Геометрија молекула

Из Википедије, слободне енциклопедије
Геометрија молекула воде

Молекуларна геометрија или молекуларна структура је три-димензионо уређење атома који сачињавају молекул. Она условљава низ особина супстанце међу којима су реактивност, поларност, фаза материје, боја, магнетизам, и биолошка активност.[1][2]

Експерименталне методе[уреди]

Модел метана

Чак и најбољи електронски микроскопи нису у стању да покажу изглед молекула већ само обрисе и то само огромних молекула као што су протеини. Ипак постоје методе помоћу којих се може одредити тј. предвидети геометрија молекула само уз помоћ структурне формуле. Најједноставнија метода за предвиђање просторног облика хемијских једињења јесте она која користи правило о одбијању валентних електронских парова. По овој методи распоред електронских парова у највишем електронском нивоу око централног атома одређује просторни облик молекула. Електрони су негативно наелектрисане честице, што узрокује распоред у коме су они најудаљенији један од другог. Кад растојање буде највеће, одбијање ће бити најмање, те ће молекул бити најстабилнији. Распоред валентних електронских парова зависи од њиховог броја. Npr. код метана (CH4) четри електронска пара најмање ће се одбијати ако се налазе на ивицама правилног тетраедра.

Код једињења са 3 електронска пара (нпр. BF3) молекул је најстабилнији када се парови налазе под угловима од 120°; распоред је у једној равни. Ако је централни атом окружен великим бројем валентних електронских парова молекул може да има веома различите облике. Разматрање просторног распореда атома у молекулу је веома комплексан део хемије и њиме се бави засебна дисциплина - стереохемија. Динамичка стереохемија податке добијене о просторном распореду користи за предвиђање понашања тих молекула у хемијским реакцијама, што је од посебног значаја за органске реакције у органзму које су веома стереоспецифичне.

Молекуларна геометрија може бити одређена разним спектроскопским и дифракционим методима. IR, микроталасна и Раманова спектроскопија могу да произведу информације о молекулској геометрији из детаља детектованих вибрационих и ротационих апсорбанци. Кристалографија, неутронска дифракција и електронска дифракција могу да произведу молекуларну структуру кристала на бази растојања између језгра и концентрације електронске густине. Гасна електронска дифракција се може користити за мале молекуле у гасној фази. НМР и FRET методи се могу користити за одређивање комплементарних информација као што су релативна растојања,[3][4][5] диедрални углови,[6][7] углови веза, и повезаност. Ниже температуре су подесније за одређивање молекуларне геометрије, јер су вишим температурама оне средње вредности доступних геометрија. Већи молекули се често јављају у више стабилних геометрија (конформациони изомеризам) са сличним енергетским нивоима на површини потенцијалне енергије. Геометрије се исто тако могу израчунати користећи ab initio квантум хемијски методе до високе прецизности. Молекуларна геометрија може да се буде различита у чврстој, течној, и гасовитој фази.

Изомери[уреди]

Изомери су типови молекула који имају исту хемијску структуру али различите геометрије, последица чега су веома различите особине:

  • Чиста супстанца се састоји од само једног типа изомера.
  • Структурни изомери имају исту хемијску формулу али различите физичке аранжмане, често формирајући алтернативне молекуларне геометрије са веома различитим особинама. Атоми нису везани у истом реду.
    • Функционални изомери су специјална врста структурних изомера, где поједине групе атома испољавају специјалне начине понашања, као што су етар или алкохол.
  • Стереоизомери могу да имају многе сличне физичко-хемијске особине (тачка топљења, тачка кључања) и истовремено веома различите биохемијске активности. То је због тога што они манифестују хиралност која се често среће код живих система. Једна манифестација хиралности је њихова способност ротирања поларизоване светлости у различитим смеровима.
  • Протеинско склапање је процес формирања молекула комплексне геометрије и различитих изомера које протеини могу да имају.

Типови молекулске структуре[уреди]

Постоји шест основних типова молекула

  • Линеарни: У линеарном моделу, атоми су везан у правој линији. Углови веза су 180°. Пример таквог молекула је угљен диоксид.
  • Тригонално планарни: Ови молекул су троугаони и леже у једној равни. Њихови углови веза су 120°. Пример молекула из ове групе је бор трифлуорид.
  • Тетраедрални: Ови молекули имају четири површине. Они имају четири везе на централном атому без додатних слободних електронских парова. Углови веза између електронских веза су arccos(−1/3) = 109.47°. Пример тетраедралног молекула је метан (CH4).
  • Октаедрални: Они имају осам површина. Угао веза је 90 степени. Пример октаедралног молекула је сумпор хексафлуорид (SF6).
  • Пирамидални: Ови молекули имају пирамидни облик. Они имају три пара везаних електрона, и слободни електронски пар. Одбијање слободног пара и везаних парова мења угао од тетраедралног до нешто мање вредности. Пример је NH3 (амонијак).
  • Повијени: Повијени или угаони молекули имају нелинеарни облик. Пример таквог молекула је вода, или H2O, која има угао веза од око 106o Молекул воде има два пара везаних електрона и два слободна пара.

VSEPR табела[уреди]

Углови веза у следећој табели су идеални углови из једноставне VSEPR теорије. Њима следе стварни углови за дате примере, уколико се они разликују. У многим случајевима, као што је тригонални пирамидални и повијени, стварни угао примера се разликује од идеалног угла. Угао у H2S (92°) се разликује од тетраедралног угла много више, него што је то случај за H2O (104.5°) угао.

Везујућих електронских парова Слободних парова Електронски домени (Стерни #) Облик Идеални угао везе (угао везе примера) Пример Слика
2
0
2
линеарни
180°
CO2
Linear-3D-balls.png
3
0
3
тригонално планарни
120°
BF3
Trigonal-3D-balls.png
2
1
3
повијени
120° (119°)
SO2
Bent-3D-balls.png
4
0
4
тетраедрални
109.5°
CH4
AX4E0-3D-balls.png
3
1
4
тригонално пирамидални
107.5°
NH3
AX3E1-3D-balls.png
2
2
4
угаони
104.5°
H2O
Bent-3D-balls.png
5
0
5
тригонално бипирамидални
90°, 120°
PCl5
Trigonal-bipyramidal-3D-balls.png
4
1
5
тестерасти
180°, 120°, 90° (173.1°, 101.6°)
SF4
AX4E1-3D-balls.png
3
2
5
Т-облик
90°, 180° (87.5°, < 180°)
ClF3
AX3E2-3D-balls.png
2
3
5
линеарни
180°
XeF2
AX2E3-3D-balls.png
6
0
6
октаедрални
90°, 180°
SF6
AX6E0-3D-balls.png
5
1
6
квадратно пирамидални
90° (84.8°), 180°
BrF5
AX5E1-3D-balls.png
4
2
6
квадратно планарни
90° 180°
XeF4
Square-planar-3D-balls.png
7
0
7
пентагонално бипирамидални
90°, 72°
IF7
Pentagonal-bipyramidal-3D-balls.png

3D Репрезентације[уреди]

  • Линија или штап - атомска језгра нису представљена. Као и код 2D молекуларних структура овог типа, атоми се подразумевају на теменима.
Formic-acid-3D-stick.png
L-aspartic-acid-3D-sticks.png
ATP-xtal-3D-sticks.png
Endohedral fullerene.png
NorbornylCation ElectronDensity.jpg
WinsteinYellow.jpg
NorbornylChemDraw.png
  • Кугла и штап - атомска језгра су представљена као сфере (кугле) и везе као штапови
Methanol-3D-balls.png
Methanol struktur.png
PropyleneGlycol-stickAndBall.png
3LRI SolutionStructureAndBackboneDynamicsOfHumanLong arg3 insulin-Like Growth Factor 1 02.png
Methanol.pdb.png
Ubiquitin spheres.png
P-cresol-spaceFilling.png
3GF1 Insulin-Like Growth Factor Nmr 10 01.png
  • Дијаграм - приказ протеина где се петље, бета равни, и алфа хеликси приказују дијаграмом. Атоми или везе нису експлицитно приказани, већ само протеинска основа као глатка цев.
Beta-meander1.png
MreB.png
Anthrax toxin protein key motif.svg
8tim TIM barrel.png

Референце[уреди]

  1. ^ McMurry John E. (1992). Fundamentals of Organic Chemistry (3rd ed.). Belmont: Wadsworth. ISBN 0-534-16218-5. 
  2. ^ Clayden Jonathan, Nick Greeves, Stuart Warren, Peter Wothers (2001). Organic chemistry. Oxford, Oxfordshire: Oxford University Press. ISBN 0-19-850346-6. 
  3. ^ FRET description
  4. ^ Hillisch, A; Lorenz, M; Diekmann, S (2001). „Recent advances in FRET: distance determination in protein–DNA complexes“. Current Opinion in Structural Biology 11 (2): 201-207. DOI:10.1016/S0959-440X(00)00190-1. PMID 11297928. 
  5. ^ FRET imaging introduction
  6. ^ obtaining dihedral angles from 3J coupling constants
  7. ^ Another Javascript-like NMR coupling constant to dihedral

Литература[уреди]

Спољашње везе[уреди]

Викиостава
Викимедијина остава има још мултимедијалних датотека везаних за: Геометрија молекула