Donor-acceptor-mekanisme: eksempler. Hvad er en donor-acceptor-mekanisme?

En kemisk binding er en binding mellem to eller flere atomer (molekyler) i en organisk eller uorganisk forbindelse. Det dannes under betingelse af et fald i den samlede energi i systemet.

Kan alle grundstoffer danne kemiske bindinger?

Alle elementer i det periodiske system har forskelligeevne til at danne kommunikation. De mest stabile og som et resultat kemisk inaktive er atomer af ædle (inerte) gasser, da de indeholder to eller otte elektroner på den ydre elektronskal. De danner et lille antal obligationer. For eksempel danner neon, helium og argon ikke kemiske bindinger med noget element, mens xenon, krypton og radon kan reagere med fluor- og vandmolekyler.

For atomer af andre grundstoffer er de ydre niveauer ikke færdige og har fra en til syv elektroner, derfor danner de kemiske bindinger for at øge skallenes stabilitet.

Typer af kemiske bindinger

Der er flere typer kommunikation:

1. Kovalent.
2. Ionisk.
3. Metallisk.
4. Brint.

Kovalent binding

Denne type binding dannes mellem atomer imolekyle som et resultat af socialisering eller overlapning af et valenselektronpar. Følgelig findes der udvekslings- (a) og donor-acceptor (b) mekanismer til dannelse af en kovalent binding. En separat sag er dativbindingen, som diskuteres nedenfor.

Kovalent binding: udvekslingsmekanisme

Atomer på det ydre niveau er uparretelektroner. Når de interagerer, overlapper de ydre skaller. De antiparallelle spins af de enkelte elektroner indeholdt i de ydre niveauer par til at danne et elektronpar, der er fælles for begge atomer. Dette par elektroner er faktisk en kovalent binding, som er dannet af en udvekslingsmekanisme, for eksempel i et brintmolekyle.

Kovalent binding: donor-acceptormekanisme

Denne mekanisme består i socialt samværto atomer med to elektroner på det ydre niveau. I dette tilfælde fungerer et af atomerne som en donor (giver to elektroner), og det andet - en acceptor (har en ledig orbital til elektroner). Atomer af s- og p-elementer kan enten være acceptorer eller elektrondonorer. Atomer af d-elementer er i stand til at være både donorer og acceptorer.

For at forstå, hvad donor-acceptormekanismen er, lad os overveje to enkleste eksempler - dannelsen af ​​hydroniumkationer H₃Oh⁺ og ammonium NH₄⁺.

Et eksempel på en donor-acceptormekanisme er ammoniumkationen

Skematisk er reaktionen ved dannelsen af ​​en ammoniumpartikel som følger:

NN₃+ H⁺= NH₄⁺

Elektronerne i N-atomet fordeles i følgende rækkefølge: 1s² 2s² 2p³.

Elektronisk struktur af H: 1s kation⁰.

Nitrogenatomet på det ydre niveau indeholder to s- ogtre p-elektroner. Tre p-elektroner deltager i dannelsen af ​​tre kovalente udvekslingstypebindinger nitrogen-hydrogen N-H. Som et resultat dannes ammoniakmolekylet NH₃ med en kovalent binding. Da nitrogenatomet N på det ydre niveau har et par elektroner s, NH₃ kan også tilføje en hydrogenkation. Ammoniakmolekylet er en donor, og hydrogenkationen H⁺ - en acceptor, der accepterer donorelektroner fra kvælstof til sin egen frie s-orbital.

Et eksempel på en donor-acceptormekanisme er H3O (hydroniumion)

Elektronerne i iltatomet fordeles i følgende rækkefølge: 1s² 2s² 2p⁴.

Oxygenatomet på det ydre niveau har to s ogfire p-elektroner. Baseret på dette deltager to frie p-elektroner og to s-elektroner fra to H-atomer i dannelsen af ​​H-bindinger. Det vil sige, at der er 2 eksisterende bindinger i H-molekylet₂O - kovalent, dannet af udvekslingsmekanismen.

Elektronisk struktur af brintkation: 1s⁰.

Siden iltatomet på det ydre niveauder er stadig to elektroner (s-type), den kan danne en tredje binding af den kovalente type ved hjælp af donor-acceptormekanismen. En acceptor kan være et atom med en fri orbital, i dette eksempel er det en partikel H⁺... Den frie s-orbital af H⁺ optager to elektroner af iltatomet.

Donor-acceptormekanisme til dannelse af en kovalent binding mellem uorganiske molekyler

Donor-acceptormekanisme for kovalent bindinger mulig ikke kun i interaktioner af typen "atom-atom" eller "molekyle-atom", men også i reaktioner mellem molekyler. Den eneste betingelse for donor-acceptor-interaktion af kinetisk uafhængige molekyler er et fald i entropi, med andre ord en stigning i rækkefølgen af ​​den kemiske struktur.

Overvej det første eksempel - dannelsen af ​​aprottsyre (Lewis-syre) NH₃Bf₃... Dette uorganiske kompleks dannes som reaktion ved tilsætning af ammoniakmolekyle og borfluorid.

NN₃+ BF₃= NH₃Bf₃

Elektronerne i boratomet fordeles i følgende rækkefølge: 1s² 2s² 2p¹.

Efter excitation af atom B går en s-type elektron over til p-underniveauet (1s² 2s¹ 2p²). Der er således to s- og to p-elektroner på det ydre niveau af et exciteret boratom.

I BF-molekylet₃ der dannes tre kovalente bor-fluor B-F-bindingerudvekslingstype (bor- og fluoratomer tilvejebringer en elektron hver). Efter dannelsen af ​​tre kovalente bindinger i boratomet på den ydre elektronskal, forbliver et frit p-underniveau, som borfluoridmolekylet kan fungere som en elektronacceptor.

Elektronerne i nitrogenatomet fordeles i følgende rækkefølge: 1s² 2s² 2p³.

Tre elektroner hver fra N- og H-atomer deltager idannelsen af ​​en nitrogen-hydrogenbinding. Derefter har nitrogen stadig to s-type elektroner, som det kan give til dannelse af en binding ved hjælp af donor-acceptormekanismen.

I reaktionen af ​​interaktion mellem bortrifluorid og ammoniak, NH-molekylet₃ spiller rollen som en elektrondonor og BF₃ - en acceptor. Et par nitrogenelektroner optager borefluoridets frie bane, og der dannes en kemisk forbindelse NH₃Bf₃.

Et andet eksempel på en mekanisme til dannelse af en donor-acceptorbinding er produktionen af ​​en polymer af berylliumfluorid.

Reaktionen er skematisk som følger:

BeF₂+ BeF₂+… + BeF₂-> (BeF₂)_n

Elektronerne i Be-atomet er arrangeret som følger - 1s² 2s²og i F-atomet - 1s² 2s² 2p⁵.

To beryllium-fluorbindinger i berylliumfluoridmolekylet er kovalent udskiftningstype (to p-elektroner fra to fluoratomer og to elektroner af berylliumatomets s-underniveau er involveret).

Mellem et par beryllium (Be) og fluor (F) atomeryderligere to kovalente bindinger dannes af donor-acceptormekanismen. I polymeren af ​​berylliumfluorid er fluoratomet elektrondonoren, berylliumatomet er deres acceptor, som har en ledig orbital.

Donor-acceptormekanisme til dannelse af en kovalent binding mellem organiske molekyler

Når forbindelsen er dannet aftil den betragtede mekanisme mellem molekyler af organisk natur dannes mere komplekse forbindelser - komplekser. Enhver organisk forbindelse med en kovalent binding indeholder både optaget (ikke-bindende og bindende) og tomme orbitaler (løsner og ikke-bindende). Muligheden for dannelse af donor-acceptor af komplekser bestemmes af kompleksets stabilitetsgrad, der afhænger af bindingsstyrken.

Overvej et eksempel - interaktionsreaktionmethylaminmolekyler med saltsyre til dannelse af methylammoniumchlorid. I methylaminmolekylet er alle bindinger kovalente, dannet af udvekslingsmekanismen - to H-N-bindinger og en N-CH-binding₃... Efter kombination med hydrogen og methylgruppe har nitrogenatomet et par elektroner af s-typen. Som donor tilvejebringer det dette elektronpar til hydrogenatomet (acceptor), som har en fri orbital.

Donor-acceptormekanisme uden dannelse af en kemisk binding

Ikke i alle tilfælde af donor-acceptorinteraktion er socialiseringen af ​​elektronparet og dannelsen af ​​en binding. Nogle organiske forbindelser kan kombineres med hinanden på grund af overlapning af den fyldte donorbane med den tomme acceptorbital. Opladningsoverførsel sker - elektroner delokaliseres mellem acceptoren og donoren, som er meget tæt på hinanden. Opladningsoverførselskomplekser (CTC'er) dannes.

Denne interaktion er typisk for pi-systemer,hvis orbitaler let overlapper hinanden, og elektroner let polariseres. Metallocener, umættede aminoforbindelser, TDAE (tetrakis (dimethylamino) ethylen) kan fungere som donorer. Fullerener og quinodimethaner med acceptorsubstituenter er ofte acceptorer.

Gebyroverførsel kan være delvis eller fuldstændig. Fuld opladningsoverførsel sker ved fotoexcitation af molekylet. Dette danner et kompleks, der kan observeres spektralt.

Uanset omstændigheden af ​​overførsel af gebyrer, sådankomplekser er ustabile. For at øge styrken og levetiden for en sådan tilstand introduceres der desuden en brogruppe. Som et resultat anvendes donor-acceptorsystemer med succes i enheder til konvertering af solenergi.

I nogle organiske molekyler er bindingendonor-acceptormekanismen dannes inde i molekylet mellem donor- og acceptorgrupperne. Denne type interaktion kaldes den transannulære effekt, karakteristisk for eksempel for atraner (organiske elementforbindelser med N-> B, N-> Si-bindinger).

Semipolar binding eller Dative mekanisme for dannelse af bindinger

Ud over udveksling og donor-acceptor er derden tredje mekanisme er dativ (andre navne er semipolær, semipolær eller koordinationskommunikation). Donoratomet donerer et par elektroner til det neutrale atoms ledige orbital, som har brug for to elektroner for at fuldføre det ydre niveau. Der er en slags overgang af elektrondensiteten fra acceptoren til donoren. I dette tilfælde bliver donoren positivt ladet (kation), og acceptoren bliver negativt ladet (anion).

Den egentlige kemiske binding dannes pgabindingsskallen (overlapning af to parrede elektroner fra det ene atomer med den ydre frie orbital af det andet) og elektrostatisk tiltrækning, der opstår mellem kationen og anionen. Således kombineres de kovalente og ioniske typer i den semipolære binding. En semipolær binding er karakteristisk for d-elementer, som i forskellige forbindelser kan spille rollen som både en acceptor og en donor. I de fleste tilfælde findes det i komplekse og organiske stoffer.

Eksempler på Dative Link

Det enkleste eksempel er et klormolekyle.Et Cl-atom donerer et par elektroner til et andet chloratom, som har en fri d-orbital. I dette tilfælde er det ene Cl-atom ladet positivt, det andet negativt, og der opstår en elektrostatisk tiltrækning mellem dem. På grund af sin lange længde har dativbindingen en lavere styrke sammenlignet med den kovalente udveksling og donoracceptortypen, men dens tilstedeværelse øger styrken af ​​klormolekylet. Det er grunden til, at Cl₂ stærkere end F₂ (fluoratomet har ingen d-orbitaler, fluor-fluorbinding er kun kovalent udveksling).

Molekyle af kulilte CO (kulilte)dannet af tre C-O obligationer. Da ilt- og kulstofatomer har to enkeltelektroner på det ydre niveau, dannes der to kovalente udvekslingsbindinger mellem dem. Derefter har carbonatomet en ledig orbital, og O-atomet har to par elektroner på det ydre niveau. Derfor er der i molekylet kulilte (II) en tredje binding - en semipolær, dannet på grund af to valensparrede elektroner af ilt og en fri kredsløb af kulstof.

Overvej et mere komplekst eksempel - dannelsen af ​​denne type binding ved eksemplet på interaktionen mellem dimethylether (Н3С-О-СН₃) med aluminiumchlorid AlCl₃... Oxygenatomet i dimethylether er forbundet med tokovalente bindinger med methylgrupper. Derefter har han stadig to flere elektroner på p-underniveauet, som han giver til acceptoratomet (aluminium) og bliver en positiv kation. I dette tilfælde erhverver acceptatoratomet en negativ ladning (bliver til en anion). Kationen og anionen interagerer elektrostatisk med hinanden.

Donor-acceptor obligationsværdi

Mekanismen for dannelse af donor-acceptorbånder vigtig i menneskeliv og er udbredt i kemiske forbindelser af både organisk og uorganisk art, hvilket er bekræftet af eksemplerne beskrevet ovenfor. Ammoniumalkohol, der indeholder et ammoniumkation, bruges med succes i hverdagen, medicin og industriel produktion af gødning. Hydroniumion spiller en vigtig rolle i opløsning af syrer i vand. Kulilte anvendes i industrien (for eksempel ved produktion af gødning, lasersystemer) og er af stor betydning i de fysiologiske systemer i menneskekroppen.