2.2. Связи, образуемые атомом кислорода

Определения и обозначения

Валентность кислорода — число ковалентных связей, которые атом кислорода обычно образует с другими атомами. В типичных органических соединениях кислород двухвалентен: у него две связи. Это понятие помогает проверить, правильно ли прочитана структурная формула.

Гидроксильная группа — фрагмент –OH, в котором атом кислорода связан с водородом. В спиртах и фенолах кислород также соединён с атомом углерода, поэтому группа входит в состав молекулы через связь C–O. По фрагменту –OH часто распознают спиртовую или фенольную часть вещества.

Простая эфирная группа имеет строение C–O–C: один атом кислорода связан одинарными связями с двумя атомами углерода. Эти атомы могут принадлежать разным углеводородным фрагментам. Такое обозначение позволяет отличить простой эфир от спирта, где кислород соединён ещё и с водородом.

Карбонильная группа — фрагмент C=O, в котором атомы углерода и кислорода связаны двойной связью. В отличие от одинарных связей C–O и O–H, эта связь образована двумя общими электронными парами. По карбонильной группе распознают, в частности, альдегиды и кетоны.

Как это устроено

Электронная конфигурация кислорода — 1s² 2s² 2p⁴: на внешнем уровне у него шесть электронов. В p-подуровне два электрона неспарены, а значит, каждый может образовать общую электронную пару с электроном другого атома. Так появляются две ковалентные связи. Например, в фрагменте H–O–H кислород соединён с двумя атомами водорода.

После образования двух связей у кислорода обычно сохраняются ещё четыре внешних электрона, объединённые в две неподелённые пары. Они принадлежат атому кислорода и не соединяют его с соседями. Поэтому число связей и число неподелённых пар нельзя смешивать: валентность обычно равна двум, хотя вокруг кислорода видны также две пары электронов. Это правило описывает распространённое строение кислорода в органических молекулах.

Одинарная связь C–O образуется, когда кислород и углерод предоставляют по электрону для общей пары; по такому же принципу возникает связь O–H. Вместе эти связи дают гидроксильный фрагмент C–O–H, входящий в спирты и фенолы. Если атом водорода отсутствует, а кислород связан одинарными связями с двумя углеродами, получается эфирный фрагмент C–O–C. Окружение атома кислорода, а не один знак O в формуле, показывает, к какому типу относится фрагмент.

В двойной связи C=O участвуют две общие электронные пары, поэтому кислород связан с углеродом сильнее, чем в одинарной связи C–O. Именно двойная связь образует карбонильный фрагмент, характерный для альдегидов и кетонов. При чтении формулы важно учитывать знак «=»: если заменить его в мыслях на одинарную черту, строение и класс соединения будут определены неверно. При этом кислород всё равно учитывают как атом, образующий две связи.

В карбоксильной группе –COOH один атом углерода связан с двумя атомами кислорода: с одним — двойной связью C=O, с другим — одинарной связью C–O. Второй кислород, в свою очередь, образует связь O–H. Поэтому карбоксильная группа объединяет карбонильный и гидроксильный фрагменты, но её записывают как единое соединение –COOH. Такая запись не означает, что части группы существуют отдельно друг от друга.

Связи и группы с участием атома кислорода

Сначала найдите атом кислорода в формуле, затем посмотрите на его соседей и на тип каждой связи. Если рядом есть O–H, перед вами гидроксильный фрагмент; если кислород стоит между двумя атомами углерода — эфирный. Наличие C=O показывает карбонильную связь, а соседние фрагменты C=O и C–O–H у одного углерода — карбоксильную группу.

Разбор задач

Этанол CH₃CH₂OH

Условие. В молекуле этанола CH₃CH₂OH обозначьте связи, образованные атомом кислорода, и укажите его валентность. Сначала нужно определить, какие атомы непосредственно соседствуют с кислородом, а затем посчитать его связи. Запись формулы показывает, что O расположен между фрагментом CH₃CH₂ и атомом водорода.

1. Найдите символ O в конце формулы CH₃CH₂OH.
2. Определите его соседей: это атом углерода из фрагмента CH₃CH₂ и атом водорода.
3. Запишите связи кислорода: C–O и O–H; обе они одинарные.
4. Посчитайте связи атома O: их две, значит, кислород двухвалентен.

Ответ. Кислород образует связи C–O и O–H; его валентность равна II. Фрагмент C–O–H является гидроксильной группой.

Диметиловый эфир CH₃OCH₃ и этанол CH₃CH₂OH

Условие. Сравните строение диметилового эфира CH₃OCH₃ и этанола CH₃CH₂OH: определите, с какими атомами связан кислород. В обеих формулах есть один атом O, но состав его ближайшего окружения разный. Сравнивать нужно именно непосредственно присоединённые атомы, а не число углеродных фрагментов во всей молекуле.

1. В CH₃OCH₃ найдите кислород в середине записи и отметьте по одному фрагменту CH₃ с каждой стороны.
2. Сделайте вывод: O связан одинарными связями с двумя атомами углерода, образуя C–O–C.
3. В CH₃CH₂OH найдите кислород в конце формулы; рядом с ним находятся C и H.
4. Запишите для этанола связи C–O и O–H, то есть гидроксильную группу.

Ответ. В диметиловом эфире кислород соединяет два атома углерода, а в этаноле — атом углерода и водород. Поэтому в первом случае это эфирная группа, во втором — гидроксильная.

Уксусная кислота CH₃COOH

Условие. Для уксусной кислоты CH₃COOH обозначьте группы связей вокруг кислорода и объясните, почему оба атома кислорода входят в одну карбоксильную группу. Важно не принять два символа O за две независимые функциональные группы. Нужно проследить, к какому атому углерода присоединён каждый кислород.

1. Выделите фрагмент CH₃COOH и найдите атом углерода после CH₃.
2. Один кислород связан с этим углеродом двойной связью C=O.
3. Второй кислород образует связь C–O, а также связан с водородом связью O–H.
4. Убедитесь, что оба кислорода присоединены к одному и тому же атому углерода.

Ответ. В молекуле есть связи C=O и C–O–H. Оба кислорода входят в единую карбоксильную группу –COOH, потому что связаны с одним атомом углерода.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что кислород образует только одинарные связи. Так думают, если запоминают лишь группы –OH и C–O–C, но в карбонильной группе есть двойная связь C=O. Проверяйте формулу по знакам связей: две черты между C и O означают двойную связь.

Ошибка: путать валентность кислорода с числом неподелённых электронных пар. Причина — и связи, и неподелённые пары изображают или описывают как электронные пары. Чтобы проверить себя, отдельно посчитайте: у кислорода обычно две связи и две неподелённые пары, но валентность показывает именно число связей.

Ошибка: считать гидроксильную группу –OH и эфирный кислород –O– одним и тем же фрагментом. Буква O в обоих случаях может сбивать с толку, хотя соседями кислорода служат разные атомы. Посмотрите по обе стороны от O: в гидроксильной группе есть H, а в эфирной — два атома C.

Ошибка: записывать карбоксильную группу как несвязанные части C=O и –OH. Такое чтение возникает, если не проследить связи между атомами в формуле. Проверьте, что один и тот же атом углерода соединён и с кислородом двойной связью, и с кислородом группы –OH: это единая группа –COOH.

Связь с другими темами

Для разбора связей кислорода нужны знания об электронном строении атома, валентности и ковалентной связи: они объясняют, откуда берутся общие электронные пары. Эти представления пригодятся при изучении спиртов, простых эфиров, альдегидов, кетонов и карбоновых кислот. Распознавая группы в формуле, можно различать классы органических веществ и связывать их строение со свойствами.

Что запомнить

• В типичных органических соединениях кислород двухвалентен.
• У атома кислорода обычно две связи и две неподелённые электронные пары.
• Гидроксильная группа имеет строение –OH.
• В простых эфирах кислород соединяет два углеводородных фрагмента: C–O–C.
• Карбонильная группа содержит двойную связь C=O.
• Карбоксильная группа имеет строение –COOH.