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化学において、化合物の構造異性体（IUPAC命名法[1] では構成異性体）とは、分子内の各元素の原子の数は同じであるが、それらの間の結合が論理的に異なる化合物のことである。[2] [3]メタマーという用語は、以前は同じ概念に使用されていました。[4]
たとえば、ブタノール H 3 C−(CH 2 ) 3 −OH、メチルプロピルエーテル H 3 C−(CH 2 ) 2 −O−CH 3、およびジエチルエーテル(H 3 CCH 2 −) 2 Oは、同じ分子式C 4 H 10 Oを持ちますが、3 つの異なる構造異性体です。
この概念は、同じ総電荷を持つ多原子イオンにも適用されます。古典的な例は、シアン酸イオンO=C=N −と雷酸イオンC − ≡N + −O −です。また、イオン化合物にも拡張され、（例えば）シアン酸アンモニウム[NH 4 ] + [O=C=N] −と尿素（H 2 N−）2 C=Oは構造異性体とみなされ、[4]メチルアンモニウムホルマート[H 3 C−NH 3 ] + [HCO 2 ] −と酢酸アンモニウム[NH 4 ] + [H 3 C−CO 2 ] −も同様に構造異性体とみなされます。
構造異性は最も根本的な異性体の一種である。これは、原子と結合スキームは同じだが、原子の相対的な空間配置のみが異なる立体異性体とは対照的である。 [5] [6]後者の例としては、分子が互いに鏡像であるエナンチオマーや、 2-ブテンのシス型とトランス型がある。
構造異性体には、骨格異性体、位置異性体（またはレジオ異性体）、機能異性体、互変異性体[7]、構造同位体[8]など、いくつかのクラスに分類できます。
骨格異性体
化合物の骨格異性体とは、分子の「骨格」を構成すると考えられる原子と結合が異なる構造異性体です。アルカンなどの有機化合物の場合、これは通常、炭素原子とそれらの間の結合を意味します。
例えば、ペンタンには3つの骨格異性体、n-ペンタン（単に「ペンタン」と呼ばれることが多い）、イソペンタン（2-メチルブタン）、ネオペンタン（ジメチルプロパン）がある。[9]
上記の例のように、骨格が非環式である場合は、連鎖異性体という用語を使用することができます 。
位置異性（レジオ異性）
位置異性体（位置異性体またはレジオ異性体とも呼ばれる）は、同じ「親」構造上の官能基、置換基、またはその他の特徴の位置のみが異なるとみなされる構造異性体である。 [10]
例えば、n-ペンタン親分子の12 個の水素原子 (-H) のうちの 1 つをヒドロキシル基 (-OH) に置き換えると、3 つの異なる位置異性体が得られます。
位置異性体の別の例としては、 α-リノレン酸とγ-リノレン酸があります。これらは両方ともオクタデカトリエン酸で、それぞれ3つの二重結合を持ちますが、鎖に沿った位置が異なります。
機能異性
官能異性体は異なる官能基を持つ構造異性体であり、その結果、化学的および物理的性質が大きく異なります。[11]
一例として、プロパナールH 3 C–CH 2 –C(=O)-H とアセトンH 3 C–C(=O)–CH 3 のペアが挙げられます。前者は –C(=O)H 官能基を持ち、アルデヒドになります。一方、後者は C–C(=O)–C 基を持ち、ケトンになります。
もう 1 つの例は、エタノールH 3 C–CH 2 –OH (アルコール) とジメチルエーテルH 3 C–O–CH 2 H (エーテル) のペアです。対照的に、1-プロパノールと2-プロパノールは構造異性体ですが、機能異性体ではありません。これは、同じ重要な官能基 (ヒドロキシル–OH) を持ち、両方ともアルコールであるためです。
化学的な違いに加え、官能性異性体は典型的には非常に異なる赤外線スペクトルを持っています。赤外線スペクトルは主に分子の振動モードによって決まり、ヒドロキシルやエステルなどの官能基は振動モードが非常に異なります。したがって、1-プロパノールと2-プロパノールはヒドロキシル基があるために比較的類似した赤外線スペクトルを持ちますが、これはメチルエチルエーテルのものとはかなり異なります。[要出典]
構造同位体
化学では、通常、同じ元素の同位体間の区別は無視されます。ただし、状況によっては (たとえば、ラマン分光法、NMR 法、マイクロ波分光法)、同じ元素の異なる同位体を異なる元素として扱う場合があります。後者の場合、各同位体の原子数は同じだが結合スキームが異なる 2 つの分子は、構造同位体異性体と呼ばれます。
したがって、たとえば、最初の解釈ではエチレンには構造異性体は存在しませんが、2 つの水素原子 ( 1 H) を重水素原子 ( 2 H) に置き換えると、両方の炭素原子が同じ同位体であれば、2 つの構造同位体 (1,1-ジデューテロエテンと 1,2-ジデューテロエテン) のいずれかが生成されます。さらに、2 つの炭素が異なる同位体 (たとえば、12 C と13 C) である場合、1- 13 C-1,1-ジデューテロエテンは 1- 13 C-2,2-ジデューテロエテンとは異なるため、3 つの異なる構造同位体が存在することになります。また、どちらの場合も、1,2-ジデューテロ構造同位体は、シスとトランスの2 つの立体同位体として存在します。
構造の等価性と対称性
構造的等価性
2つの分子（多原子イオンを含む）AとBは、Aの各原子が同じ元素のBの原子と1対1で対になり、Aのすべての結合に対して、対応する原子間に同じタイプのBの結合が存在する場合、同じ構造を持ちます。逆もまた同様です。[ 3]この要件は、ベンゼン分子やその他の芳香族化合物の 非局在化結合など、3つ以上の原子が関与する複雑な結合にも適用されます。
状況によっては、各原子が同じ元素の原子だけでなく、同じ同位体の原子とペアになっていることが必要になる場合があります。
2 つの分子が同じ分子式を持ちながら同じ構造を持っていない場合、それらの分子は構造異性体 (または、同位体が重要な場合は構造同位体) であると言えます。
構造の対称性と等価な原子
分子の構造的対称性は、少なくとも2つの原子を交換するが分子の構造は変化しない原子の順列として数学的に定義できます。2つの原子は、一方が他方に向かう構造的対称性がある場合、構造的に同等であると言えます。 [12]
したがって、たとえば、メタンの 4 つの水素原子はすべて構造的に同等です。なぜなら、それらのどのような順列でも分子のすべての結合が保持されるからです。
同様に、エタン（C
2H
6) は、2 つの炭素と同様、構造的に互いに同等です。なぜなら、2 つの原子だけを交換する順列、または 2 つの炭素と、一方のメチル基の各水素をもう一方のメチル基の異なる水素と交換する順列によって、任意の水素を他の任意の水素と交換できるからです。どちらの操作でも分子の構造は保持されます。これは、シクロペンタン、アレン、2-ブチン、ヘキサメチレンテトラミン、プリズマン、キュバン、ドデカヘドランなどの水素原子にも当てはまります。
一方、プロパンの水素原子はすべて構造的に同等というわけではありません。エタンと同様に、1番目と3番目の炭素に結合した6つの水素は同等であり、中央の炭素に結合した2つの水素は互いに同等ですが、これら2つの同等クラスの間には同等性はありません。
対称性と位置異性
親分子の原子間の構造的等価性は、それらの原子を別の元素またはグループに置き換えることによって得られる位置異性体の数を減少させる。したがって、例えば、エタン Cの6つの水素間の構造的等価性は、
2H
6エタノール Cの構造異性体は1つだけであることを意味する。
2H
5OH 、6つではありません。プロパン Cの8つの水素
3H
8は 2 つの構造等価クラスに分割されます (メチル基の 6 つと中心炭素の 2 つ)。したがって、プロパノールの位置異性体は 2 つ ( 1-プロパノールと2-プロパノール) しかありません。同様に、ブタノールの位置異性体は 2 つだけであり、ペンタノールまたはヘキサノールの位置異性体は 3 つだけです。
置換による対称性の破れ
親分子に置換が行われると、その構造の対称性は通常低下し、以前は等価であった原子が等価ではなくなる可能性があります。したがって、2 つ以上の等価な原子を同じ元素で置換すると、複数の位置異性体が生成されることがあります。
典型的な例は、ベンゼンの誘導体です。ベンゼンの 6 つの水素はすべて構造的に同等であり、6 つの炭素も同様です。これは、分子を裏返しにしたり、60 度の倍数で回転させたりして原子を並べ替えても、構造は変化しないためです。したがって、任意の水素を塩素に置き換えると、クロロベンゼンは1 つだけ生成されます。ただし、その置き換えにより、その水素を移動させた原子の並べ替えは有効ではなくなります。残る並べ替えは 1 つだけであり、これは塩素を固定したまま分子を裏返すことに対応します。残りの 5 つの水素は、3 つの異なる同値クラスに分類されます。塩素と反対の水素はそれ自体がクラス（パラ位置と呼ばれる）であり、塩素に最も近い 2 つは別のクラス（オルト）を形成し、残りの 2 つは 3 番目のクラス（メタ）です。したがって、水素を塩素で2度目に置換すると、1,2-またはオルト-、1,3-またはメタ-、および1,4-またはパラ-ジクロロベンゼンの3つの位置異性体が生成されます。
同じ理由で、フェノール（ヒドロキシベンゼン）は 1 つだけですが、ベンゼンジオールは3 つあります。また、トルエン（メチルベンゼン）は 1 つだけですが、トルエンは3 つ、キシレンは3 つあります。
一方、2 回目の置換 (同じ置換基による) では、分子の対称性が維持されるか、または対称性が増す可能性があり、そのため次の置換の等価クラスの数が維持されるか、または減少する可能性があります。したがって、メタ- ジクロロベンゼンの残りの 4 つの水素は依然として 3 つのクラスに分類されますが、オルト- の水素は 2 つのクラスに分類され、パラ-の水素はすべて再び等価になります。それでも、これらの 3 + 2 + 1 = 6 の置換のいくつかは同じ構造を生成するため、構造的に異なるトリクロロベンゼンは1,2,3- 、 1,2,4- 、および1,3,5-の 3 つだけになります。
各段階で置換基が異なる場合、通常は構造異性体が複数存在します。 1 つのヒドロキシル置換基と 2 つのメチル置換基を持つベンゼンであるキシレノールには、合計 6 つの異性体が存在します。
異性体の列挙とカウント
一般に構造異性体を列挙または数えることは難しい問題です。これは、複数の結合タイプ (非局在化したものを含む)、環状構造、原子価または幾何学的制約により実現できない構造、および分離不可能な互変異性体を考慮する必要があるためです。
たとえば、分子式C 3 H 6 Oには、異なる結合性を持つ 9 つの構造異性体があります。そのうち 7 つは室温で空気安定であり、以下の表に示されています。
2つの構造異性体はカルボニル異性体（プロピオンアルデヒドとアセトン）のエノール互変 異性体であるが、これらは安定ではない。 [13]
参照
参考文献
- ^ 「構成異性体」。IUPACゴールドブック。IUPAC。2014年。doi：10.1351/goldbook.C01285 。 2018年7月19日閲覧。
- ^ Frederick A. Bettelheim、William H. Brown、Mary K. Campbell、Shawn O. Farrell (2009):有機化学と生化学入門。752ページ。ISBN 9780495391166
- ^ ab Peter P. Mumba (2018):農業・看護学生のための有用な化学原理、第2版。281ページ。ISBN 9781618965288
- ^ ab William F. Bynum、E. Janet Browne、Roy Porter (2014): 科学史辞典。218ページ。ISBN 9781400853410
- ^ Jim Clark (2000). 「構造異性」Chemguide、nl
- ^ Poppe, Laszlo; Nagy, Jozsef; Hornyanszky, Gabor; Boros, Zoltan; Mihaly, Nogradi (2016).立体化学と立体選択的合成：入門. ヴァインハイム、ドイツ：Wiley-VCH。pp. 26–27。ISBN 978-3-527-33901-3。
- ^ D. Brynn Hibbert、AM James (1987): Macmillan Dictionary of Chemistry。263 ページ。ISBN 9781349188178
- ^ 「アイソトポマー」。IUPAC化学用語集（第3版）。2006年。doi：10.1351/goldbook.I03352。オンラインバージョン3.0.1 2019。
- ^ ズデネック・スラニナ（1986年）：化学異性体の現代理論。254ページ。ISBN 9789027717078
- ^ H. Stephen Stoker (2015):一般化学、有機化学、生物化学、第 7 版。1232 ページ。ISBN 9781305686182
- ^ バリー・G・ヒンウッド（1997年）：医療専門家のための科学の教科書。489ページ。ISBN 9780748733774
- ^ Jean-Loup Faulon、Andreas Bender (2010):ケモインフォマティクスアルゴリズムハンドブック。454ページ。ISBN 9781420082999
- ^ CRC 化学物理ハンドブック第 65 版。