有機化合物の構造と性質の関係

共鳴。誘導効果。負の誘導効果。電子吸引基。正の誘導効果。電子供与基。オルトおよびパラ指導グループ。メタディレクショングループ。

共鳴は化学における基本的な概念です。これは、分子やイオン内で電子がどのように分布しているかを理解するのに役立ちます。化学では、ルイス構造を使用して原子の周りの電子の配置を表します。たとえば、ベンゼンの構造は通常、単一のルイス構造として示されます。このルイス構造には、単結合と二重結合が交互に含まれています。ベンゼンのルイス構造によれば、ベンゼンの炭素-炭素結合の長さは等しくありません。一方、ベンゼン中の炭素間の結合長はすべて等しいことはすでに研究済みです。

単一のルイス構造だけでは分子の電子構造を正確に記述するには不十分であると結論付けることができます。ここで共鳴が重要になります。共鳴は、分子が共鳴構造と呼ばれる複数の有効なルイス構造で表すことができる場合に発生します。これらの共鳴構造は、電子の配置のみが異なります。原子の位置は同じままです。分子またはイオンは共鳴構造のハイブリッドです。

たとえば、ベンゼンの 2 つのルイス構造がここに示されています。ベンゼンのこれら 2 つのルイス構造は共鳴構造と呼ばれます。それらはπ結合の位置だけが異なります。 π電子はベンゼン環全体に非局在化しています。ベンゼンの元の分子は、これら 2 つの共鳴構造のハイブリッドです。

ここで酢酸イオンの例を見てみましょう。酢酸イオンには 2 つのルイス構造が考えられます。これらの構造はここに示されています。酸素原子上の電子は、炭素に結合した 2 つの酸素原子の間で非局在化することができます。これら 2 つのルイス構造は共鳴構造とも呼ばれます。

フェノールはベンゼン環の炭素原子にヒドロキシル基が結合したアルコールです。フェノールの分子式は C₆H₅OH。フェノールは他のアルコールよりも酸性が強いです。フェノキシドイオンと水素イオンに解離します。共鳴の概念を学んだので、フェノールがより酸性である理由を説明できますか?。さて、この質問の答えも共鳴にあります。

フェノールはフェノキシドイオンの安定性により酸性度が高くなります。ご存知のように、フェノキシドイオンはフェノールの解離によって形成されます。このフェノキシドイオンは共鳴により非常に安定しています。フェノキシドイオンの酸素原子上の電子はベンゼン環全体に非局在化しています。この電子の非局在化により、フェノキシドイオンは複数の共鳴構造を持ちます。電子の非局在化により、フェノキシドイオンの酸素原子上で電子が容易に利用できなくなります。これにより、フェノキシドイオンの反応性が低下し、より安定します。

原子または原子群間の電子密度の変化を誘導効果と呼びます。電子吸引または電子供与の影響を表します。これは、分子内の近くの原子または原子群に対して、原子または原子群に対して行われます。例えば、アルキルハロゲン化物では、電子密度はアルキル基の炭素原子からハロゲン原子の方向にシフトします。これは、炭素原子と比較してハロゲン原子の電気陰性度が高いためです。ハロゲン原子は電子密度を自分自身に向かって引き寄せます。

負の誘導効果は、原子または原子群が分子の残りの部分から電子密度を引き出すときに発生します。これにより、分子の残りの部分の電子密度が減少します。たとえば、クロロブタンでは、塩素原子は炭素や水素よりも電気陰性度が高いです。負の誘導効果を示します。近くの炭素原子の電子密度が減少します。

負の誘導効果を示す原子または原子団は、電子吸引基と呼ばれます。電子吸引基は高い電気陰性度を持ちます。これらの基は分子の残りの部分から電子密度を引き離す傾向があります。電子吸引基の例には、ハロゲン、カルボニル基、シアノ基、ニトロ基などがあります。

正の誘導効果は、原子または原子群が分子の残りの部分に電子密度を付与するときに発生します。その結果、分子の残りの部分の電子密度が増加します。例えば、トルエンでは、メチル基がベンゼン環の電子密度を増加させます。メチル基は正の誘導効果を示します。

電子供与基は、正の誘導効果を示す原子または原子群です。電子供与基は通常、電気陰性度が低い。電子供与基の例としては、アルキル基、アミノ基、ヒドロキシル基などがあります。アルキル基はメチル基またはエチル基になります。

電子供与基がベンゼン環に結合すると、ベンゼン環のオルト位とパラ位に電子密度が生じます。このようなグループは、Ortho and Para Directing Group と呼ばれます。例えば、トルエンの共鳴構造では、メチル基がオルト位とパラ位で電子密度を増加させていることがわかります。

求電子置換反応では、オルトおよびパラ配向基が、入ってくる求電子剤をオルトおよびパラ位に誘導します。これはオルト位とパラ位で電子密度が上昇するためです。たとえば、トルエンをニトロ化すると、オルトニトロトルエンとパラニトロトルエンが生成されます。トルエン中のメチル基はオルト位とパラ位の電子密度を増加させます。その結果、ニトロ基はオルト位とパラ位に結合します.

電子吸引基はベンゼン環のオルト位とパラ位の電子密度を減少させます。メタ位置の電子密度は同じままです。このようなグループはメタディレクショングループと呼ばれます。オルト位とパラ位は部分的に正になります。メタポジションが部分的にマイナスになります。ニトロベンゼンのニトロ基はメタ配向基として機能します。

ニトロベンゼンでは、ニトロ基がオルト位とパラ位から電子密度を引き離します。メタ位置の電子密度は、オルト位置やパラ位置に比べて高くなります。その結果、入ってくる求電子剤はメタ位に結合します。例えば、ニトロベンゼンの塩素化の際 Cl⁺イオンは求電子剤として作用します。ニトロベンゼンのメタ位に結合します。生成物としてメタクロロニトロベンゼンが生成されます。

酸素含有有機化合物の構造と性質の関係

有機化合物の構造と性質の関係

共鳴。 誘導効果。 負の誘導効果。 電子吸引基。 正の誘導効果。 電子供与基。 オルトおよびパラ指導グループ。 メタディレクショングループ。

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