Химическая энциклопедия

КЛАТРАТЫ (от лат. clathratus - защищенный решеткой) (соединения включения), образованы включением молекул, наз. "гостями", в полости кристаллич. каркаса, состоящего из молекул др. сорта, наз. "хозяевами" (решетчатые К.), или в полость одной большой молекулы-хозяина (молекулярные К.). Среди решетчатых К. в зависимости от формы полости различают: клеточные (криптатоклатраты), напр. К. гидрохинона, газовые гидраты , канальные (тубулатоклатраты), напр. К. мочевины, тиомочевины; слоистые (интеркалаты ), напр. графита соединения . Молекулярные К. подразделяются на кавитаты, имеющие полость в виде канала или клетки, напр. соед. циклодекстрина с I₂ или амилазы с I₂, и адикулаты, у к-рых полость напоминает корзину. Белковые К. наз. клатринами. Между молекулами гостя и хозяина может не быть никаких взаимод., кроме ван-дер-ваальсовых (как, напр., в газовых гидратах), но часто между гостями и хозяином, кроме ван-дер-ваальсова взаимод., имеются слабые связи типа водородных (напр., клатратная молекула гексагидрата уротропина связана с каркасом К. тремя водородными связями). Соед. с координац. связью между гостем и хозяином, напр. комплексы краун-эфиров и криптандов , наз. клатратокомплексами. Соотношение между кол-вами молекул гостей и хозяев в общем случае нецелочисленное (напр., Вк₂^.8,6 Н₂О). Решетчатые К. существуют только в кристаллич. состоянии, молекулярные - также и в р-ре. Часто не все полости хозяина заполнены молекулами гостя. При допущении, что хозяин имеет стабильную a-модификацию (с хим. потенциалом m_a) и метастабильную клатратную b-модификацию, в полостях к-рой может находиться по одной молекуле гостя, а на ее хим. потенциал (m_b) не влияет природа гостей, степень заполнения полостей (у) для неполярных гостей определяется из соотношения:
m_a-m_b=v[RTln(1-y)-y²U],
где v - число полостей, приходящееся на одну молекулу гостя, U - энергия взаимод. гость-гость. Термодинамич. стабильность К. обеспечивается благоприятным расположением молекул в полостях каркаса, вследствие чего слабые межмол. взаимод. приводят к выигрышу энергии в 20-50 кДж/моль при образовании К. по сравнению с энергией компонентов в своб. состоянии. наиб. благоприятные для образования К. характеристики хозяина - объемная молекула (напр., гидрохинон, три-о-тимотид, или циклич. тример 2-гидрокси-6-метил-3-изопропилбензойной к-ты) и направленные связи при малых координац. числах атомов, их образующих, напр. в каркасах из тетраэдрич. группировок (вода, SiO₂, Ge). Поскольку длины связей Si—О—Si и О—Н—О приблизительно одинаковы, гости в клатратном гидрате и К. на основе SiO₂ (клатрасил) м. б. одни и те же. Напр., известен клатратный гидрат и клатрасил метана кубич. сингонии (а = 1,2 нм). Однако эти соед. имеют разл. термич. устойчивость. К. аналогичных структур образуют Ge и Si со щелочными металлами. Известны К. на основе комплексных соед., напр. соед. Шеффера
[Cd(4-CH₃C₃H₄N)₄(NCS)₂]^.0,67(4-CH₃C₅H₄N)^.0,33H₂O,
где 4-метилпиридин - одновременно и лиганд, и гость. Способность гостя к клатратообразованию в осн. определяется размером и формой его молекул, а не их хим. природой. Гостями м. б. как молекулы, так и ионы. Напр., в клатратном гидрате (изо -C₅H₁₁)₄NF^.38H₂O гость-катион, а хозяин - каркас, построенный из молекул воды и анионов F^-. В гидрате HPF₆^.6H₂O гость - анион PF^-₆. Если каркас хозяина имеет полости разного типа, то возможно включение двух или неск. типов гостей одновременно. Частичное или полное заполнение полостей гостями подходящего размера приводит к дополнит. стабилизации клатратного каркаса. Напр., т. пл. клатратного гидрата ТГФ^.17Н₂О 5.1 °С, а двойного гидрата ТГФ^.Н₂S^.17Н₂О 21.3 ^oС. Возможны и более сложные виды клатратообразования, когда молекулярные К., сами являясь гостями, заполняют полости или слои в решетке др. хозяина. Образование К. может быть использовано при синтезе стереорегулярных полимеров (полимеризация в каналах К.), в хроматографии, для хранения газов и высокотоксичных в-в, защиты легкоокисляющихся на воздухе соед., опреснения морской воды, разделения соед., близких по св-вам, но отличающихся геометрией молекул (включая оптич. изомеры), и др. Так, нормальные углеводороды, спирты, карбоновые к-ты, образующие К. с мочевиной (диаметр каналов ~0,5 нм), м. б. отделены от их разветвленных изомеров, диаметры молекул к-рых превышают ~0,5 нм. Термин "клатрат" ввел Г. Пауэлл в 1948, термин "соединение включения" - В. Шленк в 1949. Лит.: Хаган М., Клатратные соединения включения, пер. с англ., М., 1966; Пауэлл Г. М., в кн.: Нестехиометрические соединения, пер. с англ., М., 1971, с. 398-450; Inclusion compounds, v. 1 3, ed. by J. L. Atwood, L., 1984. См. также лит . при ст. Газовые гидраты . К. А. Удачин.