시그마 결합
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1. 개요
시그마 결합은 원자 궤도가 겹쳐져 형성되는 공유 결합의 한 종류이다. 결합축을 중심으로 전자가 원통형 대칭을 이루며, 공유 결합 중 가장 강하다. 수소 분자, 플루오린화 수소 등 다양한 분자에서 나타나며, 다중 결합에서는 시그마 결합과 함께 파이 결합이 형성되기도 한다. 유기 분자에서는 시그마 결합 규칙을 통해 결합 수를 예측할 수 있으며, 전이 금속 착물에서도 발견된다.
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| 시그마 결합 |
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2. 정의
시그마 결합은 결합에 참여하는 원자 궤도가 겹쳐져 형성된다. 이 두 물질에서 결합을 이루고 있는 전자는, 결합을 이루고 있는 두 원자의 핵을 잇는 축(결합축)을 중심으로 그 둘레에 위치하고 있어 전자의 분포가 원통형 대칭이 된다. 시그마 결합은 공유결합 중에서 가장 강한 결합이다. 이중 결합 또는 삼중 결합 등 다중결합에서 시그마 결합에 추가하여 나타나는 파이 결합은 시그마 결합보다 약한 결합이다.
수소 분자(H2)에서는 두 수소 원자의 1s 원자 궤도가 겹쳐져 시그마 결합을 이룬다. 플루오린화 수소(HF)에서는 수소 원자의 1s 원자 궤도와 플루오린 원자의 2p 원자 궤도가 겹쳐져 시그마 결합을 이룬다.
시그마 결합은 원자 궤도의 정면 겹침에 의해 형성된다. 시그마 결합의 개념은 한 궤도의 단일 로브와 다른 궤도의 단일 로브의 겹침을 포함하는 결합 상호 작용을 설명하는 데까지 확장된다. 예를 들어, 프로페인은 두 개의 C−C 결합 각각에 하나씩, 그리고 여덟 개의 C−H 결합 각각에 하나씩, 총 10개의 시그마 결합으로 구성된 것으로 묘사된다.
전이 금속 착물은 다중 결합을 특징으로 하며, 예를 들어 이수소 착물은 다중 결합된 원자 사이에 시그마 결합을 가지고 있다. 이러한 시그마 결합은 W(CO)3(PCy3)2(H2)의 경우처럼 π-역 기증과 같은 다른 결합 상호 작용으로 보완될 수 있으며, 심지어 크롬(II) 아세테이트의 경우처럼 델타 결합도 가능하다.[4]
유기 분자는 종종 벤젠과 같이 하나 이상의 고리를 포함하는 고리 화합물이며, 파이 결합과 함께 많은 시그마 결합으로 구성된다. '''시그마 결합 규칙'''에 따르면 분자 내 시그마 결합의 수는 원자 수에 고리 수를 더하고 1을 뺀 것과 같다.
[1]
서적
Principles of Chemistry: The Molecular Science
https://books.google[...]
Cengage Learning
2009-01-21
3. 시그마 결합의 예
시그마 결합은 원자 궤도의 정면 겹침에 의해 형성된다. 시그마 결합의 개념은 한 궤도의 단일 로브와 다른 궤도의 단일 로브의 겹침을 포함하는 결합 상호 작용을 설명하는 데까지 확장된다. 예를 들어, 프로페인은 두 개의 C−C 결합 각각에 하나씩, 그리고 여덟 개의 C−H 결합 각각에 하나씩, 총 10개의 시그마 결합으로 구성된 것으로 묘사된다.
전이 금속 착물은 다중 결합을 특징으로 하며, 예를 들어 이수소 착물은 다중 결합된 원자 사이에 시그마 결합을 가지고 있다. 이러한 시그마 결합은 W(CO)3(PCy3)2(H2)의 경우처럼 π-역 기증과 같은 다른 결합 상호 작용으로 보완될 수 있으며, 심지어 크롬(II) 아세테이트의 경우처럼 델타 결합도 가능하다.[4]
4. 다원자 분자
5. 다중 결합 복합체
6. 유기 분자
:''N''σ = ''N''원자 + ''N''고리 − 1
이 규칙은 분자를 나타내는 그래프의 오일러 특성을 특수한 경우에 적용한 것이다.
고리가 없는 분자는 원자 수에서 1을 뺀 수만큼의 결합을 갖는 트리로 나타낼 수 있다. 예를 들어 이수소(H2)는 시그마 결합이 하나만 있고, 암모니아(NH3)는 시그마 결합이 3개 있다. 두 원자 사이에는 시그마 결합이 1개 이상 있을 수 없다.
고리가 있는 분자는 벤젠 고리와 같이 추가 시그마 결합을 가진다. 벤젠은 6개의 탄소 원자에 대해 고리 내에 6개의 C−C 시그마 결합을 가진다. 안트라센 분자(C14H10)는 3개의 고리를 가지므로 규칙에 따르면 시그마 결합의 수는 24 + 3 − 1 = 26이다. 이 경우 16개의 C−C 시그마 결합과 10개의 C−H 결합이 있다.
이 규칙은 종이에 평평하게 그렸을 때 실제 분자가 가진 고리 수와 다른 수의 고리를 가진 분자의 경우에는 적용되지 않는다. 예를 들어 벅민스터풀러렌(C60)은 32개의 고리, 60개의 원자 및 90개의 시그마 결합(결합된 원자 쌍마다 하나)을 갖지만, 60 + 32 - 1 = 91이 아닌 90이다. 이것은 시그마 규칙이 각 고리가 면으로, 각 시그마 결합이 모서리로, 각 원자가 정점으로 간주되는 오일러 특성의 특수한 경우이기 때문이다. 일반적으로 고리 안에 없는 공간에 하나의 추가 면이 할당되지만, 벅민스터풀러렌이 교차 없이 평평하게 그려지면 고리 중 하나가 외부 오각형을 구성하고, 해당 고리 내부는 그래프의 외부가 된다. 이 규칙은 다른 모양을 고려할 때 더욱 잘 맞지 않는다. 토로이드 풀러렌은 분자 내 시그마 결합의 수가 원자 수에 고리 수를 더한 것과 정확히 같다는 규칙을 따르며, 나노튜브도 마찬가지이다. 나노튜브는 한쪽 끝에서 들여다보는 것처럼 평평하게 그려지면 중간에 면이 생기고, 이는 나노튜브의 반대쪽 끝에 해당하며 고리가 아니고, 바깥쪽에 해당하는 면이 있다.
참조
[2]
서적
Organic Chemistry
OUP Oxford
2012-03
[3]
서적
Chemical Structure and Reactivity
OUP Oxford
2008-05
[4]
간행물
Metal Dihydrogen and σ-Bond Complexes: Structure, Theory, and Reactivity
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