前回説明したエーテル繋がりで
今回はオキソシクロプロパンについて説明するよ。

簡単にいってしまえば3員環の構造をもった環状エーテルのこと。
別名はエチレンオキシド、オキシランなどいろいろある。
ちなみにIUPAC命名法では1,2-epoxyethaneでこれがむしろ一般的かな?
こんな構造です。

他の有機物質を合成するときによく使われるもので
洗剤やポリエステルの材料になる
・エチレングリコール
・エタノールアミン
の材料になったり、
医療器具の滅菌するときに使われる滅菌ガスとして使われたりと
割と身近なところで使われてる有機化合物だよ。
※ちなみに性質としては発がん性物質でもあり
分散爆発性(火花とか静電気で爆発する性質)があったりと
なかなかデンジャラスさんなのでご注意を(汗)

なんとなく想像はつくだろうけど大体は

な感じでシンプルに描きます。

さて簡単な紹介を行ったところで具体的な特徴を紹介していこう。
主な特徴は以下の2つ

・水、有機溶媒に対する溶解性
・求核剤との反応

ではいってみよー。

水、有機溶媒に対する溶解性

こいつについては見てのとおりになるのだけれど
・水と水素結合を形成できる0(極性
・疎水性のアルキル基(無極性
が両方ともあるよね?

これがどういうことなのかといえば…そう、“どちらにでも"溶けるっていうことなんだ。
つまり、水中だろうが有機溶媒中だろうが使うことができるとても便利なものってことだよ
※意味がわからなければ
基礎編:原子、分子の間に働く力
基礎編:溶解性
あたりをご参考ください。

何がどう便利なの?って思った人がいたら…そうだね…
選択肢をたくさんもっているって考えたらわかり易いかな。

理系科目特化、文系科目特化、芸術科目系特化
みたいに尖がったステータスも魅力的ではあるけど
得意不得意なくなんでも出来るとその分将来できることの幅は広がるよね?
そんな位置づけで活躍できる化合物さんです。

求核剤との反応

これは例を見ながらがわかりやすいかな?
気づいた人もいるかもだけど
まず場所によって電気陰性度に差が出来ている。
だから以下ように“電子の偏り"が発生しているんだ。

で、これから何が言えるかといえば
Oの両隣の炭素は求核攻撃を受けやすくなるんだ。
しかも3員環・・・つまりはひずみ度合いはとても大きいってことでさらに反応しやすさがアップする。
そんな状態の物質に求核剤が反応すると・・・まぁ2反応が起きるよね。

詳しい話は別途紹介するとして参考までに以下のような反応になるよ。

ちょっと話がとっちらかった感があるのでまとめると
ようはオキサシクロプロパン求核剤に対して超反応します!ってことだね。

特徴としては以上かな。

ではまた次回。

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さて前回に引き続き「特徴」です。
今回のテーマは

物理的性質

細かく分けると
・エーテルだけでは水素結合しない
・アルコールより沸点低い
・水と混ざりにくい
・溶媒和
がある
それでは一つずついってみよー。

エーテルだけでは水素結合しない

水素結合についての詳しくは
基礎編:原子、分子の間に働く力
を読んでください。

そもそも水素結合っていうのは
「電気陰性度が高い2個の原子(F,O,Nとか)が水素原子を間に挟んで結びついてる結合」
のことだ。

で、水素結合の理屈を考えた時、
エーテルのOは両方ともCと結合をしている
つまりはOに対してHが直接くっつける余地がない
どういうことかっていうと
エーテル単体では水素結合が出来ない、ということだ。

これだけだと
・・・そうでしょうね、で?

って思う人が多いことだろう。(汗)
だけど今回のメイン(一番重要)はこの特徴になる。
この特徴が後々の特徴に関与してくるよってことで最初に紹介しました。
この特徴を意識して以降を読んでもらえたらなって思います。
それでは続きをば。

アルコールより沸点低い

基礎編:原子、分子の間に働く力
応用編:アルコールの特徴①
で紹介済みの内容になるけど
エーテルとアルコールを比較した時の象徴的な特徴だ。

理由としては①の通りエーテル単体では水素結合が出来ない
ようするに結合の切断にかかるエネルギーアルコールに比べて少なくてすむ
結果として沸点がアルコールに比べて低くなるっていう説明が出来るってことだね。

水と混ざりにくい

そもそも身近にありすぎて意識していないかもしれないけど
水(まぁ色々種類はありますが)っていうのは最も単純な水素結合の例の一つだ。
液体の水は水分子(水素原子2、酸素原子1)がたくさん集まることで出来ているのだけれど
水分子には2つの非共有電子対(酸素原子のやつね)があって
それぞれの非共有電子対が別の水分子の水素原子と1つの水素結合を作るっていう状態になっている。
この繋がりがあるので水は水素結合を持たない他の化合物に比べてとても沸点が高い(当然融点も)。

前置きが長くなってしまったけれど
そんな訳だから
水素結合が出来ない野郎なんて最初からお呼びじゃございません!
っていうことだね。
例えばHUNTER×HUNTERグリードアイランドに参加する為には念が使えることが条件だったように
ようは最低要件を満たせていないやつなので門前払いをくらっている状態になっているんだ。
感情が入らない分よりシビアってことだよ(笑)。

溶媒和

※「溶媒和」の細かい話は 基礎編:溶解性 をご参照ください。

さて、今まで水とかで溶媒和をしていた(例えばNaClが水に簡単に溶ける的なやつね)のだけれど
エーテルがクラウンエーテルの時、中心金属イオンが溶媒和される。

とりあえず以下の構造を見てもらうとなんとなく分かるんじゃないかとは思う。

中心部分にスペースがあるよね?
ここに正の電荷を持つ金属イオン(金属カチオン)が入り込むと
Oのもつ非共有電子対によって金属イオンが強く捕まえられる、つまりは安定化するんだ。

例えば、18-クラウン-6は下のようにKを溶媒和される。

もう一ついえばそれぞれの大きさのクラウンエーテルによって穴の大きさも違うので
溶媒和できる金属カチオンも異なってくる
これによって何が起こるのかというと、有機溶媒(無極性溶媒)に金属カチオン(極性物質)が溶けるようになるんだ。

ちょっとややこしいかもしれないが基本に戻って考えてみよう。
まず極性物質は無極性溶媒に溶けにくい
で、クラウンエーテルはというと極性溶媒より無極性溶媒に溶けやすい

???極性のあるOがあるじゃん???

と思うかもしれない。
考え方は正しくて確かに電気陰性度が高いOがあればCとの間では双極子モーメントは発生する
ただこれはお互いが対な配置になっている場合の話になるんだ。

改めてクラウンエーテルの配置を見てみよう。

まぁなんというか「均等」に配置されているのが分かるかな?
図の矢印の色が同じところお互いに相殺状態(極性がない状態)になっているんだ。

この発見にによりKF、KCNのような無極性溶媒に溶けにくいものを有機溶媒中で使えるようになった
有機合成に新たな道が開けたってわけなんだ。

エーテルの特徴はこんなところかな。

ではまた次回。

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前回触れた 原子、分子の間に働く力 について今回は溶解性への影響を解説していくよ。

まず溶解っていうのは固定(溶質)液体(溶媒)に溶かすことだ。
軽く高校の復習をすると溶媒には2種類あって

極性溶媒

電気陰性度に差がある分子からなる。
(例)NaCl,H2Oなど。

無極性溶媒

電気陰性度に差があまりない分子からなる。
(例)C-Hでのみできたものなど。

の2つがある。

さて溶媒に極性、無極性があるのだから当然物質(溶質)にも極性、無極性がある。

それらを踏まえると以下の4パターンの組み合わせが考えられる。
・極性物質と極性溶媒
・極性物質と無極性溶媒
・無極性物質と極性溶媒
・無極性物質と無極性溶媒

この組み合わせの溶けやすさがどうなるんだろう?というのが今回のポイント。
先に結論だけ言ってしまうと
同じもの同士なら溶けやすく違うもの同士なら溶けにくい。
ということになる。
要するに極性物質+極性溶媒、無極性物質+無極性溶媒は溶けやすく、それ以外の組み合わせは溶けにくい。
っていうこと。

では一つずつ確認してみよう。

極性物質と極性溶媒

これは「溶ける」
まずは下図を見てほしい。

NaClはNa+とCl極性共有結合(イオン結合)により合体したものだ。
H2Oの中ではNa+とClが溶媒和(イオンと溶媒が静電気力や水素結合などで結びつくので溶質が溶媒中に拡散する)されるため、簡単に溶ける。
もっと簡単にいえば極性の大きいもの同士がお互いに引っ張っている方がより安定な状態をとるので、極性な溶質は極性な溶媒によく溶けるってことです。

極性物質と無極性溶媒

これは「溶けない」。
なんでかっていえば極性物質が極性が大きな物同士で引っ張り合っていて安定だから。
NaCl(極性物質)と石油(CHのみで構成:無極性溶媒)を例に考えてみると
石油が無極性なので先に紹介したような溶媒和が起こらない。
そしてNaClが極性物質として個体状態が安定であるから、わざわざ不安定にする必要がないよね?っていう話です。

無極性物質と極性溶媒

こいつも「溶けない」。
例えばロウ(CHのみで構成:無極性物質)とH2O(極性溶媒)で考えてみよう。
ロウはCHのみなのでファンデルワールス力のみで引き合っている。
この力は弱いので切断することはとても簡単。
だけど、ここから溶解するにはまずH2Oの水素結合(超強い)を切断する必要がある。
水素結合を切断することはこの場合では明らかにH2Oが不安定になるので出来ませんよって話です。

無極性物質と無極性溶媒

これは「溶ける」。
まず無極性物質はファンデルワールス力のみで引き合っている。
さっきも書いたけど、この力は弱いので切断することはとても簡単。
その後は無極性溶媒と新しくファンデルワールス力で結合を作るので安定になる。
なんでそっちの方が安定なのかと言うと、ファンデルワールス力は接触する表面積が大きいと大きくなるってことを思い出してほしい。
溶かすときは物質より溶媒の量を多くしないと溶けないので、溶媒は溶質よりたくさんあるはずだよね。
つまりはそういうことです。

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ただここで「なんで?」ってなる人がいると思う。
引き付けあう力が弱いならわざわざ混ざる必要あるの?って感じで。

ちょっと分野がずれるのだけれど以下のような法則がある。
分子が乱雑に配置されるほうが全体として安定になる
※熱力学の第二法則
っていう考え方がある。
これは
液体に固体を入れた時、それぞれ分かれた状態でいるよりも
混ざった状態になった方がエネルギー的には安定
っていう意味なんだ。
だから、なるべく混ざり合おうとする動きが自然らしいんだね。

今回のことでいうと「溶けない」組み合わせは、混ざり合う為に既に安定状態である極性物質・溶媒を壊さないといけない
この壊すことで生まれる不安定さがお互いに混ざり合おうとする自然な動きよりも安定でいることに与える影響が大きいんだ。

けど例えば無極性物質・溶媒の組み合わせではどちらかが極端に安定でそれを壊さないといけない、といった不安定さに繋がる要素はない
だから混ざった方が自然っていう法則に従って混ざり合うことが出来るってことなのです。

ではまだ次回

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