アセチレンの付加反応とは？反応式を解説！

アセチレンの付加反応とは？反応式を解説！

アセチレンは炭素原子どうしが三重結合でつながった、代表的なアルキンです。

三重結合は反応しやすいため、さまざまな物質が結合に加わる付加反応を起こします。

反応式では水素、ハロゲン、水、ハロゲン化水素などが段階的に付加する点が重要です。

この記事では、アセチレンの付加反応の基本、代表的な反応式、反応条件、生成物の見分け方を順に解説します。

 

アセチレンの付加反応と三重結合の性質

それではまずアセチレンの付加反応について解説していきます。

 

三重結合への原子や原子団の付加

アセチレンの付加反応とは、炭素原子間の三重結合に原子や原子団が加わり、結合の本数が減る反応です。

アセチレンの分子式はC₂H₂であり、構造式はH−C≡C−Hと表されます。

炭素原子間には1本のσ結合と2本のπ結合があり、反応では比較的切れやすいπ結合が使われます。

最初に1組の試薬が付加すると、三重結合は二重結合へ変化します。さらに同じ種類の試薬が付加すれば、二重結合も単結合へ変わります。

このため、アセチレンは試薬の量によって生成物が異なることがあります。

たとえば水素を1分子だけ付加させるとエチレンが生じ、水素を2分子付加させるとエタンになります。

反応前後で炭素原子の数が変わらないことも、反応式を読む際の基本です。

三重結合そのものが消えるのではなく、π結合が別の結合へ置き換わると考えると理解しやすいでしょう。

有機化学では、反応物と生成物で炭素の骨格を追いながら、水素やハロゲンの増減を確認する方法が役立ちます。

 

付加反応と置換反応の違い

付加反応は結合に原子が加わる反応であり、置換反応は分子中の原子や原子団が別のものと入れ替わる反応です。

アセチレンで中心となるのは、三重結合の反応性を利用した付加反応です。

付加反応では、反応物に含まれる原子の総数が生成物側で増えることが特徴になります。

一方、置換反応では、たとえば水素原子が塩素原子に置き換わるように、分子の一部が交換されます。置換反応では二重結合や三重結合が必ず減るとは限りません。

両者を混同すると、反応式の係数や生成物の分子式を誤りやすくなります。

アセチレンに臭素Br₂を加える反応では、Br原子2個がそれぞれ炭素原子に結合するため、これは付加反応です。

H−C≡C−HにBr₂が加わると、H−CBr＝CBr−Hという二重結合をもつ化合物が得られます。

反応式を書くときは、左辺にあった試薬の原子が右辺で不足していないかを確認してください。

特にハロゲン分子は2原子分子であるため、ClやBrを1個だけ書いてしまわないよう注意が必要です。

 

アセチレンが段階的に反応する理由

アセチレンはπ結合を2本もつため、条件が整えば付加反応を2段階進めることができます。

三重結合への最初の付加では、2本あるπ結合のうち1本が反応して二重結合が残ります。

その生成物にもπ結合が残るため、試薬が過剰にあれば次の付加反応が起こり得ます。

ただし、必ず2段階目まで進むわけではありません。試薬の量、触媒、温度、反応時間を調整すれば、二重結合の段階で反応を止められる場合があります。

この違いは、目的の有機化合物を得るための重要な操作です。

水素付加では、触媒の種類や反応条件によってアルケンを主生成物にするか、アルカンまで還元するかが変わります。

学校で扱う基本反応式では、十分量の水素を用いるとエタンまで変化する形で示されることが多いでしょう。

反応の途中で生じるエチレンやハロエチレンは、アセチレンとは性質が異なる化合物です。

したがって、生成物を予想する際は、出発物質だけでなく途中生成物の二重結合にも目を向ける必要があります。

 

水素とハロゲンによる代表的な反応式

続いては水素とハロゲンによる付加反応を確認していきます。

 

水素の付加とエチレンおよびエタン

アセチレンに水素が付加すると、1段階目でエチレン、2段階目まで進むとエタンが生成します。

水素H₂は2個の水素原子からなるため、三重結合の炭素原子に1個ずつ加わります。

水素1分子の付加では、C₂H₂はC₂H₄へ変化します。

これはアセチレンの三重結合が二重結合になった状態であり、生成物はエチレンです。エチレンはポリエチレンの原料として知られる重要な化合物でもあります。

さらに水素1分子が付加すると、C₂H₄はC₂H₆となります。

最終生成物のエタンでは、炭素原子間の結合は単結合です。

水素付加は還元反応の一種として扱われることがあり、炭素に結合する水素の数が増える点が目印です。

反応式の右辺を見て水素原子が4個増えていれば、左辺にはH₂を2分子置く必要があります。

 

臭素と塩素の付加反応

アセチレンに臭素や塩素が付加すると、ハロゲン原子が炭素原子へ結合した化合物が生じます。

臭素Br₂を1分子加えた場合、生成物はC₂H₂Br₂です。

この段階では炭素原子間に二重結合が残り、生成物はジブロモエテンの仲間として表せます。

臭素をさらに1分子加えると、生成物はC₂H₂Br₄となります。炭素原子間は単結合となり、各炭素に臭素原子が2個ずつ結合する形です。

塩素Cl₂でも同様に、1分子付加と2分子付加の2段階を考えられます。

ハロゲンの付加は、二重結合や三重結合をもつ不飽和炭化水素の確認反応として学ぶことがあります。

試薬	付加する分子数	主な生成物の分子式	炭素間の結合
Br₂	1分子	C₂H₂Br₂	二重結合
Br₂	2分子	C₂H₂Br₄	単結合
Cl₂	1分子	C₂H₂Cl₂	二重結合
Cl₂	2分子	C₂H₂Cl₄	単結合

臭素水の色が薄くなる現象は、臭素が不飽和結合へ付加して遊離の臭素が減ることに関係します。

ただし、色の変化だけで物質を完全に特定できるわけではないため、実験では反応条件もあわせて確認します。

 

ハロゲン化水素の付加と生成物

塩化水素や臭化水素も、アセチレンの三重結合に付加してハロエチレン類をつくります。

ハロゲン化水素はHClやHBrのように、水素原子とハロゲン原子を1個ずつ含む化合物です。

アセチレンは両端の炭素が同じ環境にあるため、HClを1分子付加すると主に塩化ビニルとして知られるC₂H₃Clが生じます。

構造を簡略に書くとCH₂＝CHClとなり、二重結合を残した化合物です。

さらにHClが付加するとC₂H₄Cl₂となります。2段階目の付加では、どちらの炭素にClが結び付くかという配向も考える必要があります。

学校の基礎問題では、まず分子式の増減と三重結合から単結合までの変化を押さえることが先決です。

より詳しい有機化学では、生成物の構造異性体や反応条件による選択性も扱われます。

 

水の付加とアセトアルデヒドの生成

続いては水が加わる反応と生成物の変化を確認していきます。

 

水和反応とエノール型中間体

アセチレンへの水の付加では、最初にエノール型の構造が生じ、その後にアセトアルデヒドへ変化します。

水H₂Oが三重結合へ加わる反応は、水和反応と呼ばれます。

反応には一般に硫酸と硫酸水銀を用いる条件が教科書で示されます。

水のHとOHが炭素原子間に付加すると、CH₂＝CHOHという構造が考えられます。これはビニルアルコールと呼ばれるエノール型の化合物です。

しかし、この構造は安定な形として多く残るわけではありません。

分子内で水素原子の位置と二重結合の位置が移り、CH₃CHOというアセトアルデヒドへ変化します。

このような構造の変化は互変異性と呼ばれ、エノール型とカルボニル化合物の関係を理解する入口になります。

単にC₂H₂へ水を足してC₂H₄Oとするだけでは、生成物の特徴を十分に示せません。

反応式とともにCH₃CHOという構造式を確認すれば、アルデヒド基をもつ生成物であることがわかります。

 

アセトアルデヒドまでの反応式

アセチレンの水和反応は、C₂H₂とH₂OからアセトアルデヒドCH₃CHOを得る反応式で表せます。

分子式だけで表すと、C₂H₂とH₂OからC₂H₄Oが生成する形になります。

構造式ではCH₃CHOと書くことで、炭素と酸素の二重結合であるカルボニル基があることを示せます。

この反応では触媒が反応を進める役割を果たしますが、触媒自身は反応式の左右で消費される物質として数えません。反応条件として矢印の上や下に示すことがあります。

アセトアルデヒドはエタナールとも呼ばれるアルデヒドです。

アルデヒドは酸化されるとカルボン酸になりやすく、アセトアルデヒドからは酢酸へつながる反応も学習内容になります。

段階	主な構造	特徴	炭素間の結合
出発物質	HC≡CH	アセチレン	三重結合
付加直後	CH₂＝CHOH	ビニルアルコール	二重結合
構造変化後	CH₃CHO	アセトアルデヒド	単結合

反応式を暗記するときは、水がHとOHに分かれて加わる段階と、その後の構造変化を分けて整理すると混乱しにくくなります。

生成物の名称だけでなく、CH₃CHOの末尾にあるCHOがアルデヒド基を表すことも確認しておきましょう。

 

反応式の立て方と生成物の見分け方

続いては反応式を正確に書くための考え方を確認していきます。

 

試薬の量から考える結合の変化

アセチレンの反応式は、加える試薬の分子数と残る不飽和結合の数を対応させると組み立てやすくなります。

三重結合にはπ結合が2本あるため、単純な付加では同じ試薬が最大2分子加わる可能性があります。

H₂、Cl₂、Br₂のように同種の原子2個からなる試薬では、1分子付加ごとにπ結合が1本減ります。

HClやHBrでは、水素原子とハロゲン原子が1個ずつ炭素原子へ加わります。水H₂Oの場合もHとOHが付加すると考えると、原子数をそろえやすくなります。

まず生成物の炭素数を出発物質と同じ2個に保ちます。

次に、試薬の原子を生成物へ不足なく加え、最後に炭素間の結合を三重結合、二重結合、単結合のどれにするか決めます。

たとえばC₂H₂にH₂を2分子加えるなら、水素原子は合計4個増えるため、生成物はC₂H₆です。

係数を付ける前に原子数を書き出すと、H₂をHと数え違えるような誤りを防げます。

反応式の左右でC、H、Cl、Br、Oなどの原子数が一致していれば、基本的な量的関係は正しく表せています。

 

反応の種類ごとの生成物比較

アセチレンの付加反応では、試薬の種類によって水素化物、ハロゲン化物、アルデヒドなど異なる種類の生成物が得られます。

水素を加える反応では、生成物は炭化水素のままであり、炭素と水素だけから成り立ちます。

臭素や塩素を加える反応では、生成物にハロゲン原子が含まれます。

塩化水素を加えると、水素と塩素が同時に増えます。水を加える反応では酸素原子が入るため、ほかの付加反応と見分けやすいでしょう。

生成物の分子式だけを見ても、加えた試薬を逆向きに推測できることがあります。

ただし、水和反応では構造変化が起こるため、分子式だけでなく構造式も確かめる必要があります。

加える物質	代表的な生成物	生成物に増える原子	反応の特徴
H₂	エチレン、エタン	H	水素化による還元
Br₂	ジブロモエテン類	Br	臭素の付加
Cl₂	ジクロロエテン類	Cl	塩素の付加
HCl	塩化ビニルなど	H、Cl	ハロゲン化水素の付加
H₂O	アセトアルデヒド	H、O	水和後の構造変化

比較表では、付加する原子と生成物の官能基を対応させて見ることがポイントです。

特にCH₃CHOが得られる水和反応は、炭素数が2個のまま酸素を含む化合物へ変わる反応として覚えると整理しやすくなります。

 

アセチレンの付加反応と反応式のまとめ

アセチレンの付加反応は、炭素原子間の三重結合へ原子や原子団が加わり、二重結合や単結合へ変化する反応です。

三重結合にはπ結合が2本あるため、水素やハロゲンは条件によって2段階まで付加します。

水素の付加ではエチレンを経てエタンが生じ、臭素や塩素の付加ではハロゲン原子を含む化合物ができます。

塩化水素などのハロゲン化水素を加えると、水素原子とハロゲン原子が同時に増えます。

水和反応では、いったんエノール型の構造を経た後、アセトアルデヒドへ変化する点が重要です。

反応式は、炭素原子数を保ち、試薬由来の原子数をそろえ、残る結合の本数を確認すれば正確に立てられます。

問題を解くときは、試薬が1分子付加するのか2分子付加するのかを最初に判断してみてください。