誘起効果

化学における「誘起効果」（ゆうきこうか、英: Inductive effect）とは、分子の構造を構成する原子がσ結合によって連なっている際に、その結合を通じて電荷の偏りが順次伝わっていく現象を指します。この効果により、結合には恒久的な電気的な偏り、すなわち永久双極子が生じます。主にσ結合に関わる効果であり、π結合を介するエレクトロメリー効果とは区別されます。

結合の分極

誘起効果を理解するには、まず「結合分極」の概念が重要です。共有結合を形成する原子間で、電子の引き付けやすさ（電気陰性度）に差がある場合、共有電子対はより電気陰性度の高い原子の側へ引き寄せられます。その結果、結合の一方の端にはわずかな負電荷（δ–）、他方の端にはわずかな正電荷（δ+）が生じ、結合は電気的に偏った状態になります。例えば水（H₂O）分子の場合、酸素原子は水素原子よりも電気陰性度が高いため、O-H結合の電子は酸素側に偏り、酸素原子付近はδ–、水素原子付近はδ+となります。このような個々の結合に生じた電気的な偏り（結合双極子）の分子全体でのベクトル的な合計が、分子全体の双極子モーメントとなります。

誘起効果の種類

誘起効果は、原子団がσ電子を「引き寄せる」か「押し出す」かによって二種類に分類されます。

電子求引性誘起効果（-I効果）: 分子骨格（多くの場合、炭素鎖）に、電気陰性度が高い原子や原子団が結合している場合、その原子団はσ結合の電子を自分の方へ強く引き寄せます。この電子の引き寄せ効果は、σ結合を伝わって隣接する原子へと順次影響を及ぼし、電子密度を低下させる方向に働きます。
電子供与性誘起効果（+I効果）: アルキル基など、特定の原子団は水素原子と比較して電子を「押し出す」傾向があると考えられています。これらの原子団が結合すると、σ結合の電子密度を増加させる方向に働きます。

例えば、ハロゲン原子はすべて電子求引性基として、アルキル基は電子供与性基として振る舞うことが知られています。

効果の性質と相対性

誘起効果は、その影響がσ結合を伝わるにつれて急速に弱まるという性質があります。そのため、効果が顕著に観測されるのは、発生源から比較的近い距離に限られます。また、誘起効果による電子の移動はσ結合の電子のわずかな偏りによるものであり、その影響力は他の電子効果（例えばメソメリー効果）と比較すると小さい傾向にあります。しかしながら、この効果は結合に恒久的な双極子を生じさせる点で、永続的なものです。

誘起効果の強さは、結合している原子団の種類によって異なります。一般的には、水素原子を基準として、各原子団の相対的な電子求引性または電子供与性が実験的に測定され、序列化されています。また、誘起効果の大きさは、影響を受ける原子や結合からの距離にも依存し、距離が離れるほど効果は減弱します。

分子安定性への影響

誘起効果は、分子内の特定の原子や官能基が持つ電荷の状態、ひいては分子全体の安定性に影響を及ぼします。一般的に、電荷が局在しているよりも分散している方が分子は安定です。

正電荷を持つ原子に電子求引性基（-I基）が結合している場合、-I基が電子をさらに引き寄せるため、正電荷は強められ、分子は不安定化します。
負電荷を持つ原子に電子供与性基（+I基）が結合している場合、+I基が電子を供給するため、負電荷は強められ、分子は不安定化します。
負電荷を持つ原子に電子求引性基（-I基）が結合している場合、-I基が電子を引き寄せることで負電荷を分散させ、分子を安定化させます。
正電荷を持つ原子に電子供与性基（+I基）が結合している場合、+I基が電子を供給することで正電荷を和らげ、分子を安定化させます。

このように、誘起効果は電荷を分散させるか集中させるかによって、分子の安定性を増減させます。

酸性・塩基性への影響

分子の酸性度や塩基性度も、誘起効果によって影響を受けます。分子に結合する原子団が、全体の電子密度をどのように変化させるかが重要です。

電子供与性基（+I基）が結合すると、分子全体の電子密度が増加し、電子対を供与しやすくなるため、塩基性が強まる傾向があります。
電子求引性基（-I基）が結合すると、分子全体の電子密度が低下し、プロトン（H+）を放出しやすくなったり、電子対を受け入れやすくなったりするため、酸性が強まる傾向があります。

分子に結合する-I基の数が増えるほど酸性は増し、+I基の数が増えるほど塩基性は増大します。

具体的な応用例：カルボン酸の酸強度

カルボン酸の酸としての強さは、プロトン（H+）をどれだけ容易に放出するか（イオン化傾向）に依存します。イオン化傾向が高いほど強い酸であり、これはpKa値が小さいことと同義です。

カルボン酸に電子供与性基（+I効果を持つアルキル基など）が結合している場合、これらの基はカルボキシル基の酸素原子の電子密度を増加させます。これによりO-H結合が強まり、プロトンの解離が妨げられるため、酸性が低下します。例えば、ギ酸（H-COOH, pKa=3.74）には+I効果を持つアルキル基がありませんが、酢酸（CH₃-COOH, pKa=4.76）にはメチル基（+I効果）があるため、ギ酸の方が酢酸よりも強い酸となります。

一方、カルボン酸に電子求引性基（-I効果を持つハロゲン原子など）が結合している場合、これらの基はカルボキシル基の酸素原子やカルボキシレートアニオンの負電荷を分散させ安定化します。これによりO-H結合からのプロトン解離が促進され、酸性が強化されます。例えば、モノクロロ酢酸（Cl-CH₂-COOH, pKa=2.82）は、塩素原子の強い-I効果により、ギ酸よりもさらに強い酸となります。

また、カルボキシル基自体も電子求引性の基であるため、二つのカルボキシル基を持つジカルボン酸は、一般的に同程度の炭素数のモノカルボン酸よりも強い酸性を示します。芳香環を持つ安息香酸が、脂肪族のシクロヘキサンカルボン酸よりも強い酸である理由の一つも、芳香環の炭素のsp²混成軌道による電気陰性度の違い（-I効果類似）や共役系（メソメリー効果も関与）がカルボキシル基に影響を与えるためです。

誘起効果は、このように分子の物理的・化学的性質、特に反応性や安定性を予測する上で重要な概念です。

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