Аддитивный характер молекулярной рефракции и поляризуемости

Основой применения поляризуемости для установления химического строения, распределения электронов и характера внутримолекулярных взаимодействий, конфигурации и конформации молекул является представление об аддитивности молекулярных величин. Согласно принципу аддитивности каждому структурному фрагменту - химической связи, атому, группе атомов или даже отдельным электронным парам - приписывается определенное значение рассматриваемого параметра. Молекулярная величина представляется в виде суммы по этим структурным фрагментам. Любая молекула есть система атомов или связей, взаимодействующих между собой. Строгая аддитивность предполагает неизменность параметров каждого структурного фрагмента при переходе от одной содержащей его молекулы к другой. Любые взаимодействия приводят к изменению свойств атомов и связей или к появлению дополнительных вкладов в молекулярные величины. Другими словами, аддитивное значение свойства, приписываемое каждому атому, зависит не только от его природы, но и от окружения в молекуле. Поэтому ни одно физическое свойство не может быть строго аддитивным. В такой ситуации способ использования принципа аддитивности должен быть приведен в соответствие с определенными заданными условиями.

К настоящему времени в разработке и применении аддитивных схем поляризуемости наметились две основные тенденции. С одной стороны, зависимость параметров поляризуемости атомов или связей от их окружения заставляет конкретизировать аддитивную схему, вводя, например, инкременты для атомов какого-либо элемента в различных валентных состояниях или различных типах связей; далее учитывается уже характер замещения у соседнего атома и т.д. В пределе такой подход приводит к набору поляризуемостей каждого фрагмента или же к вычислению средних поляризуемостей и анизотропий больших структурных единиц, своего рода «субмолекул», которые автоматически учитывают взаимодействия внутри них.

Вторая тенденция заключается в принятии более или менее узкой аддитивной схемы и рассмотрении всех отклонений от нее как проявлений взаимодействий. Молекулярный эллипсоид тогда слагают из атомов или связей плюс из сверхаддитивных вкладов, обусловленных взаимодействиями.

Первый подход считают более приемлемым при исследовании пространственной структуры молекул, когда выявление эффектов взаимного влияния несущественно.

Второй подход используется главным образом при анализе электронного строения жестких молекул.

В 1856 г. Бертло указал, что между молекулярными рефракциями соседних членов гомологического ряда имеется простое соотношение:

R_n=1-R_n=const=R_СН2 (13)

Согласно (13), молекулярную рефракцию n-го члена гомологического ряда можно рассматривать как сумму молекулярных рефракций первого члена и n-1 групп СН₂:

R_n=R₁+(n-1)*R_СН2, (14)

где n- порядковый номер члена гомологического ряда.

В химии используются две схемы расчета молекулярной рефракции: по атомам и по связям, входящих в состав исследуемого соединения.

Согласно первой схеме, молекулярная рефракция для некоторых групп соединений, зависит только от природы и числа атомов в молекуле, и может быть вычислена суммированием характерных для данного элемента атомных рефракций:

R(C_nH_mO_pX_g)=n*R_C+m*R_H+p*R_O+g*R_X, (15)

где R(C_nH_mO_pX_g) - молекулярная рефракция соединения состава CnHmOpX_g; R_C,R_H и т.д. - атомные рефракции углерода, водорода и других элементов.

Во втором случае молекулярная рефракция рассчитывается по связям. Использованию этой схемы расчета способствовало установление влияния природы связей на молекулярную рефракцию, имевшее большое значение, т.к. открывало возможность использования молекулярной рефракции для определения строения органических веществ. Было показано, что на величине молекулярной рефракции отражается так же характер связей других элементов. Кроме природы образующих связь атомов и кратности связи, было доказано влияние на молекулярную рефракцию напряженных (три- и тетраметиленовых) циклов и выведены особые инкременты для трехчленного, а затем и четырехчленного углеродных колец.

В сложных функциональных группах с многовалентными элементами (-NO₂, -NO₃, -SO₃ и т.д.) невозможно строго определить атомные рефракции без условных допущений, поэтому стали употреблять групповые рефракции радикалов.

К началу 1920 г. было выяснено, что значения молекулярной рефракции определяются главным образом числом и свойствами высших (валентных) электронов, участвующих в образовании химических связей. С другой стороны, решающую роль играла природа химических связей. В связи с этим Штайгер (1920 г.), а затем Фаянс и Клорр предложили рассматривать молекулярную рефракцию как сумму рефракций связей. Например, для СН₄:

R_CH4=R_C+4*R_H=4*R_C-H

R_C-H=R_H+1/4*R_C

R_CH2=R_C+2*R_H=R_C-C+2*R_C-H

R_C-C=1/2*R_C

Способ расчета по рефракциям связей более последователен, проще и точнее. Для практического использования при структурном анализе органических соединений система рефракций связей не имеет решающих преимуществ.

В химии используются и рефракции связей и атомные рефракции.