WAS IST ELEKTRONENDICHTE? - CHEMIE - 2025

Die Elektronendichte 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 hervorragende grafische Darstellung eines solchen Konzepts ist die elektrostatische Potentialkarte.

Quelle: Manuel Almagro Rivas über Wikipedia

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, bewegen wir uns von der -CO ₂ ^-Gruppe weg in Richtung des CH ₂ -CHOH-CH ₂ -Gerüsts , wo die Farben gelb und grün sind, was auf eine Abnahme der Elektronendichte hinweist. bis zur Gruppe -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , der elektronenarmsten Region, blau gefärbt.

Im Allgemeinen sind die Bereiche, in denen die Elektronendichte niedrig ist (die gelb und grün gefärbten), in einem Molekül am wenigsten reaktiv.

Konzept

Die Elektronendichte ist nicht nur chemisch, sondern auch 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 (mit denselben Farben) würde beobachtet.

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 eine mehr oder weniger Polarisation der negativen Ladungen oder der Elektronendichte geben.

Dies kann auch folgendermaßen erklärt werden: Die Verteilung der Ladungen wird homogener.

Elektrostatische Potentialkarte

Da die -OH-Gruppe beispielsweise ein Sauerstoffatom aufweist, zieht sie die elektronische Dichte ihrer Nachbaratome an. In S-Carnitin gibt es jedoch einen Teil seiner Elektronendichte an die -CO ₂ ^{- -Gruppe ab} , während es gleichzeitig die -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ -Gruppe} mit einem größeren elektronischen Mangel verlässt .

Beachten Sie, dass es sehr schwierig sein kann, zu schließen, wie induktive Effekte auf ein komplexes Molekül wie ein Protein wirken.

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, und bei größerer Abstoßung ist die blaue Farbe umso intensiver.

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 aller hochelektronegativen Atome usw. Als Ergebnis erhalten Sie diese farbenfrohen und optisch ansprechenden Oberflächen.

Farbvergleich

Quelle: Wikimedia Commons

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 bläulich sind. 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 ihre eigene Skala, die sich von der von S-Carnitin unterscheidet. und deshalb ist es falsch, die Gruppe -CO ₂ ^- und das Zentrum des aromatischen Rings zu vergleichen, die beide durch die Farbe Rot in ihren Karten dargestellt werden.

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.

Chemische Reaktivität

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"; Diese negativ geladenen Spezies E ⁺ sind als Elektrophile bekannt.

Daher können Elektrophile mit den durch die Farbe Rot dargestellten Gruppen (der -CO ₂ ^-Gruppe und dem Zentrum des Benzolrings) reagieren .

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 der -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ -Gruppe} reagiert sie so, dass das Stickstoffatom Elektronen gewinnt (reduziert wird).

Elektronendichte im Atom

Im Atom bewegen sich 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 vom Kern ändert.

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