質問: 芳香環との静電的な相互作用について アミノ酸の研究をしている理系大学生です 芳香環の静電的な相互作用のとりえ方について分からない点があります ベンゼン環は電離、分極も生じておらず、疎水性が高い分子です 疎水性が高いといことは水溶媒においても水分子と水素結合を介さないはずです しかし、ベンゼン環は陽イオンなどとπ-カチオン相互作用や、π-π相互作用を取り得ることが分かりました どちらも静電的な相互作用のはずなのに一方はとりえて、他方はとりえないのはなぜでしょうか ベンゼン環は分極は生じていないですが、π電子雲と呼ばれる電子がベンゼン環の上下方向に存在していて、この電子雲が関係しているのだろうと思うのですが、よくわかりません 詳しく教えていただけないでしょうか
回答: 補足についてです。 >ベンゼン環のπ電子とは誘起双極子なのでしょうか、(永久?)双極子という認識でいたのですが... ベンゼンには双極子はありません。そもそも、分子の中の電子が双極子というのはおかしいです。 ベンゼン環の電子分布は対称でどこにも双極子はありません。分子が対称なので当たり前です。 もちろん置換ベンゼンだと大なり小なり双極子は生じますが、パイ電子の関与する相互作用に話を絞ればそんなに違いはありません。 コメントが不足していましたが、c-h-パイなどのパイ電子を含む相互作用の場合、c-h(o-hでもなんでも良いですが)は永久双極子ですが、パイ電子側は双極子によって誘起された誘起双極子の源となります。 パイ電子はσ電子に比べるとはるかに動きやすい(分極しやすい、柔らかい)ため、容易に他の双極子(電荷でも良いが)の影響を受けて誘起双極子を生じ得ます。ベンゼンのみならずパイ電子化合物の特徴の一つです。 (1)例えば水分子一つとベンゼン一つだけが存在する系と水分子二つのみが存在する系を比べた場合、系内の双極子/双極子相互作用だけで考えるとどちらも同様に取り得るのでしょうか どちらも取り得るが、電気陰性度などの電子の偏りの度合いの違いから、水分子同士の方が静電的な相互作用は強いのでしょうか 水同士だと通常の水素結合になります。永久双極子ー永久双極子の相互作用で、非常に強いものです。 (ただし水素結合は指向性が高い相互作用であるため、単に静電的なものとしてとらえるのは間違いですが) 水とベンゼンだと、永久双極子ー誘起双極子となってずっと弱くなるでしょう。定量的な値は専門的な論文を当たる必要がありますが。 (3)(1)の観点以外にも、双極子/双極子相互作用以外にも結合に関わる因子が存在して、その因子の寄与も全部含めると、ベンゼン環と結合するより、水同士で結合していた方が安定ということでしょうか 水素結合というものを全て双極子の相互作用に含めて良いのか?という問題がありますが、水と水(あるいはアルコールなど)の相互作用は、ベンゼンとのそれにくらべ圧倒的に強いことは間違いないでしょう。 どれくらい強いのか?ということは今でも専門的な研究が理論・実験の両面でされている問題です。 多環芳香族のカゴ構造の中に閉じ込めた数個の水分子の場合でも、水同士が強い水素結合によって氷のような構造を取ることは知られています。 (2)さらに、実際に溶液中で水分子は大きな水素結合ネットワークを形成しているために、相乗効果による別の力が働き、水素結合自体を強めているのでしょうか 数個の水分子クラスターの個々の水素結合に比べ、巨大なネットワークを作っている時は結合強度が高まっているのでは?ということでしょうか?私も専門外なので分かりかねます。 一本一本の結合の強さは孤立したクラスターの方が強いのではないかと思うのですが、はっきりとしたデータは持ち合わせていません。