Кіріспе

Химияда гипервалентті молекула (кейде бұл құбылыс кеңейтілген октет деп аталады) – бір немесе бірнеше негізгі топ элементтерін қамтитын, олардың валентті қабығында сегіз электроннан астам болатын молекула. Фосфор пентахлориді (PCl5), күкірт гексафториді (SF6), хлор трифториді (ClF3), хлорит (ClO2) ионы және трийодид (I3) ионы гипервалентті молекулалардың мысалдары болып табылады.

Тарих және дау-дамайлар

Гипервалентті молекулалардың табиғаты мен жіктелуі жөніндегі тартыс Гилберт Н. Льюис пен Ирвинг Лангмуирге және 1920 жылдардағы химиялық байланыстың мәні туралы пікірталасқа дейін жетеді. Льюис гиперваленттілікті сипаттауда екіорталық екіэлектрондық (2c 2e) байланыстың маңыздылығын сақтап, осылайша мұндай молекулаларды есепке алу үшін кеңейтілген октеттерді қолданды. Орбиталық гибридтеу тілін пайдаланып, PF5 және SF6 сияқты молекулалардың байланыстары орталық атомдағы sp3dn орбиталдарынан құралған делінді. Лангмуир, керісінше, октет ережесінің үстемдігін жақтады және ережені бұзбай гиперваленттілікті түсіндіру үшін иондық байланыстарды пайдалануды жөн көрді (мысалы, SF6 үшін "SF42+ 2F−"). 1920-шы және 1930-шы жылдардың соңында Сугден екіорталық бірэлектрондық (2c 1e) байланыстың бар екенін дәлелдеді және гипервалентті молекулаларда кеңейтілген октеттерге немесе иондық байланыс сипатына қажеттілік болмайтынын түсіндірді; бұл сол кезде кеңінен қабылданбады. Гиперваленттіліктің теориялық негізі 1969 жылы J. I. Musher жұмысына дейін нақтыланбады. Дегенмен, 2013 жылғы зерттеу көрсеткендей, Пиментелдің иондық моделі гипервалентті түрлердің байланысын ең жақсы түсіндірсе де, кеңейтілген октет құрылымының энергетикалық үлесі де нөл емес. Ксенон дифлюоридінің байланысын зерттеудегі қазіргі заманғы валенттік байланыс теориясы иондық құрылымдардың жалпы толқындық функцияның шамамен 81% құрайтынын көрсетті, оның 70% ксенондағы p орбиталын ғана қолданатын иондық құрылымдардан, ал 11% ксенондағы гибридті қолданатын иондық құрылымдардан туындайды. Ксенондағы sp3d гибридтеу орбиталын қолданатын формальды гипервалентті құрылымның үлесі толқындық функцияның 11% құрайды, ал қалған 8% дирадикалдық үлес құрайды. 11% sp3d үлесі молекуланың моль-1 тұрақтануына әкеледі, бұл жалпы байланыс энергиясының (моль-1) жалпы энергиясының шағын, бірақ маңызды бөлігі. Басқа зерттеулер де SF6 (17%) және XeF6 (14%) үшін кеңейтілген октет құрылымдарынан шағын, бірақ елеусіз емес энергетикалық үлес тапты. Химиялық шындыққа сай болмаса да, IUPAC сульфондар және фосфорандар сияқты функционалдық топтар үшін кеңейтілген октет құрылымдарын салуды ұсынады, көптеген формальды зарядтарды немесе ішінара жеке байланыстарды көрсетуден аулақ болу үшін.

Гипервалентті гидридтер

Гипервалентті молекулалардың ерекше түрі – гипервалентті гидридтер. Көптеген белгілі гипервалентті молекулалар өз орталық атомдарынан электронегативтілігі жоғары топшаларды қамтиды. Гипервалентті гидридтер ерекше қызығушылық тудырады, себебі сутек әдетте орталық атомнан электронегативтілігі төмен болады. Халькоген гидридтері мен пниктоген гидридтері туралы бірнеше есептеу зерттеулері жүргізілді. Соңғы кезде жаңа есептеу зерттеуі көрсетті, көптеген XHn гипервалентті галоген гидридтерінің болуы мүмкін. IH3 және IH5 байқалатын немесе тіпті бөліп алуға болатын тұрақтылық деңгейіне ие болуы мүмкін деп ұсынылған.

Сын

Гиперваленттілік термині де, тұжырымдамасы да әлі де сынап бақылауда. 1984 жылы Пауль фон Раге Шлейер осы жалпы пікір қақтығысына жауап ретінде «гиперваленттілік» терминін «гиперкоординация» терминімен алмастыруды ұсынды, себебі бұл термин химиялық байланыстың ешқандай түрін білдірмейді де, осылайша мәселенің өзіне орын қалдырмайды. PF5 сияқты электронегативті лигандтары бар гиперкоординацияланған молекулалар үшін, лигандтар орталық атомнан жеткілікті электрондық тығыздықты тартып алып, оның жалпы электрондық саны қайтадан 8 немесе одан аз болатыны көрсетілді. Бұл баламалы көзқарасқа сәйкес, мысалы PF5 фтор лигандтарына негізделген гиперкоординацияланған молекулалардың гидридтік аналогтары жоқ, яғни фосфоран (PH5) белгісіз. Иондық модель термохимиялық есептеулерде жақсы нәтижелер береді. Ол фосфор трифториді PF3 пен фтор F2 арасындағы экзотермиялық реакцияның пайдалы екенін болжайды, ал осыған ұқсас реакция пайдалы емес.

Баламалы анықтама

Дюрант молекулалар теориясындағы атомдық заряд карталарын талдау негізінде гиперваленттіліктің баламалы анықтамасын ұсынды. Бұл тәсіл валентті электрон эквиваленті деп аталатын γ параметрін анықтайды, ол – байқалған заряд таралуын қалпына келтіретін жарамды иондық және ковалентті резонанс түрлерінің кез келген комбинациясы арқылы алынған, белгілі бір атомдағы электронның формальды ортақ саны. Кез келген X атомы үшін, егер γ(X) мәні 8-ден жоғары болса, онда ол атом гипервалентті болып саналады. Осы баламалы анықтаманы қолдану арқылы, Мушердің анықтамасы бойынша гипервалентті болып табылатын PCl5, SO42- және XeF4 сияқты көптеген түрлер, орталық атомнан электрондарды тартып алатын күшті иондық байланысқа байланысты гиперкоординатты, бірақ гипервалентті емес деп қайта жіктеледі. Екінші жағынан, октет ережесіне сәйкес келу үшін иондық байланыстармен жазылатын кейбір қосылыстар, мысалы, озон O3, азот оксиді NNO және триметиламин N оксиді, шын мәнінде гипервалентті болып табылады. Фосфат PO43− (γ(P) = 2.6, гипервалентті емес) және ортонитрат NO43− (γ(N) = 8.5, гипервалентті) үшін γ есептеулерінің мысалдары төменде көрсетілген.

Ab initio есептеулері

Пентакоординацияланған кремнийдегі реактивтіліктің күшеюі толыққанды түсіндірілмеген. Corriu және әріптестері бесталды кремний атомының электроположиттық қасиеттерінің артуы оның реактивтілігінің жоғарылауына себеп болуы мүмкін деген болжам жасады. Алдын ала есептеулер осы гипотезаны біршама растады, бірақ кішкентай базалық жиынтық қолданылды. Dieters және әріптестері ab initio есептеулері үшін Gaussian 86 бағдарламасын қолданып, тетракоординацияланған кремний мен фосфорды олардың пентакоординацияланған аналогтарымен салыстырды. Бұл ab initio тәсілі пентакоординацияланған қосылыстармен нуклеофильдік реакцияларда реактивтіліктің артуын анықтау үшін қосымша құрал ретінде пайдаланылады. Кремний үшін 6-31+G* базалық жиынтығы, пентакоординациялық аниондық сипаты ескеріліп, ал фосфор үшін 6-31G* базалық жиынтығы қолданылды. Пентакоординацияланған қосылыстар стерикалық кедергі мен лигандтардың электрондық тығыздығына байланысты теориялық тұрғыдан тетракоординацияланған аналогтарына қарағанда электрофилділігі төмен болуы керек, бірақ тәжірибеде нуклеофилдермен реактивтілігі жоғары болып келеді. Осы реактивтілік құбылысын жақсырақ түсіну үшін тетракоординацияланған және пентакоординацияланған түрлердің қатарында ab initio есептеулер жүргізілді. Әрбір қатар фторлау дәрежесімен ерекшеленді. Байланыс ұзындығы мен заряд тығыздығы орталық атомдардағы гидрид лигандтарының санына тәуелділігінде көрсетілді. Әрбір жаңа гидрид үшін бір фтор атомы азаяды. Кремний және фосфор байланыстарының ұзындығы, заряд тығыздығы және Mulliken байланыс жабысуы осы ab initio тәсілімен тетра және пентакоординацияланған түрлер үшін есептелді. Тетракоординацияланған кремнийге фтор ионын қосу нәтижесінде жалпы орташа 0,1 электрондық зарядтың артуы байқалды, бұл маңызды емес деп есептеледі. Жалпы, тригональды бипирамидальды пентакоординацияланған түрлердегі байланыс ұзындығы тетракоординацияланған аналогтарына қарағанда ұзын. Si-F және Si-H байланыстары пентакоординация кезінде ұзарады, ал фосфор түрлерінде де ұқсас әсерлер байқалады, бірақ олар аз дәрежеде көрінеді. Кремний түрлерінде байланыс ұзындығының өзгеру шамасы фосфор түрлеріне қарағанда үлкен болуының себебі фосфордағы тиімді ядролық зарядтың жоғарылауы. Сондықтан кремнийдің лигандтарымен байланысы нашар деп қорытынды жасалады. Dieters және әріптестері барлық қатарлар үшін байланыс ұзындығы мен байланыс жабысуы арасында кері корреляцияны көрсетті. Тригональды бипирамидальды құрылымдарға ие пентакоординацияланған түрлердің байланыстары нашар болғандықтан, олардың реактивтілігі жоғары деп есептеледі. Әртүрлі кремний және фосфор түрлерінде фтор ионын қосу және алу энергиясын есептеу арқылы бірнеше тенденциялар анықталды. Атап айтқанда, тетракоординацияланған түрлерде лигандты жою үшін энергия талаптары пентакоординацияланған түрлерге қарағанда әлдеқайда жоғары. Сонымен қатар, кремний түрлерінде лигандты жою үшін энергия талаптары фосфор түрлеріне қарағанда төмен, бұл кремнийдегі байланыстардың нашар екенін көрсетеді.