Kemiallisen rakenteen teoria - oppi molekyylin rakenteesta, joka kuvaa kaikkia sen ominaisuuksia, jotka yhdessä määräävät tietyn molekyylin kemiallisen käyttäytymisen (reaktiivisuuden). Näitä ovat: molekyylin muodostavien atomien luonne , niiden valenssitila , niiden välisen kemiallisen sidoksen järjestys ja luonne , niiden avaruudellinen järjestely, elektronitiheyden ominaisjakauma , elektronipilven elektronipolarisoituvuuden luonne . molekyyli jne. [1]
Kemiallisen rakenteen teorian pääsäännöt, joka on kemian perusta , kehitti venäläinen kemisti A. M. Butlerov .
Butlerov määritteli kemiallisen rakenteen käsitteen seuraavasti:
Lähtien ajatuksesta, että jokainen kehon osana oleva kemiallinen atomi osallistuu tämän jälkimmäisen muodostumiseen ja toimii tässä tietyn siihen kuuluvan kemiallisen voiman (affiniteetin) vaikutuksesta, kutsun kemiallista rakennetta kehon toiminnan jakautumiseksi. tämä voima, jonka ansiosta kemialliset atomit, epäsuorasti tai suoraan toisiinsa vaikuttavat, yhdistyvät kemialliseksi hiukkaseksi [1] .
Vuonna 1812 italialainen fyysikko ja kemisti Amedeo Avogadro , joka tutki kaasujen ( vety , happi , typpi , kloori ) molekyylipainoja, esitti molekyylihypoteesin aineen rakenteesta. Avogadron työ ei kuitenkaan saanut tunnustusta pitkään aikaan, mikä esti perusideoiden kehittämistä molekyylien kemiallisen rakenteen alalla. Vasta Stanislao Cannizzaron vakuuttavan raportin jälkeen ensimmäisessä kansainvälisessä kemistien kongressissa Karlsruhessa (1860) Avogadron lain avulla määritetyt atomipainot tulivat yleisesti hyväksytyiksi [2] . Kongressissa rajattiin käsitteet "atomi", "molekyyli" ja hyväksyttiin atomi-molekyyliteoria , jonka pääasia on "atomit muodostavat molekyylin vuorovaikutuksessa".
Atomi-molekyyliteoria toimi perustana Butlerovin kemiallisen rakenteen teorialle.
Termin "kemiallinen rakenne" otti ensimmäisen kerran A. M. Butlerov käyttöön 19. syyskuuta 1861 raportissa "Aineiden kemiallisesta rakenteesta" Saksan luonnontieteilijöiden ja lääkäreiden kongressin kemiallisessa osassa Speyerissä (julkaistu samana vuonna saksaksi [3] ja seuraavana vuonna - venäjäksi [4] ). Samassa raportissa hän loi perustan klassiselle kemiallisen rakenteen teorialle. Tämän teorian pääsäännöt ovat seuraavat:
Vuonna 1864 Butlerov selitti ensimmäisenä isomerian ilmiön ja osoitti, että isomeerit ovat yhdisteitä, joilla on sama alkuainekoostumus, mutta erilainen kemiallinen rakenne. Vuonna 1874 stereokemia eli kolmiulotteinen rakennekemia ilmestyi Van't Hoffin postulaatin muodossa hiiliatomin valenssien tetraedrisestä järjestelmästä .
Tällä hetkellä on tapana erottaa rakenteellinen ja spatiaalinen isomeria.
Rakenteellinen isomerismi on jaettu luuston isomeriaksi, johtuen molekyylin rungon muodostavien atomien erilaisesta sidosjärjestyksestä, esimerkiksi H-butaanissa ja isobutaanissa , sekä samojen funktionaalisten ryhmien asemaisomeriaksi, joilla on sama hiilirunko. molekyylin, esimerkiksi aromaattisten yhteyksien orto-, meta- ja parasisomeereissä.
Spatiaalinen isomerismi johtuu stereoisomeerien olemassaolosta , yhdisteistä, joilla on sama atomisidosten järjestys, mutta erilainen tilajärjestely. Spatiaalisen isomerian tyyppejä ovat: optinen isomerismi , joka määrittää enantiomeerien olemassaolon - stereoisomeerien pari, jotka ovat peilikuvia toisistaan, eivätkä ole yhteensopivia avaruudessa; diastereomerismi, joka määrää sellaisten isomeerien olemassaolon, jotka eivät ole enantiomeerejä; geometrinen isomerismi, joka määrittää cis- ja trans-isomeerit , jotka ovat ominaisia yhdisteille, joissa on kaksoissidoksia ja pieniä renkaita.
Kun elektroni löydettiin vuonna 1897 ( J. Thomson , E. Wiechert ), ilmaantui elektronisia tulkintoja molekyylien rakenteesta. Amerikkalainen fysikaalinen kemisti G. Lewis ehdotti vuonna 1912 elektronista kemiallisen sidoksen teoriaa, jonka mukaan molekyylin atomien välisen sidoksen suorittaa sosialisoitu elektronipari . Kemiallisen sidoksen Lewisin elektroniikkateoriasta tuli orgaanisen kemian klassisen rakenneteorian perusta, joka perustuu ajatukseen elektronien dupletin muodostamien atomien välisestä parisidoksesta. Molekyylissä olevien alkuaineiden symbolien välinen valenssiviiva korvattiin kahdella pisteellä, jotka edustavat sidoselektroniparia.
Vuonna 1913 tanskalainen fyysikko Niels Bohr ehdotti elektroniparin harkitsemista pyörivän renkaan muodossa, jonka taso on kohtisuorassa molekyylin akseliin nähden ja yhtä kaukana atomiytimistä.
Molekyylijärjestelmän dynaaminen tasapaino saavutetaan Bohrin mukaan johtuen voimien tasapainosta ytimien keskinäisten hylkimisvoimien ja ytimien vetovoimien välillä elektronirenkaan tasoon. Bohrin tulkinta molekyylin rakenteesta otti huomioon elektronien Coulombin hylkimisen, renkaassa ne ovat diametraalisesti vastakkaisessa asennossa.
Niels Bohr kuvaili metaanimolekyyliä seuraavasti:
Hiiliydin, joka on suljettu hyvin pieneen kahden elektronin renkaaseen, sijaitsee keskellä (tetraedri), ja vetyydin on kulmissa. Kemialliset sidokset ovat neljä kahden elektronin rengasta, jotka pyörivät linjojen ympärillä, jotka yhdistävät keskustan kulmiin [5] .
Raportissaan, joka luettiin King's Collegessa Lontoossa J. Maxwellin sähkömagneettista säteilyä koskevien teosten julkaisun satavuotisjuhlan muistoksi , K. Coulson esitti analyysin molekyylin muodostumiseen johtavien atomien välisten voimien alkuperästä ja olemuksesta [ 6] . Coulson, viitaten Lontoon työhön , osoittaa kahden vetyatomin esimerkillä, "kuinka kaksi neutraalia atomia tai molekyyliä voivat kohdistaa vetovoimaa toisiaan kohtaan huomattavan etäisyyden päässä".
Kahden vetyatomin ytimet A ja B ovat etäisyydellä r toisistaan (kuva). Jokaisessa atomissa on yksi elektroni (P:ssä ja Q:ssa). Varausten joukko +e A:ssa ja -e P:ssä vastaa suunnilleen sähköistä dipolia, jonka suuruus on e·AP. Vastaavasti +e:n B:ssä ja -e:n yhdistelmä Q:ssa on suunnilleen yhtä suuri kuin sähködipoli e·BQ. Nämä kaksi dipolia ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Kahden dipolin, m ja m', etäisyydellä r oleva kokonaispotentiaalienergia on:
Aaltomekaniikan kielellä tätä ilmaisua pidetään molempiin atomeihin vaikuttavana häiriönä.
Atomien välisten voimien luonne on luonteeltaan sähkömagneettista ja sitä kutsutaan dipoli-dipoli-vuorovaikutukseksi. On olemassa dipoli-kvadrupoli, kvadrupoli-kvadrupoli ja muita vuorovaikutuksia, joissa energia muuttuu 1/r:n suuremmista potenssien mukaan [6] .
Elektronitiheys on todennäköisyystiheys löytää elektroni tietyssä avaruuden pisteessä. Elektronitiheys normalisoituu ja osoittaa vastaavasti todennäköisen elektronien lukumäärän tietyssä alkuainetilavuudessa.
Aaltofunktion probabilistisen (tilastollisen) tulkinnan muotoili M. Born vuonna 1926 heti, kun Schrödingerin aaltoyhtälö julkaistiin . Vuonna 1954 M. Bornille myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto sanamuodolla "Kvanttimekaniikan alan perustutkimuksesta, erityisesti aaltofunktion tilastollisesta tulkinnasta."
Elektronitiheys lasketaan käyttämällä Schrödingerin yhtälöä, joka ratkaistaan analyyttisesti täsmälleen vain yhden elektronin sisältäville järjestelmille [7] .
Tuloksena saadun vetyatomin elektronin löytämisen todennäköisyyden radiaalijakaumafunktiolla on maksimi arvolla α 0 , kuten kuvassa näkyy. Tämä todennäköisin säde osuu yhteen Bohrin säteen kanssa ja sitä pidetään atomiyksikönä 1 AU:n lineaarisille mitoille. e. (boori) = 0,529177 10 -10 m ≈ 0,529 Å. Hajanaisempi todennäköisyystiheyspilvi, joka saadaan ratkaisemalla vetyatomin Schrödinger-yhtälö, eroaa merkittävästi Bohrin atomimallista ja on yhdenmukainen Heisenbergin epävarmuusperiaatteiden kanssa . Kun otetaan huomioon M. Bornin tilastollinen tulkinta aaltofunktiosta ja Heisenbergin epävarmuusperiaate, vuorovaikutuksessa olevien atomien dipolien AP ja BQ pituudet ovat F. Londonin laskelmissa melko epäselviä. N. Bohrin mukaisessa vetymolekyylimallissa elektronirengas on myös hämärtynyt toroidisen elektronipilven tilaan, jolla on määrittelemättömät rajat.
Vetymolekyylin (r e ) elektronirenkaan (toruksen) todennäköisin säde määräytyy Bohrin säteen (α 0 ) ja kemiallisen sidoksen pituuden (d) perusteella: r e 2 = α 0 2 - (d/2 ) ) 2 ; re = 0,374 Å .
Spatiaalisen symmetrian vuoksi vetymolekyylin dipolimomentti on nolla, mikä vastaa sen alhaista kemiallista aktiivisuutta [8] . Elektronitiheyden avaruudellinen symmetria säilyy, jos molekyyliin liittyvillä atomeilla on sama ionisaatioenergia . Tässä tapauksessa sitova elektronirengas sijaitsee yhtä etäisyydellä kustakin ytimestä. Jos ionisaatiopotentiaalit ovat erilaisia, elektronitiheys siirtyy kohti atomia, jolla on suuri ensimmäinen ionisaatiopotentiaali [9] . Elektronitiheyden siirtyminen johtaa epäsymmetriaan sähkövarausten jakautumisessa molekyylissä, molekyylistä tulee polaarinen järjestelmä, jolla on tietty dipolimomentti .
Koska Schrödingerin yhtälön tarkka ratkaisu kaksi tai useampia elektroneja sisältäville atomi-molekyylisysteemeille on mahdotonta, ehdotetaan likimääräisiä menetelmiä elektronitiheyden laskemiseksi. Ne kaikki syntyivät 1930-luvulla, kävivät läpi merkittävän kehityspolun ja täydensivät toisiaan pitkään. Tärkeimmät niistä ovat valenssisidosteoria , molekyyliratojen teoria, kidekentän teoria ja tiheysfunktionaalisuuden teoria .
Valenssisidosteorian puitteissa kehitettiin resonanssin käsite ( L. Pauling ) ja siihen liittyvä mesomerian käsite ( K. Ingold ). Resonanssin käsitettä tarkastellaan molekyylivetyionin esimerkissä . L. Pauling osoitti, että molekyylivetyionin stabiilius:
elektroniresonanssin aiheuttama, eli sen liike "edestakaisin" kahden ytimen välillä, joiden "resonanssitaajuus" on suuruudeltaan yhtä suuri kuin resonanssienergia (50 kcal/mol) jaettuna Planckin vakiolla h. Perustilassa olevalle molekyyli-ionille tämä taajuus on 7,10 14 sek −1 [10] .
Resonanssin käsite täydensi klassisen kemiallisen rakenteen teorian postulaatteja ja väitti, että jos tietylle yhdisteelle klassinen teoria sallii useiden hyväksyttävien rakennekaavojen rakentamisen, niin tämän yhdisteen molekyylien todellinen tila ei vastaa mitään yksittäistä kaavaa. , vaan johonkin niiden yhdistelmään (superpositio, rakenteiden resonanssi) [11] .
Mesomerismi on teoria kemiallisten yhdisteiden elektronirakenteesta, jonka mukaan elektronitiheyden todellinen jakauma molekyylissä on useiden klassisten kaavojen edustamien jakaumien välissä [12] .
Yleensä positiivisia ja negatiivisia mesomeerisiä vaikutuksia tarkastellaan:
Vinyylikloridi: +M-vaikutus
Allyylikationi: −M-vaikutus
Kampanja alkoi vuonna 1949, kun V. M. Tatevskiin ja M. M. Shakhparonov julkaisi artikkelin "Machian-teoriasta kemiassa ja sen kannattajista" [13] . L. Paulingin resonanssiteoria valittiin päähyökkäykseksi. Julistettiin, että "ajatus todellisesta molekyylistä kahden (tai useamman) äärimmäisen abstraktin rakenteen välissä on porvarillinen ja siksi suunnattu kaikkea "pyhää" vastaan". Teorian propagandistit Ya. K. Syrkin ja M. E. Dyatkina nimettiin myös kirjan "Chemical Bonding and the Structure of Molecules" kirjoittajiksi, jossa resonanssiteoria heijastui.
Ilma haisi jälleen inkvisitiolta. Tässä hälyttävässä tilanteessa maan johtavat kemistit kokoontuivat liittovaltion kemian rakenteen ongelmia käsittelevään konferenssiin (1951, Moskova). Tämän kokouksen transkriptio, yksi häpeällisimmistä tutkijoiden yhteisillä ponnisteluilla koskaan luotuista asiakirjoista, on tallennettu kemiallisiin kirjastoihin ympäri maailmaa, ja Jumala tietää milloin on mahdollista pestä pois tämä häpeä... Se ei tulla vereen - ensi keväänä alkanut sula pelasti sen. Ya. K. Syrkin ja M. E. Dyatkina, jotka viimeaikaiset ystävät ja työtoverit olivat valmistaneet luovuttamista varten ensimmäisinä syntipukeina, selvisivät; lisäksi Ya. K. Syrkinistä tuli myöhemmin akateemikko [14] .
Linus Pauling sai vuoden 1954 kemian Nobel-palkinnon "kemiallisen sidoksen luonteen tutkimuksesta ja sen soveltamisesta monimutkaisten yhdisteiden rakenteen määrittämiseen".
Kemiallisen rakenteen teoriasta ei kuitenkaan ole päästy yksimielisyyteen. V. M. Tatevskiy kurssilla "Molekyylien rakenne" (1977) totesi:
... niin sanotun "resonanssiteorian" ja "mesomerismiteorian" ajatukset, jotka ovat väistymässä menneisyyteen, mutta silti ilmestyvät kirjallisuudessa, joilla ei ole perustaa klassisessa kemiallisen rakenteen teoriassa tai laillisissa sovelluksissa klassisen fysiikan molekyylien rakenteen kysymyksiin eikä kvanttimekaniikkaan [15] .
Vasta vuonna 1991 suoritettiin perustavanlaatuinen analyysi resonanssiteoriaa vastaan suunnatusta kampanjasta ja osoitettiin, että tämä kampanja "aiheutti vakavaa vahinkoa Neuvostoliiton tieteen arvovallalle" [16] .
Klassisessa kemiallisen rakenteen teoriassa atomin käsite molekyylissä on ikiaikainen. On intuitiivisesti selvää, että atomi molekyylissä muuttuu ja sen ominaisuudet muuttuvat myös riippuen tämän atomin ympäristöstä, ensisijaisesti lähimmästä. Pääindikaattori on atomien välinen etäisyys molekyylissä, joka määrittää sekä kemiallisen sidoksen pituuden että kemiallisen sidoksen vahvuuden .
Kvanttiteoriassa atomin käsite on toissijainen. Joten V. M. Tatevskiyn mukaan molekyyli ei koostu atomeista: "Nykyajan näkökulmasta on selvää, että molekyylin muodostumisen aikana atomit eivät säily, vaan vain atomien ja elektronien ytimet" [17 ] .
Monia yrityksiä yritettiin säilyttää atomin käsite molekyylissä, mutta siitä huolimatta ne eivät lähes aina tyydyttäneet myöhempiä tutkijoita syystä tai toisesta.
Yksi menestyneimmistä yrityksistä säilyttää klassinen käsite atomista molekyylissä kuuluu R. Baderille ja hänen yhteistyökumppaneilleen [18] . Tämän teorian ( QTAIM ) puitteissa elektronitiheys "määrittää kolmiulotteisessa avaruudessa tietyn skalaarikentän, joka voidaan luonnehtia esimerkiksi sen ääripisteiden, viivojen ja pintojen, singulaaripisteiden jne. joukolla". [19] .
Siten R. Baderin molekyylien atomien kvanttiteoriassa on mahdollista fysikaalisesti perustella kemian avainkäsitteet " atomi ", " molekyyli ", " kemiallinen sidos " elektronitiheysfunktion topologian suhteen kolmivaiheisessa tilassa. mittaavaruus ja kuvaus molekyylien kemiallisesta rakenteesta.
Elektroninen korrelaatio (atomi- tai molekyylijärjestelmän kaikkien elektronien liikkeen keskinäinen ehdollisuus määräytyy elektronien sähköstaattisen hylkimisen ja järjestelmien staattisten ominaisuuksien, erityisesti Paulin periaatteen (Fermi-korrelaatio) perusteella. Täysi huomio elektronikorrelaatio laskettaessa energiaa ja määritettäessä järjestelmän elektronirakennetta saavutetaan konfiguraatiovuorovaikutuksen menetelmällä.
Yksinkertainen ja luotettava sääntöjärjestelmä molekyylien konfiguraation ymmärtämiseksi ja ennustamiseksi on upotettu elektroniparin repulsion teoriaan, jonka tärkein sääntö on varsin empiirinen, vaikka sillä on kvanttimekaaninen perustelu, joka koostuu Paulin periaatteesta. nimittäin " elektroniparit asettuvat atomin valenssikuorelle sellaiseksi, että ne ovat mahdollisimman kaukana toisistaan. Tässä tapauksessa molekyylin konfiguraatio määräytyy sidosten ja jakamattomien elektroniparien lukumäärän perusteella keskusatomissa:
Jakamattomien elektroniparien läsnäolo keskusatomissa johtaa molekyylin konfiguraatiotyyppien laajenemiseen [20] .
N. Bartlettin vuonna 1962 löytämä ensimmäinen ksenonyhdiste merkitsi alkua jalokaasukemian intensiiviselle kehitykselle , mikä johti suuren määrän inerttien kaasuyhdisteiden tuotantoon ja niiden kemiallisen rakenteen luomiseen.
Kävi ilmi, että kaikilla jalokaasuyhdisteillä on tavalliset kovalenttiset sidokset ja yleisesti hyväksytyt molekyylikonfiguraatiot. Siten ksenondifluoridimolekyylin konfiguraatio on lineaarinen: ksenon-fluorisidokset ovat aksiaalisia ja ovat vuorovaikutuksessa kolmen yksinäisen elektroniparin kanssa, jotka sijaitsevat ekvatoriaalisissa paikoissa.
Ksenontetrafluoridimolekyylissä esiintyy konfiguraatio, jossa ligandien järjestely on tasainen neliö. Ksenonin yksinäiset elektroniparit ovat mahdollisimman kaukana toisistaan ja sijaitsevat tämän neliön vastakkaisilla puolilla.
Ksenonheksafluoridimolekyylin rakenne on vääristynyt oktaedri. "Fluoriatomien poikkeama säännöllisen oktaedrin huipuista osoittaa, että yksinäinen elektronipari on oktaedrin yhden pinnan keskipisteen yläpuolella ja tämän pinnan kulmissa sijaitsevat fluoriatomit pakotetaan siirtymään erilleen. " [20] .
Bartlettin löytö osoitti silloisen suositun oktettisääntövirheen ,[ miten? ] , jonka mukaan atomit tyydyttävät molekyylien muodostumisen aikana tarpeensa saavuttaa 8-elektroninen valenssikuori, joka on samanlainen kuin jalokaasujen elektroninen konfiguraatio, johtuen valenssielektroniensa pareittain sosialisoitumisesta. Kävi ilmi, että jalokaasuatomit, joilla on täysin täytetty valenssikuori, voivat osallistua kemiallisiin reaktioihin ja osallistua molekyylien kemialliseen rakenteeseen.
Elektronivajaisiin yhdisteisiin liittyvä rakenteellinen ongelma on melko monimutkainen. Perusvaikeus oli, että molekyyleissä ei ole tarpeeksi valenssielektroneja kaikkien atomien yhdistämiseksi tavallisilla kahden elektronin sidoksilla. Joten esimerkiksi diboraanimolekyylissä on kaksitoista valenssielektronia , kaikki kaksitoista tarvitaan muodostamaan kuuden vetyatomin kovalenttiset sidokset boorin kanssa, jotta ei jää enää elektroneja sitomaan booriatomeja toisiinsa. Pauling itse oletti, että yksielektronisidokset toimivat diboraanissa ja perustilassa oleva molekyyli resonoi seitsemän Lewis-tyyppisen rakenteen välillä sekä lukuisten yksielektronisidoksia sisältävien rakenteiden välillä.
Kuitenkin ansaittua tunnustusta annettiin amerikkalaisen fysikaalinen kemisti W. Lipscomb tutkimuksille boorihydridien kemiallisen sidoksen luonteesta . Hänen tulkinnassaan diboraanissa tapahtuu neljä kahden ja kaksi kolmen keskuksen sidosta.
Neljä terminaalista kahden keskuksen kahden elektronin sidosta HB on samassa tasossa. Kaksi keskeistä vetyatomia sijaitsevat symmetrisesti tämän tason ylä- ja alapuolella, ja ne yhdistyvät booriatomien kanssa kahdella kolmikeskuksen sidoksella.
Vuonna 1976 Lipscomb sai kemian Nobelin palkinnon sanamuodolla "boraanien (borohydriittien) rakenteen tutkimuksesta, joka selventää kemiallisten sidosten ongelmaa."
Kemiallisen rakenteen teorian edelleen kehittäminen liittyy ferroseenin rakenteen löytämiseen ja vahvistamiseen [21] . Kävi ilmi, että rautakloridin ja syklopentadieenin vuorovaikutuksessa muodostuu odotetun yhdisteen sijasta kahden rauta-hiilikemiallisen sidoksen kanssa sandwich-mainen yhdiste, jossa kaikki 10 hiiliatomia ovat liittyneet rautaatomiin.
E. Fisherin röntgendiffraktiotutkimukset osoittivat , että kaikki ferroseenimolekyylin hiiliatomit ovat rakenteellisesti ja kemiallisesti vastaavia. Metalliatomi ei ole vuorovaikutuksessa yhden tai kahden tietyn hiiliatomin kanssa, vaan kahden syklopentadienyylirenkaan kaikkien hiiliatomien kanssa kerralla. Metalliatomi näytti roikkuvan avaruudessa kahden syklin välissä, joita edustavat rinnakkaiset säännölliset viisikulmiot.
Tällä hetkellä on saatu metalloseeneja, siirtymämetallien bisyklopentadienyyliyhdisteitä useimmille d-alkuaineille.
Sandwich-yhdisteitä muodostetaan myös käyttämällä bentseeniä tai syklo-oktatetraeenia orgaanisena fragmenttina. Joten esimerkiksi uranoseenissa (katso kuva) uraaniatomissa on kaksi kahdeksanjäsenistä rengasta. Kaikki 16 uraani-hiilisidosta uranoseenissa ovat identtisiä.
Vuonna 1973 E. Fisher ja J. Wilkinson saivat Nobelin kemian palkinnon sanamuodolla "innovatiivisesta, itsenäisesti tehdystä työstään organometallisten, niin kutsuttujen sandwich-yhdisteiden alalla."
Uskotaan, että sandwich-yhdisteissä toteutuu monikeskussidos, eräänlainen kemiallinen sidos, jossa, toisin kuin kahden keskuksen kahden elektronin sidos, sitovat elektroniparit ovat jakautuneet molekyylin kolmen tai useamman atomikeskuksen tilaan, ioni, radikaali. [22]