有機化学 / 炭化水素
アルカン
要点整理
アルカンの一般式と構造
炭素原子間の結合がすべて単結合でできている、鎖式の飽和炭化水素をアルカンといいます。アルカンの分子式は、炭素原子の数を $n$ として、次の一般式で表されます。
$\mathrm{C_nH_{2n+2}}$
もっとも簡単なアルカンはメタン $\ce{CH4}$($n=1$)で、炭素数が1つ増えるごとに水素原子が2つ増えていきます。炭素数の少ないものから順に並べると、次のようになります。
| 炭素数 $n$ | 分子式 | 名称 |
|---|---|---|
| 1 | $\ce{CH4}$ | メタン |
| 2 | $\ce{C2H6}$ | エタン |
| 3 | $\ce{C3H8}$ | プロパン |
| 4 | $\ce{C4H10}$ | ブタン |
| 5 | $\ce{C5H12}$ | ペンタン |
| 6 | $\ce{C6H14}$ | ヘキサン |
| 7 | $\ce{C7H16}$ | ヘプタン |
| 8 | $\ce{C8H18}$ | オクタン |
炭素原子間がすべて単結合(σ結合)であるアルカンは、他の炭化水素に比べて反応性に乏しく、常温では酸・塩基・酸化剤などとほとんど反応しません。これは、単結合には反応の足がかりになりやすい「余った電子(π電子)」がなく、結合が安定しているためです。ただし、燃焼反応や、後述する置換反応は起こります。
アルカンの命名法
枝分かれのあるアルカンに名前をつけるときは、次の手順で行います。
- 分子の中でもっとも長く連続した炭素鎖(主鎖)を見つけ、その炭素数からアルカンの基本名を決める。
- 主鎖の炭素に、置換基(枝分かれ部分)にできるだけ小さい番号がつくように、端から順番をつける。
- 置換基の名前(メチル基 $\ce{-CH3}$、エチル基 $\ce{-C2H5}$ など)と位置番号を、主鎖の名前の前につける。同じ置換基が複数あるときは、ジ・トリなどをつけて数を示す。
例えば、$\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH3}$ という構造は、主鎖が4個の炭素からなる「ブタン」で、2番目の炭素にメチル基が1つ結合しているので、2-メチルブタンと名づけられます。また、$\ce{(CH3)3C-CH3}$(中心の炭素にメチル基が3つ結合)は、主鎖3個の「プロパン」の2番目の炭素にメチル基が2つ結合しているので、2,2-ジメチルプロパンとなります。
アルカンの反応:置換反応
アルカンは安定な物質ですが、光(紫外線)を当てながら塩素 $\ce{Cl2}$ などのハロゲンを反応させると、アルカン中の水素原子がハロゲン原子に置き換わる置換反応が起こります。
$\ce{CH4 + Cl2 ->[光] CH3Cl + HCl}$
この反応では、メタンの水素原子1個が塩素原子に置き換わり、クロロメタン $\ce{CH3Cl}$ と塩化水素 $\ce{HCl}$ が生じます。反応条件によっては、さらに水素原子が置き換わり、$\ce{CH2Cl2}$、$\ce{CHCl3}$、$\ce{CCl4}$ まで置換が進むこともあります。このように、分子中の原子が別の原子に「置き換わる」反応を置換反応と呼び、二重結合・三重結合に原子が「付け加わる」付加反応(次の単元で学びます)とは区別して覚えておきましょう。
構造異性体の数え方
炭素数が増えるほど、枝分かれの仕方のパターンが増え、アルカンの構造異性体の数も急激に増加します。
| 炭素数 $n$ | 分子式 | 構造異性体の数 |
|---|---|---|
| 1〜3 | $\ce{CH4}$〜$\ce{C3H8}$ | 1種類のみ |
| 4 | $\ce{C4H10}$ | 2種類 |
| 5 | $\ce{C5H12}$ | 3種類 |
| 6 | $\ce{C6H14}$ | 5種類 |
| 7 | $\ce{C7H16}$ | 9種類 |
構造異性体を数え上げるときは、次の手順で進めると、重複や見落としを防ぎやすくなります。
- まず、枝分かれのない直鎖の構造(n-体)を1つ書く。
- 主鎖の炭素数を1つ短くし、余った炭素をメチル基として主鎖に結合させる。このとき、主鎖の対称性を考えて、重複しない位置(主鎖の中央から見て片側だけ)にメチル基をつける。
- さらに主鎖を短くしながら、メチル基を2つつける場合、エチル基を1つつける場合など、考えられる枝分かれのパターンをすべて試す。
- 描いた構造について、あらためて「もっとも長い炭素鎖はどこか」を数え直し、最初に想定した主鎖と違う主鎖が実は存在しないか(=別の構造と同じものを重複して数えていないか)を確認する。
例えばペンタン $\ce{C5H12}$($n=5$)では、次の3種類が構造異性体のすべてです。
- n-ペンタン:$\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH3}$(直鎖)
- 2-メチルブタン:$\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH3}$(主鎖4個+メチル基1個)
- 2,2-ジメチルプロパン:$\ce{(CH3)3C-CH3}$(主鎖3個+メチル基2個、中心の炭素に着目すると対称性が高い構造)
炭素数が増えるほど、「同じ構造を違う名前で二重に数えてしまう」ミスが起こりやすくなるので、慣れないうちは実際に構造式を紙に書き出して確認する習慣をつけましょう。
例題
例題1(基本)
問題
構造式 $\ce{CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3}$ で表される化合物の名称を答えよ。
解答・解説を見る
まず、もっとも長く連続した炭素鎖(主鎖)を数えます。この構造では、左から右まで炭素が5個連続してつながっているので、主鎖はペンタン(炭素数5)です。
主鎖に、左右どちらから番号をつけても、メチル基は真ん中の炭素につくので位置番号は3番になります($\ce{CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3}$ の左から3番目の炭素)。したがって、置換基はメチル基が3番の位置に1個。
答え:3-メチルペンタン
例題2(標準)
問題
分子式 $\ce{C4H10}$ で表されるアルカンの構造異性体をすべて構造式で書き、それぞれの名称を答えよ。
解答・解説を見る
$n=4$ のアルカンなので、まず直鎖の構造を考え、次に枝分かれの構造を考えます。
直鎖(4個の炭素がすべて主鎖)
$\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$
これが**ブタン(n-ブタン)**です。
枝分かれ(主鎖3個+メチル基1個)
炭素をあと1個、主鎖からの枝(メチル基)として結合させます。3個の炭素からなる主鎖(プロパン)の中央の炭素にメチル基をつけると、
$\ce{CH3-CH(CH3)-CH3}$
これが**2-メチルプロパン(イソブタン)**です。中央以外の炭素(端の炭素)にメチル基をつけようとすると、実は主鎖が4個つながった構造(=先ほどのブタン)と同じものになってしまうため、新しい構造にはなりません。
答え:$\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$(ブタン)、$\ce{CH3-CH(CH3)-CH3}$(2-メチルプロパン)の2種類
例題3(応用)
問題
プロパン $\ce{C3H8}$ を完全燃焼させたところ、二酸化炭素と水が生じた。この反応の化学反応式を書け。また、プロパン $2.2\ \mathrm{g}$(モル質量 $44\ \mathrm{g/mol}$)を完全燃焼させるのに必要な酸素の物質量を求めよ。
解答・解説を見る
化学反応式
プロパンの炭素原子はすべて二酸化炭素に、水素原子はすべて水になります。炭素原子3個から $\ce{CO2}$ 3分子、水素原子8個から $\ce{H2O}$ 4分子ができるので、まず係数をあわせずに書き、酸素原子の数をそろえます。
$\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$
酸素原子の数を確認すると、右辺は $3\times 2+4\times 1=10$ 個、左辺は $5\times 2=10$ 個で一致しています。
必要な酸素の物質量
プロパンの物質量は、
$n(\ce{C3H8}) = \frac{2.2}{44} = 0.05\ \mathrm{mol}$
反応式の係数比 $\ce{C3H8}:\ce{O2}=1:5$ より、
$n(\ce{O2}) = 0.05\times 5 = 0.25\ \mathrm{mol}$
答え:化学反応式 $\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$、必要な酸素の物質量 $0.25\ \mathrm{mol}$
練習問題
問題
分子式 $\ce{C6H14}$ で表されるアルカンの構造異性体は何種類あるか。
答え
5種類(n-ヘキサン、2-メチルペンタン、3-メチルペンタン、2,2-ジメチルブタン、2,3-ジメチルブタン)