Изовалентная гибридизация - Википедия - Isovalent hybridization

В химия, изовалентный или же гибридизация второго порядка является продолжением орбитальная гибридизация, смешение атомные орбитали в гибридные орбитали, которые могут образовывать химические связи, включая дробные числа атомных орбиталей каждого типа (s, p, d). Это позволяет количественно описать образование связи, когда молекулярная геометрия отклоняется от идеальных валентных углов.

Только соединение с 4 эквивалентами заместители приводит точно зр³ гибридизация. За молекулы с разными заместителями, мы можем использовать изовалентную гибридизацию для объяснения различий в углах связи между разными атомами. В молекуле метилфторид например, валентный угол HCF (108,73 °) меньше, чем валентный угол HCH (110,2 °).^[1] Эту разницу можно отнести к большему количеству п характер в связке C − F и многое другое s характер в связывающих орбиталях C − H. Гибридизация связующих орбиталей определяется Правило Бента: «Характер атома концентрируется на орбиталях, направленных к электроположительным заместителям».

Длина связи между подобными атомами также сокращается с увеличением s-символа. Например, длина связи C-H составляет 110,2 пм в этан, 108.5 пм в этилен и 106,1 вечера в ацетилен, с гибридизацией углерода sp³ (25% s), sp² (33% s) и sp (50% s) соответственно.

Для определения степени гибридизации каждой связи можно использовать параметр гибридизации (λ). Для гибридов s- и p-орбиталей это коэффициент ${ displaystyle ( lambda)}$умножая p-орбиталь, когда гибридная орбиталь записывается в виде ${ displaystyle (s + lambda p)}$. Квадрат параметра гибридизации равен индекс гибридизации (п) из зр^п орбитальный.^[2][3][4] ${ Displaystyle п = лямбда ^ {2}}$.

Дробный характер орбитального я является ${ displaystyle { frac {1} {1+ lambda _ {i} ^ {2}}}}$, а s-характер всех гибридных орбиталей должен в сумме равняться единице, так что ${ Displaystyle сумма _ {я} { гидроразрыва {1} {1+ lambda _ {я} ^ {2}}} = 1}$

Дробный п характер орбитального я является ${ displaystyle { frac { lambda _ {i} ^ {2}} {1+ lambda _ {i} ^ {2}}}}$, а p-характер всех гибридных орбиталей суммируется с количеством p-орбиталей, участвующих в образовании гибридов:

${ displaystyle sum _ {i} { frac { lambda _ {i} ^ {2}} {1+ lambda _ {i} ^ {2}}} = 1,2, mathrm {или} 3}$

Эти параметры гибридизации затем могут быть связаны с физическими свойствами, такими как валентные углы. Использование двух связывающих атомных орбиталей я и j мы можем найти величину межглазничного угла. Из условия ортогональности следует соотношение, известное как Коулсона теорема:^[5]

${ displaystyle 1+ lambda _ {i} lambda _ {j} cos theta _ {ij} = 0}$

Для двух идентичных лигандов можно использовать следующее уравнение:

${ displaystyle 1+ lambda _ {i} ^ {2} cos theta _ {ii} = 0}$

Индекс гибридизации никак нельзя измерить напрямую. Однако его можно найти косвенно, измерив конкретные физические свойства. Поскольку ядерные спины связаны через связывающие электроны, и проникновение электронов в ядро ​​зависит от характера гибридной орбитали, используемой для связывания, J-связь константы, определяемые через ЯМР-спектроскопия - удобный экспериментальный параметр, который можно использовать для оценки индекса гибридизации орбиталей на углероде. Отношения для одной связи ¹³C-¹Рука ¹³C-¹³C муфты

${ displaystyle ^ {1} J _ {^ {13} mathrm {C} - ^ {1} mathrm {H}} = { frac {500 mathrm {Hz}} {1+ lambda _ { i} ^ {2}}} = (500 mathrm {Hz}) chi _ { mathrm {s}} (i)}$ и ${ displaystyle ^ {1} J _ {^ {13} mathrm {C} - ^ {13} mathrm {C}} = (550 mathrm {Hz}) { Big (} { frac {1 } {1+ lambda _ {i} ^ {2}}} { Big)} { Big (} { frac {1} {1+ lambda _ {j} ^ {2}}} { Big )} = (550 mathrm {Hz}) chi _ { mathrm {s}} (i) chi _ { mathrm {s}} (j)}$,^[6]

куда ¹J_X-Y одинарная облигация ЯМР спин-спиновая связь константа между ядрами X и Y и χ_S(α) - s-характер орбитали α на углероде, выраженный в долях единицы.

В качестве приложения ¹³C-¹Константы H-связи показывают, что для циклоалканы количество s-символа в углеродной гибридной орбитали, используемой в связи C-H, уменьшается по мере увеличения размера кольца. Значение ¹J_{¹³C-¹ЧАС} для циклопропана, циклобутана и циклопентана - 161, 134 и 128 Гц соответственно. Это является следствием того факта, что связи C-C в небольших напряженных кольцах (циклопропан и циклобутан) используют избыточный p-характер, чтобы приспособиться к их молекулярной геометрии (эти связи, как известно, известны как ''банановые облигации '). Чтобы сохранить общее количество s- и p-орбиталей, используемых в гибридизации для каждого углерода, гибридная орбиталь, используемая для образования связей C-H, должна, в свою очередь, компенсировать, принимая более s-характер.^[2][4][7] Экспериментально это также демонстрируется значительно более высокой кислотностью циклопропана (pK_а ~ 46) по сравнению, например, с циклогексаном (стр.K_а ~ 52).^[4][8][9]

Рекомендации