同一化合物、構造異性体、立体配置異性体のどれですか

質問

画像の化合物の組ア～エについて、同一化合物、構造異性体および、立体配置異性体のどれかかを教えてください。

なぜそうなるのかという解説を簡単で構いませんので、できれば入れてくださるよう、お願いいたします。

回答No.4

phosphole · ベストアンサー

No2です。
間違いがありましたので、訂正いたします。申し訳ございません。
（エ）の解説で、立体配置異性体なのは良いのですが、「エナンチオマー」の関係ではありませんでした。これはジアステレオマーです。
エナンチオマーというのは、２つの構造を比べたとき、鏡で写した関係になっているものを言いますが、分子内に複数の不斉点があるときは、全ての不斉点が反転した構造になります。なので、２つ不斉炭素があるとして、一方の異性体が（R,R）の組み合わせなら、もう一方は（S,S)となります。
ところが、（エ）の問題の構造では、片方の炭素については２つの構造で置換基の配置が同じとなっていますので、この不斉炭素については鏡像関係がありません。上のR,S表記でいうと、たとえば、一方の異性体は（R,S)で、他方は（S,S)となっている、という状態です（なお、ここのR,Sは適当なことを書いているので、正しいものはご自分で確認してください）。
これはジアステレオマーの関係にあります。
なお、エナンチオマーとジアステレオマーというのはややこしいように感じるかもしれません。たしか、高校まではジアステレオマーは習わなかった気がします。
ただし、両者は決定的な違いがあって、ジアステレオマーというのは物理的・化学的な性質が違います。たとえば、融点や沸点、あるいは化学的な反応の様子などに差が出てきます。エナンチオマーの場合は、反応・相互作用する相手もキラルでない限り、そのようなことは生じません。

お礼

とても詳しく説明していただき本当に助かりました。しっかり見分けられるように確認しておこうと思います。ありがとうございました。

回答No.3

nananotanu

No.2さん、有難うございます。

回答No.2

phosphole

（ア）これはわかりにくいかもしれませんが、同一化合物です。異性体の用語でいうと、立体配座異性体というやつです。ようするに、分子の結合軸の回転や、環の反転でお互い重ねあわせることができる、ということです。
まず、右左の構造について、メチル基とヒドロキシ基のいち関係を判断しないといけません。どちらも1,3-シスの関係になっていることは分かりますか？
1,3-シスの二置換シクロヘキサンの構造を確認してください。
問題ではイス型の図で描かれていますが、平面型の構造式で、くさび・点線で置換基をつけると簡単です。どちらもシスなので、どちらも六角形の1,3-位にくさび・くさびで置換基が付きます。同じ絵です。
イス型で考えると少しややこしいですが、同じです。左の構造を環反転させると、ヒドロキシ基のついていた炭素が上の方に尖った形（いすの背もたれ）に来て、ヒドロキシ基は環の上側に伸びます。メチル基の炭素はいすの座面（？）に来て、メチル基も環の上に伸びます。この構造をくるっと回すと、左のイス型と同じです。

（イ）同一化合物です。
有機化合物の光学異性が生じるパターンの一つを習われていると思います。注目している炭素に4つ異なる置換基がついたとき、光学異性体（より詳しくはエナンチオマー）が生じます。本問題では、メチル基二個・クロロ基一個・ヒドロキシ基一個なので、条件を満たしません。問題にかかれている図は、ちょうど右の構造を鏡で反転したのが左の構造になっていますので、もしも両者が重ならなければこれらはエナンチオマーの関係となります。しかしながら、ちょっと操作すると同じ構造であることがわかります。右の構造に対して考えると、分子の真ん中の炭素を軸として、上のメチル基を下に、下のメチル基を上に、ちょうど180度回してください。2つのメチル基の位置が入れ替わることになります。このとき、右のクロロ基は左に、左のヒドロキシ基は右に移動して、左の分子構造と同じことになります。

（ウ）これは簡単で、立体配置異性体（のうちのエナンチオマー）です。
右の構造について、シクロペンタン環に並行に鏡を置いて、鏡像を作ってみてください。
鏡像が左の構造になることがわかります。
さて、これらが重なるかどうかですが、どうやっても置換基どうしを完全に重ねられません。

（エ）立体配置異性体（のうちのエナンチオマー）です。
右のニューマン投影図で描かれた構造を、上からつまんでくるっと180度回してください。投影図の紙面奥の炭素が手前に、紙面手前の炭素が奥に、ちょうど入れ替わることになります。2つの炭素についていた置換基は、この回転の軸（2つの炭素をつなぐ軸の中点を通る）の周りを回転して、ちょうど１８０ど反対側に移動します。したがって、もともと手前にあった炭素についていた置換基としては、ヒドロキシ基は右奥、水素は左奥、メチル基はそのまま下に移動するので、左の構造式の紙面奥の炭素についている置換基と位置関係は同じです。一方、もともと奥にあった炭素についていた置換基は、メチル基はそのまま上、クロロ基は右手前、水素は左手前に移動します。これは、右の構造式の手前の炭素の置換基の位置関係のちょうど鏡写しとなっています。もう少し考えたければ、2つの炭素のR,Sのキラリティーを決めてみてください。

回答No.1

nananotanu

先ず、用語の解説から

分子を構成する子の種類と数が同じ（即ち、組成式が同じ）でも、物質が全く同じとは限りません。
同じときは当然同一化合物です。物質としては違う物質になってしまうもの同士を総称して「異性体」といいますが、ご質問の構造異性体、立体配置異性体はそれぞれ『原子同士のつながり方が違うもの(簡単な例として、5つの炭素が直線に繋がったものに、メチル基が1個枝分かれで加わった分子を考えると、枝分かれの位置によって、端の炭素から枝分かれしたもの(結局、6つの炭素の直線分子になる)、端から2番目の炭素から枝分かれしたもの(右から2番目でも左から2番目でもひっくり返せば同じなので、その2つは区別しない)、真ん中の炭素原子から枝分かれしたもの、が考えられます。それぞれ物質としては全く異なるものです。)』、『原子の種類と数，さらにそれらの結合する順序が同じでありながら，分子の三次元的構造が異なるもの(平面として書いた”構造式”は同じだが、立体構造が異なるもの)』です。
それから、ご存知だと失礼なのですが、念のため図も見方を説明すると、例えば(イ)では結合を表す線に3種類あるのが分かるかと思います。これらはそれぞれ　実践⇒紙面内にある結合、黒塗りつぶし三角⇒紙面から手前に飛び出た結合、点線になった三角(と言いますか、通じますように)⇒紙面の裏へと引っ込んだ結合、です。即ち、(イ)の（左側の）分子を例に説明すると、中心の炭素原子と上に伸びた方のメチル基の炭素原子とOHの酸素原子が面上に有り、Clの塩素原子が紙面より上に浮き出て、左下に伸びた方のメチル基の炭素原子が紙面より下にあります。

解り易い順に説明しますね。
(エ)左右前後が入れ替わって、上下だけ入れ替わっていません(OHと一緒に付いている方のメチル基が下、Clと一緒に付いている方のメチル基が上)よね。即ち、右の分子を前後(この図でいうなら裏表、とでも言いましょうか)裏返すと同じものになりますので、『同一化合物』：この紙面に対し棒が2本たっていると思って下さい。左と右は、同じ棒を『どっちの端から見通しているか』の違いだけで、棒自体は同じです
(イ)どちらも原子の並び方は同じですが、OHが向かって右に来るか左に来るかの立体構造が違いますね。あるいは、OHの向きが揃うように右の分子を裏っ返したと考えればClとCH3がそれぞれ紙面より上か下かが逆になるので立体構造が違うと分かります(いわゆる右手と左手の関係、あるいは鏡像関係、ですね)。従って『立体配置異性体』
(ウ)(イ)の問題とは、分子の置き方が逆になっている、とでもお考えください。今度は、OHが向かって左、CH３が向かって右、と分子の置き方も揃っています。原子の種類と数，さらにそれらの結合する順序まで一緒で、同一化合物に思えそうですが、先にお知らせした『結合の線の見方』を思い出してください。左の分子はOHが手前CH3が奥に飛び出しているのに対し、右の分子ではOHが奥にCH3が手前に、となっています。立体構造が違うと分かります。よって『立体配置異性体』
(ア)これも、右の分子を裏表ひっくり返すと、どちらの分子もOHが手前で左、CH3が手前で右、になりますから同一化合物に一瞬思えてしまいますが、炭素原子６つか作る六角形の構造(ひずんでいますが、大雑把に平面ととらえましょう)を考えた時に左の分子は面に水平にOHやCH３が繋がっているのに対し、右の分子では六角形の面に対し垂直に立つような感じで繋がっています。立体構造(だけ)が違うので、『立体配置異性体』

途中、片方の分子を裏返したりしたように、先ずは2次元的に形(原子同士の繋がり方)が揃うようにあわせていて、そのうえで三次元的構造が同じか(面から飛ぶ出しているか引っ込んでいるか、など)、を確かめると良いですよ。