Катенация (химия)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Катенация (лат. catena – цепь) — способность атомов химического элемента образовывать разветвленные и неразветвлённые цепи.

Гипотеза о катенации атомов углерода была впервые выдвинута А. Кекуле и А. Купером в 1858 году, указавшими на способность атомов углерода при насыщении своих «единиц сродства» образовывать цепи. Это механическое учение о соединении атомов в цепи с образованием молекул легло в основу теории химического строения А. М. Бутлерова (1861).

Катенация атомов - это возможность атомов одного и того же элемента образовывать длинные цепи. Она происходит наиболее легко у углерода, который образует ковалентные связи с другими атомами углерода с образованием длинных цепочек и связей. Именно явление катенации объясняет наличие огромного количества органических соединений в природе. Углерод является самым известным за свои свойства сцепления, органическая химия по существу является изучением углеродных структур. Тем не менее, углерод отнюдь не единственный элемент, способный образовывать такие цепи, ряд других основных элементов группы способны образовывать обширный спектр цепей, в том числе кремний и сера. Способность связывать элемент основывается прежде всего на энергии связи элемента с самим собой, которая уменьшается с более диффузной орбитали (с высшим азимутальным квантовым числом) перекрытия, чтобы сформировать связь. Таким образом, углерод способен образовывать больше цепочек атомов, чем более тяжелые элементы. Способность катенации также зависит от целого ряда стерических и электронных факторов, в том числе от электроотрицательности элемента, молекулярных орбиталей гибридизации и способности к образованию различных видов ковалентных связей. Для углерода, сигма-перекрытия между соседними атомами достаточно сильны, чтоб сформировать совершенно стабильную цепь. В изначальном состоянии сера существует в виде молекул S₈. При нагревании эти кольца открываются и связываются между собой, порождая всё более длинные цепочки, о чём свидетельствует постепенное увеличение вязкости. Селен и теллур тоже показывают варианты этих структурных мотивов. Кремний может образовывать сигма-связи с другими атомами кремния. Тем не менее, трудно подготовить и выделить SinH2n+2 (аналогично насыщенным углеводородам — алканам) с n больше, чем примерно 8, а их термическая устойчивость уменьшается с увеличением числа атомов кремния. Эти длинные цепочки соединений имеют неожиданные электронные свойства — высокая электропроводность, например, вытекающие из сигма-делокализации электронов в цепи. (См. RD Миллер и Дж. Michl. Chem Rev 89 (1989), pp 1359–1410). Фосфорные цепи (с органическими заместителями) были подготовлены, хотя они имеют тенденцию быть весьма хрупкими. Малые кольца или кластеры являются более распространёнными. Тем не менее, они являются менее стабильными, чем углеродные аналоги.