📘 CodingMarble Learn

アルコール

アルコールとは、sp³炭素に–OH基がついた炭素化合物(R–OH)のことです。C–OHの炭素につながっている炭素の数を数えると、第一級(1°)、第二級(2°)、第三級(3°)に分類できます。名前は「アルカン-n-オール」の形で、–OHの番号がいちばん小さくなるようにつけます。アルコールは、アルケンから(酸触媒による水和、またはヒドロホウ素化・酸化)、アルデヒド・ケトン・酸の還元によって、またはグリニャール試薬から作れます。水素結合のため、沸点が高く、水にも溶けやすくなります。反応では、O–H結合が切れる場合(酸性:Na、エステル化)と、C–O結合が切れる場合(HX、脱水)があり、1°と2°のアルコールは酸化されます。メタノールとエタノールは、工業的にとくに大切なアルコールです。

🎬 ステップ別ストーリー

  1. エタノールを見てみよう。エタンに似ているけれど、Hが1つ–OH基に置きかわっているよ(赤いO)。この–OHがあるから、アルコールなんだ。
  2. 黄色い炭素に注目しよう。–OHをもっている炭素だよ。これにつながっている炭素の数を数えてみて。1個なら第一級、2個なら第二級、3個なら第三級。
  3. 名前のつけ方:C–OHの炭素をふくむいちばん長い鎖を選び、–OHに近い端から番号をつけて、アルカンの語尾「e」を取って「ol(オール)」をつける。ここでは、ブタン-2-オール(butan-2-ol)だね。
  4. アルコールを作ってみよう。プロペンと水を、酸を触媒にして反応させる。Hは端の炭素に、OHは真ん中の炭素につく。できるのはプロパン-2-オール。
  5. ある分子のO–HのHが、となりの分子のOに引きよせられる。この水素結合(青)のおかげで沸点が高くなり、小さなアルコールは水とまざりやすくなるよ。
  6. 自由に遊んでみよう。アルコールと試薬を選んでね。光る原子が、切れる結合を教えてくれる。O–H、C–O、またはO–HとC–Hだよ。

ヒント:3Dをドラッグすると回せます。2本指で拡大・縮小できます。

🤔 よくある疑問をスッキリ解決

ベンジルアルコールは、ベンゼン環があるからフェノールなの?

いいえ。ベンジルアルコールでは、–OHは環ではなくCH₂の炭素についています。–OHが環に直接ついたものだけがフェノールです。

分類するとき、どうして水素ではなく炭素を数えるの?

級は、C–OHの炭素のまわりがどれだけこみあっているかを表します。炭素の基は電子を押しこみ、場所もふさぐので、反応の速さが変わります。H原子にはその効果がありません。

枝の番号が大きくなっても、OHに近い端から番号をつけるのはなぜ?

–OHは主役の基(官能基)なので、いちばん小さい番号をもらう権利が先にあります。枝はそのあとです。

プロペンでは、どうしてOHが真ん中の炭素につくの?

まずH⁺が端の炭素につくので、正の電荷は真ん中の炭素にのります。そこは2つのCH₃に支えられていて(2°カルボカチオン、より安定)、そのあと水が真ん中の炭素を攻撃します。

分子量が同じくらいなのに、エタノールは液体で、プロパンは気体なのはなぜ?

エタノールの分子どうしは水素結合で引きあっています。プロパンには弱い力しかありません。エタノールの分子を引きはなすには、もっと多くのエネルギーが必要です。

第三級アルコールがK₂Cr₂O₇で酸化されないのはなぜ?

酸化では、OのHと、C–OHの炭素のHが取れます。第三級のC–OHの炭素には取れるHがないので、ふつうの酸化は起こりません。

アルコールとは? 分類

アルコールとは、単結合だけをもつ炭素(sp³炭素)に–OH(ヒドロキシ)基がついた化合物です。一般式はR–OHです。

–OHの数による分類:1価(–OHが1つ、例:エタノール)、2価(2つ、例:不凍液に使われるグリコールのエタン-1,2-ジオール)、3価(3つ、例:グリセリン)。

–OHをもつ炭素(カルビノール炭素)による分類:その炭素にほかの炭素が何個つながっているかを数えます。

特別な場合:アリル型アルコール(C=Cの隣の炭素に–OH)と、ベンジル型アルコール(ベンゼン環の隣の炭素に–OH)があります。C=Cの炭素に–OHがついたものはビニル型アルコール(不安定)で、環そのものについたものはフェノールといい、別の仲間です。

命名:アルコールの名前のつけ方

慣用名は、アルキル基+「アルコール」です(メチルアルコール、イソプロピルアルコール)。IUPAC名は、次の4つの手順でつけます。

  1. C–OHの炭素をふくむ、いちばん長い鎖を選ぶ。
  2. –OHの番号がいちばん小さくなる端から番号をつける。
  3. アルカンの語尾の「e」を取って「ol」をつける:プロパン → propan-1-ol または propan-2-ol。
  4. 枝(置換基)を、番号をつけてアルファベット順に加える:2-methylpropan-2-ol。

–OHが2つ以上のとき:「e」は残して、diol、triol をつけます。ethane-1,2-diol、propane-1,2,3-triol(グリセリン)。環のアルコール:cyclohexanol。

構造

アルコールのOは、2本の結合と2組の孤立電子対をもっています。C–O–Hの角度は約109°で、正四面体より少しだけ小さくなります。孤立電子対が結合を押しつけるからです。

アルコールの製法

1. アルケンから

酸触媒による水和:アルケン+水をH⁺の存在下で反応させます。Hはもともと水素が多い炭素につき、OHはもう一方の炭素につきます(マルコフニコフ則)。プロペン → プロパン-2-オール。手順は、(i)H⁺がC=Cに付加してカルボカチオンができる、(ii)水がカルボカチオンを攻撃する、(iii)H⁺が1つ外れる、です。

ヒドロホウ素化・酸化:アルケンにジボラン(B₂H₆)を反応させ、そのあとH₂O₂ / NaOHを加えます。OHは水素が多いほうの炭素につきます(逆マルコフニコフ型に見えます)。プロペン → プロパン-1-オール。

2. カルボニル化合物の還元

アルデヒド → 1°アルコール、ケトン → 2°アルコール(H₂とPd/Ni、またはNaBH₄、またはLiAlH₄を使う)。カルボン酸を1°アルコールにするには強いLiAlH₄が必要です。工業では、まず酸をエステルにしてから、H₂で還元します。

3. グリニャール試薬から

RMgXがC=Oに付加し、そのあと水を加えるとアルコールができます。メタナール(HCHO) → 1°、そのほかのアルデヒド → 2°、ケトン → 3°。新しいC–C結合ができるので、炭素鎖を長くすることができます。

物理的性質

沸点:分子量が同じくらいのアルカン、ハロアルカン、エーテルよりずっと高くなります。分子どうしの水素結合があるからです。沸点は鎖が長いほど上がり、枝分かれが多いほど下がります(接する面積が小さくなるため)。

溶解性:小さなアルコール(メタノール、エタノール、プロパノール)は、水と水素結合をつくるので、どんな割合でも水とまざります。炭素の鎖(油のような部分)が長くなると、溶けにくくなります。

アルコールの化学反応

A. O–H結合が切れる反応(弱い酸としてのはたらき)

NaやKとの反応:2R–OH + 2Na → 2R–O⁻Na⁺ + H₂。酸性の強さの順は 1° > 2° > 3°(アルキル基が電子をOのほうへ押しこむため)。アルコールは水よりも弱い酸です。エステル化:R–OH + R′COOH ⇌ R′COOR + H₂O(酸触媒を使い、水を取りのぞくと反応が進む)。酸塩化物や酸無水物からもエステルができます。

B. C–O結合が切れる反応

HXとの反応:R–OH + HX → R–X + H₂O。反応しやすさは 3° > 2° > 1°。ルーカス試験(濃HCl+無水ZnCl₂):3°はすぐに白くにごり、2°は約5分でにごり、1°は室温ではにごらず透明のままです。PCl₃、PCl₅、SOCl₂からもハロゲン化アルキルができます。

脱水(濃H₂SO₄またはH₃PO₄、加熱):エタノール → エテン(443 K)。起こりやすさは 3° > 2° > 1°。カルボカチオンを経る段階が、3°でいちばん起こりやすいからです。

C. 酸化

1° → アルデヒド(PCC、または573 Kの熱した銅) → カルボン酸(強いKMnO₄/酸性K₂Cr₂O₇)。2° → ケトン。3°アルコールは通常の酸化を受けません。熱した銅を使うと、アルケンになります。

工業的に大切なアルコール

メタノール(木精):むかしは木材を加熱して作りました。いまは、ZnO–Cr₂O₃触媒を使い、573〜673 K、200〜300気圧で CO + 2H₂ から作ります。溶媒、ホルムアルデヒドの原料、燃料に使われます。とても毒性が強く、少量で失明、多量で死にいたります。

エタノール:糖蜜、ぶどう、穀物の糖を発酵させて作ります。酵母の酵素インベルターゼ(スクロース → グルコース+フルクトース)とチマーゼ(グルコース → エタノール+CO₂)がはたらき、空気は必要ありません。消毒液、医薬品、飲料、ガソリンにまぜる燃料に使われます。工業用のエタノールは、少量の硫酸銅とピリジンを加えて変性(飲めないように)してあります。

重要な公式と用語

例題

1. (CH₃)₂CH–OH、CH₃CH₂CH₂OH、(CH₃)₃C–OH を分類しなさい。

手順1:–OHをもつ炭素を見つける。手順2:その炭素につながっている炭素を数える。(CH₃)₂CH–OH:炭素2個 → 第二級。CH₃CH₂CH₂OH:炭素1個 → 第一級。(CH₃)₃C–OH:炭素3個 → 第三級。

2. CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ のIUPAC名を答えなさい。

いちばん長い鎖は炭素4個(ブタン)。左から数えると–OHは2番、右から数えると3番になるので、2番を選ぶ。名前:butan-2-ol(ブタン-2-オール)。

3. (CH₃)₂CH–CH₂–CH₂OH の名前を答えなさい。

C–OHの炭素をふくむいちばん長い鎖は炭素4個。–OHの端から番号をつける:C1にOH、CH₃の枝はC3。名前:3-methylbutan-1-ol(3-メチルブタン-1-オール)。

4. プロペンから、(a)酸触媒による水和、(b)ヒドロホウ素化・酸化 で、それぞれどのアルコールができるか。

(a)H⁺は端のCH₂につき、C2に、より安定な第二級カルボカチオンができる。水がそこを攻撃する → プロパン-2-オール。(b)ホウ素は端の炭素につき、そのあとH₂O₂/OH⁻でBがOHに置きかわる → プロパン-1-オール。

5. 2-メチルプロパン-2-オールができるのは、どのグリニャール試薬とカルボニル化合物か。

生成物は3°アルコールなので、ケトンが必要。(CH₃)₃C–OH はカルビノール炭素にCH₃が3つついている。そこで、プロパノン (CH₃)₂C=O + CH₃MgBr を使い、そのあと水を加える。CH₃がC=Oの炭素につき、OはOHになる。

6. ラベルのない3本のびんに、ブタン-1-オール、ブタン-2-オール、2-メチルプロパン-2-オールが入っている。どうやって区別するか。

室温で、それぞれにルーカス試薬(濃HCl+ZnCl₂)を加える。すぐににごる → 2-メチルプロパン-2-オール(3°)。約5分でにごる → ブタン-2-オール(2°)。透明のまま → ブタン-1-オール(1°)。にごりの正体は、水に溶けない塩化アルキルである。

よくある間違い

練習クイズ

1. プロパン-2-オールは次のどれか。
2. 第三級アルコールにすぐにごりを生じさせる試薬はどれか。
3. アルコールが、分子量が同じくらいのアルカンより沸点が高いのはなぜか。
4. ケトンを還元すると何ができるか。
5. エタノールを濃H₂SO₄と443 Kで加熱すると何ができるか。

練習:自分で答えてみよう

答えを入力するか選んで、「チェック」を押そう。困ったらヒントを見てね。解答は答えたあとに表示されます。

よくある質問

第一級、第二級、第三級アルコールのちがいは何ですか。

–OHをもつ炭素に、炭素がいくつつながっているかで決まります。1つなら第一級、2つなら第二級、3つなら第三級です。

ルーカス試験とは何ですか。

濃HClと無水ZnCl₂を使います。第三級アルコールはすぐににごり、第二級は約5分でにごり、第一級は室温では透明のままです。

メタノールを飲むとなぜ危ないのですか。

体の中でメタナールとメタン酸に変わり、視神経をいためます。少量でも失明したり、死にいたったりすることがあります。

学ぶ場所

PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIAlcohols and phenols
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIAlcohols and phenols
RomaniaClasa a X-aCompounds with functional groups
Ukraine10 класOxygen-containing organic compounds
Ukraine10 класOxygen-containing organic compounds
CBSE (India)Class 12Alcohols, Phenols and Ethers
England (GCSE, A level)Year 123.3 Organic chemistry
Russia10 классOxygen-containing compounds
Russia10 классOxygen-containing compounds
China高三Selective 3 Ch.3 Hydrocarbon derivatives

先に学ぼう

次に学ぼう

関連する授業

Chemistryの授業一覧