بچه ها اگه كسي واسه مقاله نويسي داوطلبه تا پايان اذر ماه به دبير انجمن اطلاع بده
ترکیبات کربنی (ترکیبات آلی) گستردگی زیادی داشته و از اهمیت بسزایی برخوردارند. ترکیبات آلی در دو گروه آلیفاتیک و آروماتیک قرار می گیرند. این ترکیبات می توانند زنجیره ای، حلقوی و یا دربرگیرنده ساختارهای سه بعدی باشند. کربن می تواند هیبرید های متنوع را در این ترکیبات دارا باشد. خصوصیات متنوع (نانو) ساختارهای کربنی مستقیما با هیبرید اتم های کربن مرتبط است. به جز کربن و هیدروژن، اتم هایی همچون اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن ها و ... نیز در ساختار ترکیبات آلی مشارکت می کنند. گروه های عاملی بخش هایی از مولکول آلی با آرایش اتمی مشخص اند که ویژگی ها و واکنش پذیری ترکیب را رقم می زنن
کربن (C) را می توان یک عنصر استثنائی در جدول تناوبی دانست. شیمی گسترده ترکیبات کربنی تا به آن حد است که یکی از گرایش های رشته شیمی با عنوان شیمی آلی (Organic Chemistry) به طور کامل به بررسی ترکیبات این عنصر از جدول تناوبی می پردازد. پیوند کوالانسی هر اتم کربن با انواع دیگر اتم ها یا اتم های کربن دیگر، ساختارهای نامحدود و بسیار متنوع را ایجاد می نماید. از جهت دیگر بسیاری از ترکیباتی که در طبیعت طی روش های طبیعی سنتز ساخته می شوند نیز از خانواده ترکیبات آلی (کربنی) اند. گستره وسیعی از ترکیبات شامل ترکیبات متنوع نفتی تا مواد دارویی و بسپارهای آلی (Polymers) زیر مجموعه ترکیبات کربن قرار می گیرند. در نانوفناوری نیز، ترکیبات کربنی دسته مهم و مشخصی را به خود اختصاص می دهند که با عنوان نانوساختارهای کربنی (Carbon Nanostructures) خوانده می شوند. نانوساختارهای کربنی خصوصیات فیزیکی-شیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می دهند و نقش گسترده ای در زمینه فناوری های نوین و پیشرفته دارند. مطالعه شیمی پایه ترکیبات کربنی (شیمی آلی) می تواند راهگشای درک بسیاری از خصوصیات نانوساختارهای کربنی و همچنین اصلاح (Modification) ساختاری آنان باشد.
دو ایزوتوپ (Isotope) عمده کربن شامل 12C و 13C می باشد که به صورت طبیعی وجود ندارد. 14C ناپایدار است و جزء ترکیبات رادیواکتیو محسوب می شود. 13C در مقایسه با 12C فراوانی بسیار کمتری دارد اما یک هسته فعال در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته (Nuclear Magnetic Resonance-NMR) محسوب می شود. 13CNMR یک تکنیک بسیار خوب و دقیق در بررسی ساختار مولکولی است.
2- هیبریدهای اتم کربن و پیوند کوالانسی
تشکیل ترکیبات آلی بر پایه پیوندهای کوالانسی (Covalent Bonding) است. مدل اوربیتال های هیبریدی، یک الگوی توصیفی از تشکیل پیوندهای کوالانسی بین اتم هاست. در این مدل اوربیتال های هر اتم (که دربرگیرنده الکترون های پیوندی است) با یکدیگر ترکیب شده و اوربیتال های هیبریدی را تولید می کند. اوربیتال های هیبریدی ایجاد شده، دارای ساختار و انرژی مشابه بوده و در تشکیل پیوند با اتم های دیگر مشارکت می کنند. این پیوند با نام پیوند سیگما (σ) شناخته می شود. برای مثال در تشکیل مولکول متان (CH4) سه اوربیتال p و یک اوربیتال s از اتم کربن وارد واکنش می شود. از آنجا که هر چهار پیوند کربن-هیدروژن در متان کمابیش مشابهند، می توان تصور کرد که ترکیب (هیبرید) این چهار اوربیتال در ساخت مولکول به کار گرفته شده است. به عبارت دیگر به جای سه اوربیتال p و یک s (جمعا چهار اوربیتال)، چهار اوربیتال مشابه sp3 در واکنش شرکت نموده اند. در ترکیبات آلکان (Alkane) پیوندهای یگانه دارای هیبرید sp3، پیوندهای دوگانه در ترکیبات آلکن (Alkene) دارای هیبرید sp2، و پیوندهای سه گانه در ترکیبات آلکین (Alkyne) هیبرید sp را دارا می باشد. اوربیتال هایی از کربن که در پیوند شرکت نمی کنند به صورت غیر هیبریدی (عمود بر صفحه پیوند) باقی می مانند. شکل 1 ساختار هیبریدی متفاوت اتم های کربن را نشان می دهد. در ساختار sp2 ، سه اوربیتال های هیبریدی با زاویه ̊120 در یک صفحه قرار می گیرند که از ترکیب یک اوربیتال اتمی s کربن با دو اوربیتال p آن بدست آمده اند. اوربیتال p هیبرید نشده به صورت عمود بر صفحه سه اوربیتال هیبریدی قرار می گیرد. در ساختار sp، اوربیتال های اتمی s و p از کربن با یکدیگر ترکیب شده و دو اوربیتال هیبریدی sp می سازند که با زاویه ̊180 نسبت به یکدیگر قرار می گیرند. دو اوربیتال p غیر هیبریدی در صفحاتی عمود بر اوربیتال های هیبریدی واقع می شوند. دو اوربیتال sp هیبریدی در تشکیل پیوند اصلی (سیگما σ) و دو اوربیتال p عمود برهم در تشکیل پیوند های π دخالت می کنند.
شکل 1- اوربیتال های مولکولی هیبریدی اتم های کربن در آلکان (sp3)، آلکن (sp2) و آلکین (sp)
در اصل این هیبرید اتم کربن است که تفاوت های ساختاری و خصوصیات ترکیبات کربنی مختلف را باعث می شود. الماس یک ساختار بلوری کربنی با هیبرید sp3 می باشد. در مورد گرافن (صفحات گرافیتی) هیبرید کربن، sp2 می باشد. اوربیتال p باقی مانده (که در هیبرید sp2 شرکت نمی کند) عمود بر صفحه گرافیتی باقی می ماند و پیوند های π را بین صفحات تشکیل می دهد (شکل 2). استحکام پیوند میان اتم های کربن (پیوندهای سیگما σ) در صفحه گرافیتی در مقایسه با پیوندهای ضعیفتر π در میان صفحات، باعث خصوصیت ورقه ای بودن گرافیت می شود. وجود الکترون های π در ساختار گرافیت رسانش الکتریکی بالا را سبب می شود که در ساختار الماس با کربن هیبریدی sp3 دیده نمی شود. از جهتی الماس به دلیل ساختار بسیار پایدار خود دارای رسانش گرمایی (Thermal Conductivity) بسیار بالا و از جهتی بالاترین میزان سختی (Hardness) در میان مواد توده ای (Bulk Material) است. درمقابل به دلیل فقدان الکترون های π، رسانش الکتریکی در الماس دیده نمی شود.
شکل 2 - ساختار صفحات گرافیتی، از چپ به راست: اوربیتال های p عمود بر صفحه، ابر π دربرگیرنده صفحات، شمای پیوندهای π درمیان صفحات
شکل 3 ساختارهای حدواسط (Intermediate) از کربن را نشان می دهد. این ترکیبات کربنی پایدار نیستند و از این رو واکنش پذیری بالایی از خود نشان می دهند. بسیاری از واکنش های ترکیبات آلی از مسیر یکی از این حد واسط ها می گذرد (حدواسط در مسیر واکنش تولید و سپس مجددا مصرف می شود). هرچند در شکل 3 حدواسط های کربنی با ساختار مسطح نشان داده شده اند، برخی از این ترکیبات می توانند ساختارهای دیگر (مثلا هرمی) نیز داشته باشند.
شکل 3 - حدواسط های کربنی واکنش پذیر
کربوکاتیون (Carbocation) گونه ای با ساختار هندسی مسطح مثلثی (Trigonal Planar) است که تنها دارای 6 الکترون می باشد (Sixtet). کربوکاتیون به عنوان یک مرکز مثبت عامل واکنش با ترکیبات دارای الکترون (یا بار منفی) است که اصطلاحا ترکیبات هسته دوست (Nucleophile) نامیده می شوند. برخلاف کربوکاتیون، کربانیون (Carbanion) هشت الکترونی است (Octet) و یک مرکز منفی در مسیر واکنش ایجاد میکند که به ترکیبات الکترون دوست (Electrophile) تمایل دارد.
3- هیدروکربن های آروماتیک و آلیفاتیک
در شیمی آلی، به ترکیباتی که تا درصد بالایی از فرمول مولکولی خود از کربن و هیدروژن ساخته شده اند، ترکیبات هیدروکربنی (Hydrocarbons) گفته می شود. ترکیبات هیدروکربنی در دو دسته آلیفاتیک (Aliphatic) و آروماتیک (Aromatic) قرار می گیرند. ترکیبات آروماتیک ساختاری ویژه دارند؛ در این ترکیبات، پیوند های دوگانه (پیوند های π) به صورت یکی درمیان قرار گرفته اند. از آنجا که ساختار این ترکیبات حلقوی بوده و حالتی مسطح (Planar) دارند، الکترون های π (پای) غیرمستقر (Delocalized) می توانند درون مولکول جریان یابند. به بیان دیگر، چنین مولکول هایی دارای یک سامانه جفت شده (Conjugate) بین اوربیتال های p اتم های کربن هستند (اتم های کربن هیبرید sp2 داشته و اوربیتال های p عمود بر صفحه مولکولی آزاد بوده و در تشکیل ابر الکترونی π مشارکت می کنند). به دلیل وجود همین جریان غیرمستقر الکترونی است که حلقه های آروماتیک پایداری شیمیایی خاصی را از خود نشان می دهند. باید ذکر کرد که ترکیبات آروماتیک حاوی تعدادی مشخصی از الکترون های π هستند. معروف ترین ترکیب از این دسته مولکول بنزن (Benzene) با فرمول مولکولی C6H6 و با 6 الکترون π است. ساختار اوربیتالی مولکول بنزن و ابر غیرمستقر الکترون های π در شکل 4 نشان داده شده است:
شکل 4 - ساختار اوربیتالی مولکول آروماتیک بنزن، الف) اوربیتال های p عمود بر صفحه مولکولی و ابر π حاصل از جفت شدگی الکترون ها، ب) نمای شماتیک گردش الکترون ها در مولکول بنزن
ترکیبات آروماتیک معمولا واکنش هایی از نوع جانشینی (Substitution) و به خصوص واکنش های جانشینی الکتروفیلی (Electrophilic Substitution) را انجام می دهند. برخلاف واکنش های افزایشی (Addition)، در واکنش های جانشینی ساختار (و در نتیجه پایداری) آروماتیکی حفظ می شود و تنها گروه های هیدروژن روی حلقه با گروه های دیگر (مثل متیل، نیترو، هالید ...) جایگزین می شوند.
دسته دیگر، ترکیبات آلیفاتیک هستند. هرچند این ترکیبات به صورت زنجیره ای (Chain) یا حلقوی (Cyclic) وجود دارند و می توانند حاوی پیوند های π غیرمستقر (پیوندهای دوگانه و سه گانه) باشند، گردش الکترون در این ساختارها مشاهده نمی شود. از همین روست که ترکیبات آلیفاتیک پایداری خاص ترکیبات آروماتیک را ندارند و از این رو واکنش های شیمیایی گسترده تری را انجام می دهند. یک درشت مولکول (Macromolecule) می تواند دارای بخش های متفاوت آلیفاتیک و آروماتیک باشند. برخی از ترکیبات آلیفاتیک حلقوی (که می توانند شامل اتم هایی به غیر از هیدروژن و کربن نیز باشند) در شکل 5 آورده شده است:
دسته دیگر، ترکیبات آلیفاتیک هستند. هرچند این ترکیبات به صورت زنجیره ای (Chain) یا حلقوی (Cyclic) وجود دارند و می توانند حاوی پیوند های π غیرمستقر (پیوندهای دوگانه و سه گانه) باشند، گردش الکترون در این ساختارها مشاهده نمی شود. از همین روست که ترکیبات آلیفاتیک پایداری خاص ترکیبات آروماتیک را ندارند و از این رو واکنش های شیمیایی گسترده تری را انجام می دهند. یک درشت مولکول (Macromolecule) می تواند دارای بخش های متفاوت آلیفاتیک و آروماتیک باشند. برخی از ترکیبات آلیفاتیک حلقوی (که می توانند شامل اتم هایی به غیر از هیدروژن و کربن نیز باشند) در شکل 5 آورده شده است:
شکل 5- برخی ترکیبات آلیفاتیک حلقوی
به طور کلی در ترکیبات حلقوی، پایدار ترین حلقه ها شش عضوی هستند (مثل سیکلوهگزان). حلقه های کوچکتر معمولا دارای فشار بوده (Strain) و از این جهت ناپایدارتر می باشند (مثل سیکلوبوتان). این ترکیبات حلقوی مسطح نیستند (Planar) و در فضا ساختارهای متفاوت سه بعدی به خود می گیرند. معمولا در رسم ساختارها در شیمی آلی اتم های کربن در نقاط شکست خط ها درنظر گرفته می شوند.
حلقه هایی که لااقل از دو نوع اتم ساخته شده اند (مثل اتر تاجی و اپوکسید) با نام هتروسیکل (Heterocylic) خوانده می شوند. شکل 6 تعدادی از معروفترین ترکیبات هتروسیکل آروماتیک (Heteroaromatic) را نمایش می دهد:
حلقه هایی که لااقل از دو نوع اتم ساخته شده اند (مثل اتر تاجی و اپوکسید) با نام هتروسیکل (Heterocylic) خوانده می شوند. شکل 6 تعدادی از معروفترین ترکیبات هتروسیکل آروماتیک (Heteroaromatic) را نمایش می دهد:
شکل 6- برخی ترکیبات هتروسیکل آروماتیک
4- وجود هترواتم ها (Heteroatoms) و گروه های عاملی
هرچند پیکره اصلی ترکیبات هیدروکربنی از کربن و هیدروژن تشکیل شده است، وجود عناصر دیگری همچون هالوژن ها و یا نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و ... (هترواتم ها) نیز ممکن است. معمولا هترواتم ها خواص الکترونگاتیویتی (Electronegativity) متفاوتی در مقایسه با اتم کربن دارند و از این جهت بر خصوصیات مولکول تاثیر به سزایی دارند. معمولا هترواتم ها نسبت به کربن الکترونگاتیویتی بالاتری دارند، از این رو در هنگام پیوند با کربن، ابر الکترونی مشترک را بیشتر به سمت خود کشیده و اندکی بار منفی میگیرند. در مقابل کربن نیز در پیوند با چنین اتم هایی اندکی بار مثبت میگیرد. معمولا هترواتم ها نقش خود را در قالب گروه های عاملی (Functional Groups) اعمال می کنند. گروه های عاملی اکسیژن دار نظیر هیدروکسیل (-OH) و کربوکسیل (-COOH) به ترتیب خاصیت الکلی و اسیدی به مولکول می بخشند. گروه CO (پیوند دوگانه کربن و اکسیژن) نیز گروه کربونیل خوانده می شود و بسته به آنکه در چه بخشی از مولکول واقع شود، خصوصیات آلدهیدی (Aldehyde) یا کتونی (Ketone) را ایجاد می کند. نیتروژن بیشتر در ساختار ترکیبات آمین و آمید شرکت می کند و گوگرد، گاه به صورت گروه عاملی تیول (-SH) حضور دارد. مکان قرارگرفتن هترواتم ها در ساختمان مولکولی نیز حائز اهمیت است. برای مثال اگر اکسیژن در میان زنجیره هیدروکربنی قرار گیرد (C-O-C) ساختار اتر (Ether) خوانده می شود اما اگر همین اکسیژن از یک طرف به گروه عاملی کربونیل (CO) متصل باشد(C-O-(CO)-)، ساختار و خصوصیات به کل متفاوت خواهد بود. نوع اتم های سازنده به همراه هندسه مولکولی نقشی اساسی در قطبیت مولکول آلی خواهد داشت. شمایی از گروه های عاملی مهم در شکل 8 زیر امده است.
هرچند پیکره اصلی ترکیبات هیدروکربنی از کربن و هیدروژن تشکیل شده است، وجود عناصر دیگری همچون هالوژن ها و یا نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و ... (هترواتم ها) نیز ممکن است. معمولا هترواتم ها خواص الکترونگاتیویتی (Electronegativity) متفاوتی در مقایسه با اتم کربن دارند و از این جهت بر خصوصیات مولکول تاثیر به سزایی دارند. معمولا هترواتم ها نسبت به کربن الکترونگاتیویتی بالاتری دارند، از این رو در هنگام پیوند با کربن، ابر الکترونی مشترک را بیشتر به سمت خود کشیده و اندکی بار منفی میگیرند. در مقابل کربن نیز در پیوند با چنین اتم هایی اندکی بار مثبت میگیرد. معمولا هترواتم ها نقش خود را در قالب گروه های عاملی (Functional Groups) اعمال می کنند. گروه های عاملی اکسیژن دار نظیر هیدروکسیل (-OH) و کربوکسیل (-COOH) به ترتیب خاصیت الکلی و اسیدی به مولکول می بخشند. گروه CO (پیوند دوگانه کربن و اکسیژن) نیز گروه کربونیل خوانده می شود و بسته به آنکه در چه بخشی از مولکول واقع شود، خصوصیات آلدهیدی (Aldehyde) یا کتونی (Ketone) را ایجاد می کند. نیتروژن بیشتر در ساختار ترکیبات آمین و آمید شرکت می کند و گوگرد، گاه به صورت گروه عاملی تیول (-SH) حضور دارد. مکان قرارگرفتن هترواتم ها در ساختمان مولکولی نیز حائز اهمیت است. برای مثال اگر اکسیژن در میان زنجیره هیدروکربنی قرار گیرد (C-O-C) ساختار اتر (Ether) خوانده می شود اما اگر همین اکسیژن از یک طرف به گروه عاملی کربونیل (CO) متصل باشد(C-O-(CO)-)، ساختار و خصوصیات به کل متفاوت خواهد بود. نوع اتم های سازنده به همراه هندسه مولکولی نقشی اساسی در قطبیت مولکول آلی خواهد داشت. شمایی از گروه های عاملی مهم در شکل 8 زیر امده است.
شکل 7- تعدادی از گروه های عاملی مهم
5- نتیجه گیری
مطالعه شیمی آلی در شناخت خصوصیات و اصلاح نانوساختارهای کربنی حائز اهمیت است. کربن با اوربیتال های هیبریدی مختلف در ترکیبات متنوع شرکت می کند. اوربیتال های p که در هیبریداسیون شرکت نمی کنند، می توانند در تشکیل پیوندهای π مداخله کنند. جفت شدگی پیوندهای π در ساختارهای حلقوی پایداری خاص آروماتیکی را ایجاد می کند. حضور اتم هایی همچون نیتروژن و اکسیژن (هترواتم ها) در ساختار مولکول آلی، ویژگی های خاص را باعث می شود. وجود پیوندهای دوگانه، سه گانه و یا گروه های عاملی مختلف و همچنین هندسه متنوع اتصال اتم های کربن به یکدیگر منجر به گستردگی و واکنش پذیری ترکیبات آلی می شود.
مطالعه شیمی آلی در شناخت خصوصیات و اصلاح نانوساختارهای کربنی حائز اهمیت است. کربن با اوربیتال های هیبریدی مختلف در ترکیبات متنوع شرکت می کند. اوربیتال های p که در هیبریداسیون شرکت نمی کنند، می توانند در تشکیل پیوندهای π مداخله کنند. جفت شدگی پیوندهای π در ساختارهای حلقوی پایداری خاص آروماتیکی را ایجاد می کند. حضور اتم هایی همچون نیتروژن و اکسیژن (هترواتم ها) در ساختار مولکول آلی، ویژگی های خاص را باعث می شود. وجود پیوندهای دوگانه، سه گانه و یا گروه های عاملی مختلف و همچنین هندسه متنوع اتصال اتم های کربن به یکدیگر منجر به گستردگی و واکنش پذیری ترکیبات آلی می شود.
نوروزتان مبارک
کریستالوگرافی
فیزیک ویولن