Кіріспе
Химиядағы бейнелеу әдісі. Органиқалық қосылыстың қаңқа формуласы, сызық-бұрыш формуласы, байланыс сызығы формуласы немесе қысқартылған формуласы – молекуланың байланыстарын және оның молекулалық геометриясының кейбір ерекшеліктерін қысқаша көрсететін молекулалық құрылымдық формуланың бір түрі. Қаңқа формуласы молекуланың қаңқалық құрылымын немесе қаңқаны көрсетеді, ол молекуланы құрайтын қаңқалық атомдардан тұрады. Ол қағаз бетіне салынғандай, екі өлшемді бейнеленеді. Ол органикалық химияда ең көп таралған көміртек және сутек атомдарын бейнелеу үшін белгілі бір шарттарды қолданады. Бұл бейнелеудің алғашқы түрін органикалық химик Август Кекуле әзірлеген, ал қазіргі заманғы түрі молекулалардың Льюис құрылымымен және олардың валенттілік электрондарымен тығыз байланысты және олардың әсерінде қалыптасқан. Сондықтан оларды кейде Кекуле құрылымдары немесе Льюис-Кекуле құрылымдары деп атайды. Қаңқа формулалары органикалық химияда кеңінен таралған, себебі оларды салыстырмалы түрде жылдам және оңай салуға болады, сондай-ақ реакция механизмдері мен электрондық де локализация туралы талқылау үшін қолданылатын иісті жебелерді оңай қоюға болады. Химиялық құрылымдарды бейнелеудің басқа да бірнеше тәсілдері органикалық химияда да жиі қолданылады (бірақ қаңқа формулаларына қарағанда сирек). Мысалы, конформациялық құрылымдар қаңқа формулаларына ұқсас көрінеді және атомдардың 3D кеңістіктегі шамамен орналасқан орнын перспективалық сурет ретінде бейнелеу үшін қолданылады. Ньюман проекциясы, Хаворт проекциясы немесе Фишер проекциясы сияқты басқа бейнелеу түрлері де қаңқа формулаларына ұқсас көрінеді. Дегенмен, қолданылған шарттарда шағын айырмашылықтар бар, және суретте кодталған құрылымдық мәліметтерді түсіну үшін оқырман оларды білуі керек. Қаңқалық және конформациялық құрылымдар органометалдық және бейорганикалық химияда да қолданылады, бірақ қолданылатын шарттар да біршама өзгеше.
The skeletal formula, line angle formula, bond line formula or shorthand formula of an organic compound is a type of molecular structural formula that serves as a shorthand representation of a molecule's bonding and some details of its molecular geometry. A skeletal formula shows the skeletal structure or skeleton of a molecule, which is composed of the skeletal atoms that make up the molecule. It is represented in two dimensions, as on a piece of paper. It employs certain conventions to represent carbon and hydrogen atoms, which are the most common in organic chemistry. An early form of this representation was first developed by organic chemist August Kekulé, while the modern form is closely related to and influenced by the Lewis structure of molecules and their valence electrons. Hence they are sometimes termed Kekulé structures or Lewis–Kekulé structures. Skeletal formulae have become ubiquitous in organic chemistry, partly because they are relatively quick and simple to draw, and also because the curved arrow notation used for discussions of reaction mechanisms and electron delocalization can be readily superimposed. Several other ways of depicting chemical structures are also commonly used in organic chemistry (though less frequently than skeletal formulae). For example, conformational structures look similar to skeletal formulae and are used to depict the approximate positions of atoms in 3D space, as a perspective drawing. Other types of representation, such as Newman projection, Haworth projection or Fischer projection, also look somewhat similar to skeletal formulae. However, there are slight differences in the conventions used, and the reader needs to be aware of them in order to understand the structural details encoded in the depiction. While skeletal and conformational structures are also used in organometallic and inorganic chemistry, the conventions employed also differ somewhat.
Терминология
Органикалық қосылыстың қаңқа құрылымы – қосылыстың негізгі құрылымын құрайтын бір-бірімен байланысқан атомдар тізбегі. Қаңқа тізбектерден, тармақтардан және/немесе байланысқан атомдардың сақиналарынан тұруы мүмкін. Көміртек және сутектен басқа қаңқадағы атомдар гетероатомдар деп аталады. Қаңқаның атомдарына сутек және/немесе әртүрлі топтар байланысады. Сутек – көміртекке байланысқан көміртек емес атомдардың ең көп таралғаны, сондықтан оны әдетте көрсетпейді. Сонымен қатар, көміртек атомдары әдетте тікелей белгіленбейді (яғни, "С" арқылы), ал гетероатомдар әрқашан нақты көрсетіледі ("N" азот үшін, "O" оттегі үшін және т.б.). Химиялық реакцияға қабілеттілігі жоғары немесе қосылыстардың спектрінде ерекше және қызықты қасиеттерге ие болатын гетероатомдар мен атомдардың басқа топтары функционалдық топтар деп аталады, себебі олар молекулаға белгілі бір функция береді. Гетероатомдар мен функционалдық топтар жиынтығы "орынбасарлар" деп аталады, өйткені олар органикалық қосылыстың негізгі көмірсутегінде болатын сутек атомының орнын басады деп есептеледі.
Негізгі құрылым
Льюис құрылымдарындағыдай, ковалентті байланыстар сызық сегменттерімен көрсетіледі, екі еселенген немесе үш еселенген сызық сегменті тиісінше қос немесе үш байланысты білдіреді. Сол сияқты, қаңқа формулалары әр атоммен байланысты формальды зарядтарды көрсетеді (бірақ жалғыз электрон жұптары әдетте міндетті емес, төменде қараңыз). Шындығында, қаңқа формулаларын келесі жеңілдетулерді ескеретін қысқартылған Льюис құрылымдары деп қарастыруға болады: Көміртек атомдары сызық сегменттерінің төбелерімен (қиылыс немесе соңғы нүктелермен) бейнеленеді. Анықтығы үшін, метил топтары көбінесе Me немесе CH3 түрінде жазылады, ал (гетеро)кумуленді көміртектер көбінесе ауыр нүктемен көрсетіледі. Көміртекке тіркелген сутек атомдары түсініледі. Белгісіз төбе, октет ережесін қанағаттандыру үшін қажетті сутектер санына байланысты көміртек атомын білдіреді, ал формальды заряд және/немесе байланыспаған электрон(дар)ы бар төбе, көміртек атомына көрсетілген қасиеттерді беру үшін қажетті сутек атомдарының санына ие деп түсініледі. Қалау бойынша, ацетилендік және формальді сутектерді анықтық үшін нақты көрсетуге болады. Гетероатомға тіркелген сутек атомдары нақты көрсетіледі. Гетероатом және оған тіркелген сутек атомдары әдетте сутек-гетероатом байланысын нақты көрсетпей, бір топ ретінде көрсетіледі (мысалы, OH, NH2). Қарапайым алкил немесе арил топтарымен алмастырылған гетероатомдар, мысалы метокси (OMe) немесе диметиламино (NMe2), кейде осыған ұқсас көрсетіледі. Карбен көміртектеріндегі жалғыз электрон жұптарын міндетті түрде көрсету керек, ал басқа жағдайларда жалғыз электрон жұптары міндетті емес және тек назар аудару үшін көрсетіледі. Керісінше, негізгі топ элементтеріндегі формальды зарядтар мен жұпсыз электрондар әрқашан нақты көрсетіледі. Молекуланың стандартты бейнелеуінде ең үлкен үлес қосатын каноникалық форма (резонанстық құрылым) салынады. Дегенмен, қаңқа формуласы «нақты молекуланы», яғни барлық қатысатын каноникалық формалардың салмақталған орташасын білдіреді деп түсініледі. Осылайша, екі немесе одан көп каноникалық формалар тең үлес қосса (мысалы, бензолда немесе карбоксилат анионында) және каноникалық формалардың бірі кездейсоқ таңдалған жағдайда, қаңқа формуласы, егер де локализацияланбаған байланыстар эквивалентті емес бір және қос байланыстар ретінде бейнеленсе де, бөлшектік ретті эквивалентті байланыстарды қамтитын нақты құрылымды бейнелейтіні түсініледі.
Carbon atoms are represented by the vertices (intersections or termini) of line segments. For clarity, methyl groups are often explicitly written out as Me or CH3, while (hetero)cumulene carbons are frequently represented by a heavy center dot. Hydrogen atoms attached to carbon are implied. An unlabeled vertex is understood to represent a carbon attached to the number of hydrogens required to satisfy the octet rule, while a vertex labeled with a formal charge and/or nonbonding electron(s) is understood to have the number of hydrogen atoms required to give the carbon atom these indicated properties. Optionally, acetylenic and formyl hydrogens can be shown explicitly for the sake of clarity. Hydrogen atoms attached to a heteroatom are shown explicitly. The heteroatom and hydrogen atoms attached thereto are usually shown as a single group (e. g., OH, NH2) without explicitly showing the hydrogen–heteroatom bond. Heteroatoms with simple alkyl or aryl substituents, like methoxy (OMe) or dimethylamino (NMe2), are sometimes shown in the same way, by analogy. Lone pairs on carbene carbons must be indicated explicitly while lone pairs in other cases are optional and are shown only for emphasis. In contrast, formal charges and unpaired electrons on main group elements are always explicitly shown. In the standard depiction of a molecule, the canonical form (resonance structure) with the greatest contribution is drawn. However, the skeletal formula is understood to represent the "real molecule" that is, the weighted average of all contributing canonical forms. Thus, in cases where two or more canonical forms contribute with equal weight (e. g., in benzene, or a carboxylate anion) and one of the canonical forms is selected arbitrarily, the skeletal formula is understood to depict the true structure, containing equivalent bonds of fractional order, even though the delocalized bonds are depicted as nonequivalent single and double bonds.
Қазіргі заманғы графикалық конвенциялар
Скелеттік құрылымдар 19 ғасырдың екінші жартысында енгізілгеннен бері олардың көрінісі айтарлықтай өзгеріске ұшырады. Бүгінгі күні қолданылатын графикалық конвенциялар 1980-ші жылдарға дейін жетеді. ChemDraw бағдарламалық кешенін факті бойынша өнеркәсіп стандарты ретінде қабылдаудың арқасында (мысалы, Американдық химия қоғамы, Корольдік химия қоғамы және Gesellschaft Deutscher Chemiker басылымдары), бұл конвенциялар 1990 жылдардың соңынан бері химия әдебиетінде дерлік барлық жерде қолданылып келеді. АҚШ, Ұлыбритания және Еуропа тәжірибесінің өзгешелігінен немесе жеке авторлардың қалауына байланысты стереобайланыстарды қолданудағы сияқты, кейбір шағын конвенциялық айырмашылықтар әлі де сақталып қалған. Авторлар арасындағы тағы бір шағын айырмашылық ретінде, формальды зарядтар шеңбердің ішінде (⊕, ⊖) немесе шеңберсіз плюс немесе минус таңбасымен көрсетілуі мүмкін. Көптеген авторлар ұстанатын конвенциялар жиынтығы төменде мысалдармен бірге келтірілген.
Көміртек пен сутек атомдары
Мысалы, гексанның (жоғарыда) скелеттік формуласы төменде көрсетілген. С1 деп белгіленген көміртек атомында тек бір байланыс бар, сондықтан оның байланыстардың жалпы саны төртке толуы үшін оған үш сутегі атомы да қосылуы керек. С3 деп белгіленген көміртек атомында басқа көміртектерге екі байланыс бар, демек ол екі сутегі атомына да байланысқан. Салыстыру үшін, Х-сәулелік кристаллография арқылы анықталған гексанның нақты молекулалық құрылымының Льюис құрылымы (ортада) және шарлы-таяқтық моделі (төменде) көрсетілген. Диаграммаларды салу кезінде дәйектілік сақталса, тізбектің қай жағынан нөмірлеу басталғаны маңызды емес. Конденсацияланған формула немесе IUPAC атауы бағытты растайды. Кейбір молекулалар бағыты өзгергеніне қарамастан таныс болып қалады.
Ашық гетероатомдар және сутек атомдары
Көміртек және сутек емес барлық атомдар химиялық символымен белгіленеді, мысалы, хлор үшін Cl, оттегі үшін O, натрий үшін Na және т.б. Органикалық химия контекстінде, бұл атомдар гетероатомдар деп аталады (гетеро префиксі грек тілінен келген ἕτερος héteros, яғни "басқа"). Гетероатомдарға байланысқан кез келген сутек атомы нақты көрсетіледі. Мысалы, C2H5OH этанолында оттегіге байланысқан сутек атомы H символымен белгіленеді, ал көміртек атомдарына байланысқан сутек атомдары тікелей көрсетілмейді. Анықтық пен ықшамдық үшін гетероатомдық сутек байланыстарын көрсететін сызықтар көбінесе жіберіліп қалады, сондықтан гидроксил тобы сияқты функционалдық топ көбінесе -OH түрінде, -O-H емес жазылады. Бұл байланыстар кейде реакция механизмдерінде олардың қатысуын көрсету үшін толыққанды түрде көрсетіледі. Газ фазасындағы этанол молекуласының нақты 3D құрылымын микротолқынды спектроскопия арқылы анықтағанмен салыстыру үшін төменде скелеттік формуласы (жоғары), оның Льюис құрылымы (ортасы) және шарлы-ұялы моделі (төмені) көрсетілген.
Псевдоэлементтердің белгілері
Сондай-ақ химиялық элементтердің символдарына ұқсас, бірақ белгілі бір жиі кездесетін топтарды немесе элементтер тобының нақты емес мүшесін көрсететін символдар бар. Бұлар псевдоэлементтер белгілері немесе органикалық элементтер деп аталады және қаңқа формулаларында бір валентті "элементтер" ретінде қарастырылады. Көбінесе қолданылатын псевдоэлементтер белгілерінің тізімі:
Бірнеше облигациялар
Екі атом бірнеше электрон жұбын бөлісе отырып байланыса алады. Көміртекке тән негізгі байланыстар – бір, екі және үш байланыс. Бір байланыстар ең көп кездеседі және олар қаңқа формуласындағы екі атом арасында бір қатты сызықпен көрсетіледі. Екі байланыстар екі параллель сызықпен, ал үш байланыстар үш параллель сызықпен белгіленеді. Байланыс теориясының жетілген түрлерінде байланыс реті бүтін сан емес мәндерге ие болуы мүмкін. Мұндай жағдайларда, қатты және нүктелі сызықтардың үйлесімі байланыс ретінің бүтін және бүтін емес бөліктерін көрсетеді.
Бензол сақиналары
Соңғы жылдары бензол әдетте 1872 жылы Кекуле ұсынған құрылымға ұқсас, бір және екі байланыстары бар алтыбұрыш түрінде бейнеленеді. Жоғарыда айтылғандай, "1,3,5-циклогексатриеннің" кезектесіп орналасқан бір және екі байланыстары бензолдың екі эквивалентті каноникалық формаларының бірін (нақты көрсетілгені және кері байланыс схемасы бар нұсқасы) бейнелейді, онда барлық көміртек-көміртек байланыстары бірдей ұзындықта болады және байланыс реті дәл 1,5-ке тең. Арил сақиналары үшін, жалпы алғанда, екі аналогты каноникалық формалар құрылымға басым үлес қосады, бірақ олар эквивалентті емес, сондықтан бір құрылым екіншісінен сәл үлкен үлес қосуы мүмкін, ал байланыс реті 1,5-тен шамалы өзгеше болуы мүмкін. Бұл де локализацияны баса көрсететін баламалы бейнелеуде, бір байланыстардың алтыбұрышының ішінде шеңбер салынып, де локализацияланған пи-орбитальды көрсетеді. Бұл стиль Иоганнес Тиле ұсынған нұсқаға негізделген, ол кіріспе органикалық химия оқулықтарында кеңінен таралған және бүгінгі күнге дейін бейресми жағдайларда жиі қолданылады. Дегенмен, бұл бейнелеу электрон жұптарын қадағалай алмайды және электрондардың нақты қозғалысын көрсетуге қабілетсіз болғандықтан, педагогикалық және ресми академиялық контексте оны көбінесе Кекуле бейнелеуі ығыстырды.
Сутекті байланыстар
Сутекті байланыстар көбінесе нүктелі немесе штрихты сызықтармен көрсетіледі. Басқа жағдайларда штрихты сызықтар өтпелі күйдегі жартылай түзілген немесе үзілген байланыстарды да білдіруі мүмкін.