4-ヒドロキシ安息香酸のアルカリ金属塩：構造および教育的研究

Alkali metal salts of 4-hydroxybenzoic acid: a structural and educational study.

抄録

単結晶X線回折の技術を紹介し、一次および二次結合の理解を深めることを目的とした教育実習の一環として、9人の中学生グループに新しい化合物を調製し、調製した結晶物質について集めたデータを解析・改良する機会が与えられました。4-ヒドロキシ安息香酸（Hhba）のアルカリ金属塩を調べた結果、9つの新しい化合物が得られ、その構造についてこの論文で説明します。これらの塩の原子配列は似ていると思われるかもしれないが、その構造には大きな違いがある。Hhbaは比較的単純な有機分子であるが、非電荷分子、モノアニオンHhbaまたはジアニオンhbaを含むイオン性固体を形成し、驚くべき配位的柔軟性を示す。これらの構造に共通する特徴は、層状に配置されていることである。すなわち、ヒドロキシ安息香酸連結単位の疎水性成分によって隔てられた、密に充填された金属-酸素多面体からなる親水性の層が交互に配置されている。これらのユニットの密なパッキングは、全体の構造を決定する上で支配的な影響力を持っているようだ。ヒドロキシ安息香酸ユニットは通常、隣接するユニットと平行および反平行であり、エッジ・トゥ・フェイス、フェイス・トゥ・フェイス、またはその混合でパッキングされている。水素結合はほとんどの化合物の構造で重要な役割を果たしており、2つのネットワークで短い強い水素結合(SSHB)が観察された。ここで説明する4-ヒドロキシ安息香酸, CHOの化合物は、以下の通りである。ポリ[ジ-μ-アクア-μ-4-オキシドベンゾアートジリチウム], [Li(CHO)(HO)], 1, ポリ[トリアクア-μ-4-オキシドベンゾアートジリチウム], [Li(CHO)(HO)], 2, ポリ[μ-4-ヒドロキシベンゾアート-リチウム］、［Li（CHO）］、3、カテナ-ポリ［4-ヒドロキシベンゾアート［［ジアクアソーダ］-ジ-μ-アクア］］、｛［Na（HO）］（CHO）｝、4、ポリ［ジ-μ-アクア-μ-4-ヒドロキシベンゾアート-カリウム］、［K（CHO）（HO）］、5、ポリ［μ-アクア-μ-4-ヒドロキシベンゾアート-カリウム］、［K（CHO）（HO）］、6、ポリ［アクア-μ-4-ヒドロキシベンゾアート-ルビジウム］、［Rb（CHO）（HO）］、7、ポリ［アクア-μ-4-ヒドロキシベンゾアート-セシウム］、［Cs（CHO）（HO）］、8、ポリ［[μアクア（μ-4-ヒドロキシ安息香酸）（4-ヒドロキシ安息香酸）ナトリウム］一水和物］、｛［Na（CHO）（CHO）（HO）］-［Na（CHO）（HO）］-［Na（CHO）（CHO）］-［Na（CHO）（HO）］。HO｝、9、ポリ［［（μ-4-ヒドロキシ安息香酸）ルビジウム］一水和物］、｛［K（CHO）（CHO）］-］。HO}、10、ポリ[[(μ-4-ヒドロキシ安息香酸)(μ-4-hydroxybenzoato)ルビジウム]一水和物}、{[Rb（CHO）（CHO）-HO}、11の4種類である。

As part of an educational exercise designed to introduce school students to the technique of single-crystal X-ray diffraction and enhance their understanding of primary and secondary bonding, a group of nine secondary school students was given the opportunity to prepare new compounds and to solve and refine data collected on the crystalline materials they had prepared. Their investigation of the alkali metal salts of 4-hydroxybenzoic acid (Hhba) yielded nine new compounds and their structures are described in this article. Whilst the salts might be expected to have similar atomic arrangements, there are significant differences in their structures. Although Hhba is a relatively simple organic molecule, it displays remarkable coordinative flexibility, forming ionic solids containing the uncharged molecule, the monoanion Hhba or the dianion hba. A common feature of the structures is their layered arrangement: alternating hydrophilic layers made up of closely packed metal-oxygen polyhedra separated by the hydrophobic component of the hydroxybenzoate linking units. Close packing of these units seems to be a dominant influence in determining the overall structure. The hydroxybenzoate units are usually both parallel and antiparallel with their immediate neighbours, with packing that can be edge-to-face, face-to-face or a mixture of the two. Hydrogen bonding plays a key role in the structure of most compounds and a short strong hydrogen bond (SSHB) is observed in two of the networks. The compounds of 4-hydroxybenzoic acid, CHO, described here are: poly[di-μ-aqua-μ-4-oxidobenzoato-dilithium], [Li(CHO)(HO)], 1, poly[triaqua-μ-4-oxidobenzoato-dilithium], [Li(CHO)(HO)], 2, poly[μ-4-hydroxybenzoato-lithium], [Li(CHO)], 3, catena-poly[4-hydroxybenzoate [[diaquasodium]-di-μ-aqua]], {[Na(HO)](CHO)}, 4, poly[di-μ-aqua-aqua-μ-4-hydroxybenzoato-potassium], [K(CHO)(HO)], 5, poly[μ-aqua-μ-4-hydroxybenzoato-potassium], [K(CHO)(HO)], 6, poly[aqua-μ-4-hydroxybenzoato-rubidium], [Rb(CHO)(HO)], 7, poly[aqua-μ-4-hydroxybenzoato-caesium], [Cs(CHO)(HO)], 8, poly[[μ-aqua-aqua(μ-4-hydroxybenzoato)(4-hydroxybenzoic acid)sodium] monohydrate], {[Na(CHO)(CHO)(HO)]·HO}, 9, poly[[(μ-4-hydroxybenzoato)(μ-4-hydroxybenzoic acid)rubidium] monohydrate], {[K(CHO)(CHO)]·HO}, 10, and poly[[(μ-4-hydroxybenzoato)(μ-4-hydroxybenzoic acid)rubidium] monohydrate], {[Rb(CHO)(CHO)]·HO}, 11.