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化学では、ヒドロキシル基は、2 つの共有されていない電子対を持つ酸素原子によって形成される原子のグループです。一方では単共有結合によって水素原子に結合し、他方では有機化合物の炭素鎖や他の非金属 (例えば、硫黄、窒素、など) 、または他の原子に結合していなくても、不対電子を持っている可能性があります。
ヒドロキシルという言葉は、文字通り、水素と酸素からなるラジカルを意味します。ここで、ラジカルという言葉は、有機化学の文脈で、原子、またはこの場合、炭化水素の水素を置換する原子群を指すために使用できます。一方、不対電子が1つある電子欠乏酸素を伴うフリーラジカルを指すこともあります。
場合によっては、ヒドロキシル基が水酸化物アニオンと混同されます。これは非常によくある間違いですが、一方と他方の間には非常に重要な違いがあります。最も悪名高いのは、水酸基が電気的に中性の基であるのに対し、水酸化物は陰イオンである (つまり、負の電荷を持っている) ことです。一方、ヒドロキシルフリーラジカルは非常に反応性が高く不安定な化学種ですが、水酸化物アニオンは反応性がありますが、それほどではありません.
次の図は、水素と酸素で構成されるスパイスのさまざまな形態を示しています。
混乱を避けるために、これ以降、ヒドロキシル基を前の図の中心構造、つまり、酸素が炭素鎖または別の非金属に直接結合している分子の一部と呼びます。
水酸基の性質
極性グループです
酸素は水素より電気陰性度が高いため、これら 2 つの原子間の共有結合は極性化され、酸素原子の部分的な負電荷が生じます。これにより、アルコール、極性化合物など、ヒドロキシル基を持つほとんどの有機化合物ができます。
水素結合を形成できる
OH結合の極性は、ヒドロキシル基が水素結合で水素供与体として機能できることを意味します。また、水酸基の酸素は孤立電子対を2つ持っているため、アクセプターとして水素結合を2つ受け取ることもできます。言い換えれば、ヒドロキシル基は合計3つの同時水素結合を形成することができます。
ブレンステッド・ローリー酸です。
再び OH 結合の極性のため、また酸素は水素を失うことによって正式な負電荷を保持する優れた能力を持っているため、ヒドロキシル基はブレンステッド-ローリー酸のように作用してプロトンを放棄することができます。
ヒドロキシル基の特定のｐＫａ値または酸性度は、それが結合している分子の残りの構造に依存する。–OHがカルボニル基に直接結合している場合（カルボン酸のように）、pKa値は3〜5のオーダーで、強酸性になります。芳香族基に結合している場合、フェノールの場合、それらの pKa は 7 から 10 のオーダーになります。脂肪族鎖に結合している場合、その pKa は 15 以上になります。
ルイスベースとして機能することができます
OH基に2つの不対電子対があるという事実は、OH基が塩基としても機能し、電子対をプロトンまたは他の電子不足種(ルイス酸)に供与できることを意味します。簡単に言えば、十分に強い酸によってプロトン化できます。
水酸基を有する官能基
ヒドロキシル基自体は、それが何に結合しているかに依存するため、官能基ではありません。有機化合物の場合、ヒドロキシル基を持つ最も一般的な官能基は次のとおりです。
アルコール
アルコールは、ヒドロキシル基を持つ最も単純な官能基です。この場合、酸素は飽和脂肪族炭素に直接結合しています。アルコールは一般的に次のように表されます。
ここで、Ｒはアルキル基を表す。
これらは極性化合物で、ほとんどが水に溶け、室温で液体です。
エノール
アルコールとエノールの主な違いは、次の図に示すように、後者の場合、水酸基が sp 2混成で不飽和炭素原子に結合していることと、二重共有結合によって別の炭素に結合していることです。 .
この二重結合は共鳴によって共役塩基を安定化するため、エノールは通常アルコールよりも酸性です。
フェノール類
フェノールは、この場合、ヒドロキシル基が芳香環の一部である炭素に結合していることを除いて、アルコールに非常に似ています。
このタイプの化合物の例は、次の構造を持つフェノールです。
エノールの場合と同様に、芳香環は共鳴によって酸素の負電荷を安定させることができるため、フェノールは常にアルコールよりもかなり酸性です。
カルボン酸
カルボン酸または有機酸は、カルボニルに結合したヒドロキシル基を持っています。
カルボニル二重結合の存在は、プロトンを失った後、共鳴によって共役塩基を安定化します。しかし、これに加えて、この負電荷を 2 つの酸素間に分散させます。これは、前の 2 つのケースで起こるように、炭素に分散させるよりもはるかに有利です。これにより、これらのヒドロキシル基は他の場合よりも酸性度が高くなります。このため、これらの化合物は酸と呼ばれます。
スルホン酸
これは、ヒドロキシル基を持つが、炭素ではなく別のヘテロ原子 (この場合は硫黄) に結合している官能基の例です。
多重共鳴構造は、この官能基を有する化合物が酸性であることを意味します。
参考文献
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