Donor-akceptor mechanismus: příklady. Co je mechanismus dárce-příjemce?

Chemická vazba je vazba mezi dvěma nebo více atomy (molekuly) v organické nebo anorganické sloučenině. Vzniká, když se sníží celková energie v systému.

Mohou všechny prvky vytvářet chemické vazby

Všechny prvky periodického systému mají jinou schopnost tvořit vazbu. Nejstabilnější a v důsledku toho, jsou chemicky méně aktivní atomy ušlechtilé (inertní) plyn, protože obsahují na vnějším elektronovém obalu ze dvou až osmi elektronů. Tvoří malý počet spojení. Například neon, helium a argon netvoří chemické vazby s žádným prvkem, zatímco xenon, krypton a radon jsou schopny reagovat s fluorem a molekulami vody.

Pro atomy jiných prvků nejsou vnější úrovně úplné a mají jeden až sedm elektronů, takže chemické vazby vytvářejí pro zvýšení stability pláště.

Typy chemických vazeb

Existuje několik typů komunikace:

1. Covalent.
2. Ionic.
3. Kov.
4. Vodík.

Kovalentní vazba

Tento typ vazby je vytvořen mezi atomy v molekule v důsledku socializace nebo překrývání páru valenčních elektronů. V souladu s tím existují mechanismy výměny (a) a donor-akceptor (b) pro tvorbu kovalentní vazby. Zvláštním případem je dative bond, který bude uveden níže.

Kovalentní vazba: výměnný mechanismus

Na atomech na vnější úrovni jsou nepárové elektrony. Při interakci se vnější pláště překrývají. Antiparalelní toky jednotlivých elektronů obsažené na vnějších úrovních jsou spárovány za vzniku dvojice elektronů společného pro oba atomy. Tato dvojice elektronů ve skutečnosti představuje kovalentní vazbu, která je tvořena výměnným mechanismem, např molekulu vodíku.

Kovalentní vazba: mechanismus donor-akceptor

Tento mechanismus spočívá v socializaci dvou atomů dvěma atomy na vnější úrovni elektronů. V tomto případě jeden z atomů působí jako dárce (poskytuje dva elektrony) a druhý - akceptor (má prázdné orbitální pro elektrony). Atomy s a p prvků mohou být buď akceptory, nebo elektronové dárce. Atomy d-elementů mohou být jak dárci, tak akceptory.

Abychom pochopili, jaký mechanismus je donor-akceptor, zvažte dva velmi jednoduché příklady - vytvoření hydronových kationtů H₃O⁺ a amonný NH₄⁺.

Příkladem mechanismu donora-akceptoru je kation amonný

Schématicky je reakce pro tvorbu amonné částice následující:

NH₃+H⁺= NH₄⁺

Elektrony v atomu N jsou distribuovány v následujícím pořadí: 1s² 2s² 2p³.

Elektronická struktura kationtu H: 1s⁰.

Dusíkový atom na vnější úrovni obsahuje dva s a tři p-elektrony. Tři p-elektrony se podílejí na tvorbě tří kovalentních výměnných typů dusík-vodíkových vazeb N-H. Výsledkem je molekula amoniaku NH₃ s typem kovalentní vazby. Vzhledem k tomu, že atom dusíku N na vnější úrovni má dvojici elektronů s molekulou NH₃ může také přidat kation vodíku. Molekula amoniaku je donor a kation vodíku H⁺ - akceptor, který odebírá dárcovské elektrony z dusíku do své vlastní volné s-orbitální.

Příkladem mechanismu donora-akceptoru je H3O (hydroxonium ion)

Elektrony v atomu kyslíku jsou distribuovány v následujícím pořadí: 1s² 2s² 2p⁴.

Atom kyslíku na vnější úrovni má dva s a čtyři p-elektrony. Vycházejíc z toho dva volné p-elektrony a dva s-elektrony ze dvou atomů H se podílejí na tvorbě vazeb H-O, to znamená, že v molekule H jsou 2 dostupné vazby₂O - kovalentní, tvořená výměnným mechanismem.

Elektronická struktura kationtu vodíku: 1s⁰.

Vzhledem k tomu, atom kyslíku na vnější úrovni byly další dva elektrony (s-typ), může vytvořit kovalentní vazbu třetí typ mechanismu dárce akceptoru. Akceptorem může být atom s volnou orbitalizací, v tomto příkladu jde o částicu H⁺. Volná s-oběžná dráha kationtu H⁺ obsadí dva elektrony atomu kyslíku.

Donor-akceptorový mechanismus pro tvorbu kovalentní vazby mezi anorganickými molekulami

Mechanismus dárcovo-akceptorů kovalentní vazby je možný nejen v interakcích atom-atom nebo molekula-atom, ale také v reakcích mezi molekulami. Jediným požadavkem pro interakci donor-akceptorového je kineticky nezávislé molekuly je snížení entropie, jinými slovy, zvyšování pořadí chemické struktury.

Zvažte první příklad - vytvoření aprotického kyselina (kyselina Lewis) NH₃BF₃. Tento anorganický komplex se vytváří v adiční reakci molekuly amoniaku a fluoridu boritého.

NH₃+BF₃= NH₃BF₃

Elektrony v atomu bóru jsou distribuovány v následujícím pořadí: 1s² 2s² 2p¹.

Když je atom B excitován, jeden elektron s-typu přechází na p-podúrovňovou (1s² 2s¹ 2p²). Na vnější úrovni atomu excitovaného boru tedy existují dva s-a dva p-elektrony.

V molekule BF₃ tři kovalentní vazby bóru fluoru B-F jsou tvořeny výměnným typem (atomy boru a fluoru jsou opatřeny vždy jedním elektronem). Po vytvoření tří kovalentních vazeb na atom boru k vnějšímu elektronovém obalu zůstává volný p-podvrstva, přes který fluorid boritý molekulu může působit jako akceptor elektronů.

Elektrony v atomu dusíku jsou distribuovány v následujícím pořadí: 1s² 2s² 2p³.

Tři elektrony atomů N a H se podílejí na tvorbě dusík-vodíkové vazby. Potom má dusík ještě dva elektrony typu s, které může poskytnout k vytvoření vazby mechanismem donor-akceptor.

Při reakci mezi fluoridem boritým a amoniakem je NH₃ hraje roli donoru elektronů a molekuly BF₃ - akceptor. Dvojice elektronů dusíku zaujímají volnou orbitalizaci fluoridu boritého a chemickou sloučeninu NH₃BF₃.

Dalším příkladem mechanismu pro tvorbu donor-akceptorové vazby je výroba polymeru fluoridu berylia.

Schématicky je reakce následující:

BeF₂+BeF₂+hellip- + BeF₂-> (BeF₂)._n

Elektrony v atomu Be jsou umístěny tak - 1s² 2s², a v atomu F - 1s² 2s² 2p⁵.

Dva-fluor komunikace berylium beryllium fluorid v molekule typu výměnné kovalentní (zahrnuje dva p-elektrony dvěma atomy fluoru a dva elektrony s-podvrstva berylium atom).

Mezi dvojicí atomů berylia (Be) a fluoru (F) se vytvářejí dvě kovalentnější vazby mechanismem donor-akceptor. V fluoridu berylliového je atom fluoru donorem elektronů, atom berylia je jejich akceptor s prázdnou orbitální.

Donor-akceptorový mechanismus pro tvorbu kovalentní vazby mezi organickými molekulami

Při vzniku vazby mezi molekulami organické povahy se vytvářejí komplexnější sloučeniny-komplexy. V jakékoliv organické sloučenině s kovalentní vazbou jsou obsaženy oba obsazené (nevázané a vazné) a prázdné orbitály (uvolnění a nelepení). Možnost tvorby komplexů donoru a akceptoru je určena stupněm stability komplexu, který závisí na síle vazby.

Podívejme se například na reakci interakce molekuly methylaminu s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku chloridu methylamonia. V molekule methylaminu jsou všechny kovalentní vazby tvořené výměnným mechanismem dvěma H-N vazbami a jednou N-CH vazbou₃. Po spojení vodíku a methylové skupiny má atom dusíku pár elektronů typu s-s. Jako dárce poskytuje tento elektronový pár pro atom vodíku (akceptor), který má volnou orbitální.

Donor-akceptorový mechanismus bez vzniku chemické vazby

Ne všechny případy interakce mezi donorem a akceptem zahrnují socializaci elektronového páru a vznik vazby. Některé organické sloučeniny mohou být vzájemně kombinovány překrytím plné orbitální části dárce s prázdnou oběžnou dráhou akceptoru. Existuje přenos náboje - elektrony jsou delokalizovány mezi akceptorem a dárcem, které se nacházejí velmi blízko sebe. Jsou tvořeny komplexní sloučeniny přenosu náboje.

Taková interakce je charakteristická pro pi-systémy, jejichž orbitály se snadno překrývají a elektrony se snadno polarizují. Role dárců mohou být metaloceny, nenasycené aminosloučeniny, TDAE (tetrakis (dimethylamino) ethylen). Acceptory jsou často fullereny, chinodimethany s akceptorovými substituenty.

Převod poplatků může být částečný nebo úplný. Při fotosenzici molekuly dochází k úplnému přenosu náboje. Vytvoří se komplex, který lze pozorovat spektrálně.

Bez ohledu na úplnost přenosu náboje jsou takové komplexy nestabilní. Pro zvýšení síly a životnosti takového stavu je zavedena další skupina překlenovací. Výsledkem je, že donor-akceptorové systémy se úspěšně používají v zařízeních pro přeměnu sluneční energie.

V některých organických molekulách se donor-akceptorová vazba vytváří v molekule mezi donorovou a akceptorovou skupinou. Tento typ interakce se nazývá efekt transannular charakteristické například pro Atrani (organokovové sloučeniny s napojením N-> B, N-> Si).

Semipolární komunikace nebo Dative mechanismus komunikace

Kromě výměny a donora-akceptoru existuje i třetí mechanismus - dative (jiná jména - sedmipolární, semipolární nebo koordinační linka). Dárcovský atom dává pár elektronů k volné orbitě neutrálního atomu, který potřebuje dva elektrony k dokončení vnější úrovně. Existuje druh přechodu elektronové hustoty od akceptoru k dárci. V tomto případě se dárce pozitivně nabití (kation) a akceptor - záporně nabitý (anion).

Ve skutečnosti chemická vazba je vytvořena spojením pláště (překrývající se dvě spárované elektrony z jednoho atomu další vnější volný orbitální) a elektrostatické přitahování vytvořeného mezi kationtu a aniontu. Tak jsou kovalentní a iontové typy kombinovány v semipolárním spojení. Semipolární vazba je charakteristická pro d-elementy, které v různých sloučeninách mohou hrát roli akceptora i dárce. Ve většině případů se vyskytuje v komplexních a organických látkách.

Příklady dativního připojení

Nejjednodušším příkladem je molekula chloru. Jeden atom chloru posílá pár elektronů na jiný atom chloru, který je volný d-orbitalu. Tak jeden atom Cl je pozitivně nabitá, druhý - negativní, a elektrostatická přitažlivost dochází mezi nimi. Vzhledem k velké délce dativu vazby je slabší ve srovnání s výměnou kovalentní a donor-akceptorovou typu, ale jeho přítomnost zvyšuje pevnost molekul chloru. Proto molekula Cl₂ je silnější než F₂ (atom fluoru nemá d-orbitály, vazba fluór-fluor je pouze kovalentní výměna).

Molekula oxidu uhelnatého CO (oxid uhelnatý) je tvořena třemi C-O vazbami. Vzhledem k tomu, že atomy kyslíku a atomy uhlíku mají na vnější úrovni dva jednotlivé elektrony, tvoří se mezi nimi dvě kovalentní výměnné vazby. Poté zůstává na uhlíkovém atomu prázdná orbita a na atomu O dva páry elektronů na vnější úrovni. Proto v molekule oxid uhelnatý (II) je třetí spojení - sedm-polární, tvořený dvěma valenčními páry elektronů kyslíku a volné orbitální uhlíku.

Zvažme komplexnější příklad - vytvoření daného typu vazby příkladem interakce dimethyletheru (H3C-O-CH₃) s chloridem hlinitým AlCl₃. atom kyslíku ve směsi DME spojeny kovalentními vazbami s dvěma methylovými skupinami. Po tom, nechal se další dva elektrony na p-podúrovních, kterou dává atomový akceptoru (hliník) a stává pozitivní kation. Tak akceptor atom získá záporný náboj (anion se otočí k). Kation a anion interagují elektrostaticky navzájem.

Význam vazby donor-akceptor

Mechanismus vzniku donor-akceptorovou vazbou, je nezbytné pro lidský život a je široce distribuován v chemických sloučenin, jak organické, tak anorganické povahy, jak bylo potvrzeno v příkladech uvedených výše. Amoniak, jako součást, která má kationt amonný, byl úspěšně aplikován v každodenním životě, medicínu a průmyslovou výrobu hnojiv. Hydroniových iontů hraje hlavní roli v rozpuštění kyseliny ve vodě. používají v průmyslu (např, při výrobě hnojiv, laserové systémy) a oxidu uhelnatého, má velký význam ve fyziologických systémů lidského organismu.