四面體構型

四面體構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個頂點的分子構型。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109.5°。周期表中有許多元素的化合物都是四面體形分子構型，理想分子有Td的對稱點群，但大部分四面體構型分子的對稱性較低。四面體分子可能會具有手性。

基本介紹

• 中文名：四面體構型
• 外文名：tetrahedral configuration
• 化合物代表：甲烷
• 分類：立體結構化學

簡介

四面體構型是有機化學中描述分子立體化學結構的一種類型。這種構型是非常普遍常見的，最簡單的分子例如甲烷就是一個正四面體型的結構，H-C-H所成鍵角是109.5度。氨分子也可以看做是四面體結構。另外許多金屬化合物的晶體構型也是四面體構型的，大部分四面體形構型分子的對稱性較低。

舉例

主族元素化合物

四面體形構型的化合物包括所有飽和的有機化合物，大部分矽、鍺、錫的化合物也是四面體形構型。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也是四面體形構型，其中包括一個硫和氮組成的三鍵。

過渡金屬化合物

過渡金屬化合物中也有許多是四面體形構型，特別是中心金屬組態為d⁰或d¹⁰的金屬配合物。金屬鋅離子、零價鎳、鈀、鉑等有10個電子，這些物種外層除了5個d軌道全充滿外，還有一個s軌道和三個p軌道，所以採取sp3雜化，為正四面體。例如像四(三苯基膦)鈀、四羰基鎳和四氯化鈦、四羰基化鎳。許多d軌道電子半滿的金屬配合物也是四面體形構型，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體形構型，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。

例外和變形

四面體形構型的反轉常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。若將氨也視為四面體形構型（考慮其孤對電子），氨的氮反轉中也有出現平面三角形分子構型的過渡態。

反轉的四面體構型

分子的幾何限制會使得理想的四面體構型有明顯的變形。有些化合物中有“反轉碳”（inverted carbon），其碳原子是四方錐形分子構型。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，及嘧啶，這類分子有較高的角張力能，因此活性較強。

平面化

若碳的四面體構型中，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。

拓展

《創新教育下培養學生的創新意識——以多種離子都形成正四面體構型的原因分析為例》——通過對硫、磷、氯原子結構的分析，指明這些元素的正酸根離子能形成正四面體構型的原因可能與它們的 dπ-pπ 鍵有關。而正四面體結構的銨離子應與其四個等效的 N-H（σ）鍵相關聯。既可幫助學生對有關知識的深刻理解和準確掌握，也為培養學生的創新意識提供了範例。