有機化学

可能な構造をすべて挙げる

漏れがあってもダメ

ダブりがあってもダメ

これを読めば安心

必勝テクニックを紹介!

 

 

 

あなたは漏れなくダブりなく

可能な構造を挙げられますか?

 

高校化学の有機化学の問題で、

化合物の分子式が分かっていて、

 

その分子式に対して可能な構造をすべて挙げよ

 

という問題があります。

 

例えば、分子式がC3H8Oの化合物の可能な構造は

 

CH3-CH2-CH2OH      CH3-CH(OH)-CH3      CH3-O-CH2-CH3

 

この3つです。

 

このくらいの数なら、

可能な構造をデタラメに挙げていくだけで

すべてを尽くすこともできますが、

 

可能な構造の数が多い場合、

キチンと法則的に考えて、

漏れがなく、ダブりがないようにしないと、

ミスを犯してしまいます。

 

以下、分子式が分かっている有機化合物の

可能な構造の列挙の仕方について述べます。

 

 

 

 

まず、約束事から

 

有機化合物中の水素や酸素を無視した炭素だけの構造を「炭素骨格」と言うことにしましょう。

先のC3H8Oなら炭素骨格は

次の2つは同じ炭素骨格です。分かりますか?

この炭素骨格の一番長いCの連なりは5連続です。

その連続に対してCが一個ぶら下がっています。

炭素骨格の一番長いCの連なりを「主鎖」と言い、

ぶら下がっている部分を「枝分かれ」と言います。

枝分かれがない構造を「直鎖」と言います。

 

可能な構造をすべて挙げるためには、

主鎖の炭素数で場合分けすることと、

二重結合(不飽和度)に注目することが大切です。

 

それを説明する前にもう少し約束事。

 

分子の構造式を描くときに、

共有結合を表す棒「-」を描きますがこれを「価標」と言います。

 

しかし、本書ではイメージしやすいように価標を「手」と言うことにします。

 

下のメタンの構造式において

構造がすべて定まっていて手はすべてつながっています。

 

このような場合、

 

「手は閉じている」

「手はふさがっている」

 

と言うことにしましょう。

 

エチル基やフェニル基のように

手が1本空いている状態、

これを

 

「片手」

「片手が空いている」

 

と言うことにしましょう。

 

下の酸素、エステル基

このように2本手が空いている状態を

 

「両手」

「両手が空いている」

 

と言うことにします。

 

2つの片手が結びついて結合を作ることを「握手する」と表現することにします。

 

これらの「手」という表現は本書だけの約束です。

 

次は、非常に大切な「不飽和度」について

 

炭素1つには4つの手があり、

それらは「単結合」「二重結合」「三重結合」が可能です。

原子がすべて単結合でつながっている状態を「飽和状態」と言います。

 

炭素がつながっている状態で握手可能な手が何本あるかを問題にします。

 

まず、飽和状態から。結合がすべて単結合です。

 

Cが1個だと4本、2個だと6本ですね。

Cをいくつも並べると

図のように両端の2本とC1個につき2本の手があります。

 

よって、飽和状態ではCがx個につき2x+2本の手があることになります

 

枝分かれでも直鎖でも炭素数が同じなら手の数は同じになります。

 

つまり、炭化水素 CxHyが飽和、単結合だけでつながっているとすると

 

y=2x+2

 

が成り立っています。

 

この、Cxに対する2x+2を「マックス数」「マックス」と言うことにしましょう

 

 

二重結合がある場合の手の数はどうなっているでしょうか。

このように単結合の手2本が握手して二重結合が1個できます。

 

ということは、

2重結合が1個できるごとに2本手が減っていきます。

 

つまり、炭化水素CxHyについて、

 

飽和状態で y=2x+2

二重結合1つで y=2x

二重結合2つで y=2x-2

……

 

となります。

 

要するに、マックス2x+2を基準にして、

そこから手の本数(水素数)が何個少ないか計算すればいいわけです

必ず偶数個少ないはずです。

 

三重結合なら、2本の手が2組握手して、単結合の状態から手が4本減ります。

 

また、炭素鎖が1周つながっている状態を「環」と言いますが、

環を作るためには2本の手が握手する必要があるので、環1つにつき手が2本減ります。

 

ここで「不飽和度」を定義します。

 

マックス2x+2より手の本数(Hの数)が2本少ない状態を、不飽和度1

マックス2x+2より手の本数(Hの数)が4本少ない状態を、不飽和度2

マックス2x+2より手の本数(Hの数)が6本少ない状態を、不飽和度3

……

 

のように定めます。

 

マックス数から手の本数(Hの数)を引いて2で割るイメージです。

 

分子式から計算して不飽和度が1の場合

この分子は、

「二重結合1つ」か、

「環構造1つ」をもつ

 

不飽和度が2の場合は

「三重結合1つ」か、

「二重結合2つ」か、

「環構造2つ」か、

「二重結合1つと環構造1つ」をもつ

 

というふうに分子の構造を推測することができます。

 

分子式を与えられたら、まず不飽和度を計算することが大切です。

「マックス2x+2」と覚えておけば対応できると思います。

 

分子に酸素を含む場合は、

仮に酸素原子が連鎖する構造を想定すると

このように、酸素は両手なので、

酸素原子がいくつつながっても手の本数は増えません。

 

したがって、酸素の数は不飽和度を計算する際に考慮に入れる必要がありません

 

一般に、両手の基は不飽和度に影響を及ぼしません

 

CxHyOzに対してマックス数は2x+2で、それと手の本数yを比べればOKです。

酸素は無視と覚えましょう。

 

窒素を含む場合の不飽和度は、もう少し後で説明します。

 

<練習問題>

次の分子式の有機化合物の不飽和度を求めよ

(1)C3H8

(2)C4H6

(3)C2H6O

(4)C2H4O2

 

<解説>

(1)マックス数は3×2+2=8、Hの数も8ですから不飽和度0

 

(2)マックス数は4×2+2=10。Hの数は6。10-6=4。4を2で割って、不飽和度は2

 

(3)Oは無視です。マックス2×2+2=6。不飽和度0

 

(4)Oは何個あっても無視。マックス2×2+2=6。6-4=2で不飽和度1

 

 

約束事の説明はここまで。ここから可能な構造をすべて挙げる方法を解説します。

 

 

 

 

①飽和炭化水素

 

飽和炭化水素の分子式の一般形はCxH2x+2です。

水素数がマックス数になっています。

 

分子式を与えられたら、まず不飽和度を計算して、

不飽和度が0であること、マックスの状態になっていることを確認します。

 

それで、飽和であることを確認できたら、

次にやることは、「主鎖の炭素数で場合分けする」です。

 

例えば、C3H8だと、主鎖はC3以外あり得ません。

C2があり得ないことが分かりますか?

 

したがって可能な構造は

 

CH3-CH2-CH3

 

の1通りです

 

C4H10だと、主鎖はC4とC3の2種があり得ます。

 

C4は直鎖ですから

 

CH3-CH2-CH2-CH3

 

C3は、メチル基CH3-が主鎖C-C-Cのどれかの炭素に結合します。

これを下図のように作図します。

この図は次のような約束で描かれています。

矢印1つが1つの構造を表しています。

このように、片手(CH3-)は結合手が余っているCにつくことができます。

 

両端の炭素に結合してしまうと、

主鎖がC4と同じになってしまうので、候補から外します。

 

したがって、可能な構造の候補は真ん中のCにメチル基が付く構造です。

これでC4H10の可能な構造は、C4が1通り、C3が1通りの2通りだと分かりました。

 

<練習問題>

分子式がC7H16の分子の可能な構造をすべて描け。光学異性体は考えない。

 

<解説>

まず不飽和度の確認。マックスが7×2+2=16ですから飽和ですね。

 

主鎖のC数で場合分けします。

 

C7は直鎖ですね。

 

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

 

C6

矢印の位置にメチル基がつきます。

 

両端につくとC7になってしまうし、

4番目、5番目につくと、対称性から3番目、2番目につく場合と同じ構造になってしまうので、

候補から外してあります。

 

C5は、主鎖に2つのメチル基がつくケースと

主鎖に1つのエチル基がつくケースがあります。

 

2つのメチル基がつくケースから

1つ目のメチル基がつくことができる位置は次の2カ所

それぞれに2つ目のメチル基がつく位置を矢印で表すと

右の図で主鎖の端から2番目のCに矢印がないのは、

2番目のCにメチル基がつく構造は左の図で尽くされているからです。

 

つぎは、エチル基が1つつくケース

1番目につくとC7、2番目につくとC6になってしまうので除外です。

これで、C5は終了です。

 

C4はつぎの構造のみです

C3はありません。

 

合計9通りの構造があることが分かりました。

 

 

不飽和度を求めて、主鎖の炭素数で場合分けする

というのが基本的なやり方です。

 

 

 

 

②飽和炭化水素+α

 

<練習問題>

分子式がC4H9Clで表される分子の可能な構造をすべて描け。ただし、光学異性体は考えない。

 

<解説>

不飽和度からです。マックスは4×2+2=10。

 

Cl-は手が一本ですからH-と同様に考えればいいです

 

よって、手はH-の9本とCl-の1本で10本。飽和ですね。

 

次は主鎖。主鎖はC4とC3

 

C4の炭素骨格は直鎖。

 

C3の炭素骨格はC-C-Cの真ん中のCにCがついたもの。

 

この問題の特徴はClを含むこと。どのCにCl-がつくかで場合分けすればよいです。

矢印の位置にCl-が付いた4通りの構造が答えです。

 

下の2つが同じということに注意です。

 

<練習問題>

分子式がC3H6Cl2で表される分子の可能な構造をすべて描け。光学異性体は考えない。

 

<解説>

マックスが3×2+2=8。手はH-の6本とCl-の2本を足して8本で飽和。

 

主鎖はC3のみ。炭素骨格はC-C-C。

 

3つのCの内の2つにClが付きます。

 

1つ目のClがつくことができる位置は2通りで、2つ目のClを矢印で表すと

この4つの構造が答えです。

 

右の図で、端のCに矢印がついていないのは、

端のCに-Clがつくケースは左の図で尽くされているからです。

 

-Clではなく、

ヒドロキシ基-OHやカルボキシ基-COOHを部分構造として含むことが分かっている場合も

同様に解くことができます。

 

 

 

 

③不飽和炭化水素

 

<練習問題>

分子式がC4H8で表される分子の可能な構造をすべて描け。

 

<解説>

まず不飽和度から。

マックスは4×2+2=10。Hの数は8ですから10-8=2で不飽和度は1です。

よって二重結合1つか環構造1つを含みます

 

二重結合を含む方から。

 

主鎖はC4とC3

 

二重結合になり得る部分を矢印で示すと

この図は次のような約束で描かれています

 

3つの矢印の位置が二重結合になったものが候補です。

キチンと構造式を描くと

シス・トランスを含めて4通りです。

 

次は環を含む構造。可能の環の因数は4か3です。

環構造を含む構造はこの2通りです。

 

合わせて6通りの構造を答えれば正解です。

 

問題によってシス・トランスを区別する場合としない場合があるので確認が必要です。

 

<練習問題>

分子式がC5H10で表される分子の可能な構造の数を求めよ。ただし立体異性体は区別しない。

 

<解説>

不飽和度を求めます。5×2+2=12なので不飽和度1です。二重結合1つか環構造1つ。

 

二重結合の方は、主鎖はC5、C4、C3

 

矢印で二重結合の位置を表すと

一番下の主鎖C3は、

真ん中のCが4本の手すべてをCとの結合に使っているので、

二重結合を形成することができません。

 

よって異性体数は5種。

 

問題文に「立体異性体は区別しない」とあるので、シス・トラは考えません。

 

環構造は環因5、4、3が可能

この5種の構造が可能。

3因環はどれかを漏らしてしまいそうなので注意が必要です。

 

なお、3因環の3番目の構造には不斉炭素があります。

立体異性体は区別しないので、スルーします。

 

合計10種の構造です。

 

 

 

 

④両手の基がある構造

 

<練習問題>

分子式がC3H8Oで表される分子の可能な構造の数を求めよ。

 

<解説>

マックス数が3×2+2=8、

手は、-O-は両手なので無視して、H-の8本。

不飽和度は0、飽和です。

したがって結合はすべて単結合。

 

炭素骨格は飽和のC3です。C-C-Cですね。

 

この炭素骨格に両手の基-O-が割り込みます。

 

-O-は両手があるので単結合の部分に割り込むことができます。

炭素骨格C-C-Cに対して割り込み可能な位置は

この3カ所です。

このように、両手のものは結合手に向けて矢印を描きます。

片手のものはCに向けて矢印でした。区別してください。

 

<練習問題>

分子式がC4H8O2の分子Aはエステル構造をもつ。この分子Aの可能な構造をすべて挙げよ。

 

<解説>

まず、分かっている部分構造、エステル構造-COO-をくくり出します

 

C3H8(-COO-)

 

くくり出して残った部分の不飽和度を考えます。

 

-COO-は両手があるので、-O-と同様に不飽和度の計算において無視できます。

よって、Cが3でマックス数8、手がHの8本ですから、飽和です。

 

炭素骨格の単結合の位置に両手-COO-を割り込ませるのですが、

-COO-は-O-と違って、向きがあります。

 

そこで工夫をします。

このような三角形を用いて向きを表現します。

この三角形を「くさび」と呼ぶことにしましょう。

まだ、何を言っているかよく分からないと思うので、実際に使ってみます。

 

炭素骨格C-C-Cにくさびを割り込ませます。

くさびの先端がHになるものはカルボン酸になってしまって、

条件に合わないので除外してあります。

 

この4通りのくさびを、向きを考慮して-COO-に置き換えたものが正解です。

 

<練習問題>

分子式がC3H6Oの分子について可能な構造はいくつあるか。ただし環構造は考えなくてよい。

 

<解説>

マックス数3×2+2=8、手は、Oは無視して、H-の6本。不飽和度は1です。

よって二重結合が1つあります。

 

二重結合はC=CとC=Oの2通り可能です

 

まずC=Cから。

 

C3不飽和度1の炭素骨格はC=C-Cです。この骨格の単結合の位置に両手-O-を割り込ませます。

一番左の矢印の構造はシス・トランスがあるので、5種です。

 

次はC=O。これは

このように両手の構造と考えます。

 

この構造をくくり出すと

 

C2H6(CO)

 

残りのC2は、マックス数が6、

手は、-(C=O)-は両手なので無視して、H-が6本で飽和。

 

C2飽和の炭素骨格に両手-(C=O)-を割り込ませることを考えて

この2種です。

合計7種ですね。

 

(ちなみに、C=CのCに直接-OHが結合している構造は

不安定で別の構造に変化します。

この問題は構造の可能性のみを考える問題です。

したがって、不安定な構造も解答に含めました。

不安定な構造は考えない、という問題も考えられます)

 

 

 

 

⑤ベンゼン環を含む構造

 

<練習問題>

分子式がC8H9Clの芳香族化合物の可能な構造は何種類あるか。光学異性体は区別しない。

 

<解説>

まず、ベンゼン環をくくり出します。

 

(C6H6)C2H3Cl

 

次に、残りのC2の部分の不飽和度を考えます。

 

手の本数を数える際に、C6H6だと手が閉じてしまっているので、

便宜的にC6H5-とH-に切断します。

 

この2本とHが3本、Clが1本で、手は6本。

Cが2つでマックス数6なので飽和。

 

ベンゼン環に飽和の置換基が結合していることが分かりました。

 

ベンゼンの置換体の問題は置換基の数で場合分けするとよいです

 

この問題で

ベンゼン環以外の部分はCが2つでClが1つですから、

最高3置換まで可能です。

 

1置換、2置換、3置換に場合分けしましょう

 

1置換

置換基は

 

-CH2-CH2-Clと

-CHCl-CH3の2通り。

 

1置換は結合の仕方は1種なので計2通り。

 

2置換

置換基は

 

-Clと-C2H5

-CH2Clと-CH3

 

の2通りの組み合わせ

 

そして、

2置換体は必ずオルト、メタ、パラの3通りの異性体です

それ以下でも以上でもありません。

必ず3通りです。

2置換基が同じモノでも異なるモノでも3通りです。

置換基の組が2通りで、それぞれオルト・メタ・パラの3種なので、計6通りです。

 

3置換

置換基は-CH3が2つ、-Clが1つです。

 

次のように考えます。

 

まず2つの-CH3をオルト・メタ・パラに振り分けます。

そこで、対称性に気を配りながら残りの-Clを置いていきます。

図の矢印の位置にClを置きます。6通りですね。

 

ところで、上図で対称軸が縦になるように作図しました。

これを縦にならないように作図すると・・・

この2つの図は同じものですが、

なんとなく、右の図は対称関係が見づらいような気がしませんか。

 

左のように描くとはっきり対称だと分かります。

これは自然界で重力が縦にはたらいていて、

普段、対称軸が縦の構造のものをよく見かけるせいだと思います。

 

というわけで、対称軸が縦になるように作図した方が見やすいです。

 

答えは、2+6+6=14通りです。

 

次に、ベンゼンの置換基3つが同じ基の場合。例えばC6H3Cl3など

2つをオルト・メタ・パラに振り分けて、残りの1個を置きます。

しかし、2つの置換基が並ぶオルトの構造は一番左のケースで尽くしているので、

2番目、3番目からオルトの関係になっている構造を除きます。

つまり、同じ3置換基のベンゼン置換体は3通りです。

 

最後に置換基が3つで3つとも異なる場合。C6H3(OH)(CH3)(Cl)など

10通りです。

 

ベンゼンの3置換体は、

2つの置換基をオルト、メタ、パラに場合分けして、

残りの1置換基の可能なケースを考えればよいわけです。

 

 

 

 

⑥窒素を含む有機化合物

 

まず、窒素を含む場合の不飽和度について。

 

窒素は手が3本ですから

このように、窒素原子が1つ増えるごとに手は1本増えていきます。

 

したがって、CxHyNzOwのマックス数は2x+z+2です

このマックスからHが2個少なければ、不飽和度1です。

 

ですが、正直、

窒素を含む分子式から構造を決める問題は出題頻度が低く、

出題されても、アミノ基、ニトロ基、アミドがほとんどです。

 

したがって、下記の構造を覚えておけばほぼ対応できます。

 

 

 

 

まとめ

 不飽和度を求める

 炭素骨格を考える(主鎖のC数で場合分けし、二重結合を考慮に入れる)

 片手の基、両手の基を意識して構造を決める

 -COO-はくさびを使う

 ベンゼンの置換体は置換基の数で場合分け

 

 

 

 

以上、分子式から構造を決める問題を考えてきましたが、

入試において、

分子式のみから可能な構造を網羅的に挙げよという問題は比較的少ないです。

 

たいてい、分子式といくつかの条件から構造を決めよ、というケースです。

 

○○の分子式で、

 

銀鏡反応を示すとか、

塩化鉄(Ⅲ)水溶液が紫に呈色したとか、

 

の条件から未知の構造を決める、というものです。

 

その手の問題でも今回学んだことは役に立ちます。

 

未知の有機化合物の構造決定については、

元の化学の教材紹介ページにお戻りください。

 

化学の教材『未知の有機化合物の構造決定』の紹介ページに戻る

 

姉妹編の紹介

 

物理の教材『エネルギー・仕事と運動量』の紹介ページ(無料プレゼントあり!)

あなたはなんとなくエネルギー保存の法則を使ってませんか?

 

勉強法の教材『イナバ式勉強法「自分ルールをつくろう!」』の紹介ページ(無料プレゼントあり!)

勉強って教えられたことを教えられた通りにすることだ!?と思ってませんか?

 

 

 

 

 

著者プロフィール

 

大阪の家庭教師 稲葉康裕

 

大阪近辺で高校物理、高校化学の家庭教師を行っています。

的確な指導で好評を博しています。

 

学習参考書

『高校物理発想法』

『東大物理攻略法』

を出版しました。

発想法・思考法に重点を置いた、

今までにない画期的な参考書です。

 

アマゾンランキング1位獲得!!

 

京都大学理学部卒

Copyright (C) 2018 大阪の家庭教師 稲葉康裕 All Rights Reserved.

 

 

 

 

Copyright (C) 2018 大阪の家庭教師 稲葉康裕 All Rights Reserved.

 

 

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です