Why is carbon dioxide considered a Lewis acid?

単純なルイス構造(定義によれば、すべての主族元素で完全なオクテットを持つはず)を描いてから電子対受容体を見つけようとするだけでは、主族元素に関するルイス酸理論を適切に理解することはできない。 正直に言うと、ホウ素化合物では幸運に恵まれるかもしれませんが、ゲームはそこで終わってしまいます。

金属カチオンがルイス酸として作用することは、ほとんどの人にとって比較的明らかです:彼らは少なくとも1個の電子を失ったので正に帯電しています。 彼らはまた、ルイス塩基が相互作用することができる比較的低い軌道(例えば、電子を失ったもの)を持っています。 しかし、$ce{CO2}$のような分子には、もっと考えなければなりません。

$ce{CO2}$のような分子を分析するには、問題の結合の極性について考えることから始めなければなりません。 周期表やどのデータページを見ても、酸素は炭素よりもずっと極性が高いことが分かります。したがって、結合は酸素の方に極性があります。

$$ce{Thomasoverset{delta} -}{O}=C}=Thomasoverset{delta} +}{O}}{Tag{1}$

この最初の描写ですでに炭素がやや「電子不足」であることがわかります。 それ自体はまだルイス酸性であることの証明にはなりませんが、強いヒントにはなります。 さらに深く掘り下げると、$ce{CO2}$の分子軌道を考えなければならないでしょう。 4個の電子を持つ、対称的に等しいが垂直な2つのπ系があり、どちらもアリルアニオン型のπ系と見なすことができる。 全対称なので、以下の3つの共鳴構造が描ける(説明のため、アリルアニオン$ce{C3H5-}$もスキームに含めてある)。

$$begin{array}{cccc}ce{O=C=O &<->& \overset{+}{O}#C-overset{-}{O} &<->& O=\overset{+}{C}-\overset{-}{O}}\\\ce{H2\overset{-}{C}-CH=CH2 &<->& H2C=CH-\overset{-}{C}H2 &<->& H2overset{-}{C}-apphorset{+}{C}H-apphorset{-}{C}H2} {end{array} {tag{2}$$

この描画では、。 左側の二重結合は垂直なπ系に属し、右側の二重結合はアリルアニオンに類似した興味深いものであるように選びました。 したがって、二酸化炭素の左半分には、常にアリルアニオンよりも結合が1つ多く存在することになる。

これらの図では、二酸化炭素の炭素が正の電荷を持ち、したがって電子六重項を持つ共鳴構造を観察することができます。 実際の軌道を見ると、2つの結合軌道(1つは非結合と呼ぶこともあります)は酸素の寄与が高く、反結合のπ3軌道は主に炭素を中心とした軌道です。 この軌道は最低非占有分子軌道(LUMO)でもあり、ルイス酸性度を決定する際に注目される軌道である。 エネルギー的に低位でアクセスしやすいので、ルイス塩基(水酸化物、アンモニアなど)は容易に相互作用できることがわかります。

ルイス酸塩基反応は、共鳴構造を見ることによっても推測できます。 ルイス塩基は反結合のπ3軌道と相互作用するので、$ce{C=O}$二重結合の1つを切断して、次のような構造になります。

$$ce{cyan}{O}=C=O + \color{blue}{O}H- -> Hcolor{blue}{O}-C(=THEColor{cyan}{O})-overset{-}{O}}tag{3}$

酸素原は青とシアン(と黒)で区別できるようにマークしておきました。

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