原子軌道

では続きから

３．酸性度

前回のカルボカチオンのできやすさのところでも
出たけど超共役が働いているので以下のように安定化される。

数値で見るとプロパンより高くなるってくらいだね。

まぁオマケみたいなものとして覚えておいてください。

４．構造

３．で共鳴構造を描いたのだけれど
実際のところ以下のようにラジカル、アニオンの形態もとれる。

では解説をば。
まず以下の軌道の状態を表した図を見てほしい。

まず二重結合があるので当然ｓｐ^２混成軌道がある。
で問題は単結合の部分なんだけど
単純に考えればｓｐ^３混成軌道と思うかもしれないが、そうとはならない。

なんというか全ての共鳴構造を合わせたもの
になっているらしく、実際には
全てがｓｐ^２混成軌道
と考えられているんだ。

さてこの前提を理解したうえで、まず一つ大事なことは
こいつは平面構造ってことだ。

そして３つのｐ軌道はお互いに相互作用をする。
この相互作用により、以下のように新しい分子軌道が３つ作られるんだ。

※赤い点線は反発してるということ表してます。

基礎編：原子軌道 、 基礎編：分子軌道

で紹介したけど波には＋と－がある。
そして重なり合ったり反発しあったりしてエネルギーは上下している。

上で描いた各エネルギーの関係性は

結合性軌道 ＜ 非結合性軌道 ＝ 通常状態 ＜ 反結合性軌道

んで、カチオン、ラジカル、アニオンの状態を
基礎編：原子軌道 電子の入る順番を示した図に照らし合わせて見てみると
以下のようになる。

一番電子が多いアニオンでさえ、非結合性軌道どまりになっているよね。
だから相互作用しても不安定にはならない。
だから共鳴ができるということだ。

ちなみにこのようにp軌道上の電子が3つ以上の原子で行ったり来たりして安定化することを
電子の非局在化というよ。

特徴はこんな感じかな
次回は反応について解説していきます。

ではまた次回。

© 2020 猫でもわかる有機化学

さてでは例によって特徴から説明していくよ。

解説ポイントは以下の６つ

・構造
・双極子モーメント
・酸性度
・沸点・融点
・水素化熱
・相対的安定性

・・・長くなるので３回くらいに分けます。
ではいってみよー。

１．構造

まずは復習もかねて 基礎編：結合 の内容から
アルケンの二重結合は以下のようにσ結合、π結合から作られている。

で、このσ結合とπ結合それぞれがどういうものだったか覚えているかな？

二重結合の
・1本目はσ結合
・2本目はπ結合

だったよね。
もうちょっと具体的な言い方をするなら

・σ結合は丁度お互いの原子起動が重ね合わさっている状態
・π結合は隣り合ってなんとか電子軌道が重ねているだけの状態

なんだ。
予想はつくと思うけど当然σ結合の方が結びつきが強い。
どれくらいの差があるかというと
ＣＨ_２＝ＣＨ_２では
σ結合の強さ：108kcal/mol
π結合の強さ：65kcal/mol
くらいの差がある。。。分かり難いかな。。。まぁσの方が強いのです。

でまず何が予測出来るかというと
二重結合がある→sp²混成軌道となっているってことがわかる。
※？になったら 基礎編：混成軌道 を見直してみよう。

さて単純な知識でレベルの話ならこれくらいでＯＫなのだけど
応用なので一つの注意点を紹介しておこう。

まずアルケンは二重結合をもっているがイコールsp2混成軌道という訳ではない。
むしろsp²混成軌道だけで構成されているのは
置換基がすべてのＨであるＣＨ_２＝ＣＨ_２くらいだ。

ではアルケンに他の置換基がついている場合はどうなるのか見てみよう。
例えば
ＣＨ_２＝ＣＨ－ＣＨ_３

ＣＨ_２＝ＣＨの部分は二重結合なのでsp²混成軌道だろう・・・
ではＣＨ－ＣＨ_３の部分は？
単結合なのでsp^３混成軌道となるとも考えられるよね？

実はsp²混成軌道とsp³混成軌道を
それぞれで構成している
ので、以下のように手をつないでいる状態になってるんだ。

なのでアルケン（置換基にＨ以外がある場合）は
sp²混成軌道とsp³混成軌道でつながっている構造になっているんだ。

２．双極子モーメント

さてこれは 基礎編：原子、分子の間に働く力 の内容になってくる。

結論からいうと
・シス体アルケンは弱い分子双極子モーメントを持つ。
・トランス体アルケンの分子双極子モーメントは0になる。
※ただし同じ置換基を持つ場合なので注意！

では解説していこう。
まず１．で紹介したとおりアルケン（置換基にＨ以外がある場合）は
sp²混成軌道とsp³混成軌道を持っている。

さてもう常識だと思うけど 基礎編：原子軌道
で紹介した通りsはpよりも原子の核（＋）に近い位置になる。

これから何が言えるかというとsはpよりも電子を求引する力（電子求引性）が強いっていうことなんだ。
sp²混成軌道はsが1個とpが2個が合わさったもので
sp³混成軌道はsが1個とpが3個が合わさったのだよね。
まぁ見たまんまで全体におけるsの割合（世間ではs性と呼ぶ）はsp²の方が高い。
ということで電子求引性は
sp²混成軌道＞sp³混成軌道
となることがわかる。

この力関係に偏りがある発生するのがいわゆる分極だったよね。
※まぁ今回のはＯやＣｌと比べると圧倒的に低いけど。

ということで最初の結論につながります。
まずはシス体の場合は以下のような感じ

※左の大きな矢印が全体の双極子モーメントを表しています。

でトランス体の場合は以下のような感じ

見ての通りで真逆方向に双極子モーメントが発生する
からお互いの力が相殺される。

とりあえず１回目でしたー先は長い。。。

ではまた次回。

© 2020 猫でもわかる有機化学

軌道にはs,p,dなど様々な種類があるけど、これらはあくまで原子単体でのお話。
原子同士が結合した分子になると、また新しい軌道が生まれてくるんだ。

これがいわゆる分子軌道だよ。

例えばH₂の場合だと1ｓ軌道の重なりで結合ができる。
さてここで重要なのはどうして結合するのか？ということ。

実は結合することで電子が1ｓ軌道から結合性軌道に移動して下図のようにもともと持ってるエネルギーが下がるからなんだ。
ただし、反結合性軌道に入っちゃうと余計にエネルギーが高くなり不安定になっちゃう。

さて、ではどんなときに反結合性軌道に電子が入るのか？
原子軌道を思い出してほしいのだけれど、電子はエネルギーの低い方から入る。
だから結合性軌道のエネルギーが満杯になったら反結合性軌道に入り始めますよって話。

例えばHe同士だと結合を作ろうと思っても反結合性軌道に電子が入り、単体でいるよりエネルギーが大きくなってしまう。
だから、He同士は結合しないんだ。

あと、軌道はエネルギーが近いものほど強固な結合ができる。
近いものっていうのは例えば
・ｓとｓ軌道　⇒　強固な結合になる
・ｓとｐ軌道　⇒　1つくらいなら結合できる
・ｓとｄ軌道　⇒　エネルギーが離れすぎなので結合できない
みたいに比べると分かり易いかな？。
軌道を組み合わせることで結合ができるってことは理解できたかな？。

原子軌道があって
今回解説した分子軌道があって
そして最後の混成軌道につながっていくよ。

つまり原子・分子軌道をしっかり理解してないと、混成軌道がちんぷんかんぷんになる。。。
だからしっかり理解をしてから次に進むようにしてね。

ちょっと短いけど、今回はこのへんで。

ではまた次回

© 2017 猫でもわかる有機化学

ざっくりいえば原子核の周りを動いている電子の移動範囲のこと。

ご存じの通り電子は原子核の周囲を常に走り回っているわけなんだけど
今どこ？と聞かれると具体的な位置を確認することができない。

これは電子が原子核に比べて小さすぎたり、動きがランダムだったりで固定位置がないっていう理由があるから。

特に動きがランダムというところが説明しにくいのだけれど、よく下図のような形式で表現されてるかな。

※ここでは色々詰まってて紹介しやすいｐ軌道を紹介しています。
代表的なのは他にもｓとかｄとかあって
それぞれ形や性質が違うので調べてみてね。

代表的なもの例にすると
ｓ軌道には電子が2個入る。
ｐ軌道には電子が6個入る。
ｄ軌道には電子が10個入る。
で以下のような感じにまとまっていて、内側の方がよりエネルギーが低い。

上にも出てるけど、これを高校とかで出てきた電子殻で表現すると

K殻⇒電子が2個入る
⇒ｓ軌道（1ｓ）がある。

L殻⇒電子が8個入る
⇒ｓ（2ｓ）とｐ（2ｐ）軌道がある。

M殻⇒電子が18個入る
⇒ｓ（3ｓ）とｐ（3ｐ）とｄ（3ｄ）軌道がある。

になる。
※（）で囲っている部分は軌道名といい、先頭の数値が大きくなる毎にエネルギーが高くなる。

今までのことを踏まえて、ここで重要なポイントは
原子軌道への電子の入り方
について。

この考え方ってそれこそ有機化学の揺り篭から墓場(笑)まで一生ついてくる重要な考え方なので、きちんと理解してから次に進んでね。

それでは決まり事を解説。

電子はエネルギーの低い軌道から入る。

前述の通りなので特に解説なし。
わからんかったらちょっと上を読み返してみてね。
（参考）1ｓ → 2ｓ → 2ｐ → 3ｓ → …
の順で電子が収容される軌道が移り変わっていくよ。

パウリ（Pauli）の排他原理

各軌道に電子は2個ずつ入り、それぞれの電子は逆向きのスピンを持つ

逆向きスピンの意味がわかんないかな？と思う。
実は電子って惑星のように原子核（太陽）の周りを公転しながら自転（地球[仮]）してるんだよね。
※この自転のようなものをスピンと呼んでいます。
細かい話をし出すと量子の話になって果て無く長くなっちゃうので省略。

ともかくお互いが逆向きにスピンすることで力を均衡させて安定状態をとろうとしているんだな～ぐらいで考えてもらうといいと思う。

フント（Hund）の規則

同じエネルギーをもつ軌道が複数ある場合の電子の入り方は矢印2つをそろえないことが優先

「同じエネルギーをもつ軌道が複数ある場合」
回りくどい言い方だけど簡単にいってしまえばｓ軌道以外ってことだよ。
例えばｐ軌道なら同じエネルギーを持つ軌道は3つあるよね？
まぁそういうことです。

「電子の入り方は矢印2つをそろえないことが優先」
こいつについてはとりあえず以下の図を見てほしい。

重要なのはは同じエネルギーが複数ある場合は、各軌道へ順番に1個ずつ電子が収容されるということ。
そして、同じエネルギーで複数軌道がある（図でいう2ｐの場合）は同じスピン側に優先的に電子が収容されるってことだ。
なんでかっていうと。。。ちょっとややこしい話になるのでここでは省略するけど、結局は安定した状態になろうとした時、どこに電子を収容すると安定するのか？という話になります。

なんていうかぱっと見で規則性のようなものが見えないかな？
神様が覚え易く作ってくれたんだーありがとう！くらいでこの段階ではいいと思います。

ではまた次回

© 2017 猫でもわかる有機化学