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| 四面体分子構造 | |
|---|---|
 | |
| 例 | CH 4、マンガン− 4 |
| 点群 | T d |
| コーディネート番号 | 4 |
| 結合角 | ≈ 109.5° |
| μ（極性） | 0 |
四面体分子構造では、中心原子が中心に位置し、4つの置換基が四面体の角に位置します。結合角はarccos (− 1/3 ) = 109.4712206...° ≈ 109.5° は、メタン( CH 4 ) [1] [2]やそのより重い類似体のように、4つの置換基がすべて同じ場合です。メタンやその他の完全に対称な四面体分子は点群 T dに属しますが、ほとんどの四面体分子は対称性が低くなります。四面体分子はキラルになることがあります。
四面体結合角
CH 4などの対称四面体分子の結合角は、2 つのベクトルのドット積を使用して計算できます。左の図に示すように、分子は立方体に内接することができ、座標の原点 O である立方体の中心に四価原子 (例:炭素) があります。4 つの一価原子 (例: 水素) は、立方体の 4 つの角 (A、B、C、D) にあり、2 つの原子が 1 つの立方体の辺のみでつながれた隣接する角にないように選択されています。
立方体の辺の長さを 2 単位とすると、2 つの結合 OA と OB はベクトルa = (1, –1, 1)とb = (1, 1, –1)に対応し、結合角θはこれら 2 つのベクトル間の角度になります。この角度は、2 つのベクトルのドット積から計算できます。ドット積は、a ⋅ b = ‖ a ‖ ‖ b ‖ cos θと定義されます。ここで、‖ a ‖ はベクトルaの長さを表します。図に示すように、ここでのドット積は –1 で、各ベクトルの長さは√ 3なので、cos θ = – 1/3そして四面体結合角θ = arccos (– 1/3）≃ 109.47°。
三角法を使った別の証明を右の図に示します。
例
主族化学
ほぼすべての飽和有機化合物を除けば、Si、Ge、Snの化合物のほとんどは四面体です。四面体分子は、四酸化キセノン（XeO 4）、過塩素酸イオン（ClO−4）、硫酸イオン（SO2−4）、リン酸イオン（PO3−4チアジルトリフルオリド（SNF 3 ）は四面体構造で、硫黄-窒素三重結合を特徴としています。[3]
他の分子は、中心原子の周りに電子対が四面体配置になっています。たとえば、アンモニア( NH 3 ) では、窒素原子が 3 つの水素と 1 つの孤立電子対に囲まれています。しかし、通常の分類では結合原子のみが考慮され、孤立電子対は考慮されないため、アンモニアは実際にはピラミッド型であると考えられています。H–N–H 角は 109.5° から縮小して 107° です。この違いは、結合原子よりも大きな反発力を発揮する孤立電子対の影響によるものです。[引用が必要]
遷移金属化学
この幾何学的構造は広範囲にわたりますが、特に金属が d 0または d 10配置を持つ錯体ではその傾向が顕著です。具体例としては、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0) ( Pd[P(C 6 H 5 ) 3 ] 4 )、ニッケルカルボニル( Ni(CO) 4 )、四塩化チタン( TiCl 4 ) などがあります。d 殻が不完全に満たされた錯体の多くは、鉄(II)、コバルト(II)、ニッケル(II) の四ハロゲン化物など、四面体であることが多いです。
水の構造
気相では、単一の水分子は 2 つの水素と 2 つの孤立電子対に囲まれた酸素原子を持ち、H 2 O の形状は非結合孤立電子対を考慮せずに単純に曲がっていると説明されます。[引用が必要]
しかし、液体の水や氷の中では、孤立電子対は隣接する水分子と水素結合を形成する。酸素の周りの水素原子の最も一般的な配置は、2つの水素原子が酸素と共有結合し、2つの水素原子が水素結合で結合した四面体である。水素結合の長さは変化するため、これらの水分子の多くは対称ではなく、関連する4つの水素原子の間で一時的に不規則な四面体を形成する。[4]
二面体構造
多くの化合物や錯体は二面体構造を採用しています。このモチーフでは、2つの四面体が共通の辺を共有しています。無機ポリマーの二硫化ケイ素は、辺を共有した四面体の無限鎖を特徴としています。完全に飽和した炭化水素系では、二面体分子C 8 H 6が、可能な限り短い炭素-炭素単結合を持つ分子の候補として提案されています。[5]
例外と歪み
四面体の反転は、有機化学および典型族化学で広く発生します。ワルデン反転は、炭素における反転の立体化学的結果を示しています。アンモニア中の窒素反転も、平面NH 3の一時的な形成を伴います。
逆四面体幾何学
分子内の幾何学的制約により、理想的な四面体形状が著しく歪むことがある。炭素原子において「反転」四面体形状を特徴とする化合物では、この炭素に結合した4つの基すべてが平面の片側にある。[6]炭素原子は四角錐の頂点またはその近くに位置し、他の4つの基は角にある。[7] [8]
逆四面体構造を示す有機分子の最も単純な例は、 [1.1.1]プロペランなどの最小のプロペラン、またはより一般的にはパドラン[9]やピラミダン（ [3.3.3.3]フェネストラネ） [ 7]である。 [8]このような分子は典型的には歪みがあり、反応性が増加します。
平坦化
四面体は、2 つの結合間の角度を大きくすることで歪むこともあります。極端な場合には、平坦化します。炭素の場合、この現象はフェネストラと呼ばれる化合物のクラスで観察されます。[引用が必要]
中心原子を持たない四面体分子
いくつかの分子は中心原子のない四面体構造をしています。無機の例は四リン（P 4）で、四面体の頂点に 4 つのリン原子があり、それぞれが他の 3 つの原子と結合しています。有機の例は四面体（C 4 H 4）で、4 つの炭素原子がそれぞれ 1 つの水素と他の 3 つの炭素と結合しています。この場合、理論上の C−C−C 結合角はちょうど 60° です（実際には曲がった結合のために角度は大きくなります）。これは大きな歪みを表しています。[要出典]
参照
参考文献
- ^ Alger, Nick. 「四面体の2本の脚の間の角度」。2018年10月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Brittin, WE (1945). 「四面体炭素原子の原子価角」J. Chem. Educ. 22 (3): 145. Bibcode :1945JChEd..22..145B. doi :10.1021/ed022p145.
- ^ Miessler, GL; Tarr, DA (2004).無機化学（第3版）. ピアソン/プレンティスホール. ISBN 0-13-035471-6。
- ^ メイソン、PE; ブレイディ、JW (2007)。「「四面体性」と液体水中の集団構造と放射状分布関数の関係」。J . Phys. Chem. B. 111 ( 20): 5669–5679. doi :10.1021/jp068581n. PMID 17469865。
- ^ Xie, Yaoming; Schaefer, Henry F. (1989-09-29). 「二面体分子C8H6：飽和炭化水素の最短CC結合距離？」. Chemical Physics Letters . 161 (6): 516–518. Bibcode :1989CPL...161..516X. doi :10.1016/0009-2614(89)87031-9. ISSN 0009-2614.
- ^ Wiberg, Kenneth B. (1984). 「炭素における反転形状」. Acc. Chem. Res. 17 (11): 379–386. doi :10.1021/ar00107a001.
- ^ ab Joseph P. Kenny; Karl M. Krueger; Jonathan C. Rienstra-Kiracofe; Henry F. Schaefer III (2001). 「C 5 H 4 : ピラミダンとその低位異性体」J. Phys. Chem. A . 105 (32): 7745–7750. Bibcode :2001JPCA..105.7745K. doi :10.1021/jp011642r.
- ^ ab Lewars, E. (1998). 「ピラミダン：C 5 H 4ポテンシャルエネルギー面のab initio研究」.分子構造ジャーナル：THEOCHEM . 423 (3): 173–188. doi :10.1016/S0166-1280(97)00118-8.
- ^ IUPAC、化学用語集、第 2 版 ( 「ゴールドブック」) (1997)。オンライン修正版: (2006–)「パドレーン」。doi :10.1351/goldbook.P04395
外部リンク
- 四面体分子の例
- アニメーション化された四面体ビジュアル
- エルムハースト大学
- 点群のインタラクティブな分子例
- 3D 化学 – 化学、構造、3D 分子
- IUMSC – インディアナ大学分子構造センター]
- 錯イオンの形状：四面体
- 分子モデリング