二糖類 ( 改訂 2.0) α グルコース 2 つ マルトース β グルコース 2 つ セロビオースグルコースとフルクトース スクロース ( サッカロース ) スクロースだけは還元力をもたない 糖の脱水単糖 2 分子が脱水縮合すると二糖類ができる このあたりは計算問題よりも名前が必要となってくる 分

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1 単糖類 ( 改訂 2.0) C 6 H 12 O 6 グルコースの構造式は必須 α 型と β 型があるフルクトースは最も甘い単糖類は還元力を持つ グルコース ブドウ糖分子式は C 6 H 12 O 6 地球上に生きる生物にとって必要なエネルギー源であるブドウ糖である ブドウ糖は栄養補助食品として薬局にも売っている 構造式は必ず覚えること 6 個の炭素原子には番号がついている 上記 要点 の図のようにした場合, 右側から 1,2,3,4,5,6 の順である これは必ずしも覚えなくてもよいことではあるが, 知っていると便利である 1 番の炭素に結合するヒドロキシル基 OH の方向が違うだけの α 型と β 型がある 両方ともにしっかり覚えておきたい フルクトース 果糖構造は念のため覚えておいた方がいい 普通は 6 個の原子が環状構造を作っており, それを六員環というが, フルクトースは水中では結合が変わり,5 個の原子が環状となる五員環構造もとる 五員環構造は知っていて損はない フルクトースと α-グルコースが結合した二糖類のスクロースがたまに出題される フルクトースはすべての糖の中で最も甘い 還元性単糖類 C 6 H 12 O 6 はすべて還元力がある フェーリング反応, 銀鏡反応に陽性である 水に溶けると下のように鎖状となり, アルデヒド基を形成するからである フルクトースはケトン基を持つが, 水溶液中ではその隣の OH が移動して結局アルデヒド基を作るため, フルクトースも還元性をもつ また, フルクトースのように直鎖型構造のときにケトン基をもつ糖をケトースという c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

2 二糖類 ( 改訂 2.0) α グルコース 2 つ マルトース β グルコース 2 つ セロビオースグルコースとフルクトース スクロース ( サッカロース ) スクロースだけは還元力をもたない 糖の脱水単糖 2 分子が脱水縮合すると二糖類ができる このあたりは計算問題よりも名前が必要となってくる 分解する酵素 ( 加水分解における触媒 ) の名前もしっかり覚えたい 脱水によってできるエーテル結合の C O C はグリコシド結合とよばれる 2C 6 H 12 O 6 C 12 H 22 O 11 +H 2 O のように,2 つの単糖を脱水することでできる マルトース 麦芽糖 α グルコース 2 分子が脱水したもの 酵素マルターゼで分解できる 下図の右側で開環できるため, 還元力を有する セロビオース β グルコース 2 分子が脱水したもの 酵素セロビアーゼで分解できる 右側のグルコースは上下反転して結合している スクロース ショ糖 α グルコースとフルクトースが脱水したもの 分解酵素はスクラーゼ ( インベルターゼ ) となる 出題としては少ないが, 念のため覚えておきたい 構造式はあまり重要とはされないが, 書けるに越したことはない スクロースは還元性はない フルクトースが関連するショ糖の構造式の問題はたまに出題される また, 還元性に関してはよく出題される 二糖類はスクロースを除いて還元性がある 開環してアルデヒド基を形成する部分がグリコシド結合に使われているからである この理由は述べられるようにしておいてほしい この他二糖類にはラクトースなどがある c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

3 多糖類 ( 改訂 2.0) 単糖類が縮合重合したもので (C 6 H 10 O 5 ) n α グルコースが重合したものはデンプン β グルコースが重合したものは繊維デンプンはアミロース アミロペクチンセルロースは繊維 デンプンすべて α グルコースからできているもの (C 6 H 10 O 5 ) n で表される 途中, 枝分かれのないアミロースと, 枝分かれのあるアミロペクチンがある アミロースは 1 番と 4 番の炭素どうしがグリコシド結合したもので, らせん構造が長く, 水によく溶けてヨウ素液で青色に染まる またアミロペクチンは 1 番と 4 番のほか, 所々 6 番と 1 番の炭素どうしがグリコシド結合をする そのためらせんは短くヨウ素液ではアミロースほど鮮やかな色にならず, 赤紫色になる また, 水には溶けにくい デンプンはアミラーゼで加水分解され, デキストリンを経て二糖類のマルトースになる 例題デンプン 400g を加水分解して得られるグルコースの質量を有効数字 2 桁で求めよ C=12,H =1.0,O =16 解答 グルコース単位で考える デンプン 400g 中に含まれる α グルコース 1 単位の C 6 H 10 O 5 は式量 162 なので, グルコース単位は 400 mol が存在する これは分解して出 162 てくる α グルコース (C 6 H 12 O 6 分子量 180) のモル数そのものであるから, = ; g セルロース β グルコースが連結した糖類をセルロースという セルロースは植物の細胞壁などを構成する 水にも熱水にも溶けにくい糖である セルロースを溶かせる溶液としてはシュバイツァー試薬というものがある 酵素セルラーゼで加水分解され, セロビオースになる セルロースに無水酢酸 (CH 3 CO) 2 O を作用させて, ヒドロキシル基をアセチル化をしたものをアセチルセルロースという 例題セルロース 200g を完全にアセチル化するための無水酢酸の質量を求めてみる まず 200g に含まれる β グルコースは mol となる 糖を構成するグルコース単位 1 分子中にはアセチル化されるヒドロキシル基は 3 つあるので, この 3 倍のモル数の無水酢酸が必要となる 無水酢酸の分子量は 102 なので = ; g c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

4 アミノ酸 ( 改訂 2.0) α- アミノ酸は 1 つの炭素原子に水素, アミノ基, カルボキシル基が結合している他のアミノ酸とペプチド結合をする アミノ酸とはアミノ酸はカルボキシル基 COOH とアミノ基 NH 2 を持つ炭化水素である カルボキシル基のついた炭素から順に α,β,γ, δ, と続き, カルボキシル基とアミノ基が同じ炭素原子に結合しているものを α-アミノ酸とよぶ 高校化学では基本的に α-アミノ酸のみを扱う α-アミノ酸は 1 つの炭素原子に水素, アミノ基, カルボキシル基が結合しており, あと 1 つは任意である これをここでは X と書くことにする X が H となると, グリシンとよぶが, このように X の部分が何であるかによって別個に名前がつけられている 水溶液中での電離アミノ酸は親水基であるカルボキシル基とアミノ基を持つので水に溶ける このときカルボキシル基とアミノ基はそれぞれ COOH À COO +H + 1 NH 2 +H + À NH 3+ 2 のように電離する 水溶液の液性を塩基性にする (H + を減らす ) とルシャトリエの原理より,1の反応が右へ,2の反応は左へ平衡が移動し, その結果 COO が増えて NH + 3 が減る 水溶液の中では1,2の反応が同時に起こっており,pH によって右図の L,M,N の存在比が変化する また1と2 が同時に起こった状態である N は双性イオンとよばれる 等電点平衡を使い, うまく ph を調整すると L と M の濃度が等しくなり, このときの ph を等電点という L À N+H + K 1 = [N][H+ ] [L] N À M+H + K 2 = [M][H+ ] [N] の式において [L]=[M] であればよいので, 辺々かけ合わせると [M] と [L], そして [N] がすべて約分され,K 1 K 2 =[H + ] 2 となる 水素イオンの濃度が分かったので, 等電点は次のように表せる ph = log K 1 K 2 c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

5 タンパク質 (I) タンパク質の性質 ( 改訂 2.0) アミノ酸が重合した大きな分子タンパク質を構成するアミノ酸は 20 種類ビウレット反応に陽性その他反応を覚える水に溶けて親水コロイドとなる タンパク質の定義アミノ基とカルボキシル基が脱水して結合したものをアミド結合とよぶが,α-アミノ酸どうしのアミド結合はペプチド結合とよばれる アミノ酸が 2 つでペプチド結合が 1 つのものをジペプチド, アミノ酸が 3 つのものをトリペプチド と言い, 多くのアミノ酸が連結したものをポリペプチドという そして分子量が 10,000 以上 ( 一部 5,000 程度のタンパク質もある ) のポリペプチドがタンパク質である タンパク質の各種反応 ビウレット反応タンパク質の水溶液に水酸化ナトリウム水溶液と, 硫酸銅 (II) 水溶液を加えると赤紫色になる これはペプチド結合が 2 個以上ある場合のみ反応する アミノ酸が 2 個のペプチドではビウレット反応しない あくまでアミノ酸が 3 個以上つながっている必要がある キサントプロテイン反応タンパク質に濃硝酸を加えて加熱すると黄色い沈殿を作ることがある これはタンパク質内にあるベンゼン環がニトロ化されるためであり, キサントプロテイン反応とよばれる キサントとは, 英単語の xanthic( 黄色のという形容詞 ) で, プロテインは protein( タンパク質 ) である そのため, 構成アミノ酸としてフェニルアラニンやチロシンのようなベンゼン環を持つアミノ酸を含むものであればこの反応が起こる 硫黄反応構成アミノ酸としてシステインやメチオニンを含むタンパク質をまず水酸化ナトリウム水溶液に溶かして酢酸にて中和し, 酢酸鉛水溶液を加えて加熱すると黒色沈殿を生じる これは硫化鉛の沈殿であり, 硫黄反応とよばれる 普通のタンパク質はシステインの他, シスチンという, システインどうしが結合したものを含むため, 硫黄反応は一般的なタンパク質なら陽性となる 上記 3 つの反応はペプチドの構成アミノ酸決定の問題では重要な考え方である 例えばあるペプチドでビウレット反応は起こさなかったがキサントプロテイン反応と硫黄反応を起こしたとすれば, それはベンゼン環を持つアミノ酸と硫黄を持つアミノ酸で構成されたジペプチドと考えられる 例としてフェニルアラニンとシステインがペプチド結合したものとも考えることができる c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

6 タンパク質 (II) 酵素 タンパク質は立体構造らせんの α- ヘリックス構造ジグザグの β- シート構造酵素は生物体内での触媒最適 ph と最適温度がある タンパク質の構造前項 タンパク質 (I) で説明した通り, アミノ酸どうしがペプチド結合をし, 分子量が 5000 以上になったものをタンパク質という タンパク質のような長いペプチドはらせん構造であるα-ヘリックス構造やジグザグのβ-シート構造をとる またタンパク質は構成アミノ酸の種類によって特有の立体構造をとる これは 2 個のシステインの SH どうしが酸化されて S と S が結合した S S 結合もしくはジスルフィド結合とよばれるものと, 水素結合やファンデルワールス力などが複雑に絡み合っている 変性タンパク質は結構ヤワである 熱, 強酸, 強塩基, 水以外の液体, 金属イオンなどに弱く, 立体構造が変わってしまう これを変性という 酵素生体内では様々な化学反応が行われている たった今, あなたの体内でも無数の化学反応が進んでいる途中である その化学反応を触媒するものが酵素とよばれるものである 酵素はタンパク質でできている そのタンパク質の立体構造が標的となる物質と見事にハマるのである 酵素の標的となる物質を基質, 酵素タンパク質の, 基質と結合する部分のことを活性部位 ( または活性中心 ) という 酵素と基質が結合したものを酵素基質複合体という 酵素を構成するのもタンパク質なので, 独自の立体構造を持つ その立体構造により相手, つまり基質が決まるが, この性質を基質特異性という また, 温度や ph がちょうどよくないとはたらいてくれないのである ちょうどいい温度を最適温度, ちょうどいい ph を最適 ph という 人体の中にある酵素は最適温度は 37 前後, つまり体温と同じ温度が多い 最適 ph は種類によって違う 酵素はタンパク質なのでもちろん, 加熱すると変性してしまい触媒能力を失ってしまう ということは酵素として役に立たなくなる これを酵素の失活という 覚えてほしい酵素はいくつかあるが, 代表を挙げる その他は教科書などで確認してもらいたい デンプンを分解するアミロースがだ液の中に, タンパク質を分解するペプシンが胃液の中, トリプシンがすい液の中にある 油脂を分解するのはリパーゼである また, 過酸化水素を分解するカタラーゼが肝臓や血液中にある c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

7 合成繊維 (I) ( 改訂 2.5) ε- カプロラクタム 6- ナイロンヘキサメチレンジアミン + アジピン酸 6,6- ナイロンテレフタル酸 + エチレングリコール ポリエチレンテレフタラート 覚えるべき単量体合成繊維としてよく出題される 3 つを扱う それぞれ単量体の名前, 構造式と, 多量体の名前, 構造式を覚えるようにしたい そうすれば計算問題が出されても比較的楽に答えられる ここでは 6-ナイロン,6,6-ナイロン, ポリエチレンテレフタラートを扱う ポリエチレンテレフタラートベンゼン環に 2 つのカルボキシル基がパラ位に結合したテレフタル酸と, エチレングリコール (1,2-エタンジオール) はエステル結合を繰り返してポリエチレンテレフタラート (PET) を作る このように,2 種類の単量体から重合体が作られる反応を共重合という ペットボトルの他, オーディオテープや衣類のポリエステル繊維として使われている 6- ナイロンカプロラクタム ( 正式名称は ε- カプロラクタム ) を必ず覚えてもらいたい 5 つのメチレン基をアミド結合で閉じて 1 周した環状分子である カプロラクタムはいったん加水分解によりリングが切れて, アミノカプロン酸になる そこで他のアミノカプロン酸と再びアミド結合をして重合する これが開環重合であり,6-ナイロンができる 炭素原子が 6 個連続で続くためにこの名前となっている 6,6-ナイロン前述の 6-ナイロンの他, アジピン酸 HOOC (CH 2 ) 4 COOH ヘキサメチレンジアミン H 2 N (CH 2 ) 6 NH 2 とがアミド結合により共重合して出来上がる 6,6-ナイロンがある 例題 6,6-ナイロン 100g の中に含まれる窒素原子の質量を求めよ 有効数字は 2 桁で 原子量は H=1.0, C=12, O=16, N=14 重合度を n とすると 6,6-ナイロンの式量は 226n で, そのうち窒素原子は 28n に相当するので, n =12.38 ; 12g 226n c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

8 合成繊維 (II) ( 改訂 2.0) アクリロニトリルとアクリル酸メチルの共重合における計算練習ポリビニルアルコールは木工用ボンドの原料である酢酸ビニルから アクリル系繊維アクリロニトリル CH 2 =CH(CN) はビニル基にシアノ基が結合したものであり, アクリル繊維に使われる アクリル酸メチルなどとともに重合される 2 種類の単量体が重合される反応を共重合とよぶ 例題アクリロニトリルとアクリル酸メチルを 4:1の比で共重合した重合体に含まれる窒素原子の質量パーセントを求めよ ただし,C =12, H=1.0, N=14, O=16, 有効数字は 2 桁 解答 式量はアクリロニトリルが 53, アクリル酸メチルが 86 であり, 反応式は 4nCH 2 CH(CN) + nch 2 CH(COOCH 3 ) [ CH 2 CH(CN) ] 4n [ CH 2 CH(COOCH 3 ) ] n となる この重合体 1mol に含まれる窒素は 14 4n[g], 全体の質量, つまり分子量は 53 4n +86 n[g] なので 14 4n 100 = ; 19 % 53 4n +86 n ビニロンビニロンは複雑な反応を経て作られる 正誤問題でも出されることがあるので流れはしっかりおさえておきたい まずポリ酢酸ビニルのエステル結合をけん化によって加水分解し, ポリビニルアルコールを作る ビニルアルコールをそのまま付加重合することはできない なぜならビニルアルコールは非常に不安定で, すぐにアセトアルデヒドになってしまうからである ポリビニルアルコールはメチレン基 CH 2 が続くが,1 つおきの C ごとにヒドロキシル基 OH が結合している そこへホルムアルデヒドを作用すると, 脱水がおこり, 一種のエーテル結合ができる この反応をアセタール化といい, ここでできあがったものがビニロンである なお, ビニロンはすべてのヒドロキシル基をアセタール化するわけではない エーテル結合ビニロンは全体の 3 割程度しかアセタール化されない しかしアセタール化された部分は 2 個のエーテル結合を持つため, 水には溶けにくくなる アルコールポリビニルアルコールはその名の通りアルコールなのでヒドロキシル基をもつ ビニロンはアセタール化されずに残るヒドロキシル基が多いため, 水とはよく馴染み, 吸水性に富む そのため全ヒドロキシル基をアセタール化するわけではない c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

9 合成樹脂 ( 改訂 2.0) 覚えるべきプラスチックビニル基が付加重合してできた鎖式のものは熱可塑性立体網目構造のものは熱硬化性単量体をはっきり覚えておくべき 熱可塑性樹脂プラスチックは種類が多い 熱を加えても化学的な構造が変わらないものである アクリルプラスチックといってもさまざまなものがあるが, 代表としては硬くて透明なアクリルがある CH 2 =CH(COOH) がアクリル酸であり, このカルボキシル基側の炭素原子に結合している水素をメチル基にしたものをメチルアクリル酸, 略してメタクリル酸, さらにカルボキシル基をメタノールでエステル化したものはメタクリル酸メチルとなり, これを付加重合したポリメタクリル酸メチルがいわゆるアクリル素材である プラスチック板以外にも, コンタクトレンズや光ファイバーなどにも使われている スチロール用途は発泡スチロールや, 食品の容器などである スチレン CH 2 =CH(C 6 H 5 ) を付加重合したものである 塩化ビニル水道管などに使われる 塩ビ である これは塩化ビニル CH 2 =CHClが付加重合したポリ塩化ビニルのことである 化学薬品に強く, 熱に弱い ポリエチレン ポリプロピレンプラスチックでもよく見かけるのがこれである エチレン CH 2 =CH 2 やプロピレン CH 2 =CHCH 3 が付加重合したもので, バケツ, ケース, クリアファイルなどに利用されている 以上 4 つ, まずはこれらを覚えることから始まる 熱硬化性樹脂立体網目構造のものは熱硬化性のものが多い フェノール樹脂フェノールとホルムアルデヒドを共重合すると, ベンゼン環の水素とホルムアルデヒドの酸素原子とで脱水が起こり, 網目構造になる これをフェノール樹脂という 立体網目構造の熱硬化性樹脂である また, ベークライトともよばれ, プリント基板などにも使われている プリント基板というのは機械の中に入っており, 回路を固定するものである 中学の技術家庭などで組み立てた人も多いのではないだろうか 尿素樹脂尿素 (NH 2 ) 2 CO もホルムアルデヒドと共重合することにより, 尿素樹脂ができる アミノ基の H とホルムアルデヒドの酸素とで脱水が起こるのである 尿素樹脂はユリア樹脂ともよばれている 尿素樹脂の代表的な用途としては衣類のボタンなどが挙げられる c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

10 イオン交換樹脂 ( 改訂 2.0) 陽イオン交換樹脂 陽イオンを水素イオンに陰イオン交換樹脂 陰イオンを水酸化物イオンに両方使うと純水が得られる 陽イオン交換樹脂スチレンと p-ジビニルベンゼンを共重合させ, さらに濃硫酸を加えてベンゼン環の一部をスルホン化し, スルホ基をつけるなどの処置をとったものは陽イオン交換樹脂とよばれる つまり, ポリスチレンどうしが所々ベンゼン環でつながっており, さらにベンゼン環にスルホ基がついているものと考えればよい ここに塩化ナトリウム水溶液や塩化カルシウム水溶液などのイオン結合性の溶質を溶かした水溶液を通すと, 陽イオンであるナトリウムイオン Na + やカルシウムイオン Ca 2+ などがスルホ基で引っかかって代わりにスルホ基についていた水素イオンが外に出される 陽イオンが水素イオンになるため, 陽イオン交換樹脂に電解質水溶液を通した場合は一般的には ph は下がって酸性に近づく メチルオレンジを入れておいて陽イオン交換樹脂を使うと酸性になるため, 赤色に変色する 陰イオン交換樹脂陽イオン交換樹脂と同じようにスチレン,p-ジビニルベンゼンを共重合した樹脂に, トリメチルアミンという原子団に水酸化物イオンを結合させた N + (CH 3 ) 3 OH のような基をつけたものを考える ここに塩化ナトリウム水溶液や硫酸カリウム水溶液などを通すと, 塩化物イオン Cl や硫酸イオン SO 2 4 などの代わりに水酸化物イオンが外に出される このような樹脂のことを陰イオン交換樹脂という 陰イオン交換樹脂に水溶液を通すと水酸化物イオンが増えるので塩基性に近づく 例題硫酸ナトリウム水溶液 Na 2 SO 4 を陰イオン交換樹脂に通す 通した水溶液を 10m` を中和するのに 0.10mol/` 塩酸が 20m` が必要だった 初めの硫酸ナトリウム水溶液のモル濃度を求めよ 解答 求める濃度を x[mol/`] とする Na 2 SO 4 +2OH 2NaOH + SO 2 4 のように 1mol の硫酸ナトリウムから 2mol の水酸化ナトリウムができるため 2 価として扱う x = x = mol/` 脱イオン水陽イオン交換樹脂では色々な陽イオンが水素イオン H + となる また陰イオン交換樹脂では色々な陰イオンが水酸化物イオン OH となる ではこの 2 つの樹脂を同時に使って電解質の水溶液を接触させた場合はどうなるか これは H + と OH が出るので,2 つが結合して水が出る このようにして作られた水を脱イオン水という c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学