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分子構造において、結合長(Bond length)または結合距離(Bond distance)は、分子内の2つの原子の間の平均距離である。

目次

概要編集

結合長は結合次数と関連しており、結合の形成に参加する電子が多くなるほど結合は短くなる。また結合長は、結合強さ及び結合解離エネルギーと逆相関の関係にあり、結合が強くなるほど結合長は短くなる。2つの同じ原子の間の結合長の半分は、共有結合半径と等しい。

結合長は、X線回折を用いて固相で測定されるか、回転分光法を用いて気相で見積もられる。結合を共有する2つの原子の組は、分子ごとに異なる。例えば、メタン中の炭素-水素結合の長さは、クロロメタン中の長さとは異なる。しかし、全体構造が同じ場合は、一般化することが可能である。

炭素と他の元素の結合長編集

下表は、実験的に求めた炭素と他の元素の間の単結合の長さである[1]。単位は、pmである。2つの異なる原子の間の結合長は、それぞれの共有結合半径の和で近似できる。一般的な傾向として、結合長は、周期表の周期が大きくなるほど長くなり、族が大きくなるほど短くなる。この傾向は、原子半径と同じである。

炭素と他の元素の結合長[1]
元素 結合長 (pm)
H 106 - 112 第1族
Be 193 第2族
Mg 207 第2族
B 156 第13族
Al 224 第13族
In 216 第13族
C 120 - 154 第14族
Si 186 第14族
Sn 214 第14族
Pb 229 第14族
N 147 - 210 第15族
P 187 第15族
As 198 第15族
Sb 220 第15族
Bi 230 第15族
O 143 - 215 第16族
S 181 - 255 第16族
Cr 192 第6族
Se 198 - 271 第16族
Te 205 第16族
Mo 208 第6族
W 206 第6族
F 134 第17族
Cl 176 第17族
Br 193 第17族
I 213 第17族

有機化合物中の結合長編集

分子中の2つの原子の間の実際の結合長は、混成軌道置換基の性質によって異なる。ダイヤモンド中の炭素-炭素結合の長さは154 pmで、通常の炭素の共有結合としては最も長い。

異常に長い結合長というのも存在する。その1つはトリシクロブタベンゼンで、結合長は160 pmにもなることが報告されている。さらにX線回折により、別のシクロブタベンゼンで174 pmというのが現在の最長記録である[2]

2つのテトラシアノエチレンジアニオン二量体の中に290 pmにも及ぶ非常に長いC-C結合が存在すると主張されているが、これは2電子4中心結合である[3][4]。この型の結合は、中性のフェナレン二量体でも見られる。これらの結合は「パンケーキ結合」と呼ばれ[5]、長さは305 pmにもなる。

平均的な炭素-炭素結合よりも短い結合も見られ、アルケンアルキンではΣ結合s軌道成分が増えるため、結合長はそれぞれ、133 pm、120 pmとなる。ベンゼンでは、全ての結合が同じ結合長を持ち、139 pmである。s軌道成分の大きい炭素-炭素単結合としては、ジアセチレンの中央の結合(137 pm)やある種のテトラヘドラン二量体の中央の結合(144 pm)も顕著である。

プロパンニトリルでは、電子を欠いたシアノ基が結合長を短くする(144 pm)。歪みによってもC-C結合長は短くなる。In-メチルシクロファンと呼ばれる有機化合物では、トリプチセンフェニル基の間の結合が147 pmと短くなる。In silicoの実験により、フラーレンに閉じ込められたネオペンタンは、結合長が136 pmと推定された[6] The smallest theoretical CC single bond obtained in this study is 131 pm for a hypothetical tetrahedrane derivative.[7]。この研究で、理論的に最短のCC結合は、仮想的なテトラヘドラン誘導体の131 pmである[8]

同じ研究で、エタンのCC結合を5 pm伸縮するのに、それぞれ2.8、3.5 kJ/molのエネルギーが必要であると推定された。また、同じ結合を15 pm伸縮するには、それぞれ21.9、37.7 kJ/mol必要であると推定された。

有機化合物の結合長[9][10]
C–H 長さ (pm) C–C 長さ (pm) 多重結合 長さ (pm)
sp3–H 110 sp3–sp3 154 ベンゼン 140
sp2–H 109 sp3–sp2 150 アルケン 134
sp–H 108 sp2–sp2 147 アルキン 120
sp3–sp 146 アレン 130
sp2–sp 143
sp–sp 137

出典編集

  1. ^ Handbook of Chemistry & Physics (65th ed.). CRC Press. ISBN 0-8493-0465-2. 
  2. ^ Fumio Toda (April 2000). “Naphthocyclobutenes and Benzodicyclobutadienes: Synthesis in the Solid State and Anomalies in the Bond Lengths”. European Journal of Organic Chemistry 2000 (8): 1377–1386. doi:[[doi:10.1002%2F%28SICI%291099-0690%28200004%292000%3A8%3C1377%3A%3AAID-EJOC1377%3E3.0.CO%3B2-I|10.1002/(SICI)1099-0690(200004)2000:8<1377::AID-EJOC1377>3.0.CO;2-I]]. http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/abstract/71008297/ABSTRACT. 
  3. ^ Novoa JJ, Lafuente P, Del Sesto RE, Miller JS (2001-07-02). “Exceptionally Long (2.9 Å) C-C Bonds between [TCNE- Ions: Two-Electron, Four-Center *-* C-C Bonding in -[TCNE]22-”]. Angewandte Chemie International Edition 40 (13): 2540–2545. doi:[[doi:10.1002%2F1521-3773%2820010702%2940%3A13%3C2540%3A%3AAID-ANIE2540%3E3.0.CO%3B2-O|10.1002/1521-3773(20010702)40:13<2540::AID-ANIE2540>3.0.CO;2-O]]. http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/abstract/84503205/ABSTRACT. 
  4. ^ Lü J-M, Rosokha SV, Kochi JK (2003). “Stable (Long-Bonded) Dimers via the Quantitative Self-Association of Different Cationic, Anionic, and Uncharged -Radicals: Structures, Energetics, and Optical Transitions”. J. Am. Chem. Soc. 125 (40): 12161–12171. doi:10.1021/ja0364928. 
  5. ^ Suzuki S, Morita Y, Fukui K, Sato K, Shiomi D, Takui T, Nakasuji K (2006). “Aromaticity on the Pancake-Bonded Dimer of Neutral Phenalenyl Radical as Studied by MS and NMR Spectroscopies and NICS Analysis”. J. Am. Chem. Soc. 128 (8): 2530–2531. doi:10.1021/ja058387z. 
  6. ^ Huntley DR, Markopoulos G, Donovan PM, Scott LT, Hoffmann R (2005). “Squeezing CC Bonds”. Angewandte Chemie International Edition 44 (46): 7549–7553. doi:10.1002/anie.200502721. PMID 16259033. 
  7. ^ Martinez-Guajardo G, Donald KJ, Wittmaack BK, Vazquez MA, Merino G (2010). “Shorter Still: Compresing C-C Single Bonds”. Organic Letters, ASAP 12 (18): 4058. doi:10.1021/ol101671m. 
  8. ^ Martinez-Guajardo G, Donald KJ, Wittmaack BK, Vazquez MA, Merino G (2010). “Shorter Still: Compresing C-C Single Bonds”. Organic Letters, ASAP 12 (18): 4058. doi:10.1021/ol101671m. 
  9. ^ Fox, Marye Anne; Whitesell, James K. (1995). Organische Chemie: Grundlagen, Mechanismen, Bioorganische Anwendungen. Springer. ISBN 978-3-86025-249-9. 
  10. ^ Prof Chao-Jun Li, Ph.D. in lecture, March 2009 (needs citation)

外部リンク編集