ИК-спектральное проявление водородных связей (стр. 1 из 4)
Оглавление
Введение
Литературный обзор
Сущность и природа водородной связи
Водородные связи и свойства органических соединений
Метод инфракрасной спектроскопии
Инфракрасное излучение и колебания молекул
Основные частоты колебаний в ИК-спектрах.
Практическая часть
Объекты и методы исследования
Обсуждение результатов
Заключение
Список использованной литературы
Кроме сил химического взаимодействия, приводящих к образованию валентных химических связей между атомами, в жидкой фазе и кристаллах существуют дополнительные силы притяжения между молекулами. Энергия таких межмолекулярных взаимодействий на несколько порядков ниже энергии ковалентной связи. Наличие таких взаимодействий принципиально не меняет свойств молекул. Между этими двумя случаями существуют взаимодействия, промежуточные по энергии, которые приводят к образованию ассоциатов. К числу таких ассоциативных взаимодействий и принадлежит водородная связь. Нефть – это коллоидная система, то есть гетерогенная система, состоящая из множества мелких частиц, находящихся во взвешенном состоянии в однородной среде, в которой также происходят процессы ассоциирования.
Целью работы является изучение процесса ассоциирования на примере модельных растворов.
В ходе данной работы проводилось изучение водородной связи в модельных растворах ионола, бисфенола, в различных растворителях.
Сущность и природа водородной связи
Первую научную трактовку водородной связи дали в 1920 году В. Латимер и В. Родебуш, работавшие в лаборатории Г. Льюиса, основоположника учения о ковалентной связи, автора теории кислот и оснований и плодотворной в органической химии концепции обобщенной электронной пары. Причину особых физических и химических свойств воды авторы объясняли наличием водородной связи, сущность которой состоит во взаимодействии атома водорода одной молекулы с электронной парой атома кислорода другой молекулы. При этом атом водорода становится одновременно связанным с двумя атомами кислорода ковалентной и водородной связью(2).
За все последующее время вплоть до наших дней не изменился принципиальный подход к трактовке водородной связи, концепция неподеленного протона осталась незыблемой. Длительные и интенсивные исследования позволили уточнить влияние структуры соединений на склонность к образованию Н-связей, внесена определенная ясность в электронную природу последних, найдены надежные методы их идентификации. А главное – сделаны широкие обобщения по оценке влияния Н-связей на физические и химические свойства веществ. Бутлеровский тезис “структура определяет свойства” раскрывается с учетом возможности образования Н-связи и ее вклада в конкретные свойства.
По современной терминологии, образование водородной связи наступает при взаимодействии протонодонора (кислоты Бренстеда, электроноакцептора) с протоноакцептором (основанием, электронодонором). Водородную связь можно представить как невалентное взаимодействие между группой А – Н одной молекулы и атомом В другой, в результате которого образуется устойчивый комплекс А – Н….В с межмолекулярной водородной связью, в котором атом водорода играет роль мостика, соединяющего фрагменты А и В. Но нужно заметить , что до настоящего времени нет однозначного подхода , какую конкретно связь называть водородной. Большинство авторов к понятию водородной связи относят дополнительное взаимодействие, которое возникает между атомом водорода и электронодонором В, то есть связь Н….В. Другие авторы к понятию водородной связи относят всю цепочку Х – Н….В, то есть связь между атомами Х и В через водородный мостик. Образование водородной связи может быть представлено как кислотно – основное взаимодействие, определяющее первую стадию переноса протона при протолитических реакциях
 |
Экспериментальные факты, сопровождающие процесс образования водородной связи:
1. При образовании водородных связей выделяется теплота – термохимическая мера энергии Н-связи. Эту характеристику используют для калибровки спектральных методов изучения водородных связей.
2. Расстояние между соседними атомами, участвующими в образовании водородной связи, значительно меньше суммы их ванн-дер-ваальсрвых радиусов. Последнее обстоятельство является одним из критериев, указывающих на образование между молекулами водородных связей.
3. Водородная связь увеличивает длину связи Х-Н, что приводит к смещению соответствующей полосы валентных колебаний в ИК-спектре в сторону более низких частот. Метод ИК-спектроскопии является главным методом изучения водородной связи.
Современная ИК-спектроскопия представляет собой экспресс-метод установления структурных особенностей органических соединений. С помощью ИК-спектроскопии быстро и надёжно идентифицируются разнообразные функциональные группы: карбонильная, гидроксильная, карбоксильная, амидная, амино, циано и др.; а также различные непредельные фрагменты: двойные и тройные углерод-углеродные связи, ароматические или гетероароматические системы. Методами ИК-спектроскопии изучают внутри- и межмолекулярные взаимодействия, например, образование водородных связей. В химии древесины и химии природных соединений с помощью ИК-спектроскопии исследуют структуры углеводов, лигнинов, аминокислот, терпенов, стероидов и многих других веществ.
4. При образовании водородной связи полярность связи Х-Н возрастает, что приводит кс повышению дипольного момента молекулярного комплекса в сравнении с расчетными данными, полученными путем векторного сложения диполей молекул R-X-H и B-Y.
5. Протоны, участвующие в водородной связи, характеризуются более низкой электронной плотностью, поэтому они деэкранируются, что приводит к существенному смещению соответствующих резонансных сигналов в спектрах ЯМР водорода в слабое поле. ПМР наряду с ИК-спектрами является наиболее чувствительным к образованию водородной связи.
6. Для межмолекулярных водородных связей обнпружено смещение кислотно-основного равновесия молекулярный комплекс=ионная пара вправо при повышении полярности растворителя(3).
Водородные связи и свойства органических соединений
Водородная связь возникает при взаимодействии кислотных Х-Н групп и основных В-групп, принадлежащих одной или разным молекулам. При объединении одинаковых молекул образуются ассоциаты, объединение разных молекул принято называть молекулярными комплексами. Такие взаимодействия составляют самый обширный класс водородных связей, называемых межмолекулярными водородными связями. Межмолекулярные взаимодействия не ограничиваются образованием бинарных комплексов, а могут приводить к структурам со множественными связями. Межмолекулярные водородные связи могут приводить к образованию цепей, колец или пространственных сеток. Аналогичные образования сохраняются и в кристаллах.
Если Н-связывание наступает в результате взаимодействия кислотного и основного фрагментов внутри одной молекулы, то образующиеся связи называют внутримолекулярными. Соединения с такими связями другую большую группу соединений с водородной связью. Образование внутримолекулярных водородных связей возможно, если структура молекулы допускает пространственное сближение фрагментов Х-Н и В до длины водородной связи. Возможность образования внутримолекулярной водородной связи не является препятствием для образования и межмолекулярных водородных связей.
Экспериментально довольно легко отличить внутримолекулярную водородную связь от межмолекулярной. Если спектрально фиксируется образование Н-связей, а признаков ассоциации нет, это верное указание на внутримолекулярный характер водородной связи. Кроме того, межмолекулярная Н-связь исчезает при низкой концентрации вещества в нейтральном растворителе, тогда как внутримолекулярная Н-связь в этих условиях сохраняется
Экспериментально довольно легко отличить внутримолекулярную водородную связь от межмолекулярной. Если спектрально фиксируется образование Н-связей, а признаков ассоциации нет, это верное указание на внутримолекулярный характер водородной связи. Кроме того, межмолекулярная Н-связь (и ее спектральное проявление) исчезает при низкой концентрации вещества в нейтральном растворителе, тогда как внутримолекулярная Н-связь в этих условиях сохраняется.
Водородные связи влияют на перераспределение электронной плотности в молекулах, что не может не отразиться на свойствах веществ. В случае слабых водородных связей изменение электронной плотности протекает в основном в пределах фрагмента Х–Н…В. С увеличением энергии водородной связи перераспределение электронной плотности затрагивает все атомы молекул, входящих в молекулярный комплекс, что в конечном итоге приводит к глубоким изменениям физических и химических свойств веществ. На свойства органических соединений оказывают значительное влияние как внутри-, так и межмолекулярные водородные связи. Влияние последних, особенно на физические свойства, является более существенным, так как межмолекулярные взаимодействия приводят к увеличению молекулярной массы со всеми вытекающими последствиями.
Теперь попытаемся ориентировочно оценить, насколько широко представлены водородные связи в органической химии. Все органические соединения за самым редким исключением содержат водород, то есть являются кислотами Бренстеда, а наиболее часто входящие в их состав элементы-органогены (O, N, S, галогены) содержат неподеленные пары электронов и могут выступать в качестве основных центров. Учитывая отмеченное, можно сказать, что большинство органических соединений потенциально способно к образованию водородных связей. По структурной формуле (природа взаимодействующих групп и их взаимное расположение) можно
предсказать силу водородных связей и их характер (внутри- или межмолекулярные). При оценке взаимного влияния атомов в молекулах обязательно учитываются возможность образования водородных связей и их последующее влияние на скорость, механизм и направление реакций. Оценить влияние среды (растворителя) на ход химического процесса часто становится возможным лишь с учетом образования водородных связей. Таким образом, подготовка грамотного химика невозможна без овладения всем комплексом вопросов, связанных с водородной связью.