メタンの構造

メタンの正四面体構造

透視図

1

メタンの立体構造

C

H

HHH

塗りつぶしたくさび形：紙面から手前に出る結合

点線のくさび形：紙面から向こう側に

出る結合

透視図

2

透視図の書き方

CH H

HH

C

H

HHH

４本の結合のうち２本は「紙面内」にあるものとする残りの２本のうち１本は「手前」、もう１本は「奥」

実線の２本の結合は鈍角で書く

くさび形の２本の結合はなるべくこの線に近づけて書く CH

H

HH

別角度

3

エタンの立体構造

配座異性体（立体配座）

重なり形とねじれ形

Newman 投影図

4

分子模型を使う

sp3炭素C‒C結合（白）

C‒H結合（オレンジ） 水素

sp3炭素（穴４個）

sp2炭素（穴５個）sp2炭素 C=C結合

（緑）

（今日は使いません）

5

エタンの分子模型

6

エタンの配座異性体

右半分を 180° 回転

結合を切らずに回転だけで相互変換できる分子の形＝立体配座 (conformation)

立体配座だけが異なる２個の分子＝配座異性体 (conformer)

7

エタンの配座異性体：名称と透視図での表記

C C

H

HH

H

HH

C C

H

HHH

HH

重なり形 ねじれ形eclipsed staggered

8

エタンの配座異性体：C‒C結合に沿って見る

H

H HH

H

H

H

H H

H H

H

重なり形

ねじれ形

9

Newman 投影図

H

H H

H H

H

ねじれ形

重なり形

「手前」の炭素原子

「奥」の炭素原子

少しずらして書く（完全に重ねると読めないため）H

H HH

H

H

10

CH3

H OH

CH3CH2 CH2CH3

CH3

【練習問題】 下の Newman 投影図で表される化合物を骨格構造で書きなさい。また、この化合物の名称を答えなさい。

11

配座異性体のエネルギー

二面角

立体配座のエネルギー図

12

順に結合した４つの原子 A-B-C-D について、「平面 ABC と平面 BCD のなす角」を二面角 A-B-C-D と呼ぶ

二面角 (dihedral angle)

B

CA

D���

C

D

A

���

�����

Newman 投影図では

13

~ 3 kcal/mol

エタンの立体配座のエネルギー図

ねじれ形配座異性体

重なり形配座異性体

0 120 240 360����

�����

横軸に H‒C‒C‒H の二面角、縦軸にエネルギーをとってグラフ化する

14

ねじれ形が重なり形より安定な理由 (1)

４つの原子 (a-b-c-d) が順に結合している時、a‒b, c-d の結合電子の反発による不安定化＝ねじれひずみ

C CH

HH

H

HH

C CH

HH

H

HH

ab c

d

【重なり形】 結合電子の反発→不安定化

15

σ結合の電子が非局在化することによる安定化＝超共役

ねじれ形が重なり形より安定な理由 (2)

C CH

HHH

HH

【ねじれ形】 結合電子が C‒H 反結合性軌道に流れ込む（非局在化）→安定化

16

ブタンの配座異性体

アンチ形とゴーシュ形

立体ひずみ

17

ブタンの分子模型

18

この方向から見る

staggered (anti) eclipsed

eclipsedstaggered (gauche)

奥

手前

19

２種類の staggered 配座異性体

メチル基の方向手前：12時奥：6時

メチル基の方向手前：12時奥：2時

(anti) (gauche)

CH3

H H

H H

CH3

CH3

H H

H CH3

H

C CH3C

CH3HH

HH

C CH3C

HHH

CH3H

20

２種類の eclipsed 配座異性体

CH3

HH

H3C

H H

H

CH3H

H3C

H H

C CH3C

HH

CH3

HH

メチル基の方向手前：12時奥：12時

メチル基の方向手前：12時奥：4時

C CH3C

HH

H

CH3H

21

Gauche 型ブタンと立体ひずみ

CH3

HH HH3C

H

2.3 ����������

CH3

H H

H CH3

H

����������

【Gauche 型ブタン】

２つ以上の結合を隔てた結合・原子間の反発＝立体ひずみ

22

２種類の eclipsed 型ブタンと立体ひずみ

CH3

HH

H3C

H H

����

������ H

HH3C

H3C

HH

23

ブタンのエネルギー図

0 120 240 360C-C-C-C����

�����

���

��������

����

~ 0.9 kcal/mol

~ 4 kcal/mol

~ 0.7 kcal/mol

24

【練習問題】 3-メチルペンタンの最も安定な配座異性体と最も不安定な配座異性体の構造を、透視図と Newman 投影図で書きなさい。

25

シクロアルカンの立体構造

シクロプロパンの立体構造

角ひずみ

シクロブタン・シクロペンタンの立体構造

26

C

C C

H H

H

H

H

H

C

C C

CH

H

HH H

H

HH

C C

CC

CHH

H HHH

HHH

HCC C

CCC

HH

HHHH

HHH

HHH

������� ������ ������ ������cyclopropane cyclobutane cyclopentane cyclohexane

シクロアルカン

27

シクロプロパンの構造

通常よりも小さい（または大きい）結合角を強制されることによる不安定化＝角ひずみ

CC

C

H

HH

H

H

H

+

この C‒C 結合はどんな軌道？

結合の方向軌道の軸（ずれている）

結合エネルギーが小さい＝結合が弱い＝不安定

28

88°

26° H

H

H

H

H

H

H

H

シクロブタンの構造

29

(envelope structure)封筒型

47° 38° 16°

シクロペンタンの構造

30