Organic chemistry

有機分子の書き方にはいくつかあります：

• 分子式は、各原子がいくつあるかを示し、例えば $\text{C}_2\text{H}_6$ のように表します。
• 展開式は、すべての原子とすべての結合を完全に描き出します。
• 構造式は、すべての結合を描かずに原子の配置を示し、例えば $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ のように表します。
• 一般式は、一つの系列全体に適用でき、例えばアルカンの場合 $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$ です。

同族体とは、同じ官能基を持つ化合物の系列です。官能基とは、その系列特有の化学的性質を与える原子または原子の集合体的なことです。系列内の成员は同じ一般式を持ち、各ステップで $\text{CH}_2$ 単位の差があり、化学的性質は類似しており、物理的性質は段階的に変化します。

飽和化合物は炭素-炭素結合が単結合のみです。不飽和化合物は、単結合ではない炭素-炭素結合（C=C二重結合など）が1つ以上あります。

異性体とは、同じ分子式を持つが異なる構造式を持つ化合物です。例えば、$\text{C}_4\text{H}_{10}$ は直鎖也可以是分岐鎖也可以是。

名前の末尾は系列を示します：

名前の冒頭は炭素原子の数を示します：meth- = 1, eth- = 2, prop- = 3, but- = 4。 longer alkenes and alcohols 的情况下，数字表示官能基的位置，例如 but-1-ene 和 but-2-ene，或者 propan-1-ol 和 propan-2-ol。

3つの化石燃料は、石炭、天然ガス、および石油（原油）です。メタンは天然ガスの主な成分です。

炭化水素とは、水素と炭素のみからなる化合物のことです。石油は、多くの異なる炭化水素の混合物です。

分馏

石油は分馏によって有用な画分に分離されます。混合物を加熱すると、異なる炭化水素が気体となり、高い分餾塔を上升します。塔は下部が熱く上部が冷たいため、各画分は異なる高さで再び液体に戻ります。

塔の下から上へ向かうにつれて、画分には以下の特徴があります：

• 短い鎖長（小さな分子）；
• 高い揮発性（より easily 気体になりやすい）；
• 低い沸点；
• 低い粘度（より流動的である）。

アルカンは単結合のみを持つため、飽和炭化水素です。一般的に反応性は低いです。重要な2つの反応は以下の通りです：

• 燃焼：十分な酸素中で燃え、二酸化炭素と水を生じます。
• クロリムによる置換反応。

置換反応では、ある原子（または原子の集団）が別の原子に置き換わります。アルカンは紫外線下でのみクロリムと反応します。これは光が活性化エネルギーを提供する光化学反応です。例えば：

アルケンは炭素-炭素二重結合（C=C）を持つため、不飽和炭化水素です。

分解

大きなアルカン分子は有用ではありません。分解は、高温と触媒を用いて、これらをより有用な小さい分子（小さいアルカンとアルケン）に切断します。分解により水素も生成され、プラスチック製造用のアルケンも得られます。

** worked example. ** デカンの分子1つ$\text{C}_{10}\text{H}_{22}$をクラックすると、オクタン$\text{C}_8\text{H}_{18}$ともう一つの生成物が得られる。それを見分け、2つの生成物を区別する方法を述べよ。原子は保存されるので、引き算を行う：炭素$10 - 8 = 2$、水素$22 - 18 = 4$。残りの生成物は$\text{C}_2\text{H}_4$、エチレンである。これはアルケンであり、$\text{C}_n\text{H}_{2n}$ に適合するためである。これらを区別するには、それぞれにオレンジ色の臭素水を加えて振る。エチレンにはC=C結合があるため臭素水を脱色させるが、オクタンは飽和しており、橙色のまま残す。クラック反応の式を平衡させるには、両辺の原子数を数え、アルケンは残った分として求める。

アルケンの反応

C=C二重結合により、アルケンは反応性を示します。これらは付加反応に参加し、2つの分子が結合して単一の生成物となります。

• 不飽和度のテスト：化合物を臭素水（橙色）と振る。アルケンは臭素水を無色にし、アルカンは変化させない。

• 水素とニッケル触媒を用いると、アルケンはアルカンになります。
• 蒸気と酸触媒を用いると、アルケンはアルコールになります。

アルコールは-OH官能基を含みます。最も重要なものはエタノールです。エタノールの合成には2つの方法があります。

発酵では、酵母がブドウ糖をエタノールと二酸化炭素に変換します。

エタノールは燃焼性が高いため、燃料として使用されます。また、多くの物質を溶解するため、溶媒としても使用されます。

カルボン酸は-COOH官能基を含みます。酢酸が知っておくべきものです。他の酸と同様に、以下と反応します：

• 金属 → サルト＋水素；
• 塩基 → サルト＋水；
• 炭酸塩 → サルト＋水＋二酸化炭素。

生成されるサルトは酢酸塩と呼ばれます。

酢酸は、酸性化した高マンガン酸カリウム(VII)を使用するか、酢製造中に細菌によって行われるエタノールの酸化によって製造できます。

カルボン酸がアルコール（酸触媒を使用）と反応すると、エステルが生成されます。例えば、エタノール + エタン酸 → エチルエタン酸エステル + 水。エステルの官能基は$-\text{COO}-$であり、2つの親化合物から名付けます：アルコールの部分が**-yl接尾語（エチル）で始まり、酸の部分が-oate**接尾語（エタン酸エステル）で終わります。表示式は$\text{CH}_3\text{-COO-CH}_2\text{-CH}_3$です。

ポリマーとは、モノマーと呼ばれる小さな分子が多数結合して作られた非常に大きな分子のことです。

付加重合

付加重合反応では、不飽和なモノマー同士が結合し、他の生成物は生じません。例えば、多くのエチレンのモノマーが結合してポリエチレン（poly(ethene)）を作ります。鎖に沿って繰り返される小さな部分は繰り返し単位と呼ばれます。

縮合重合反応

縮合重合反応では、モノマー同士が結合するたびに結合が形成され、その都度小さな分子（通常は水）が失われます。これにより2つの重要な種類のポリマーが生成されます：

• ポリアミドは、ジカルボン酸とジアミンから作られます。ナイロンはポリアミドの一種です。
• ポリエステルは、ジカルボン酸とジオールから作られます。PETはポリエステルであり、元のモノマーに分解されて再び製造することが可能です。

モノマー同士を結びつける新しい結合は結合部と呼ばれます。ナイロンのようなポリアミドにおけるアミド結合部（$-\text{CO-NH}-$と表記）、PETのようなポリエステルにおけるエステル結合部（$-\text{CO-O}-$と表記）があります。繰り返し単位は角括弧で描かれ、例としてナイロンは$-[\text{CO-}(\text{CH}_2)_4\text{-CO-NH-}(\text{CH}_2)_6\text{-NH}]-$となります。試験では、描かれた繰り返し単位の中で結合部を囲むよう求められることがあります。

プラスチックと環境

プラスチックはポリマーから作られています。多くのプラスチックは分解されないため、廃棄物の処理が課題となっています：

• 埋立地に蓄積します；
• 海洋に溜まり、海洋生物に害を及ぼします；
• 燃焼させると有毒ガスが発生することがあります。

タンパク質

タンパク質は天然のポリアミドです。アミノ酸のモノマーが長い鎖で結合して作られています。

• 各相同系列を官能基と一般式によって学びます：アルカンの$\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$、アルケンの$\text{C}_n\text{H}_{2n}$、アルコールの$-\text{OH}$、カルボン酸の$-\text{COOH}$。
• 臭素水による不飽和度のテスト：C=Cを含むアルケンはオレンジ色の臭素水を無色に変化させ、アルカンは橙色のままにします。
• クラッキングは、熱と触媒を用いて、大型で有用性の低いアルカンを小型のアルカンやアルケンに分解するプロセスです。
• エタノールの製造には2つの経路があります：ブドウ糖の発酵（再生可能だが、遅く不純物を含む）と、エチレンへのスチーム添加（速く純度が高いが、石油由来である）。
• 付加重合は不飽和なモノマーを結合させて他の生成物を生じさせず、縮合重合はモノマーを結合させるたびに小さな分子（通常は水）を失います。