파이 결합

3. 다중 결합

일반적인 이중 결합은 시그마 결합 하나와 파이 결합 하나로 구성된다. 예를 들어 에틸렌(H₂C=CH₂)의 C=C 이중 결합이 그렇다. 일반적인 삼중 결합은 아세틸렌(HC≡CH)에서 볼 수 있는데, 서로 수직인 두 평면에 있는 결합 축을 포함하는 시그마 결합 하나와 파이 결합 두 개로 구성된다. 주어진 두 원자 사이에 존재할 수 있는 파이 결합의 최대 개수는 두 개이다. 사중 결합은 매우 드물며, 전이 금속 원자 사이에서만 형성될 수 있고, 시그마 결합 하나, 파이 결합 두 개, 델타 결합 하나로 구성된다.

파이 결합은 시그마 결합보다 약하지만, 파이 결합과 시그마 결합의 조합은 각 결합 자체보다 강하다.

π결합은 두 원자의 p오비탈 사이에서 전자를 공유하는 결합이다. π결합은 원자핵의 양전하로부터 거리가 멀고 궤도의 겹침도 작기 때문에 σ결합보다 결합력이 약하고 에너지 준위가 높다. "π결합"은 결합축 주위를 궤도가 회전할 때 반 회전했을 때 부호가 반대가 되는 것을 의미하기 때문에 p오비탈끼리의 겹침에만 국한되지 않는다. 예를 들어, 결합축을 z축으로 잡았을 때, 한 원자의 d_xz오비탈과 다른 원자의 p_x오비탈로 생성되는 결합이나, 양쪽 원자의 d_xz오비탈로 생성되는 결합도 π결합이다.

이중 결합 또는 삼중 결합하고 있는 원자는 1개의 σ결합과 나머지는 일반적으로 π결합으로 구성된다. π결합은 평행하게 배열된 궤도의 겹침에 의해 발생한다. 이는 두 궤도가 세로 방향으로 일차 결합하여 σ결합보다 길어져 있다. π결합 위의 전자는 때때로 π전자라고 불린다.

3. 1. 결합 길이 비교 (예시)

간단한 구조에서의 결합 길이 비교

화합물	결합 종류	구조
에탄	1 σ 결합
에틸렌	1 σ 결합 + 1 π 결합
아세틸렌	1 σ 결합 + 2 π 결합

4. 특수한 경우

파이 결합은 두 원자 사이에 순수 시그마 결합 효과가 없는 경우에도 존재할 수 있다.

특정 금속 착물에서는 금속 원자와 알킨 및 알켄의 파이 반결합 오비탈 사이의 파이 상호작용을 통해 파이 결합이 형성된다.

두 원자 사이의 다중 결합 중 일부 경우에는 순수 시그마 결합이 전혀 없고, 파이 결합만 존재한다. 예로는 육카르보닐디철(Fe₂(CO)₆), 이탄소(C₂) 및 디보란(2)(B₂H₂)가 있다. 이러한 화합물에서 중심 결합은 시그마 결합 자체에 수반되는 시그마 반결합 때문에 파이 결합으로만 구성된다. 이러한 화합물은 파이 결합 자체 분석을 위한 계산 모델로 사용되어 왔으며, 최대 오비탈 중첩을 달성하기 위해 결합 거리가 예상보다 훨씬 짧다는 것을 보여준다.^[4]

5. 명칭

"π 결합"이라는 명칭은 결합 축을 중심으로 궤도를 반 바퀴(180도) 회전시켰을 때 부호가 반대가 되는 것을 의미한다. p 오비탈 간의 겹침뿐만 아니라, 결합 축을 z축으로 잡았을 때 한 원자의 d_xz 오비탈과 다른 원자의 p_x 오비탈, 또는 양쪽 원자의 d_xz 오비탈로 생성되는 결합도 π 결합이다.^[1]

참조

_[1] 서적 Introduction to organic chemistry. https://archive.org/[...] Macmillan
_[2] 논문 Relaxation during internal rotation ethane and hydrogen peroxyde
_[3] 논문 The equilibrium carbon–carbon single-bond length in ethane
_[4] 논문 Bond length and bond multiplicity: σ-bond prevents short π-bonds