탄소-산소 결합

탄소-산소 결합(영어: Carbon–oxygen bond)은 탄소와 산소 원자 간의 극성 공유 결합이다.^[1]^[2]^[3]^:16–22 탄소-산소 결합은 탄소 산화물 및 탄소 옥시할라이드, 탄산염 및 금속 카보닐과 같은 많은 무기 화합물에서 발견되며,^[4] 알코올, 에터, 카보닐 화합물과 같은 유기 화합물에서도 발견된다.^[5]^:32–36 산소는 6개의 원자가 전자를 가지고 있으며, 다른 원자와 전자를 공유하여 공유 결합을 형성하거나, 전자를 받아들여 음이온을 형성하거나, 이 둘을 조합하여 최외각 전자 8개를 채우는 경향이 있다. 중성 화합물에서 산소 원자는 탄소와 삼중 결합을 형성할 수 있으며, 탄소 원자는 산소와 최대 4개의 단일 결합 또는 2개의 이중 결합을 형성할 수 있다.

결합 모티프

산소의 결합

에터에서 산소는 두 개의 탄소 원자와 두 개의 공유 단일 결합인 C–O–C를 형성하는 반면, 알코올에서 산소는 탄소와 하나, 수소와 하나의 단일 결합인 C–O–H를 형성한다.^[5]^:32 대부분의 유기 카보닐 화합물에서 산소는 탄소와 공유 이중 결합인 C=O를 형성하며, 이를 카보닐기라고 한다.^[5]^:136 에터, 알코올 및 카보닐 화합물에서 산소의 최외각에 있는 4개의 비결합 전자는 비결합 상태이다.^[5]^:108 알콕사이드에서 산소는 탄소와 단일 결합을 형성하고 금속으로부터 전자를 받아들여 세 개의 비공유 전자쌍을 가진 알콕사이드 음이온 R–O⁻를 형성한다. 옥소늄 이온에서 산소의 두 비공유 전자쌍 중 하나는 세 번째 공유 결합을 형성하는 데 사용되며, 이로 인해 한 개의 비공유 전자쌍이 남아있는 양이온 >O⁺– 또는 =O⁺– 또는 ≡O⁺가 생성된다.^[5]^:343,410 일산화 탄소와 아실륨 이온에서 산소는 탄소와 삼중 결합을 형성한다.

탄소의 결합

탄소 원자는 알코올, 에터, 과산화물에서 산소와 한 개의 단일 결합을 형성하며, 아세탈에서 두 개,^[3]^:524^[5]^{:35, 340–348} 오쏘에스터에서 세 개,^[5]^:345 그리고 오쏘탄산염에서 네 개를 형성한다.^[6] 탄소는 알데하이드, 케톤, 아실 할라이드에서 산소와 이중 결합을 형성한다. 카복실산, 에스터, 유기산 무수물에서 각 카보닐 탄소 원자는 산소와 한 개의 이중 결합과 한 개의 단일 결합을 형성한다. 탄산 에스터와 탄산에서 카보닐 탄소는 산소와 한 개의 이중 결합과 두 개의 단일 결합을 형성한다. 이산화 탄소의 결합은 두 개의 C=O 이중 결합으로 구성된 것으로 종종 설명되지만, 이러한 비편재화된 시스템에서는 결합 차수가 덜 명확하다. 위에서 언급했듯이 탄소는 일산화 탄소 및 그 유도체(아실륨 이온 및 금속 카보닐 포함)에서 산소와 삼중 결합을 형성한다.

전기 음성도 및 결합 길이

C–O 결합은 산소 쪽으로 극성을 띠고 있다(탄소 대 산소의 전기 음성도, 2.55 대 3.44). 파라핀 C–O 결합의 결합 길이^[4]는 143 pm 범위로, C–N 또는 C–C 결합의 길이보다 짧다. 카복실산에서는 부분적인 이중 결합 특성으로 인해 단축된 단일 결합(136 pm)이 발견되고, 에폭사이드에서는 늘어난 결합(147 pm)이 발견된다.^[7] C–O 결합 강도 또한 C–N 또는 C–C보다 크다. 예를 들어, 메탄올의 결합 강도는 91 킬로칼로리 (380 kJ)/mol(298 K에서), 메틸아민에서는 87 킬로칼로리 (360 kJ)/mol, 에테인에서는 88 킬로칼로리 (370 kJ)/mol이다.^[7]

탄소와 산소는 케톤, 에스터, 카복실산 등 많은 화합물을 포함하는 카보닐 화합물이라는 총칭으로 알려진 작용기에서 말단 이중 결합을 형성한다. 내부 C=O 결합은 양전하를 띠는 옥소늄 이온에서 발견된다. 퓨란에서 산소 원자는 채워진 p-궤도를 통해 파이 전자 비편재화에 기여하므로 퓨란은 방향족이다. 카보닐 화합물에서 C=O 결합 길이는 약 123 pm이다. 이산화 탄소의 C=O 결합 길이는 116 pm이다. 아실 할라이드의 C=O 결합은 부분적인 삼중 결합 특성을 가지므로 매우 짧다: 117 pm. 형식적인 C≡O 삼중 결합을 가진 화합물은 매우 짧고 강한 결합(112.8 pm)을 가진 일산화 탄소와 아실륨 이온, R–C≡O⁺(일반적으로 110–112 pm)를 제외하고는 존재하지 않는다.^[8]^[9]^[10] 이러한 삼중 결합은 N≡N 삼중 결합보다도 매우 높은 결합 에너지를 갖는다.^[11] 산소는 또한 삼가일 수 있는데, 예를 들어 트라이에틸옥소늄 테트라플루오로보레이트에서 그러하다.^[5]^:343

화학

탄소-산소 결합 형성 반응은 매우 많다. 대표적인 것은 윌리엄슨 에터 합성과 많은 산화 반응이다.

C-O 결합을 가진 작용기

탄소-산소 결합은 다음 작용기에 존재한다:^[12]

화학 분류	결합 차수	화학식	예시	비고
알코올	1	ROH	에탄올	많은 예시
에터	1	ROR′	다이에틸 에터	퓨란을 포함한 많은 예시
과산화물	1	ROOR′	다이-tert-뷰틸 퍼옥사이드	많은 예시
알데하이드 및 케톤	2	RCHO 및 RC(O)R'	아크롤레인	많은 예시
카복실산 및 에스터	1 & 2	RCOOH (또는 RCO₂H) 및 RCOOR (또는 RCO₂R)	아세트산	많은 유사체가 유사하다: 탄산 에스터
아이소사이아네이트	2	RNCO	페닐 아이소사이아네이트	많은 유사 화합물
옥소늄 이온	1 & 1 & 1	R₃O⁺	안토시아닌	피릴륨 염 포함
아실륨 이온	3	RCO⁺

같이 보기

각주

↑ Organic Chemistry John McMurry 2nd Ed.
↑ Advanced Organic Chemistry Carey, Francis A., Sundberg, Richard J. 5th ed. 2007
↑ ^가 ^나 Smith, Michael B.; March, Jerry (2007). 《March's Advanced Organic Chemistry》 6판. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-72091-1.
↑ ^가 ^나 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). 《Chemistry of the Elements》 2판. Butterworth-Heinemann. 292, 304–314쪽. ISBN 978-0-08-037941-8.
↑ ^가 ^나 ^다 ^라 ^마 ^바 ^사 ^아 Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart; Wothers, Peter (2001), 《Organic Chemistry》 1판, Oxford University Press, ISBN 978-0-19-850346-0
↑ Laniel, Dominique; Binck, Jannes; Winkler, Björn; Vogel, Sebastian; Fedotenko, Timofey; Chariton, Stella; Prakapenka, Vitali; Milman, Victor; Schnick, Wolfgang; Dubrovinsky, Leonid; Dubrovinskaia, Natalia (2021). 《Synthesis, crystal structure and structure–property relations of strontium orthocarbonate, Sr₂CO₄》. 《Acta Crystallogr. B》 77. 131–137쪽. doi:10.1107/S2052520620016650. ISSN 2052-5206. PMC 7941283.
↑ ^가 ^나 CRC Handbook of Chemistry and Physics 65Th Ed.
↑ Chevrier, B.; Carpentier, J. M. Le; Weiss, R. (1972). 《Synthesis of two crystalline species of the Friedel–Crafts intermediate antimony pentachloride-p-toluoyl chloride. Crystal structures of the donor–acceptor complex and of the ionic salt》. 《J. Am. Chem. Soc.》 94. 5718–5723쪽. doi:10.1021/ja00771a031.
↑ Davlieva, Milya G.; Lindeman, Sergey V.; Kochi, Jay K. (2004). 《Structural effects of carbon monoxide coordination to carbon centers. π and σ bindings in aliphatic acyl versus aromatic aroylcations》. 《New J. Chem.》 28. 1568–1574쪽. doi:10.1039/B407654K. 이름 목록에서 |이름3=이(가) 있지만 |성3=이(가) 없음 (도움말)
↑ Hermannsdorfer, André; Driess, Matthias (2021). 《Silicon Tetrakis(trifluoromethanesulfonate): A Simple Neutral Silane Acting as a Soft and Hard Lewis Superacid》. 《Angew. Chem. Int. Ed.》 60. 13656–13660쪽. doi:10.1002/anie.202103414. PMC 8252640. PMID 33826216.
↑ “Standard Bond Energies”. Department of Chemistry, Michigan State University. 2016년 8월 29일에 원본 문서에서 보존된 문서.
↑ Smith, Michael B.; March, Jerry (2007), 《Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure》 6판, New York: Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-72091-1

[1] Organic Chemistry John McMurry 2nd Ed.

[2] Advanced Organic Chemistry Carey, Francis A., Sundberg, Richard J. 5th ed. 2007

[March-3] 가 ^나 Smith, Michael B.; March, Jerry (2007). 《March's Advanced Organic Chemistry》 6판. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-72091-1.

[G&E-4] 가 ^나 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). 《Chemistry of the Elements》 2판. Butterworth-Heinemann. 292, 304–314쪽. ISBN 978-0-08-037941-8.

[Clayden-5] 가 ^나 ^다 ^라 ^마 ^바 ^사 ^아 Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart; Wothers, Peter (2001), 《Organic Chemistry》 1판, Oxford University Press, ISBN 978-0-19-850346-0

[LanielBinck2021-6] Laniel, Dominique; Binck, Jannes; Winkler, Björn; Vogel, Sebastian; Fedotenko, Timofey; Chariton, Stella; Prakapenka, Vitali; Milman, Victor; Schnick, Wolfgang; Dubrovinsky, Leonid; Dubrovinskaia, Natalia (2021). 《Synthesis, crystal structure and structure–property relations of strontium orthocarbonate, Sr₂CO₄》. 《Acta Crystallogr. B》 77. 131–137쪽. doi:10.1107/S2052520620016650. ISSN 2052-5206. PMC 7941283.

[crc-7] 가 ^나 CRC Handbook of Chemistry and Physics 65Th Ed.

[8] Chevrier, B.; Carpentier, J. M. Le; Weiss, R. (1972). 《Synthesis of two crystalline species of the Friedel–Crafts intermediate antimony pentachloride-p-toluoyl chloride. Crystal structures of the donor–acceptor complex and of the ionic salt》. 《J. Am. Chem. Soc.》 94. 5718–5723쪽. doi:10.1021/ja00771a031.

[9] Davlieva, Milya G.; Lindeman, Sergey V.; Kochi, Jay K. (2004). 《Structural effects of carbon monoxide coordination to carbon centers. π and σ bindings in aliphatic acyl versus aromatic aroylcations》. 《New J. Chem.》 28. 1568–1574쪽. doi:10.1039/B407654K. 이름 목록에서 |이름3=이(가) 있지만 |성3=이(가) 없음 (도움말)

[10] Hermannsdorfer, André; Driess, Matthias (2021). 《Silicon Tetrakis(trifluoromethanesulfonate): A Simple Neutral Silane Acting as a Soft and Hard Lewis Superacid》. 《Angew. Chem. Int. Ed.》 60. 13656–13660쪽. doi:10.1002/anie.202103414. PMC 8252640. PMID 33826216.

[11] “Standard Bond Energies”. Department of Chemistry, Michigan State University. 2016년 8월 29일에 원본 문서에서 보존된 문서.

[12] Smith, Michael B.; March, Jerry (2007), 《Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure》 6판, New York: Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-72091-1

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