البنية الجزيئية رباعية السطوح هي بنية جزيئية يكون فيها ذرة مركزية يحيط بها أربع متبادلات، تكون واقعة على زوايا رباعي سطوح. تكون الزوايا بين الروابط في هذه البنية cos−1(−1/3) ≈ 109.5°، وذلك عندما تكون المستبدلات الطرفية ذاتها، كما في غاز الميثان CH4.[1][2]
ينتمي رباعي السطوح ذو التناظر التام إلى الزمرة النقطية Td، ولكن في الواقع فإن أغلب الجزيئات لا يكون لها ذلك التناظر التام.
أمثلة
العناصر الأساسية
إن أغلب مركبات عناصر السيليكون Si، والجرمانيوم Ge، والقصدير Sn هي ذات بنية جزيئية رباعية السطوح، باستثناء بعض المركبات العضوية المشبعة. غالباً ما يكون هناك إمكانية للجزيئات ذات البنية رباعية السطوح بأن تمنح فرصة ارتباط مع ربيطات خارجية، كما هو الحال في رباعي أكسيد الزينون (XeO4)، وأنيونات فوق الكلورات (-ClO4) والكبريتات (2-SO4) والفوسفات (3-PO4)، بالإضافة إلى ثلاثي فلوريد الثيازيل SNF3، والذي فيه رابطة ثلاثية بين الكبريت والنتروجين.[3]
يمكن أن يصنف الأمونياك من ضمن الجزيئات ذات البنية رباعية السطوح، وذلك في خال اعتبار الزوج غير الرابط كربيطة كما في اعتبارات نظرية تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ (VSEPR theory). إن الزاوية H-N-H في الأمونياك تبلغ 107°، وهي أقل من 109.4°، ويمكن إرجاع السبب إلى تأثير الزوج الإلكتروني الوحيد.
الفلزات الانتقالية
تشكل الفلزات الانتقالية العديد من المركبات والمعقدات التناسقية التي لها بنية جزيئية رباعية السطوح، وذلك مثل رباعي كلوريد التيتانيوم ورباعي كربونيل النيكل ومرابع (ثلاثي فينيل فوسفين) البالاديوم(0)، بالإضافة إلى العديد من معقّدات الحديد الثنائي (Fe(II والكوبالت الثنائي (Co(II والنيكل الثنائي (Ni(II.
الروابط الهيدروجينية للماء
يوجد الماء السائل في بنيته الجزيئية على شكل رباعيات سطوح، بحيث تكون ذرة الأكسجين في المركز وتكون مرتبطة تساهمياً مع ذرّتي هيدروجين، ومرتبطة مع ذرتي هيدروجين إضافيتين بواسطة الروابط الهيدروجينية. لا يكون رباعي السطوح في هذ الحالة متناظراً لتفاوت أطوال الروابط.[4]
الاستثناءات والتشوّهات
يمكن للمركبات التي لها بنية جزيئية رباعية السطوح أن تحدث لها تشوّهات أو تغيّرات في التناظر، وذلك فيما يسمى انقلاب. في المركبات العضوية تلاحظ ظاهرة انقلاب فالدن، وهي تحدث في المركبات بالنسبة لذرة الكربون، بالإضافة إلى حدوث ظاهرة الانقلاب النتروجيني في الأمونياك NH3 بالنسبة لذرة النتروجين.
يمكن أن يحدث انقلاب في بنية الجزيء رباعية السطوح عند وجود إعاقات فراغية، ويدعة حينها الكربون باسم الكربون المنقلب، وتكون البنية أقرب للهرمية.[5]
من الأمثلة على على وجود كربون منقلب في جزيء هي مركبات البروبلانات propellanes مثل 1.1.1-بروبلان، أو بادلان paddlanes،[6] أو بيراميدان pyramidanes.[7][8]
في الحالات القصوى، يمكن في النهابة أن تحدث عملية تشوّه لرباعي السطوح بحيث تحصل تسوية Planarization، حيث أن هذه الظاهرة تلاحظ في فئة من المركبات تدعى باسم فينيسترانات Fenestrane.
المراجع
- "Angle Between 2 Legs of a Tetrahedron" – Maze5.net نسخة محفوظة 04 سبتمبر 2017 على موقع واي باك مشين.
- Valence Angle of the Tetrahedral Carbon Atom W.E. Brittin, J. Chem. Educ., 1945, 22 (3), p 145 نسخة محفوظة 10 يناير 2020 على موقع واي باك مشين.
- G. L. Miessler and D. A. Tarr. Inorganic Chemistry (الطبعة 3rd). Pearson/Prentice Hall. .
- P. E. Mason and J. W. Brady (2007). "Tetrahedrality" and the Relationship between Collective Structure and Radial Distribution Functions in Liquid Water". J. Phys. Chem. B. 111 (20): 5669–5679. doi:10.1021/jp068581n.
- Wiberg, Kenneth B. (1984). "Inverted geometries at carbon". Acc. Chem. Res. 17 (11): 379–386. doi:10.1021/ar00107a001.
- IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version
- Joseph P. Kenny, Karl M. Krueger, Jonathan C. Rienstra-Kiracofe, and Henry F. Schaefer III (2001). "C5H4: Pyramidane and Its Low-Lying Isomers". J. Phys. Chem. A. 105 (32): 7745–7750. doi:10.1021/jp011642r.
- Lewars E. (1998). "Pyramidane: an ab initio study of the C5H4 potential energy surface". Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 423 (3): 173–188. doi:10.1016/S0166-1280(97)00118-8.