高校生のための有機化学 – 基礎講座Ⅳ

はじめに

※こちらは、「高校生のための有機化学 – 基礎講座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ」の続きの記事です。まずは「基礎講座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ」を読んでから、本記事をお読みいただくことをおすすめします。

今回の学習目標

本日は、欧州医学部受験を考えている学生向けに、アルカン、アルケン、アルキン、アレーンに関して、それらの構造、性質、反応として最低限覚えておくべきことをみていきましょう。

1. アルカン

1.1 アルカンの定義と構造

アルカンとは、炭素と水素のみからなる単結合のみで構成された飽和炭化水素化合物です。一般式は C_nH_2n+2 で表されます。

直鎖アルカンの例

炭素数	名称	分子式	構造式
1	メタン	CH₄	CH₄
2	エタン	C₂H₆	CH₃-CH₃
3	プロパン	C₃H₈	CH₃-CH₂-CH₃
4	ブタン	C₄H₁₀	CH₃-CH₂-CH₂-CH₃
5	ペンタン	C₅H₁₂	CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃

アルカンは炭素原子の配列により、直鎖アルカンと分枝アルカンに分類されます。炭素数が4以上になると、構造異性体が存在するようになります。

例：ブタン（C₄H₁₀）の構造異性体

• n-ブタン（直鎖）: CH₃-CH₂-CH₂-CH₃
• イソブタン（分枝）: (CH₃)₃CH（または CH₃-CH(CH₃)-CH₃）

アルカンの立体構造では、炭素原子はsp³混成軌道を形成し、結合角は約109.5°の正四面体構造をとります。この構造により、炭素-炭素結合の周りでは回転が可能です。

1.2 アルカンの物理的性質

沸点・融点

• 炭素数が増加するにつれて沸点・融点は上昇します
• C₁〜C₄: 常温・常圧で気体
• C₅〜C₁₇: 常温・常圧で液体
• C₁₈以上: 常温・常圧で固体

溶解度

• 水に対する溶解度は非常に低い（疎水性）
• 無極性溶媒（ベンゼン、ヘキサンなど）には溶解する

密度

• 水より小さい（約0.7～0.8 g/cm³）

分子間力

• 分子間にはファンデルワールス力が働く
• 分子量の増加に伴い、分子間力も増加

1.3 アルカンの化学的性質と反応

アルカンは比較的安定した化合物で、通常の条件では反応性が低いことから「パラフィン」（ラテン語の「ほとんど反応しない」という意味から）とも呼ばれています。

燃焼反応

ハロゲン化（置換反応）

熱分解（クラッキング）

1.4 アルカンの用途

• 天然ガス（主にメタン）：燃料
• LPG（プロパン、ブタン）：家庭用・産業用燃料
• ガソリン（C₅～C₁₂のアルカン混合物）：自動車燃料
• 灯油、軽油、重油：各種燃料
• ワセリン、パラフィンワックス：医薬品、化粧品

1.5 アルカンの命名法（IUPAC命名法）

IUPACシステムによるアルカンの命名の基本ルール

1. 最長炭素鎖を見つけ、その炭素数に対応する名前を基本名とする
2. 側鎖（アルキル基）の位置を番号で指定し、アルファベット順に並べる
3. 同じ側鎖が複数ある場合は、接頭辞（ジ、トリ、テトラなど）を使用する

例）2-メチルプロパン（イソブタン）

CH₃
|
CH₃-CH-CH₃

＜主なアルキル基＞

• メチル基（-CH₃）
• エチル基（-C₂H₅）
• プロピル基（-C₃H₇）
• ブチル基（-C₄H₉）

2. アルケン

2.1 アルケンの定義と構造

アルケンとは、分子内に少なくとも1つの炭素-炭素二重結合を持つ不飽和炭化水素です。一般式は C_nH_2n で表されます。

直鎖アルケンの例

炭素数	名称	分子式	構造式
2	エチレン（エテン）	C₂H₄	CH₂=CH₂
3	プロピレン（プロペン）	C₃H₆	CH₃-CH=CH₂
4	ブチレン（ブテン）	C₄H₈	CH₃-CH₂-CH=CH₂

アルケンでは、二重結合を形成する炭素原子は sp²混成軌道 をとり、結合角は約120°の平面三角形構造になります。二重結合はσ結合とπ結合から構成されます。

• σ結合：sp²軌道同士の重なりによって形成され、強く安定
• π結合：p軌道同士の側面重なりによって形成され、比較的弱い

2.2 アルケンの物理的性質

沸点・融点

• アルカンと同様、炭素数の増加とともに上昇
• 同じ炭素数のアルカンと比べて、少し高い値を示す

溶解度

• アルカンと同様に水に対する溶解度は低い
• 有機溶媒によく溶ける

密度

• 水より小さいが、同じ炭素数のアルカンより大きい

2.3 アルケンの化学的性質と反応

アルケンの最も特徴的な性質は、二重結合による高い反応性です。主に付加反応を起こします。

付加反応

ハロゲン付加

CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br

水素化（接触還元）

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃ （Pt, Pd, Niなどの触媒存在下）

水和反応

CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃-CH₂OH （H⁺触媒）

ハロゲン化水素付加

CH₂=CH₂ + HBr → CH₃-CH₂Br

マルコフニコフの法則

重合反応

酸化反応

2.4 幾何異性（シス-トランス異性）

アルケンでは、二重結合の周りで自由回転が制限されるため、置換基の配置によって幾何異性体が生じます。

• シス異性体：同じ置換基が二重結合の同じ側にある
• トランス異性体：同じ置換基が二重結合の反対側にある

例）2-ブテン

H₃C H H CH₃
\ / \ /
C=C C=C
/ \ / \
H CH₃ H₃C H
シス-2-ブテン トランス-2-ブテン

2.5 アルケンの命名法

1. 最長の炭素鎖を選び、その中に二重結合が含まれるようにする
2. 二重結合の位置を最も小さい番号になるように炭素鎖に番号をつける
3. 基本名は対応するアルカン名の語尾を「-アン」から「-エン」に変える
4. 側鎖はアルカンと同様に位置番号とともに表記する

例）

CH₃
|
CH₃-CH=C-CH₃
|
CH₃
2-メチル-3-メチル-2-ペンテン

2.6 アルケンの用途

• エチレン：ポリエチレン、エチレングリコール、酢酸ビニルなどの原料
• プロピレン：ポリプロピレン、アクリル酸、イソプロパノールなどの原料
• ブタジエン：合成ゴムの原料
• スチレン：ポリスチレンの原料

3. アルキン

3.1 アルキンの定義と構造

アルキンとは、分子内に少なくとも1つの炭素-炭素三重結合を持つ不飽和炭化水素です。一般式は C_nH_2n-2 で表されます。

直鎖アルキンの例

炭素数	名称	分子式	構造式
2	アセチレン（エチン）	C₂H₂	HC≡CH
3	プロピン	C₃H₄	CH₃-C≡CH
4	ブチン	C₄H₆	CH₃-CH₂-C≡CH

アルキンでは、三重結合を形成する炭素原子は sp混成軌道 をとり、結合角は180°の直線構造になります。三重結合は1つのσ結合と2つのπ結合から構成されます。

3.2 アルキンの物理的性質

沸点・融点

• 同じ炭素数のアルカンやアルケンと比較して高い
• エチン（アセチレン）は気体、プロピン以上は常温で液体

溶解度

• 基本的には水に難溶
• 末端アルキン（HC≡C-R）は弱酸性を示す

密度

• 水より小さいが、対応するアルカンより大きい

3.3 アルキンの化学的性質と反応

アルキンはアルケンよりもさらに反応性が高く、付加反応を起こしやすい特徴があります。

付加反応

末端アルキンの酸性度

重合反応

アセチレンは特定の条件下で重合して、ポリアセチレンのような導電性高分子を形成することがあります。

3.4 アルキンの命名法

1. 最長の炭素鎖を選び、その中に三重結合が含まれるようにする
2. 三重結合の位置を最も小さい番号になるように炭素鎖に番号をつける
3. 基本名は対応するアルカン名の語尾を「-アン」から「-イン」に変える
4. 側鎖はアルカンと同様に位置番号とともに表記する

例）

CH₃-C≡C-CH(CH₃)-CH₃
3-メチル-1-ペンチン

3.5 アルキンの用途

• アセチレン：溶接・切断用燃料ガス
• 各種アルキン：有機合成の中間体
• ジアセチレン誘導体：導電性高分子材料の前駆体

4. アレーン（芳香族炭化水素）

4.1 アレーンの定義と構造

アレーン（芳香族炭化水素）とは、ベンゼン環を基本構造に持つ炭化水素化合物の総称です。最も単純なアレーンはベンゼン（C₆H₆）です。

ベンゼンの構造

H
|
H-C C-H
\\ //
C-C
// \\
H-C C-H
|
H

ベンゼンは6つの炭素原子が正六角形に配列し、各炭素は水素原子と結合しています。炭素間の結合距離はすべて等しく、単結合と二重結合の中間的な性質を持ちます。

4.2 芳香族性の概念

芳香族性とは、環状の共役π電子系を持つ化合物に見られる特別な安定性のことです。芳香族性を持つための条件は以下のとおりです。（ヒュッケルの法則）

• 平面環状構造であること
• 環内のすべての原子がp軌道を持つこと
• π電子の数が4n+2（nは0以上の整数）であること（ベンゼンの場合、n=1で6電子）

芳香族化合物は共鳴安定化エネルギー（約36 kcal/mol）を持ち、これが通常の共役系よりも安定な理由です。

4.3 主な芳香族炭化水素

• ベンゼン（C₆H₆）：最も基本的な芳香族化合物
• トルエン（C₇H₈）：メチル基が置換したベンゼン
• キシレン（C₈H₁₀）：2つのメチル基が置換したベンゼン（o-, m-, p-異性体）
• ナフタレン（C₁₀H₈）：2つのベンゼン環が縮合した化合物
• アントラセン（C₁₄H₁₀）：3つのベンゼン環が直線状に縮合した化合物

4.4 芳香族化合物の物理的性質

沸点・融点

• 同じ炭素数の脂肪族化合物より高い
• ベンゼンは常温で液体（沸点：80℃）

溶解度

• 水にはほとんど溶けない
• 有機溶媒によく溶ける

密度

• 水よりやや小さい（ベンゼン：約0.88 g/cm³）

その他

• 多くは特徴的な芳香を持つ
• 紫外線を吸収し、蛍光を発するものもある

4.5 芳香族化合物の化学的性質と反応

芳香族化合物の最も特徴的な反応は電子親和性置換反応（芳香族置換反応）です。付加反応ではπ電子系が破壊され、芳香族性が失われるため起こりにくいです。

芳香族置換反応

配向効果

ベンゼン環上にすでに置換基が存在する場合、その置換基の性質によって次の置換反応の位置が影響を受けます。

• o,p-配向基（活性化基）：アルキル基、-OH、-NH₂、-OR、-NHCOR
• m-配向基（不活性化基）：-NO₂、-CF₃、-COOH、-SO₃H、-CN

例えば、トルエン（メチル基はo,p-配向基）に対するニトロ化では、主にオルト位とパラ位にニトロ基が導入されます。

側鎖の反応

アルキルベンゼンの側鎖は、反応条件下で酸化されることがあります。

例）トルエンの酸化

C₆H₅-CH₃ + 3[O] → C₆H₅-COOH + H₂O （KMnO₄/H⁺）

4.6 アレーンの命名法

単環芳香族化合物

• 置換ベンゼンとして命名する
• 位置は1,2-（オルト）、1,3-（メタ）、1,4-（パラ）で表す

例）

CH₃ NO₂
| |
C₆H₅ C₆H₅
トルエン ニトロベンゼン

多環芳香族化合物

• ナフタレン、アントラセン、フェナントレンなど独自の名称を持つ
• 置換基の位置は番号で指定する

4.7 アレーンの用途

• ベンゼン：多くの芳香族化合物の原料
• トルエン：溶剤、TNT（トリニトロトルエン）の原料
• キシレン：溶剤、合成繊維（ポリエステル）の原料
• ナフタレン：防虫剤
• ポリ環芳香族：染料、医薬品、農薬など

5. まとめと演習問題

5.1 炭化水素の比較

特性	アルカン	アルケン	アルキン	アレーン
一般式	CnH2n+2	CnH2n	CnH2n-2	–
結合の特徴	単結合のみ	少なくとも1つの二重結合	少なくとも1つの三重結合	芳香族環
混成軌道	sp³	sp²	sp	sp²
主な反応	置換反応	付加反応	付加反応	電子親和性置換反応
反応性	低	中	高	特異的
例	メタン、ブタン	エチレン、プロピレン	アセチレン、プロピン	ベンゼン、トルエン

5.2 演習問題

問題1： 以下の化合物の構造式を描き、IUPAC命名法で名前をつけなさい。

問題2： 次の反応の生成物を予想しなさい。

問題3： 以下の反応経路で、化合物AとBを同定しなさい。

エチレン + Br₂ → A A + 2NaOH（アルコール中）→ B

問題4： 2-メチル-2-ブテンを完全燃焼させたとき、二酸化炭素と水が発生します。この反応式を示し、完全燃焼に必要な酸素の量を計算しなさい。