В химии катенация — это соединение атомов одного и того же элемента в ряд, называемый цепью . [1] Цепь или кольцо 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 «сцеплять» и «катенация» отражают латинский корень catena — «цепь».
Катенация происходит наиболее легко с углеродом , который образует ковалентные связи с другими атомами углерода, образуя длинные цепи и структуры. Это является причиной присутствия огромного количества органических соединений в природе. Углерод наиболее известен своими свойствами катенации, а органическая химия по сути является изучением структур катенированного углерода (и известных как катены ). Углеродные цепи в биохимии объединяют любые из различных других элементов, таких как водород , кислород и биометаллы , на остове углерода.
Однако углерод — далеко не единственный элемент, способный образовывать такие катены, и несколько других элементов главной группы способны образовывать обширный диапазон катен, включая водород , бор , кремний , фосфор , серу и галогены .
Способность элемента к образованию катенации 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 наименее диффузной валентной p-орбиталью способен образовывать более длинные pp- сигма-связанные цепочки атомов, чем более тяжелые элементы, которые связываются через более высоковалентные орбитали. Способность к образованию катенации также зависит от ряда 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 сильное, чтобы можно было образовать совершенно стабильные цепи. С другими элементами это когда-то считалось чрезвычайно сложным, несмотря на множество доказательств обратного.
Теории структуры воды включают трехмерные сети тетраэдров, цепей и колец, связанных водородными связями . [2]
В 2008 году было сообщено о поликатенированной сети с кольцами, образованными из металлических шаблонных полусфер, соединенных водородными связями. [3]
В органической химии водородные связи, как известно, способствуют образованию цепочечных структур. Например, 4-трицикланол C 10 H 16 O демонстрирует катенированную водородную связь между гидроксильными группами, что приводит к образованию спиральных цепей; [4] кристаллическая изофталевая кислота C 8 H 6 O 4 построена из молекул, соединенных водородными связями, образуя бесконечные цепи. [5]
В необычных условиях одномерный ряд молекул водорода, заключенных в однослойную углеродную нанотрубку , как ожидается, станет металлическим при относительно низком давлении 163,5 ГПа. Это составляет около 40% от ~400 ГПа, которые, как считается, требуются для металлизации обычного водорода, давления, которое трудно получить экспериментально. [6]
Кремний может образовывать сигма-связи с другими атомами кремния (и 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, так как их термическая стабильность уменьшается с увеличением числа атомов кремния. Силаны с более высокой молекулярной массой, чем дисилан, разлагаются на полимерный поликремниевый гидрид и водород . [7] [8] Но с подходящей парой органических заместителей вместо водорода на каждом кремнии можно приготовить полисиланы (иногда ошибочно называемые полисиленами), которые являются аналогами алканов . Эти длинноцепочечные соединения обладают удивительными электронными свойствами - высокой электропроводностью , например, - возникающими из-за сигма -делокализации электронов в цепи. [9]
Возможны даже пи-связи кремний-кремний. Однако эти связи менее стабильны, чем углеродные аналоги. Дисилан и более длинные силаны весьма реакционноспособны по сравнению с алканами . Дисилен и дисилины встречаются довольно редко, в отличие от алкенов и алкинов . Примеры дисилинов , которые долгое время считались слишком нестабильными, чтобы их можно было выделить [10], были описаны в 2004 году. [11]
В анионе додекабората(12) двенадцать атомов бора ковалентно связаны друг с другом, образуя икосаэдрическую структуру. Различные другие подобные мотивы также хорошо изучены, такие как бораны , карбораны и дикарболлиды металлов . [ необходима цитата ]
Азот , в отличие от своего соседа углерода, гораздо менее склонен образовывать цепи, которые стабильны при комнатной температуре. Но существуют азотные цепи; например, в твердом азоте, триазане , азид-анионе и триазолах . [12] [13] Были синтезированы более длинные серии с восемью или более атомами азота, такие как 1,1'-азобис-1,2,3-триазол . Эти соединения имеют потенциальное применение в качестве удобного способа хранения большого количества энергии. [14]
Были получены фосфорные цепи (с органическими заместителями), хотя они, как правило, довольно хрупкие. Более распространены небольшие кольца или кластеры . [15]
Универсальная химия элементарной серы во многом обусловлена катенацией. В естественном состоянии сера существует в виде молекул S 8 . При нагревании эти кольца раскрываются и связываются вместе, образуя все более длинные цепи, о чем свидетельствует прогрессивное увеличение вязкости по мере удлинения цепей. Также известны поликатионы серы, полианионы серы ( полисульфиды ) и низшие оксиды серы . [16] Кроме того, селен и теллур демонстрируют варианты этих структурных мотивов.
В последние годы сообщалось о различных двойных и тройных связях между полуметаллическими элементами, включая кремний , германий , мышьяк и висмут . Способность некоторых основных групп элементов к образованию катенатов в настоящее время является предметом исследований неорганических полимеров .
За исключением фтора , который может образовывать только нестабильные полифториды [17] при низкой температуре, все другие стабильные галогены (Cl, Br, I) могут образовывать несколько изополигалогеновых анионов , которые стабильны при комнатной температуре, из которых наиболее ярким примером является трииодид . Во всех этих анионах атомы галогенов одного и того же элемента связаны друг с другом.
