Mecanismul donator-acceptor: exemple. Ce este un mecanism donator-acceptor?

O legătură chimică este o legătură între doi sau mai mulți atomi (molecule) într-un compus organic sau anorganic. Se formează atunci când energia totală din sistem este redusă.

Toate elementele pot forma legături chimice

Toate elementele sistemului periodic au o capacitate diferită de a forma o legătură. Cea mai stabilă și, prin urmare, inactivă din punct de vedere chimic sunt atomii de gaze nobile (inerte), deoarece conțin pe carcasa electronică exterioară doi sau opt electroni. Ele formează un număr mic de conexiuni. De exemplu, neonul, heliul și argonul nu formează legături chimice cu niciun element, în timp ce xenonul, kryptonul și radonul sunt capabile să reacționeze cu moleculele de fluor și apă.

Pentru atomii din alte elemente, nivelele exterioare nu sunt complete și au unul până la șapte electroni, astfel încât legăturile chimice formează pentru a spori stabilitatea cochiliei.

Tipuri de legături chimice

Există mai multe tipuri de comunicare:

1. Covalente.
2. Ion.
3. Metal.
4. Hidrogen.

Legătura covalentă

Acest tip de legătura se formează între atomii din moleculă ca urmare a socializării sau suprapunerii perechii de electroni de valență. În consecință, există un mecanism de schimb (a) și donator-acceptor (b) pentru formarea unei legături covalente. Un caz special este legătura dativă, care va fi luată în considerare mai jos.

Legătura covalentă: mecanismul de schimb

La atomii de pe planul exterior există electroni nelegați. Când interacționează, cochilii exteriori se suprapun. Spinurile antiparalerale ale electronilor unici conținute la niveluri externe sunt asociate pentru a forma o pereche de electroni comune ambilor atomi. Această pereche de electroni reprezintă, de fapt, o legătură covalentă, care este formată de mecanismul de schimb, de exemplu, în molecula de hidrogen.

Legătura covalentă: mecanism donor-acceptor

Acest mecanism constă în socializarea a doi atomi cu doi atomi la un nivel extern de electroni. În acest caz, unul dintre atomi acționează ca un donator (furnizează doi electroni), iar celălalt - un acceptor (are un orbital vacant pentru electroni). Atomii elementelor s și p pot fi fie acceptori, fie donori de electroni. Atomii elementelor d pot fi atât donatori, cât și acceptori.

Pentru a înțelege ce este un mecanism donator-acceptor, să luăm în considerare două exemple foarte simple - formarea cationilor hidroni H₃O⁺ și amoniu NH₄⁺.

Un exemplu de mecanism donator-acceptor este cationul de amoniu

Schema, reacția pentru formarea unei particule de amoniu este după cum urmează:

NH₃+H⁺= NH₄⁺

Electronii din atomul N sunt distribuiți în următoarea ordine: 1s² 2s² 2p³.

Structura electronică a cationului H: 1s⁰.

Atomul de azot la nivelul exterior conține doi s și trei electroni p. Trei electroni p participă la formarea a trei tipuri de schimb covalent de legături de azot-hidrogen N-H. Ca rezultat, o moleculă NH de amoniac₃ cu un tip de legătură covalentă. Deoarece atomul de azot N la nivelul exterior are o pereche de electroni, molecula NH₃ poate adăuga și un cation de hidrogen. Molecula amoniacului este un donator, iar cationul hidrogen H⁺ - un acceptor care preia electronii donatori din azot la s-orbitalul său liber.

Un exemplu de mecanism donator-acceptor este H3O (ionul hidroxoniu)

Electronii din atomul de oxigen sunt distribuiți în următoarea ordine: 1s² 2s² 2p⁴.

Atomul de oxigen la nivelul exterior are doi s și patru p-electroni. Datorită acestui fapt, doi electroni p liberi și doi s-electroni de la doi atomi H participă la formarea legăturilor H-O, adică există 2 legături disponibile în molecula H₂O - covalent, format de mecanismul de schimb.

Structura electronică a cationului de hidrogen: 1s⁰.

Deoarece atomul de oxigen la nivel extern erau încă doi electroni (de tip e), se poate forma o legătură covalentă un al treilea tip de mecanism donor-acceptor. Acceptorul poate fi un atom care are o liberă orbitală, în acest exemplu, particula H⁺. S-orbita liberă a cationului H⁺ ocupă doi electroni ai atomului de oxigen.

Mecanism donator-acceptor pentru formarea unei legături covalente între moleculele anorganice

Donor-acceptor de legătură mecanism covalentă este posibilă nu numai în tipul de interacțiune „atom-atom“ sau „moleculă-atom“, dar în reacțiile care apar între molecule. Singura cerință pentru interacțiunea donor-acceptor este cinetic molecule independente este o reducere a entropiei, cu alte cuvinte, mărind ordinea structurii chimice.

Luați în considerare primul exemplu - formarea unui aprotic acid (acid Lewis) NH₃BF₃. Acest complex anorganic se formează în reacția de adiție a unei molecule de amoniac și a fluorurii de bor.

NH₃+BF₃= NH₃BF₃

Electronii din atomul de bor sunt distribuiți în următoarea ordine: 1s² 2s² 2p¹.

Atunci când un atom B este excitat, un electron de tipul s-trece pe p-pod (1s² 2s¹ 2p²). Astfel, la nivelul extern al atomului de bor excitat, există doi s-și doi p-electroni.

În molecula BF₃ trei legături covalente de fluor de bor B-F sunt formate dintr-un tip de schimb (atomii de bor și fluor sunt prevăzuți cu câte un electron fiecare). După formarea a trei legături covalente, un substrat liber p rămâne la atomul de bor din carcasa electronică exterioară, datorită căruia molecula de fluorură de bor poate acționa ca un acceptor de electroni.

Electronii din atomul de azot sunt distribuiți în următoarea ordine: 1s² 2s² 2p³.

Trei electroni de la atomii de N și H participă la formarea legăturii azot-hidrogen. După aceea, azotul are încă doi electroni de tip s, care le poate asigura pentru a forma o legătură prin mecanismul donor-acceptor.

În reacția dintre trifluorură de bor și amoniac, NH₃ joacă rolul unui donator de electroni și al moleculei BF₃ - acceptor. O pereche de electroni de azot ocupă o orbitală liberă a fluorurii de bor și a unui compus chimic NH₃BF₃.

Un alt exemplu de mecanism pentru formarea unei legături donor-acceptor este producerea unui polimer de fluorură de beriliu.

Schema, reacția este după cum urmează:

BEF₂+BEF₂+hellip + BeF₂-> (BeF₂)_n

Electronii din atomul Be sunt localizați astfel - 1s² 2s², și în atomul F - 1s² 2s² 2p⁵.

Două fluor comunicarea beriliu fluorură de beriliu în molecula de tip schimbător de căldură covalente (implică două p-electroni ai celor doi atomi de fluor și doi electroni s-subnivel atom de beriliu).

Între perechea de atomi de beriliu (Be) și fluor (F) se formează mai multe legături covalente prin mecanismul donor-acceptor. Într-un polimer de fluorură de beriliu, atomul de fluor este un donor de electroni, atomul de beriliu este acceptorul lor având un orbital vacant.

Mecanism donator-acceptor pentru formarea unei legături covalente între moleculele organice

Atunci când există o conexiune, mecanismul de formare a subiectului între moleculele de natură organică, un compus complex format - complecși. In orice compus organic cu o legătură covalentă conținută ca ocupat (nonbinding și legare) sau orbitali goale (dezintegrare și non-obligatorie). Posibilitatea formării complexelor donor-acceptor este determinată de gradul de stabilitate al complexului, care depinde de rezistența legăturii.

Să luăm în considerare un exemplu - reacția interacțiunii unei molecule de metilamină cu acidul clorhidric și formarea clorurii de metilamoniu. În molecula de metilamină, toate legăturile covalente formate prin mecanismul de schimb sunt cele două legături H-N și o legătură N-CH₃. După unirea cu hidrogen și gruparea metil, un atom de azot are o pereche de electroni de tip s. Ca donator, el furnizează această pereche de electroni pentru un atom de hidrogen (acceptor), care are o orbitală liberă.

Donator-acceptor mecanism fără formarea unei legături chimice

Nu toate cazurile de interacțiune donator-acceptor implică socializarea perechii de electroni și formarea unei legături. Unii compuși organici pot fi combinați unul cu celălalt prin suprapunerea orbitalului umplut al donatorului cu orbita goală a acceptorului. Există un transfer de sarcină - electronii sunt delocalizați între acceptor și donator, situați foarte aproape unul de altul. Se formează compuși de transfer al încărcăturii complexe.

O astfel de interacțiune este caracteristică sistemelor pi, ale căror orbite se suprapun cu ușurință, iar electronii sunt ușor polarizați. Rolul donatorilor poate fi metalocenii, compuși amino nesaturați, TDAE (tetrakis (dimetilamino) etilenă). Acceptorii sunt adesea fullerenii, chinodimetanii având substituenți acceptori.

Transferul taxelor poate fi parțial sau complet. Transferul complet de încărcătură are loc în timpul photoexcitării moleculei. Se formează un complex, care poate fi observat spectral.

Indiferent de caracterul complet al transferului de sarcină, astfel de complexe sunt instabile. Pentru a crește puterea și durata de viață a unei astfel de stări, este introdus un grup suplimentar de punți. Ca rezultat, sistemele donor-acceptor sunt utilizate cu succes în dispozitivele de conversie a energiei solare.

În unele molecule organice, legătura donor-acceptor este formată în moleculă între grupurile donor și acceptor. Acest tip de interacțiune se numește efectul transanual, caracteristic, de exemplu, pentru atrans (compuși organoelement cu legături N-> B, N-> Si).

Semipolar de comunicare, sau mecanismul Dative de formare de comunicare

În plus față de schimb și donator-acceptor, există un al treilea mecanism - dativ (alte nume - un șapte-polar, semipolar sau link-ul de coordonare). Un atom donator dă o pereche de electroni unei orbite libere a unui atom neutru, care are nevoie de doi electroni pentru a finaliza nivelul exterior. Există un fel de tranziție a densității electronice de la acceptor la donator. În acest caz, donatorul devine încărcat pozitiv (cation), iar receptorul - încărcat negativ (anion).

De fapt, legătura chimică este formată prin legarea shell (suprapunere doi electroni pereche de la un atom de altul liber exterior orbital) și atracția electrostatică generată între cation și anion. Astfel, tipurile covalente și ionice sunt combinate într-o conexiune semipolară. O legătură semipolară este caracteristică elementelor d, care în diferiți compuși pot juca rolurile unui acceptor și a unui donator. În cele mai multe cazuri, apare în substanțe complexe și organice.

Exemple de conexiune dativă

Cel mai simplu exemplu este molecula de clor. Un atom de Cl dă o pereche de electroni unui alt atom de clor, care are un d-orbital liber. În același timp, un atom de Cl este încărcat pozitiv, celălalt este negativ, iar atracția electrostatică apare între ele. Din cauza lungimii lungi, legătura dativă are o rezistență mai mică decât schimbul covalent și tipul donator-acceptor, dar prezența sa mărește rezistența moleculei de clor. De aceea, molecula Cl₂ este mai puternic decât F₂ (atomul de fluor nu are d-orbitale, legătura dintre fluor și fluor este doar un schimb covalent).

Monoxidul de carbon CO (monoxid de carbon) este format din trei legături C-O. Deoarece atomii de oxigen și atomii de carbon au doi electroni unici la nivel extern, se formează două legături covalente de schimb între ele. După aceea, rămâne un orbital vacant la atomul de carbon, iar la atomul O - două perechi de electroni la nivelul exterioară. Prin urmare, în moleculă monoxid de carbon (II) este cea de-a treia conexiune - cea de-a șapte polari, formată din doi atomi de valență legați de oxigen și orbital liber de carbon.

Să luăm în considerare un exemplu mai complex - formarea unui anumit tip de legătură prin exemplul interacțiunii eterului dimetil (H3C-O-CH₃) cu clorură de aluminiu AlCl₃. Atomul de oxigen din dimetil eter este legat prin două legături covalente cu grupe metil. După aceasta, el are încă doi electroni pe p-subsol, pe care îi dă atomului acceptor (aluminiu) și devine un cation pozitiv. În acest caz, atomul acceptor dobândește o sarcină negativă (se transformă într-un anion). Cationul și anionul interacționează electrostatic unul cu altul.

Semnificația legăturii donor-acceptor

Mecanismul de formare a legăturii donor-acceptor este de mare importanță în viața umană și este distribuit pe scară largă în compuși chimici de natură organică și anorganică, ceea ce este confirmat de exemplele considerate mai sus. Alcoolul de amoniu, care conține un cation de amoniu, este utilizat cu succes în viața de zi cu zi, în medicină și în producția industrială de îngrășăminte. Hidroxioniul joacă un rol major în dizolvarea acizilor în apă. Monoxidul de carbon este utilizat în industrie (de exemplu, în producția de îngrășăminte, sisteme laser) și are o mare importanță în sistemele fiziologice ale corpului uman.