超 ちょう 原子 げんし 価 か 化合 かごう 物 ぶつ もしくは超 ちょう 原子 げんし 価 か 分子 ぶんし (ちょうげんしかぶんし、英 えい : hypervalent molecule )とは、形式 けいしき 的 てき に原子 げんし 価 か 殻 から に8つ以上 いじょう の電子 でんし を持 も つ典型 てんけい 元素 げんそ を含有 がんゆう する化合 かごう 物 ぶつ 、分子 ぶんし のことである。また、このような状態 じょうたい の典型 てんけい 元素 げんそ は超 ちょう 原子 げんし 価 か 状態 じょうたい である、超 ちょう 原子 げんし 価 か を取 と る、などと言 い われる。五 ご 塩化 えんか リン (
PCl
5
{\displaystyle {\ce {PCl5}}}
)、六 ろく フッ化 か 硫黄 いおう (
SF
6
{\displaystyle {\ce {SF6}}}
)、三 さん ヨウ化物 ばけもの イオン (
I
3
−
{\displaystyle {\ce {I3^-}}}
) は超 ちょう 原子 げんし 価 か 化合 かごう 物 ぶつ の例 れい である。なお、リン酸 さん イオン (
PO
4
3
−
{\displaystyle {\ce {PO4^{3-}}}}
)も超 ちょう 原子 げんし 価 か 化合 かごう 物 ぶつ の代表 だいひょう 例 れい として挙 あ げられることがあるが、近年 きんねん の解析 かいせき の結果 けっか 超 ちょう 原子 げんし 価 か 状態 じょうたい の寄与 きよ は少 すく ないと指摘 してき されている[1] 。超 ちょう 原子 げんし 価 か 化合 かごう 物 ぶつ はJeremy I. Musherによって、酸化 さんか 数 すう の最 もっと も低 ひく い状態 じょうたい でない15-18族 ぞく の元素 げんそ を持 も つ化合 かごう 物 ぶつ として、1969年 ねん に初 はじ めて定義 ていぎ された[2] 。
いくつかの特殊 とくしゅ な超 ちょう 原子 げんし 価 か 化合 かごう 物 ぶつ が存在 そんざい する。
超 ちょう 原子 げんし 価 か 分子 ぶんし の性質 せいしつ と分類 ぶんるい に関 かん する議論 ぎろん はギルバート・ルイス およびアーヴィング・ラングミュア と1920年代 ねんだい における化学 かがく 結合 けつごう の性質 せいしつ に関 かん する議論 ぎろん に遡 さかのぼ る[3] 。ルイスは超 ちょう 原子 げんし 価 か の描写 びょうしゃ において二 に 中心 ちゅうしん 二 に 電子 でんし (2c-2e)結合 けつごう の重要 じゅうよう 性 せい を主張 しゅちょう し、それゆえにこういった分子 ぶんし を説明 せつめい するために拡張 かくちょう オクテット則 そく を用 もち いた。その一方 いっぽう で、ラングミュアはオクテット則 そく の優勢 ゆうせい 性 せい を支持 しじ し、オクテット則 そく を破 やぶ ることなく超 ちょう 原子 げんし 価 か を説明 せつめい するためにイオン結合 けつごう を用 もち いることを好 この んだ(例 たと えば
SF
4
2
+
{\displaystyle {\ce {SF4^{2+}}}}
,
2
F
−
{\displaystyle {\ce {2F^-}}}
)。
1920年代 ねんだい 末 まつ と1930年代 ねんだい 、Sugdenは二 に 中心 ちゅうしん 一 いち 電子 でんし (2c-1e)結合 けつごう の存在 そんざい を主張 しゅちょう し、ゆえに拡張 かくちょう オクテット則 そく やイオン結合 けつごう 性 せい を必要 ひつよう とすることなく超 ちょう 原子 げんし 価 か 分子 ぶんし における結合 けつごう を合理 ごうり 的 てき に説明 せつめい した。これは当時 とうじ ほとんど受 う け入 い れられなかった[3] 。1940年代 ねんだい と1950年代 ねんだい 、Rundleとピメンテル (英語 えいご 版 ばん ) は三 さん 中心 ちゅうしん 四 よん 電子 でんし 結合 けつごう の考 かんが えを世 よ に広 ひろ めた。この考 かんが えはSugdenがその数 すう 十 じゅう 年 ねん 前 まえ に提示 ていじ しようと試 こころ みたものと本質 ほんしつ 的 てき に同 おな じ概念 がいねん である。三 さん 中心 ちゅうしん 四 よん 電子 でんし 結合 けつごう は、リガンドに局在 きょくざい 化 か した2つの非 ひ 結合 けつごう 性 せい 電子 でんし を残 のこ した2つの共 とも 線 せん 的 てき な二 に 中心 ちゅうしん 一 いち 電子 でんし 結合 けつごう から成 な るという別 べつ の見方 みかた ができる[3] 。
実際 じっさい に超 ちょう 原子 げんし 価 か 有機 ゆうき 分子 ぶんし を調製 ちょうせい する試 こころ みは20世紀 せいき の前半 ぜんはん にヘルマン・シュタウディンガー とゲオルク・ウィッティヒ によって始 はじ まった。彼 かれ らは現存 げんそん の原子 げんし 価 か 理論 りろん に挑 いど もうとし、窒素 ちっそ およびリンを中心 ちゅうしん とする超 ちょう 原子 げんし 価 か 分子 ぶんし の調製 ちょうせい に成功 せいこう した[4] 。超 ちょう 原子 げんし 価 か の理論 りろん 的 てき 基礎 きそ はJ. I. Musherの研究 けんきゅう まで詳 くわ しく説明 せつめい されなかった[2] 。
1990年 ねん 、Magnussonは、第 だい 2周期 しゅうき 元素 げんそ の超 ちょう 原子 げんし 価 か 化合 かごう 物 ぶつ 中 ちゅう の結合 けつごう におけるd軌道 きどう 混成 こんせい の役割 やくわり を決定的 けっていてき に排除 はいじょ する影響 えいきょう 力 りょく の大 おお きい研究 けんきゅう を発表 はっぴょう した。これは長 なが い間 あいだ 、分子 ぶんし 軌道 きどう 理論 りろん を用 もち いてこれらの分子 ぶんし を描写 びょうしゃ するうえで論争 ろんそう と混乱 こんらん の的 てき であった。混乱 こんらん の一部 いちぶ はこれらの化合 かごう 物 ぶつ を描写 びょうしゃ するために使 つか われる基底 きてい 関数 かんすう 系 けい にd関数 かんすう を含 ふく めなければならない事実 じじつ に起因 きいん しており(さもなければ不合理 ふごうり に高 たか いエネルギーと歪 いが んだ構造 こうぞう が得 え られる)、分子 ぶんし 波動 はどう 関数 かんすう に対 たい するd関数 かんすう の寄与 きよ は大 おお きい。これらの事実 じじつ はd軌道 きどう が結合 けつごう に関与 かんよ するはずであることを意味 いみ すると歴史 れきし 的 てき に解釈 かいしゃく されてきた。原子 げんし 価 か 結合 けつごう 法 ほう の観点 かんてん からは、s軌道 きどう 、p軌道 きどう 、d軌道 きどう の混成 こんせい によるsp3 dとsp3 d2 混成 こんせい 軌道 きどう が結合 けつごう に関与 かんよ するとされてきた。しかしながら、Magnussonは、d軌道 きどう は超 ちょう 原子 げんし 価 か に関係 かんけい していないと結論 けつろん 付 つ けた[5] 。
超 ちょう 原子 げんし 価 か という言葉 ことば は、化学 かがく 的 てき な結合 けつごう 様式 ようしき に関 かん して何 なん ら情報 じょうほう を示 しめ していないと言 い う理由 りゆう から、Paul von Rague Schleyerは、1984年 ねん に超 ちょう 配 はい 位 い (hypercoordination) という言葉 ことば を提案 ていあん している。
超 ちょう 原子 げんし 価 か という概念 がいねん は電子 でんし の局在 きょくざい 化 か の役割 やくわり について分析 ぶんせき を行 おこな っているRonald Gillespieによっても非難 ひなん を受 う けている。Gillespieは、「超 ちょう 原子 げんし 価 か とそうでないものの結合 けつごう において、根本 こんぽん 的 てき な違 ちが いが無 な く、超 ちょう 原子 げんし 価 か という言葉 ことば を使 つか う理由 りゆう が無 な い」と結論 けつろん づけた[6] 。
PF5 のような電気 でんき 的 てき に陰性 いんせい な配 はい 位 い 子 こ をもった超 ちょう 配 はい 位 い 化合 かごう 物 ぶつ は、中心 ちゅうしん の原子 げんし から電子 でんし が引 ひ き抜 ぬ かれて非 ひ 局在 きょくざい 化 か し、中心 ちゅうしん の原子 げんし の実質 じっしつ 的 てき な電子 でんし 数 すう は8電子 でんし 以下 いか になることが示 しめ されている。このような見方 みかた は、PF5 のようなフッ素 ふっそ を構成 こうせい 要素 ようそ とする超 ちょう 配 はい 位 い 化合 かごう 物 ぶつ の水素 すいそ 類縁 るいえん 体 たい 、すなわちホスホラン PH5 は不安定 ふあんてい な化合 かごう 物 ぶつ であるという事 こと とも合致 がっち する。
熱 ねつ 力学 りきがく 計算 けいさん の上 うえ では、イオン性 せい のモデルでもある程度 ていど うまく説明 せつめい できる。たとえば、
PF
4
+
F
−
{\displaystyle {\ce {PF4^+F^-}}}
が三 さん フッ化 か リン
PF
3
{\displaystyle {\ce {PF3}}}
とフッ素 ふっそ
F
2
{\displaystyle {\ce {F2}}}
との反 はん 応 おう から生成 せいせい する際 さい には発熱 はつねつ 反応 はんのう となるのに対 たい し、
PH
4
+
H
−
{\displaystyle {\ce {PH4^+H^-}}}
を生成 せいせい する際 さい にはそうならない[7] 。
Durrantは、Atoms in molecules (英語 えいご 版 ばん ) 理論 りろん から得 え られる原子 げんし 電荷 でんか マップの解析 かいせき に基 もと づいて、超 ちょう 原子 げんし 価 か の代替 だいたい 定義 ていぎ を提唱 ていしょう している[8] 。この方法 ほうほう は、「観測 かんそく される電荷 でんか 分布 ぶんぷ を再現 さいげん する妥当 だとう なイオン性 せい および共有 きょうゆう 結合 けつごう 性 せい 共鳴 きょうめい 構造 こうぞう の任意 にんい の組合 くみあわ せによって得 え られる、任意 にんい の原子 げんし での形式 けいしき 共有 きょうゆう 電子 でんし 数 すう 」として原子 げんし 価 か 電子 でんし 当 とう 量 りょう (γ がんま )と呼 よ ばれるパラメーターを定義 ていぎ する。特定 とくてい の原子 げんし Xについて、γ がんま (X) の値 ね が8よりも大 おお きければ、その原子 げんし は超 ちょう 原子 げんし 価 か である。この代替 だいたい 定義 ていぎ を用 もち いると、Musherの定義 ていぎ では超 ちょう 原子 げんし 価 か である PCl5 、SO4 2− 、XeF4 といった多 おお くの化学 かがく 種 しゅ は、中心 ちゅうしん 原子 げんし から電子 でんし を引 ひ き抜 ぬ く強 つよ いイオン結合 けつごう のために、超 ちょう 原子 げんし 価 か ではなく超 ちょう 配 はい 位 い に再 さい 分類 ぶんるい される。一方 いっぽう で、オクテット則 そく を満足 まんぞく させるためにイオン結合 けつごう で通常 つうじょう は書 か かれていたオゾン O3 、亜 あ 酸化 さんか 窒素 ちっそ NNO、トリメチルアミン-N -オキシド (CH3 )3 NOといった一部 いちぶ の化合 かごう 物 ぶつ は、正真正銘 しょうしんしょうめい 超 ちょう 原子 げんし 価 か であることが分 わ かる。リン酸 さん イオン PO4 3− (γ がんま (P) = 2.6、非 ひ 超 ちょう 原子 げんし 価 か )およびオルト硝酸塩 しょうさんえん NO4 3− (γ がんま (N) = 8.5、超 ちょう 原子 げんし 価 か )についてのγ がんま の計算 けいさん の例 れい を以下 いか に示 しめ す。
リン酸 さん イオンとオルト硝酸 しょうさん イオンについての原子 げんし 価 か 電子 でんし 当 とう 量 りょう の計算 けいさん
超 ちょう 原子 げんし 価 か 分子 ぶんし における結合 けつごう [ 編集 へんしゅう ]
超 ちょう 原子 げんし 価 か 分子 ぶんし の幾何 きか 構造 こうぞう の初期 しょき 考察 こうさつ は、原子 げんし 結合 けつごう についてのVSEPR模型 もけい によってうまく説明 せつめい されていた親 した しみのある取 と り決 き めに戻 もど る。それに基 もと づいて、AB5 ならびにAB6 型 かた 分子 ぶんし はそれぞれ三角 さんかく 両 りょう 錐 きり ならびに八 はち 面体 めんてい 構造 こうぞう を取 と る。しかしながら、観察 かんさつ される結合 けつごう 角 かく 、結合 けつごう 長 ちょう 、ルイスのオクテット則 そく の見掛 みか けの違反 いはん を説明 せつめい するため、いくつかの代替 だいたい 模型 もけい が提唱 ていしょう されてきた。
1950年代 ねんだい 、超 ちょう 原子 げんし 価 か 結合 けつごう の拡張 かくちょう 原子 げんし 価 か 殻 から 表現 ひょうげん が、5配 はい 位 い および6配 はい 位 い 分子 ぶんし の中心 ちゅうしん 原子 げんし がsおよびp原子 げんし 軌道 きどう に加 くわ えてd原子 げんし 軌道 きどう を利用 りよう している分子 ぶんし 構造 こうぞう を説明 せつめい するために提示 ていじ された。しかしながら、ab initio 計算 けいさん の研究 けんきゅう における進歩 しんぽ は、超 ちょう 原子 げんし 価 か 結合 けつごう へのd軌道 きどう の寄与 きよ はこの結合 けつごう の性質 せいしつ を描写 びょうしゃ するには小 ちい さすぎることを明 あき らかにしており、この描写 びょうしゃ ははるかに重要 じゅうよう 性 せい の度合 どあ いが低 ひく いと現在 げんざい は見 み なされている[5] 。6配 はい 位 い SF6 の場合 ばあい は、d軌道 きどう はS-F結合 けつごう 形成 けいせい に関与 かんよ していないが、硫黄 いおう 原子 げんし とフッ素 ふっそ 原子 げんし 間 あいだ の電荷 でんか 移動 いどう および適切 てきせつ な共鳴 きょうめい 構造 こうぞう が超 ちょう 原子 げんし 価 か を説明 せつめい できることが示 しめ されている(下記 かき 参照 さんしょう )。
オクテット則 そく のさらなる改良 かいりょう が超 ちょう 原子 げんし 価 か 結合 けつごう におけるイオン結合 けつごう 性 せい を含 ふく めるために試 こころ みられてきた。これらの改良 かいりょう の一 ひと つとして、1951年 ねん に、定性的 ていせいてき な分子 ぶんし 軌道 きどう を使 つか って超 ちょう 原子 げんし 価 か 結合 けつごう を描写 びょうしゃ する三 さん 中心 ちゅうしん 四 よん 電子 でんし (3c-4e)結合 けつごう の概念 がいねん が提唱 ていしょう された。3c-4e結合 けつごう は中心 ちゅうしん 原子 げんし 上 じょう のp原子 げんし 軌道 きどう と中心 ちゅうしん 原子 げんし の両側 りょうがわ の2つの配 はい 位 い 子 こ のそれぞれからの原子 げんし 軌道 きどう との組 く み合 あ わせによって与 あた えられる3つの分子 ぶんし 軌道 きどう として描写 びょうしゃ される。2つの電子 でんし 対 たい の1つのみが中心 ちゅうしん 原子 げんし との結合 けつごう に関与 かんよ する分子 ぶんし 軌道 きどう を占 し めており、2つ目 め の電子 でんし 対 たい は非 ひ 結合 けつごう 性 せい で、2つの配 はい 位 い 子 こ からの原子 げんし 軌道 きどう のみから成 な る分子 ぶんし 軌道 きどう を占 し めている。オクテット則 そく が保 たも たれるこの模型 もけい はMusherにも支持 しじ された[3] 。
三 さん 中心 ちゅうしん 四 よん 電子 でんし 結合 けつごう の定性的 ていせいてき 模型 もけい
超 ちょう 原子 げんし 価 か 分子 ぶんし の完全 かんぜん な描写 びょうしゃ は、量子力学 りょうしりきがく 的 てき 手法 しゅほう を使 つか う分子 ぶんし 軌道 きどう 理論 りろん の結果 けっか から生 しょう じる。例 たと えば、六 ろく フッ化 か 硫黄 いおう におけるLCAO (原子 げんし 軌道 きどう の線形 せんけい 結合 けつごう )は、1つの硫黄 いおう 3s軌道 きどう 、3つの硫黄 いおう 3p軌道 きどう 、フッ素 ふっそ 軌道 きどう の6つの八面体構造対称適合線形結合(SALC)を基底 きてい 関数 かんすう 系 けい に取 と り、合計 ごうけい 10個 こ の分子 ぶんし 軌道 きどう が得 え られ(最低 さいてい エネルギーの完全 かんぜん に占有 せんゆう された4つの結合 けつごう 性 せい MO、中間 ちゅうかん 的 てき エネルギーの完全 かんぜん に占有 せんゆう された2つの非 ひ 結合 けつごう 性 せい MO、最 もっと も高 たか いエネルギーを持 も つ空 そら の4つの反 はん 結合 けつごう 性 せい MO)、12個 こ の価 あたい 電子 でんし 全 すべ てが占 し めるだけの軌道 きどう が得 え られる。これは、フッ素 ふっそ のような電気 でんき 的 てき 陰性 いんせい の配 はい 位 い 原子 げんし を含 ふく むSX 6 分子 ぶんし についてのみ安定 あんてい な配置 はいち であり、これによってなぜSH6 が形成 けいせい されないかが説明 せつめい される。この結合 けつごう モデルでは、2つの非 ひ 結合 けつごう 性 せい MO(1eg )は6つ全 すべ てのフッ素 ふっそ 原子 げんし 上 じょう に等 ひと しく局在 きょくざい 化 か している。
配 はい 位 い 子 こ が中心 ちゅうしん の超 ちょう 原子 げんし 価 か 原子 げんし よりも電気 でんき 的 てき に陰性 いんせい である超 ちょう 原子 げんし 価 か 化合 かごう 物 ぶつ では、共鳴 きょうめい 構造 こうぞう はわずか4つの共有 きょうゆう 電子 でんし 対 たい 結合 けつごう を使 つか って描 えが くことができ、オクテット則 そく に従 したが うイオン結合 けつごう が得 え られる。例 たと えば、五 ご フッ化 か リン (PF5 )では、5つの共鳴 きょうめい 構造 こうぞう がそれぞれ4つの共有 きょうゆう 結合 けつごう と1つのイオン結合 けつごう (アキシアル結合 けつごう におけるイオン性 せい により重 おも きを置 お く)を使 つか って生成 せいせい できる。これはオクテット則 そく を満 み たし、観測 かんそく される三角 さんかく 両 りょう 錐 きり 分子 ぶんし 構造 こうぞう とエクアトリアル位 い (154 pm)よりもアキシアル位 い の結合 けつごう 長 ちょう (158 pm)が長 なが い事実 じじつ を説明 せつめい する[9] 。
五 ご フッ化 か リン。アキシアル位 い イオン結合 けつごう を持 も つ2つの共鳴 きょうめい 構造 こうぞう とエクアトリアル位 い イオン結合 けつごう を持 も つ3つの共鳴 きょうめい 構造 こうぞう が存在 そんざい する。
六 ろく フッ化 か 硫黄 いおう といった6配 はい 位 い 分子 ぶんし では、6つの結合 けつごう は同 おな じ結合 けつごう 長 ちょう である。上述 じょうじゅつ した合理 ごうり 化 か が適応 てきおう でき、イオン性 せい がそれぞれの硫黄 いおう -フッ素 ふっそ 結合 けつごう に等 ひと しく分布 ぶんぷ するような、4つの共有 きょうゆう 結合 けつごう と2つのイオン結合 けつごう を持 も つ15の共鳴 きょうめい 構造 こうぞう が生成 せいせい される。
六 ろく フッ化 か 硫黄 いおう 。隣合 となりあ う(cis )位置 いち に2つのイオン結合 けつごう を持 も つ12の共鳴 きょうめい 構造 こうぞう と、反対 はんたい 側 がわ (trans )の位置 いち に2つのイオン結合 けつごう を持 も つ3つの共鳴 きょうめい 構造 こうぞう が存在 そんざい する。
スピン結合 けつごう 原子 げんし 価 か 結合 けつごう 理論 りろん がジアゾメタン に適用 てきよう され、得 え られた軌道 きどう 解析 かいせき が中心 ちゅうしん の窒素 ちっそ が5つの共有 きょうゆう 構造 こうぞう を持 も つ化学 かがく 構造 こうぞう の観点 かんてん から解釈 かいしゃく された。
ジアゾメタンの化学 かがく 構造 こうぞう 式 しき 。超 ちょう 原子 げんし 価 か 窒素 ちっそ が示 しめ されている。
この結果 けっか 、著者 ちょしゃ らは以下 いか のような興味深 きょうみぶか い結論 けつろん に至 いた った[10] 。
我々 われわれ 皆 みな が学部 がくぶ 生 せい の時 とき に教 おそ わったことに反 はん して、窒素 ちっそ 原子 げんし は実際 じっさい には5つの共有 きょうゆう 結合 けつごう を形成 けいせい しており、d軌道 きどう はこの状態 じょうたい に何 なん の関係 かんけい もない。
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