シグマ結合
化学において、シグマ結合（σ結合）またはシグマ重なりは、最も強いタイプの共有化学結合である。[ 1 ]これらは、核間軸に沿った原子軌道間の正面重なりによって形成される。シグマ結合は、対称群の言語とツールを使用することで、二原子分子に対して最も簡単に定義される。この正式なアプローチでは、σ結合は結合軸の周りの回転に対して対称的である。この定義によると、シグマ結合の一般的な形式は s+s、p z +p z、s+p z 、および d z 2 +d z 2である（ここで、zは結合の軸または核間軸として定義される）。[ 2 ] 量子論では、同一の対称性を持つ分子軌道（MO）が実際に混ざり合ったり混成したりすることも示されている。この二原子分子の混合の実際的な結果として、波動関数s+s および p z +p z分子軌道が混合される。この混合（または混成またはブレンド）の程度は、同様の対称性を持つ MO の相対的なエネルギーによって決まります。
ホモ二原子分子（同核二原子分子）の場合、結合性σ軌道には、結合原子間および結合原子を通過するいずれの場合でも、波動関数がゼロとなる節面は存在しない。対応する反結合性σ*軌道は、結合原子間に1つの節面が存在することで定義される。
シグマ結合は軌道の直接的な重なりにより最も強いタイプの共有結合であり、これらの結合中の電子はシグマ電子と呼ばれることもあります。[ 3 ]
記号σはギリシャ文字のシグマを表します。結合軸に沿って見ると、σ軌道は円対称性を持ち、似た発音の「s」原子軌道に似ています。
通常、単結合はシグマ結合であり、多重結合は1つのシグマ結合とπ結合またはその他の結合から構成されます。二重結合は1つのシグマ結合と1つのπ結合で構成され、三重結合は1つのシグマ結合と2つのπ結合で構成されます。
| —— | ———————————————— | ————— |
| アトミック 軌道 |  | |
| 原子軌道間の 対称（s–sおよびp–p）シグマ結合 | 比較のため のπ結合 | |
| —— | ———————————————— | ————— |
 σ s–ハイブリッド |  σ s–p | |
多原子分子
シグマ結合は、原子軌道が正面から重なり合うことで形成されます。シグマ結合の概念は、ある軌道の1つのローブが別の軌道の1つのローブと重なり合う結合相互作用を記述するために拡張されています。例えば、プロパンは10個のシグマ結合で構成されていると説明され、2つのC−C結合と8つのC−H結合がそれぞれ1つずつ割り当てられています。
多重結合錯体
二水素錯体のような多重結合を特徴とする遷移金属錯体は、多重結合した原子間にシグマ結合を有する。これらのシグマ結合は、 W(CO) 3 ( PCy 3 ) 2 (H 2 )の場合に見られるπ-バックドナー結合や、酢酸クロム(II)の場合に見られるδ-結合など、他の結合相互作用によって補完されることもある。[ 4 ]
有機分子
有機分子は、ベンゼンのように1つ以上の環を含む環状化合物であることが多く、多くのシグマ結合とパイ結合で構成されています。シグマ結合則によれば、分子中のシグマ結合の数は、原子の数に環の数を足し、1を引いた数に相当します。
- N σ = N個の原子+ N個の環− 1
この規則は、分子を表すグラフの オイラー特性の特殊なケースへの応用です。
環を持たない分子は、原子数から1を引いた数の結合を持つ木として表すことができます（例えば、シグマ結合が1つしかない水素（H 2 ）や、シグマ結合が3つあるアンモニア（ NH 3）など）。2つの原子の間には、1つ以上のシグマ結合は存在しません。
環を持つ分子には、追加のシグマ結合があります。例えばベンゼン環は、環内に6つの炭素原子に対して6つのC−Cシグマ結合を持ちます。アントラセン分子（C 14 H 10）は3つの環を持つため、この法則によればシグマ結合の数は24 + 3 − 1 = 26となります。この場合、16個のC−Cシグマ結合と10個のC−H結合があります。
この規則は、紙に平らに描いたときに分子が実際よりも環の数が異なる分子の場合には当てはまりません。たとえば、バックミンスターフラーレン(C 60 ) には 32 の環、60 個の原子、および 90 のシグマ結合 (結合した原子の各ペアにつき 1 つ) がありますが、60 + 32 − 1 = 90 ではなく 91 です。これは、シグマ規則がオイラー特性の特殊なケースであるためです。オイラー特性では、各環は面、各シグマ結合は辺、各原子は頂点と見なされます。通常、環の内側ではない空間に 1 つの追加面が割り当てられますが、バックミンスターフラーレンを交差なしで平らに描くと、環の 1 つが外側の五角形を構成し、その環の内側がグラフの外側になります。この法則は、他の形状を考慮するとさらに当てはまりません。環状フラーレンは、分子内のシグマ結合の数は原子の数とリングの数の合計とちょうど同じであるという法則に従います。ナノチューブも同様です。端から覗き込むように平らに描くと、リングではないナノチューブの遠端に対応する中央の面と、外側に対応する面があります。
参照
参考文献
- ^ムーア, ジョン; スタニツキ, コンラッド L.; ジュールス, ピーター C. (2009-01-21). 『化学の原理：分子科学』 センゲージラーニング. ISBN 9780495390794。
- ^クレイデン, ジョナサン; グリーブス, ニック; ウォーレン, スチュアート (2012年3月) [2002].有機化学(第2版). オックスフォード: OUP Oxford. pp. 101– 136. ISBN 978-0199270293。
- ^キーラー、ジェームズ、ウォザーズ、ピーター（2008年5月）『化学構造と反応性』（第1版）オックスフォード：OUPオックスフォード、pp. 27– 46. ISBN 978-0199289301。
- ^ Kubas, Gregory (2002). 「金属二水素およびσ結合錯体：構造、理論、および反応性」. J. Am. Chem. Soc . 124 (14): 3799– 3800. doi : 10.1021/ja0153417 .
外部リンク
