二原子炭素

二原子炭素（C2）とは

二原子炭素（Diatomic carbon）は、化学式C=C（[C2]またはC2とも表記）で表される、炭素の二原子分子です。常温常圧下では不安定な気体で、自己重合により速やかに消失します。しかし、電弧、彗星、恒星大気、星間物質、炭化水素の青い炎など、様々な環境でその存在が確認されています。

二原子炭素は、原子状炭素に次いで単純な炭素の形態であり、フラーレン生成の中間段階に関わっていると考えられています。長らく分離が困難であったため、その性質については多くの議論がありました。しかし、2020年に東京大学の研究グループによって、初めて常温での合成に成功し、その詳細な性質が明らかになりました。

化学的性質

C2は、炭素蒸気の構成要素の一つであり、炭素蒸気中の約28%を占めると推定されています（ただし、この割合は温度と圧力に依存します）。東京大学の研究グループは、アセチレンにトリメチルシリル基と超原子価ヨウ素を結合させ、フッ素アニオンを作用させることで、常温でのC2合成に成功しました。

電磁気的特性

二原子炭素の電子は、原子軌道間で分配され、特有の量子状態を生成します。最もエネルギーの低い基底状態は一重項状態（¹Σ+g）で、エテン-1,2-ジイリデンまたは二炭素(0•)と命名されます。基底状態に近いエネルギーには、励起一重項状態や三重項状態が存在します。

これらの励起状態は、光化学的緩和により電磁スペクトルの赤外領域で発光しますが、特に三重項状態（³Πg）は緑色に発光します。この状態は、エテン-μ,μ-ジイル-μ-イリデンまたは二炭素(2•)と命名されます。

また、基底状態よりもエネルギーの高い励起状態（¹Πg）は、中紫外線照射下でのみ観測され、緩和時に紫色に蛍光し、青色に燐光を発します。この状態も、エテン-μ,μ-ジイル-μ-イリデンまたは二炭素(2-)と命名されます。

結合について

原子価結合法では、炭素がオクテット則を満たすためには四重結合が必要と予測されます。しかし、分子軌道法では、σ結合に2組の電子対（結合性、非結合性各1組）、縮退したπ結合に2組の電子対が存在すると示唆しています。これにより、結合次数は2となり、C2分子は二重結合を持つと考えられます。

分子軌道ダイアグラムでは、二原子炭素がσ結合を持たず、2つのπ結合を持つことが特徴的です。一部の研究では、四重結合の存在も示唆されましたが、その解釈については議論がありました。しかし、宮本らの研究により、常温下では四重結合であり、従来の実験結果は励起状態におけるものだったことが明らかになりました。

CASSCF計算は、分子軌道理論に基づいて四重結合も合理的であることを示唆しています。

彗星との関連

彗星の光は、主に二原子炭素からの放射によって生じます。可視光スペクトルには、二原子炭素のスワンバンドとして知られる特徴的な線が観測されます。

物性

凝集エネルギー: 6.32 eV
結合長: 1.24 Å
振動モード: 1855 cm⁻¹

三重項状態では、一重項状態よりも結合長が長くなります。

反応性

二原子炭素は、アセトンやアセトアルデヒドと反応し、アセチレンを生成します。反応は、一重項状態と三重項状態で異なる経路を通ります。

• - 三重項状態の二原子炭素：分子間経路を通り、ラジカルとしての性質を示します。中間体としてエチレンラジカルが生成します。
• - 一重項状態の二原子炭素：分子内経路を通り、2つの水素原子が1つの分子から奪われます。中間体として一重項のビニリデンが生成します。

一重項の二原子炭素は、アルケンとも反応し、アセチレンを主に生成しますが、C2が炭素-水素結合に挿入される場合もあります。

二原子炭素は、メチレン基よりもメチル基に2.5倍挿入されやすい傾向があります。

電荷密度

ダイヤモンドやグラファイトのような炭素結晶では、結合部位の電荷密度は鞍点になります。三重項状態の二原子炭素も同様の傾向を示します。

しかし、一重項状態の二原子炭素は、ケイ素やゲルマニウムに近い挙動を示し、電荷密度が結合部位で最も高くなります。

二原子炭素は、その特異な性質から、基礎科学の分野で重要な研究対象となっています。今後の研究により、更なる知見が得られることが期待されます。

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