単 糖 類
(改訂2.0)C
6H
12O
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C6H12O6。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C6H12O6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。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。 2C6H12O6→ C12H22O11+ H2O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。多 糖 類
(改訂2.0)単糖類が縮合重合したもので
(C
6H
10O
5)
nα
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。(C6H10O5)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C6H10O5は式量162なので， グルコース単位は400 162molが存在する。これは分解して出 てくるαグルコース(C6H12O6分子量180)のモル数そのものであるから， 400 162× 180 = 444.4 · · · ; 4.4 × 10 2g □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(CH3CO)2O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200 162mol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 200 162× 3 × 102 = 377.7 · · · ; 3.8 × 10 2g □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−NH2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 −NH2+ H+À −NH3+· · ·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−NH3+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。 LÀ N + H+ K1= [N][H+] [L] NÀ M + H+ K2= [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，K1K2= [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√K1K2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。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。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− (CH2)4− COOHヘキサメ チレンジアミンH2N− (CH2)6− NH2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， 100 226n × 28n = 12.38 · · · ; 12g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CH2= 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 4nCH2CH(CN) + nCH2CH(COOCH3)→ [−CH2CH(CN)−]4n[−CH2CH(COOCH3)−]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 53× 4n + 86 × n× 100 = 18.79 · · · ; 19％ □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CH2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。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。 CH2 = 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CH2= CH(C6H5) 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CH2= 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CH2 = CH2やプロピレンCH2 = CHCH3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(NH2)2CO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。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Ca2+ 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+(CH3)3OH−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SO42−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Na2SO4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。Na2SO4+ 2OH−→ 2NaOH + SO42−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× 10 1000× 2 = 0.10 × 20 1000× 1 ∴ x = 0.10 0.10mol/` ●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。
