構造決定の問題で最初に与えられるのは、たいてい分子式ひとつです。C8H8O2——ここから何が言えるでしょうか。

じつはかなりのことが言えます。環と多重結合が合わせて何個あるかが、計算だけで確定するのです。これが不飽和度(DBE、水素不足指数)です。

そして不飽和度の真価は、単独で使うところにはありません。スペクトルと組み合わせたときにはじめて、候補が一気に絞り込まれます。この記事では、式の導き方から実際の絞り込み手順までを扱います。

この記事で学ぶこと
・不飽和度が「何個ぶんの水素が足りないか」を数えていること
・計算式がなぜあの形になるのか(飽和炭化水素との差から導く)
・酸素を無視し、窒素を足し、ハロゲンを引く理由
・IR・NMR と組み合わせて候補を絞る手順
・不飽和度が教えてくれないこと

不飽和度とは——飽和からどれだけ水素が足りないか

炭素だけで鎖をつくり、残りの手をすべて水素で埋めた分子を飽和といいます。炭素が C 個なら、水素は必ず 2C + 2 個です(メタン CH4、エタン C2H6、プロパン C3H8…)。

ここから水素を減らすには、2個ずつ減らすしかありません。

水素が2個減る操作は2つしかない
・環を1つ作る:離れた2つの炭素から水素が1個ずつ取れて結合する
・二重結合を1つ作る:隣り合う炭素から水素が1個ずつ取れる
・三重結合は「二重結合2つぶん」なので、水素は4個減る=不飽和度 2

つまり不飽和度 = (足りない水素の数)÷ 2 = 環と多重結合の合計です。

飽和炭化水素から水素が2個取れるたびに、環が1つできるか二重結合が1つできるかのどちらかが起こり、その回数が不飽和度になることを示す概念図

計算式と、その導き方

ヘテロ原子が入ると式が少し複雑になりますが、「水素をいくつ増やすか減らすか」だけで導けます。

不飽和度 =  ( 2C + 2 + N − H − X ) / 2

  C : 炭素の数      N : 窒素の数
  H : 水素の数      X : ハロゲンの数(F, Cl, Br, I)
  O : 酸素・硫黄は式に入れない
原子 手の数 水素の数への影響 式での扱い
O・S 2本 2本で入って2本で出るだけ → 変わらない 無視
N・P 3本 1本ぶん枝が増える → 1個増える +N
F・Cl・Br・I 1本 水素とまったく同じ位置を占める H と同じに引く

酸素を無視してよいことは、エタン C2H6 とエタノール C2H6O を並べれば一目瞭然です。酸素を差し込んでも水素の数は 6 のままです。

環を1つ作る場合と二重結合を1つ作る場合のそれぞれで、離れた炭素あるいは隣り合う炭素から水素が1個ずつ取れて合計2個減ることを、構造式の変化として示す

計算してみる

分子式 計算 不飽和度 代表構造
C6H14 (12+2−14)/2 0 ヘキサン
C6H12 (12+2−12)/2 1 シクロヘキサンまたはヘキセン
C6H6 (12+2−6)/2 4 ベンゼン
C2H4O (4+2−4)/2 1 アセトアルデヒド(酸素は無視)
C7H9N (14+2+1−9)/2 4 ベンジルアミン(窒素は足す)
C6H5Cl (12+2−5−1)/2 4 クロロベンゼン(Cl は H と同じ)

ベンゼン環がいつも 4 になるのは、環 1 つと二重結合 3 つを合わせて 4 だからです。この「4」は構造決定で最もよく使う手がかりで、不飽和度が 4 以上なら、まず芳香環を疑います。

半整数が出たら、計算が間違っている
・不飽和度は環と多重結合の個数なので、必ず 0 以上の整数になる
・0.5 や 1.5 が出たら、原子の数え間違いか、窒素・ハロゲンの符号ミス
・(例外として、ラジカルのような奇数電子の化学種では半整数になる)

スペクトルと組み合わせて候補を絞る

ここが不飽和度の本当の使いどころです。数値が出たら、次に「その不飽和度を何が使っているのか」をスペクトルで確かめます。

不飽和度を使うもの 消費する数 確かめ方
ベンゼン環 4 1H NMR で 6.5–8.0 ppm にシグナル
C=O(カルボニル) 1 IR で 1700 cm−1 付近に強い吸収
C=C(アルケン) 1 1H NMR で 4.5–6.5 ppm
C≡N(ニトリル) 2 IR で 2250 cm−1 付近の鋭い吸収
環(芳香族でない) 1 直接の証拠がない。差し引きで推定する

実際の手順を、冒頭の C8H8O2 で追ってみます。

① 不飽和度を出す   (16 + 2 − 8) / 2 = 5

② 5 の内訳を考える  芳香環(4) + もう1つ  ← 4以上なので芳香環をまず疑う

③ IR を見る        1700 cm−1 に強い吸収 → C=O がある
                    4 + 1 = 5 でぴったり使い切る

④ 残りを組む       芳香環 + C=O + 酸素もう1つ + CH3
                    → 安息香酸メチル・フェニル酢酸 などが候補

⑤ NMR で確定       芳香族の積分比と、メチルの化学シフトで絞る

②の段階で候補が数個まで落ちている点に注目してください。分子式1つと IR 1本で、ここまで来られます。

最後の NMR で確定する段階の読み方(化学シフトの一覧表・n+1則・結合定数)はNMR化学シフト一覧表【1H・13C】と読み方で確かめられます。

もう1問——窒素が入る場合

窒素が入ると符号を間違えやすいので、もう1つ練習しておきます。C8H9NO、IR に 1660 cm−1 の強い吸収と 3300 cm−1 の吸収があるとします。

① 不飽和度   ( 16 + 2 + 1 − 9 ) / 2 = 5   ← 窒素は足す。酸素は無視

② 内訳       5 = 芳香環(4) + もう1つ

③ IR を読む  1660 cm−1 → C=O(ふつうのケトンより低い=アミドを示唆)
             3300 cm−1 → N−H

④ 組み立て   芳香環 + アミド(C=O と N−H)+ CH3
             → アセトアニリド C6H5NHCOCH3

窒素を引いてしまうと不飽和度が 4 になり、カルボニルの居場所が消えます。符号の間違いは、こうして「内訳が合わない」という形で表面化します。式を暗記するのではなく、窒素は枝が1本増えるから水素が1個多いと理屈で押さえてください。

不飽和度が教えてくれないこと

過信は禁物
・環か二重結合かは区別できない(C6H12 はシクロヘキサンともヘキセンとも取れる)
・どこにあるかは分からない(位置異性体は全部同じ値)
・官能基の種類も分からない(C=O でも C=C でも C=N でも 1)
・つまり不飽和度は候補を絞る道具であって、構造を決める道具ではない

だからこそスペクトルとセットで使います。構造式の書き方そのものは構造式の書き方、官能基の見分けは官能基の種類で扱っています。

大学院入試での問われ方

「C9H10O の不飽和度を求め、考えられる部分構造を述べよ」
      → (18+2−10)/2 = 5。芳香環(4) + C=O または C=C が1つ

「窒素を含む分子式で不飽和度を計算するときの注意を述べよ」
      → 窒素は手が3本で水素を1個増やすので、式では足す

「不飽和度が 4 と分かった。まず何を疑うか」
      → ベンゼン環(環1+二重結合3でちょうど4を使い切る)

「不飽和度だけで構造が決まらない理由を述べよ」
      → 環と二重結合の区別も、位置も、官能基の種類も分からないから

まとめ

この記事のまとめ
・不飽和度 = 足りない水素の数 ÷ 2 = 環と多重結合の合計
・式は ( 2C + 2 + N − H − X ) / 2。酸素・硫黄は無視、窒素は足す、ハロゲンは H と同じ
・ベンゼン環はいつも 4。4 以上なら芳香環をまず疑う
・三重結合は 2、C=O は 1。半整数が出たら計算ミス
・真価はスペクトルとの組み合わせ。IR の 1700 cm−1 ひとつで候補が激減する
・ただし環か二重結合か、どこにあるか、何の官能基かは分からない

よくある質問

不飽和度とは何ですか?

分子式から計算できる、環と多重結合の総数です。炭素がC個の飽和炭化水素は水素が2C+2個と決まっているので、実際の水素数との差を2で割れば求まります。水素が2個減る操作は環を1つ作るか二重結合を1つ作るかの2つしかないため、その回数がそのまま環と多重結合の合計になります。三重結合は二重結合2つぶんとして2と数えます。

酸素を式に入れなくてよいのはなぜですか?

酸素は手が2本で、2本で入って2本で出るだけなので、水素の数を変えないからです。エタンとエタノールを比べると、酸素が1つ差し込まれているにもかかわらず水素はどちらも6個のままです。硫黄も同じく2価なので無視できます。一方で窒素は手が3本あり、1本ぶん枝が増えて水素が1個多くなるため、式では足す必要があります。

ベンゼン環の不飽和度が4になるのはなぜですか?

環が1つと二重結合が3つあり、合わせて4だからです。ベンゼンの分子式C6H6で計算すると(12+2−6)÷2=4となり一致します。この4という値は構造決定で最もよく使う手がかりで、不飽和度が4以上と出たらまず芳香環の存在を疑い、NMRで6.5から8.0 ppm付近にシグナルがあるかを確認するのが定石です。

不飽和度は構造決定にどう使いますか?

数値を出したあと、その不飽和度を何が使っているのかをスペクトルで確かめます。たとえば不飽和度5で赤外吸収に1700 cm−1の強い吸収があれば、芳香環の4とカルボニルの1でちょうど使い切ると分かり、候補が数個まで絞られます。分子式ひとつと赤外スペクトル1本でここまで到達できるのが、この指標の強みです。

不飽和度だけで構造は決まりますか?

決まりません。環なのか二重結合なのかを区別できず、それがどこにあるかも、どんな官能基なのかも分かりません。炭素6個で水素12個の分子式は、シクロヘキサンともヘキセンとも読めます。不飽和度はあくまで候補を絞り込むための道具であり、赤外吸収や核磁気共鳴のデータと組み合わせてはじめて構造の決定につながります。

カズ塾有機化学 第1巻「基礎編」第1章 構造式という言語
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