有機化学I第１回

以下の質問は、「Ｑ＆Ａ」に回答があります。

（質問）（化学を専門としないのに）有機化学を学ぶことの意義は何か？
（質問）イオン性物質と分子性物質の区別の仕方は？
（コメント）詳しくは、上の「過去の回答例」のページの冒頭の説明をご覧下さい。
　同様の組み合わせであっても、「酸化～」で始まる名前を持つ物質の中には、イオン性物質ではなく無機高分子に分類されるものもあります。

（質問）レシチン（リン脂質を含む脂質製品の総称）は分類できますか。
（質問）着色料はどの分類になりますか？
(質問)「無水ケイ酸」は物質名か？（無機化学命名法）
（質問）有機物の定義は？
　（コメント）Ｑ＆Ａのページのほか、テキストの第１章にも説明があります。
（質問）分子性物質と高分子物質の違いは？
（質問）「有機化学Ｉ」では生物体に関する物質や反応について学ぶことはできますか。
（質問）「果糖」を「フルクトース」と呼ぶときがあるが、これはどうしてか。
（質問）有機物の名前からおおよその機能を推測することはできるか。
（質問）演習課題第２回（３）について、「元素組成から分子式を区別する」とはどういうことか。
（質問）結合の極性の有無はどのように判断すればいいのか。
（質問）形式電荷を求めることにより何がわかるのか。
（質問）オクテット則とは何か？

(1) エタンニトリル（アセトニトリル）、(2) 炭酸イオン、(3) オゾン、(4)プロパノン（アセトン）、(5)メチルアンモニウムイオン、(6) メタンスルホニルメタン*またはジメチルスルホン（メチルスルホニルメタン）
　*IUPACの2013年勧告で推奨名になった。

４．(a) 化学種がもつ電荷：+1、　(b)，化学種がもつ電荷：0、
(c) 化学種がもつ電荷：－1 、　(d) 化学種がもつ電荷：－1、　
(e) 化学種がもつ電荷：0、　 (f) 化学種がもつ電荷：－1

電荷や酸化数には、正の場合にも必ず符号（＋）を付けて下さい。

５．(1) Na⁺　　(2) S^2-　　(3) Mg²⁺　　(4) Ne

６． (1) エネルギー準位：原子番号が大きいほど低くなる。
　　原子核からの平均距離：原子番号が大きいほど小さくなる。
　　理由：（例）原子番号が大きいほど、原子核のもつ正電荷が大きくなるため、電子に働くクーロン引力は大きくなる。このため、位置エネルギーは小さくなる。また、電子は原子核に強く引きつけられるので、原子核からの（平均）距離は小さくなる。

(2) エネルギー準位：（例）低いほうから、s < p < d < f...の順に高くなる。
　　理由：（例）各軌道に入っている電子は、より内側にある電子による遮蔽（しゃへい）効果を受ける。このため、原子核から離れている電子ほど原子核の正電荷から及ぼされるクーロン引力は小さくなる。同じ主量子数の原子軌道では、原子核からの平均距離が、小さいほうから s< p < d < f...の順に大きくなっている。このため、遮蔽効果も同じ順序で大きく受けようになるので、この順序でエネルギー準位が高くなる。

7．(1) （例）くさび形：紙面（画面）から手前向きに伸びる。
　　　　　　　点線：紙面（画面）から向こう（奥）向きに伸びる。

　　丸善HGS模型
　(2) 左が(a)、右が(b)。写真をクリックすると拡大して見れます。
　　（写真の(b)のＣ原子の上下にある穴にＨ原子との結合をつけてしまうと間違った結果になるので注意すること）
　(a) ∠HCH = 約110°、∠HCO = 約125°
　(b) ∠HCH = 約120°、∠HCO = 約120°
　(b)のほうが実際の角度に近い。

　　モルタロウ使用者
　　　　(2) 上の(b)に似た形になる。
　　　　　　∠HCH = 約120°、∠HCO = 約120°

　　Winmostar を使用する場合は「結合角を変更する」機能で確認できます。
　　　　(2) ∠HCH = 約120°、∠HCO = 約120°

８． 考え方：(1) C3H8の分子量：C3: 12.01×3＝36.03　　H8: 1.01×8＝8.08
　　　　　　　　　　　　　　　　36.03＋8.08＝44.11
　　　　　　　　C: (36.03/44,11)×100＝81.7
　　　　　　　　H: (8.08/44,11)×100＝18.3
　　(1) C: 81.7%, H: 18.3%　(2) C: 82.7%, H: 17.3%　
　　(3) C: 85.6%, H: 14.4%　(4) C: 85.6%, H: 14.4%
　　（プラスマイナス0.5%は許容）

8-2（解答例）
　　　(1)と(2)（飽和炭化水素の炭素数の違い）は区別できる。
　　　(1)と(3)、(2)と(4)（飽和炭化水素か不飽和炭化水素か）は区別できる。
　　　(3)と(4)（不飽和炭化水素の炭素数の違い）は区別できない。
　　　炭素数が大きくなると、いずれも区別が困難になりそうだ。

　後半の問題は、大学・企業での研究・開発・その他の仕事や社会生活でしばしば遭遇する「正解がいくつかある問題」の典型である。問題文は複数の視点から捉えることができる。自分の視点を明確にして問題文と計算結果を検討し、論理的に考察すれば、何らかの答えに到達するはずである。以上の過程が重要であり、視点を示さずに単に回答したのでは、正解とは言えない。また、複数の可能性があって明確な結論が得られないときは、可能性を列挙した上で「何とも言えない」と回答すればよい。これは「わからない（思考の放棄）」とはまったく異なる。
　少なくとも高校～大学入試までは、このような問題にぶつかった経験はあまりないのが普通である。しかし、上のような事情を考えると、このような問題に対応する経験を、大学生の間に何度か経て慣れておくことはとても重要なことである。無回答または視点を意識せず機械的に回答した諸君は、改めて「自分の」回答を考えるとよい。

注意：Ｅ、Ｚ異性体を

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Ｈ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ｜
　　　ＣＨ3Ｃ＝ＣＣＨ2ＣＨ3　と　ＣＨ3Ｃ＝ＣＣＨ2ＣＨ3
　　　　　 ｜　｜　　　　　　　　　　｜
　　　　　 Ｈ　Ｈ　　　　　　　　　　Ｈ

のように描いて区別しようとしている回答がいくつかあるが、これらはどちらも

　　　ＣＨ3ＣＨ＝ＣＨＣＨ2ＣＨ3　

と同じであり、区別したことにならない。必ず上の解答例のように斜めの結合（棒）を
用いて描くこと。

共役二重結合は、長く伸びていても一組である点に注意すること。

５．

<--ここは範囲外

７．2,4-ペンタジエニルカチオン（陽イオン）：CH2=CH-CH=CH-CH2⁺
　　2,4-ペンタジエニルアニオン（陰イオン）：CH2=CH-CH=CH-CH2^-

５章　官能基とその性質

１．(1) 無極性分子　　(2) 極性分子　　(4) 無極性分子
（注意）(3) はイオン性物質なので、この分類にはあてはまらない（第２章２．参照）

２．(1) （例）( a) 左上　(b) 右上　(c) 左下　(d) 右下

３．(1) (a) 第一級アミン　　(c) 第二級アミン　
(e) 第四級アンモニウム塩　　(f) 第三級アミン
(b) 第二級アルコール　　(d) 第一級アルコール　　(g) 第三級アルコール
(2) (f) （(e) も水素結合はできないが、分子性物質ではないので考慮しない）

-->

質問： 「非結合性軌道 nonbonding orbital」とは何か。「反結合性軌道 antibonding orbital」とはどう違うか。
A: Q&Aのページに解答が掲載されています。

質問：命名法の表3の接頭語にしかなれない官能基には、なぜ優先順位がないのですか？　　Good Question!
A:名前を付ける際に優先順位をつける必要がないからです。規則では、接頭語にしかなれない置換基は、名前を付けるときに基名のアルファベット順に並べるためです。

質問：σMOへの寄与が大きいとはどういうことか。（内容は物理化学）
A: σMOはAOを組み合わせて作られる（２章〜３章）。組み合わせるときに，σMOとのエネルギー差の小さいAOのほうが，σMOの電子雲の形に大きく影響を与えるので「寄与が大きい」という。πMOでも同じ。

質問：可能な水素結合の数を化学式から判断することはできますか。また、判断するのに必要なものはありますか。　　Good Question!
A: 分子式では判断できません。構造式なら判断できます。
　水素結合の供与体（D）であるHの数と受容体（A）である非共有電子対の数が必要です。

-->

４．（*は「有機化学命名法IUPAC勧告2013（2013勧告）」に基づく推奨名（PIN，Preferred IUPAC Name）。以下同じ。現在、日本化学会は、「従来の1979規則、1993規則、および2013勧告のいずれに従ってもよい」としている。）
　　(a) 2-プロパンアミン（イソプロピルアミン）、*プロパン-2-アミン
　　(b) 2-プロパノール、*プロパン-2-オール
　　(c) N-メチルイソペンチルアミン（N-メチル-3-メチルブチルアミン、N-メチル-3-メチルブタンアミン）、*N,3-ジメチルブタン-1-アミン
　　(d) 2-メチル-1-プロパノール、*2-メチルプロパン-1-オール
　　(e) 塩化テトラエチルアンモニウム（tetraethylammonium chloride）、*塩化N,N,N-トリエチルエタンアンモニウム　
　　(f) N,N-ジメチルアニリン、*（同じ）
　　(g) 2-フェニル-2-プロパノール、*2-フェニルプロパン-2-オール

(a) で「2-プロピルアミン」は誤り。(CH3)2CH-は「1-メチルエチル基」（慣用名は「イソプロピル基」）であり、「2-プロピル基」ではないから。
(b) で「2-プロピルアルコール」「イソプロパノール」は誤り。前者は(a)と同じ理由から。後者は、「イソプロパン」という炭化水素がないから（命名法の誤用）。「イソプロピルアルコール」は慣用名としては正しいが、IUPACは使用を推奨していない。

５．(1)(2)

６．（ポイント）水素結合による会合に言及すること。

７．(1) -1 × 　(2) 1 　(3) 1.5　 (4) 5 　(5) -0.5 × 　(6) -1 ×

　ただし、アンモニウム塩などのような配位化合物の場合には、IHD が負になる
ことがある。上の場合には次のような例がある。

(1) CH3O⁺H－CH2CH2CH2O⁺H－CH3　 (5) C6H13-NH3⁺

これを答えても正解になる。
　「構造異性体のまとめ」で説明したように、各化学式と合う構造は多数存在す
る。ここではそのうち一つを答えればいい。解答例はこのファイルの２．を参照。

８．(1) 酸素の質量比（パーセント）を求める。
　　　　　　　O: 100-(42.87+2.40+16.66) = 38.07

得られた質量比と原子量（相対質量）とから原子数の比（原子のモル比）を求める。

C: 42.87/12.01 = 3.57
H: 2.40/1.008 = 2.38
N: 16.66/14.01 = 1.19
O: 38.07/16.00 = 2.38

原子数の比を簡単な整数比にするために、まず最も小さなものを１と仮定する。

C: 3.57/1.19 = 3
H: 2.38/1.19 = 2
N: 1
O: 2.38/1.19 = 2

　C3H2NO2

もし整数からかけ離れた数字が現れた場合には、それが整数に近づくようにすべてを整数倍する。

(2) 分子式は(C₃H₂NO₂)_n となるはず
組成式の式量は12.01×3+1.008×2+14.01+16.00×2 = 84.06
分子量が160～170なので、84.06× n ≒ 160～170。
n = 2のとき 84.06× 2 = 168.12 が条件に合う。分子式は(C₃H₂NO₂)₂ = C₆H₄N₂O₄

(3) 分子式よりIHD = 6。ベンゼン環はIHD = 4、ニトロ基（-NO₂）はIHD = 1に対応する。考えられる構造はジニトロベンゼンの位置異性体（o-、m-、p-）。構造式は このファイルの４．を参照。

質問　授業資料中の図.炭素数および水素結合と沸点のRHが、炭素数1~5の範囲で他と比べて沸点の上がり方が急なのはなぜか。Good point!
　A：　気体分子運動論（高校物理・化学）によると，同じ温度では分子の平均運動速度（v_av）は分子の質量（m）の1/2乗に反比例します（v_av ∝ √(1/m) = m^-0.5）。分子質量（m）は概ね炭素数と共に直線的に大きくなります。一方，直鎖の炭化水素基では，分子間力は炭素数と共にほぼ直線的に大きくなります。これらのことが沸点に影響を与えている可能性があります。炭化水素（RH）以外の場合には、官能基の存在により分子間力が大きくなるために、炭素数の違いによる上のような効果が緩和され、炭素数に対する沸点の変化が小さくなると考えられます。

質問　水以外の溶液中やイオン液体の中の酸解離定数も同じ定義ですか。Important!
　回答：同じです（大きさは異なる）。化学Ａで学んだように，Brφnsted（ブレンステッド）の酸・塩基の考え方は，水以外の溶媒中でも成り立ちます。

質問　構造異性体の書き方のコツはありますか？　Good Question!
　Ａ： 飽和炭化水素を例として記します。まず炭素数から考えられる母核（命名法のときと同じ。直鎖・環）の種類をできるだけ見つけます。そして，各母核について，側鎖（枝分かれ）の位置と種類が異なる構造をできるだけ描きます。最後に，同じ構造が重複していないか検討します。迷ったときは，命名法規則に従って命名します。同じ名前になるものは（当然）同じ構造です（BIOVIA Drawで描いていると容易にチェックできます）。有機化学のページのＱ＆Ａの「結合と構造」(6)もご覧下さい。

-->

９．(1) (c) < (a) < (b) 　(2) (c) < (b) < (a)

１０．(1) (a) < (b) < (c) (2) (c) < (b) < (a)

　

１１．下図の11 を参照。

１２．下図の12 を参照。

　　　　　

　重要：酸性（塩基性）の強さを比較するときは、共役塩基（塩基）の非共有電子対の非局在化の程度を比較する。非局在化しているほど塩基性は弱い（共役酸の酸性は強い）。言葉だけで違いを説明することは難しいので、化学式を示しながら説明するのがよい。

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第6章　質問への回答
Q. 配座異性体間の変化（結合の回転、シクロヘキサンの環反転など）を起こすためのエネルギーはどこから得られるのか。
A. 良い質問です。結合の回転が起こるためには、十分な運動エネルギーが分子の一部に与えられる必要があります。これにはいくつかの可能性が考えられます。
　一つは、分子のもつ内部エネルギーからです。これは分子内のいろいろな運動エネルギーの総和であり、エネルギーは相互変換できますので、時間と共に運動の様子は変わっています。
　もう一つは、外部から分子に与えられるエネルギーです。たとえば、他の分子との衝突により得られるエネルギーが考えられます。液体中や気体中では、分子はたえず他の分子と衝突しており、そのたびに互いにエネルギーをやり取りして、各分子のもつ内部エネルギーは変化しています。
（以下は「物理化学」の内容）
　分子のもつ運動には、並進運動（いわゆる分子運動）および分子全体としての回転運動のように分子の形の変化を伴わない運動と、分子内の各結合の振動（伸縮・変角）・回転およびシクロヘキサンのイス形の環反転や窒素の非共有電子対の反転のように分子の形の変化を伴う運動とがあります。単原子分子では並進運動だけを考えれば良いですが、原子数が増えて分子の構造が複雑になるにつれて、多種多様な運動が同時に起こっています。

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　1-ethyl-2-methylcyclohexane などでも事情は同じ。

　しかし、cis-1,2-dimethylcyclohexane では事情が異なる。

（７章）

７章　立体化学：立体配置と立体異性体（１）

８．(2) (a) 下の(4)　　(b) 下の(5)

(3) 鏡像の関係ではない（ジアステレオ異性体）。

９．下のいずれか。

10．(1) +25.2°　　(2) -5.04°　　

11.