Реакционная способность молекул н их электронная структура

При изложении теории химической связи, строения и свойств молекул рассмотрены метод молекулярных орбиталей МО ЛКАО, широко применяемый сегодня в практике расчетов строения электронной структуры и реакционной способности молекул, и наиболее информативный экспериментальный метод исследования — молекулярная спектроскопия. [c.3]

Начиная с 50-х годов, получило развитие новое направление в разработке методов оценки реакционной способности молекул на основе представлений квантовой теории химической связи. Особенностью этого направления являются определение реакционных центров в молекулах исходя из молекулярной структуры и разработка методов оценки относительной реакционной способности молекул. Так, в методе Хюккеля реакционная способность молекул качественно характеризуется индексами реакционной способности плотностью электронного заряда, индексом свободной валентности, энергией делокализации и др. (см. 37). В методе МО ЛКАО была показана особая роль граничных молекулярных орбиталей. В 60-х годах Вудвордом и Хоффманом было сформулировано правило сохранения орбитальной симметрии в синхронно протекающих элементарных химических актах. Все эти положения получили логическое завершение в методе возмущенных молекулярных орбиталей (метод ВМО). [c.583]

Детальное изложение теории МО ЛКАО приведено в книгах [86—91], которые написаны крупными специалистами в области квантовой химии. Определению электронной структуры систем с сопряженными связями посвящены монографии [91—94], расчеты электронной структуры насыщенных соединений обсуждаются в [75, 84, 86], специально вопросам реакционной способности молекул и радикалов посвящены работы [72—75, 84, 86, 95], вычислительные методы в квантовой химии и их реализация на ЭВМ изложены в работах [79, 96]. [c.55]

КВАНТОВАЯ ХИМИЯ - учение о строении и физико-химических свойствах молекул, ионов, радикалов, комплексов. Основывается на представлениях современной квантовой теории, в частности, на применении квантовой механики. К. X. охватывает учение о природе химической связи, валентность, электронную структуру молекул, спектроскопические, электрические и магнитные свойства молекул, силу взаимодействия и реакционную способность молекул. К. х. является теоретической дисциплиной, находящейся на стыке физики и химии, и тесно смыкается с теоретической атомной и молекулярной физикой. [c.124]

I 30—40-х гг., что явления отклонения в электронной струк-1 уре молекул- от нормального положения (резонанс) вызывают Изменения в реакционной способности молекул. К. Ингольд одновременно с Л. Полингом в 1930—1932 гг. развил представление о мезомерии ( A aog — средний и Аед/е — часть, греч.), согласно которым реальная структура молекул рассматривается как некое среднее между двумя или несколькими мыслимыми структурами. [c.231]

Однако растущий интерес к ПЭИ связан не только с развитием областей его технического применения. Самостоятельный интерес к этой области химии обусловлен особенностями реакционной способности полифункциональных полимеров. ПЭИ — простейший гетероцепной полимер и полиоснование — образуется при замене трети углеродных атомов в полиэтилене на атомы азота и сохраняет ряд его свойств, в том числе термостойкость. Вместе с тем такая замена сообщает ПЭИ высокую реакционную способность пары электронов азота. Следует отметить также, что полифункциональная молекула ПЭИ в известной степени моделирует биологически важные природные протеиновые структуры и представляет большие удобства для исследований в этом направлении. [c.158]

На штурм этих нерешенных и жизненно важных проблем брошены все наличные силы, которыми она располагает. Имеются первые успехи на стратегических направлениях. Они будут еще более значительными, если мы вернемся к молекуле и пересмотрим фундаментальные понятия, лежащие в основе трактовки ее реакционной способности. В конечном счете реакционную способность молекулы определяет ее внутренняя структура, распределение электронной плотности и готовность к ее перераспределению. [c.6]

Еще одна очень важная характеристика для биогенной роли элемента — изменение состояния я-электронов и связанное с этим изменение энергетических электронных уровней. Это ведет к электронному сопряжению одиночных и кратных связей, к протонной таутомерии и, как результат, к изменению реакционной способности молекулы и сдвига равновесия в сопряженной цепи биохимического процесса. Почти все биологически активные вещества содержат сопряженные системы электронов. Электронное облако в таком случае охватывает сразу большое число атомов, и молекула (или часть ее) действует в ряде реакций как единое целое. Именно так устроены многие соединения, без которых организм не может обойтись АТФ, пиримидины и пурины, входящие в состав нуклеиновых кислот. Системы с сопряженными л-электро-нами довольно легко позволяют сосредоточивать большой электронный заряд в одном месте (на одном каком-либо атоме) и тем самым приводить к возникновению реакционного центра с регулируемой способностью. Получается продукт, сочетающий в себе два казалось бы противоположных качества он устойчив и в то же время очень активен. Роль отдельных атомов при образовании таких структур заключается в участии в тонком регулировании распределения электронной плотности. Так, в молекуле АТФ имеется, согласно квантово-механическим расчетам (Б. Пюльман и А. Пюльман), следующее распределение зарядов [c.184]

Применение ЯМР-спектроскопии для исследования органических соединений напоминает применение для тех же целей инфракрасной спектроскопии. Эти два метода в значительной мере дополняют друг друга и при совместном использовании являются мощным средством исследования структуры, электронного распределения и реакционной способности молекул. Ниже перечислены некоторые принципиальные отличия метода ЯМР от ИК-спектроскопии, определяющие особенности его использования. [c.46]

Электронные спектры возникают за счет возбуждения внешних валентных электронов молекулы под действием видимых или ультрафиолетовых лучей. Эти электроны в основном определяют химические свойства вещества, чем и объясняется связь между электронными спектрами и реакционной способностью. Исследование электронных спектров позволяет делать выводы о химической структуре соединений. [c.5]

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ МОЛЕКУЛ И ИХ ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА [c.7]

Вследствие полуколичественного характера понятия реакционной способности молекулы нельзя дать точного определения и того, что принято называть ее индексом (см. [38, 44, 46, 164, 214, 21.5]). Можно лишь сказать, что индексом реакционной способности является любая особенность электронной структуры молекулы, для которой установлена ее корреляция с реакционной [c.54]

Теория молекулярных орбиталей была создана еще в 30-е годы, однако лишь в последние два десятка лет началось успешное применение ее в органической химии. До недавнего времени этот метод кв aн-товой химии, как правило, применяли для объяснения статических свойств молекул в основном или в возбужденном состояниях (теплоты образования, дипольные моменты, электронные спектры и др.) [1 — 3]. Изредка предпринимались попытки применять его для исследования реагирующих молекул. В последнем случае использовали два приближения статическое и динамическое [1, 2, 4]. В первом подходе реакционная способность молекулы оценивается из данных по распределению электронной плотности в исходной или конечной молекулах. Принимается, что при возмущении молекулы реагентом энергия ее изменяется пропорционально величине АЯ реакции. Поскольку метод дает лишь относительные значения энергий возмущения, то важным условием пригодности метода является соблюдение правила не-пересечения путей реакций для сравниваемых молекул (принцип ВЕР ) [5]. Во втором подходе предполагают, что рассчитанная разность энергий электронного взаимодействия в исходной молекуле и в промежуточном комплексе реакции пропорциональна наблюдаемой энергии активации. Как правило, это приближение дает более хорошие результаты. Однако здесь всегда имеется неопределенность в расчете, вызванная нашим незнанием точной структуры промежуточного комплекса или переходного состояния. [c.5]

Осл. исследования посвящены квантовой химии. Заложил (1952) основы теории граничных орбиталей рассчитал плотности граничных п-электропов у углеродных атомов бензола и нафталина и показал, что их значения и распределение определяют реакционную способность молекул. Развил (1954—1957) представлепия о формировании переходного состояния, или активированного комплекса, как взаимодействия электронов вновь образующейся связи реакционный центр — атакующий реагент с остальной сопряженной системой. Применил (1960—1962) теорию граничных орбиталей к расчетам (т-электропной плотности алифатических углеводородов, энергии их диссоциации, колич. характеристик устойчивости алифатических ионов и радикалов. От оценки реакционной способности по индексам электронных зарядов перешел (с 1965) к расчетам энергий взаимодействия реагирующих молекул и структуры активированных комплексов методами самосогласованного поля и конфигурационного взаимодействия с выделением орбитальных вкладов в это взаимодействие. Развил (1970-е) теорию граничных молекулярных орбиталей в применении к р-циям с многоцентровыми активированными комплексами и к различным каталитическим р-циям. [c.467]

Идеи, изложенные в настоящей главе и гл. 5, имеют важное значение не только при рещении структурных задач с электронными переходами связаны явления флуоресценции и фосфоресценции. В фотохимических реакциях участвуют электронно возбужденные молекулы, и для того, чтобы разобраться с механизмами этих реакций, необходимо иметь представление о структуре и реакционной способности возбужденных частиц. В некоторых случаях синглет-триплетное возбуждение молекул приводит к образованию реакционноспособных радикалов. Часто молекулы, не способные к образованию комплекса, находясь в основном состоянии, приобретают такую способность, если одна из молекул возбуждена (такой комплекс называется эксиплексом). Таким образом, идеи, касающиеся электронных переходов, изложенные в настоящей главе и гл. 5, важны для многих областей. [c.123]

Кроме наличия функциональной группы с подвижным атомом водорода (окси-, аминогруппы) важно, какова общая структура молекулы антиокислителя (вид заместителей, их расположение). Строение молекулы антиокислителя влияет на подвижность атома водорода функциональной группы и, следовательно, на его реакционную способность заместители, притягивающие электроны, снижают эффективность антиокислителя, и наоборот, заместители, отталкивающие электроны, повышают ее [4, V. 1, сЬ. 4 10 17]. Имеет значение также полярность заместителей и их пространственная конфигурация [17] например, наличие двух заместителей в [c.71]

Наконец, третье направление связано с квантовохимическими расчетами электронной структуры сложных соединений, что делает реальным определение свойств не только изолированных, но и реагирующих молекул и радикалов. Обстоятельное изложение квантовохимических аспектов проблемы реакционной способности органических соединений приведено в монографиях Багдасарьяна [73] и Базилевского [75]. Создание более совершенных теоретических и полуэмпирических методов квантовой химии наряду с применением ЭВМ делает это направление весьма перспективным при исследовании кинетики и механизма различных элементарных химических реакций. [c.7]

В ряде работ исследуется кинетика и механизм реакций Х-пере-хода в приближении реагирующей молекулы, когда активированный комплекс моделируется гипотетической структурой. Янг [233] применил метод МО для расчета энергии локализации и реакционной способности простейших алканов в реакциях Н-перехода (рис. 15.3). Для молекул алканов ЭЛ можно определить как энергию требующуюся для изоляции двух а-электронов на г-той рвущейся связи от остальных а-электронов молекулы. Например, для этана 1. определяется как разность энергий соответствующих структур [c.152]

Феноменологический подход может быть использован для определения средних показателей реакционной способности сложных систем, характеризующих ее химическую активность, по аналогии с показателями реакционной способности в химии чистых веществ . Любую многокомпонентную смесь гетероорганических углеводородных молекул можно рассматривать как статический ансамбль компонентов. Следовательно, задача состоит в определении усредненной электронной структуры этого ансамбля. Задача решается в рамках ЭФС на основе обнаруженных [12, 21] закономерностей, связывающих интегральную силу осциллятора (площадь под кривой поглощений излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра) с потенциалом ионизации (ПИ) и сродством к электрону (СЭ). [c.92]

Сравнение процесса диссоциации молекул различных галогенов провели Вике и Франк они показали, что при диссоциации фтора изменение энтропии оказывается больше, чем для остальных галогенов. Значительное изменение энтропии при диссоциации фтора Рг 2 F объясняется особой устойчивостью электронной структуры молекулы фтора. Вследствие этого число вращательных и колебательных уровней молекулы фтора сравнительно невелико, а следовательно, остается очень небольшим и соответствующее значение энтропии молекулярного фтора. Поэтому при появлении возможности поглощения энергии за счет поступательной энергии образовавшихся атомов энтропия увеличивается в большей степени. Таким образом, при одной и той же температуре степень диссоциации фтора оказывается больше, чем, например, степень диссоциации иода, хотя энтальпия диссоциации фтора (ДЯ = 156,6 кДж/моль) примерно на 8 кДж больше, чем энтальпия диссоциации иода (АЯ =149 кДж/моль). Эта относительно более сильная диссоциация фтора —одна из причин его большей реакционной способности. [c.428]

Обобщением этих и других свойств молекулы является понятие ее структуры. Структура молекулы складывается из молекулярной и электронной структур. Молекулярная структура включает типы и порядок расположения атомов молекулы в пространстве, длины связей и углы между ними, короче говоря, координаты всех атомов молекулы. Свойства молекулы и ее способность вступать в химическое взаимодействие с другими молекулами [реакционная способность) зависят не только от прочности химических связей в молекуле, но в значительной мере и от ее пространственного строения. Раздел химии, изучающий геометрическую структуру молекул, их пространственное строение, называется стереохимией. [c.97]

Реакционную способность молекул, как известноП], характеризуют энергии граничных молекулярных орбиталей и распределение электронной плотности. Располагая информацией о геометрии и атомарном составе соединений, применяя методы квантовой химии, можно рассчитать электронную структуру. При переходе к многокомпонентным системам определение электронной структуры становится невозможным, так как отсутствует необходимая информация о структуре и составе Но даже при гипотетическом y JЮвии пол) 1ения такой информации определение энергий граничных. молекулярных орбиталей затруднено, так как возникает задача расчета электронной структуфы бесконечного числа разнообразных частиц с учетом всех возможных взаимодействий. Поэтому для решения проблем реакционной способности необходимы другие подходы, например, метод квазичастиц. [c.90]

Возбуждение может менять как размеры, так и форму молекул. Для определенной реакции изменение стерических факторов приводит к увеличению или уменьшению реакционной способности. Движение электронов по связывающим, несвязывающим и разрыхляющим орбиталям влияет на молекулярные размеры, а природа связывания — на форму молекул. Например, В ТО время как основное состояние алкеиа, такого, как этилен, плоское, в равновесной структуре возбужденного состояния (я, я ) две группы СН2 лежат перпендикулярно плоскости. Активирование электрона сопровождается распариванием л-орбитали, так что между углеродными атомами остается только [c.149]

Наиболее важными свойствами, определяющими активность лекарственных препаратов, являются три физико-химических свойства липофильность, электронное распределение и форма молекул. Все они связаны с топологической структурой молекул, хотя этот факт, по-видимому, в значительной мере недооценивался. Тем не менее эти свойства были изучены с помощью соотношений линейности свободных энергий (ЛСЭ) [68] и количественных корреляций структура — активность (ККСА) [69]. Подробное обсуждение природы и действия этих двух методов можно найти в книге Зайделя и Шапера [70]. Первый метод основан на предположении, что всякий раз, когда функциональная группа присоединена к одному и тому же центру в молекуле, к полной реакционной способности молекулы будет добавлена или вычтена из нее фиксированная величина. Во втором методе делается предположение, что разнообразные роли, выполняемые функциональной группой в активной структуре, могут быть разделены. Статистика, основанная на множественной [c.201]

ФОТОХИМЙЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, хим. р-ции, протекающие под действием света. Поглощение фотона с длиной волны 100-1500 нм, чему соответствует энергия 0,8-12,4 эВ (80-1200 кДж/моль), вызывает квантовый переход молжулы в-ва из основного электронного состояния в одно из возбужденных состояний или фотоионизацию - отщепление алектрона и образование катион-радикала. Возбужденные состояния молекул имеют отличную от основного состояния электронную структуру и, как правило, более высокую реакционную способность. Молекулы вступают в хим. р-ции, первичные продукты к-рых (ионы, радикалы, изомеры) чаще всего оказываются нестабильными. Конечные продукты Ф. р. появляются в результате обычных термич. р-ций, к-рые протжают либо непосредственно с участием первичных частиц, либо как рад последовательных хим. превращений. [c.179]

Химииеские свойстза. В только что упомянутой работе было, по-впдимому. впервые сформулировано положение о существовании параллелизма между теплоталш активации различных реакций и величиной индексов свободной валентности реагирующих атомов. Этот вопрос, представляюпшй собой частный случай проблемы зависимости реакционной способности молекул от ее электронной структуры в основном состоянии, был затем обстоятельно рассмотрен Доделем с сотрудниками [83]. [c.281]

КВАНТОВАЯ ХИМИЯ — учение о строении и физико-химич. свойствах молекул (а также других химич. объектов исследования ионов, радикалов, комплексов), основанное на представлениях современной квантовой теории и, в частности, на применении квантовой механики. К. х. охватывает учение о природе химич. связи, о валентности, об электронной структуре молекул, о спектроскопических (оптических и радиочастотных), электрических и магнитных свойствах молекул, о силах взаимодействия и реакционной способности молекул. К. х. является пограничной теоретич. дисциплиной на стыке физики и химии и тесно смыкается с соответствующими разделами физики (с теоретической атомной и молекулярнор физикой). Пределы применимости К. х. определяются пределами применимости теоретического, расчетного подхода к проблемам химии, а основой ее математич. аппарата служит математич. аппарат квантовой механики. [c.263]

Химия алкенов и циклоалкенов определяется в основном наличием связи С = С, и три причины лежат в основе этого. Во-первых, относительно слабая и легко поляризуемая связь взаимодействует без труда как с электрофилами, так и со свободными радикалами, подвергаясь соответственно гетеролизу или гомолизу. Гетеролиз, естественно, сопровождается одновременным или последовательным взаимодействием катионного интермедиата с анионом, в то время как гомолиз обычно сопровождается реакцией с атомом или радикалом, образующимся по радикальной реакции замещения. В обоих случаях конечный итог состоит в том, что осуществляется реакция присоединения, и атомы углерода, ранее участвовавшие в я-связи, теперь образуют две новые а-связи, суммарная энергия которых намного превышает прочность п-связи. Во-вторых, связь С = С может стабилизировать соседний радикальный, анионный или катионный центр за счет делокализации электронов и таким образом увеличивать реакционную способность молекулы по этому центру. Трехуглеродный фрагмент такого типа известен как аллильная группа, и уже указывалось, что аллильный радикал и карбониевый ион являются относительно устойчивыми (стр. 173 — 185). В-третьих, геометрия связи С = С, так же как строение интермедиатов в реакции, ориентирует общую направленность присоединения таким образом, что различные реакции такого рода для соответствующих замещенных алкенов проявляют ярко выраженную стереоспецифичность. Следует также отметить, что двойная связь как элемент структуры, положение которого в молекуле может изменяться, может являться причиной появления изомеров положения. Так, известны два изомера бутилена — бутен-1 и бутен-2, причем последний существует в виде цис- и то/)янс-изомеров (ср. гл. 4). [c.261]

Опуб гиковано много работ такого типа, касающихся реакционной способности я-электронных систел , в особенности по ароматическому замещению. Основные идеи и некоторые результаты можно найти в работах 1224—228]. Скорость ароматического замещения коррелировалась с различными теоретическими величинами, такихми, как я-электронная плотность 1229], поляризуемость [229], энергия локализации [230], электронная плотность граничных орбиталей [231] и сверхделокализуемость [232], которые можно оценить полуэмпирическими методами. Однако эти корреляции всегда следует проводить осторожно. Так, например, нитробензол замещается главным образом в лета-положении при электрофильной атаке. Этот факт плохо отражается распределением зарядов, которое дано в табл. 13 или на рис. 12. Дело в том, что параметры, используемые для этого расчета, калибровались главным образом по спектроскопическим данным и целью расчета было предсказание спектроскопических свойств. Корреляция между склонностью к электрофильной атаке и я-электронной плотностью в нитробензоле лучше отражается другими расчетами [226], которые в основном непригодны для анализа спектроскопических свойств. Можно ожидать, что прямое включение а-элект-ронов в полуэмпирические расчеты приведет к более полной картине электронной структуры больших молекул, что важно для понимания реакционной способности. [c.55]

Предлагаемая читателю книга проф. Фудзинаги посвящена методу молекулярных орбиталей, лежащему в основе современной квантовой химии. Метод молекулярных орбиталей (МО) позволяет дать количественное объяснение большому числу экспериментально наблюдаемых закономерностей и призван обеспечить дальнейший прогресс химических исследований на основе замены эмпирического подхода более строгим — неэмпирическим. С помощью метода МО проводится вычисление электронных термов и вероятностей переходов между ними для простых и сложных молекул, определяются геометрическая структура, термодинамическая устойчивость и реакционная способность молекул, исследуются возможности синтеза новых соединений, каталитическая способность. Метод МО явился важнейшим шагом в понимании природы химической связи и движущих сил конкретных химических реакций. [c.5]

Тот факт, что электронная структура молекулы играет важную роль в этом процессе, вытекает также из того, что изомеры с разным расположением заместителей существенно различаются по реакционной способности. По скорости деметилирования углеводороды g n g могут быть расположены в следующие ряды (6j, 63—дополнительные заряды, вызываемые метильпыми группами I, II и III) [c.330]

Показано, что МСС можно рассматривать как статистический ансамбль квазичастиц (псевдокомпонентов), средние энергетические характеристики молекулярных орбиталей которых определяют реакционную способность, термостойкость и другие свойства. Химическая активность нефтяных систем обусловлена особыми квазичастицами, включающими в определенной статистической пропорции все компоненты системы. Реакционная способность системы в целом обусловлена характеристиками электронной структуры этих частиц. Для углеводородных систем можно эмпирически определить параметры реакционной способности. Предложены способы определения энергии этих псевдомолекулярных орбиталей, основанные на установленной взаимосвязи интефальных показателей поглощения молекул органических соединений с их усредненными по составу эффективным потенциалом ионизации (ПИ) и сродством к электрону (СЗ). Установлено, что энергии псевдомолекулярных фаничных орбиталей определяют реакционную способность МСС в процессах полимеризации и олигомеризации, реакционную способность ароматических фракций в процессах карбонизации, растворимость асфальтенов. Исследованы эффективные СЭ и ПИ высокомолекулярных соединений и различных фракций, в том числе асфальто-смолистых веществ (АСВ). Доказана повышенная электронодонорная и элекфоноакцепторная способность последних. На основе представлений о поливариантности химических взаимодействий в многокомпонентных системах и образования [c.223]

Однако измерения спектров ЭПР зачастую достаточно сложны даже в случае йсследбвйия молекул известной структуры. Для молекул же неизвестной структуры единственный метод — это сравнение-с-какимгдибо стандартным веществом. Г. другой стороны, молекулы. содержащие непарные электроны, исключительно реакцион-носпоссбны, и они будут стремиться к насыщению своей свободной валентности. Эта тенденция должна привести к образованию ассоциативных комплексов, и поэтому можно ожидать небольшого содержания непарных электронов. Особенно это будет наблюдаться при измерениях в среде с невысокой растворяющей способностью. [c.53]

Особенно подробно исследованы реакции отрыва атомов водорода возбужденными триплетными молекулами ароматических ке-тонов. Возбужденные состояния п, л -типа по своей электронной структуре формально близки к обычным радикалам. Гетероатом содержит один неспаренный электрон на несвязывающей орбита-лии, и их реакционная способность в реакциях отрыва атомов водорода близка к реакционной способности аналогичных радикалов. [c.175]

ОН-. Вследствие прочной и устойчивой электронной оболочки, а также соответствующего строения электронных орбиталей эти ионы не имеют склонности к образованию ковалентных связей с катионами. Рассматривая реакционную способность воды как донора пары электронов, можно отметить, что, например, при гидратации катионов, кислород молекулы воды как раз является жестким центром. Относительно высокая электроотрицательность атомов азота — причина того, что азотные основания (ННз, ЫгН4 и их замещенные производные) являются жесткими основаниями. Анионы кислородсодержащих кислот, таких, как СЮ4-, 504 ", Р04 ", СОз , также имеют малодеформируемую структуру. [c.396]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология