原子炭素

原子炭素

名前
IUPAC名 原子炭素
体系的なIUPAC名 メタンジイリデン（置換） 炭素（添加）
その他の名前 モノカーボン; 単原子炭素; 単原子炭素
識別子
CAS番号	7440-44-0 はい
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像
チェビ	チェビ:27594 はい
ケムスパイダー	4575370 はい
ECHA 情報カード	100.028.321
パブケム CID	5462310
ユニ	2P3VWU3H10 はい
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID9027651
InChI InChI=1S/C はい キー: OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N はい
笑顔 [は]
プロパティ
化学式	Ｃ
モル質量	12.011 グラムモル−1
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 はい 確認する （何ですか  ？） はいいいえ インフォボックス参照

原子炭素は、系統的に炭素およびλ ⁰ -メタンと呼ばれ、化学式C（[C]とも表記）の無色の気体無機 化学物質です。常温および常圧では運動学的に不安定であり、自己重合によって除去されます。

炭素原子は炭素の同素体の中で最も単純であり、炭素クラスターの元でもあります。さらに、炭素原子はグラファイトやダイヤモンドのようなすべての（凝縮した）炭素同素体のモノマーであると考えられます。

慣用名 monocarbon は、最も一般的に使用され、推奨される IUPAC 名です。有効なIUPAC名である体系名carbon は、組成命名法に従って作成されます。ただし、組成名であるため、純粋な炭素のさまざまな形態を区別しません。有効な IUPAC 名である体系名λ 0 ^-methaneは、置換命名法に従って作成されます。monocarbon とともに、この名前は分子の構造情報を使用して導出されるため、名目上の化合物を区別します。その構造をよりよく反映するために、自由原子炭素は [C] と表記されることが多いです。λ ² -methylium ( [CH]⁺
）はHの獲得によって生じるイオンである⁺
原子炭素によって。

ルイス酸は炭素原子の電子対と結合することができ、ルイス塩基の電子対は炭素原子と付加結合することができる：^[1]

:[C] + M → [MC]

[C] + :L → [CL]

この付加電子対の供与または受容により、炭素原子はルイス両性の性質を持ちます。^[2]炭素原子は、ルイス酸に最大2つの電子対を供与したり、ルイス塩基から最大2つの電子対を受容したりする能力を持っています。

陽子はプロトン化によって炭素原子と結合することができます。

C + H⁺
→中国語⁺

この陽子（H⁺
）、炭素原子およびそのルイス塩基付加物（水など）もブレンステッド・ローリー塩基性を示す。炭素原子の共役酸はλ ² -メチリウム（CH⁺
）。

H
₃お⁺
+ C ⇌ H
₂酸素+ CH⁺

しかし、付加物の水溶液は炭素中心とλ ² -メチリウム基の水和によりλ ² -メタノール（CHOH）またはλ ² -メタン（CH
₂）、またはヒドロキシメチリウム（CH
₂おお⁺
）グループに分類されます。

H
₂O + C → CHOH

H
₂酸素+ CH⁺
→中国語
₂おお⁺

付加物中のλ ² -メタノール基は、異性化してホルムアルデヒドを形成するか、またはさらに水和してメタンジオールを形成する可能性がある。付加物中のヒドロキシメチリウム基は、さらに水和してジヒドロキシメチリウム（CH(OH)⁺
₂）、または水によって酸化されてホルミリウム（HCO⁺
）。^[1]

原子炭素内の電子は、アウフバウ原理に従って原子軌道に分配され、対応するエネルギーレベルを持つ固有の量子状態を生成します。エネルギーレベルが最も低い状態、つまり基底状態は、三重項ジラジカル状態 ( ³ P _{0 ) で、} ³ P ₁と³ P ₂がそれに続きます。エネルギーが比較的近い次の 2 つの励起状態は、一重項 ( ¹ D ₂ ) と一重項ジラジカル ( ¹ S ₀ ) です。原子炭素の非ラジカル状態は、系統的に λ ² -メチリデンと名付けられ、基底状態を含むジラジカル状態は、カーボン (2•) または λ ² -メタンジイルと名付けられています。¹ D ₂と¹ S ₀状態は、基底状態よりそれぞれ121.9 kJ mol ⁻¹と 259.0 kJ mol ⁻¹上にあります。これら 3 つの状態間の遷移は、スピン反転や電子対形成の要件により、正式には発生が禁止されています。つまり、原子状炭素は、電磁スペクトルの近赤外線領域で 981.1 nm でリン光を発します。また、紫外線による励起により、赤外線で蛍光を発し、青色領域でそれぞれ 873.0 nm と 461.9 nm でリン光を発します。

原子炭素の異なる状態は、さまざまな化学的挙動を示します。たとえば、三重項ラジカルと非ラジカル種の反応では、通常、抽出が行われますが、一重項非ラジカルの反応では、抽出だけでなく、挿入による付加も行われます。

[C] ^2• ( ³ P ₀ ) + H
₂O → [CHOH] → [CH] + [HO]

_[ C]( ^1D2 )+ Hの
₂O → [CHOH] → CO + H
₂またはH
₂CO

合成法の 1 つは、この分野で主要な研究を行ったPhil Shevlinによって開発されたもので、隣接する 2 本の炭素棒に大電流を流して電気アークを発生させるというものです。この種の生成方法はフラーレンC ₆₀の生成と密接に関係していますが、主な違いは原子炭素の生成にははるかに低い真空が使用されることです。

5-ジアゾテトラゾールの熱分解により、3当量の窒素が押し出されると原子状炭素が生成される。^[3]

CN ₆ → :C: + 3N ₂

炭化タンタルの熱分解に基づいて、クリーンな炭素原子源が得られます。開発された源では、^[4]炭素が薄壁のタンタル管に充填されています。密封された後、直流電流で加熱されます。溶媒和炭素原子は管の外表面に拡散し、温度が上昇すると、タンタル管の表面から炭素原子が蒸発するのが観察されます。この源は、追加の種が存在せず、純粋な炭素原子を提供します。

原子炭素は亜酸化炭素の脱炭酸反応によって生成されます。このプロセスでは、次式に従って 亜酸化炭素が分解して原子炭素と一酸化炭素が生成されます。

Ｃ
₃お
₂→ 2 CO + [C]

このプロセスでは、中間体として二酸化炭素が関与し、2 つのステップで進行します。両方の脱炭酸には光分解遠紫外線が必要です。

1. OCCCO → [CCO] + CO
2. [CCO] → CO + [C]

通常、原子炭素のサンプルは、熱力学的平衡にある基底状態に加えて励起状態の混合物として存在します。各状態は、起こり得る反応機構に異なる形で寄与します。どの状態が関与しているかを判断するために使用される簡単なテストは、O _{2との三重項状態の診断反応を使用することです。反応収率が変わらない場合は、一重項状態が関与していることを示します。ジラジカル基底状態は通常、抽出反応を受けます。原子炭素は、}カルボニル基から酸素原子を抽出することによって「真の」カルベンを生成するために使用されています。

R ₂ C=O + :C: → R ₂ C: + CO

このようにして形成されたカルベンは、真のカルベン挙動を示します。ジアゾ化合物などの他の方法で調製されたカルベンは、カルベン自体ではなく、カルベンの製造に使用されたジアゾ化合物（カルベン挙動を模倣）に起因する特性を示す可能性があります。これは、真のカルベン挙動のメカニズムの理解の観点から重要です。

原子炭素は電子不足の種であるため、純粋な形では自発的に自己重合するか、ルイス酸または塩基で処理すると付加物に変換されます。 ^[曖昧]原子炭素を酸化すると一酸化炭素が得られ、還元すると λ ² -メタンが得られます。 酸素を含む非金属は原子炭素を強く攻撃し、2価の炭素化合物を形成します。

2 [C] + O
₂→ 2CO

炭素原子は非常に反応性が高く、ほとんどの反応は発熱を伴う。一般的には液体窒素温度（77 K）の気相で行われる。有機化合物との典型的な反応には以下のものがある：^[5]

アルカンのCH結合に挿入されカルベンを形成する

ケトンおよびアルデヒドのカルボキシル基を脱酸素化してカルベンを形成し、2-ブタノンから2-ブタニリデンを形成します。

炭素-炭素二重結合に挿入されてシクロプロピリデンが形成され、これが開環します。簡単な例としては、アルケンに挿入されてクムレンが形成されることが挙げられます。

OH 結合に水が挿入されるとカルベン HC-OH が形成され、これがホルムアルデヒド HCHO に転位します。

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• PB Shevlin (1972). 「5-テトラゾイルジアゾニウム塩化物の分解における原子状炭素の形成」J. Am. Chem. Soc. 94 (4): 1379–1380. doi :10.1021/ja00759a069.
• PB Shevlin (1980)。「原子炭素の調製と反応」。RA Abramovitch (編) 著。反応性中間体。第 1 巻。ニューヨーク: Plenum Press。p. 1。
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