Chemická štruktúra

Chemická štruktúra popisuje molekulárnu geometriu a, ak je to možné a nutné, elektrónovú štruktúru danej molekuly alebo inej látky. Molekulárna geometria popisuje priestorové usporiadanie atómov v molekule a chemické väzby, ktoré držia tieto atómy pokope. Môže byť popísaná štruktúrnym vzorcom alebo molekulárnymi modelmi.^[1] Celková elektrónová štruktúra popisuje i obsadenie jednotlivých molekulárnych orbitálov v molekule.^[2]^[3] Popis chemickej štruktúry je možný pre rôzne druhy molekúl od malých molekúl (napríklad diatómový molekulárny kyslík či dusík) až po veľmi zložité molekuly (napríklad bielkoviny či DNA).

História

Teóriu chemickej štruktúry vyvinuli August Kekulé, Archibald Scott Cuoper a Aleksandr Butlerov, spolu s ďalšími, približne od roku 1858 ďalej.^[4] Tieto teórie boli prvé, ktoré hovorili, že chemické látky nie sú náhodné zhluky atómov a funkčných skupín, ale že majú definované usporiadanie dané valenciou atómov, z ktorých sa molekuly skladali, čo im dávalo trojdimenzionálnu štruktúru, ktorú bolo možné určiť alebo stanoviť.

Pred ich teóriami bolo vnímanie chemickej štruktúry látok rôznorodé. Nebolo jasné, či sa teórie aplikované na anorganickú chémiu môžu aplikovať i na organickú chémiu, ktorá vtedy bola novým odborom. Jean-Baptiste Dumas napríklad v roku 1840 klasifikoval látky podľa substitučných reakcií – ak sa z jednej látky pomocou substitúcie stala iná, látky boli toho istého typu.^[4] Williamson a Odling hovorili o „radikáloch“, z ktorých sa jednotlivé molekuly skladali.^[4]

Úrovne

Pri určovaní chemickej štruktúry je nutné rozlišovať medzi samotným prepojením atómov v rámci molekuly (chemická konštitúcia), popisom ich trojdimenzionálneho usporiadania (molekulárna konfigurácia, ktorá uvádza i informácie napríklad o chiralite) a presným určením väzbových dĺžok, uhlov a torzných uhlov, teda kompletnej reprezentácie (relatívnych) atómových koordinát. Tieto tri úrovne určovania šturktúry je možné vnímať ako postupné spresňovanie znalostí geometrie danej molekuly (najnižšou úrovňou je konštitúcia, potom konfigurácia a nakoniec najvyššou je presný 3D model s hodnotami dĺžok a uhlov väzieb a torzných uhlov).

Určovanie štruktúry chemických zlúčenín má väčšinou za úlohu určiť spôsob, ktorým sú jednotlivé atómy prepojené a väzbovosť jednotlivých väzieb. Ak je to možné, určovanie štruktúry vedie k trojdimenzionálnej reprezentácii priestorových koordinát atómov v molekule (alebo inej látke).^[5]

Vzorec alanínu. Ukazuje prepojenie jednotlivých atómov, ale neukazuje informácie o chiralite a presnom priestorovom usporiadaní.
Vzorec kyseliny mliečnej. Ukazuje takisto i priestorové usporiadanie na alfa uhlíku.
Vzorec fosgénu. V tomto vzorci sú presne zobrazené i väzbové dĺžky jednotlivých väzieb a väzbový uhol.

Metódy určovania chemickej štruktúry

Medzi metódy, ktorými je možné určiť chemickú štruktúru, patria tieto metódy:

určovanie len prepojenia medzi atómami:
- spektroskopie:
  - nukleárna magnetická rezonancia (¹H alebo ¹³C NMR) a jej rôzne varianty
  - rôzne metódy hmotnostnej spektrometrie (ktoré umožňujú určiť celkovú molekulárnu hmotnosť a i hmotnosti fragmentov)
  - absorpčná spektroskopia a vibračná spektroskopia – infračervená a Ramanova – umožňujú dôležité podporné informácie o počte a vzájomnej polohe násobných väzieb a takisto o druhu funkčných skupín (ktorých vlastné vnútorné usporiadanie dáva identifikovateľné vibračné dáta)
- doplnkové informácie ohľadne elektronickej štruktúry je možné získať pomocou cyklickej voltametrie a röntgenovej fotoelektrónovej spektroskopie
pre určovaní presných informácii o trojdimenzionálnej štruktúre:
- pre plyny pomocou plynovej elektrónovej difrakcie a mikrovlnnej rotačnej spektroskopie (a ďalších rotačných spektroskopiách)
- pre kryštalické látky pomocou röntgenovou kryštalografiou^[6] alebo neutrónovou difrakciou. Tieto metódy môžu vytvoriť trojdimenzionálne modely s rozlíšením na škále atómov, typicky s presnosťou 0,001 Å pre vzdialenosti a 0,1 ° pre uhly (vo výnimočných prípadoch i s lepším rozlíšením)^[6]^[7]

Dodatočné informácie je možné zistiť pomocou ďalších metód: ak má molekula nepárový elektrónový spín v nejakej funkčnej skupine, je možné využiť ENDOR a elektrónovú paramagnetickú rezonančnú spektroskopiu. Tieto techniky sú o to dôležitejšie, ak molekuly obsahujú atómy kovov a keď kryštály vyžadované v kryštalografii alebo druhy atómov vyžadované na NMR nie sú dostupné na určenie štruktúry molekuly. Nakoniec je v niektorých prípadoch možné použiť i špecializované metódy, ako je napríklad elektrónová mikroskopia.

Referencie

↑ HAALAND, ARNE.. Molecules and models : the molecular structures of main group element compounds. Oxford : Oxford University Press, 2008. Dostupné online. ISBN 978-0-19-923535-3.
↑ WEINHOLD, FRANK, 1941-. Valency and bonding : a natural bond orbital donor-acceptor perspective. Cambridge, UK : Cambridge University Press, 2005. Dostupné online. ISBN 0-521-83128-8.
↑ GILLESPIE, RONALD J. (RONALD JAMES). Chemical bonding and molecular geometry : from Lewis to electron densities. New York : Oxford University Press, 2001. Dostupné online. ISBN 0-19-510495-1.
↑ ^a ^b ^c ROCKE, A. J.. Kekulé, Butlerov, and the Historiography of the Theory of Chemical Structure. The British Journal for the History of Science, 1981-03, roč. 14, čís. 1, s. 27–57. Dostupné online [cit. 2022-08-12]. ISSN 0007-0874. DOI: 10.1017/S0007087400018276. (po anglicky)
↑ WELLS, A. F. (ALEXANDER FRANK), 1912-. Structural inorganic chemistry. Fifth. vyd. Oxford : [s.n.], July 12, 2012. Dostupné online. ISBN 978-0-19-965763-6.
↑ ^a ^b RANKIN, DAVID W. H.. Structural methods in molecular inorganic chemistry. Chichester, West Sussex, United Kingdom : [s.n.], January 2, 2013. Dostupné online. ISBN 978-1-118-46288-1.
↑ GLUSKER, JENNY PICKWORTH.. Crystal structure analysis for chemists and biologists. New York : VCH, 1994. Dostupné online. ISBN 0-89573-273-4.

Pozri aj

Ďalšie zdroje

GALLAGHER, Warren. Lecture 7: Structure Determination by X-ray Crystallography. Eau Claire, WI, USA : University of Wisconsin-Eau Claire, Department of Chemistry, 2006. Dostupné online.
WARD, S. C.; LIGHTFOOT, M. P.; BRUNO, I. J.. The Cambridge Structural Database. [s.l.] : [s.n.], 2016-04-01. Dostupné online. DOI:10.1107/S2052520616003954 S. 171–179. (po anglicky)

Zdroj

Chemický portál

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Chemical structure na anglickej Wikipédii.

[1] HAALAND, ARNE.. Molecules and models : the molecular structures of main group element compounds. Oxford : Oxford University Press, 2008. Dostupné online. ISBN 978-0-19-923535-3.

[2] WEINHOLD, FRANK, 1941-. Valency and bonding : a natural bond orbital donor-acceptor perspective. Cambridge, UK : Cambridge University Press, 2005. Dostupné online. ISBN 0-521-83128-8.

[3] GILLESPIE, RONALD J. (RONALD JAMES). Chemical bonding and molecular geometry : from Lewis to electron densities. New York : Oxford University Press, 2001. Dostupné online. ISBN 0-19-510495-1.

[:1-4] ROCKE, A. J.. Kekulé, Butlerov, and the Historiography of the Theory of Chemical Structure. The British Journal for the History of Science, 1981-03, roč. 14, čís. 1, s. 27–57. Dostupné online [cit. 2022-08-12]. ISSN 0007-0874. DOI: 10.1017/S0007087400018276. (po anglicky)

[5] WELLS, A. F. (ALEXANDER FRANK), 1912-. Structural inorganic chemistry. Fifth. vyd. Oxford : [s.n.], July 12, 2012. Dostupné online. ISBN 978-0-19-965763-6.

[:0-6] RANKIN, DAVID W. H.. Structural methods in molecular inorganic chemistry. Chichester, West Sussex, United Kingdom : [s.n.], January 2, 2013. Dostupné online. ISBN 978-1-118-46288-1.

[7] GLUSKER, JENNY PICKWORTH.. Crystal structure analysis for chemists and biologists. New York : VCH, 1994. Dostupné online. ISBN 0-89573-273-4.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]