СИММЕТРИЯ В ХИМИИ

АННОТАЦИЯ

В этой статье рассматривается симметрия в химии на разных уровнях, от элементарных частиц до органических соединений. Рассмотрено её влияние на свойства веществ, как химических, так и физических. Так же встречаются такие понятия, как зеркальность, принцип орбитальной симметрии Вудворда и Хоффмана. Упоминаются поляризация, парамагнитность, анизотропия. Рассмотрены влияние зеркальности на молекулы и физико-химические свойства молекул с разной симметрией. Дан всесторонний обзор связи симметрии в химии.

Ключевые слова: симметрия, орбитали.

В изучении химических соединений ключевую роль играет симметрия, которая воплощается в структуре молекул и является основополагающим фактором, оказывающим влияние на их физико-химические характеристики. Прежде всего стоит отметить, что элементы пространственной симметрии, такие как оси и плоскости симметрии, часто представлены в простых молекулах, например, метан (CH4) демонстрирует тетраэдрическую симметрию, в то время как аммиак (NH3) образует структуру правильной треугольной пирамиды. Сложные молекулы зачастую не имеют такой чётко выраженной симметрии в своей равновесной конфигурации, однако некоторые их части могут поддерживать приблизительную локальную симметрию.

В рамках симметричной классификации молекул выделяют набор фундаментальных нормативов. К числу первостепенных относится осевой элемент, представляющий собой вращательный стержень, вокруг которого структура, не теряя инвариантности своей конфигурации, способна совершать поворот на строго определенную величину угла. Возможно присутствие от одной до множества осей, ориентация которых в пространстве подразделяется на вертикальные, горизонтальные и диагональные. Следует обозначить наличие плоскостей симметрии, которые делят молекулу на парные, зеркально одинаковые сегменты. Рассматриваемая конструкция при зеркальном отображении относительно указанной плоскости остаётся неизменной. Подобные разделяющие плоскости также бывают классифицированы как вертикальные, горизонтальные или диагональные. Немаловажное значение имеет центральный аспект симметрии, который является центральной точкой возврата, относительно которой молекулярное тело, будучи отраженным, сохраняет прежнюю структуру. Дополнительно выделяется импозантная осево-плоскостная симметрия, объединяющая характеристики как оси вращения, так и зеркальной плоскости. Молекулярная сущность в данном контексте уникальна тем, что допускает как вращение вокруг собственной оси так и отражение от плоскости. Учитывая эти принципы, можно достигнуть идентификации симметрических групп молекул. Понимание принадлежности к определенной группе симметрии разглашает возможности для антисипации физико-химических характеристик молекул, объяснения их динамики в ходе реакционных процессов и особенностей при спектроскопических исследованиях. Иными словами, эти правила способствуют детальному пониманию поведения молекул в различных химических и физических сценариях.

Рисунок 1. Возможные формы молекул

Применение понятий динамических групп симметрии расширяет возможности описания молекулярных структур, предоставляя картину, включающую не только постоянные элементы симметрии, но и аспекты, возникающие в результате перестановки идентичных ядер. Это глубже отражает динамику молекулярных конфигураций, как показывает пример молекулы NH3, где рассматривается её инвариантность относительно инверсии, когда атом азота пересекает плоскость, сформированную атомами водорода.

Рисунок 2. Прохождение азота через плоскость атомов водорода в NH3

Симметричные свойства ядерных конфигураций молекул напрямую коррелируют с симметрией их волновых функций, что оказывает влияние на способность этих состояний классифицироваться в соответствии с типами симметрии. Поведение гомоядерных двухатомных молекул и бензола служит иллюстрацией этого явления, где указывается, что переходы между состояниями одинаковой чётности либо между невырожденными состояниями симметрии запрещены. Правила отбора, учитывающие как симметрию, так и спиновые характеристики состояний молекул, обогащают фундаментальное понимание переходов между состояниями и связанных с ними феноменов, включая интенсивность и поляризацию спектральных линий. Результат отмечает тесно связанную природу геометрических и квантово-механических аспектов химии, сочетанием которых объясняются не только статические, но и динамические свойства молекул.

Аномалии в структуре спектров электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса могут быть объяснены с помощью симметрии: парамагнитные центры в молекулах способствуют анизотропии g-фактора, а ядра с ненулевым спином приводят к расщеплению энергетических уровней и вариациям в проекциях ядерного спина. Они лежат в основе теорий кристаллического поля и поля лигандов, позволяя определять распределение электронных уровней в соединении. Понимание симметрии комплекса часто дает возможность качественно оценить его свойства.

Революционный принцип орбитальной симметрии, представленный в 1965 году Вудвордом и Хоффманом, сыграл значительную роль в органической химии, особенно препаративной. Закон Вудворда-Хоффмана указывает, что элементарные акты химических реакций происходят с сохранением симметрии орбиталей, утверждая, что нарушение этой симметрии делает реакцию более труднопроходимой. При применении данного метода, говорят, что реакции в которых он соблюдается – разрешенные, для тех реакций, где не соблюдается, соответственно – запрещённые.

В строении молекул так же симметрия играет очень важную роль, например, в молекуле пеницилламина. У этой молекулы есть правая и левая вариации. Левая достаточно эффективна при лечении ревматизма, обладает противовоспалительными свойствами и входит в перечень ЖНВЛП – (Жизненно необходимые и важнейшие лекарственные препараты). Полярная ей правая – является сильным ядом, вызывающим слепоту. Таким образом мы можем наблюдать отличительные свойства зеркальных молекул.

Рисунок 3. Левый и правый пеницилламин

Важность учета симметрии молекул особенно выражена при выборе веществ для химических лазеров, молекулярных выпрямителей, создании моделей органических сверхпроводников и анализе канцерогенных, а также фармакологически активных соединений.

Симметрия начинает влиять на устройство молекул еще на квантовом уровне и продолжает влиять на их свойства и устройство на уровнях выше. Сейчас в мере есть множество технологий для изучения данного вопроса, что благотворно влияет на научную деятельность и на жизнь в целом. Ведь лишь изменив симметрию вещества, при этом не меняя состав можно полностью изменить его свойства, иногда на противоположные.

Список литературы:

1. MolecularSymmetry — Текст : электронный // slideplayer.com : [сайт]. — URL: https://slideplayer.com/slide/8876097/(дата обращения: 16.12.2023).
2. Симметрия (в химии) — Текст : электронный //booksite.ru: [сайт]. —URL: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/102/212.htm/ (дата обращения: 15.12.2023).
3. Барташевич Е.В., Никулов Д.К. Стереохимияисимметриямолекул. Члб.: ЮУрГУ, 2011. — 73 с.
4. Дмитриев Е.С.  Симметрия в мире молекул. Л.: «Химия», 1976 — 128 с.