파이 결합

[ pi bonding ]

파이 결합(π bond)은 시그마 결합(σ bond)과 함께 원자가 결합 이론(valence bond theory)에 의한 공유 결합의 유형이다. 원자가 결합 이론에 따르면, 공유 결합은 결합에 참여하는 두 원자 사이에서 홀전자(unpaired electron)가 있는 원자 오비탈(또는 혼성 오비탈)의 겹침에 의하여 형성된다. 시그마 결합이나 파이 결합 등의 분류는 오비탈의 대칭성¹⁾과 겹침 형태에 따른 것이다.

파이 결합은 두 오비탈이 두 원자핵을 연결하는 축(핵 사이 축)에서 벗어난 수직 방향으로 겹쳐지는 형태의 결합이다. 전자 밀도는 핵 사이 축의 두 원자핵을 포함하는 마디 면(nodal plane)의 위와 아래에 분포하는 결합이다(그림 1). 마디 면은 두 원자핵을 포함하는 전자 밀도는 0인 평면이다.

그림 1. 두 @@NAMATH_INLINE@@2p_x@@NAMATH_INLINE@@오비탈의 겹침에 의한 파이 결합의 형성. 화살표는 결합에 참여하는 전자를 나타낸다. (출처: 대한화학회)

그림 2는 시그마 결합과 파이 결합을 만드는 여러 가지 원자 오비탈 또는 혼성 오비탈의 조합을 보여준다. 파이 결합(그림 2의 아래)은 공통으로 오비탈의 겹침이 두 원자핵을 포함하는 마디 면에 대해 수직 방향에서 일어나고, 전자 분포는 핵 사이 축을 중심으로 회전할 때 180°마다 원래의 형태가 된다.

그림 2. 시그마 결합(위)과 파이 결합(아래)을 형성하는 여러 가지 오비탈의 조합. 그림에서 검게 표시한 부분은 두 오비탈의 겹침을 나타낸다. ()

일반적으로 파이 결합은 시그마 결합보다 더 약한데, 이는 두 오비탈이 나란한 방향으로는 겹침이 훨씬 적게 일어나기 때문이다(원자가 결합 이론에 의하면 오비탈의 겹침이 클수록 전자의 에너지를 낮추어 더 강한 결합을 형성한다.). 또한 시그마 결합은 단일 결합에서 단독으로 형성될 수 있으나, 파이 결합은 대부분 이중 결합이나 삼중 결합에서 시그마 결합과 함께 만들어진다.

유기 화합물에서의 파이 결합은 대개 @@NAMATH_INLINE@@p@@NAMATH_INLINE@@ 원자 오비탈의 겹침에 의하여 형성된다. 한 예로, 에틸렌(H₂C=CH₂)의 이중 결합은 두 탄소 원자의 @@NAMATH_INLINE@@sp^2@@NAMATH_INLINE@@ 혼성 오비탈의 겹침에 의하여 형성되는 C–C 시그마 결합과 두 탄소 원자의 @@NAMATH_INLINE@@2p_z@@NAMATH_INLINE@@오비탈²⁾의 겹침에 의하여 분자 평면에 수직으로 형성되는 C–C 파이 결합으로 이루어져 있다.

그림 3. 에틸렌의 C=C 이중 결합 (1 σ 결합과 1 π 결합).

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탄소 원자의 @@NAMATH_INLINE@@2p_z @@NAMATH_INLINE@@원자 오비탈과 @@NAMATH_INLINE@@sp^2@@NAMATH_INLINE@@혼성 오비탈. ()	두 탄소 원자의 @@NAMATH_INLINE@@2p_z@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈의 겹침에 의한 C–C 파이 결합의 형성. ()

이중 결합이나 삼중 결합의 경우에는 파이 결합 때문에 시그마 결합 축을 중심으로 하는 회전이 불가능하다.

전이 금속 착물의 경우에는 더욱 복잡한 결합 상호작용이 관여하지만, 비슷한 파이 결합을 볼 수 있다. 이때는 금속 원자의 @@NAMATH_INLINE@@d@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈과 리간드의 @@NAMATH_INLINE@@d@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈 혹은 @@NAMATH_INLINE@@p@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈, 또는 @@NAMATH_INLINE@@\pi^*@@NAMATH_INLINE@@오비탈 사이의 상호작용에 의하여 파이 결합이 형성된다. 그림 4는 금속(M)의 @@NAMATH_INLINE@@3d@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈과 리간드(P 또는 O)의 @@NAMATH_INLINE@@3d@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈 또는 @@NAMATH_INLINE@@2p@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈 사이에 형성되는 @@NAMATH_INLINE@@d-d@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@d-p@@NAMATH_INLINE@@ 파이 결합을 보여준다.

그림 4. 전이 금속 착물에서 파이 결합의 형성. ()

파이 결합과 파이 오비탈

이중 결합이나 삼중 결합의 경우에는 파이 결합 때문에 시그마 결합 축을 중심으로 하는 회전이 불가능하다.

참고 자료

1. σ, π, δ, …와 같은 기호는 분자에서 '대칭성'을 나타내는 기호이다. σ, π, δ, …에 해당하는 영어 알파벳은 각각 s, p, d, …이다. 'σ 결합'은 결합의 대칭성이 @@NAMATH_INLINE@@s@@NAMATH_INLINE@@ 원자 오비탈의 대칭성과 같다는 것을 함축하고 있다. 마찬가지로 π 결합은 @@NAMATH_INLINE@@p@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈의 대칭성과, δ 결합은 @@NAMATH_INLINE@@d@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈의 대칭성과 같다는 의미이다. 일반적으로 원자에 관련된 기호로 영어 알파벳을 사용하고, 분자에 관련된 기호로는 그리스 알파벳을 사용한다.
2. 이때 에틸렌 분자는 @@NAMATH_INLINE@@x-y@@NAMATH_INLINE@@ 평면에 놓여 있는 것으로 가정한다.

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파이 결합

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목차

여러 분자에서의 파이 결합

파이 결합과 파이 오비탈

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