炭化水素の構造と特性の関係を調査する - セッション 2

ホモリティック切断。ヘテロ開裂。アルケンの触媒水素化。アルキンの触媒水素化。ベンゼンの結合の性質。アルキンの酸性性質。

ホモリシス開裂は、2 つの原子間の共有結合が対称的に切断される結合開裂の一種です。各原子は共有ペアから 1 つの電子を保持します。このプロセスにより、ラジカルと呼ばれる 2 つの非常に反応性の高い種が形成されます。たとえば、塩素分子の共有結合のホモリシス開裂により、2 つの塩素ラジカルが形成されます。ホモリティック切断プロセスは単方向矢印で表されます。

ホモリティック切断プロセスでは通常、結合を切断して切断を開始するためにエネルギー入力が必要です。このエネルギーは、熱、光、または他の反応性種との相互作用など、さまざまな手段によって供給されます。エネルギー入力により、原子を結合させている引力と電子間の反発力の間の平衡が崩れます。その結果、結合が切断され、各原子は電子を 1 つ保持します。ホモリティック切断を伴う化学反応の例を挙げてもらえますか?。

ヘテロ開裂は、共有結合が非対称に切断される結合開裂の一種です。その結果、イオンと呼ばれる 2 つの荷電種が形成されます。このプロセスでは、結合した原子の 1 つが共有ペアの両方の電子を保持します。それは陰イオンと呼ばれる負に帯電した種になります。もう一方の原子は電子不足になります。それは陽イオンと呼ばれる正に帯電した種になります。例えば、塩化水素分子の結合は非対称に切断され、水素イオンと塩化物イオンが生成されます。

アルケンの触媒水素化は、触媒の存在下で水素ガスがアルケンと反応してアルカンを形成する化学反応です。このプロセスでは、アルケンの二重結合に水素原子が追加されます。その結果、二重結合が単結合に変換されます。アルケンの水素化に一般的に使用される触媒は、通常、白金、パラジウム、ニッケルなどの遷移金属です。たとえば、エチレンの触媒水素化によりエタンが生成されます。

アルキンの接触水素化は、触媒の存在下で水素ガスがアルキンと反応してアルカンを形成する化学反応です。このプロセスでは、アルキンの三重結合に水素原子が追加されます。その結果、不飽和結合が単結合に変換されます。アルキンの水素化に一般的に使用される触媒は、通常、パラジウム、白金、ニッケルなどの金属触媒です。例えば、エチンの触媒水素化によりエタンが生成されます。

ベンゼンの結合の性質は、ケクレ構造とπ電子の非局在化の概念を考慮することで説明できます。ケクレ構造は、ベンゼンの構造を説明するためにフリードリヒ・アウグスト・ケクレによって提案された初期のモデルです。これは、ベンゼンが炭素原子間の単結合と二重結合が交互に存在する環状分子であることを示唆しています。

ベンゼンのケクレ構造では、各炭素原子はシグマ結合によって 1 つの水素原子と 2 つの隣接する炭素原子に接続されています。残りの 1 つのパイ結合は、炭素原子と隣接する炭素原子によって形成されます。これはベンゼンの各炭素原子が sp²ハイブリッド化されました。

ケクレは、ベンゼンが 2 つの形態または構造で存在できると示しました。彼はこれらの構造を共鳴構造と呼んだ。ある構造では、単結合と二重結合が交互に六角形の環に配置されています。他の構造では、単結合と二重結合の位置が逆になります。ケクレの考えは、ベンゼンの実際の構造はこれらの共鳴構造のいずれかだけでは説明できないというものでした。これは 2 つの構造の中間またはハイブリッドです。

ケクレ構造によれば、ベンゼンの炭素の単結合と二重結合は区別されます。ベンゼンでは、炭素と炭素の単結合の長さは 154pm。二重結合炭素原子の結合長は 133pm。しかし、実験データによれば、ベンゼン中の炭素間の結合長はすべて等しいことが明らかになっています。ベンゼン中の炭素-炭素結合長はすべて 138pm。これは、ケクレ構造によって提示される交互結合長と矛盾します。

ここで、ベンゼンのケクレ構造の標準水素化Enthalpyの値を観測値と比較します。ご存知の通り、 1-cyclohexatriene二重結合が1つあります。標準水素化エンタルピー 1-cyclohexatrieneは -120 kj/mol。ケクレ構造によれば、ベンゼンには 3 つの二重結合があります。したがって、3つの二重結合の標準水素化エンタルピーは -360 kj/mol。

一方、実験結果によれば、ベンゼンの水素化の標準エンタルピーは -208 kj/mol。このデータは、ベンゼンの標準水素化エンタルピーがベンゼンのケクレ構造の標準水素化エンタルピーよりも小さいことを示しています。これは、ベンゼンがケクレ構造よりも 1 モルあたり 1 ～ 2 キロジュールだけ安定していることを示しています。これは、ベンゼンが他のアルケンに比べて付加反応を起こしにくいことを意味します。

ケクレ構造はベンゼンの構造を正しく表していないと結論付けることができます。これはベンゼンがケクレ構造よりも安定しているためです。ベンゼンの構造は、π電子の非局在化によって正確に説明されます。すでにご存知の通り、ベンゼンの炭素原子はすべて sp²。これは、ベンゼンの各炭素が非混成 p 軌道を持っていることを意味します。したがって、ベンゼンには合計 6 つの非混成 p 軌道が存在します。これらの非混成 p 軌道はベンゼンの炭素-炭素シグマ結合に対して垂直です。

これらの混成されていない p 軌道内の電子は、パイ電子と呼ばれます。ベンゼンの非局在化したパイ電子は環全体に広がっています。それらは特定の炭素原子間に局在するものではありません。この非局在化により、ベンゼンは他の不飽和炭化水素に比べて独特の安定性と反応性を備えています。ベンゼンの構造中の円は、ベンゼン環全体にわたるパイ電子の非局在化を表しています。

ご存知のように、アルキンでは炭素原子間に三重結合が存在します。たとえば、エチンは 2 つの炭素原子の間に三重結合を持っています。これらの炭素原子は sp 混成です。三重結合の1つはシグマ結合です。他の2つはπ結合です。 1 つのシグマ結合と 2 つのパイ結合が存在するため、電子密度は 2 つの炭素原子の間に集中します。その結果、水素原子は炭素原子と緩く結合します。

アルキンを強塩基で処理すると、sp混成炭素原子に結合した水素原子が強塩基の金属イオンによって置換されます。これは、アルキンが水素イオンを供与できるため、酸性挙動を示すことを示しています。たとえば、エチンをナトリウムアミドで処理すると、エチンの水素原子が金属ナトリウムに置き換えられます。

炭化水素の構造と特性の関係を調査する - セッション 3

炭化水素の構造と特性の関係を調査する - セッション 2

ホモリティック切断。 ヘテロ開裂。 アルケンの触媒水素化。 アルキンの触媒水素化。 ベンゼンの結合の性質。 アルキンの酸性性質。

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