Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Герсон Ф. Спектроскопия ЭПР высокого разрешения

.pdf
Скачиваний:
24
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
8.36 Mб
Скачать

Ион-радикал

 

 

2

3

Ч_

У/

Ч

/

 

 

х ш

 

 

Дифенил

 

 

2'

2

=

\ _ /

= \ _ /

=

у/

 

Ч -

 

 

XIV

 

 

Терфенил

 

 

" \

2

3

 

- Х

7 Ч

^

 

 

6

5

 

 

XV

 

Стильбен

П р о д о л ж е н и е

 

 

 

+

 

 

 

В r L

 

 

 

2,73

0,090

0,106

0,43

0,020

-0,026

5,46

0,158

0,213

2,07

0,060

0,078

0,56

0,008

-0,023

3,30

0,088

0,122

0,95

0,049

0,037

3,03 , сред-

0,075

0,095

1,94

нее

 

 

I

2,48

 

 

0,83

сред­

0,006

-0,032

0,30

нее

 

 

4,00

0,56

0,098

0,132

 

4,51

 

0,192

0,211

составляет 0,58 Э. Между наблюдаемыми и рассчитанными

значениями

существует

хорошая корреляция,

особенно

если принять

во внимание тот факт, что ей

подчиняются

такие сильно различающиеся системы, как ката-

или

леры-конденсированные

ацены

(соединения

I — IX),

со­

единения с четырех- и пятичленными кольцами*

(X — XII)

и углеводороды, состоящие из

слабосопряженных остат­

ков бензола и этилена

(XIII — XV) . Это необходимо

отме­

тить, так как многие из упомянутых молекул содержат от­ носительно длинные связи С—С, и в таких случаях исполь-

* В отличие от нейтрального

соединения X I I анион-радикал

X I I - циклооктатетраена считается

плоским (ср. разд. 2.5).

зование различных значений хюккелевских параметров |3 может привести к лучшему согласию теории с эксперимен­ том. Однако, чтобы не нарушить справедливость исследо­ вания из-за добавочных параметров, были устранены все изменения параметра (3 для ион-радикалов как альтернантных, так и неальтернантных углеводородов (см. ниже, табл. 3).

о

6 -

0,05 0,10 0,15 0,20

Р и с. 25. Зависимость констант СТВ кольцевых протонов aH | i от спиновых заселенностей с? хюккелевских молекулярных орбиталей для альтернантных углеводородов, приведенных в табл. 2.

Прямая на рис. 25 имеет незначительное отклонение от начала координат. Ее наклон, равный 29,0 + 1,4 Э,— эм­ пирически оцененная величина параметра |QCH| В уравне­ нии (20). Как говорилось в разделе 1.5 и дополнении 1.1, этот параметр имеет отрицательный знак, однако он не может быть определен из спектров ЭПР радикалов в ра­ створе. Ясно, что эмпирическая оценка параметра |QCHJ зависит от метода, использованного для расчета я-спино-

вых заселенностей. Экспериментальные значения, приве­ денные в табл. 2, дают меньшую величину для этого пара­ метра в тех случаях, когда хюккелевские величины сД заменяют более точными значениями. Эти уточненные спи­ новые заселенности р£ могут быть также отрицательными,

I

1

1

 

I

L _

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

Р и с . 26. Зависимость

констант

СТВ

кольцевых протонов а Н ( 1

от спиновых

заселенностей [ |, рассчитанных по формуле Мак-

Лечлана (44)

для ион-радикалов альтернантных углеводородов,

 

приведенных в табл. 2.

особенно на центрах р с исчезающе малыми значениями

с Д (ср. разд. 1.6 и дополнение 1.2). Для того чтобы вы­ полнялось условие (21) для суммы р£, появление таких

отрицательных спиновых заселенностей должно сопровож­ даться компенсирующим увеличением положительных зна­

чений р£ на других центрах. Поэтому более точные значе­

ния \рЦ ОбыЧНО бОЛЬШе, ЧЄМ ХЮККеЛеВСКИе ВеЛИЧИНЫ Cjy..

5—806

Это можно видеть при рассмотрении табл. 2, в которой даны спиновые заселенности р", рассчитанные на осно­ вании величин Cj,j. по уравнению Мак-Лечлана (44). По­ добно хюккелевским величинам с2,,., полученные значения спиновых заселенностей Р£ для анион- и катион-радикала любого данного альтернантного углеводорода оказывают­

ся

равными,

т. е.

р^ = р£\

 

 

 

Уравнение

прямой, приведенной на рис. 26,

имеет

вид

 

 

аН ! 1

= 0,22

+

22,9 | р » | .

 

(112)

Это

уравнение дает

новое

и

более вероятное

значение

|QCH| = 22,9 ±

0,8 Э. Среднеквадратичное отклонение

ин­

дивидуальных значений от этой прямой составляет теперь 0,44 Э. Этот результат означает, что уточнение метода не­ сколько улучшает корреляцию между рассчитанными и наблюдаемыми значениями. В этом случае прямая также проходит почти через начало координат.

Из табл. 2 и рис. 25 и 26 видно, что константы СТВ айр. и анр. ион-радикалов, полученных из одного и того же ис­ ходного соединения, имеют только незначительное различие. Это соотношение в полной мере отражается в сходстве спек­ тров ЭПР анион-радикалов и соответствующих катион-ра­ дикалов, как это видно на примере ион-радикалов перилена [44], приведенных на рис. 27.

Таким образом, экспериментальные результаты подтвер­ дили предсказание теории МО, что в случае альтернантных ион-радикалов анион и катион, полученные из одного и

того же углеводорода, должны иметь

равные спиновые за­

селенности, Т. Є.

CaV == Сьр. И p i

=

р£\

Если исходить

из равенства

спиновых заселенностей

р£ = р|Г> то для воспроизведения наблюдаемых малых раз­ личий между константами СТВ ан^ и анр. соответствующих альтернантных ион-радикалов потребуются по крайней мере два параметра Q.

Наиболее простой метод, который может дать более или менее правильные результаты, основывается на том факте, что константы взаимодействия анц. катион-радика­ лов обычно несколько больше констант взаимодействия

ан, соответствующих анионов. Следовательно, совпадение между экспериментом и теорией может быть улучшено

Р и с . 27. Спектры ЭПР ион-радикалов перилена.

а — анион в 1,2-диметоксиэтане при—70°С,

противоион — катион натрия; б — ка­

тион в концентрированной серной кислоте

при 25°С (Вследствие случайного вы-

рождения, а н + а Н 2 ~ а ш спектр анион-радикала

содержит, по-видимому,

мень­

ше линий, чем спектр катион-радикала.)

 

путем использования нескольких отличных значений

| Q C H|

для катионов и анионов, т. е. | Q C H

и Qсн I

 

•"н.

(113)

 

 

= Q + C H P ; -

(114)

 

На основании приведенных в табл. 2 данных были полу­ чены следующие значения QC H'-

 

 

 

 

 

 

 

|«сн|

 

|«сн|

Рассчитано

на основании

хюккелевских

вели­

 

 

 

 

 

чин с ^

 

 

 

 

 

 

26,9 Э

 

35,1 Э

Рассчитано

по спиновым заселенностям

по

21,8 Э

 

25,4

Э

 

 

 

 

 

 

 

 

В других методах

в дополнение к Q X ( = Q C H )

 

ВВОДИТСЯ

второй параметр Q2 . В этих случаях применяются форму­

лы (115) и (116). Уравнение [154,

158]

 

 

 

 

 

 

ащ

=(Q1±Qzev.)P;

 

 

 

 

(115)

учитывает

избыточный

 

заряд

( = |q£— 1|)

на

центре

ц,

положительный и отрицательный

знаки, относящиеся

к

катион-радикалам и анион-радикалам.

Заменяя

р£

на

Cj^ и принимая во внимание, что

в альтернантной

системе

значение избыточного заряда є£ на хюккелевской

МО есть

также Cj^ уравнение (115)

можно упростить:

 

 

 

 

"и* =

Q i U ±

Q*> •

 

 

 

( 1 1 6 )

Эмпирические значения для |QX| и [Q2 |

составляют

со­

ответственно 27 и 12 эрстед [158].

 

 

 

 

 

Уравнение[159]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

% , = Q i i

± Q 2 2 l c J , c . j

 

 

 

(117)

содержит

поправочный

член,

полученный

из

уравнений

(74) и (75) (дополнение

1.1)

с сохранением

произведений

коэффициентов cj|X и cj v хюккелевских МО на соседних центрах ц и v. Положительный и отрицательный знаки и

в этом случае относятся к

катион- и анион-радикалам.

Эмпирические значения |QX|

и |Q2 |

составляют теперь 32

и 7 Э соответственно. Объединение

уравнений (116) и

(117)

приводит к выражению, содержащему три параметра

[160]:

 

 

Таблица

З

Константы СТВ кольцевых

протонов и спиновые заселенности

 

в ион-радикалах неальтернантных

углеводородов

 

Ион-радикал

 

n 1

 

 

 

 

0,27

0,004

—0,025

 

3,95

0,100;

0,109

 

6,22

0.221І

0,304

 

1,34

0,011і

—0,085

 

8,83

0,261

0,375

 

XVII

3,09

 

0,104

0,100

 

4,51

 

0,151

0,205

 

 

0,45

 

0,0141

—0,052

 

 

5,64

 

0.178І

0,261

 

Аценафтилен

 

 

 

 

 

 

3,90

 

0,121

0,164

 

 

0,17

 

0,022

—0,032

 

 

5,20

 

0,1631

0,241

 

 

0,08

 

0,016і

—0,037

 

 

1,21

 

0,039

0,037

 

XV111

 

 

 

 

 

Флуорантен

 

 

 

 

 

 

0,21

4,53

0,027 0,116

—0,003

0,147

XIX

2,76

2,13

0,087 0,056

0,108

0,040

0,80

5,88

0,000 0,143

—0,057

0,206

і :

4,04

0,78

0,136 0,007

0,195

-0,045

2,44

2,70 0,087;0,056

0,096

0,050

Ацеплейадилен

Ион-радикал

3

со\ = / XX

Аценафт-[1,2-а]- аценафтилен

П р о д о л ж е н и е

aHt x аН

с а

TZ —

Лите­ ратура

 

 

1

3,30

1,00

0,093 0,030

0,132

0,035

49

2

0,71

0,24

0,003 0,001

—0,038

—0,021

3

3,35

1,76

0,100

0,035

0,149

0,045

 

a H , = Q i i ± Q 2 S | c J , c j J ± Q 3 c i V

(118)

V

 

Для этих параметров были предложены следующие зна­ чения: |Qn|= 32 Э, |Qa | = 2 Э и |Q,| = 10 Э [299]*.

Неальтернантные системы. Известно всего несколько ион-радикалов неальтернантных углеводородов [49, 55, 67, 161]. Константы сверхтонкого взаимодействия аН ( ) . коль­ цевых протонов этих соединений, а также соответствующие спиновые заселенности на углеродных центрах ц приведены в табл. 3.

Как упоминалось ранее, волновые функции if>a и трb хюккелевских молекулярных орбиталей неальтернантных систем не обладают свойствами парности, поэтому спино­ вые заселенности на хюккелевских МО обычно различны

* Ранее указывалось [293], что различие между константами СТВ аН [ А и а ^ двух соответствующих ион-радикалов может быть обусловлено не только различиями в заряде [154, 158] и возмуще­ нием соседних центров [159], но и другими причинами. В этой связи представляется полезным исследовать, в частности, влияние растворителей, которые различны для анион- и катион-радикалов (ср. разд. 1.2).

в случае анион- и катион-радикала данного углеводорода (Са^сьр) . То же самое относится к спиновым заселенностям, рассчитанным на основании этих значений хюккелев­ ских молекулярных орбиталей с помощью уравнения МакЛечлана (44) к~фр£).

Данные, приведенные в табл. 3, свидетельствуют о хо­ рошем соответствии между измеренными и рассчитанными значениями. Это соответствие особенно выразительно в случае ацеплейадилена (XIX) [271] и аценафт-(1,2-а)- аценафтилена (XX) [272], которые дают как анион-, так и катион-радикалы. Оно иллюстрируется сравнением суммы абсолютных величин рассчитанных спиновых заселеннос­ тей на связанных с протоном центрах р с общей протяжен­ ностью спектров [ср. уравнение (18), разд. 1.5].

Анион-

S с 2

 

 

 

Катион-

S

i

ц <\

Ц «*J

радикал

 

і1

 

радикал

 

a|i

 

 

 

V-

 

V-

V-

 

 

 

 

 

 

 

 

XIX-

0,674

0,918

20,49

 

XIX+

0,756

0,976

32,04

х х -

0,784

1,276

29,44

 

XX+

0,268

0,404

12,00

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4

 

Общая протяженность

спектров

некоторых

 

 

углеводородных

ион-радикалов

 

 

 

 

 

£14,1

 

Щ 4 ; 1

Литера­

Ион-радикалы

 

 

 

 

 

 

 

 

тура

 

 

 

е-

 

 

 

 

 

 

Альтернантные

 

 

 

 

 

 

 

 

Антрацен

I I I

 

30,82

27,68

 

1,11

153

Тетрацен

IV

 

31,12

27,80

 

1,12

154,90

Пентацен V

 

31,36

27,80

 

1,13

153,45

Пирен V I I

 

30,48

27,52

 

1,09

149,59

Перилен

V I I I

 

30,64

28,28

 

1,08

154

Неальтернантные

 

32,04

20,49

 

1,56

49

Ацеплейадилен XIX . . .

 

Аценафт-[1, 2-а]-аценаф-

12,00

29,44

0,41

49

тилен XX

 

Отношение

протяженностей спектров 2 |

| / S | а~ |

составляет 1,56

для

ион-радикалов X I X и 0,41 — д л я X X .

С другой стороны,

в случае ион-радикалов

альтернантных

углеводородов соответствующее значение всегда равно при­ близительно 1,1. Таким образом, соотношение парности хюккелевских МО влияет на величины этого отношения (не­ которые из них приведены в табл.4).

Большие различия между индивидуальными констан­ тами СТВ айа и ана, а также между протяженностями спектров E|aH|J и 2|а^| ясно видны при сравнении спектров

анион- и катион-радикала аценафт-[1,2-а]-аценафтена (XX) [49], приведенных на рис. 28.

Эрстед

Р И С . 28. Спектры Э П Р ион-радикалов аценафт-[1,2-а]-аценаф- тилена [49].

р, — анион-радикал в 1,2-диметоксиэтанз при —70°С, противоион — катион натрия; 6 — катион-радикал в концентрированной серной кислоте при 65°С.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ