Das Elektronendichte es ist ein Maß dafür, wie wahrscheinlich es ist, das Elektron in einem bestimmten Raumbereich zu finden; entweder um einen Atomkern oder in den "Nachbarschaften" innerhalb molekularer Strukturen.
Je höher die Elektronenkonzentration an einem bestimmten Punkt ist, desto höher ist die Elektronendichte. Daher unterscheidet sie sich von ihrer Umgebung und weist bestimmte Eigenschaften auf, die die chemische Reaktivität erklären. Eine ausgezeichnete und grafische Art, ein solches Konzept darzustellen, ist das elektrostatische Potentialkarte.
Das obere Bild zeigt beispielsweise die Struktur des S-Carnitin-Enantiomers mit seiner entsprechenden elektrostatischen Potentialkarte. Eine Skala, die sich aus den Farben des Regenbogens zusammensetzt, kann beobachtet werden: Rot, um die Region mit der höchsten Elektronendichte anzuzeigen, und Blau für die Region, die arm an Elektronen ist..
Während das Molekül von links nach rechts durchlaufen wird, entfernen wir uns von der -CO-Gruppezwei- in Richtung Skelett CHzwei-CHOH-CHzwei, wobei die Farben gelb und grün sind, was auf eine Abnahme der Elektronendichte hinweist; bis zur Gruppe -N (CH3)3+, die ärmste Region der Elektronen, blau gefärbt.
Im Allgemeinen sind die Bereiche, in denen die Elektronendichte niedrig ist (die gelb und grün gefärbten), in einem Molekül am wenigsten reaktiv..
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Die Elektronendichte ist mehr als chemisch physikalischer Natur, da Elektronen nicht statisch bleiben, sondern sich von einer Seite zur anderen bewegen und elektrische Felder erzeugen..
Und die Variation dieser Felder verursacht die Unterschiede in der Elektronendichte in den Van-der-Waals-Oberflächen (all diesen Oberflächen von Kugeln)..
Die Struktur von S-Carnitin wird durch ein Modell von Kugeln und Balken dargestellt. Wenn es sich jedoch um die Van-der-Waals-Oberfläche handeln würde, würden die Balken verschwinden und nur ein zusammengebackener Satz von Kugeln würde beobachtet (mit denselben Farben)..
Elektronen befinden sich eher in der Nähe der elektronegativeren Atome. Es kann jedoch mehr als ein elektronegatives Atom in der Molekülstruktur geben, und daher Gruppen von Atomen, die auch ihre eigene induktive Wirkung ausüben.
Dies bedeutet, dass das elektrische Feld stärker variiert, als durch Beobachtung eines Moleküls aus der Vogelperspektive vorhergesagt werden kann. das heißt, es kann mehr oder weniger Polarisation von negativen Ladungen oder Elektronendichte geben.
Dies kann auch wie folgt erklärt werden: Die Lastverteilung wird homogener.
Da die -OH-Gruppe beispielsweise ein Sauerstoffatom aufweist, zieht sie die elektronische Dichte ihrer Nachbaratome an. In S-Carnitin liefert es jedoch einen Teil seiner Elektronendichte an die -CO-Gruppezwei-, während gleichzeitig die Gruppe -N (CH3)3+ mit größerem elektronischen Mangel.
Beachten Sie, dass es sehr schwierig sein kann, zu schließen, wie induktive Effekte in einem komplexen Molekül wie einem Protein funktionieren..
Um einen Überblick über solche Unterschiede in den elektrischen Feldern in der Struktur zu erhalten, wird die rechnerische Berechnung der elektrostatischen Potentialkarten verwendet..
Diese Berechnungen bestehen darin, eine positive Punktladung zu platzieren und entlang der Oberfläche des Moleküls zu bewegen; Bei geringerer Elektronendichte kommt es zu einer elektrostatischen Abstoßung. Je höher die Abstoßung, desto intensiver ist die blaue Farbe.
Wenn die Elektronendichte höher ist, tritt eine starke elektrostatische Anziehung auf, die durch die Farbe Rot dargestellt wird.
Die Berechnungen berücksichtigen alle strukturellen Aspekte, die Dipolmomente der Bindungen, die induktiven Effekte, die durch alle hochelektronegativen Atome usw. verursacht werden. Als Ergebnis erhalten Sie diese farbenfrohen und optisch ansprechenden Oberflächen..
Oben ist die elektrostatische Potentialkarte für ein Benzolmolekül dargestellt. Es ist zu beachten, dass sich in der Mitte des Rings eine höhere Elektronendichte befindet, während seine "Spitzen" aufgrund der weniger elektronegativen Wasserstoffatome eine bläuliche Farbe haben. Ebenso ist diese Ladungsverteilung auf den aromatischen Charakter von Benzol zurückzuführen.
In dieser Karte werden auch die Farben Grün und Gelb beobachtet, was die Annäherung an die Regionen angibt, die arm und reich an Elektronen sind..
Diese Farben haben eine eigene Skala, die sich von der von S-Carnitin unterscheidet. und deshalb ist es falsch, die Gruppe -CO zu vergleichenzwei- und das Zentrum des aromatischen Rings, beide dargestellt durch die Farbe Rot auf ihren Karten.
Wenn beide die gleiche Farbskala beibehalten würden, würde die rote Farbe auf der Benzolkarte ein schwaches Orange annehmen. Unter dieser Standardisierung können die elektrostatischen Potentialkarten und damit die Elektronendichten verschiedener Moleküle verglichen werden..
Andernfalls würde die Karte nur dazu dienen, die Ladungsverteilungen für ein einzelnes Molekül zu kennen..
Durch Beobachtung einer Karte des elektrostatischen Potentials und damit von Regionen mit hoher und niedriger Elektronendichte kann vorhergesagt werden (wenn auch nicht in allen Fällen), wo chemische Reaktionen in der Molekülstruktur auftreten werden..
Regionen mit hoher Elektronendichte sind in der Lage, ihre Elektronen den umgebenden Spezies, die sie benötigen oder benötigen, „zur Verfügung zu stellen“. zu diesen Arten negativ geladen, E.+, Sie sind als Elektrophile bekannt.
Daher können Elektrophile mit den Gruppen reagieren, die durch die Farbe Rot (-CO) dargestellt werdenzwei- und das Zentrum des Benzolrings).
Während die Regionen mit geringer Elektronendichte mit negativ geladenen Spezies oder mit solchen reagieren, die freie Elektronenpaare zum Teilen haben; Letztere sind als Nucleophile bekannt.
Im Fall des -N (CH3)3+, es reagiert so, dass das Stickstoffatom Elektronen gewinnt (reduziert).
Im Atom bewegen sich die Elektronen mit enormen Geschwindigkeiten und können sich gleichzeitig in mehreren Regionen des Weltraums befinden.
Mit zunehmender Entfernung vom Kern erhalten die Elektronen jedoch elektronische potentielle Energie und ihre Wahrscheinlichkeitsverteilung nimmt ab..
Dies bedeutet, dass die elektronischen Wolken eines Atoms keine definierte, sondern eine unscharfe Grenze haben. Daher ist es nicht einfach, den Atomradius zu berechnen; Es sei denn, es gibt Nachbarn, die einen Unterschied in den Abständen ihrer Kerne feststellen, von denen die Hälfte als Atomradius angenommen werden kann (r = d / 2)..
Atomorbitale und ihre Radial- und Winkelwellenfunktionen zeigen, wie sich die Elektronendichte in Abhängigkeit von der Entfernung ändert, die sie vom Kern trennt..
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