Движение электронов в отражательном триоде с учетом магнитного поля токоотводящей системы

%PDF-1.6 % 1 0 obj > endobj 6 0 obj /Title >> endobj 2 0 obj > endobj 3 0 obj > /Encoding > >> >> endobj 4 0 obj > endobj 5 0 obj > stream

Движение электронов в отражательном триоде с учетом магнитного поля токоотводящей системы

Григорьев Владимир Петрович; Коваль Тамара Васильевна; Козловских Александр Владимирович endstream endobj 7 0 obj > endobj 8 0 obj > endobj 9 0 obj > endobj 10 0 obj > endobj 11 0 obj > endobj 12 0 obj > endobj 13 0 obj > endobj 14 0 obj > endobj 15 0 obj > stream HTo0r ^ڤ10z8N>4 THoNäiC۹|GRij[.

|-|5ʒJl|R{*{G_XW¢%@SUeaExRehIW eє`ְFWT?=f`hp=9J[+na*[k[xTiZԍ\KTSluv]Hc[IR 1}s8ڞG!ūP`BE?Xު$ ZB`-ĎuA&pXDM0`

Движением отдельных электронов в молекуле можно управлять / Хабр

Физики впервые смогли отследить движение отдельных электронов в молекуле и показали, что эти процессы возможно контролировать. В будущем это позволит управлять ходом химических реакций и биологических процессов, чтобы получать желаемый результат из нескольких возможных вариантов реакции одних и тех же химических веществ.

Результаты исследования, проведённого в швейцарской Высшей технической школы в Цюрихе при участии доктора физико-математических наук Московского физико-технического института Олега Толстихина, а также теоретиков из Дании, Бельгии и Канады, опубликованы 22 октября 2015 г в журнале Science.

Как сообщается, управление движением электронов осуществляется с помощью сверхкоротких лазерных импульсов с длиной волны 800 и 1300 нанометров. Перемещения электронов наблюдались по спектру высоких гармоник, возникающему при взаимодействии лазерного импульса с молекулой.

Используя методы аттофизики, исслледователи отслеживали реструктуризацию электронной оболочки. Это ключевой процесс в понимании химической реакции, поскольку перераспределение электронов соответствует формированию новых химических связей.

Группа под руководством Ганса Якоба Вернера из швейцарской Высшей технической школы в Цюрихе ранее провели ряд экспериментов, которые убедительно демонстрируют возможность таких наблюдений, а сейчас исследователи совершили последний шаг: они де-факто отследили перемещение электронов с разрешением 100 аттосекунд (1 аттосекунда = 10^­-18 секунды) и показали, как контролировать электроны.

Электроны во время эксперимента перемещались вдоль линейной молекулы йодацетилена (HCCI), которые представляют собой вытянутые цепочки из четырёх атомов — водорода, двух атомов углерода и атома йода. Под действием лазерных импульсов конфигурация электронной оболочки менялась: в ней возникало вакантное место для электрона. Под действием лазера возникала суперпозиция двух квантовых состояний этой «дырки»: она может быть с некоторой вероятностью обнаружена сразу на обоих концах молекулы.

«Мы можем управлять движением электронов в молекуле, а это означает, что если эта технология будет развита, мы сможем управлять исходом химических реакций. Например, в смеси газов, где может идти химическая реакция, её исход может быть один, а может быть другой. Светя «правильным» лазером c «правильной» формой импульса, можно сделать один из исходов доминирующим», — объяснил доктор физико-математических наук Олег Толстихин, соавтор научной работы.

По мнению Олега Толстихин, научная работа может найти применение, в частности, при разработке новых медикаментов: «Если вы можете управлять исходом химической реакции, то можете создавать вещества, большие молекулы — любое лекарство это большая молекула, — которые обычно удаётся получить в результате химических реакций в ничтожных количествах, а так можно будет, например, в половине случаев получить нужное вещество», — сказал он.

Двигается ли вообще электрон в атоме?

Категория: Физика      Опубликовано: 1 декабря 2014 г.

На этом изображении показан математический график одного электрона в определенном состоянии в атоме водорода. Изображение общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд.

Во-первых, я полагаю, вы хотели задать вопрос: «Испытывает ли электрон в стабильном (непереходном) атомном состоянии какое-либо движение?» Очевидно, что электрон, переходя между состояниями, переходит из одного состояния в другое. Но для электрона, который просто пребывает в одном стабильном состоянии в атоме, вопрос более интересен. Это движется? Ответ может быть да или нет в зависимости от того, как мы определяем движение и какую форму электрона мы считаем действительно реальной.

Проблема в том, что электрон — это не сплошной шарик, вокруг которого мы можем наблюдать. Электрон — это квантовый объект. Таким образом, электрон частично похож на частицу, а частично на волну, но на самом деле представляет собой нечто более сложное, не являющееся ни простой волной, ни простой частицей.

Электрон описывается вероятностной квантовой волновой функцией, которая распространяется в пространстве и вибрирует, но при этом сохраняет определенные дискретные свойства, такие как масса. Будучи связанным в стабильном состоянии в атоме, волновая функция электрона распространяется в определенную форму, называемую «орбиталью». Орбиталь не содержит электрона и не описывает среднее положение маленького жесткого электрона, вращающегося вокруг. Скорее орбитальная это электрон.

Будучи связанным в стабильном состоянии в атоме, электрон ведет себя в основном как колеблющаяся трехмерная волна, т.е. орбитальные колебания. Это немного похоже на вибрирующую гитарную струну. Когда вы дергаете гитарную струну, она трясется, что и создает звук. С научной точки зрения мы бы сказали, что вы возбудили в струне стоячую волну. Гитарная струна не двигается в смысле выстреливания в другой конец комнаты. В этом смысле гитарная струна вообще не движется, а остается прижатой к гитаре. Но гитарная струна

— это , движущееся в том смысле, что оно вибрирует, когда вы его щипаете. Если вы выберете одно место на натянутой струне и внимательно посмотрите на него, оно определенно перемещается из одного места в пространстве в другое, снова и снова. Потянув за нить, вы преобразовали химическую энергию руки в упругую энергию натянутой нити. Когда вы отпускаете, энергия упругости преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию), когда струна отскакивает и начинает вибрировать. Суммарная кинетическая энергия всей струны, усредненная по времени, равна нулю, так как общая струна никуда не денется относительно гитары. Но кинетическая энергия любой малой части струны в данный момент не равна нулю. Таким образом, щипковая гитарная струна испытывает локальное, но не общее движение.

Математические графики волновой функции электрона в водороде, ясно показывающие его колебательное движение. Графики слева и справа показывают один электрон в основном состоянии одного атома водорода. Два графика в середине показывают два возможных основных состояния, которые может принять волновая функция электрона, когда два атома водорода связаны в молекулу водорода.

Каждая красная точка показывает расположение ядра. На каждом графике пара синяя кривая/розовая кривая показывает две разные компоненты волновой функции одного электрона. Обратите внимание, что эти графики показывают одномерный срез трехмерной орбитали. Изображение общественного достояния, источник: Википедия.

Электрон в атомно-орбитальном состоянии действует как струна гитары. Он распространяется в виде трехмерной волновой функции, подобной облаку, которая вибрирует. В то время как гитарная струна колеблется вверх и вниз, волновая функция атомного электрона просто колеблется сильно и слабо. Частота, с которой колеблется волновая функция электрона, прямо пропорциональна полной энергии электрона. Электроны в атомных состояниях с более высокой энергией колеблются быстрее. Поскольку электрон — это квантовый объект с волновыми свойствами, он всегда должен колебаться с некоторой частотой. Чтобы электрон перестал вибрировать и, следовательно, имел нулевую частоту, он должен быть уничтожен.

В атоме это происходит, когда электрон всасывается в ядро ​​и принимает участие в ядерной реакции, известной как захват электрона.

Имея все это в виду, электрон в стабильном атомном состоянии движется , а не в смысле твердого маленького шарика, двигающегося по кругу подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, поскольку электрон распространяется волной. Кроме того, электрон в стабильном атомном состоянии совершает , а не движений в смысле раскачивания в пространстве. Орбитальный электрон совершает движение в смысле вибрации во времени.

Но правда сложнее, чем это изображено на этой простой картинке. Есть две вещи, которые описывают электрон в квантовой теории: квантовая волновая функция электрона и квадрат величины квантовой волновой функции электрона. (Операция «квадрат величины» просто означает, что вы отбрасываете фазовые множители, такие как отрицательные знаки, и затем берете квадрат. Например, квадрат величины минус три равен девяти.

) Интересно, что эксперименты могут непосредственно измерять только квадрат величины электрона. волновая функция, и все же нам нужна исходная волновая функция, чтобы предсказать результат многих экспериментов. По этой причине некоторые люди говорят, что квадрат величины волновой функции — единственная реальная величина, тогда как сама исходная волновая функция — просто математический костыль, который необходим, потому что наша теория неэлегантна.

Является ли квадрат величины волновой функции электрона реальной физической сущностью или исходная волновая функция является реальной физической сущностью? Этот вопрос действительно философский, а не физический, поэтому я не буду здесь его развивать. Для ученых вопрос: «Что на самом деле реально?» неважно. Мы больше озабочены тем, чтобы уравнения соответствовали экспериментам. Какое отношение все это имеет к электрону в атоме? Дело в том, что необработанная волновая функция атомного электрона вибрирует , но квадрат амплитуды волновой функции не вибрирует . На самом деле физики называют устойчивые состояния атомных электронов «стационарными состояниями», потому что квадрат величины волновой функции постоянен во времени. Если вы считаете необработанную волновую функцию истинно физической сущностью, то вы должны сказать, что электрон в атоме испытывает движение в форме вибрации. Если вы считаете квадрат величины волновой функции действительно физической сущностью, то вы должны сказать, что электрон в атоме не испытывает вибрации и, следовательно, не испытывает никакого движения. Я считаю, что первый выбор имеет больше смысла. Вы можете математически показать, что определенные состояния атомных электронов содержат угловой момент (то есть вращательный момент). Трудно понять утверждение, что атомный электрон обладает угловым моментом, и в то же время утверждение, что электрон полностью неподвижен во всех смыслах этого слова. По этой причине я предпочитаю рассматривать необработанную волновую функцию как истинно физическую сущность, и, следовательно, электрон в атоме испытывает движение в форме колебаний. Но, опять же, вопрос: «Что на самом деле реально?» является философским и не имеет значения в науке. Суть в том, что необработанная волновая функция электрона в стабильном атомном состоянии испытывает колебательное движение. Считаете ли вы это движение реальным или нет, зависит от вас.

Темы: атом, атомы, электрон, кинетическая энергия, движение, движение, квант, волновая функция

7.2 Как движутся электроны — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

17140

Правильное использование стрелок для обозначения движения электронов

Способность правильно написать механизм органической реакции является ключом к успеху на уроках органической химии. Химики-органики используют технику, называемую толканием стрелок, для изображения потока или движения электронов во время химических реакций. Нажатие стрелки помогает химикам отслеживать, как перераспределяются электроны и связанные с ними атомы по мере образования и разрыва связей. Первое важное правило, о котором следует помнить, заключается в следующем:

Первое правило : Стрелки используются для обозначения движения электронов

Обычная стрелка (двусторонняя стрелка) используется для обозначения движения двух электронов, а линия с односторонней стрелкой (иногда называемая « стрелка «рыболовный крючок») используется для движения одного электрона, связанного с радикальными реакциями, которые впервые описаны в главе 8. двусторонними наконечниками стрел.

Толкание стрелки было впервые представлено в разделе 1.8A при обсуждении структур, способствующих резонансу. Напомним, что при сравнении двух или более участвующих структур стрелка использовалась, чтобы показать, как два электрона (линии, представляющие связи, или пары точек, представляющие неподеленные пары) могут быть перераспределены внутри одной химической структуры, чтобы создать альтернативное представление структуры линии Льюиса связи. . По соглашению, стрелки используются для отслеживания всех пар электронов, которые находятся в разных местах в двух разных структурах линий Льюиса, показанных здесь для аниона ацетата и молекулы бензола.

Имейте в виду, что в случае резонанса 1) атомы не перемещаются между участвующими структурами и 2) электроны фактически не движутся. Истинную химическую структуру следует рассматривать как гибрид структур линий Льюиса. Стоит отметить, что при использовании с участвующими структурами стрелки обычно указывают только на взаимное превращение p-связей и неподеленных пар (ацетат-ионы) или только p-связей (бензол), а не на образование или разрыв s-связей.

В химических реакциях и электроны, и атомы меняют положение по мере образования и разрыва p- и s-связей. Нажатие стрелки используется для отслеживания движения всех электронов, участвующих в каждом шаге общего преобразования. Поскольку электроны располагаются на орбиталях, окружающих атомы, при образовании или разрыве связей движение электронов между орбиталями обязательно сопровождается движением ассоциированных атомов, что приводит ко второму правилу толкания стрелок при изображении механизмов химических реакций:

Второе правило: Стрелки никогда не используются для прямого указания движения атомов. Стрелки лишь косвенно показывают движение атома как следствие движения электрона при образовании и разрыве ковалентных связей.

Мы уже несколько раз использовали нажатие стрелки, чтобы показать перенос протона в главе 4. В приведенном ниже примере показан перенос протона от относительно кислой молекулы уксусной кислоты к относительно основному аниону гидроксида. Мы показываем этот процесс одной стрелкой (обозначенной буквой «а» на диаграмме), которая начинается с неподеленной пары электронов на основном атоме кислорода гидроксид-аниона, а затем указывает на кислый атом H уксусной кислоты, указывая на образование нового делается облигация. Вторая стрелка начинается на линии, обозначающей разрыв связи O-H, и указывает на атом O, обозначающий создание неподеленной пары (стрелка «b»). В этой реакции протон передается между молекулами, а стрелки указывают на движение участвующих электронов.

Распространенная ошибка начинающих студентов заключается в том, что они ошибочно пишут стрелку, указывающую от H уксусной кислоты к атому O аниона гидроксида. Это неправильно, потому что такая стрелка указывала бы непосредственно на движение атома H, а не на движение электрона! Другие распространенные ошибки при нажатии стрелок приведены в конце.

Источники и поглотители электронов: как предсказать, что произойдет в механизме органической реакции стрелок, а именно перераспределение р-связей и/или неподеленных пар, образование новой s-связи (обычно из неподеленной пары или иногда новой р-связи) и разрыв s-связи (обычно с образованием новой неподеленной пары или иногда новая р-связь). Часто, как в случае реакции ацетат-гидроксид-иона, на данном этапе механизма используется более одной стрелки. Теперь, когда вы увидели все основные типы стрелок, мы можем указать на самую важную общую черту между ними:

Третье правило : Стрелки всегда начинаются у источника электронов и заканчиваются у стока электронов.

Источником электронов является связь или неподеленная пара электронов. Это либо р-связь, либо неподеленная пара на атоме с относительно высокой электронной плотностью в молекуле или ионе, либо связь, которая должна разорваться во время реакции. Поглотитель электронов — это атом в молекуле или ионе, который может принять новую связь или неподеленную пару электронов.

Умение идентифицировать характерные источники и поглотители в различных функциональных группах является ключом к изучению механизмов реакций органической химии. Например, для стрелок, изображающих образование новых s-связей, источник электронов часто легко идентифицируется как неподеленная пара на наиболее богатом электронами атоме молекулы или иона, а сток электронов легко идентифицируется как наиболее бедный электронами. атом молекулы или иона. Таким образом, предсказание многих важнейших источников и стоков электронов сводится к урокам, касающимся различий в электроотрицательности между атомами, которые были представлены в разделе 1.2, которые позволяют выявить частичные и формальные отрицательные и положительные заряды в молекулах. В помощь вашему анализу красный и синий цвета различных карт электростатической поверхности, приведенных в этой книге, указывают на отрицательные и положительные области молекул. Чуть позже мы еще поговорим об этом образце реактивности.

Это приводит нас к еще одному часто встречающемуся типу процесса, заслуживающему упоминания. Как вы увидите в этой и многих последующих главах, создание новой связи со стоком электрона часто требует одновременного разрыва одной из связей, присутствующих на атоме стока, чтобы избежать переполнения его валентных орбиталей, что называется гипервалентностью .

Четвертое правило : Разрыв связи происходит, чтобы избежать переполнения валентности (гипервалентности) атома, служащего стоком электронов.

В этих случаях источником электронов для стрелки является разрыв связи, а стоком является атом, способный разместить электроны в виде неподеленной пары, как правило, электроотрицательный атом, такой как атом O или галоген. Если создается ион, этот ион часто стабилизируется за счет резонансной делокализации или других стабилизирующих взаимодействий.

Возвращаясь к реакции переноса протона между уксусной кислотой и гидроксидом, теперь мы можем обобщить наш анализ этого простого одностадийного механизма.

В контексте третьего правила, при рассмотрении стрелки, используемой для образования новой s-связи (стрелка a), атом гидроксида O является источником электронов (наиболее отрицательно заряженный атом), а уксусная кислота H атом является стоком электрона (атом с наибольшим частичным положительным зарядом). Это иллюстрируется с помощью электростатических молекулярных поверхностей, показанных под уравнением реакции. Атом O гидроксид-иона имеет наибольший локализованный отрицательный заряд, на что указывает наиболее интенсивный красный цвет, а переносимый протон уксусной кислоты имеет наиболее интенсивный характер положительного заряда, на что указывает наиболее интенсивный синий цвет. Во избежание переполнения валентности атома Н в ходе реакции (четвертое правило) необходимо разорвать связь О-Н уксусной кислоты (стрелка «б»). При этом образуется ацетат-ион. Обратите внимание, что ацетат-ион стабилизируется за счет резонансной делокализации.

Основываясь на нашем анализе реакции между уксусной кислотой и анионом гидроксида, вы должны теперь понять, что перенос протона (так называемая кислотно-основная реакция Бренстеда) на самом деле является лишь частным случаем общего паттерна реакционной способности. между источником электронов (основанием) и протоном как приемником электронов в сочетании с разрывом связи для удовлетворения валентности и создания относительно стабильного иона.

Добавление или удаление протонов во время химических реакций настолько распространено, что этапы переноса протона упоминаются непосредственно по названию, и мы будем использовать такие фразы, как «добавить протон» или «убрать протон», говоря о них. Однако реакции переноса протона — не единственный случай, когда мы используем специальные названия для описания определенного типа общей реакции, включающей стрелки между источниками и стоками электронов.

Как кратко упоминалось в разделе 4.7, более широкая терминология применяется к очень распространенному случаю реакций, в которых образуются новые s-связи между богатыми электронами и бедными электронами областями молекул. Нуклеофилы (что означает поиск ядра) — это молекулы, которые имеют относительно богатые электронами p-связи или неподеленные пары, которые действуют как источники электронов для стрелок, образующих новые связи. Электрофилы (что означает поиск электронов) — это молекулы с относительно бедными электронами атомами, которые служат стоками для этих стрелок. Аналогично, молекула или область молекулы, которая является источником такой стрелки, называется нуклеофильной, а молекула или область молекулы, которая является стоком для этих стрелок, называется электрофильной. На основании этого описания должно быть ясно, что нуклеофилы аналогичны основаниям Льюиса, а электрофилы аналогичны кислотам Льюиса. Химики используют эти термины как синонимы, хотя нуклеофил и электрофил чаще используются в обсуждениях кинетики, в то время как кислота Льюиса и основание Льюиса чаще используются в обсуждениях термодинамики реакции. Мы будем использовать все эти термины в оставшейся части книги.

Полезно обобщить правильное использование ключевых терминов, связанных с толканием стрелок и механизмами реакции. Термины «источник» и «приемник» используются для обозначения начала и конца каждой стрелки механизма реакции, указывающей на изменение положения электронных пар. Термины «нуклеофил» и «электрофил» (а также «основание Льюиса» и «кислота Льюиса») используются для описания молекул на основе их химической активности и склонности либо отдавать, либо получать электроны при взаимодействии. Протоны можно рассматривать как особый тип электрофилов, а для реакций, в которых переносится протон, нуклеофил называется основанием.

Пример 1: Я вижу тебя

Следующие два набора реакций (A и B) показывают возможности перемещения стрелок на отдельных этапах реакции. Определите, что неверно, и объясните, почему. Затем, правильно нажимая стрелку, обозначьте, какая молекула является нуклеофилом, а какая электрофилом. Решение В каждом случае первый сценарий нажатия стрелки неверен. Показанные ниже стрелки со звездами над ними начинаются не с источника электронов, а скорее с позиций относительного положительного заряда, что неверно. При правильном нажатии стрелки стрелка с пометкой «а» изображает взаимодействие области относительно высокого отрицательного заряда (р-связь или неподеленная пара) с атомом относительно высокого частичного положительного заряда другого реагента. Следовательно, молекула, действующая в качестве источника для образующей s-связь стрелка «а», является нуклеофилом, а молекула, содержащая атом-приемник, является электрофилом. Стрелка, обозначенная буквой «b», необходима для удовлетворения валентности и не учитывается при определении нуклеофила и электрофила.

Собираем все вместе: все сводится к ситуации множественного выбора

В следующих разделах и главах будет поэтапно описано множество различных механизмов реакции. Каждую стрелку можно классифицировать в соответствии с одной из трех общих ситуаций, с которыми мы уже сталкивались (перераспределение \(\pi\) связей и/или неподеленных пар, образование новой s-связи из неподеленной пары или \(\pi\)). связь, разрывая s-связь с образованием новой неподеленной пары или \(\pi\)-связи).

Изучая новые механизмы, сначала сосредоточьтесь на общей трансформации, которая происходит. Это может быть реакция, в которой атомы или группы присоединяются (реакция присоединения), реакция, в которой атомы или группы удаляются (реакция отщепления), реакция, в которой атомы или группы замещают атом или группу (реакция замещения). , или другие процессы, с которыми мы столкнемся. Часто общий процесс состоит из нескольких этапов. Когда у вас есть представление об общем процессе, пора подумать об отдельных шагах, которые превращают исходный материал (материалы) в продукт (продукты). Таким образом, прогнозирование полных многоэтапных механизмов сводится к обучению тому, как прогнозировать отдельные этапы.

Понимание, в отличие от запоминания, механизмов имеет решающее значение для освоения органической химии. Хотя механизмы, с которыми вы столкнетесь на протяжении всего курса, могут показаться совершенно разными, на самом деле они фундаментально связаны. На самом деле почти все механизмы органических реакций, о которых вы узнаете, состоят лишь из нескольких отдельных элементов (этапов), которые соединяются в различных комбинациях. Ваша задача — изучить эти отдельные элементы механизма, а затем понять, как собрать из них этапы правильного механизма общей реакции.

К счастью, существует на удивление небольшое количество различных типов характерных элементов механизма (рисунков стрелок), которые необходимо учитывать при попытке предсказать отдельные этапы даже сложных химических реакций. По этой причине вы должны рассматривать предсказание каждого шага в органическом механизме как ситуацию множественного выбора, в которой ваши наиболее распространенные варианты следующие: электрофил (раковина для стрелы). Используйте этот элемент, если в растворе присутствует нуклеофил, а также электрофил, подходящий для протекания реакции.

1. Разрыв связи с образованием относительно стабильных молекул или ионов Используйте этот элемент, когда нет подходящей реакции нуклеофильно-электрофильного переноса или переноса протона, но разрыв связи может привести к образованию нейтральных молекул или относительно стабильных ионов, или того и другого .

1. Добавить протон Используйте этот элемент, когда нет подходящей нуклеофильно-электрофильной реакции, но молекула имеет сильноосновную функциональную группу или присутствует сильная кислота.

1. Отнять протон Используйте этот элемент, когда нет подходящей нуклеофильно-электрофильной реакции, но молекула имеет сильнокислотный протон или присутствует сильное основание.

Ситуация даже проще, чем можно было ожидать, потому что 1. и 2. являются функционально противоположными друг другу, как и 3. и 4. во многих случаях.

Во многих случаях на одном и том же этапе механизма одновременно происходит более одного из четырех вариантов выбора, и существуют некоторые особые ситуации, в которых происходят уникальные или разные процессы, такие как электрофильное присоединение или 1,2-сдвиги. Эти различные процессы подробно описываются по мере их возникновения.

В следующих разделах и главах книги вы узнаете о важных свойствах различных функциональных групп, которые позволят вам сделать правильный выбор для отдельных стадий механизмов реакции. Чтобы помочь вам в этом, по мере того как в остальной части книги вводятся новые механизмы, мы будем обозначать каждый механистический шаг как один из четырех, упомянутых здесь, когда это уместно, подчеркивая общие черты даже между сложными механизмами. Когда вы сможете предсказать, какой из вышеперечисленных вариантов наиболее подходит для данного шага в механизме, вы сможете правильно толкать электроны, не полагаясь на запоминание. В этот момент вы сделаете важный шаг к овладению органической химией!

Распространенные ошибки при нажатии стрелки

На протяжении всей этой книги нажатие стрелки используется для обозначения потока электронов в различных обсуждаемых механизмах органических реакций. В Разделе 6.2 было представлено несколько простых правил правильного выполнения нажатия стрелок. В этом приложении мы рассмотрим некоторые из наиболее распространенных ошибок, которые допускают учащиеся при первом изучении методов толкания стрелы, и расскажем, как их избежать. Ошибки, приведенные ниже, наиболее часто встречаются авторами в течение их совокупного многолетнего опыта преподавания вводной органической химии.

Стрелки назад

Обратное направление одной или нескольких стрелок на химическом этапе является наиболее распространенной ошибкой, допускаемой учащимися при описании механизмов органических реакций. Толкание стрелки назад обычно происходит из-за того, что студент думает о движении атомов, а не о движении электронов. Следовательно, чтобы избежать этой ошибки, важно помнить, что стрелки показывают, как движутся электроны, а не то, где движутся атомы, внутри химических структур или между ними. Кроме того, этой ошибки можно избежать, если помнить, что каждая стрелка должна начинаться с источника электронов (связи или неподеленной пары) и заканчиваться у стока электронов (атома, который может принять новую связь или неподеленную пару).

Недостаточно стрелок

Второй распространенной ошибкой при написании схем толкания стрелок является недостаточное количество стрелок. Обычно это происходит из-за того, что не отслеживаются все одиночные пары, созданные или разорванные связи на шаге механизма. Другими словами, если вы точно проанализируете новое положение электронов в результате каждой стрелки, станут очевидными недостающие стрелки. В следующем примере мы сравниваем два сценария толкания стрелки, в одном из которых отсутствует стрелка. На неправильной схеме отсутствует стрелка, указывающая на разрыв связи С-Н реагента и образование р-связи в алкеновом продукте. Обратите внимание, что отсутствие стрелки обычно приводит к слишком большому количеству связей и/или неподеленных пар на одном атоме (см. следующий раздел о гипервалентности) и недостаточному количеству связей или неподеленных пар на другом.

Гипервалентность

Другая частая ошибка при написании схем толкания стрелок заключается в расширении валентности атома до большего количества электронов, чем атом может вместить, что называется гипервалентностью. Всеобъемлющий принцип органической химии заключается в том, что углерод имеет восемь электронов на своей валентной оболочке, когда он присутствует в стабильных органических молекулах (правило октета, раздел 1. 2). Точно так же многие другие наиболее распространенные элементы в органических молекулах, такие как азот, кислород и хлор, также подчиняются правилу октета. Есть три распространенных способа, которыми учащиеся неправильно рисуют гипервалентные атомы: 1) слишком много связей с атомом, 2) забывание о присутствии атомов водорода и 3) забывание о наличии неподеленных пар.

В следующем случае стрелка используется для изображения потенциальной резонансной структуры нитрометана. Однако в результате получаются атомы азота с 10 электронами на валентной оболочке, потому что с N связано слишком много связей. Таких ошибок можно избежать, если не забывать изображать все связи и неподеленные пары на атоме так, чтобы общее число электронов в каждой валентная оболочка атомов очевидна.

Другой распространенный способ, которым учащиеся ошибочно получают гипервалентный атом, состоит в том, что они забывают о наличии атомов водорода, которые явно не указаны. При использовании стержневых диаграмм для записи органических химических структур нарисованы не все атомы водорода, и поэтому их часто забывают во время упражнения по толканию стрелы. В следующем примере показаны две предполагаемые структуры амидного аниона, способствующие резонансу. Стрелка, нарисованная на молекуле слева, неверна, потому что она изображает образование новой связи с углеродом, который уже имеет четыре связи. Когда обе связи с водородом нарисованы явно, как на самой дальней справа структуре, становится ясно, что вокруг указанного атома углерода теперь пять связей. Обратите также внимание, что отрицательный заряд был потерян при рисовании соответствующих структур справа, что дает еще один четкий сигнал о том, что что-то не так, потому что общий заряд всегда сохраняется, когда стрелки нарисованы правильно.

Еще один распространенный способ совершить ошибку гипервалентности — забыть сосчитать все неподеленные пары электронов. В следующем примере показано, как отрицательно заряженный нуклеофил неправильно добавляет формальный положительный заряд алкилированного кетона. Это может выглядеть правильно, потому что атомы с положительным и отрицательным зарядом соединяются напрямую, но при подсчете связей и неподеленных пар электронов обнаруживается, что у кислорода всего 10 электронов. Следовательно, это ошибка.

Ошибки смешанных сред

Кислоты и основания являются катализаторами, реагентами, продуктами и промежуточными продуктами во многих превращениях органической химии. При описании механизмов реакций с участием кислот и оснований есть три общих правила, которые помогут вам изобразить правильный механизм.

Не показывать образование сильной кислоты для механизма реакции, протекающей в сильнощелочной среде.
Не показывать создание сильного основания для механизма реакции, протекающей в сильнокислой среде.

В сильнокислых средах все промежуточные продукты и продукты будут либо нейтральными, либо положительно заряженными, тогда как в сильноосновных средах все продукты и промежуточные продукты будут нейтральными или отрицательно заряженными.

Причина этих правил заключается в том, что значительные количества сильных кислот и оснований не могут сосуществовать одновременно в одной и той же среде, потому что они быстро вступят в реакцию переноса протона, прежде чем что-либо еще произойдет в растворе.

Ниже приведен пример ошибки смешанных носителей. Первый пример показывает создание сильного основания, хотя реакция проводится в кислых условиях (см. условия над первыми стрелками равновесия). Не показаны три шага, ведущие к промежуточному розыгрышу. При нажатии стрелки совершается ошибка, поскольку в качестве уходящей группы образуется сильное основание (метоксид), хотя реакция протекает в сильной кислоте. В правильном механизме следующим этапом будет протонирование атома кислорода эфира с последующей потерей метанола на последнем этапе (не показано) с получением продукта карбоновой кислоты.

Отсутствие сохранения заряда

Общий заряд должен сохраняться на всех этапах механизма. Неспособность сохранить общий заряд может быть вызвана некоторыми из предыдущих ошибок (гипервалентностью, неспособностью рисовать стрелки, ошибками смешанных средств), но мы упомянем об этом отдельно, потому что всегда полезно проверить, соответствует ли ваше нажатие стрелки, подтвердив, что общее закон сохранения заряда соблюдается.