and H­H) and this costs energy.  Other bonds have to be made, and this releases energy. Because the bonds made are stronger than those broken, more  energy is released than was used to break the original bonds and  so there is a net evolution of heat energy. If the ring had two double bonds in it initially (cyclohexa­1,3­diene),  exactly twice as many bonds would have to be broken and exactly  twice as many made. In other words, you would expect the  enthalpy change of hydrogenation of cyclohexa­1,3­diene to be  exactly twice that of cyclohexene ­ that is, ­240 kJ mol­1. Note:  The name (cyclohexa­1,3­diene) is  unimportant. Don't worry about it unless you  want to!

In fact, the enthalpy change is ­232 kJ mol­1 ­ which isn't far off  what we are predicting. Note:  Thermochemistry sums often throw up  discrepancies of this sort of magnitude, and you 

couldn't be sure whether there was any  significance in it.

Applying the same argument to the Kekulé structure for benzene  (what might be called cyclohexa­1,3,5­triene), you would expect an  enthalpy change of ­360 kJ mol­1, because there are exactly three  times as many bonds being broken and made as in the  cyclohexene case.

In fact what you get is ­208 kJ mol­1 ­ not even within distance of  the predicted value! This is very much easier to see on an enthalpy diagram. Notice that  in each case heat energy is released, and in each case the product  is the same (cyclohexane). That means that all the reactions "fall  down" to the same end point.

Heavy lines, solid arrows and bold numbers represent real  changes. Predicted changes are shown by dotted lines and italics. The most important point to notice is that real benzene is much  lower down the diagram than the Kekulé form predicts. The lower  down a substance is, the more energetically stable it is. This means that real benzene is about 150 kJ mol­1 more stable  than the Kekulé structure gives it credit for. This increase in stability  of benzene is known as the delocalisation energy or resonance  

energy of benzene. The first term (delocalisation energy) is the  more commonly used. Note:  If you look at the diagram closely, you will  see that cyclohexa­1,3­diene is also a shade  more stable than expected. There is a tiny  amount of delocalisation energy involved here as  well.

Why is benzene so much more stable than the Kekulé structure  suggests? To explain that needs a separate article! Follow the first  link below. BONDING IN CARBONYL COMPOUNDS Important!  Don't try to read this unless you are sure  that you fully understand the orbital view of the bonding  in methane and the bonding in     ethene    .   You may also find it useful to read the article on orbitals if  you aren't sure about simple orbital theory.

The carbonyl group The simple view of the bonding in carbon ­ oxygen double  bonds Where the carbon­oxygen double bond, C=O,  occurs in organic compounds it is called a  carbonyl group. The simplest compound  containing this group is methanal. We are going to look at the bonding in methanal, but it would  equally apply to any other compound containing C=O. The  interesting thing is the nature of the carbon­oxygen double bond ­  not what it's attached to. Note:  Methanal is normally written as HCHO. If you  wrote it as HCOH, it looks as if it contains an ­O­H group  ­ and it doesn't. Methanal is an aldehyde. All aldehydes  contain the CHO group.  Naming: methanal: meth counts 1 carbon atom, an 

means no C=C, al says that it is an aldehyde and so  contains CHO.

An orbital view of the bonding in carbon ­ oxygen double  bonds The carbon atom Just as in ethene or benzene, the carbon atom is joined to three  other atoms. The carbon's electrons rearrange themselves, and  promotion and hybridisation give sp2 hybrid orbitals. Promotion gives:

Hybridisation of the 2s orbital and two  of the 2p orbitals means that the  carbon atom now looks like the  diagram on the right. Three sp2 hybrid orbitals are formed  and these arrange themselves as far  apart in space as they can ­ at 120° to each other. The remaining p  orbital is at right angles to them. This is exactly the same as in ethene or in benzene. Important!  If this isn't really clear to you, you must go  and read the article about the bonding in     ethene    . 

The oxygen atom Oxygen's electronic structure is 1s22s22px22py12pz1. The 1s electrons are too deep inside the atom to be concerned with  the bonding and so we'll ignore them from now on. Hybridisation  occurs in the oxygen as well. It is easier to see this using  "electrons­in­boxes".

This time two of the sp2 hybrid orbitals contain lone pairs of  electrons. Help!  A "lone pair" of electrons is a pair of electrons at  the bonding level which isn't being used to bond on to  another atom.

The carbon atom and oxygen atom then bond in much the same  way as the two carbons do in ethene. In the next diagram, we are  assuming that the carbon will also bond to two hydrogens to make  methanal ­ but it could equally well bond to anything else.

End­to­end overlap between the atomic orbitals that are pointing  towards each other produce sigma bonds. Notice that the p orbitals are overlapping sideways.

This sideways overlap produces a pi bond. So just like C=C, C=O is  made up of a sigma bond and a pi bond. Does that mean that the bonding is exactly the same as in ethene?  No! The distribution of electrons in the pi bond is heavily distorted  towards the oxygen end of the bond, because oxygen is much  more electronegative than carbon. Help!  You can read about the origins of electronegativity  and its effects in organic compounds in a separate  article.

This distortion in the pi bond causes major differences in the  reactions of compounds containing carbon­oxygen double bonds  like methanal compared with compounds containing carbon­carbon  double bonds like ethene. ELECTRONEGATIVITY This page deals with electronegativity in an organic chemistry context. If you want a wider view of electronegativity, there is a link at the bottom of the page. What is electronegativity? Electronegativity is a measure of the tendency of an atom to attract a bonding pair of electrons. The Pauling scale is the most commonly used. Fluorine (the most electronegative element) is given a value of 4.0, and values range down to caesium and francium which are the least electronegative at 0.7. What happens if two atoms of equal electronegativity bond together? The most obvious example of this is the bond between two carbon atoms. Both atoms will attract the bonding pair to exactly the same extent. That means that on average the electron pair will be found half way between the two nuclei, and you could draw a picture of the bond like this:

It is important to realise that this is an average picture. The electrons are actually in a sigma orbital, and are moving constantly within that orbital. Help!  A sigma orbital is a molecular orbital formed by end­to­ end overlap between two atomic orbitals. If you aren't happy  about this, read the articles on orbitals and the bonding in  methane and ethane.

The carbon­fluorine bond Fluorine is much more electronegative than carbon. The actual  values on the Pauling scale are carbon

2.5

fluorine

4.0

That means that fluorine attracts the bonding pair much more  strongly than carbon does. The bond ­ on average ­ will look like  this:

Why is fluorine more electronegative than carbon? A simple dots­and­crosses diagram of a C­F bond is perfectly  adequate to explain it. The bonding pair is in the second energy level of both carbon and  fluorine, so in the absence of any other effect, the distance of the  pair from both nuclei would be the same. The electron pair is shielded from the full force of both nuclei by the  1s electrons ­ again there is nothing to pull it closer to one atom  than the other. BUT, the fluorine nucleus has 9 protons whereas the carbon  nucleus has only 6.

Allowing for the shielding effect of the 1s electrons, the bonding  pair feels a net pull of about 4+ from the carbon, but about 7+ from  the fluorine. It is this extra nuclear charge which pulls the bonding  pair (on average) closer to the fluorine than the carbon. Help!  You have to imagine what the bonding pair "sees" if it  looks in towards the nucleus. In the carbon case, it sees 6  positive protons, and 2 negative electrons. That means that  there will be a net pull from the carbon of about 4+. The  shielding wouldn't actually be quite as high as 2­, because the  1s electrons spend some of their time on the far side of the  carbon nucleus ­ and so aren't always between the bonding pair  and the nucleus.  Incidentally, thinking about electrons looking towards the nucleus  may be helpful in picturing what is going on, but avoid using  terms like this in exams.

The carbon­chlorine bond The electronegativities are: carbon

2.5

chlorine

3.0

The bonding pair of electrons will be dragged towards the chlorine  but not as much as in the fluorine case. Chlorine isn't as  electronegative as fluorine. Why isn't chlorine as electronegative as fluorine? Chlorine is a bigger atom than fluorine. fluorine: 1s22s22px22py22pz1 chlorine: 1s22s22px22py22pz23s23px23py23pz1 Help!  If you aren't happy about this, read the article on orbitals    .   Use the BACK button on your browser to get back to here again.

In the chlorine case, the bonding pair will be shielded by all the 1­ level and 2­level electrons. The 17 protons on the nucleus will be  shielded by a total of 10 electrons, giving a net pull from the  chlorine of about 7+. That is the same as the pull from the fluorine, but with chlorine the 

bonding pair starts off further away from the nucleus because it is  in the 3­level. Since it is further away, it feels the pull from the  nucleus less strongly.

Bond polarity and inductive effects Polar bonds Think about the carbon­fluorine bond again. Because the bonding  pair is pulled towards the fluorine end of the bond, that end is left  rather more negative than it would otherwise be. The carbon end is  left rather short of electrons and so becomes slightly positive.

The symbols  + and  ­ mean "slightly positive" and "slightly  negative". You read  + as "delta plus" or "delta positive". We describe a bond having one end slightly positive and the other  end slightly negative as being polar. Inductive effects An atom like fluorine which can pull the bonding pair away from the  atom it is attached to is said to have a negative inductive effect. Most atoms that you will come across have a negative inductive  effect when they are attached to a carbon atom, because they are  mostly more electronegative than carbon. You will come across some groups of atoms which have a slight  positive inductive effect ­ they "push" electrons towards the carbon  they are attached to, making it slightly negative. Inductive effects are sometimes given symbols: ­I (a negative  inductive effect) and +I (a positive inductive effect). Note:  You should be aware of terms like "negative inductive  effect", but don't get bogged down in them. Provided that you  understand what happens when electronegative atoms like  fluorine or chlorine are attached to carbon atoms in terms of the  polarity of the bonds, that's really all you need for most  purposes.

Some important examples of polar bonds Hydrogen bromide (and other hydrogen halides)

Bromine (and the other halogens) are all more electronegative than  hydrogen, and so all the hydrogen halides have polar bonds with  the hydrogen end slightly positive and the halogen end slightly  negative. Help!  Halogen: a member of group VII of the Periodic Table ­  fluorine, chlorine, bromine and iodine.  Halide: a compound of one of these ­ e.g. hydrogen chloride,  hydrogen bromide, etc.

The polarity of these molecules is important in their reactions with  alkenes. Note:  These reactions are explored in the section dealing with  the addition of hydrogen halides to alkenes.

The carbon­bromine bond in halogenoalkanes Note:  You may come across halogenoalkanes under the names  "haloalkanes" or "alkyl halides".

Bromine is more electronegative than carbon and so the bond is  polarised in the way that we have already described with C­F and  C­Cl.

The polarity of the carbon­halogen bonds is important in the  reactions of the halogenoalkanes. Note:  This link will take you to the nucleophilic     substitution       reactions of the  halogenoalkanes     in which this polarity is  important.

The carbon­oxygen double bond An orbital model of the C=O bond in methanal, HCHO, looks like  this:

Note:  If you aren't sure about this, read the article on bonding in  the carbonyl group (C=O).

The very electronegative oxygen atom pulls both bonding pairs  towards itself ­ in the sigma bond and the pi bond. That leaves the  oxygen fairly negative and the carbon fairly positive.

Related Documents

Organic Bonding Menu
May 2020 13
Bonding
October 2019 26
Bonding
May 2020 12
Bonding
October 2019 25
Organic
May 2020 25
Chemical Bonding
July 2020 13

More Documents from ""