Механизъм на донор-акцептор: примери. Какво представлява механизъм донор-акцептор?

Химическата връзка е връзка между два или повече атома (молекули) в органично или неорганично съединение. Тя се формира, когато общата енергия в системата е намалена.

Всички елементи могат да образуват химически връзки

Всички елементи на периодичната система имат различна способност да образуват връзка. Най-стабилните и в резултат химически неактивни са атомите на благородни (инертни) газове, тъй като те съдържат върху външната електронна обвивка два или осем електрона. Те образуват малък брой връзки. Например, неоон, хелий и аргон не образуват химически връзки с никакъв елемент, докато ксенон, криптон и радон са способни да реагират с молекулите на флуор и вода.

За атомите на други елементи, външните нива не са пълни и имат един до седем електрона, така че химическите връзки се образуват, за да се повиши стабилността на черупката.

Видове химическо свързване

Има няколко типа комуникация:

1. Ковалентна.
2. Ion.
3. Metal.
4. Водорода.

Ковалентна връзка

Този тип връзка се формира между атоми в молекулата в резултат на социализацията или припокриването на двойката валентни електрон. Съответно, съществуват механизми за обмен (а) и донор-акцептор (Ь) за образуване на ковалентна връзка. Специален случай е дативната облигация, която ще бъде разгледана по-долу.

Ковалентна връзка: механизъм за обмен

На атомите на външното ниво има недвоени електрони. Когато взаимодействат, външните черупки се припокриват. Антипаралелните завъртания на единични електрони, съдържащи се на външни нива, се сдвояват, за да образуват електронна двойка, обща за двата атома. Тази двойка електрони всъщност представлява ковалентна връзка, която се формира от механизма за обмен, например в молекула на водород.

Ковалентна връзка: механизъм донор-акцептор

Този механизъм се състои в социализирането на два атома от два атома на външно ниво на електрони. В този случай един от атомите действа като донор (осигурява два електрона), а другият - акцептор (има празен орбитал за електрони). Атомите на s и p елементите могат да бъдат или акцептори, или донори на електрони. Атомите на d-елементите могат да бъдат както донори, така и акцептори.

За да разберем какво е механизъм донор-акцептор, нека разгледаме два много прости примера - образуването на хидрионни катиони Н₃О⁺ и амониев NH₄⁺.

Пример за механизъм донор-акцептор е амониевият катион

Схематично реакцията за образуване на амониева частица е, както следва:

NH₃+Н⁺= NH₄⁺

Електроните в N-атома се разпределят в следния ред: 1s² 2s² 2P³.

Електронната структура на катион H: 1s⁰.

Азотният атом на външното ниво съдържа два s и три p-електрона. Три р-електрони участват във формирането на три ковалентни вида обмен на азот-водородни връзки N-H. В резултат на това, NH молекула амоняк₃ с тип ковалентна връзка. Тъй като азотният атом N на външното ниво има двойка електрони s, молекулата NH₃ може също така да добави водороден катион. Амонячната молекула е донор, а водородният катион Н⁺ - акцептор, който приема донорните електрони от азота в свой собствен свободен s-орбитал.

Пример за донор-акцепторен механизъм е НЗО (хидроксониев йон)

Електроните в кислородния атом се разпределят в следния ред: 1s² 2s² 2P⁴.

Кислородният атом на външното ниво има два s и четири р-електрона. Изхождайки от това, два свободни р-електрона и два s-електрона от два Н атома участват във формирането на Н-О връзки, т.е. има 2 налични връзки в молекулата Н₂О - ковалентна, образувана от механизма за обмен.

Електронната структура на водородния катион: 1s⁰.

Тъй като още два електрона (s-тип) се оставят на кислородния атом на външното ниво, той може да образува трета ковалентна връзка по механизма донор-акцептор. Ацетиращият може да бъде атом, имащ свободна орбитална структура, в този случай тя е частица Н⁺. Свободната о-орбита на катиона Н⁺ заемат два електрона (и) от кислородния атом.

Механизъм донор-акцептор за образуване на ковалентна връзка между неорганични молекули

Механизмът донор-акцептор на ковалентната връзка е възможен не само в взаимодействията между атом-атом или молекула-атом, но и в реакциите между молекулите. Единственото условие за взаимодействието донор-акцептор на кинетично независими молекули е намаляването на ентропията, с други думи, увеличаването на реда на химичната структура.

Обмислете първия пример - образуването на апротон киселина (киселина Lewis) NH₃BF₃. Този неорганичен комплекс се образува в реакцията на добавяне на амонячна молекула и борен флуорид.

NH₃+BF₃= NH₃BF₃

Електроните в боровия атом се разпределят в следния ред: 1s² 2s² 2P¹.

Когато атомът B е възбуден, един електронен с-тип преминава към p-подложката (1s² 2s¹ 2P²). Така, на външното ниво на възбудения атом на бора има два s- и два p-електрона.

В молекулата BF₃ три ковалентни връзки на борен флуор В-F се образуват от обменен тип (всеки боров и флуорен атом е снабден с един електронен). След образуването на три ковалентни връзки, свободното р-подложка остава при атома на бор на външната електронна обвивка, поради което молекулата на борен флуорид може да действа като акцептор на електрони.

Електроните в азотния атом се разпределят в следния ред: 1s² 2s² 2P³.

Три електрони от N и Н атоми участват във формирането на азот-водородната връзка. След това азотът все още има два електронни типа s, които могат да осигурят, за да образуват връзка чрез донор-акцепторния механизъм.

В реакцията между борен трифлуорид и амоняк, NH₃ играе ролята на донор на електрони и молекулата BF₃ - акцептор. Двойка азотни електрони заемат свободна орбитална форма на борен флуорид и химично съединение NH₃BF₃.

Друг пример на механизма за образуване на донор-акцепторна връзка е производството на берилиев флуорид полимер.

Схематично, реакцията е, както следва:

БИФ₂+БИФ₂+hellip- + BeF₂-> (BeF₂)_п

Електроните в атома Be се намират така - 1s² 2s², и във F атома - 1s² 2s² 2P⁵.

Две връзки на берилий флуор в молекула на берилий флуорид са ковалентни видове обмен (два р-електрона от два флуорни атома и два електрона от s-подложката на берилиевия атом участват).

Между двойката атоми на берилий (Be) и флуор (F) се формират две ковалентни връзки чрез донор-акцепторния механизъм. В берилиев флуориден полимер, флуоридният атом е електронен донор, берилиевият атом е техният акцептор, който има свободен орбитален.

Механизъм донор-акцептор за образуване на ковалентна връзка между органичните молекули

Когато се осъществява образуването на връзка между молекулите с органичен характер, се формират по-сложни съединения-комплекси. Във всяко органично съединение с ковалентна връзка се съдържат както заети (несвързващи и свързващи), така и празни орбитали (разхлабване и несвързване). Възможността за образуване на комплекси на донор-акцептор се определя от степента на стабилност на комплекса, която зависи от силата на връзката.

Да разгледаме пример - реакция на взаимодействието на молекула на метиламин със солна киселина и образуване на хлорид на метиламоний. В метиламиновата молекула всички ковалентни връзки, образувани чрез обменния механизъм, са двете H-N връзки и една N-CH връзка₃. След свързване с водород и метилова група, азотният атом има двойка електронни видове s. Като донор той осигурява тази електронна двойка за водороден атом (акцептор), който има свободен орбитал.

Механизъм на донор-акцептор без създаване на химическа връзка

Не всички случаи на взаимодействие донор-акцептор включват социализацията на електронната двойка и образуването на връзка. Някои органични съединения могат да се комбинират помежду си чрез припокриване на запълнената орбитална структура на донора с празната орбита на акцептора. Има трансфер на заряда - електроните се делокализират между акцептора и донора, разположени много близо една до друга. Изграждат се комплексни съединения за прехвърляне на заряда.

Такова взаимодействие е характерно за пи-системи, чиито орбитали се припокриват лесно и електроните лесно се поляризират. Ролята на донорите може да бъде металоцени, ненаситени аминосъединения, TDAE (тетракис (диметиламино) етилен). Приемници са често фулерени, хинодиметани, имащи акцепторни заместители.

Прехвърлянето на такси може да бъде частично или пълно. Пълният заряд се извършва при фотоизлъчване на молекулата. Създава се комплекс, който може да бъде наблюдаван спектрално.

Независимо от пълнотата на таксуването, такива комплекси са нестабилни. За да се увеличи силата и продължителността на живот на такова състояние, се въвежда допълнителна свързваща група. В резултат на това донор-акцепторните системи се използват успешно в устройства за преобразуване на слънчева енергия.

В някои органични молекули, донор-акцепторната връзка се формира в молекулата между донорната и акцепторната групи. Този тип взаимодействие се нарича трансанкуларен ефект, характерен например за атранс (органични съединения с връзки N-> B, N-> Si).

Полуполярна комуникация или Dative механизъм на общуване

Освен обмен и донор-акцептор има и трети механизъм - дативен (други имена - седемполюсна, полуполярна или координатна връзка). Атома на донор дава двойка електрони на свободната орбитална верига на неутрален атом, който се нуждае от два електрона за завършване на външното ниво. Има вид преход на електронната плътност от акцептора до донора. В този случай донорът става положително зареден (катион), а акцепторът - отрицателно зареден (анион).

Самата химическа връзка се формира благодарение на свързващата обвивка (припокриването на двата сдвоени електрона на единия от атомите чрез външната свободна орбитал на другата) и електростатичното привличане, което възниква между катиона и аниона. По този начин ковалентните и йонните типове се комбинират в полуполярна връзка. Полуполярна връзка е характерна за d-елементите, които в различни съединения могат да играят ролята както на акцептор, така и на донор. В повечето случаи се среща в сложни и органични вещества.

Примери за дативна връзка

Най-простият пример е молекулата на хлора. Един атом С1 дава двойка електрони на друг хлорен атом, който има свободен d-орбитал. В същото време един атом С1 се зарежда позитивно, другият е отрицателен и възниква електростатично привличане между тях. Поради дългата дължина, дативната връзка има по-малка сила, отколкото ковалентният обмен и тип донор-акцептор, но нейното присъствие увеличава силата на хлорната молекула. Ето защо молекулата С1₂ е по-силна от F₂ (флуорен атом няма d-орбитали, флуоро-флуорната връзка е само ковалентен обмен).

Молекулата въглероден моноксид СО (въглероден моноксид) се образува от три С-О връзки. Тъй като кислородните атоми и въглеродните атоми имат два отделни електрона на външното ниво, между тях се образуват две ковалентни обменни връзки. След това свободното орбитално остава на въглеродния атом, а на атома О - две двойки електрони на външното ниво. Ето защо, в молекулата въглероден моноксид (II) е третата връзка - седемполюсната, образувана благодарение на два валентни двойки електрони от кислород и свободна орбитална въглеродна верига.

Да разгледаме един по-сложен пример - образуването на даден вид връзка чрез примера на взаимодействието на диметилов етер (НЗС-О-СН₃) с алуминиев хлорид А1С1₃. Кислородният атом в диметиловия етер е свързан чрез две ковалентни връзки с метилови групи. След това той все още има два електрона върху p-подложката, което той дава на акцепторния атом (алуминий) и става положителен катион. В този случай акцепторът получава отрицателен заряд (се превръща в анион). Катионът и анионът взаимодействат електростатично един с друг.

Значението на донор-акцепторната връзка

Механизмът на образуване на донор-акцепторната връзка е от голямо значение в човешкия живот и е широко разпространен в химичните съединения от органичен и неорганичен характер, което се потвърждава от примерите, разгледани по-горе. Амониевият алкохол, който съдържа амониев катион, се използва успешно в ежедневието, медицината и промишленото производство на торове. Хидроксониевият йон играе основна роля при разтварянето на киселините във вода. Въглеродният оксид се използва в промишлеността (например при производството на торове, лазерни системи) и е от голямо значение във физиологичните системи на човешкото тяло.