Введение
Метод представления в химии. Скелетная формула, формула углов и линий, формула валентных связей или сокращённая формула органического соединения — это тип молекулярной структурной формулы, служащий упрощённым представлением связей в молекуле и некоторых деталей её молекулярной геометрии. Скелетная формула отображает скелетную структуру или каркас молекулы, состоящий из атомов, формирующих её основу. Она изображается в двух измерениях, как на листе бумаги. В ней применяются определённые условные обозначения для представления атомов углерода и водорода, наиболее часто встречающихся в органической химии. Ранняя форма этого представления была впервые разработана органическим химиком Августом Кекуле, а современная форма тесно связана и находится под влиянием структуры Льюиса молекул и их валентных электронов. Поэтому их иногда называют структурами Кекуле или структурами Льюиса–Кекуле. Скелетные формулы получили широкое распространение в органической химии, отчасти благодаря их относительной быстроте и простоте отрисовки, а также благодаря тому, что нотация изогнутых стрелок, используемая для обсуждения механизмов реакций и делокализации электронов, может быть легко наложена на них. В органической химии также часто используются другие способы изображения химических структур (хотя и реже, чем скелетные формулы). Например, конформационные формулы похожи на скелетные и используются для изображения приблизительного расположения атомов в трёхмерном пространстве в виде перспективного рисунка. Другие типы представлений, такие как проекции Ньюмена, Гаворта или Фишера, также в некоторой степени напоминают скелетные формулы. Однако существуют небольшие различия в используемых условных обозначениях, и читателю необходимо учитывать их для понимания структурных деталей, закодированных в изображении. Хотя скелетные и конформационные формулы также используются в органометаллической и неорганической химии, применяемые в них условные обозначения также несколько отличаются.
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
Скелетная структура органического соединения – это последовательность атомов, связанных между собой, формирующая основную структуру соединения. Скелет может состоять из цепей, разветвлений и/или колец связанных атомов. Атомы скелета, отличные от углерода или водорода, называются гетероатомами. К атомам скелета присоединены атомы водорода и/или различные заместители. Водород – наиболее распространенный атом, не являющийся углеродом, который связан с углеродом и, для упрощения, обычно не изображается явно. Кроме того, атомы углерода обычно не обозначаются напрямую (то есть символом "C"), в то время как гетероатомы всегда обозначаются явно ("N" для азота, "O" для кислорода и т.д.). Гетероатомы и другие группы атомов, обуславливающие относительно высокую химическую реакционную способность или вносящие специфические и интересные характеристики в спектры соединений, называются функциональными группами, поскольку они определяют функцию молекулы. Гетероатомы и функциональные группы коллективно называются "заместителями", так как рассматриваются как замена атома водорода, который присутствовал бы в исходном углеводороде органического соединения.
Основная структура
Как и в структурах Льюиса, ковалентные связи обозначаются линейными сегментами, при этом двойной или тройной сегмент указывает на двойную или тройную связь соответственно. Аналогично, структурные формулы (скелеты) указывают формальные заряды, связанные с каждым атомом (хотя неподеленные электронные пары обычно являются необязательными, см. ниже). Фактически, структурные формулы можно рассматривать как сокращенные структуры Льюиса, использующие следующие упрощения: атомы углерода представляются вершинами (точками пересечения или конечными точками) линейных сегментов. Для наглядности метильные группы часто записываются явно как Me или CH3, а атомы углерода (гетеро)кумуленов часто изображаются в виде жирной точки. Атомы водорода, связанные с углеродом, подразумеваются. Необозначенная вершина понимается как атом углерода, связанный с количеством атомов водорода, необходимым для соблюдения правила октета, тогда как вершина, обозначенная формальным зарядом и/или неподеленными электронами, понимается как имеющая количество атомов водорода, необходимое для придания атому углерода указанных свойств. Для большей ясности ацетиленовые и формальные атомы водорода могут быть показаны явно по желанию. Атомы водорода, связанные с гетероатомом, изображаются явно. Гетероатом и связанные с ним атомы водорода обычно изображаются в виде единой группы (например, OH, NH2) без явного указания связи гетероатом-водород. Гетероатомы с простыми алкильными или арильными заместителями, такие как метокси (OMe) или диметиламино (NMe2), иногда изображаются аналогичным образом. Неподеленные электронные пары на карбеновых атомах углерода должны быть указаны явно, в то время как неподеленные электронные пары в других случаях являются необязательными и указываются только для выделения. В отличие от этого, формальные заряды и неспаренные электроны на элементах главной группы всегда указываются явно. В стандартном изображении молекулы изображается каноническая форма (резонансная структура) с наибольшим вкладом. Однако структурная формула понимается как представление «реальной молекулы», то есть взвешенного среднего значения всех вносящих вклад канонических форм. Таким образом, в случаях, когда две или более канонических форм вносят равный вклад (например, в бензоле или карбоксилат-анионе), и одна из канонических форм выбрана произвольно, структурная формула понимается как изображение истинной структуры, содержащей эквивалентные связи дробного порядка, даже если делокализованные связи изображены как неэквивалентные одинарные и двойные связи.
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.
Современные графические конвенции
С тех пор, как скелетные структуры были введены во второй половине XIX века, их внешний вид претерпел значительную эволюцию. Графические условности, используемые сегодня, восходят к 1980-м годам. Благодаря принятию программного пакета ChemDraw в качестве фактического отраслевого стандарта (например, в публикациях Американского химического общества, Королевского химического общества и Gesellschaft Deutscher Chemiker), эти условности стали почти универсальными в химической литературе с конца 1990-х годов. Несколько незначительных вариаций, особенно в отношении использования стереосвязей, продолжают существовать из-за различий в практике в США, Великобритании и Европе или в силу личных предпочтений. Кроме того, некоторые авторы могут указывать формальные заряды знаком плюса или минуса в круге (⊕, ⊖) или без него. Ниже приведены условности, которым следует большинство авторов, а также иллюстративные примеры.
Неявные атомы углерода и водорода
Например, скелетная формула гексана (вверху) представлена ниже. Атом углерода, обозначенный C1, имеет только одну связь, поэтому к нему также должны быть присоединены три атома водорода, чтобы общее число связей было равно четырем. Атом углерода, обозначенный C3, имеет две связи с другими атомами углерода и, следовательно, также связан с двумя атомами водорода. Для сравнения показаны структура Льюиса (в середине) и модель «шар и стержень» (внизу) фактической молекулярной структуры гексана, определенной с помощью рентгеновской кристаллографии. Не имеет значения, с какого конца цепи начинать нумерацию, главное – соблюдать последовательность при построении схем. Конденсированная формула или номенклатура IUPAC подтвердят ориентацию. Некоторые молекулы легко узнаются независимо от ориентации.
Явные гетероатомы и атомы водорода
Все атомы, отличные от углерода или водорода, обозначаются их химическим символом, например Cl для хлора, O для кислорода, Na для натрия и так далее. В контексте органической химии эти атомы обычно называют гетероатомами (приставка "гетеро" происходит от греческого ἕτερος – héteros, что означает "другой"). Все атомы водорода, связанные с гетероатомами, изображаются явно. В этаноле, C2H5OH, например, атом водорода, связанный с кислородом, обозначается символом H, в то время как атомы водорода, связанные с атомами углерода, не отображаются непосредственно. Линии, изображающие связи гетероатомов с водородом, обычно опускаются для наглядности и компактности, поэтому функциональная группа, такая как гидроксильная группа, чаще всего записывается как −OH, а не −O−H. Эти связи иногда изображаются полностью, чтобы подчеркнуть их наличие, когда они участвуют в механизмах реакций. Ниже для сравнения представлены скелетная формула (сверху), структура Льюиса (в середине) и модель "шар и стержень" (снизу) фактической трехмерной структуры молекулы этанола в газовой фазе, определенной с помощью микроволновой спектроскопии.
Символы псевдоэлементов
Существуют также символы, которые выглядят как символы химических элементов, но обозначают определенные широко распространенные заместители или указывают на неопределенный элемент из группы элементов. Они называются символами псевдоэлементов или органическими элементами и в структурных формулах рассматриваются как одновалентные "элементы". Список распространенных символов псевдоэлементов:
Многократные облигации
Два атома могут быть связаны путем совместного использования более одной пары электронов. Наиболее распространенные связи для углерода — одинарные, двойные и тройные связи. Одинарные связи встречаются наиболее часто и обозначаются одной сплошной линией между двумя атомами в структурной формуле. Двойные связи обозначаются двумя параллельными линиями, а тройные — тремя параллельными линиями. В более продвинутых теориях химической связи существуют нецелые значения порядка связи. В таких случаях комбинация сплошных и пунктирных линий указывает на целую и дробную части порядка связи соответственно.
Бензольные кольца
В последние годы бензол обычно изображается в виде шестиугольника с чередующимися одинарными и двойными связями, подобно структуре, впервые предложенной Кекуле в 1872 году. Как упоминалось выше, чередующиеся одинарные и двойные связи "1,3,5-циклогексатриена" рассматриваются как изображение одной из двух эквивалентных канонических форм бензола (одна из которых показана явно, а другая – с противоположным расположением формальных одинарных и двойных связей), в которой все углерод-углеродные связи имеют одинаковую длину и порядок связи точно равен 1,5. Для ароматических колец в целом две аналогичные канонические формы почти всегда являются основными вкладчиками в структуру, но они не эквивалентны, поэтому одна структура может вносить немного больший вклад, чем другая, а порядок связи может незначительно отличаться от 1,5. Альтернативное представление, подчеркивающее эту делокализацию, использует круг, нарисованный внутри шестиугольника одинарных связей, для обозначения делокализованной π-орбитали. Этот стиль, основанный на предложении Иоганнеса Тиле, был очень распространен в учебниках по органической химии и до сих пор часто используется в неофициальной обстановке. Однако, поскольку это изображение не учитывает электронные пары и не позволяет показать точное движение электронов, оно в значительной степени уступило место кекулевскому изображению в образовательных и формальных академических контекстах.
Водородные связи
Водородные связи обычно обозначаются точками или тире. В других контекстах тире могут также представлять частично образовавшиеся или разорванные связи в переходном состоянии.