環電流

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環電流の模式図。B0は、外部磁場であり、赤矢印が磁場の方向を示している。オレンジ矢印は環電流の方向(電子の動く方向であり,実際の「電流」はオレンジ矢印とは逆方向である)を示し、紫矢印が誘導磁場を示している。

環電流(かんでんりゅう、: ring current)は、ベンゼンナフタレンといった芳香族分子において観察される効果である。磁場が芳香族系の平面に対して垂直に位置している時、芳香環の非局在π電子に環電流が誘起される[1]。これはアンペールの法則の直接の結果である。ほとんどの非芳香族分子中の電子は特定の結合に局在するが、非局在π電子は自由に巡回するため、磁場に対してより強く応答する。

芳香族環電流はNMR分光法と関連している。環電流は有機あるいは無機芳香族分子中の13Cおよび1H化学シフトに劇的に影響する[2]。この効果によって、これらの原子核の置かれている状態を区別することができ、ゆえに分子構造決定において非常に有用である。ベンゼンでは、芳香環のプロトンの位置では環電流による誘導磁場が外部磁場と同じ方向を向くため反遮蔽を受け、化学シフトは7.3 ppmを示す(シクロヘキセン中のビニルプロトンの化学シフトは5.6 ppmである)。一方、芳香環の内部に存在するプロトンは誘導磁場と外部磁場が逆方向を向くため遮蔽を受ける。この効果はシクロオクタデカノナエン([18]アヌレン)で観測することができ、内部に位置する6つのプロトンの化学シフトは−3 ppmである。

反芳香族性化合物では状況は逆転する。[18]アヌレンのジアニオンでは、内部プロトンは強力な反遮蔽効果を受け化学シフトは20.8 ppmおよび29.5 ppmを示す一方、外部プロトンは(相対的に)顕著に遮蔽され、化学シフトは−1.1 ppmを示す。このように、反磁性環電流あるいはジアトロピック (diatropic) 環電流は芳香族性と関連しており、パラトロピック (paratropic) 環電流は反芳香族性を示す。

同様の効果は三次元のフラーレンでも観測される。この場合は球電流(sphere current)と呼ばれる[3]

量子力学的手法を用いて明示的に計算した、ベンゼン (C6H6) における磁気的に誘導された確率流密度ベクトル。外部磁場B0は分子平面に対して垂直に配置されている。左図では分子平面におけるベクトルのみが示されており、右図では分子平面から1 a.u. (~52 pm) 上部のベクトルのみが示されている。絶対値が0.01と0.1 nA/Tの間のベクトルのみが表示されている。古典電気力学の法則のようにジアトロピック寄与のみを与える概略図と対比すると、完全な量子力学によって得られた図では(概略図中の)反時計回りの渦としてパラトロピック寄与も得られる。これらはベンゼンのC6環の内部の分子平面に主に位置している。

脚注

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