陰イオン「Na-」は安定に存在できる！

世の中には、普通では考えられないような面白い化合物があります。

例えば、今回紹介する物質はナトリウム陰イオンNa^-が含まれます。

「Naは陽性な金属原子だから負電荷を持つなどあり得ない！」

なんて固定観念に囚われてはいけません。

最近（30年ほど前から）、Na^-やK^-等、アルカリ金属の陰イオン「アルカリドイオン」が安定に存在できることが報告されています。

驚きの事実ですね。

これらは、量子化学的に考えると、1族元素はs軌道に1つの電子を持つためもう1電子受け入れるとs軌道が閉殻的な構造になるので割かし安定なのだろう、と予想できます。

もちろん、普通の構造の化合物中でNa^-イオンは安定に存在できません。

なぜならNa^-はとても強い還元作用を持つため、対になる陽イオンにすぐ電子を渡してしまうからです。

だから分子にこんな工夫をします。

とりあえず具体的に構造を見てみましょう。

[Na(2,2,2-crypt)]⁺Na^-の結晶中での構造（水素省略）

橙色：Na⁺　　金色：Na^-

黒色：C　　青色：N　　赤色：O

※ 炭素に結合している水素は省略。

※ 図にはNa^-イオンが6個あるが、これは結晶中で[Na(2,2,2-crypt)]⁺に最近接しているNa^-イオンであり、この隣にも[Na(2,2,2-crypt)]⁺イオンが並ぶので1/6 Na^-が6個ある（=正味1個分）ということになる。


組成式： Na₂C₁₈H₃₆N₂O₆ （化学量論的）

示成式： [Na⁺(C₁₈H₃₆N₂O₆)]Na^-

Na⁺に有機化合物C₁₈H₃₆N₂O₆（2,2,2-クリプタンド；2,2,2-cryptと略す）が配位した電荷1+の錯イオンに、対イオンとしてNa^-がくっついた塩。

なんと物質中にNa⁺とNa^-が共存している。


溶液状態では深い青色、固体では金色であるという。

金属ナトリウムに2,2,2-クリプタンドを反応させることで得られる。

ここでは細かくは説明しないが、クリプタンドとはカゴ状の配位子であり、カゴの中に金属イオンを包み込み安定な錯体を作ることができる。

分子中の2つのN原子と6つのO原子の非共有電子対が8方向から金属イオンに配位するのだ。

2,2,2-クリプタンドC₁₈H₃₆N₂O₆の構造

2,2,2-クリプタンドとNa⁺の錯体；[Na(2,2,2-crypt)]⁺の構造

一番上の図を見ると一目瞭然、Na⁺は2,2,2-クリプタンドに完全に包み込まれてしまっていてNa^-と面していない。

したがって

Na⁺ + Na^- → 2Na (metal)

等の反応でNa^-が電子を失って潰れてしまうことはない。

このようにNa⁺とNa^-をクリプタンドで隔離し安定化することでこのような"異常な"化合物を安定に存在させているのだ。


世の中には驚きの物質が存在するものである。

「Na^-なんて存在不可能！」なんて固定観念に囚われてはいけない。

技術を巧みに使えば色々なことができるもので、この例のように適切な分子設計によりNa^-を安定に存在させることに成功したわけである。

化学の世界は広い。



◎ 参考

• Frederick J. Tehan, B. L. Barnett, and James L. Dye "Alkali Anions. Preparation and Crystal Structure of a　Compound Which Contains the Cryptated Sodium Cation and the Sodium Anion" J. Am. Chem. Soc. / 96.23 / November 13, 1974