置換基

有機化学において、置換基とは、 （1つまたは複数の）原子を置換し、結果として生じる（新しい）分子の構成要素となる1つまたは複数の原子群のことである。^{[ 1 ] [注1 ]}

接尾辞-ylは、水素原子 1 つが単結合に置き換わった有機化合物の命名に使用されます。 -ylideneと-ylidyne は、それぞれ二重結合と三重結合に使用されます。さらに、置換基を含む炭化水素の命名では、異性体を区別するために、置換基がどの炭素原子に結合しているかを示す位置番号が使用されます。置換基は、誘起効果とメソメリー効果の組み合わせとなる場合があります。このような効果は、電子豊富効果と電子吸引効果とも表現されます。置換基が占める体積によって、追加の立体効果が生じます。

「最も置換された」と「最も置換されていない」という表現は、化学反応の生成物である分子を説明または比較する際によく用いられます。この用語では、炭化水素が比較の基準として使用されます。炭化水素を基準として、水素原子が他の物質に置換されるごとに、その分子はより置換度が高いと言えます。例えば、次のようになります。

• マルコフニコフの法則によれば、水素原子は、より多くの水素原子を持つ（アルキル置換基が少ない）アルケン官能基の炭素に付加される。
• ザイツェフの法則によれば、主要な反応生成物は、より置換基の多い（より安定な）二重結合を持つアルケンであると予測される。

接尾辞-ylは、有機化学において、ラジカル、すなわち独立した種（フリーラジカルと呼ばれる）または分子の化学的に結合した部分（部分と呼ばれる）の名前を形成するために使用されます。これは、メタノールの古い名前「メチレン」（古代ギリシャ語のμέθυ méthu、「ワイン」およびὕλη húlē、^{[ 4 ]} 「木」、「森」に由来）に遡ることができ、化合物名では「メチル」に短縮され、そこから-ylが抽出されました。化学命名法のいくつかの改革により、最終的にこの接尾辞の使用は他の有機置換基にも一般化されました。

接尾辞の使用は、置換基が親化合物（および通常は置換基）上で置換する水素原子の数によって決定されます。1993年のIUPAC勧告によると：^{[ 5 ]}

• -ylは、水素原子1個が置換されることを意味する。
• -イリデンとは、2つの水素原子が、親原子と置換基との間の二重結合に置き換えられたことを意味する。
• -イリジンとは、親化合物と置換基の間に三重結合が形成され、3つの水素原子が置き換えられた状態を意味します。

接尾辞「-ylid ine」は散発的に見られ、「-ylidene」の異綴りのようです。^{[ 6 ]} IUPACガイドラインには記載されていません。

置換基を親基に連結する同じ種類の複数の結合には、接中辞-di-、-tri-、-tetra-などが使用されます。-diyl (2 つの単結合)、-triyl (3 つの単結合)、-tetrayl (4 つの単結合)、-diylidene (2 つの二重結合)。

異なる種類の複数の結合については、複数の接尾辞が連結されます。- ylylidene (単結合 1 つと二重結合 1 つ)、-ylylidyne (単結合 1 つと三重結合 1 つ)、-diylylidene (単結合 2 つと二重結合 1 つ)。

親化合物名は、次の2つの方法で変更できます。

• 多くの一般的な化合物では、置換基は一方の端（1位）に結合しており、歴史的に名前に番号が付けられていませんでした。しかし、 IUPAC 2013 規則^{[ 7 ]}では、優先 IUPAC 名においてほとんどの置換基に明示的な位置番号を要求しています。置換基名は、 -ane (アルカンを参照) を削除し、適切な接尾辞を追加することによって変更されます。これは、「飽和非環式および単環式炭化水素置換基グループ、ならびにケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、およびホウ素の単核親水素化物に対してのみ推奨されます」。したがって、「 X -ic acid」と呼ばれるカルボン酸、 「 X -anol」で終わるアルコール(または「 X -yl alcohol」)、または「 X -ane」と呼ばれるアルカンがある場合、「 X -yl」は通常、これらのグループを欠き、他の親分子への結合によって変更された同じ炭素鎖を示します。
• より一般的な方法では、置換基名の末尾の「e」のみを省略しますが、位置1であっても、各「yl」接頭辞を明示的に番号付けする必要があります（ただし、三重結合である-ylidyneは、置換基の炭素鎖の末端でなければなりません）。ペンタン-1-イルはこの方法による命名例であり、前述のガイドラインのペンチルと同義です。

「ビニル」（「ポリビニル」を意味する場合）などの一般的な用語は、完全な化学名のほんの一部を表しているにすぎないことに注意してください。

上記の規則によれば、置換基とみなされる分子中の炭素原子は、それに結合している水素原子の数と、分子の残りの部分と形成される結合の種類に応じて、以下の名称を持つ。

化学構造式では、メチル基、エチル基、アリール基などの有機置換基はR (または R ¹、R ²など)と表記できます。これは一般的なプレースホルダーであり、 Rはラジカルまたはレストに由来し、著者が都合が良いと判断した場合、式の任意の部分を置き換えることができます。この記号を最初に使用したのは、1844 年のCharles Frédéric Gerhardtです。 ^{[ 8 ]}

記号Xは、ハロゲン化物などの電気陰性置換基を表すためによく使用されます。^{[ 9 ] [ 10 ]}

ある化学情報学研究では、3,043,941 個の分子のセットにおいて、非水素原子が最大 12 個で、炭素、水素、窒素、酸素、硫黄、リン、セレン、ハロゲンのみを含む849,574個の固有の置換基が特定されました。50 個の置換基は、このセットの 1% 以上で見られるため一般的とみなされ、438 個は 0.1% 以上で見られます。置換基の 64% は 1 つの分子にのみ見られます。最も一般的な上位 5 個の置換基は、メチル、フェニル、塩素、メトキシ、およびヒドロキシル置換基です。有機化学における有機置換基の総数は 310 万個と推定され、合計 6.7×10 ²³個の分子が生成されます。^{[ 11 ]}炭素鎖の長さを増やすだけで、無限の数の置換基を得ることができます。例えば、置換基メチル（−CH ₃）とペンチル（−C ₅ H ₁₁）など。

• 官能基は置換基のサブセットである