Wired Chemist

Skład związku jest podany przez jego wzór. Jeśli związek jest związkiem jonowym, może mieć tylko jeden wzór. Związek jonowy chlorek magnezu ma wzór MgCl2, który mówi nam, że związek składa się z magnezu i chloru i że istnieją dwa atomy chloru na każdy atom magnezu. Dla związku kowalencyjnego benzenu istnieje kilka wzorów. Po pierwsze, wzór empiryczny CH mówi nam, że związek zawiera tylko węgiel i wodór oraz że na każdy jeden atom węgla przypada jeden atom wodoru. Po drugie, wzór cząsteczkowy mówi nam, ile atomów każdego typu jest obecnych w jednej cząsteczce. Dla benzenu wzór cząsteczkowy to C6H6, a więc w jednej cząsteczce znajduje się sześć atomów węgla i sześć atomów wodoru. Zauważ, że wzór cząsteczkowy jest zawsze pewną wielokrotnością wzoru empirycznego (6 x CH = C6H6).

Po trzecie, kiedy mamy do czynienia z cząsteczkami, chcielibyśmy również wiedzieć, jak rozmieszczone są atomy. Jest to reprezentowane przez wzór strukturalny. Dla cząsteczki z sześcioma węglami i sześcioma wodorami, atomy mogłyby być ułożone w następujący sposób:

W rzeczywistości istnieje wiele sposobów, w jaki sześć węgli i sześć wodorów mogłoby być ułożonych, ale kiedy struktura benzenu została ustalona doświadczalnie, okazało się, że węgle były ułożone w pierścień i że do każdego węgla był przyłączony jeden wodór:

Może się wydawać, że teraz wiemy już wszystko, czego potrzebujemy o strukturze benzenu. Jeśli jednak pomyślimy o tej cząsteczce w trójwymiarze, zaczynamy zadawać pytania takie jak: Czy pierścień jest planarny? Jakie są kąty pomiędzy wiązaniami węgiel-węgiel? Czy pierścień jest idealnym sześciokątem? Na te pytania można odpowiedzieć za pomocą technik eksperymentalnych, takich jak dyfrakcja rentgenowska, a odpowiedzi mogą być podane jako seria kątów i długości wiązań. Zazwyczaj wygodniej jest przekazać te informacje w postaci pewnego rodzaju trójwymiarowej formuły strukturalnej. Trójwymiarowe wzory zwykle przyjmują jedną z trzech form: a) wzory strukturalne narysowane w celu uzyskania trójwymiarowego widoku, b) rysunki wygenerowane komputerowo, używane specjalnie przez krystalografów rentgenowskich i zwykle nazywane diagramami ORTEP, oraz c) modele molekularne, zwykle generowane komputerowo. Rysunek 27 przedstawia trójwymiarowy wzór strukturalny benzenu i aminokwasu, alaniny.

Zauważ, że klin jest używany do wskazania, że grupa wystaje z płaszczyzny strony w kierunku czytelnika, linia ciągła do wskazania grupy w płaszczyźnie papieru, a linia kropkowana (lub odwrotny klin) do wskazania grupy za płaszczyzną papieru. Kiedy omówimy strukturę w następnym rozdziale, powód użycia tych urządzeń stanie się jaśniejszy. Rysunek 28 przedstawia model kulki i patyczka oraz model wypełniający przestrzeń dla alaniny.

Wzory strukturalne związków organicznych mogą być szczególnie kłopotliwe. Weźmy pod uwagę związek 3-okten, który ma wzór cząsteczkowy C8H16. Rysunek 29 przedstawia kilka sposobów zapisu wzoru strukturalnego 3-oktenu. W części (a) wypisane są wszystkie wiązania pomiędzy hydrogenami i węglami. Ten wzór pokazuje, że trzeci węgiel ma podwójne wiązanie łączące go z sąsiednim węglem. Wzór ten jest w rzeczywistości wzorem elektronowo-kropkowym, który omówimy poniżej, ale pokazuje on również wyraźnie, które atomy są ze sobą połączone. W części (b), wzór strukturalny jest nieco skondensowany poprzez umieszczenie atomów w grupach. Na przykład, grupa CH3 oznacza trzy hydrogeny przyłączone do węgla. Grupa ta może być również zapisana jako H3C. W części c), wzór strukturalny jest jeszcze bardziej zagęszczony poprzez pominięcie atomów węgla i wodoru. Ten typ wzoru liniowego jest często stosowany przez chemików organików ze względu na złożoność wzorów wielu związków organicznych.

Ponieważ ten typ wzoru jest nieco nietypowy, rozważmy kilka prostych przykładów. Związek alkohol izopropylowy (alkohol do nacierania) ma wzór (CH3)2CHOH, co należy interpretować w ten sposób, że do węgla przyłączone są dwie grupy metylowe, wodór i grupa OH:

W zapisie wzoru liniowego alkohol izopropylowy zapisano by:

Zakłada się, że czytelnik rozpozna, że zakończenie każdej linii i połączenie jednej linii z drugą reprezentuje węgiel i wystarczającą ilość dołączonych hydrogenów, aby zapewnić cztery wiązania wokół każdego węgla.

Innym przykładem jest związek octan etylu, który ma wzór CH3COOCH2CH3. Związek ten zawiera grupę karboksylową (COO), która ma jeden tlen podwójnie związany z węglem, podczas gdy drugi tlen jest pojedynczo związany z węglem. Zatem pełny wzór strukturalny pokazujący wszystkie wiązania to:

Wzór skondensowany to:

a wzór liniowy to:

Laureat Nobla, Roald Hoffmann, chemik fizyczny interesujący się wieloma różnorodnymi tematami, mówi o ilustracjach: „Czym są te ciekawe rysunki, wypełniające strony pracy naukowej? Zadaję teraz to pytanie z punktu widzenia artysty lub rysownika. Nie są one rzutami izometrycznymi, a już na pewno nie fotografiami. A jednak są to ewidentne próby przedstawienia w dwóch wymiarach trójwymiarowego obiektu w celu przekazania jego istoty jakiemuś odległemu czytelnikowi.

„Fascynujące jest oglądanie struktur chemicznych na stronach każdego czasopisma i uświadomienie sobie, że na podstawie tak minimalnych informacji ludzie mogą rzeczywiście zobaczyć cząsteczki w swoim umyśle. Wskazówki dotyczące trójwymiarowości są minimalne. Cząsteczki unoszą się w powietrzu (patrz poniżej), a ty jesteś zwykle zniechęcony do umieszczenia w zestawie referencyjnym płaszczyzn, aby pomóc ci je zobaczyć (środek).

„Niektórzy chemicy tak bardzo polegają na kodzie, że nie rysują norbornanu jak po lewej stronie ilustracji powyżej, ale jak po prawej. Co to za różnica? Jedna linia „przecięta” zamiast „złamana”. …

„Polityka czasopism, ich ograniczenia ekonomiczne i dostępna technologia nakładają ograniczenia nie tylko na to, co jest drukowane, ale także na to, jak myślimy o molekułach. Weźmy norbornan (patrz poniżej). Do około 1950 roku żaden dziennik na świecie nie był przygotowany do reprodukcji tej struktury, jak pokazano poniżej po prawej stronie. Zamiast tego widziałeś go w czasopiśmie, jak pokazano po lewej stronie.

Teraz wszyscy wiedzieli od 1874 r., że węgiel jest tetraedryczny, co oznacza, że cztery wiązania z nim są tworzone wzdłuż czterech kierunków promieniujących od środka czworościanu do jego wierzchołków. Modele molekularne były dostępne lub mogły być stosunkowo łatwo zbudowane. Jednak podejrzewam, że ikona norbornanu, którą typowy chemik miał w swoim umyśle około 1925 roku, to ta po lewej, a nie ta po prawej. Był uwarunkowany przez to, co widział w czasopiśmie lub podręczniku – obraz, i to płaski. Mógł być – myślę, że często był – poruszony do działania (na przykład przy syntezie pochodnej tej cząsteczki) przez ten nierealistyczny dwuwymiarowy obraz*.”

*Roald Hoffmann, The Same and Not the Same, Columbia University Press, New York, 1995, strona 76-78.