四面体形分子构型

四面体形分子构型
四面体形分子构型
舉例	CH4
點群	Td
空間位數	4
配位数	4
鍵角	109.5°
極性（μ）	可能為0

四面体形分子构型是指一分子中的中心原子和四個原子鍵結，四個原子形成四面體4個頂點的分子构型。若和中心原子鍵結的4個原子都是同一種原子（例如甲烷CH₄），則其鍵角為cos⁻¹(−1/3) ≈ 109.5°^[1]。週期表中有許多元素的化合物都是四面体形分子构型，理想分子有T_d的對稱點群，但大部份四面体形构型分子的對稱性較低。四面体分子可能會具有手性。

舉例

主族元素化合物

四面体形构型的化合物包括所有飽和的有機化合物，大部份矽、鍺、錫的化合物也是四面体形構型。像四氧化氙（XeO₄）、過氯酸離子（ClO₄⁻）、硫酸根離子（SO₄²⁻）、磷酸根離子（PO₄³⁻）。三氟化硫氮SNF₃也是四面体形构型，其中包括一個硫和氮組成的三鍵^[2]。

過渡金屬化合物

過渡金屬化合物中也有許多是四面体形构型，特別是中心金屬組態為d⁰或d¹⁰的金屬錯合物。例如像四(三苯基膦)鈀、四羰基镍和四氯化鈦。許多d軌域電子半滿的金屬錯合物也是四面体形构型，例如像鐵（II）、鈷（II）及鎳（II）的四鹵化物。

水的結構

液態水分子最常見的結構即為四面体形构型，氧原子和二個氫原子形成共價鍵．再用和其他水分子中的二個氫原子形成氫鍵。由於氫鍵的長度不固定，這類的水分子多半沒有對稱性，會和鄰近的四個氫原子形成暫時性的不規則四面體^[3]。

例外和變形

四面体形构型的反轉常出現在有機化合物及主族元素化合物中。瓦爾登翻轉是指手性中心碳原子發生的構型轉換。若將氨也視為四面体形构型（考慮其孤對電子），氨的氮反转（英语：Nitrogen inversion）中也有出現平面三角形分子构型的過渡態。

反轉的四面体构型

分子的幾何限制會使得理想的四面体构型有明顯的變形。有些化合物中有「反轉碳」（inverted carbon），其碳原子是四方锥形分子构型^[4]。

有機化合物中有反轉碳構型的包括有螺槳烷，其中最簡單的是[1.1.1]螺槳烷（英语：1.1.1-Propellane），及嘧啶^[5]^[6]，這類分子有較高的角張力能，因此活性較強。

平面化

若碳的四面体构型中，其中二個鍵的鍵角被拉大，甚至到四個鍵變成同一個平面的情形，這類的有機化合物稱為窗烷。

參考資料

^ Angle Between 2 Legs of a Tetrahedron. Maze5.net. [2013-03-29]. （原始内容存档于2018-10-03）.
^ G. L. Miessler and D. A. Tarr. Inorganic Chemistry 3rd. Pearson/Prentice Hall. ISBN 0-13-035471-6.
^ P. E. Mason and J. W. Brady. "Tetrahedrality" and the Relationship between Collective Structure and Radial Distribution Functions in Liquid Water. J. Phys. Chem. B. 2007, 111 (20): 5669–5679. doi:10.1021/jp068581n.
^ Wiberg, Kenneth B. Inverted geometries at carbon. Acc. Chem. Res. 1984, 17 (11): 379–386. doi:10.1021/ar00107a001.
^ Joseph P. Kenny, Karl M. Krueger, Jonathan C. Rienstra-Kiracofe, and Henry F. Schaefer III. C₅H₄: Pyramidane and Its Low-Lying Isomers. J. Phys. Chem. A. 2001, 105 (32): 7745–7750. doi:10.1021/jp011642r.
^ Lewars E. Pyramidane: an ab initio study of the C₅H₄ potential energy surface. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 1998, 423 (3): 173–188. doi:10.1016/S0166-1280(97)00118-8.