В химии катенация — это соединение атомов одного и того же элемента в ряд , называемый цепочкой . [1] Цепь или кольцевая форма могут быть открытыми , если ее концы не связаны друг с другом ( соединение с открытой цепью ), или замкнутыми , если они связаны в кольцо ( циклическое соединение ). Слова катенат и катенация отражают латинский корень catena , «цепь».
Катенация легче всего происходит с углеродом , который образует ковалентные связи с другими атомами углерода, образуя более длинные цепи и структуры. Это причина присутствия в природе огромного количества органических соединений. Углерод наиболее известен своими свойствами цепной связи, при этом органическая химия, по сути, представляет собой исследование цепных углеродных структур (известных как катены ). Углеродные цепи в биохимии объединяют любые другие элементы, такие как водород , кислород и биометаллы , с основной цепью углерода.
Однако углерод ни в коем случае не является единственным элементом, способным образовывать такие катены, и несколько других элементов основной группы способны образовывать широкий спектр катен, включая водород , бор , кремний , фосфор , серу и галогены .
Способность элемента объединяться в цепочку в первую очередь основана на энергии связи элемента с самим собой, которая уменьшается по мере перекрытия более диффузных орбиталей (с более высоким азимутальным квантовым числом ), образующих связь. Следовательно, углерод с наименее размытой p-орбиталью валентной оболочки способен образовывать более длинные pp- сигма-связанные цепочки атомов, чем более тяжелые элементы, которые связываются через орбитали с более высокой валентной оболочкой. На способность к катенации 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 сильное, поэтому могут образовываться совершенно стабильные цепи. Когда-то считалось, что с другими элементами это чрезвычайно сложно, несмотря на множество доказательств обратного.
Теории структуры воды включают трехмерные сети тетраэдров, цепей и колец, связанных водородными связями . [2]
В 2008 году сообщалось о поликатеновой сети с кольцами, образованными металлическими полусферами, связанными водородными связями. [3]
В органической химии известно, что водородные связи способствуют образованию цепных структур. Например, 4-трицикланол C 10 H 16 O демонстрирует цепные водородные связи между гидроксильными группами, приводящие к образованию спиральных цепей; [4] Кристаллическая изофталевая кислота C 8 H 6 O 4 построена из молекул, соединенных водородными связями, образующих бесконечные цепочки. [5]
Ожидается , что в необычных условиях одномерная серия молекул водорода, заключенная внутри одностенной углеродной нанотрубки, станет металлической при относительно низком давлении 163,5 ГПа. Это около 40% от давления ~ 400 ГПа, которое, как считается, требуется для металлизации обычного водорода, давления, к которому трудно получить экспериментальный доступ. [6]
Кремний может образовывать сигма-связи с другими атомами кремния (и дисилан является родителем этого класса соединений). Однако трудно получить и выделить Si n H 2n+2 (аналог насыщенных алкановых углеводородов ) с n больше примерно 8, так как их термическая стабильность снижается с увеличением числа атомов кремния. Силаны с более высокой молекулярной массой, чем дисилан, разлагаются на полимерный поликремнийгидрид и водород . [7] [8] Но с подходящей парой органических заместителей вместо водорода на каждом кремнии можно получить полисиланы (иногда ошибочно называемые полисиленами), которые являются аналогами алканов . Эти длинноцепочечные соединения обладают удивительными электронными свойствами — например, высокой электропроводностью — возникающими в результате 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 . Дисилены 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 связываются друг с другом, образуя икосаэдрическую структуру. Также хорошо изучены различные другие подобные мотивы, такие как бораны , карбораны и дикарболлиды металлов . [ нужна цитата ]
Азот , в отличие от своего соседа, углерода, с гораздо меньшей вероятностью образует цепи, стабильные при комнатной температуре. Некоторыми примерами являются твердый азот, триазан , азид-анион и триазолы . [12] [13] Были синтезированы еще более длинные серии с восемью или более атомами азота, такие как 1,1'-азобис-1,2,3-триазол . Эти соединения потенциально могут использоваться в качестве удобного способа хранения большого количества энергии. [14]
Были получены цепи фосфора (с органическими заместителями), хотя они, как правило, довольно хрупкие. Маленькие кольца или скопления встречаются чаще. [15]
Разнообразный химический состав элементарной серы во многом обусловлен катенацией. В естественном состоянии сера существует в виде молекул S8 . При нагревании эти кольца раскрываются и соединяются вместе, образуя все более длинные цепи, о чем свидетельствует постепенное 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 , висмут и так далее. Способность некоторых элементов основной группы к объединению в настоящее время является предметом исследования неорганических полимеров .
За исключением фтора , который может образовывать нестабильные полифториды только при низкой температуре [17] , все другие стабильные галогены (Cl, Br, I) могут образовывать несколько изополигалогенных анионов , стабильных при комнатной температуре, наиболее ярким примером которых является трииодид . Во всех этих анионах атомы галогенов одного и того же элемента связаны друг с другом.
