有機ゆうき電子でんしろん

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有機ゆうき化学かがくにおいて、有機ゆうき電子でんしろん(ゆうきでんしろん、えい: electronic theory of organic chemistry)とは、化学かがく結合けつごう性質せいしつおよび反応はんのう機構きこうを、

しゃにより説明せつめいする理論りろんである。有機ゆうき化学かがく領域りょういきではたん電子でんしろんえい: electronic theory)とばれる。

概要がいよう[ソースを編集へんしゅう]

1932ねん4がつR・ロビンソン講演こうえんが、有機ゆうき電子でんしろんみとめられる契機けいきとなった[1]。1910年代ねんだいG・ルイス研究けんきゅうにより先鞭せんべんがつけられ、1920年代ねんだいから1930年代ねんだいにイギリス学派がくはロビンソンC・K・インゴルドたちの研究けんきゅうにより有機ゆうき電子でんしろん確立かくりつした。

日本にっぽんにおける有機ゆうき電子でんしろんは、上記じょうき有機ゆうき化学かがくかんする"electronic theory"がだい世界せかい大戦たいせんときに「有機ゆうき電子でんしろん」の輸入ゆにゅうされたことにはじまる[1]。その大阪大学おおさかだいがく大阪おおさか帝国ていこく大学だいがく)の村上むらかみぞうゆう中心ちゅうしんとなって有機ゆうき化合かごうぶつ反応はんのう機構きこう研究けんきゅう進展しんてんした[1]

有機ゆうき電子でんしろん経験けいけんてきパラメーターを使用しようした定性的ていせいてき理論りろんである。したがって、量子力学りょうしりきがくにより電子でんし挙動きょどう記述きじゅつする今日きょう量子りょうし化学かがくてき反応はんのうろんのような精密せいみつせいわせない。一方いっぽう対象たいしょうとなる反応はんのうぶつ分子ぶんし官能かんのうもともと配置はいちまれば、化学かがく反応はんのうしょうじる位置いち方向ほうこう推定すいていするのには十分じゅうぶんであることから、化学かがくしゃ化学かがく反応はんのう合成ごうせい計画けいかく直感ちょっかんてきあつかうには便利べんり理論りろんである。

しかしながら定量ていりょうせいいために、たとえばペリ環状かんじょう反応はんのう芳香ほうこうぞくせいなどのように、本来ほんらい有機ゆうき電子でんしろんではあつかうことが出来できないはんおう化学かがくてき性質せいしつ存在そんざいすることも事実じじつである。しかしそのような事例じれいたいしては、たとえば「ちょう共役きょうやく」の概念がいねんなど、量子りょうし化学かがく知見ちけんをパラメーターして、有機ゆうき電子でんしろん拡張かくちょうすることで対応たいおうすることも可能かのうであり、そのように量子りょうし化学かがく概念がいねん拡張かくちょうされた有機ゆうき電子でんしろん今日きょうてき意義いぎうしなってはいない。

原子げんしあたい電子でんし[ソースを編集へんしゅう]

ルイス以前いぜんには、化学かがく結合けつごう概念がいねんあらわ原子げんし原子げんし構成こうせい要素ようそ電子でんしとのあいだには明確めいかく関連かんれんせい見出みいだされていなかった。すなわちドルトン倍数ばいすう比例ひれい法則ほうそくから原子げんしには結合けつごう部分ぶぶん概念的がいねんてきあらわ原子げんしというものが存在そんざいし、化学かがく反応はんのうにおいては原子げんし原子げんし原子げんし充当じゅうとうするようにあたらしい結合けつごう生成せいせいすることがられていた。いいかえると原子げんしとは原子げんし原子げんし連結れんけつするための接合せつごう部位ぶいかずであり、原子げんし原子げんしとの原子げんし充当じゅうとうされた結果けっかとして化学かがく結合けつごう生成せいせいしている。それゆえ、原子げんし表現ひょうげんしている実体じったいは、化学かがく結合けつごう物理ぶつりがくてき実体じったい等価とうかかんがえられた。その実体じったいかんする研究けんきゅう無機むき化合かごうぶつにおいて先行せんこうし、原子げんし変化へんか酸化さんかすう変化へんか対応たいおうづいており、電子でんし移動いどう原子げんし表現ひょうげんしている実体じったいであることが明確めいかくになった。同時どうじ電子でんし移動いどうにより発生はっせいする電荷でんかかたよりからしょうじるしずかでんてき相互そうご作用さようちから(クーロンりょく)がイオン結合けつごう実体じったいであることも判明はんめいしたので、電子でんし原子げんし化学かがく結合けつごう正確せいかくにはイオン結合けつごう)の主体しゅたいであると説明せつめいけられた。

一方いっぽう無機むき化学かがくとイオンせい固体こたい対極たいきょく有機ゆうき化学かがく共有きょうゆう結合けつごうせい固体こたい存在そんざいしており、当時とうじから両者りょうしゃあいだ性質せいしつ連続れんぞくてき変化へんかすることはられていたので、有機ゆうき化学かがく共有きょうゆう結合けつごうでは電子でんしがどのように関与かんよしているかの理論りろん構築こうちくもとめられるようになった。これについて先鞭せんべんをつけたのがルイスの「あたい電子でんし理論りろん」である。

ルイスはだい2周期しゅうき元素げんそについて、原子げんし電子でんしあたえうる最大さいだいすう相当そうとうする「原子げんし」と(かれ定義ていぎするところの)原子げんしから電子でんし受領じゅりょうする最大さいだい余地よち相当そうとうする「ぎゃく原子げんし」とのがどの元素げんそも8であることに着目ちゃくもくし、元素げんそ原子げんし構造こうぞうには化学かがく反応はんのう関与かんよする「から」(すなわちあたい電子でんし)と「Kernel」(今日きょううところの原子核げんしかくうちから電子でんし)とから構成こうせいされるとろんじた。

ルイスのあたい電子でんし理論りろんではあたい電子でんし性質せいしつとしてつぎのようにべている。

  1. かく原子げんし電子でんしからゆうし、(おおくの場合ばあい電子でんしから存在そんざいするあたい電子でんし最大さいだいすうは8である。
  2. 結合けつごうしている原子げんし同士どうし電子でんしたい移動いどうさせることであたい電子でんし共有きょうゆうする。すなわち、この場合ばあい電子でんしたいをなして移動いどうする。

ルイスはあたい電子でんし理論りろんボーア電子でんしモデルとは独立どくりつして提唱ていしょうしている(ルイス自身じしんあたい電子でんし理論りろん論文ろんぶんでボーア・モデルにたいして否定ひていてき見解けんかいしめしている)。

あたい電子でんしとルイスの電子でんししき

あわせてルイスは化合かごうぶつにおけるあたい電子でんし共有きょうゆう状態じょうたいあらわすために、ルイスの電子でんししき(ルイス化学かがくしき)を提案ていあんしている。すなわち化合かごうぶつ原子げんし結合けつごうしているもの同士どうし隣接りんせつするように配置はいちし、共有きょうゆうしているあたい電子でんし該当がいとうする元素げんそ記号きごう間隙かんげきふたつのてん表現ひょうげんする図式ずしきである。ルイス化学かがくしきあたい電子でんしろん表現ひょうげんがたなので1つの元素げんそ記号きごう周囲しゅういてんかず最大さいだいは8になる。また、ルイスが指摘してきしているようにふたつの原子げんしあいだ電子でんし共有きょうゆう電子でんしたい単位たんいとするので、ルイス化学かがくしきにおいても共有きょうゆうされている電子でんしかならたい形成けいせいしている。

ルイスは電子でんしから概念がいねん提唱ていしょうはしているが、「なぜ電子でんしから構成こうせいするあたい電子でんし最大さいだいすうが8であるか」、「なぜ電子でんしたいうごくのか」とか、「電子でんしから共有きょうゆうするということがなぜしょうずるのか」という原因げんいんについては説明せつめいしきれておらず、あたい電子でんし理論りろん仮説かせつとして有機ゆうき電子でんしろん構築こうちくしている。

実際じっさい、これらの仮説かせつ疑問ぎもんたいする解答かいとうには量子りょうし化学かがくてき化学かがく結合けつごう解釈かいしゃく必要ひつようとなる。たとえば、電子でんしから最大さいだいすう原子げんし軌道きどうかず規定きていされており、そのためにあたい電子でんし最大さいだいすう決定けっていされている。また電子でんしたいうごくのは、かく原子げんし軌道きどうにはパウリの排他はいたりつにより最大さいだい2電子でんししか占有せんゆうできず、フントそくしめされているように軌道きどうじょう単独たんどく電子でんし存在そんざいするよりも軌道きどうじょう電子でんしたいほうがエネルギーてき安定あんていためである。

また、共有きょうゆう結合けつごう電子でんしから共有きょうゆうすることの意味いみは、原子げんし軌道きどう混成こんせいしてσしぐま結合けつごう軌道きどう形成けいせいし、もと原子げんし軌道きどうから電子でんし遷移せんいすることである。みぎじょうみず場合ばあい共有きょうゆう結合けつごうをルイスのあたい電子でんし理論りろん量子りょうし化学かがくてき電子でんし軌道きどうのエネルギーじゅんしめしている。ルイスのあたい電子でんし理論りろんでは水素すいそ酸素さんそとが共有きょうゆう結合けつごうすることで、酸素さんそあたい電子でんしが8になり安定あんていであると説明せつめいされる。

一方いっぽう量子りょうし化学かがくてきには水素すいそs軌道きどう2原子げんしぶん(2)と酸素さんそのs軌道きどう1個いっこ、p軌道きどう1個いっこけい4原子げんし軌道きどう混成こんせいにより分子ぶんし軌道きどう形成けいせいするとかんがえられる。すなわちσしぐまσしぐま*とが2ずつ、けい4分子ぶんし軌道きどう生成せいせいする。そこに水素すいそ酸素さんそとの原子げんし軌道きどうからパウリの排他はいたりつたしつつエネルギーじゅんもっとひくくなるわせで4つの電子でんしはいって共有きょうゆう結合けつごう形成けいせいされている。いいかえると、量子りょうし化学かがくでは生成せいせいする電子でんし軌道きどうじゅん定量ていりょうてきあつかうことが可能かのうであり、実際じっさい共有きょうゆう結合けつごう生成せいせいするのは、原子げんし軌道きどう分子ぶんし軌道きどうとをくらべるとエネルギーじゅんてき分子ぶんし軌道きどうほうひくいのでエネルギーてき結合けつごう生成せいせい優位ゆういになるためである。

しかし、たん反応はんのう前後ぜんこう分子ぶんし構造こうぞう着目ちゃくもくするだけであれば、量子りょうし化学かがくてき分子ぶんし軌道きどうのエネルギーじゅんよりはルイスの構造こうぞうしきほうが、反応はんのう形式けいしきのシンボルとして直感ちょっかんてきわかりやすくモデルとして使つかいやすいともいえる。

分極ぶんきょく化学かがく結合けつごう[ソースを編集へんしゅう]

またルイスは物性ぶっせい着目ちゃくもくして「極性きょくせい分子ぶんし」と「極性きょくせい分子ぶんし」という区分くぶんもうけて化学かがく結合けつごうについて考察こうさつしている。すなわち分子ぶんし構成こうせいしている結合けつごうは、典型てんけいてき極性きょくせい分子ぶんしとその対極たいきょく典型てんけいてき極性きょくせい分子ぶんしとのあいだ位置いちづけられるとかんがえている。ここでいう極性きょくせい分子ぶんしとは現在げんざいでいうところのイオン結合けつごうであり、極性きょくせい分子ぶんしとは同種どうしゅ元素げんそあいだ共有きょうゆう結合けつごうせいたん結合けつごうである。

いかえると、分子ぶんし構成こうせいする化学かがく結合けつごうはイオン結合けつごうから共有きょうゆう結合けつごうへと性質せいしつ連続れんぞくてき変化へんかするなかあいだ性質せいしつをもっており、ある結合けつごうげてこれはイオン結合けつごうあるいは共有きょうゆう結合けつごう弁別べんべつてきにとらえることは困難こんなんである。もちろん、典型てんけいてきなイオン結合けつごう典型てんけいてき共有きょうゆう結合けつごうというのも存在そんざいはするが、分子ぶんし構成こうせいする化学かがく結合けつごうおおくはだいなりしょうなり両者りょうしゃ性質せいしつあわっている。すなわち共有きょうゆう結合けつごう分極ぶんきょくしょうじており、分極ぶんきょく程度ていど結合けつごうかいして相対そうたいする元素げんそ性質せいしつ永久えいきゅう分極ぶんきょく)や周囲しゅういせいでんてき環境かんきょう変化へんかせいでん相互そうご作用さようによる動的どうてき分極ぶんきょく)によって決定けっていされるとした。そして、分極ぶんきょく度合どあいが進行しんこうした極限きょくげんでは共有きょうゆう結合けつごう性質せいしつうしなわれ、せいまけとのイオンたいからなるイオン結合けつごうとなるとかんがえられる。

さそえおこり効果こうか[ソースを編集へんしゅう]

ルイスは分子ぶんし双極そうきょくモーメント測定そくてい結果けっかから、ある原子げんしせいでん効果こうか結合けつごうかいして隣接りんせつするほか原子げんしせいでん効果こうか影響えいきょうおよぼすことを指摘してきしている。たとえば塩素えんそ原子げんし結合けつごうしたαあるふぁくらいβべーたくらい炭素たんそは、連結れんけつすうるにつれて作用さようげんじゃくするものの、塩素えんそ原子げんし電子でんしけられ、塩素えんそ原子げんし存在そんざいしない場合ばあいよりもあたい電子でんし作用さようげんじゃくした性質せいしつしめす。このよう電子でんし親和しんわせい(いいかえるならば電気でんき陰性いんせい)が化学かがく結合けつごうかいして原子げんしせいでんてき環境かんきょう影響えいきょうおよぼす作用さようロバート・ロビンソンさそえおこり効果こうかI効果こうか、Inductive effect)と呼称こしょうした。

さそえおこり効果こうか物理ぶつり現象げんしょうとして明確めいかくあらわれるれいとして、置換ちかんもとさんまたは塩基えんきせい強度きょうどとの相関そうかんげられる。たとえば、カルボンさん誘導体ゆうどうたいたいして電子でんしもとめ引性もとである塩素えんそもと置換ちかんしたケースについて説明せつめいする。酢酸さくさんたいして、モノクロロ酢酸さくさんジクロロ酢酸さくさんそしてトリクロロ酢酸さくさんpKaつぎしめす。

  • CH3COOH - pKa = 4.74
  • ClCH2COOH - pKa = 2.87
  • Cl2CHCOOH - pKa = 1.25
  • Cl3CCOOH - pKa = 0.77

このように、塩素えんそ置換ちかんすう増大ぞうだいするにつれて強酸きょうさんせいとなる。いいかえるとカルボンさんのOHもと酸素さんそじょう電子でんし密度みつどひくいほど解離かいり進行しんこうしやすく、このれいでは塩素えんそのI効果こうか(I効果こうか)により、酸素さんそじょう電子でんし塩素えんそがわけられ、置換ちかんした塩素えんそもとかずおおいほどI効果こうかつよあらわれ、pKa減少げんしょう傾向けいこうしめしたと説明せつめいすることができる。

ぎゃくれいとして酢酸さくさんメチルもと置換ちかんしたれいげられる。メチルもと電子でんし供与きょうよせいしめし、それがI効果こうか(I+効果こうか)により、カルボンさん電子でんし密度みつどやしpKa増大ぞうだいしたと説明せつめいすることができる。

  • CH3CH2COOH - pKa = 4.88
  • (CH3)2CHCOOH - pKa = 4.86
  • (CH3)3CCOOH - pKa = 5.05
  • CH3(CH2)2COOH - pKa = 4.82
  • CH3(CH2)3COOH - pKa = 4.86

このように、電子でんしもとめ引性のさそえおこり効果こうかI効果こうか電子でんし供与きょうよせいさそえおこり効果こうかI+効果こうか呼称こしょうすることがある。また、はい結合けつごう正負せいふのイオンたい接合せつごうした状態じょうたいとみなすことができ、はい結合けつごうを→でしめすことの比喩ひゆで、I効果こうか存在そんざいする共有きょうゆう結合けつごう記号きごう表示ひょうじする場合ばあいがある。

メソメリー効果こうか[ソースを編集へんしゅう]

メソメリー効果こうか

有機ゆうき反応はんのうろんにおいてカルボニル化合かごうぶつなどに存在そんざいすると想定そうていされた分極ぶんきょくしょうじる機構きこうを、クリストファー・ケルク・インゴルドメソメリー効果こうかM効果こうか、mesomeric effect)とんだ。すなわち、カルボニルのじゅう結合けつごうがり、カルボニル炭素たんそまさにカルボニル酸素さんそまけ分極ぶんきょくする機構きこう呼称こしょうである。なお、共役きょうやくカルボニルけい化合かごうぶつなどでメソメリー効果こうかというべきところを、有機ゆうき反応はんのうろんのち発展はってんした量子りょうし化学かがく分野ぶんや原子げんし結合けつごうほう概念がいねんである「共鳴きょうめい効果こうか」と呼称こしょうすることがあるが、有機ゆうき反応はんのうろんには「共鳴きょうめい」の概念がいねんただしい用語ようご使用しよう方法ほうほうではない。一方いっぽうインゴルドのメソメリー効果こうか先立さきだって、ロビンソン互変異性いせい機構きこう類似るいじした電子でんしたい移動いどう分極ぶんきょく転移てんいする機構きこう示唆しさしており、その機構きこうエレクトロメトリーあるいはおよぼす効果こうかたいしてエレクトロメトリー効果こうかE効果こうか)という呼称こしょうあたえている。

さそえおこり効果こうかβべーたくらい、すなわち共有きょうゆう結合けつごうした原子げんしで2つ以上いじょうかいした場合ばあいはほとんどその影響えいきょうがなくなるのにたいして、共役きょうやくしたじゅう結合けつごうけいのメソメリー効果こうかはよりひろ間隔かんかくがあっても効果こうか作用さようあらわす。メソメリー効果こうかれいとしてアニリンp-トルイジン塩基えんきせいちがいがげられる。p-くらい置換ちかんしたメチルもとからの電子でんし供与きょうよせいしめし、それがM効果こうかにより、窒素ちっそ原子げんしじょう電子でんし密度みつどやし塩基えんきせい増大ぞうだいしたと説明せつめいすることができる。

電子でんしもとめ引性もと電子でんし供与きょうよせいもと[ソースを編集へんしゅう]

分子ぶんし特定とくてい位置いちについて、電子でんし密度みつどげんじゃくさせる効果こうか置換ちかんもと性質せいしつ電子でんしもとめ引性び、ぎゃく増加ぞうかさせる効果こうか場合ばあい性質せいしつ電子でんし供与きょうよせいぶ。このような効果こうか置換ちかんもと電子でんしもとめ引性もとあるいは電子でんし供与きょうよせいもとあらわす。電子でんしもとめ引性あるいは電子でんし供与きょうよせいたん電気でんき陰性いんせいだけでは説明せつめいできない。すなわち前述ぜんじゅつさそえおこり効果こうか、メソメリー効果こうかとうふくあいてき作用さようするので、芳香ほうこうぞくせい共役きょうやくけい存在そんざいやトポロジーてき位置いち関係かんけいによってあらわかたわってくる。

さそえおこり効果こうか場合ばあい電子でんしもとめ引性のものを−I効果こうか電子でんし供与きょうよせい場合ばあい+I効果こうかあらわすが、炭素たんそよりも電気でんき陰性いんせいたか原子げんしは−I効果こうかしめす。またアニオンは+I効果こうかを、カチオンは−I効果こうかしめす。

メソメリー効果こうか場合ばあい電子でんしもとめ引性のものを−M効果こうか電子でんし供与きょうよせい場合ばあい+M効果こうかあらわす。

  電子でんし供与きょうよせい 電子でんしもとめ引性
さそえおこり効果こうか

+I効果こうか

  • -NR > -O
  • -O > -S
  • (CH3)3C- > (CH3)2CH- > CH3CH2- > CH3-

−I効果こうか

  • -O+R2 > -N+R3
  • -N+R3 > -P+R3 > …
  • -O+R2 > -S+R2 > …
  • -N+R3 > -NO2 > -SO2R > -SOR
  • -SO2R > -SO3R
  • -N+R3 > -NR2
  • -O+R2 > -OR
  • -S+R2 > -SR
  • -F > -Cl > -Br > -I
  • =O > =NR > =CR2
  • =O > -OR
  • ≡N > ≡CR
  • =O > -OR
  • ≡N > =NR > -NR2
  • -C≡CR > -CR=CR2 > -CR2CR3
メソメリー効果こうか

+M効果こうか

  • -CR2 > -NR > -O
  • -NR > -NR2
  • -O > -OR > -O+R2
  • -S > -SR > -S+R2
  • -I > -I+R
  • -NR2 > -OR > -F
  • -SR > -OR
  • -I > -Br > -Cl > -F

−M効果こうか

  • =N+R3 > =NR
  • =O > =NR > =CR2
  • =S > =O > ≡N

ひょうのこれらの強度きょうど傾向けいこうあるいは相対そうたい強度きょうどしめしている。相反あいはんする効果こうか相乗そうじょうした場合ばあいなどでは量子りょうし化学かがくてき計算けいさんなどで絶対ぜったい推定すいていする必要ひつようがある。

たとえば、メトキシもと(-OCH3)が置換ちかんしたベンゼンの場合ばあい隣接りんせつするオルト炭素たんそたいしては酸素さんそ電気でんき陰性いんせいによるI効果こうかわずかに電子でんし密度みつどげんじゃくさせ、メタ、パラにはさほど影響えいきょうあたえない。それよりも酸素さんそ共有きょうゆう電子でんしたいみによるM効果こうかでオルト-パラ炭素たんそへの電子でんし密度みつど増大ぞうだいさせる効果こうかほう支配しはいてきであるため、メトキシもと芳香ほうこうたまきじょうもとめ電子でんし置換ちかん反応はんのうでは電子でんし供与きょうよせいもととして作用さようする。

これらの効果こうかを、パラおよびメタ置換ちかん安息香あんそくこうさんさん解離かいり定数ていすうをもとに、定量ていりょうてき評価ひょうか予測よそくする経験けいけんそくとして、ハメットそくられる。

参考さんこう文献ぶんけん[ソースを編集へんしゅう]

脚注きゃくちゅう[ソースを編集へんしゅう]

  1. ^ a b c 井本いもと(2019), 44-45ぺーじ

関連かんれん項目こうもく[ソースを編集へんしゅう]

外部がいぶリンク[ソースを編集へんしゅう]