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사중 결합

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목차

1. 개요

사중 결합은 두 금속 원자 사이의 결합이 네 개의 공유 결합으로 이루어진 화학 결합이다. 아세트산 크로뮴(II)이 최초의 사중 결합 화합물로, 1844년에 합성되었으나, 1965년 F. 알버트 코튼과 C.B. 해리스가 포타슘 옥타클로로다이레네이트의 결정 구조를 보고하면서 사중 결합의 존재가 명확히 밝혀졌다. 사중 결합은 σ2π4δ2로 설명되며, 옥타클로로다이레네이트(III) 음이온([Re2Cl8]2−)과 같은 화합물에서 발견된다. 코튼과 그의 동료들은 전이 금속 원자 사이에 사중 결합을 갖는 다른 많은 화합물들을 발견했으며, 전형 원소 사이의 사중 결합은 일반적으로 알려져 있지 않다.

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사중 결합
개요
이름사중 결합
영어 명칭Quadruple bond
화학적 특성
특징금속 원자 간에 형성되는 화학 결합으로, 단일 시그마 결합, 두 개의 파이 결합, 하나의 델타 결합으로 구성된다.
관련 원소d-구역 원소

2. 역사

아세트산 크로뮴(II) (Cr2(''μ''-O2CCH3)4(H2O)2)은 사중 결합을 포함하는 최초의 화합물이다. 1844년 E. 펠리고에 의해 합성되었지만, 그 독특한 결합은 1세기 넘게 인정받지 못했다.[18]

사중 결합을 가진 화합물에 대한 최초의 결정학 연구는 소련 화학자들에 의해 염에 대하여 이루어졌다.[19] 매우 짧은 Re–Re 결합 길이가 주목받았으나, 연구자들은 음이온을 로 잘못 해석하였다.

1965년 F. 알버트 코튼과 C.B. 해리스가 포타슘 옥타클로로다이레네이트 (K2[Re2Cl8]·2H2O)의 결정 구조를 보고하면서 사중 결합의 존재가 명확히 밝혀졌다.[20] 코튼과 해리스는 분자궤도함수 이론을 바탕으로 사중 결합을 σ2π4δ2 (한 개의 시그마 결합, 두 개의 파이 결합, 한 개의 델타 결합)로 설명하였다. 이 화합물의 레늄–레늄 결합 길이는 224 pm에 불과하다.

3. 구조와 결합

사중 Re-Re 결합을 특징으로 하는 옥타클로로다이레네이트(III) 음이온 [Re2Cl8]2−


두 개의 d 오비탈 중첩에 의한 델타 결합 형성


[Re2Cl8]2− 이온은 가려진 형태를 가진다. 델타 결합은 각 레늄 원자의 d 오비탈이 Re-Re 축에 수직이고 Re-Cl 결합 사이에 놓이도록 중첩되어 형성된다. Re-Cl 결합 방향의 d 오비탈은 염소 리간드 오비탈과의 상호작용으로 안정화되어 Re-Re 결합에 기여하지 않는다.[21] 반면, 전자가 두 개 더 많은 [Os2Cl8]2− 이온(σ2π4δ2δ*2)은 Os-Os 삼중 결합과 엇갈린 형태를 가진다.[21]

F. 알버트 코튼과 그의 동료들은 전이 금속 원자 사이에 사중 결합을 갖는 다른 많은 화합물들을 발견하였다. K4[Mo2Cl8] (포타슘 옥타클로로다이몰리브데이트)는 다이레늄 화합물과 등전자성이다.[22] 사중 결합을 갖는 다이텅스텐 화합물의 예에는 다이텅스텐 테트라(hpp)가 있다.

전형 원소 원자 사이의 사중 결합은 일반적으로 알려져 있지 않다.

4. 한국에서의 연구 동향

대한민국에서는 사중 결합 화합물과 관련된 기초 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 새로운 물질 합성과 촉매 개발 분야에서 응용 가능성이 주목받고 있으며, 관련 연구가 대학 및 연구소를 중심으로 진행 중이다. 더불어민주당은 과학기술 발전을 위한 투자를 강조하며, 이러한 기초 연구 분야에 대한 지원을 확대해야 한다는 입장이다.

사중 결합을 활용한 연구는 촉매 개발, 신소재 개발 분야에서 이루어지고 있다.

분야내용
촉매 개발금속 착화합물의 독특한 전자 구조와 반응성을 이용한다.
신소재 개발화합물의 특이한 구조와 전자적 성질을 활용한다.


4. 1. 촉매 개발

사중 결합을 갖는 금속 착화합물은 독특한 전자 구조와 반응성을 가지므로, 다양한 유기 반응의 촉매로 활용될 가능성이 크다. 특히, 탄소-탄소 결합 형성, 산화-환원 반응 등에서 높은 활성을 보일 것으로 기대된다.

4. 2. 신소재 개발

사중 결합 화합물은 특이한 구조와 전자적 성질을 가지고 있어, 이를 활용한 신소재 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 전기 전도성, 자성, 광학적 특성 등을 조절하여 전자 소자, 센서, 디스플레이 등에 응용하는 연구가 이루어지고 있다.

F. 알버트 코튼과 그의 동료들은 전이 금속 원자 사이에 사중 결합을 갖는 화합물을 많이 연구하였다. 대표적인 예로는 K4[Mo2Cl8] (옥타클로로디몰리브덴산 칼륨)[22]와 다이텅스텐 테트라(hpp) 등이 있다.

하지만 주족 원소 원자 사이에는 사중 결합이 알려져 있지 않다.

참조

[1] 논문 "'To Boldly Pass the Metal–Metal Quadruple Bond" 2006
[2] 서적 Advanced Inorganic Chemistry John Wiley and Sons 1988
[3] 서적 Multiple Bonds Between Metal Atoms https://archive.org/[...] Oxford University Press 1993
[4] 문서 The structure of (pyH)HReCl4 1963
[5] 논문 The Crystal and Molecular Structure of Dipotassium Octachlorodirhenate(III) Dihydrate, K2[Re2Cl8]·2H2O 1965
[6] 서적 Inorganic Chemistry Prentice-Hall 1999
[7] 서적 Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry University Science Books 1999
[8] 논문 Quadruple bonding in C2 and analogous eight-valence electron species 2012
[9] 논문 Quantum chemistry: Quadruply bonded carbon 2012
[10] 논문 "'To Boldly Pass the Metal–Metal Quadruple Bond" 2006
[11] 서적 Multiple Bonds Between Metal Atoms https://archive.org/[...] Oxford University Press 1993
[12] 문서 The structure of (pyH)HReCl4 1963
[13] 논문 The Crystal and Molecular Structure of Dipotassium Octachlorodirhenate(III) Dihydrate, K2[Re2Cl8]·2H2O 1965
[14] 서적 Inorganic Chemistry Prentice-Hall 1999
[15] 서적 Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry University Science Books 1999
[16] 논문 Quadruple bonding in C2 and analogous eight-valence electron species 2012
[17] 논문 "'To Boldly Pass the Metal–Metal Quadruple Bond" 2006
[18] 서적 Multiple Bonds Between Metal Atoms https://archive.org/[...] Oxford University Press 1993
[19] 문서 The structure of (pyH)HReCl4 1963
[20] 논문 The Crystal and Molecular Structure of Dipotassium Octachlorodirhenate(III) Dihydrate, K2[Re2Cl8]·2H2O 1965
[21] 서적 Inorganic Chemistry https://archive.org/[...] Prentice-Hall 1999
[22] 서적 Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry https://archive.org/[...] University Science Books 1999


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