3. Dyfrakcyjne metody rentgenowskie wyznaczania korelacji molekularnych
4.1. Koncepcja rentgenostrukturalnych badań pochodnych cykloheksanu
tych związków organicznych obliczono teoretyczne funkcje rozkładów natęŜenia rozproszonego promieniowania rentgenowskiego. Następnie funkcje te porównano z odpowiadającymi funkcjami, otrzymanymi na drodze eksperymentu dyfrakcyjnego. Na podstawie uzyskanych funkcji rozkładów oddziaływań międzymolekularnych wyznaczono najkrótsze i najbardziej prawdopodobne odległości między molekułami w badanych złoŜonych cieczach organicznych.
Niniejsza rozprawa poświęcona jest zastosowaniom zjawiska dyfrakcji promieni rentgenowskich do badania oddziaływań wewnątrzmolekularnych i międzymolekularnych oraz struktury bliskiego zasięgu w cieczach. Omówiono kolejno zastosowanie metody Bluma i Nartena (rozdz. 7) do wyznaczania struktur molekuł pochodnych cykloheksanu (rozdz. 8) i pochodnych cykloheksanonu (rozdz. 9).
RóŜnicowe funkcje rozkładów radialnych gęstości elektronowej (rozdz. 8.4 i 9.4)
− otrzymane z analizy Fouriera funkcji natęŜeń − stanowiły podstawę badań struktury lokalnego uporządkowania i najbardziej prawdopodobnego ułoŜenia i orientacji molekuł w analizowanych cieczach. Ponadto określono rozmiary sfer koordynacyjnych oraz ilości sąsiadów zawartych w danym zespole molekularnym.
Szerokokątowa analiza rentgenowska (WAXS daje informacje o odległościach ) międzyatomowych i międzymolekularnych w granicach od 0 Å do 20 Å.
Praca niniejsza jest kontynuacją badań cieczy molekularnych zapoczątkowanych w 1960 roku w Katedrze Fizyki Doświadczalnej [79], a obecnie prowadzonych w Zakładzie Optyki Wydziału Fizyki UAM.
4.1. Koncepcja rentgenostrukturalnych badań pochodnych cykloheksanu i cykloheksanonu
W pierwszym etapie badań korelacji molekularnych metodą szerokokątowej dyfrakcji rentgenowskiej zbadano izomery ekwatorialne pochodnych cykloheksanu (rys. 18) o wzorze ogólnym:
CnH2n−1−R, (68) gdzie n − ilość atomów węgla, R − grupa funkcyjna. Związki te powstają w wyniku substytucji atomu wodoru w molekule cykloheksanu odpowiednią grupą funkcyjną:
−CH3 w molekule metylocykloheksanu C6H11 −CH3 −NH2 w molekule cykloheksyloaminy C6H11−NH2 OH− w molekule cykloheksanolu C6H11 −OH.
Analizowano, jaki wpływ na róŜnicowe funkcje rozkładów radialnych gęstości elektronowej, a tym samym na rozkłady przestrzenne molekuł, mają grupy funkcyjne:
metylowa (−CH3), aminowa (−NH2), hydroksylowa ( OH− ). Celem tych badań było ustalenie wpływu tych podstawników na ułoŜenia, orientacje i upakowanie molekuł w zakresie odległości do 20 Å. Na rysunku 18 przedstawiona jest struktura pierścienia cykloheksanu w formie krzesłowej.
Rys. 18. Koncepcja rentgenostrukturalnych badań izomerów ekwatorialnych pochodnych cykloheksanu C6H12 i cykloheksanonu C6H10O [80]
W celu określenia wpływu na strukturę zarówno grup funkcyjnych, jak i pierścienia cykloheksylowego, poddano analizie porównawczej cykloheksan C6H12 (rys. 19) jako typowy przedstawiciel jednopierścieniowych węglowodorów alifatycznych z grupy cykloalkanów. Cykloheksan był badany w fazie ciekłej metodą dyfrakcji rentgenowskiej [81].
Rys. 19. Pierścień cykloheksanu C6H12
W niniejszej rozprawie analizowano, czym róŜni się struktura bliskiego uporządkowania czystego cykloheksanu od podobnych lokalnych uporządkowań w badanych pochodnych cykloheksanu (rys. 18). Ponadto, potraktowano cykloheksan jako ciecz wzorcową, konfirmującą (lub ewentualnie dyskonfirmującą) poprawność obranej metody doświadczalnej.
W drugim etapie analiz korelacji molekularnych przy zastosowaniu metody rozpraszania promieni rentgenowskich przeprowadzono badania izomerii połoŜeniowej w następujących metylopochodnych cykloheksanonu C7H12O (rys. 18 i 20):
• 2–metylocykloheksanon • 3–metylocykloheksanon • 4–metylocykloheksanon.
Rysunek 20 przedstawia koncepcję badań ciekłych cykloalkanów z wyszczególnieniem podstawników.
Rys. 20. Koncepcja badań pochodnych nasyconych jednopierścieniowych węglowodorów alifatycznych − cykloalkanów z podstawnikami [82]
Celem tych badań było ustalenie wpływu zmiany połoŜenia grupy metylowej na korelacje międzymolekularne w ciekłych metylopochodnych cykloheksanonu.
Dokonano tego ustalając, jaki wpływ na funkcje rozkładów radialnych gęstości elektronowej ma grupa metylowa i jej rozmieszczenie w pierścieniu cykloheksanowym.
Cykloheksanon stanowi osnowę, do której dołączona jest jedna grupa metylowa w połoŜeniu orto−,meta−, para− w metylocykloheksanonie (rys. 18 i 20).
W cykloheksanonie (rys. 18) obecność trygonalnej grupy karbonylowej ma mały wpływ na kształt pierścienia.
Podjęto próbę ustalenia, czym róŜni się struktura uporządkowania bliskiego zasięgu molekuł cykloheksanonu od podobnych struktur uporządkowań bliskiego zasięgu w metylopochodnych cykloheksanonu.
Koncepcja badań cieczy molekularnych sprowadzała się więc do rentgenostrukturalnej analizy porównawczej dwóch następujących szeregów homologicznych (rys. 18 i 20):
cykloalkan CnH2n → jednopodstawione pochodne cykloalkanów CnH2n−1−R cykloalkanon CnH2n−2O → metylopochodne cykloalkanonów.
Badania wszystkich związków organicznych przeprowadzono w temperaturze 293 K . W temperaturze pokojowej cykloheksan zgodnie z wynikami badań termodynamicznych i optycznych (widma Ramana, widma w podczerwieni) oraz pomiarów dyfrakcji elektronowej występuje w postaci krzesłowej (fotelikowej). Ta postać w wyŜszych temperaturach przekształca się w postać wanienkową (łódeczkową), bogatszą energetycznie o około 5−6 kcal. Który z tych dwu izomerów przestrzennych występuje w pochodnych cykloheksanu, zaleŜy od rodzaju podstawników.
D.H.R. Barton [83] na podstawie badań termodynamicznych [84] i wyników dyfrakcji elektronowej wskazał, Ŝe w licznych pochodnych cykloheksanu występuje postać krzesłowa. W cykloheksanie rozróŜnił on dwa rodzaje wiązań C−H: aksjalne (azymutalne) i ekwatorialne (równoleŜnikowe). Norweski chemik O. Hassel podkreślił znaczenie kierunkowości tych wiązań w krzesłowej postaci cykloheksanu [85]. Z obliczeń termodynamicznych wynika, Ŝe podstawnik ekwatorialny e w takim układzie fotelikowym cykloheksanu jest bardziej stabilny niŜ podstawnik aksjalny a (rys. 18).
Na modelach czaszowych Stuarta−Briegleba stwierdzono, Ŝe wiązania aksjalne są w większym stopniu pod wpływem przeszkód sterycznych niŜ ekwatorialne. Podstawnik większy od atomu wodoru w połoŜeniu aksjalnym styka się w znacznym stopniu z dwoma innymi podstawnikami aksjalnymi (atomami H lub większymi). Ten sam podstawnik w połoŜeniu ekwatorialnym jest znacznie mniej ściśnięty. Wskutek tego, na przykład metylocykloheksan, dąŜy do przyjęcia postaci krzesłowej z grupą −CH3 w połoŜeniu ekwatorialnym. Jest to postać o większej trwałości i mniejszej energii niŜ postać, w której ta grupa jest w połoŜeniu aksjalnym. Zgodnie z tym poglądem jednopodstawione pochodne cykloheksanu częściej przyjmują konstelację ekwatorialną niŜ aksjalną. Progi energetyczne pomiędzy tymi konstelacjami są bardzo małe: około
kcal
1 przy 293 K Nie moŜna ich wykryć zwykłymi metodami chemicznymi, lecz . tylko metodami fizycznymi. Odmiany te nie mogą być rozdzielone.
W cykloheksanonie ekwatorialne atomy wodoru w pozycjach 2 i 6 (rys. 18) są w układzie prawie naprzeciwległym względem atomu tlenu grupy karbonylowej. Tak więc izomer 2–ekwatorialny metylocykloheksanonu jest zawsze izomerem trwalszym.
W badaniach rentgenowskich załoŜono więc, Ŝe izomery 2−, 3− i 4−ekwatorialne metylocykloheksanonu są izomerami trwalszymi w porównaniu z odpowiednimi izomerami w konformacji aksjalnej.
Zestawienie wszystkich badanych związków organicznych z podaniem najwaŜniejszych danych fizykochemicznych pokazane zostało w tabeli 2 [86].
1/ Eksperymentalne wyznaczenie funkcji kątowych rozkładów natęŜenia rentgenowskiego promieniowania rozproszonego w omawianych cieczach.
2/ Numeryczne wyznaczenie funkcji rozkładów radialnych gęstości elektronowej tych cieczy.
3/ Określenie średnich parametrów strukturalnych badanych cieczy: odległości międzyatomowych i międzymolekularnych, współczynników upakowania molekuł oraz liczb koordynacyjnych.
4/ Ustalenie najbardziej prawdopodobnego wzajemnego ułoŜenia i orientacji molekuł w lokalnych zespołach wewnętrznego uporządkowania.
5/ Zaproponowanie najbardziej prawdopodobnych geometrycznych modeli ułatwiających interpretację struktur.