Кіріспе

Молекулалардың бірлестігі, онда олардың арасында электрондық зарядтың бір бөлігі беріледі. Химияда заряд тасымалдау (CT) кешені немесе электрон донор-қабылдаушы кешені – екі немесе одан көп молекулалардың немесе иондардың супермолекулалық жиынтығын сипаттайды. Бұл жиынтық электростатикалық күштер арқылы бір-біріне тартылатын екі молекуладан тұрады, яғни, біреуі кем дегенде жартылай теріс зарядталған, ал екіншісі жартылай оң зарядталған, сәйкесінше электрон қабылдаушы және электрон доноры деп аталады. Кейбір жағдайларда заряд тасымалдау дәрежесі "толық" болып келеді, сондықтан CT кешенін тұз ретінде жіктеуге болады. Басқа жағдайларда заряд тасымалдау әлсіз болады және өзара әрекеттесу полярлы еріткіштермен оңай бұзылуы мүмкін.

Электрондық донор-акцептор кешендері

Бірқатар органикалық қосылыстар заряд көшіру кешенін (charge transfer complex) құрайды, олар көбінесе электрон донор-акцептор кешендері (ЭДА кешендері) ретінде сипатталады. Типтік акцепторлар – нитробензолдар немесе тетрацианоэтилен (ТЦНЕ). Олардың электрон донорларымен өзара әрекеттесу күші компоненттердің иондану потенциалына байланысты. ТЦНЕ үшін бензол туындыларымен құратын кешендердің тұрақтылық константалары (L/mol) метил топтарының санына сәйкес өзгереді: бензол (0,128), 1,3,5-триметилбензол (1,11), 1,2,4,5-тетраметилбензол (3,4) және гексаметилбензол (16,8). 1,3,5-тринитробензол және оған ұқсас полинитроланған ароматикалық қосылыстар, электронға деген қажеттілігі жоғары болғандықтан, көптеген арендермен заряд көшіру кешендерін жасайды. Мұндай кешендер кристалдану кезінде пайда болады, бірақ көбінесе ерітіндіде компоненттерге ыдырайды. Бұл КТ тұздары әдетте донор және акцептор (нитроароматикалық) молекулаларының кезектесіп орналасқан қабаттары түрінде кристалданады, яғни А Б А Б.

Дигалогенді/интергалогенді КТ кешендері

Донорлық-акцепторлық кешендерді зерттеудің алғашқы жұмыстары йодтың сольватохромизміне бағытталды, бұл көбінесе аминдер мен эфирлер сияқты электрон донорларымен I2 аддуктын қалыптастыру нәтижесінде туындайды. Дигалогендер X2 (X = Cl, Br, I) және интергалогендер XY (X = I; Y = Cl, Br) – донорлық түрлермен реакцияға түскенде әртүрлі өнімдер құрайтын Льюис қышқылының түрлері. Бұл түрлердің ішінде (оксидтену немесе протонды өнімдерді қоса алғанда) КТ-аддуктары D·XY жан-жақты зерттелді. КТ өзара әрекеттесуі сандық тұрғыдан бағаланды және Гутман, Чайлдс, Бекетт және ЭКВ моделі сияқты донорлық және акцепторлық қасиеттерді параметрлеудің көптеген схемаларының негізі болып табылады. Көптеген органикалық түрлерде шалькоген немесе пниктоген донорлық атомдары бар, олар КТ тұздарын құрайды. Пайда болған аддуктардың сипатын ерітіндіде де, қатты күйде де зерттеуге болады. Ерітіндіде UV-Vis сіңіру спектріндегі зарядтық тасымалдау жолақтарының қарқындылығы осы ассоциациялық реакцияның дәрежесіне (тепе-теңдік константасына) тікелей байланысты. Ерітіндідегі осы кешендердің тепе-теңдік константасын анықтау үшін әдістер әзірленді, олар ерітіндідегі донорлық және акцепторлық компоненттердің концентрациясының функциясы ретінде сіңіру жолақтарының қарқындылығын өлшеу арқылы жүзеге асырылады. Бенеси-Хилдебранд әдісі, оның жасаушыларының құрметіне аталған, алғаш рет иодтың ароматты көмірсутектерде ерітуі үшін сипатталған. Қатты күйдегі маңызды параметр – бұл σ* LUMO-ның байланысқа қатыспау сипатынан туындайтын X–X немесе X–Y байланыс ұзындығының ұзаруы. Ұзару құрылымдық анықтамалар (XRD) және FT Раман спектроскопиясы арқылы бағаланады. Жақсы белгілі мысал – иод пен крахмалдың қосылысынан пайда болатын кешен, ол қарқынды қызғылт зарядтық тасымалдау жолағын көрсетеді. Бұл жалған валютаны анықтау үшін кеңінен қолданылады. АҚШ валютасында қолданылатын қағаздың көп бөлігі крахмалмен қатырылмайды. Осылайша, иод ерітіндісін қолданғанда осы қызғылт түстің пайда болуы – бұл валютаның жалған екенін көрсетеді.

TTF-TCNQ: электр өткізгіш кешендер үшін прототип

1954 жылы йод немесе броммен алынған перилендік заряд тасымалдау тұздары 8 ом·см-ге дейін төмен кедергіге ие екені хабарланды. Бұл қатты денеге металл сияқты электр өткізгіштік тән және ол алғашқы таза органикалық өткізгіш ретінде ашылды. TTF TCNQ кристалдарында TTF және TCNQ молекулалары жеке-жеке, параллель тізбектерде орналасқан және электрондар донорлық (TTF) тізбектерінен акцепторлық (TCNQ) тізбектеріне өтеді. Сондықтан электрондар мен электрондық кемшіліктер тізбектерде бөлініп, шоғырланады және кристалл ұштарына электр потенциалы қолданғанда TCNQ және TTF бағаналары бойымен бір өлшемді бағытта қозғала алады. Тетраметил тетраселенафулвален гексафторфосфаты (TMTSF2PF6) – бұл нормалды жағдайда жартылай өткізгіш, төмен температурада (критикалық температура) және жоғары қысымда (0,9 К және 12 кбар) жоғары өткізгіштік көрсетеді. Бұл кешендердегі критикалық ток тығыздығы өте төмен.

Механикалық әсерлері

Көптеген нуклеофилдердің электрофилдерге шабуылдауына қатысты реакцияларды бастапқы заряд көшіру кешенінің тұрғысынан қарастырып бағалауға болады. Мысалдарға электрофильді ароматтық алмастыру, кетондарға Гринард реагенттерін қосу және металл алкил байланыстарының броминолизі кіреді.

Тарихи дереккөздер

Y. Окамото және В. Бреннер Органикалық жартылай өткізгіштер, Rheinhold (1964)