ホーム＞新編化学I＞第４部　有機化合物＞第１章　有機化合物の基礎＞A　有機化合物の構造と分類

A　有機化合物の構造と分類

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にちなんで，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て，このように区別される

ようになった。当時は，有機物が動植物の生命力によってのみつくりだされ，人工

的に合成すること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)の中で，シアン酸とアンモニア水から加熱によりシアン酸

アンモニウムをつくろうとして，尿素を得た。

　　　HOCN＋NH₃→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反

応であった。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こと」を知らせるとともに，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

とはしなかった。しかし，その後，次第に有機化合物が合成されるに及んで，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

あることが認識されるようになった。

　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

素からなることを明らかにしており(1784年)，炭素が有機物の特徴をなす元素で

あることが注目され，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，また互いに結合しうることなどが指摘された。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

ようになり，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年)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ようである。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と表されるように

説明されている。シュウ酸結晶の現在の化学式はC₂O₄H₂ · 2H₂Oであるが，

C₂O₃ · 3H₂Oと表したため，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

炭素骨格による有機化合物の分類

►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
かどうかでさらに分けられ，また枝分かれしているかどうかで分けられる。
　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
かどうかでさらに分類される。
　このほか，官能基によりいくつかの同族体に分類される。
　炭化水素では，普通次のように分類される。

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　　　　　　など
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)　など

複素環式化合物には，O，N，Sなどを含むものがあり，3〜10員環が知られて
いる。これにも，飽和，不飽和がある。次にいくつかの例を示す。

►有機化合物の炭素原子間の結合
　炭素原子間の単結合，二重結合，三重結合とその結合エネルギーは，炭素原子の
価電子がつくるsp³，sp²，sp混成軌道を考えることで理解できる。
　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
ようになる。

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	C−C	C＝C	C≡C	CC
	s 結合1個	s 結合1個	s 結合1個	s 結合1個
	(sp^3混成)	(sp^2混成)	(sp混成)	(sp^2混成)
	—	p 結合1個	p 結合2個	p 結合0.5個相当
原子間距離〔nm〕	約0.15	約0.13	約0.12	約0.14
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本の軸の周りに対
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。結合数の多い結合ほ
ど結合力が強くなり，原子間距離が小さくなる。ただ，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
のことは，分子が正六角形であることから証明される。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
在することになり，歪んだ六角形になるはずである。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

すことができる。なお，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ためと説明されている。

基と官能基

►基，官能基
　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，特徴ある機能をもつ原子団を「官能基」と呼ぶように記述した。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，原子についても基とよんでいる。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，混乱をさけるためである。したが
って，炭化水素の置換基については，これも基とよぶことを，ハロゲン化合物など
を扱う段階で指導して頂きたい。

IUPACの基に関する内容を拾い上げると，次のようになる。

(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)とよぶ。

(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(−Cl，−OHなど)で

　あるが，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(−CN，−COOH，−COCH₃など)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。たとえば，不飽和結合＞C＝C＜は特性基ではないが

官能基である。

　本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などの特徴をもたない「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原子をいくつか除いた基で，次のようなものがある。

(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，−C_nH_2n＋1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。ビニル基のよう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。アリール基には，次のようなものがある。

　　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

　分子式を展開して，その分子の特性を明らかに示すよう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るから，

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，炭素骨格などがわかるような簡略化した構造式を，示性式として用いるこ

ともある。

異性体

►異性体
　分子式は同じだが，構造式や立体配置が異なるため，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，このよう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
				光学異性体(鏡像異性体)

►構造異性体
　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いくつかに分けられ

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)などがその例である。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−プロパノールなどがその例である。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

ほか，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とピラゾ

ールなど)，環状化合物の置換基の位置が異なるために生じる核異性体(カンファン

C₁₀H₁₈とピナンなど)などが，構造異性体の例にあげられる。
　なお，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

形などがその例である。

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−</