この教材で学ぶこと
到達目標
-
有機化学の代表的な反応経路を整理できる
-
アルコール・アルデヒド・カルボン酸の酸化の流れを説明できる
-
アルケンとアルコールの相互変換を説明できる
-
カルボン酸とエステルの関係を説明できる
-
芳香族化合物の代表的な変換を説明できる
前提知識
-
アルカン・アルケン・アルキン
-
アルコールとエーテル
-
アルデヒドとケトン
-
カルボン酸
-
エステル
-
芳香族化合物
1
反応経路を学ぶ意味
有機化学では、ある物質から別の物質へ変換する問題がよく出題されます。
このような問題では、官能基の変化を追うことが大切です。
たとえば、第一級アルコールは酸化されてアルデヒドになり、さらに酸化されるとカルボン酸になります。
カルボン酸とアルコールからはエステルができます。
反応経路は、単発の反応式をバラバラに覚えるより、物質どうしのつながりとして整理すると理解しやすくなります。
反応経路を見るポイント
|
見るポイント
|
内容
|
|
官能基
|
-OH、-CHO、-COOH、-COO-など
|
|
反応の種類
|
酸化、還元、付加、脱離、加水分解など
|
|
条件
|
酸化剤、還元剤、濃硫酸、加熱など
|
|
生成物
|
どの官能基に変わるか
|
|
逆反応
|
エステル化と加水分解など
|
確認ポイント
-
反応経路では官能基の変化を見ることを理解している
-
物質変換を単発ではなく流れで整理できる
-
反応条件が生成物に影響することを説明できる
↑ 目次へ戻る
2
炭化水素からの変換
炭化水素では、アルカン、アルケン、アルキンの反応性の違いが重要です。
アルカンは比較的反応しにくく、ハロゲンとは置換反応を起こします。
アルケンやアルキンは不飽和結合をもつため、付加反応を起こしやすいです。
アルケンに水を付加するとアルコールができます。
アルコールを脱水すると、逆にアルケンをつくることができます。
アルカンの置換反応
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
光の存在下でメタンの水素が塩素に置き換わります。
アルケンへの水素付加
CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃
エチレンからエタンができます。
アルケンへの水の付加
CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH
エチレンからエタノールができます。
アルコールの脱水
CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O
エタノールからエチレンができます。
炭化水素の反応経路
|
変換
|
反応の種類
|
ポイント
|
|
アルカン → ハロゲン化アルキル
|
置換反応
|
光が関係することがある
|
|
アルケン → アルカン
|
水素付加
|
二重結合が単結合になる
|
|
アルケン → アルコール
|
水の付加
|
-OHが導入される
|
|
アルコール → アルケン
|
脱水反応
|
水が取れて二重結合ができる
|
確認ポイント
-
アルカンの置換反応を説明できる
-
アルケンの付加反応を説明できる
-
アルケンとアルコールの相互変換を説明できる
↑ 目次へ戻る
3
アルコールの酸化経路
アルコールの酸化は、有機反応経路の中心です。
第一級アルコールは、酸化されてアルデヒドになり、さらにカルボン酸になります。
第二級アルコールは、酸化されてケトンになります。
第三級アルコールは、通常の条件では酸化されにくいです。
この分類は、構造決定問題や物質変換問題で非常によく使います。
第一級アルコールの酸化
CH₃CH₂OH + [O] → CH₃CHO + H₂O
エタノールからアセトアルデヒドができます。
アルデヒドの酸化
CH₃CHO + [O] → CH₃COOH
アセトアルデヒドから酢酸ができます。
第二級アルコールの酸化
CH₃CH(OH)CH₃ + [O] → CH₃COCH₃ + H₂O
2-プロパノールからアセトンができます。
アルコールの酸化経路
|
出発物質
|
1段階目
|
2段階目
|
|
第一級アルコール
|
アルデヒド
|
カルボン酸
|
|
エタノール
|
アセトアルデヒド
|
酢酸
|
|
第二級アルコール
|
ケトン
|
通常さらに酸化されにくい
|
|
2-プロパノール
|
アセトン
|
通常さらに酸化されにくい
|
確認ポイント
-
第一級アルコールの酸化経路を説明できる
-
第二級アルコールの酸化生成物を説明できる
-
エタノールから酢酸までの流れを説明できる
↑ 目次へ戻る
4
カルボン酸とエステルの反応経路
カルボン酸は、アルコールと反応してエステルをつくります。
この反応をエステル化といいます。
逆に、エステルは加水分解によってカルボン酸とアルコールに戻ることがあります。
塩基性条件で加水分解すると、カルボン酸そのものではなくカルボン酸の塩が生じます。
エステル化と加水分解は、可逆的な関係として整理しましょう。
酢酸とエタノールのエステル化
CH₃COOH + CH₃CH₂OH ⇄ CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O
酢酸エチルが生成します。
酢酸エチルの酸性加水分解
CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O ⇄ CH₃COOH + CH₃CH₂OH
酢酸とエタノールに戻ります。
酢酸エチルの塩基性加水分解
CH₃COOCH₂CH₃ + NaOH → CH₃COONa + CH₃CH₂OH
酢酸ナトリウムとエタノールができます。
カルボン酸とエステルの関係
|
変換
|
反応名
|
条件
|
|
カルボン酸 + アルコール → エステル + 水
|
エステル化
|
濃硫酸、加熱
|
|
エステル + 水 → カルボン酸 + アルコール
|
酸性加水分解
|
酸性条件
|
|
エステル + NaOH → カルボン酸塩 + アルコール
|
塩基性加水分解
|
塩基性条件
|
|
油脂 + NaOH → 高級脂肪酸塩 + グリセリン
|
けん化
|
強塩基、加熱
|
確認ポイント
-
エステル化と加水分解の関係を説明できる
-
酸性加水分解と塩基性加水分解の違いを説明できる
-
けん化を反応経路として説明できる
↑ 目次へ戻る
5
アルデヒド・ケトンの検出と変換
アルデヒドは酸化されやすく、カルボン酸になります。
この酸化されやすさにより、銀鏡反応やフェーリング反応を示します。
ケトンは通常、アルデヒドより酸化されにくく、銀鏡反応やフェーリング反応を基本的には示しません。
アルデヒドを還元すると第一級アルコールになります。
ケトンを還元すると第二級アルコールになります。
アルデヒドの酸化
RCHO + [O] → RCOOH
カルボン酸になります。
アルデヒドの還元
RCHO + 2[H] → RCH₂OH
第一級アルコールになります。
ケトンの還元
RCO R' + 2[H] → RCH(OH)R'
第二級アルコールになります。
アルデヒド・ケトンの反応経路
|
物質
|
酸化
|
還元
|
検出反応
|
|
アルデヒド
|
カルボン酸
|
第一級アルコール
|
銀鏡反応・フェーリング反応
|
|
ケトン
|
通常酸化されにくい
|
第二級アルコール
|
通常は陰性
|
確認ポイント
-
アルデヒドの酸化・還元を説明できる
-
ケトンの還元を説明できる
-
銀鏡反応・フェーリング反応とアルデヒドを関連づけられる
↑ 目次へ戻る
6
芳香族化合物の反応経路
芳香族化合物では、ベンゼン環の置換反応と、置換基の性質が重要です。
ベンゼンをニトロ化するとニトロベンゼンができます。
ニトロベンゼンを還元するとアニリンができます。
トルエンの側鎖を酸化すると安息香酸ができます。
フェノールは弱酸性、アニリンは弱塩基性、安息香酸はカルボン酸として酸性を示します。
ベンゼンのニトロ化
C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O
濃硝酸・濃硫酸でニトロベンゼンができます。
ニトロベンゼンの還元
C₆H₅NO₂ + 6[H] → C₆H₅NH₂ + 2H₂O
アニリンが生成します。
トルエンの側鎖酸化
C₆H₅CH₃ + 3[O] → C₆H₅COOH + H₂O
安息香酸が生成します。
フェノールと水酸化ナトリウム
C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O
フェノールは弱酸性を示します。
アニリンと塩酸
C₆H₅NH₂ + HCl → C₆H₅NH₃Cl
アニリンは弱塩基性を示します。
芳香族の重要変換
|
変換
|
生成物
|
ポイント
|
|
ベンゼンのニトロ化
|
ニトロベンゼン
|
置換反応
|
|
ニトロベンゼンの還元
|
アニリン
|
-NO₂が-NH₂になる
|
|
トルエンの酸化
|
安息香酸
|
側鎖が-COOHになる
|
|
フェノール + NaOH
|
ナトリウムフェノキシド
|
弱酸性
|
|
アニリン + HCl
|
アニリン塩酸塩
|
弱塩基性
|
確認ポイント
-
ベンゼンからニトロベンゼンへの変換を説明できる
-
ニトロベンゼンからアニリンへの変換を説明できる
-
トルエンから安息香酸への変換を説明できる
↑ 目次へ戻る
7
有機反応経路のまとめ表
有機反応経路は、官能基ごとにまとめると覚えやすくなります。
アルコール、アルデヒド、カルボン酸、エステルは特に強くつながっています。
アルケンとアルコールは、付加と脱水でつながります。
芳香族化合物では、ベンゼン環の置換反応と側鎖酸化を押さえましょう。
反応経路問題では、問題文の条件からどの反応が起こるかを判断します。
有機反応経路まとめ
|
出発物質
|
条件・反応
|
生成物
|
|
アルケン
|
水の付加
|
アルコール
|
|
アルコール
|
脱水
|
アルケン
|
|
第一級アルコール
|
酸化
|
アルデヒド
|
|
アルデヒド
|
酸化
|
カルボン酸
|
|
第二級アルコール
|
酸化
|
ケトン
|
|
カルボン酸 + アルコール
|
エステル化
|
エステル
|
|
エステル
|
加水分解
|
カルボン酸またはカルボン酸塩 + アルコール
|
|
ベンゼン
|
ニトロ化
|
ニトロベンゼン
|
|
ニトロベンゼン
|
還元
|
アニリン
|
|
トルエン
|
側鎖酸化
|
安息香酸
|
確認ポイント
-
代表的な有機反応経路を表で整理できる
-
酸化・還元・付加・脱水・加水分解を区別できる
-
条件から生成物を推定できる
↑ 目次へ戻る
8
テストでの出題パターン
反応経路まとめでは、物質Aから物質Bを合成する問題や、反応条件から生成物を答える問題がよく出ます。
第一級アルコール、アルデヒド、カルボン酸の流れは最重要です。
第二級アルコールからケトン、ケトンの還元で第二級アルコールという対応も押さえましょう。
エステル化と加水分解は、逆向きの関係としてよく問われます。
芳香族では、ベンゼン、ニトロベンゼン、アニリン、トルエン、安息香酸のつながりを整理しましょう。
例題：エタノールを酸化するとまず何ができるか。
答え：アセトアルデヒド
第一級アルコールは酸化されてアルデヒドになります。
例題：アセトアルデヒドをさらに酸化すると何ができるか。
答え：酢酸
アルデヒドは酸化されてカルボン酸になります。
例題：酢酸とエタノールからできるエステルは何か。
答え：酢酸エチル
エステル化により酢酸エチルと水が生じます。
例題：ニトロベンゼンを還元すると何ができるか。
答え：アニリン
-NO₂が-NH₂に変わります。
例題：トルエンの側鎖を酸化すると何ができるか。
答え：安息香酸
メチル基がカルボキシ基に酸化されます。
確認ポイント
-
第一級アルコールからカルボン酸までの流れを説明できる
-
第二級アルコールとケトンの関係を説明できる
-
エステル化と加水分解を説明できる
-
芳香族化合物の代表的な反応経路を説明できる
-
反応条件から生成物を判断できる
↑ 目次へ戻る