トップMaster化学I>第4部 有機化合物>第1章 有機化合物の特徴と構造1節 有機化合物の特徴と分類

1節 有機化合物の特徴と分類

 

A 有機化合物の特徴

有機化合物の歴史

 有機化合物organic compoundsの名称は,生物organismにちなみ,1806年に化学者ベリツェリウスBerzeliusが初めて使ったとされる。18世紀後半に有機物の新発見が相次ぎ,無機物との性質の違いが認められ,この様に区別される様になった。当時は,有機物が動植物の生命力によってのみ作り出され,人工的に合成する事は不可能と信じられていた。ところが,1828年,ベリツェリウスの弟子ウェーラーWöhlerは,リービッヒとの共同研究(シアン酸銀と雷酸銀,シアン酸と雷酸の研究)中に,シアン酸とアンモニア水から加熱によりシアン酸アンモニウムを作ろうとして,尿素を得た。

   HOCNNH3 ―→ NH4OCN ―→ (NH2)2CO

この反応は無機物から有機物が生じる反応であり,当時としては考えられない事だった。ウェーラーは慎重に何度も実験を繰り返し,ベリツェリウスに「動物(腎臓)を使わないで尿素が得られる事」を知らせると共に,この事実を公表した。当時,ベリツェリウスを始め多くの化学者は,この実験的証拠を承認しようとしなかった。しかし,その後次第に有機化合物が合成されるに及び,生命力の説は顧りみられなくなった。そして,有機物も無機物も本質的には同じである事が認識される様になった。

 また,フランスのラボアジエは燃焼実験から有機物が炭素,水素,酸素及び窒素からなる事を明らかにしており(1784),炭素が有機物の特徴をなす元素である事が注目され,1848年にグメリンGmelinは「炭素化合物が有機化合物である」と指摘して現在の有機化合物の概念が確立した。1858年にはケクレKekule′により,炭素原子が4価であり,互いに結合し得る事等が指摘された。こうして,有機物の化学構造の基礎が確立され,19世紀後半には有機合成が行われる様になり,以後有機化学は各方面に発展して現在に至っている。

 

参考 ウェーラーによる尿素の合成

 無機物から合成された最初の有機化合物は,一般には尿素とされている。しかし,ゲーリュサックの化学講義録(1828)によると,1824年にウェーラーはシュウ酸の合成に成功していた様である。この中で,酸化炭素は化学式CO,炭酸は化学式CO2,シュウ酸は化学式C2O3,その結晶は化学式C203 ·3H2Oと表される様に説明されている。シュウ酸結晶の現在の化学式はC2O4H2 ·2H2Oだが,C2O3 ·3H2Oと表した為,シュウ酸は無機化合物として扱われた。

 

有機化合物の構造による分類

有機化合物は,その骨格で分類される。まず,環状構造を含むかどうかで鎖状(鎖式)化合物と環状(環式)化合物に大別される。鎖状化合物は,不飽和結合を含むかどうかで更に分けられ,枝分かれしているかどうかでも分けられる。
 環状化合物は,炭素原子以外の原子をその骨格に含むかどうかにより,炭素環式化合物と複素環式化合物に分けられる。炭素環式化合物は,脂環式化合物とベンゼン環を含む芳香族化合物に分けられる。脂環式化合物は,環内に不飽和結合を含むかどうかで更に分類される。
 この他,官能基により幾つかの同族体に分類される。

炭化水素の分類

分  類

飽和炭化水素

不飽和炭化水素

鎖状炭化水素

アルカン

アルケン(オレフィン)

(非環式炭化水素)

(パラフィン)

アルキン      等

環式炭化水素

シクロアルカン

シクロアルケン(シクロオレフィン)

(シクロパラフィン)

シクロアルキン

(ナフテン)

芳香族炭化水素(アレーン) 等

 

複素環式化合物には,ONS等を含むものがあり,310員環が知られている。これにも,飽和,不飽和がある。

 

有機化合物の炭素原子間の結合

素原子間の単結合,二重結合,三重結合とその結合エネルギーは,炭素原子の価電子が作るsp3sp2sp混成軌道を考える事で理解できる。
 炭素原子間の結合の種類とその結合エネルギー及び原子間距離は次表の様になる。

炭素原子間の結合

炭素原子間の

結合の名称

飽和結合

不飽和結合

単結合

二重結合

三重結合

ベンゼンの結合

共有結合の数

CC

CC

CC

CC

s 結合1

s 結合1

s 結合1

s 結合1

(sp3混成)

(sp2混成)

(sp混成)

(sp2混成)

p 結合1

p 結合2

p 結合0.5個相当

原子間距離〔nm

0.154

0.134

0.118

0.1399

結合エネルギー
kJ/mol

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s 結合は,2個の電子軌道の重なり方が大きく,分子軌道が1の軸の周りに対称的に分布する結合で,当然結合エネルギーも大きい。p 結合は,1つの平面の両側にそれぞれ電子雲が分布する結合で,2個の電子軌道の重なり方が小さく,s 結合より結合エネルギーが小さい。単結合はs 結合1個で形成されるが,二重結合・三重結合ではこれにp 結合が1個・2個加わって形成される。結合数の多い結合程結合力が強くなり,原子間距離が小さくなる。但し,p 結合はs  結合より弱いので,結合エネルギーは単結合の2倍,3倍にはならず,それより小さい値となる。
 ベンゼンC6H6の炭素原子間の結合は,単純な単結合でも二重結合でもない。この事は分子が正六角形である事から証明される。もし,単結合と二重結合が交互に存在するとすれば,炭素原子間の距離も長いものと短いものが交互に存在する事になり,歪んだ六角形になる筈である。ベンゼンではp 結合が特定の原子間に固定されず,炭素原子間では平均して0.5個分のp 結合が存在するとみなす事ができる。尚,結合エネルギーは,p 結合の0.5個分相当よりは大きくなる。これはベンゼンが共鳴構造をとる為と説明されている。

 

B 基と官能基

(group,radical),官能基(functional group)

 教科書本文では,母体化合物から何個かの原子が取れた形の原子団を基と呼び,特徴ある機能を持つ原子団を官能基と呼ぶ様に記述した。ところが,IUPACによる定義では,水素原子を除いて,炭化水素の水素原子を置換するものについては,教科書の側注にある原子についても基と呼んでいる。教科書本文で原子を基から除いたのは,この段階では主に炭化水素基を扱う関係で,混乱を避ける為である。したがって,炭化水素の置換基については,これも基と呼ぶ事を,ハロゲン化合物等を扱う段階で指導したい。

(1) 置換基 母体化合物のH原子と入れ換わった基。置換基のうち,2つ以上の基名に分けられるものを複合基(例:クロロメチル基CH2Cl),分けられないものを単純基(例:クロロ基,メチル基)と呼ぶ。

(2) 特性基 母体化合物に結合する原子がC原子以外の置換基(ClOH)だが,C原子であってもそのC原子に別種の原子(Hは除く)が結合している置換基(CNCOOHCOCH3)であれば,これらを特性基という。

(3) 官能基 特徴ある機能を分子に与える置換基や構造を官能基という。特性基より広い意味に用いられる。例えば,不飽和結合は特性基ではないが官能基である。

 教科書で用いている官能基は,IUPAC規則にいう「特性基」と「官能基」にほぼ相当し,それからハロゲン原子等の特徴をもたない「特性基」をさし引いたものである。

 

炭化水素基

炭化水素分子からH原子を幾つか除いた基で,次の様なものがある。

(1) アルキル基  アルカンからH原子1個がとれた形の基で,CnH2n1の一般式で表される。対応するアルカンの語尾-aneをイル-ylに代えて命名する。

(2) アルケンから導かれる基  名称は,対応するアルケンの語尾-eneをエニル-enylに代えて命名する。ビニル基の様に慣用名で表すものもある。

   CH2=CH  CH2=CHCH2  CH3CH=CH

   ビニル基 アリル基   1-プロペニル基

(3) 芳香族炭化水素基(アリール基)  芳香族炭化水素の1価の基を一般にアリール基という。

   C6H5−フェニル基,CH3C6H4−トリル基(o-m-p-がある)

   (CH3)2C6H3−キシリル基(何種類か存在する)C10H7−ナフチル基

 

示性式(rational formula)

 分子式を展開して,その分子の特性を明らかに示す様に記された化学式を示性式という。有機化合物の特性はその分子内に含まれる官能基によるものであり,官能基を抜き出して表した化学式を通常示性式と呼んでいる。

 また,炭素骨格等が判る様な簡略化した構造式を示性式として用いる事もある。示性式は構造式に含まれる。

 

異性体(isomer)

分子式は同じだが,構造式や立体配置が異なる為,物理的または化学的性質が異なる物質が2つまたはそれ以上存在するとき,これらの化合物を互いに異性体と呼び,この様な現象を異性という。

 

異性体

{

構造異性体

{

炭素鎖異性体,位置異性体

官能基異性体互変異性体

立体異性体

{

シストランス異性体(幾何異性体)

光学異性体(鏡像異性体)

 

構造異性体(constitutional isomerstructural isomer)

 構造式が異なる異性体を構造異性体といい,異性体の種類により幾つかに分けられる。炭素鎖異性体(鎖形異性体)とは,鎖状構造が異なる異性体で,ブタンと2−メチルプロパン(イソブタン)等がその例である。位置異性体は,置換基が異なる位置に結合する異性体で, 1プロパノールと2プロパノール等がその例である。官能基異性体は,官能基が異なる異性体で,エタノールとジメチルエーテルがその例である。その他環状化合物の環中の原子の位置が異なる環異性体(イミダゾールC3N2H4ピラゾール),環状化合物の置換基の位置が異なる為に生じる核異性(カンファンC10H18とピナン等)等が,構造異性体の例に挙げられる。
 尚,互変異性体とは,異性体が相互に構造を変えるものをいい,ケト形とエノール形等がその例である。

ブタンは融点138.3℃,沸点0.50℃。2−メチルプロパン(イソブタン)は融点159.60℃,沸点11.731ブテンは融点138.35℃,沸点6.25℃。シス2ブテンは融点138.91℃,沸点3.72℃。トランス2ブテンは沸点−105.55℃,融点0.88℃。エタノールは,融点114.5℃,沸点78.32℃。ジメチルエーテルは融点141.50℃,沸点24.82℃。


シス-トランス異性体(幾何異性体,cis-trans isomergeometrical isomer)

環式化合物で環を平面構造と考えたとき,置換基の環平面に対する相対位置で生じる立体異性体を,シストランス異性体という。特殊な場合として二重結合があり,炭素原子間の二重結合を二員環とみなしたときの立体異性体である。この二重結合の異性体は,幾何異性体やエチレン異性体ともいわれる。

シスとは「こちら側」,トランスとは「向こう側」という意味である。

錯イオンについても,配位子の位置の違いで,シストランス異性が生じる。中心金属に対して反対側に配位子がくる場合をトランス形という。

シス2ブテンは融点138.91℃,沸点3.72℃,トランス2ブテンは融点105.55℃,沸点0.88℃。

 

 

 








本サイトに掲載された記事や画像の無断転載を禁じます。
Copyright(C) 2009 SHINKOSHUPPANSHA KEIRINKAN CO.,LTD. All rights reserved.