電子密度とは何ですか？ - 化学

電子密度は、それがどのように可能性の尺度であるためにスペースの特定の領域に電子を見つけます。原子核の周り、または分子構造内の「近隣」のいずれかに。

特定のポイントでの電子の濃度が高いほど、電子密度が高くなるため、周囲と区別され、化学反応性を説明する特定の特性を示します。このような概念を表す優れたグラフィックの方法は、静電ポテンシャルマップを使用することです。

ソース：ウィキペディア経由のマヌエルアルマグロリバス

たとえば、上の画像はS-カルニチン鏡像異性体の構造と、対応する静電ポテンシャルマップを示しています。虹の色で構成されるスケールが観察できます。赤は電子密度が最も高い領域を示し、青は電子が不足している領域を示します。

分子が左から右に移動すると、-CO _2-^グループから離れて、CH ₂ -CHOH-CH ₂スケルトンに移動します。ここで、色は黄色と緑で、電子密度の低下を示しています。グループ-N（CH ₃）₃⁺まで、最も電子不足の領域で、青色に着色されています。

一般に、電子密度が低い領域（黄色と緑色に着色されている領域）は、分子内で最も反応性が低い領域です。

概念

電子は静的なままではなく、一方の側からもう一方の側に移動して電界を生成するため、化学的ではなく電子密度は本質的に物理的です。

そして、これらのフィールドの変動は、ファンデルワールス面（球のすべての面）の電子密度に違いを引き起こします。

S-カルニチンの構造は、球と棒のモデルで表されますが、ファンデルワールスの表面である場合、棒は消え、固まった球のセット（同じ色）のみが観察されます。

電子は電気陰性度の高い原子の周りにある可能性が高くなります。ただし、分子構造には複数の電気陰性原子が存在する可能性があり、したがって、独自の誘導効果を発揮する原子のグループも存在します。

これは、電界を分子を鳥瞰図で観察することで予測できる以上に変化することを意味します。つまり、負の電荷または電子密度の分極が多かれ少なかれある可能性があります。

これは、次のように説明することもできます。電荷の分布がより均一になります。

たとえば、-OHグループには酸素原子があるため、隣接する原子の電子密度を引き付けます。ただし、S-カルニチンでは、電子密度の一部が-CO _2-^グループに与えられ、同時に-N（CH ₃）₃^{+グループの}電子的欠損が大きくなります。

タンパク質などの複雑な分子で誘導効果がどのように機能するかを推測することは非常に難しいことに注意してください。

構造内の電界のこのような違いの手元の概要を把握するために、静電ポテンシャルマップの計算計算が使用されます。

これらの計算は、正の点電荷を配置し、それを分子の表面に沿って移動することで構成されます。電子密度が低い場所では静電反発力が発生し、反発力が大きいほど青色が強くなります。

電子密度が高い場合、赤色で表される強い静電引力が発生します。

計算では、すべての構造的側面、結合の双極子モーメント、電気陰性度の高いすべての原子によって引き起こされる誘導効果などが考慮されます。その結果、カラフルで視覚的に魅力的な表面が得られます。

出典：ウィキメディア・コモンズ

上の図は、ベンゼン分子の静電ポテンシャルマップです。リングの中央では電子密度が高く、電気陰性度の低い水素原子のためにその「先端」は青みがかっています。同様に、この電荷の分布はベンゼンの芳香族性によるものです。

このマップでは、緑色と黄色も観察され、電子の乏しい領域と豊富な領域への近似を示しています。

これらの色には、S-カルニチンとは異なる独自のスケールがあります。したがって、基-CO比較することが間違っている₂^-及び芳香環の中心、そのマップに赤色で示される両方を。

両方が同じカラースケールを維持している場合、ベンゼンマップの赤い色がかすかなオレンジ色に変わるのがわかります。この標準化では、静電ポテンシャルマップ、したがってさまざまな分子の電子密度を比較できます。

そうでなければ、マップは個々の分子の電荷分布を知るためにのみ機能します。

静電ポテンシャルのマップ、したがって電子密度の高い領域と低い領域を観察することで、分子構造内で化学反応が発生する場所を予測できます（すべての場合ではありません）。

電子密度が高い領域は、それらを必要とする、または必要とする周囲の種に電子を「提供」することができます。これらの負に帯電した種、E ⁺は求電子剤として知られています。

したがって、求電子試薬は、赤色で表される基（-CO _2-^基およびベンゼン環の中心）と反応できます。

電子密度が低い領域は、負に帯電した種、または共有する電子の自由なペアを持つ種と反応します。後者は求核剤として知られています。

-N（CH ₃）₃^+基の場合、窒素原子が電子を得る（還元される）ように反応します。

原子では、電子は非常に高速で移動し、同時にいくつかの空間領域に存在する可能性があります。

ただし、核からの距離が増加するにつれて、電子は電子ポテンシャルエネルギーを取得し、確率分布は減少します。

つまり、原子の電子雲には境界が定義されておらず、ぼやけています。したがって、原子半径を計算するのは簡単ではありません。それらの核の距離に違いを確立する隣人がいない限り、その半分は原子半径（r = d / 2）と見なすことができます。

原子軌道とその動径波動関数および角波動関数は、核からの距離の関数として電子密度がどのように変化するかを示しています。