7. Sposoby przedstawiania wzorów związków organicznych

7.1. Wzory konstytucyjne

W chemii nieorganicznej zapis wzoru sumarycznego H₂SO₄, dla kogoś kto ma chociażby blade pojęcie o chemii, jest jednoznaczny. Oznacza on, że atom siarki połączony jest z czterema atomami tlenu, oraz atomy wodoru dołączone są do 2 atomów tlenu (wynika to oczywiście z naszej wiedzy, a nie ze wzoru sumarycznego).

W chemii organicznej zamiast wzorów sumarycznych używa się wzorów cząsteczkowych, które określają ilość poszczególnych atomów obecnych w cząsteczce. Jednakże są one używane rzadko, z tej przyczyny, że dla związków zbudowanych już z dwóch atomów węgla, jednemu wzorowi cząsteczkowemu może odpowiadać kilka różnych związków:

Z tego właśnie powodu, w chemii organicznej wzory cząsteczkowe używane są rzadko, bo tak naprawdę, to przy zapisie C₂H₄O₂, nie bardzo wiadomo jaki związek mamy na myśli. Związki organiczne przedstawia się za pomocą wzorów strukturalnych. Jednakże, by swobodnie je interpretować, należy poznać pewne terminy i rządzące nimi zasady.

Pojęcie wzór strukturalny jest określeniem bardzo ogólnym. W wielu podręcznikach nazwa ta jest po prostu nadużywana. Tak jak w życiu, pojęcie budynek oznacza zarówno dom jednorodzinny, blok mieszkalny, biurowiec i wiele jeszcze innych miejsc, tak w chemii, pojęcie "struktura" określa pewną organizację materii, tak naprawdę, to nie bardzo wiadomo jaką (podobnie, jak przy pojęciu budynek). Może oznaczać zarówno sposób połączenia atomów, sposób i kolejność ich połączenia, jak i rozmieszczenie atomów lub grup w przestrzeni. Tak naprawdę to nigdy nie wiadomo co „autor” miał na myśli! Tylko z kontekstu można się domyśleć, o co tak naprawdę mu chodziło. A z kontekstu często wynika, że autor miał na myśli sposób i kolejność powiązania ze sobą atomów – czyli wzór konstytucyjny. Do tych niuansów związanych z nazewnictwem wrócimy w dalszej części.

Ze względu na to, że w podręcznikach spotykamy się nadal ze starym nazewnictwem, oraz głównie ze względów historycznych (przecież pojęcia o których będzie mowa na kolejnych stronach istnieją już od XVIII w), będę używał starej terminologii, natomiast nowe określenia będą umieszczane w nawiasach.

• Wzory strukturalne Kekulego

nazywane również wzorami kreskowymi (wzory konstytucyjne kreskowe). Jak pamiętamy, każdą parę elektronów zaznacza się za pomocą dwóch kropek lub kreski. Wiązanie pomiędzy atomami to nic innego jak jedna para (wiązanie pojedyncze), dwie pary (wiązanie podwójne), lub trzy pary (wiązanie potrójne). Jeżeli te wiązania (a ściślej pary elektronów), przedstawimy za pomocą kropek, to otrzymamy wzór elektronowy Lewisa. Natomiast jeżeli za pomocą kresek łączących atomy, to otrzymamy wzór strukturalny Kekulego, zwany często wzorem kreskowym (wzór konstytucyjny kreskowy). Przy rysowaniu tych wzorów obowiązuje jedna reguła. Wzór ma być zgodny ze wzorem Lewisa i w miarę symetryczny (kształtny). Dla związku określonego wzorem cząsteczkowym C₂H₄O₂, możemy zapisać następujące wzory kreskowe:

Tak naprawdę, to wzory te nie niosą żadnej innej informacji, poza sposobem i kolejnością połączeń atomów. Wzór kwasu octowego zapisany w takiej postaci:

pomimo, że mało elegancki, jest również poprawny

• Strukturalne wzory grupowe (konstytucyjne wzory grupowe)

Spróbujmy narysować wzór kreskowy dla izopentanu:

Nie jest to takie proste. Nawet dziś, w dobie komputerów, rysowanie tego typu wzorów sprawia trudności. Dlatego chemicy (dla własnej wygody), postanowili łączyć jednakowe grupy atomów, oraz dodatkowo opuszczać wiązania rysowane poziomo:

Grupy odchodzące w bok, można zapisać w nawiasie otrzymując dalsze uproszczenie wzoru grupowego: CH₃CH₂CH(CH₃)CH₃. W tej chwili widzimy, że mamy dwie grupy CH₃ (metylowe) obok siebie, więc można je połączyć: CH₃CH₂CH(CH₃)₂.

• Wzory szkieletowe

Jeszcze dalej idące uproszczenie w rysowaniu wzorów konstytucyjnych, spotkamy we wzorach szkieletowych. Jak sama nazwa wskazuje, w tych wzorach zaznacza się tylko szkielet cząsteczki. W ogóle nie zaznacza się atomów węgla, oraz atomów wodoru z nimi związanych. Przy rysowaniu tego typu wzorów obowiązują następujące reguły:

• nie zaznacza się atomów węgla
• nie zaznacza się atomów wodoru połączonych z atomami węgla
• atomy inne niż atom węgla (heteroatomy) zaznacza się, zaznacza się również atomy wodoru połączone z heteroatomami
• domyślnie przyjmuje się, że w każdym węźle, oraz na przecięciu wiązań znajduje się atom węgla
• domyślnie każdy atom węgla otrzymuje tyle atomów wodoru, by spełniona była reguła czterowartościowości dla atomu węgla

Wzory szkieletowe najczęściej rysuje się dla związków cyklicznych. Praktycznie związku cyklicznego narysowanego w innej postaci, poza tym rozdziałem nie zobaczysz! Chyba, że sam go narysujesz.

Przejście od wzoru grupowego do szkieletowego.

7.2. Wzory przestrzenne

Wzory konstytucyjne omówione dotychczas nie ukazują ułożenia atomów w przestrzeni. A wiadomo, że cząsteczki związków organicznych rzadko kiedy są płaskie:

Rysunek stereoskopowy 1-chloro-1-jodoetanu

Bardzo często położenie atomów (grup atomów) w przestrzeni decyduje o właściwościach fizycznych i chemicznych związku:

Izomeryczne kwasy etenodiowe
pK1= 1,8 pK2= 6,6	pK1= 3 pK2= 4,5

Trudno jednak cząsteczki przedstawiać zawsze w powyższy sposób. Dlatego musimy nauczyć się przedstawiać je na płaszczyźnie. Wzory ukazujące ułożenie atomów w przestrzeni noszą nazwę wzorów przestrzennych.

7.2.1. Wzory perspektywiczne

• wzory konikowe

Tak jak rzeczywistość trójwymiarową malarz próbuje przedstawić na płótnie, tak chemicy cząsteczkę związku próbują narysować na kartce papieru. Wszystko opiera się na odpowiednim ułożeniu cząsteczki na którą patrzymy wzdłuż wiązania w taki sposób, by widoczne były atomy, za równo ten bliższy, jak i dalszy:

Czyż ten zapis nie przypomina tzw. konika do cięcia drewna?

• wzory perspektywiczne

Chcąc ukazać głębię (trzeci wymiar), malarz stosuje perspektywę . Przedmioty bliższe są większe, dalsze mniejsze. Dla pokazania trzeciego wymiaru w cząsteczkach postępujemy podobnie. Wiązania nam bliższe, rysujemy pogrubione, dalsze, słabo widoczne, za pomocą linii przerywanej. Zauważmy ponadto, że zgodnie z zasadami geometrii, przez trzy punkty (atomy), możemy przeprowadzić płaszczyznę (atom węgla i dwa inne atomy z nim związane). Pozostałe dwa podstawniki znajdują się: jeden przed, a drugi za płaszczyzną.

Przy tego typu wzorach, zwróćmy uwagę, że przedłużenie wiązania leżącego przed i za płaszczyzną, dzieli kąt utworzony przez wiązania leżące w płaszczyźnie praktycznie na pół.

7.2.2. Wzory projekcyjne (rzutowe)

• wzór projekcyjny Newmana

Aby narysować ten wzór dla danej cząsteczki, patrzymy na nią wzdłuż wiązania między dwoma atomami:

Atomy te obrazuje koło. Wiązania, tak jak widzimy na modelu, wychodzą od środka koła (dla atomu bliższego) i od obwodu dla atomu dalszego.

• wzory Fischera

Wzór projekcyjny Fischera powstaje przez rzutowanie na płaszczyznę papieru, cząsteczki ustawionej w następujący sposób:

• cząsteczkę należy ustawić pionowo
• atom (atomy) centralny znajduje się w płaszczyźnie papieru
• atomy leżące powyżej i poniżej atomu centralnego znajdują się pod płaszczyzną papieru
• atomy leżące z lewej i z prawej strony atomu centralnego znajdują się nad płaszczyzną papieru
• atom o najniższym lokancie znajduje się u góry

		następnie grupy (atomy rzutuje się na płaszczyznę)
Ułożenie cząsteczki w celu zapisania jej w projekcji Fischera

Wzór cząsteczki w projekcji Fischera, można obracać jedynie o 180^o wokół osi prostopadłej do płaszczyzny papieru. Dlaczego nie można obracać takiego wzoru wokół osi leżącej w płaszczyźnie papieru, lub o 90^o wokół osi prostopadłej do płaszczyzny papieru?