共役と共鳴

共役と共鳴は、分子の挙動を理解する上で重要な現象である。

コンジュゲーションとは？

分子では、単結合と多重結合が交互に存在するとき、その系を共役系と呼ぶことにしている。例えば、ベンゼン分子は共役系である。多重結合では、シグマ結合と1つまたは2つのπプールが存在する。π結合は、重なり合うp軌道で構成されている。p軌道の電子は、分子の平面に対して垂直である。ですから、交互結合の中にπ結合があると、共役系全体の電子がオフドメインになるんです。つまり、これを電子雲と呼んでいます。原子は単なる共役原子ではないので、同じ原子に属しているわけではない。これにより、システム全体のエネルギーを削減し、安定性を高めることができます。共役系を形成するには、π結合だけでなく、孤立電子対やラジカル、炭素イオンが関与することもある。このような場合、電子が2つ存在する非結合型p軌道、1つの電子、または電子が存在しないかのいずれかである。共役系には線形と環状がある。1つの分子に限定しているものもあります。より大きなポリマー構造が利用できれば、非常に大きな共役系が可能になる。共役の存在により、分子は発色団として機能する。発色団は光を吸収することができるので、化合物は色を持つようになる。

レゾナンスとは？

ルイス構造を書くときは、価電子だけを表示する。原子に電子を共有させたり、移動させたりすることで、各原子に不活性ガスの電子配置を与えようとするのです。しかし、この試みでは、電子に人工的な位置を押し付けることができます。したがって、多くの分子やイオンでは、2つ以上の等価ルイス構造を書くことができる。電子の位置を変えて形成される構造を共鳴構造と呼びます。これらはあくまで理論的に存在する構造である。共鳴構造は、構造について2つの事実を述べている。

-どの共鳴構造も実際の分子を正しく表すことはできず、実際の分子の化学的・物理的性質と正確に一致するものはない。

-実際の分子またはイオンは、すべての共鳴構造の混合物で表されることが好ましい。

炭酸イオン(CO32-)の共鳴構造を矢印↔で示す。

X線の研究により、実際の分子はこの共鳴の間にあることがわかりました。研究の結果、炭酸イオンでは、すべての炭素-酸素結合が同じ長さであることがわかった。しかし、上記の構造から、二重結合が1つ、単結合が2つあることがわかる。したがって、これらの共鳴構造が別々に起こるのであれば、理想的にはイオン内の結合長が異なるはずである。結合長が同じであることから、これらの構造はいずれも自然界には存在せず、むしろそのハイブリッドであることが示唆される。