エチレン分子ガラスストラップ

この前近くの「丸善&ジュンク堂書店」に行った時、何かのフェアだったのか化学書籍コーナーに化学グッズがたくさん置いてありました。

周期表ポスター、周期表マグカップ、分子ストラップ、分子模型セット・・・・・

その中で、こんな珍しいストラップを発見。

ガラスストラップ～エテン～（写真はamazonより）

よくお土産にあるような、ガラスの内部をレーザーで彫った立体的なアレです。

「すごい！綺麗！珍しい！"買い"だ！！」

と思って即購入。

値段も398円ととても安価。

Ethene（エテン）という文字とCH₂=CH₂の立体構造と、C-C間にある結合性π軌道も彫られていてマニアックで美しい！！


ちなみに、エテンとはエチレンのIUPAC正式名称です。

炭素数2のアルケンなので、基本の「Ethane（エタン）」の「-ane（アン）」を「-ene（エン）」に変えて「Ethene」（エテン）です。


以前紹介した、ケータイに付けていた分子模型ストラップ（『グッズ集め』（2011/1/4）参照）がちょうど千切れてしまったところだったので、今回購入したエテンストラップをケータイに装着。

エテン分子ガラスストラップ付きケータイ 2012/03/09筆者撮影

あと、同じシリーズで硫酸銅(II)五水和物のストラップも売っていたのですが、ちょっと造形が細かすぎて見えにくくて微妙だったので買いませんでした。
（あと、硫酸銅よりエチレンの方が好きだったというのも大きいですが。）

ガラスストラップ～硫酸銅(II)五水和物～（写真はamazonより）

なんしか見たことなくてレアだったのが買った決め手だったのですが、数日前amazonでも売っていることに気づいてしまった！
（上の写真の出典でもうすでに気づいていた人もいると思いますが（笑））

くそう！いつもいつもamazon品ぞろえ良すぎだって！便利だけど店頭で発掘するという楽しみもなぁｳﾝﾀﾗｶﾝﾀﾗ・・・

ついでに、同じシリーズでベンゼンストラップもあったことも知ってしまった。

ガラスストラップ～ベンゼン～（写真はamazonより）

う～む、どちらかというとエチレンよりこっちの方が欲しかったかも・・・

このベンゼンストラップも、π軌道も彫られているようですね。

たぶん丸善&ジュンク堂書店もベンゼンだけ入荷しないというのはないだろうから、たぶん圧倒的にベンゼンが人気で売り切れたのでしょう。

エチレンと硫酸銅も、在庫が明らかに エチレン＜＜硫酸銅 だったし。

分子にも人気の序列がありますよね。
（硫酸銅は分子じゃないけど。）

たぶんベンゼンと、あとエタノールは群を抜いて人気な分子だと思います。

ベンゼンストラップどうしよう・・・amazonで注文しよっかなぁ・・・・


◎ オススメ
　　

化学ビデオ講座No.4 ：炎色反応

久々に化学ビデオ講座。

今回は炎色反応（英：Flame test）。

花火などに応用され、金属元素が美しい光の舞台を演出します。

ちなみに、一族・二族の金属以外にも、銅などの遷移金属やホウ素等の半金属元素も炎色反応を示します。

英語の説明、字幕も参考に見てみてください。



化学ビデオ講座No.4 ：炎色反応

◎ 元素と炎の色（画面右から順に）

・ アルコール（ベースの炎；比較用）：青色

・ Ba ：黄色～くすんだ黄色

・ B ：緑色

・ Sr ：紅色

・ Ca ：橙色（※ 色が弱く、アルコールの青色の炎がいくらか見えている。）

・ Li ：赤色（※ 動画では不純物でオレンジ色に見えている。）

・ Na ：黄色（※ ナトリウムは英語でソディウムsodiumと言います。）

・ Cu ：青緑

・ K ：紫～藤色（※ カリウムは英語でポタシウムpotassiumと言います。）



炎色反応は三段階のメカニズムで起こる；

(1) 加熱により金属や金属塩が揮発し、原子化する。
（※ 原子まで分解しない場合もあり。詳しくは「炎色反応：ストロンチウムは分子発光！」）

(2) 生じた金属原子の価電子が熱励起され上位の軌道に飛び上がる。

(3) 電子が元の軌道に落ちてくるとき、軌道間のエネルギー差の分の光を出す。


例えばナトリウムの場合なら(2)→(3)は次の図のようになる。

ナトリウムの炎色反応の原理

ナトリウムの場合は価電子である3s軌道の電子が1つ上のエネルギー準位である3p軌道に移り、次に3p→3sと落ちることでその差のエネルギーの光（波長 = 589 nm；黄色に相当）を放出するのである。
（※ 高校で習う「電子殻」はさらに「軌道」というものにわかれている。Naの最外殻であるM殻の中には3sと3pという二つの軌道（電子の座席）があるのである。）

ちなみに、高速道路のトンネルなどでよく見かけるナトリウムランプも同じように真空管に封入したナトリウム原子を励起し、黄色の光を放出しているのである。
（ただし、火であぶっているのではなく、電圧をかけてアーク放電を起こして励起している。）

さらにちなみに、料理をしているときにナベが噴きこぼれてオレンジ色の火が上がることがあるが、これは食塩のNaの炎色反応が見えているとのこと。


また、(1)の分解反応が起こりにくい金属塩は炎色反応を起こしにくい。

例えば塩化銅はバーナーであぶると青緑に光るが、酸化銅はいくら加熱しても光らないことは経験的に知っているだろう。

これは酸素と銅の結合力が強くて揮発しないからで、一方特に金属塩化物は揮発・原子化しやすい。



◎ 参考

• 『Newton 完全図解周期表』, 玉尾皓平, 桜井弘, 福山秀敏 著, ニュートンプレス (2006/12)

今日の分子No.78 ：コレステロール

数日前にツイッターで少し触れたコレステロール。

今回はこの分子を少し詳しく見ていきます。



今日の分子No.78 ：コレステロール　C₂₇H₄₆O

Jmolで描画

生体分子の一群「ステロイド」の中の一種。

脂質の一種でもある。

「コレステロール」という名前の通り、アルコール（○○オール）である。

生化学的にみると、イソプレン単位6つからなるトリテルペンの誘導体である。

コレステロールのステロイド環

60 kgのヒトの体内には約175 gのコレステロールが含まれているらしい。

この分子は取り過ぎたりすることで動脈硬化等の生活習慣病を引き起こすことは一般的によく知られている。

動脈硬化は、主にコレステロールと炭水化物が動脈にお粥のような沈殿を作り、そこに血漿の中からカルシウムイオンが蓄積されていって硬くなるという病気である。

☆ 動脈硬化はギリシャ語でatherosclerosis；「硬いお粥」という意味。


だからコレステロールというと悪者のようなイメージがあるが、実は生物にとってとても大切な物質である。

大きな役割はふたつあり、

1. 他のステロイド物質（ホルモンや胆汁酸など）の生合成原料となる。

2. 細胞膜の成分として機能。（後述）

である。

人間はコレステロールを食事で摂取して生体機能物質として使っている。

なお、いくら「コレステロールは嫌だ！」と言って食事で摂らなかったとしても、1日に約800 mg（成人）のコレステロールが体内で合成されている。

わざわざ体内で合成するほど大切な分子なのである。



◎ コレステロールの細胞膜の成分としての働き

コレステロールが生化学的に重要であることの例として、細胞膜の成分としての働きについて書きます。

まず予備知識の確認から。

生物の細胞を覆う細胞膜はリン脂質というある種の界面活性剤でできています。

リン脂質は、トリグリセリドである油脂のカルボン酸残基の1つがリン酸（のエステル）残基に置き換わった分子です。

リン脂質の構造（ホスファチジルコリン）

これは「頭が親水性、足が疎水性」でセッケン分子とよく似ています。

しかし一本足のセッケン分子がミセルを作るのに対して、リン脂質は二本足になることで「脂質二重層」という二重になったミセルのような集合体を作ります。

これがまさに細胞膜なのです。

細胞膜はリン脂質の集合体

また、これを見るとすぐわかるように、細胞膜は割とふにゃふにゃです。

この中途半端な膜構造が、細胞膜の自由な流動性と物質の透過性を担っているのです。

しかしさすがにこれだけでは柔らかすぎて頼りない。

ではどうしているかというのが本題です。



さて、ではコレステロールの話に移りましょう。

コレステロールの分子構造を見ると、親水性の-OHと、疎水性のステロイド環＋アルキル基を持っていることがわかります。

そう、似ているのです。

細胞膜は上記のようにリン脂質が並んだものですが、コレステロールはそのリン脂質とリン脂質の間にうまく割り込みます。

細胞膜のリン脂質の間に割り込んだコレステロール

するとどうでしょう。

コレステロールの硬くてほぼ平面のステロイド環は、リン脂質とリン脂質を疎水性相互作用で糊のように繋ぎます。

そうすることで、コレステロールは膜の構造的堅さの維持に役立っているのです。

一方で、コレステロールには自由自在にクネクネ曲がる「尾」（アルキル基）が付いています。

これがあることでコレステロールが入っても膜の流動性は損なわれません。

もしこれがないとコレステロールが細胞膜をガチガチに固めてしまって使い物にならなくしてしまうかもしれません。

このように、コレステロールはその絶妙な化学構造で膜の安定性維持に役立っているのです。

また、コレステロールは膜が結晶化するのを防ぎ、流動性を維持するという働きもしているようです。


以上、コレステロールは細胞膜にとってとてもとても大切な物質であるということがわかったと思います。

「悪者」という誤解をしてあげないでください。

縁の下の力持ち、コレステロール分子は細胞膜で頑張っています。

ちなみに「ではどのくらい細胞膜にコレステロールが入っているのか？」ということが気になってきますが、なんと例えば肝細胞では膜脂質の約25%がコレステロールであるそうです。

そのくらい細胞には多く含まれていて、大切な物質なのです。



◎ 参考

• 『アトキンス 分子と人間』, P. W. Atkins著, 東京化学同人(1990)



• 『パソコンで見る動く分子辞典』本間善夫, 川端潤著, 講談社(2007)



• 『マクマリー生物有機化学（生化学編）』, John McMurry著, 丸善(2010)



• 『Organic Compound Bible』, Ka Man Fong(2011)

分子紹介書籍；『アトキンス 分子と人間』『パソコンで見る動く分子事典』

昨日、近くのMARUZEN＆ジュンク堂書店で筆者の思い出の本『アトキンス 分子と人間』（日本語訳版, アトキンス著, 東京化学同人）を購入しました。

『アトキンス 分子と人間』（画像はamazonより）

とても思い入れの強い本です。

っというのも、筆者が「分子ヲタク」になった原因はこの本だからです。

中学の図書室にあって、誰も借りないので当時中学3年生だった筆者は卒業まで半年以上ずっと借りてて毎日学校に持って行っていました。

それ以前から化学が好きだったんですが、この本がそれを一気に加速させました。

今回、その懐かしの本をついに購入したのです。
（近くになかなか売ってる書店がなくて、この店で初めて発見。）


ものすごく魅力満点な本です。

簡単に言うと、分子の紹介本。

カラフルな分子の充填モデルが描いてあって、綺麗な参考写真、的確で詳しくユーモアもある面白い説明文がたくさん。

索引や序章を除くと約160ページで160の分子について書いています。

1ページ1分子くらいの割合なので、大きな図、多くの説明で充実した内容。

大体こんな感じの配置↓

『アトキンス 分子と人間』の分子説明ページ（見開き）のイメージ。
☆ サイズはA4変版で大きくて見やすい本です。

特に図や写真で直観的に理解できるため、個人的には特に中学生くらいの年齢の方に読んでほしい。

「分子には形や大きさがある～」「1分子1分子個性があって面白い～」「こんな身近な所にも分子が～」っと、分子たちをとても身近に、フレンドリーに感じられること間違いなしです。

また、序章に原子と分子とは何か、構造式の書き方読み方、官能基、結合の種類など、基礎知識が書いてあるため初学な中学生でも十分に分子を楽しめるのです。

この序章は結構しっかりしたところまで書いてあって、中学生であった筆者はたぶん学年で唯一「線図」（Hを省略した構造式）の読み書きができる子になった。

しかもこの説明がめちゃくちゃわかりやすい。さすがアトキンス先生！


☆ Peter. William. Atkins（1940～）

オックスフォード大学の物理化学の教授。

『アトキンス物理化学』、『シュライバー・アトキンス 無機化学』、『新ロウソクの科学』等、ものすごく広い範囲の化学の本を出版しているすごい先生。

その博識ゆえに『アトキンス 分子と人間』で取り上げた分子やその説明文も詳しく、広い視点で、そして面白い。


ちなみに、「中学生向け」と書きましたが、高校生でも大学生でも読むととても面白いです。

筆者もさっき超久々に読んでみると

「プトレッシン（NH₂CH₂CH₂CH₂CH₂NH₂）・・・？何それ読んだはずなのに忘れてる・・・ほ～口臭にも含まれる腐ったニオイの分子とな！」

とか

「なるほど、ポリスチレンがポリエチレンほど弾性がないのは、フェニル基の相互作用が強くて鎖が動きにくいからなのか。当時は理解できてなかった・・・」

っと、楽しんでます。

なかなかマニアックで、高校や大学の化学を勉強した人でも楽しめます。



さて、『アトキンス 分子と人間』は素晴らしい「分子の本」ですが、筆者はもう一冊『パソコンで見る動く分子事典』（本間善夫・川端潤著, 講談社）という本もお勧めしたい。

この本も1ページに1分子の構造と説明文が載っている、分子とお友達になれる本です。

筆者の『アトキンス 分子と人間』（左）と『パソコンで見る動く分子事典』（右）
この二冊は筆者の化学人生に大きな影響を与えた、思い入れの強い書籍。

これも筆者の大好きな分子紹介の本。

この本は筆者が高校生の頃購入して毎日のように学校に持って行っていた本です。

一方こっちは個人的には高校生以上向け。
（数値・物理化学的計算等アドバンスな内容が載っている。白黒で文字が小さい。等の理由から。）

こちらも内容は分子の構造、利用法や豆知識。

比較的新しく（2007年出版）なのでトレンドな内容も取り扱っていて面白い。

分子の系統名、性状、匂いや、融点、沸点等の数値データも載っていて詳しい。

さらに物理化学的な意味や、分子の立体化学等アドバンスなコラム等も多数。

現在の筆者の脳内分子図鑑に大きなウエイトを占める主力武器。


そして何よりも特筆すべき点は3Dの分子の立体構造データ集付きのJmolのDVD-ROMが付いていること。

これをパソコンにインストールすると、3Dの分子を自由に回転させたりして分子の立体構造を楽しむことができます。

『パソコンで見る動く分子事典』付属ソフト（Jmol）の実行イメージ。

直観的に分子と触れ合えること間違いなし。


以上、2つの書籍を紹介しましたが、筆者個人はこういう「構造モデルを主体とした分子の紹介本」はとても重要だと思います。

構造式を覚えるんじゃなくて、分子モデルで大体のイメージをつかむ。

構造式では伝わらない立体感も分子モデルではわかる。

このHPの分子紹介もできるだけ3Dの分子モデルを使うようにしています。

筆者は「分子には形と大きさがある」と、分子をモノとして具体的にイメージしてもらいたいです。


また、化学は官能基の種類や構造などで複数の分子の間に共通性を見出していく所がありますが、逆に個々の分子の性質を知ってからそれらの性質を支配する物理化学的な意味を理解してゆくのも良いと思います。

実際にこの世に存在している分子は、具体的な構造を持ったものであるわけですから。


分子と友達になるのは楽しいですね。



◎ オスススメ

オルト・メタ・パラ、そしてイプソ！

前回記事と関連して、今日はベンゼン置換体の「位置」について。


高校の化学Iで習う、ベンゼン置換体の「オルト」、「メタ」、「パラ」。

フェノールはオルト・パラ配向性だとか、ニトロベンゼンはメタ配向性だとかいうやつです。

例えばクロロベンゼンを例にとると、オルト(ortho-)位、メタ(meta-)位、パラ(para-)位は次のようになります。

クロロベンゼンのオルト位・メタ位・パラ位

化合物の名前で言うと、キシレンを例にとると次の3つあるってやつですね。

キシレンの3つの異性体

さて、こんなに慣れ親しんだ3つの位置、オルト・メタ・パラですが、

3つだけですか？

「え！？もうないじゃん！？」って思われるかもしれません。

では問います、ここは何位ですか？

ここは何位？（クロロベンゼンの場合）

高校じゃ習わないんですよねぇ～。

「でもそこにはもう置換基入ってるし・・・」と思われるかもしれませんが、実は後述のようにここが反応する場合もありますし、名前がちゃんと付いているのです。

さて、そんなマイナーで仲間外れにされている位置の名前は・・・

イプソ位！！ (ipso位)

クロロベンゼンのオルト位・メタ位・パラ位・イプソ位

この4つの位置を知って初めてベンゼン置換体の「位置」を網羅したことになります。


ちなみにオルト・メタ・パラ・イプソの名の由来は次のようらしいです。（全部ギリシャ語）

・ ortho：正規の

・ meta：越えて

・ para：越えて

・ ipso：それ自身に

なんとなくそんな感じがしますね。


ではお待ちかねの反応にいきたいと思います。

まずは高校でも習うオルト・メタ・パラ位の置換反応から。


○ オルト・パラ置換

ヒドロキシ基やメチル基等の電子供与基があると、導入基にかかわらずオルト位とパラ位が置換されやすい。（オルト・パラ配向性）

例；フェノールのニトロ化 → o-ニトロフェノール + p-ニトロフェノール

○ メタ置換

ニトロ基やカルボキシル基等の電子受容基があると、導入基にかかわらずメタ位が置換されやすい。（メタ配向性）

例；安息香酸のニトロ化 → m-ニトロ安息香酸

以上は高校でも習う芳香族の置換反応である。

ではイプソ位が置換される反応とはどんな反応であろうか？

要するに、ベンゼンに元々入っていた置換基が他の置換基に変わる反応である。

「そんな変な反応見たことね～よ～」と思われるかもしれません。

でも、

ひとつだけ高校で習うんです。

さて、驚きの事実ですが覚えていますか？

この反応です↓。


○ イプソ置換

ベンゼン環に電子受容基が入っていて、かつ電子受容基がたくさん入っていたり、強塩基を用いたり、高温に加熱したときにイプソ位が置換される。

例；ベンゼンスルホン酸ナトリウムをNaOHとともに融解するとナトリウムフェノキシド（と亜硫酸ナトリウム）が生成する。

こいつが立派なイプソ位置換反応なんですよ。

実は一般的なオルト・パラ置換やメタ置換は「芳香族求電子置換反応」と呼ばれ、導入基がベンゼン環の電子を求めて近づいてくる反応ですが、イプソ置換は「芳香族求核置換反応」と呼ばれ、全く別のメカニズムの反応です。


一般的に芳香族求核イプソ置換はニトロ基等電子受容基が（共鳴できる位置に）たくさん入って電子が欠乏したベンゼン環に起こります。

例；1-クロロ-2, 4-ジニトロベンゼンとアンモニアを加熱する → クロロ基-Clがアミノ基-NH₂に置換する。（塩化アンモニウムが副生する。）

☆ オルト・メタ・パラにしろイプソにしろ、「ある置換基から見て」オルト位だとかイプソ位だとか言います。
（上の例では置換されたのは「ニトロ基から見たらメタ位orパラ位じゃないか！」ってなりますが、クロロ基から見るとイプソ位です。）


電子受容基が少ない場合で強塩基を用いた場合はベンザイン機構で起こることもあります。

例；液体アンモニア中でクロロベンゼンをカリウムアミドKNH₂と反応させるとアニリンが生成する。

ただし普通この場合は元々メタ位であった場所に導入基が入ったものも生成します。
（『今日の分子No.77 ：ベンザイン』参照）


以上のように、重要なのに忘れられている「イプソ位」。

いつも仲間外れで可愛そうなのでこの機に覚えてあげましょう！



◎ 参考

• 『ボルハルト・ショアー現代有機化学〈下〉』, K.Peter C. Vollhardt, Neil E. Schore著, 野依良治監訳, 化学同人; 第4版 (2004/06)