有機化学

アルカン・アルケン・アルキン・アレーン

炭素骨格と結合様式から炭化水素を分類し、分子式・構造と特徴的な反応を関連づけ、芳香族環の安定性を比較します。

直観直観：結合様式の異なる炭素骨格

炭化水素は炭素と水素だけからなります。単結合では鎖が比較的自由に回転しますが、二重・三重結合は幾何構造を制限し、付加反応を可能にします。電子が非局在化した環は通常のアルケンと異なり、環を保つ反応をしやすいです。

炭素骨格を観察し、単結合と多重結合を比べます。表示は代表構造であり、系列全体を網羅するものではありません。

定義: 系列と一般式

鎖式飽和アルカンは CₙH₂ₙ₊₂、二重結合を1つもつ鎖式アルケンは CₙH₂ₙ、三重結合を1つもつ鎖式アルキンは CₙH₂ₙ₋₂ です。環や追加の多重結合がある化合物にはそのまま適用できません。アレーンにはベンゼンと関連する芳香族系が含まれます。

\ce{C_nH_{2n+2}}\ (alkanes),\quad \ce{C_nH_{2n}}\ (one acyclic C=C),\quad \ce{C_nH_{2n-2}}\ (one acyclic C\equiv C)

例: 炭素5個のアルケンの分子式

解答

n = 5 を CₙH₂ₙ に代入すると C₅H₁₀ です。他の環や多重結合がない場合です。

IUPAC名は主鎖と不飽和結合の位置を示します。ペント-1-エンとペント-2-エンは構造異性体です。二重結合の各炭素に異なる置換基が2つずつある場合、回転が制限されるため E/Z 立体異性体も生じます。

\ce{CH2=CH2 + H2 ->[Ni] CH3-CH3}\qquad\ce{CH2=CH2 + Br2 -> BrCH2-CH2Br}

アルケンでは σ 結合が炭素を結び、π結合の電子密度は分子平面の上下に広がります。求電子剤はこの接近しやすいπ電子密度と相互作用しますが、生成物は基質・試薬・溶媒・条件に依存し、単純な標語だけでは決まりません。

定義: 不飽和度

C、H、N、ハロゲン X を含む中性分子では、二重結合当量 DBE = (2C + 2 + N − H − X)/2 です。環またはπ結合1つが1単位、三重結合は2単位に相当します。酸素と硫黄は式に入りません。

例: C₆H₆ の不飽和度

解答

DBE = (2×6 + 2 − 6)/2 = 4 です。ベンゼンは環1つとπ結合3つ分に相当しますが、実際の結合は孤立した二重結合3つではなく非局在化しています。

Hückelモデルでは、平面・環状・共役系のπ電子数が (4n + 2) 個なら芳香族です。ベンゼンは6個（n = 1）で、非局在化した環が安定化されます。求電子芳香族置換では環の水素を置換した後に共役が回復します。付加は一般に芳香族安定化を失わせます。

\ce{C6H6 + Br2 ->[FeBr3] C6H5Br + HBr}\quad\text{(substitution; aromatic ring retained)}