Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Форма молекулы воды показывает, что реальный валентный угол 104,5 ° отклоняется от идеального угла sp 3 109,5 °.

В химии, правило Бент описывает и объясняет взаимосвязь между орбитальной гибридизации центральных атомов в молекулах и электроотрицательности из заместителей . [1] [2] Правило было сформулировано Генри А. Бентом следующим образом: [2]

Характер атомов концентрируется на орбиталях, направленных к электроположительным заместителям.

Химическая структура из молекулы тесно связана с его свойствами и реакционной способностью . Теория валентной связи предполагает, что молекулярные структуры обусловлены ковалентными связями между атомами и что каждая связь состоит из двух перекрывающихся и обычно гибридизированных атомных орбиталей . Традиционно предполагается , что p-блочные элементы в молекулах гибридизуются строго как sp n , где n равно 1, 2 или 3. Кроме того, предполагается, что все гибридные орбитали эквивалентны (т. Е. N + 1 sp nорбитали имеют одинаковый символ p). Результаты этого подхода обычно хороши, но их можно улучшить, допустив изовалентную гибридизацию , при которой гибридизированные орбитали могут иметь нецелочисленный и неравный p-характер. Правило Бента дает качественную оценку того, как должны быть построены эти гибридизированные орбитали. [3] Правило Бента состоит в том, что в молекуле центральный атом, связанный с несколькими группами, будет гибридизоваться, так что орбитали с более s-характером направлены к электроположительным группам, а орбитали с более p-характером будут направлены к более электроотрицательным группам. Удалив предположение, что все гибридные орбитали являются эквивалентными sp n- орбиталями, улучшатся предсказания и объяснения таких свойств, какмолекулярная геометрия и прочность связи могут быть получены. [4] Правило Бента было предложено в качестве альтернативы теории VSEPR в качестве элементарного объяснения наблюдаемой молекулярной геометрии простых молекул с преимуществами более легкого согласования с современными теориями связывания и более сильного экспериментального подтверждения.

Правило Бента можно обобщить и на элементы d-блока . Гибридизация металлического центра устроена так, что орбитали с более s-характером направлены к лигандам, которые образуют связи с более ковалентным характером. Эквивалентно, орбитали с более d-характером направлены к группам, которые образуют связи с более сильным ионным характером. [1] Справедливость правила Бента для 75 типов связей между основными элементами группы была недавно исследована. [5] Для связей с более крупными атомами из более низких периодов тенденции орбитальной гибридизации сильно зависят как от электроотрицательности, так и от размера орбиты.

История [ править ]

В начале 1930 - х годов, вскоре после того, как большая часть первоначального развития квантовой механики , эти теории стали применяться по отношению к молекулярной структуре по Полинга , [6] Слейтер , [7] Коулсон , [8] и другие. В частности, Полинг ввел концепцию гибридизации , в которой атомные s- и p-орбитали объединяются, чтобы получить гибридные sp, sp 2 и sp 3 орбитали. Гибридные орбитали оказались мощными в объяснении молекулярной геометрии простых молекул, таких как метан (тетраэдрические с sp 3 углеродом). Однако небольшие отклонения от этой идеальной геометрии стали очевидны в 1940-х годах. [9]Особенно хорошо известен пример воды , где угол между атомами водорода составляет 104,5 °, что намного меньше ожидаемых 109,5 °. Чтобы объяснить такие несоответствия, было высказано предположение, что гибридизация может приводить к орбиталям с неодинаковым s- и p-характером. А.Д. Уолш описал в 1947 г. [9] взаимосвязь между электроотрицательностью групп, связанных с углеродом, и гибридизацией указанного углерода. Наконец, в 1961 году Бент опубликовал крупный обзор литературы, посвященной молекулярной структуре, гибридизации центрального атома и электроотрицательности заместителей [2], и именно по этой работе правило Бента получило свое название.

Обоснование [ править ]

Структура фторметана. Связи CH и CF полярны, поэтому электронная плотность будет смещена в сторону углерода в связях CH и в сторону фтора в связях CF. Направление орбиталей с более s-характером к водороду стабилизирует, в то время как направление орбиталей с меньшим s-характером к фтору дестабилизирует, но в меньшей степени.

Полярные ковалентные связи [ править ]

Неформальное обоснование правила Бента основывается на том, что s-орбитали имеют меньшую энергию, чем p-орбитали. [2] Связи между элементами с разной электроотрицательностью будут полярными, и электронная плотность в таких связях будет смещена в сторону более электроотрицательного элемента. Применение этого к молекуле фторметана демонстрирует правило Бента. Потому что углерод более электроотрицателенчем водород, электронная плотность в связях CH будет ближе к углеродной. Энергия этих электронов будет сильно зависеть от гибридных орбиталей, которые углерод вносит в эти связи из-за повышенной электронной плотности около углерода. Увеличивая количество s-символов на этих гибридных орбиталях, можно уменьшить энергию этих электронов, потому что s-орбитали меньше по энергии, чем p-орбитали.

По той же логике и тому факту, что фтор более электроотрицателен, чем углерод, электронная плотность в связи CF будет ближе к фтору. Гибридная орбиталь, которую углерод вносит в связь CF, будет иметь относительно меньшую электронную плотность, чем в случае CH, и поэтому энергия этой связи будет меньше зависеть от гибридизации углерода. Направляя гибридные орбитали с более p-характером к фтору, энергия этой связи не очень сильно увеличивается.

Вместо того, чтобы направлять эквивалентные sp 3 -орбитали ко всем четырем заместителям, смещение s-символа в сторону связей CH будет в значительной степени стабилизировать эти связи из-за повышенной электронной плотности около углерода, в то время как смещение s-символа от связи CF увеличит ее энергию на меньшую величину. количество, потому что электронная плотность этой связи дальше от углерода. Характер атома на атоме углерода был направлен в сторону более электроположительных водородных заместителей и далек от электроотрицательного фтора, что и предполагает правило Бента.

Хотя фторметан является особым случаем, приведенный выше аргумент может быть применен к любой структуре с центральным атомом и 2 или более заместителями. Ключ состоит в том, что концентрация атома на орбиталях, направленных к электроположительным заместителям, путем истощения его на орбиталях, направленных на электроотрицательные заместители, приводит к общему снижению энергии системы. Этот стабилизирующий компромисс ответственен за правило Бента.

Несвязывающие орбитали [ править ]

Правило Бента может быть расширено, чтобы рационализировать гибридизацию несвязывающих орбиталей. С одной стороны, неподеленную пару (занятую несвязывающую орбиталь) можно рассматривать как предельный случай электроположительного заместителя с электронной плотностью, полностью поляризованной по направлению к центральному атому. Правило Бента предсказывает, что для стабилизации неподеленных, тесно удерживаемых несвязывающих электронов орбитали неподеленных пар должны принимать высокий s-характер . С другой стороны, незанятая несвязывающая орбиталь может рассматриваться как предельный случай электроотрицательного заместителя с электронной плотностью, полностью поляризованной по направлению к лиганду. Правило Бента предсказывает, что для того, чтобы оставить как можно больше символов s для оставшихся занятых орбиталей,Незанятые несвязывающие орбитали должны максимизировать p-характер .

Экспериментально первый вывод согласуется с уменьшенными углами связи молекул с неподеленными парами, такими как вода или аммиак, по сравнению с метаном, в то время как второй вывод согласуется с плоской структурой молекул с незанятыми несвязывающими орбиталями, такими как мономерный боран и ионы карбения.

Последствия [ править ]

Правило Бента можно использовать для объяснения тенденций как в молекулярной структуре, так и в реакционной способности. После определения того, как гибридизация центрального атома должна влиять на конкретное свойство, можно исследовать электроотрицательность заместителей, чтобы увидеть, выполняется ли правило Бента.

Углы скрепления [ править ]

Знание углов между связями - важный компонент в определении молекулярной структуры. В теории валентных связей предполагается, что ковалентные связи состоят из двух электронов, лежащих на перекрывающихся, обычно гибридизованных, атомных орбиталях связанных атомов. Орбитальная гибридизация объясняет, например, почему метан является тетраэдрическим, а этилен - плоским. Однако есть отклонения от идеальной геометрии sp n- гибридизации, например, в воде и аммиаке . Валентные углы в этих молекулах составляют 104,5 ° и 107 ° соответственно, что ниже ожидаемого тетраэдрического угла 109,5 °. Традиционный подход к объяснению этих различий - теория VSEPR.. В этой структуре предполагается, что валентные электроны находятся в локализованных областях, и предполагается, что неподеленные пары отталкивают друг друга в большей степени, чем связывающие пары.

Правило Бента дает альтернативное объяснение того, почему некоторые валентные углы отличаются от идеальной геометрии. Во-первых, тенденция между гибридизацией центрального атома и валентным углом может быть определена с использованием модельных соединений метана , этилена и ацетилена . По порядку атомы углерода направляют sp 3 , sp 2 и sp орбитали к водородным заместителям. Валентные углы между заместителями составляют ~ 109,5 °, ~ 120 ° и 180 °. Эта простая система демонстрирует, что гибридизированные атомные орбитали с более высоким значением p будут иметь меньший угол между собой. Этот результат можно сделать строгим и количественным, как теорему Коулсона (см. Раздел «Формальная теория» ниже).

Теперь, когда связь между гибридизацией и валентными углами установлена, правило Бента можно применить к конкретным примерам. Следующее было использовано в оригинальной статье Бента, которая считает, что групповая электроотрицательность метильной группы меньше, чем у атома водорода, потому что замещение метила снижает кислотные константы диссоциации муравьиной кислоты и уксусной кислоты. [2]

По мере продвижения по таблице заместители становятся более электроотрицательными, и угол связи между ними уменьшается. Согласно правилу Бента, по мере увеличения электроотрицательности заместителей орбитали с большим р-характером будут направлены к этим группам. Согласно приведенному выше обсуждению, это уменьшит угол связи. Это согласуется с экспериментальными результатами. Сравнивая это объяснение с теорией VSEPR , VSEPR не может объяснить, почему угол в диметиловом эфире больше 109,5 °.

При прогнозировании угла связи воды правило Бента предполагает, что гибридные орбитали с более s-характером должны быть направлены к неподеленным парам, в то время как это оставляет орбитали с более p-характером, направленными к атомам водорода, что приводит к отклонению от идеализированного O (sp 3 ) -гибрида. орбитали с символом 25% s и символом 75% p. В случае воды с ее углом НОН 104,5 ° связывающие орбитали ОН построены из орбиталей O (~ sp 4,0 ) (~ 20% s, ~ 80% p), в то время как неподеленные пары состоят из O (~ sp 2,3) орбитали (~ 30% s, ~ 70% p). Как обсуждалось в приведенном выше обосновании, неподеленные пары ведут себя как очень электроположительные заместители и имеют характер избытка s. В результате связывающие электроны имеют повышенный р-характер. Этот увеличенный p-характер в этих орбиталях уменьшает валентный угол между ними до менее чем тетраэдрический 109,5 °. Та же логика может быть применена к аммиаку (угол связи HNH 107,0 °, с тремя N (~ sp 3,4 или 23% s) связывающими орбиталями и одной неподеленной парой N (~ sp 2,1 или 32% s)), другой канонический пример этот феномен.

Та же тенденция сохраняется и для азотсодержащих соединений. Вопреки ожиданиям теории VSEPR, но в соответствии с правилом Бента, валентные углы аммиака (NH 3 ) и трифторида азота (NF 3 ) составляют 107 ° и 102 ° соответственно.

В отличие от теории VSEPR , теоретические основы которой сейчас кажутся шаткими, правило Бента по-прежнему считается важным принципом в современных методах лечения связывания. [10] Например, модификация этого анализа все еще жизнеспособна, даже если неподеленные пары H 2 O считаются неэквивалентными в силу их симметрии (т. Е. Только s, а в плоскости p x и p y кислород АО гибридизуются с образованием двух связывающих ОН орбиталей σ O-H и неподеленной пары n O (σ) , в то время как p z становится неэквивалентной чистой одиночной парой n O (π) с p-характером ), как в случае неподеленных пар, возникающих изорбитальные методы естественной связи .

Длина облигаций [ править ]

Подобно валентным углам, гибридизация атома может быть связана с длиной образующихся связей. [2] По мере увеличения s-характера связывающих орбиталей длина s-связи уменьшается.

Добавляя электроотрицательные заместители и изменяя гибридизацию центральных атомов, можно изменять длину связи. Если молекула содержит структуру XA - Y, замена заместителя X на более электроотрицательный атом изменяет гибридизацию центрального атома A и укорачивает соседнюю связь A - Y.

Поскольку фтор гораздо более электроотрицателен, чем водород, во фторметане углерод будет направлять гибридные орбитали с более высоким s-характером к трем атомам водорода, чем к фтору. В дифторметане есть только два атома водорода, поэтому меньше всего s-характера направлено к ним, а больше направлено к двум фторам, что укорачивает длину связи C-F по сравнению с фторметаном. Эта тенденция сохраняется вплоть до тетрафторметана, связи CF которого имеют наивысший s-характер (25%) и наименьшую длину связи в ряду.

Та же тенденция сохраняется и для хлорированных аналогов метана, хотя эффект менее драматичен, поскольку хлор менее электроотрицателен, чем фтор. [2]

Вышеупомянутые случаи, кажется, демонстрируют, что размер хлора менее важен, чем его электроотрицательность. Прогноз, основанный только на стерических принципах, привел бы к противоположной тенденции, поскольку большие заместители хлора были бы более предпочтительными при большом расстоянии друг от друга. Поскольку стерическое объяснение противоречит экспериментальному результату, правило Бента, вероятно, играет главную роль в определении структуры.

J CH константы связи [ править ]

Возможно, наиболее прямым измерением s-характера на связывающей орбитали между водородом и углеродом являются константы взаимодействия 1 H- 13 C, определенные из спектров ЯМР . Теория предсказывает, что значения J CH будут намного выше в связях с более s-характером. [11] [12] В частности, константа связи одной связи 13 C- 1 H 1 J 13C-1H связана с дробным s-характером углеродной гибридной орбитали, используемой для образования связи, посредством эмпирического соотношения . (Например, чистый sp 3 гибридная атомная орбиталь, обнаруженная в связи CH метана, будет иметь характер 25% s, что приведет к ожидаемой константе связи 500 Гц × 0,25 = 125 Гц, что отлично согласуется с экспериментально определенным значением.)

По мере увеличения электроотрицательности заместителя количество р-символа, направленного в сторону заместителя, также увеличивается. Это оставляет более s-характер связи с протонами метила, что приводит к увеличению констант взаимодействия J CH .

Индуктивный эффект [ править ]

Индуктивный эффект можно объяснить с правилом Бента. [13] Индуктивный эффект - это передача заряда через ковалентные связи, и правило Бента обеспечивает механизм для таких результатов через различия в гибридизации. В приведенной ниже таблице [14] по мере того, как группы, связанные с центральным углеродом, становятся более электроотрицательными, центральный углерод становится более электроноакцепторным, что измеряется константой полярного заместителя . Константы полярных заместителей в принципе аналогичны значениям σ из уравнения Гаммета., поскольку увеличение значения соответствует большей способности акцептора электронов. Правило Бента предполагает, что по мере увеличения электроотрицательности групп больше p-символа отклоняется в сторону этих групп, что оставляет больше s-символа в связи между центральным углеродом и R-группой. Поскольку s-орбитали имеют большую электронную плотность ближе к ядру, чем p-орбитали, электронная плотность в связи C-R будет больше смещаться в сторону углерода по мере увеличения s-символа. Это сделает центральный углерод более отталкивающим электроны для группы R. [9] Таким образом, электроноакцепторная способность заместителей была передана соседнему углероду, что и предсказывает индуктивный эффект.

Формальная теория [ править ]

Правило Бента обеспечивает дополнительный уровень точности теории валентных связей . Теория валентных связей предполагает, что ковалентные связи состоят из двух электронов, лежащих на перекрывающихся, обычно гибридизованных, атомных орбиталях двух связывающих атомов. Предположение о том, что ковалентная связь представляет собой линейную комбинацию атомных орбиталей только двух связывающих атомов, является приближением (см. Теорию молекулярных орбиталей ), но теория валентной связи достаточно точна, чтобы иметь и продолжает оказывать большое влияние на то, как связь понимается. [1]

В теории валентной связи каждый из двух атомов вносит свой вклад в атомную орбиталь, а электроны в перекрывающихся орбитали образуют ковалентную связь. Атомы обычно не вносят в связи чистую водородоподобную орбиталь . [6] Если бы атомы могли вносить только водородоподобные орбитали, то экспериментально подтвержденная тетраэдрическая структура метана была бы невозможна, поскольку 2s и 2p орбитали углерода не имеют такой геометрии. Это и другие противоречия привели к предложению орбитальной гибридизации . В этой структуре атомные орбитали могут смешиваться, чтобы произвести эквивалентное количество орбиталей различных форм и энергий. В вышеупомянутом случае метана 2s и три 2p-орбитали углерода гибридизуются, давая четыре эквивалентных sp.3 орбитали, что разрешает несоответствие структуры. Орбитальная гибридизация позволила теории валентных связей успешно объяснить геометрию и свойства огромного числа молекул.

В традиционной теории гибридизации все гибридные орбитали эквивалентны. [15] А именно, s- и p-орбитали объединяются, чтобы получить четыре sp i 3 = 14 ( s + 3 p i ) орбитали, три sp i 2 = 13 ( s + 2 p i ) орбитали, или два sp i = 12 ( s + p i ) орбитали. Эти комбинации выбраны для удовлетворения двух условий. Во-первых, общее количество s- и p-орбитальных вкладов должно быть эквивалентным до и после гибридизации. Во-вторых, гибридные орбитали должны быть ортогональны друг другу. [15] Если бы две гибридные орбитали не были ортогональными, по определению они имели бы ненулевое перекрытие орбиталей. Электроны на этих орбиталях будут взаимодействовать, и если бы одна из этих орбиталей была вовлечена в ковалентную связь, другая орбиталь также имела бы ненулевое взаимодействие с этой связью, нарушая принцип теории валентных связей два электрона на связь.

Чтобы построить гибридные s- и p-орбитали, пусть первая гибридная орбиталь задается как s + λ i p i , где p i направлено к связывающей группе, а λ i определяет количество p-характера, которое имеет эта гибридная орбиталь. Это взвешенная сумма волновых функций. Теперь выберите вторую гибридную орбиталь s + λ j p j , где p j каким-то образом направлено, а λ j - количество символов p на этой второй орбите. Значение λ j и направление p j необходимо определить так, чтобы результирующую орбиталь можно было нормализовать и чтобы она была ортогональна первой гибридной орбитали. Гибрид, безусловно, можно нормализовать, поскольку он представляет собой сумму двух нормализованных волновых функций. Ортогональность должна быть установлена ​​так, чтобы две гибридные орбитали могли быть вовлечены в отдельные ковалентные связи. Скалярное произведение ортогональных орбиталей должны быть равны нулю , и вычисления скалярного произведения построенных гибридов дает расчет следующий.

S орбитали нормализуется и поэтому скалярное произведение S | с ⟩ = 1 . Кроме того, орбиталь s ортогональна орбиталям p i и p j , что приводит к двум членам в приведенном выше примере, равным нулю. Наконец, последний член является внутренним произведением двух нормированных функций, расположенных под углом ω ij друг к другу, что по определению дает cos ω ij . Однако ортогональность связывающих орбиталей требует, чтобы 1 + λ i λ j cos ω ij = 0, так что в результате мы получаем теорему Коулсона: [15]

Это означает, что четыре атомных орбитали s и p могут быть гибридизированы в произвольных направлениях при условии, что все коэффициенты λ попарно удовлетворяют вышеуказанному условию, чтобы гарантировать, что результирующие орбитали ортогональны.

Правило Бента, согласно которому центральные атомы направляют орбитали с большим p-характером в сторону более электроотрицательных заместителей, легко применимо к вышесказанному, если отметить, что увеличение коэффициента λ i увеличивает p-характер гибридной орбитали s + λ i p i . Таким образом, если центральный атом A связан с двумя группами X и Y, а Y является более электроотрицательным, чем X, то A будет гибридизоваться так, что λ X < λ Y . Для точного предсказания геометрии молекул, исходя из первых принципов, необходимы более сложные теоретические и вычислительные методы, выходящие за рамки правила Бента, но правило Бента обеспечивает превосходную эвристику для объяснения молекулярных структур.

См. Также [ править ]

  • Молекулярная орбитальная теория
  • Орбитальная гибридизация
  • Молекулярная геометрия
  • Линейная комбинация атомных орбиталей

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Weinhold, F .; Лэндис, К.Л. (2005), Валентность и связь: перспектива естественного донора-акцептора (1-е изд.), Кембридж: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-83128-4
  2. ^ a b c d e f g Бент, HA (1961), "Оценка структур валентных связей и гибридизации в соединениях элементов первого ряда", Chem. Rev. , 61 (3): 275-311, DOI : 10.1021 / cr60211a005
  3. ^ Фостер, JP; Weinhold, F. (1980), «Природные гибридные орбитали», J. Am. Chem. Soc. , 102 (24): 7211-7218, DOI : 10.1021 / ja00544a007
  4. ^ Алабугин, IV; Bresch, S .; Гомеш, ГП (2015). «Орбитальная гибридизация: ключевой электронный фактор в управлении структурой и реактивностью». J. Phys. Орг. Chem . 28 (2): 147–162. DOI : 10.1002 / poc.3382 .
  5. ^ Алабугин, IV; Bresch, S .; Манохаран, М. (2014). «Тенденции гибридизации для основных элементов группы и расширение правила Бента за пределы углерода: больше, чем электроотрицательность» . J. Phys. Chem. . 118 (20): 3663–3677. DOI : 10.1021 / jp502472u . PMID 24773162 . 
  6. ^ a b Полинг, Л. (1931), "Природа химической связи. Применение результатов, полученных из квантовой механики и теории парамагнитной восприимчивости к структуре молекул", J. Am. Chem. Soc. , 53 (4): 1367-1400, DOI : 10.1021 / ja01355a027
  7. ^ Slater, JC (1931), "Направленная валентность в многоатомных молекулах", Phys. Rev. , 37 (5): 481-489, Bibcode : 1931PhRv ... 37..481S , DOI : 10,1103 / PhysRev.37.481
  8. ^ Коулсон, Калифорния (1961), Валенсия (2-е изд.), Оксфорд: Clarendon Press
  9. ^ a b c Уолш, А.Д. (1947), "Свойства связей с участием углерода", Обсудить. Faraday Soc. , 2 : 18-25, DOI : 10.1039 / DF9470200018
  10. ^ Weinhold, F .; Лэндис, Кларк Р. (2012). Открытие химии с естественными связующими орбиталями . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. С. 67–68. ISBN 9781118119969.
  11. ^ Мюллер, N .; Pritchard, DE (1959), "C 13 в спектрах протонного магнитного резонанса. I. Углеводороды", J. Chem. Phys. , 31 (3): 768-771, Bibcode : 1959JChPh..31..768M , DOI : 10,1063 / 1,1730460
  12. ^ Мюллер, N .; Pritchard, DE (1959), "C 13 в спектрах протонного магнитного резонанса. II. Связывание в замещенных метанах", J. Chem. Phys. , 31 (6): 1471-1476, Bibcode : 1959JChPh..31.1471M , DOI : 10,1063 / 1,1730638
  13. ^ Бент, HA (1960), "Распределение характера атомов в молекулах и его химические последствия", J. Chem. Educ. , 37 (12): 616-624, Bibcode : 1960JChEd..37..616B , DOI : 10.1021 / ed037p616
  14. Taft Jr., RW (1957), «Относительно электронов - отводящая способность и электроотрицательность групп», J. Chem. Phys. , 26 (1): 93-96, Bibcode : 1957JChPh..26 ... 93T , DOI : 10,1063 / 1,1743270
  15. ^ a b c Coulson, CA (1961), Valence (2-е изд.), Oxford: Clarendon Press, стр. 203–5 Неэквивалентные гибриды