В химии , катенация является склеивание из атомов одного и того же элемента в ряд, называется цепью . [1] Цепь или форма кольца могут быть открытыми, если их концы не связаны друг с другом (соединение с открытой цепью ), или закрытыми, если они связаны в кольцо ( циклическое соединение ). Слова to catenate и catenation отражают латинский корень catena , «цепь».
Углерод
Катенация чаще всего происходит с углеродом , который образует ковалентные связи с другими атомами углерода с образованием более длинных цепей и структур. Это причина присутствия в природе огромного количества органических соединений. Углерод наиболее известен своими свойствами сцепления, при этом органическая химия в основном занимается изучением связанных углеродных структур (и известных как катены ). Углеродные цепи в биохимии объединяют любые другие элементы, такие как водород , кислород и биометаллы , в основу углерода.
Однако углерод ни в коем случае не единственный элемент, способный образовывать такие катены, и несколько других элементов основной группы способны образовывать широкий диапазон катен, включая водород , бор , кремний , фосфор и серу .
Способность элемента катенировать в первую очередь основана на энергии связи элемента с самим собой, которая уменьшается с более диффузными орбиталями (с более высоким азимутальным квантовым числом ), перекрывающимися для образования связи. Следовательно, углерод с наименьшей диффузной валентной оболочкой p-орбитали способен образовывать более длинные pp- сигма-связанные цепи атомов, чем более тяжелые элементы, которые связываются через орбитали более высокой валентности. На способность связывания также влияет ряд стерических и электронных факторов, включая электроотрицательность рассматриваемого элемента, молекулярную орбиталь n и способность образовывать различные виды ковалентных связей. Для углерода сигма-перекрытие между соседними атомами достаточно сильно, чтобы можно было сформировать идеально стабильные цепочки. С другими элементами это когда-то считалось чрезвычайно трудным, несмотря на множество доказательств обратного.
Водород
Теории строения воды включают трехмерные сети тетраэдров, цепочек и колец, связанных водородными связями . [ необходима цитата ]
В 2008 году сообщалось о поликатенированной сети с кольцами, образованными из металлических полусфер, связанных водородными связями [2].
В органической химии известно , что водородные связи способствуют образованию цепочечных структур. 4-трицикланол C 10 H 16 O, например, показывает катенированную водородную связь между гидроксильными группами, приводящую к образованию спиральных цепей; [3] Кристаллическая изофталевая кислота C 8 H 6 O 4 состоит из молекул, связанных водородными связями, образуя бесконечные цепи. [4]
Ожидается, что в необычных условиях одномерный ряд молекул водорода, заключенных внутри одностенной углеродной нанотрубки , станет металлическим при относительно низком давлении 163,5 ГПа. Это примерно 40% от ~ 400 ГПа, которые, как считается, требуются для металлизации обычного водорода, давление, которое трудно получить экспериментально. [5]
Кремний
Кремний может образовывать сигма-связи с другими атомами кремния (а дисилан является родоначальником этого класса соединений). Однако трудно приготовить и выделить Si n H 2n + 2 (аналог насыщенных алкановых углеводородов ) с n больше примерно 8, поскольку их термическая стабильность снижается с увеличением числа атомов кремния. Силаны с более высокой молекулярной массой, чем дисилан, разлагаются на полимерный гидрид поликремния и водород . [6] [7] Но с подходящей парой органических заместителей вместо водорода на каждом кремнии можно получить полисиланы (иногда ошибочно называемые полисиленами), которые являются аналогами алканов . Эти соединения с длинной цепью обладают удивительными электронными свойствами - например, высокой электропроводностью - возникающими в результате сигма- делокализации электронов в цепи. [8]
Возможны даже пи-связи кремний – кремний. Однако эти связи менее стабильны, чем углеродные аналоги. Дисилан довольно реактивен по сравнению с этаном . Дисилен и дисилины довольно редки, в отличие от алкенов и алкинов . Примеры дисилинов , которые долгое время считались слишком нестабильными для выделения [9], были описаны в 2004 году [10].
Фосфор
Были получены цепи фосфора (с органическими заместителями), хотя они, как правило, довольно хрупкие. Маленькие кольца или скопления встречаются чаще.
Сера
Разнообразный химический состав элементарной серы во многом обусловлен катенацией. В самородном состоянии сера существует в виде молекул S 8 . При нагревании эти кольца открываются и соединяются вместе, образуя все более длинные цепи, о чем свидетельствует постепенное увеличение вязкости по мере удлинения цепей. Селен и теллур также демонстрируют варианты этих структурных мотивов.
Полуметаллические элементы
В последние годы сообщалось о множестве двойных и тройных связей между полуметаллическими элементами, включая кремний, германий , мышьяк , висмут и так далее. Способность некоторых элементов основной группы катенироваться в настоящее время является предметом исследования неорганических полимеров .
Смотрите также
- Магистральная цепь
- Цепная полимеризация
- Макромолекула
Рекомендации
- ^ Оксфордский словарь английского языка , 1-е издание (1889 г.) [ http://www.oed.com/view/Entry/30197 s.v. 'цепь', определение 4g
- ^ Салаудин, А. Абибат; Кильнера, Калифорния; Халкроу, Массачусетс (2008). «Кристаллическая водородная сеть с поликатенатной топологией». Chem. Commun. : 5200–5202. DOI : 10.1039 / B810393C .
- ^ Моррис, Д. Дж. Абибат; Райдер, KS; Уокер, А .; Muir, KW; Hix, ГБ; Маклин, EJ (2001). «Необычный синтез и кристаллическая структура 4-трицикланола». Буквы тетраэдра . 47 (2). DOI : 10.1016 / S0040-4039 (00) 01903-1 .
- ^ Дериссен, JL (1974). «Кристаллическая структура изофталевой кислоты». Acta Crystallogr . B30 : 764–2765. DOI : 10.1107 / S0567740872004844 .
- ^ Ся, Ю. Абибат; Ян, Б .; Jin, F .; Май.; Лю, X .; Чжао, М. (2019). «Водород, заключенный в одностенной углеродной нанотрубке, под высоким давлением становится металлической и сверхпроводящей нанопроволокой». Nano Lett . 19 (4): 2537–2542. DOI : 10.1021 / acs.nanolett.9b00258 .
- ↑ WW Porterfield, Неорганическая химия: единый подход, 2-е изд. », Academic Press (1993), стр. 219.
- ^ Неорганическая химия, Holleman-Wiberg, John Wiley & Sons (2001), стр. 844.
- ^ Миллер, РД; Михл, Дж. (1989). «Полисилановые высокополимеры». Химические обзоры . 89 (6): 1359. DOI : 10.1021 / cr00096a006 .
- ^ Карни, М .; Апелойг, Ю. (январь 2002 г.). «В поисках стабильного силина RSi≡CR ′. Эффект объемных заместителей». Химия кремния . 1 (1): 59–65. DOI : 10,1023 / A: 1016091614005 . S2CID 97098444 .
- ^ Акира Секигучи; Рей Киндзё; Масааки Ичинохе (сентябрь 2004 г.). «Стабильное соединение, содержащее тройную связь кремний-кремний». Наука . 305 (5691): 1755–1757. DOI : 10.1126 / science.1102209 .