【プロ講師解説】このページでは『異性体の分類(連鎖異性体/位置異性体/官能基異性体/幾何異性体/光学異性体)』について解説しています。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。

異性体とは

分子式が同じで、構造が異なる物質同士を異性体という。

この例の場合、分子式は同じ(分子を構成している原子やその数は同じ)だが、ヒドロキシ基の付いている位置が異なっている。

異性体の分類

構造異性体

連鎖異性体/位置異性体/官能基異性体

立体異性体

幾何異性体/光学異性体

Point!

異性体は大きく構造異性体立体異性体に分類される。
また、構造異性体は連鎖異性体位置異性体官能基異性体に、立体異性体は幾何異性体光学異性体に分類される。

これ以降は、これらの異性体について個別に細かく説明していこう。

構造異性体

構造異性体とは原子の結合順序が異なる異性体である。

構造異性体は連鎖異性体・位置異性体・官能基異性体の3つに分類できる。

連鎖異性体

連鎖異性体とは炭素骨格(C原子の並び方)が異なる異性体である。

3つほど例を挙げてみよう。

C4

C5

C6

位置異性体

位置異性体とは官能基の結合している位置が異なる異性体である。

この例ではヒドロキシ基-OHの付く位置が異なっている。

官能基異性体

官能基異性体とは官能基の種類が異なる異性体である。

※官能基について詳しくは【分類】有機化合物の基礎〜鎖式・環式・飽和・不飽和・炭化水素・官能基など〜を参照

立体異性体

立体異性体とは構成原子は同じで立体的な位置関係が異なる異性体である。

幾何異性体と光学異性体の2種類が存在する。

幾何異性体

不飽和結合(C=C結合)は(単結合と異なり)結合を軸にして回転させることができない。

この性質故に、C=C結合をもつ化合物には幾何異性体(シス-トランス異性体)という異性体が存在する可能性がある。

名称 シス-2-ブテン トランス-2-ブテン
構造

この2つの物質は構成原子は同じだが、メチル基(-CH3)の位置が異なっている。

このとき、C-C結合を結ぶ線に対して、同じ原子(原子団)が同じ側にあるとシス型、反対側にあるとトランス型という。

左側の「シス-2-ブテン」はCH3が2つとも下側に、「トランス-2-ブテン」はCH3の片方は上側に、もう片方は下側に存在している。

先述の通りC=C結合は回転することができないため、シス-2-ブテンの半分がくるっと回ってトランス-2-ブテンになったりということは起こり得ない。

したがって、この2つは(構成原子とその数が一緒なのにも関わらず同じ物質にはならないので)異性体ということになる。

光学異性体

ある炭素C原子に異なる4種類の原子や官能基が結合しているとき、これを鏡に映したもの(鏡像体)は重ね合わせることができない。(左手と右手のような関係)

この重ね合わせることができない物質を光学異性体(=鏡像異性体)という。

光学異性体が存在するためには1つ重要な条件がある。

“不斉炭素”が必要
Point!

光学異性体が存在するためには“不斉炭素原子”が存在する必要がある。

不斉炭素原子というのは4つの異なる原子(官能基)が結合している炭素原子のことで、*印を付けて表すことが多い。

上で挙げた化合物も、真ん中の炭素が不斉炭素原子になっている。

また、光学異性体の性質について以下の事項を押さえておこう。

・化学的/物理的性質は同じ
・旋光性/生理活性は異なる
Point!

光学異性体は化学的・物理的な性質(反応性・沸点・融点など)はほぼ同じで、旋光性(平面偏光の偏光面を回転させる性質)と生理活性(酵素反応・生体内反応など)が異なる。

酵素のところなどでも重要になってくるのでしっかり覚えておこう。

不飽和度と構造異性体

\[
\begin{align} &不飽和度(U)\\
&= \frac{ (H原子の最大数)-(今あるH原子数) }{ 2 }\end{align}
\]
Point!

分子式から異性体を書くときは、炭素C原子数だけではなく、水素H原子数が重要な情報源となる。

例えば、飽和炭化水素が二重結合や環状構造を形成する場合、H原子2つを取り除く必要がある。

これは逆に「H原子が飽和炭化水素よりも2コ少なければ二重結合又は環状構造が1つある」と考えることもできる。

このように、H原子の不足数を元に有機化合物の構造を推定することができ、それをわかりやすい数字で表したものが不飽和度水素原子欠乏度)である。

※不飽和度について詳しくは不飽和度(公式、計算解法、窒素を含む場合など)を参照

分子式から異性体を書く手順

STEP1 不飽和度(U)を求める
STEP2 炭素骨格を考える
STEP3 炭素骨格に官能基を組み込む
Point!

分子式から異性体を書く手順は上の通り。
ここでは分子式C3H8Oの異性体を書き出していこう。

STEP1

不飽和度(U)を求める

まず、与えられた物質の不飽和度を求める。

\[
\begin{align} U&= \frac{ (H原子の最大数)-(今あるH原子数) }{ 2 }\\
&= \frac{ (2n+2)-(今あるH原子数) }{ 2 }\\
&=\frac{ 2×3+2-8 }{ 2 }\\
&=0
\end{align}
\]

不飽和度が0になったのでこの有機化合物は”鎖式飽和”だとわかる。

STEP2

炭素骨格を考える

次に、炭素骨格を考える。

今回は炭素数3であり、STEP1より”鎖式飽和”なので、炭素骨格は次の1パターンのみである。

※以下の形を2パターン目として数えてしまう人が多い。

しかし、この形は折れ曲がっている炭素を伸ばせば同じ形になる。

STEP3

炭素骨格に官能基を組み込む

最後に、炭素骨格に官能基を組み込んでいく。

①C-Cの間にOを入れる

C-Cの間である①の箇所にOを入れると次のようになる。

ちなみに下図①’の位置にOを入れたくなるかもしれないが、①に入れた場合と同じ化合物になってしまうのでダメ。(ひっくり返すと同じ)

②③C-Hの間にOを入れる

C-Hの間である②及び③の箇所にOを入れると次のようになる。

下図②’の位置にOを入れると②に入れた場合と同じ化合物になってしまうのでダメ。(ひっくり返すと同じ)

異性体に関する演習問題

問1

【】に当てはまる用語を答えよ。

分子式は一緒で構造の異なる物質を【1】という。

【問1】解答/解説:タップで表示
解答:【1】異性体

分子式が同じで、構造が異なる物質同士を異性体という。

この例の場合、分子式は同じ(分子を構成している原子やその数は同じ)だが、ヒドロキシ基の付いている位置が異なっている。

問2

【】に当てはまる用語を答えよ。

異性体は大きく【1】と【2】に分類される。また【1】は【3】・【4】・【5】に、【2】は【6】・【7】に分類される。

【問2】解答/解説:タップで表示
解答:【1】構造異性体【2】立体異性体【3】連鎖異性体【4】位置異性体【5】官能基異性体【6】幾何異性体【7】光学異性体(【3】・【4】・【5】、【6】・【7】はそれぞれ順不同)

構造異性体

連鎖異性体/位置異性体/官能基異性体

立体異性体

幾何異性体/光学異性体

Point!

異性体は大きく構造異性体立体異性体に分類される。
また、構造異性体は連鎖異性体位置異性体官能基異性体に、立体異性体は幾何異性体光学異性体に分類される。

問3

【】に当てはまる用語を答えよ。

構造異性体のうち、炭素骨格(C原子の並び方)が異なる異性体を【1】という。C5の【1】は【2】種類存在する。

【問3】解答/解説:タップで表示
解答:【1】連鎖異性体【2】3

連鎖異性体とは炭素骨格(C原子の並び方)が異なる異性体である。

例)C5

問4

【】に当てはまる用語を答えよ。

構造異性体のうち、官能基の結合している位置が異なる異性体を【1】という。

【問4】解答/解説:タップで表示
解答:【1】位置異性体

位置異性体とは官能基の結合している位置が異なる異性体である。

この例ではヒドロキシ基-OHの付く位置が異なっている。

問5

【】に当てはまる用語を答えよ。

構造異性体のうち、官能基の種類が異なる異性体を【1】という。

【問5】解答/解説:タップで表示
解答:【1】官能基異性体

官能基異性体とは官能基の種類が異なる異性体である。

※官能基について詳しくは【分類】有機化合物の基礎〜鎖式・環式・飽和・不飽和・炭化水素・官能基など〜を参照

問6

【】に当てはまる用語を答えよ。

立体異性体のうち、炭素炭素二重結合に結合する原子(官能基)の位置が異なる異性体を【1】という。【1】をもつ「2-ブテン」のうち、メチル基CH3が同じ側にあるものを【2】-2-ブテン、反対側にあるものを【3】-2-ブテンという。

【問6】解答/解説:タップで表示
解答:【1】幾何異性体【2】シス【3】トランス
名称 シス-2-ブテン トランス-2-ブテン
構造
問7

【】に当てはまる用語を答えよ。

結合する4つの原子(官能基)が全て異なる炭素原子を【1】という。

【問7】解答/解説:タップで表示
解答:【1】不斉炭素原子(C*)

不斉炭素原子というのは4つの異なる原子(官能基)が結合している炭素原子のことで、*印を付けて表すことが多い。

問8

【】に当てはまる用語を答えよ。

立体異性体のうち、不斉炭素原子を1つもつ化合物に存在する異性体を【1】という。

【問8】解答/解説:タップで表示
解答:【1】光学異性体

ある炭素C原子に異なる4種類の原子や官能基が結合しているとき、これを鏡に映したもの(鏡像体)は重ね合わせることができない。(左手と右手のような関係)

この重ね合わせることができない物質を光学異性体(=鏡像異性体)という。

問9

【】に当てはまる用語を答えよ。

光学異性体は化学的・物理的な性質(反応性・沸点・融点など)はほぼ同じで、【1】(平面偏光の偏光面を回転させる性質)や【2】(酵素反応・生体内反応に関わる性質)などが異なる。

【問9】解答/解説:タップで表示
解答:【1】旋光性【2】生理活性
・化学的/物理的性質は同じ
・旋光性/生理活性は異なる
Point!

光学異性体は化学的・物理的な性質(反応性・沸点・融点など)はほぼ同じで、旋光性(平面偏光の偏光面を回転させる性質)と生理活性(酵素反応・生体内反応など)が異なる。

関連:有機のドリルが、できました。

有機化学の問題演習を行うための"ドリル"ができました。解答・解説編には大学入試頻出事項が網羅的にまとまっています。詳細は【公式】有機化学ドリルにて!


著者プロフィール

・化学のグルメ運営代表
・高校化学講師
・薬剤師
・デザイナー/イラストレーター

数百名の個別指導経験あり(過去生徒合格実績:東京大・京都大・東工大・東北大・筑波大・千葉大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など)
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆

著者紹介詳細