W poprzedniej części nieco wysługując się jednym z moich ulubionych pisarzy — Jackiem Londonem zachęcałem do dogłębnego analizowania reakcji i syntez opisanych w podręcznikach i literaturze fachowej. Żeby ułatwić percepcję przedstawionej w nich/niej wiedzy, moim zdaniem niezbędne jest jak najszybsze przestawienie się na używanie wyłącznie wzorów kreskowych, zwanych również szkieletowymi, zamiast najczęściej stosowanych, w podręcznikach, różnych wariacji wzorów: strukturalnych, półstrukturalnych i częściowo tylko szkieletowych. Autorzy podręczników je stosujący, z niewiadomego mi powodu, traktują Czytelnika jako pozbawionego wyobraźni i nieumiejącego zliczyć do, w porywach, ośmiu. Kurczowe trzymanie się tych wzorów jest najszybszą drogą do znienawidzenia chemii organicznej, a notowanie w ten sposób jest bardzo męczące i nużące, podobnie jak sposób percepcji takich wzorów przez umysł. Uważam, że stosowanie takich wzorów w podręcznikach powinno być karalne, gdyż uniemożliwia uczniom i/czy studentom polubienie tej fascynującej nauki, jaką jest chemia organiczna.

Zachęcam zatem do jak najszybszego odkręcenia bocznych kółek od rowerka i zdecydowania się na znacznie przyjemniejszą przejażdżkę ze wzorami szkieletowymi.

Powyższą, wcale nie nazbyt krzywdzącą, uwagę zobrazuję przykładem związku znanemu Państwu z życia pozalaboratoryjnego. Poniższa substancja jest głównym składnikiem zmywaczy konwencjonalnych lakierów do paznokci[1] oraz jedną z naturalnych substancji zapachowych obecnych w białym winie.

W przedstawionym powyżej modelu ważnego rozpuszczalnika organicznego i surowca do syntez — octanu etylu, bo o nim mowa, kolorem białym oznaczono atomy wodoru (H), czarnym węgla (C) a, czerwonym tlenu (O). Cząsteczka ta jest zaprezentowana w postaci najbardziej stabilnego konformeru, którego wszystkie grupy i atomy są możliwie daleko od siebie, ale należy pamiętać, że jest ona w ciągłym ruchu i następują nieustanne obroty wokół wszystkich wiązań pojedynczych.

Przekształcenie, pokazanego wcześniej, modelu kulkowego w powyższy pokazujący wszystkie informacje plus orbitale elektronowe z parami elektronami, ręcznie – na papierze zajęło mi ok. 45 sekund. Wzór zawiera 8 atomów H, 4 C, 2 O, 8 wiązań — (uwzględniając podwójne =) oraz 3 przedstawione klinem ponad płaszczyznę kartki, oraz 3 poniżej płaszczyzny, dodatkowo 4 orbitale zawierające 2 elektrony na każdym (w sumie 8). Zliczając — aż 40 (bitów) informacji!

Można go uprościć do wzoru półstruktualnego, którego narysowanie zajęło mi ok. 20 sekund i zredukowało liczbę informacji do 22.

Dokonując kolejnych uproszczeń, możemy dojść do różnych wariantów wzorów, na których zapisanie wystarczy < 10 sekund zawierających odpowiednio 12 i 10 informacji. Wzory te charakteryzują się tym, że chowają informacje na temat sposobu połączenia atomów i geometrii cząsteczki, zatem, żeby ją sobie wyobrazić i odtworzyć trzeba dokonać licznych operacji myślowych.

Niestety autorzy większości podręczników, z zupełnie niezrozumiałego dla mnie powodu, z uporem sadysty lubują się w różnych wariantach podobnych wzorów.

Tymczasem wystarczy < 5 sekund, żeby przedstawić octan etylu w postaci przyjemnego dla oka wzoru szkieletowego składającego się z: 2 atomów tlenu i 6 wiązań — (uwzględniając podwójne =) w sumie tylko 8 (bitów) informacji! Wzór ten, zakładając u osoby go odczytującej znajomości prostych reguł, które przypomnę poniżej, zawiera dokładnie te same informacje co wzór strukturalny, którego narysowanie i percepcja zajmuje prawie 10-krotnie więcej czasu i wysiłku!

Wystarczy pamiętać o kilku regułach:

1. Na końcach kresek oraz punktach przegięcia lub łączenia się kresek, niezakończonych literami, domyślnie znajdują się atomy węgla (C),
2. Każdy z niezaznaczonych atomów węgla jest połączony wiązaniami pojedynczymi (—) z taką liczbą atomów wodoru (H), żeby zgromadzić wokół siebie oktet walencyjny. Innymi słowy, zakończenie kreski odpowiada grupie CH₃, punkt zagięcia (>) grupie CH₂, w przypadku punktu, od którego odchodzą 3 rozgałęzienia (Y) CH. Dla punktów, od których odchodzą 4 kreski (np. X lub >=) węgiel nie tworzy dodatkowego wiązania z wodorem.
3. Atomy wodoru (H) musimy zapisać tylko wtedy, gdy są połączone z innym atomem niż węgiel (C), najczęściej: O, N, S, P i.in.
4. Wolnych par elektronowych (dotyczy najczęściej O, N, S, P, Se, F, Cl, Br, I i.in.) nie trzeba zaznaczać, ich domyślna liczba również wynika z reguły oktetu. Jeśli tlen (O) jest połączony dwoma wiązaniami z innym(i) atomem/ami to muszą być wokół niego 4 niewiążące elektrony, czyli ich 2 pary.
5. Stosując wzory szkieletowe, można pokazać wiązanie C—H, jeśli chce się coś wyjaśnić (na przykład odrywanie wodoru przez zasadę (B[2] od angielskiego base). Podobnie można zaznaczyć parę elektronową, chcąc pokazać, że odrywa ona/przyłącza proton od kwasu (H—A; gdzie A^– oznacza anion kwasu; od angielskiego acid).

Taki zapis nie oznacza, że przy węglu grupy metylowej znajduje się tylko jeden atom wodoru (H), lecz, że chcemy pokazać tylko ten jeden, 2 pozostałe pozostają w domyśle.

Podobnie w przypadku pary elektronowej tlenu, możemy (ale nie musimy) pokazać jedną, i w tym wypadku nie oznacza, że jest tylko jedna, lecz, że zależało nam na pokazaniu tej jednej, druga pozostaje „schowana”.

6. Kąty pomiędzy zapisywanymi bądź schowanymi atomami wynikają z hybrydyzacji atomów oraz związanej z tym liczby podstawników, w tym niewiążących par elektronowych, które należy traktować jako podstawniki. Obowiązuje tu zasada na tzw. „chłopski rozum”[3], podstawniki zajmują najodleglejsze miejsca w przestrzeni lub na płaszczyźnie, względem siebie, żeby zminimalizować odpychające oddziaływania między sobą.

Jeśli podstawniki są 4 (hybrydyzacja sp³), to muszą być rozmieszczone w narożnikach tetraedru — kąty (<) między wiązaniami są zbliżone do 110°, im większy podstawnik lub para elektronowa na większym orbitalu (szczególnie w przypadku kolejnych okresów, dotyczy np. atomów, P, S, Se i.in.) tym większe pretensje do zagrabienia większej przestrzeni kosztem pozostałych podstawników, które w konsekwencji tego zbliżają się do siebie i kąt między nimi jest mniejszy. Są to na ogół małe odchylenia, których nie uwzględnia się przy rysowaniu wzorów.[4]

Jeśli są 3 podstawniki (hybrydyzacja sp²) to leżą na płaszczyźnie tworząc kąty ok. 120°.

W przypadku hybrydyzacji sp podstawniki okupują najdalsze możliwe punkty płaszczyzny/przestrzeni — cząsteczka jest liniowa, kąt 180° (CO₂ O=C[5]=O, alkiny R—C≡C—R’, nitryle R—C≡N:, keteny >C=C[6]=C< i inne).

7. Związki mogą występować w różnych konformacjach, najczęściej rysuje się taką, w jakiej grupy są najdalej siebie. Niemniej wszystkie poniższe struktury są równie poprawne i mogą być odwrócone pod dowolnym kątem:

8. Wszystkie odchylenia od powyższych reguł, najczęściej w przypadku ładunku dodatniego na węglu (karbokation), ujemnego (karboanion), niesparowany elektron (rodnik), czy obecności luki elektronowej i pary elektronowej (karbenu) wymagają zaznaczenia tego na wzorze szkieletowym. To zagadnienie omówię dokładniej w kolejnej części materiałów pomocniczych.

Z moich obserwacji i doświadczenia z pracy z magistrantami (polskimi i z zagranicznymi) wynika, że studenci w bardzo różnym stopniu znają reguły zapisu wzorami szkieletowymi. Niektórym nie przeszkadza 5-cio wiązalny węgiel, inni myślą, że zakończenie kreski symbolizuje wodór (H) zamiast grupy metylowej (CH₃), w alkinach i nitrylach podstawniki, zamiast tworzyć kąt 180°, tworzą 120° itd. Najczęściej jednak spotykam osoby, które są (nie do końca) świadomymi użytkownikami tej koncepcji zapisu tzw. znającymi-niepraktykującymi, dlatego zachęcam do przećwiczenia zapisu na najczęściej spotykanych w laboratorium rozpuszczalnikach, które przy okazji pokrótce omówię w kolejnym odcinku.

Często zdarza się również, że osoby zapisują związek w postaci wzoru szkieletowego, po czym niepotrzebnie dodają zbędne informacje, psując ich prostotę, przejrzystość i oszczędność formy. Poniżej przykłady:

Zachęcam również do zapisywania grup funkcyjnych w postaci szkieletowej, zamiast zapisywać je skrótami (np. CO₂Et dla estru, CN dla nitrylu, CHO dla aldehydu czy SO₂ dla sulfonu), znacznie lepiej pozwala to zrozumieć reakcje i mechanizmy przebiegające z ich udziałem. W przypadku pisania pracy magisterskiej, czy publikacji, kosztem waloru dydaktycznego często lepiej jednak zapisywać część grup w postaci skróconej (np. grupę NO₂ czy CF₃), żeby związki zajmowały mniej miejsca na schematach lub po prostu, aby grupy na schematach wzajemnie ze sobą nie kolidowały – zapisywanie 3-wymiarowych struktur na płaskiej kartce generuje niekiedy tego typu problemy.

W celu przećwiczenia zapisu wzorami szkieletowymi w kolejnym odcinku pokrótce omówię kilkadziesiąt najczęściej spotykanych w laboratorium chemii organicznej rozpuszczalników.

Jeśli jednak wolicie wpierw podrążyć problematykę zapisu wzorami mezomerycznymi, wstęp do tego zagadnienia znajduje się tutaj.

---

[1] W przypadku tzw. hybryd stosowany jest silniejszy rozpuszczalnik, ale bardziej wysuszający skórę — aceton.

[2] Uwaga! W innym kontekście (B) może oznaczać atom boru.

[3] Istnieje metodologia o skrócie VSEPR, która tłumaczy to samo w absurdalnie zawikłany sposób.

[4] Niekiedy odchylenia są znaczne, w cząsteczce siarkowodoru (H₂S) kąt między wiązaniami wynosi 90°, zamiast spodziewanych ~110°.

[5] Stosując zapis zworami szkieletowymi, zamiast litery C stosuje się kropkę.

[6] Analogicznie jak w przypadku CO₂.