Цвиттер-ион

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
N-оксид триметиламина
Бетаин — N,N,N-триметиламиноглицин

Цвиттер-ион (биполярный ион; нем. Zwitter — «гермафродит») — молекула, которая, являясь в целом электронейтральной, в своей структуре имеет функциональные группы, несущие как отрицательный, так и положительный заряды. Их иногда называют внутримолекулярными солями (например, внутримолекулярные соли аминокислот) и, иногда, (ошибочно) ионными диполярными соединениями. Некоторые химики относят к цвиттер-ионам лишь соединения с зарядами на несоседних атомах, поскольку существуют также соединения с зарядами на соседних атомах (например, N-оксиды аминов)[1]. Цвиттер-ионные соединения высокополярны и поэтому, часто, в простейших случаях (глицин, аланин), обладают хорошей растворимостью в полярных растворителях (воде, диметилсульфоксиде и т. п.) и только цвиттер-ионы с дополнительными алифатическими или ароматическими радикалами, будучи в целом электронейтральны, растворимы в органических неполярных растворителях.

Классификация

[править | править код]

Одним из наиболее широких классов цвитер-ионных соединений являются бетаины — соединения, в которых содержатся положительно заряженная ониевая группа и анионная группировка, разделенные одним или несколькими атомами[2], среди которых есть как природные соединения, содержащие четвертичную аммонийную группу (N,N,N-триметиламиноглицинат — бетаин, тригонеллин — бетаин N-метилникотиновой кислоты и др.), так и фосфониевые и сульфониевые бетаины.

Особым классом бетаинов являются гетероциклические мезоионные соединения — сидноны и мюнхоны, в которых заряды делокализованы таким образом, что в наборе мезомерных структур присутствуют как структуры с зарядами на соседних так и на несоседствующих атомах:

Сидноны
Мюнхоны

К цвиттер-ионным соединениям также относят илиды — 1,2-диполярные соединения, в которых отрицательный заряд локализован на атоме углерода, а положительный — на соседнем гетероатоме, обычно атоме азота (илиды аммониевых солей), фосфора либо серы (илиды фосфония и сульфония). Илиды аммония имеют полностью цвиттер-ионный характер с одинарной связью между атомами с различными зарядами, в случае илидов фосфония и сульфония вследствие участия d-орбиталей гетероатома связь принимает частично двойной характер и структура таких илидов описывается резонансом между иленовой и илидной формами:

Аминокислота в нормальной форме (1) и в виде внутренней соли — цвиттер-иона (2)

Амфолиты — молекулы, в структуре которых присутствуют как кислотные, так и основные группы, существующие в виде цвиттер-ионов при определённых значениях pH. Этот pH обозначается как изоэлектрическая точка молекулы. Амфолиты образуют растворы с хорошими буферными свойствами. Благодаря способности к выборочной ионизации они противодействуют изменению pH при добавлении кислоты или основания. В присутствии кислот они принимают на себя протоны, удаляя последние из раствора, и противодействуют повышению его кислотности. При добавлении оснований амфолиты высвобождают ионы водорода в раствор, препятствуя возрастанию pH, и тем сохраняя его равновесие.

Сложные ионы

[править | править код]

В случае включения в молекулу большего, чем 2, числа функциональных групп, могут образовывать сложные молекулярные ионы и соли разнообразного состава, зависящего от кислотности раствора.[3]

Типичными примерами цвиттер-ионов являются:

Примечания

[править | править код]
  1. zwitterionic compounds/zwitterions // IUPAC Gold Book. Дата обращения: 29 января 2012. Архивировано 5 ноября 2016 года.
  2. betaines // IUPAC Gold Book. Дата обращения: 29 января 2012. Архивировано 23 августа 2011 года.
  3. Anton P. Novikov, Alexey V. Safonov, Konstantin E. German, Mikhail S. Grigoriev. What kind of interactions we may get moving from zwitter to “dritter” ions: C–O⋯Re(O4) and Re–O⋯Re(O4) anion⋯anion interactions make structural difference between L-histidinium perrhenate and pertechnetate (англ.) // CrystEngComm. — 2023-12-01. — ISSN 1466-8033. — doi:10.1039/D3CE01164J. Архивировано 8 декабря 2023 года.