Aliphatic compound

Japanese: 脂肪族化合物 - しぼうぞくかごうぶつ（英語表記）aliphatic compound

Another name for chain organic compounds. Refers to organic compounds that have a chain carbon skeleton that can be linear or branched. In other words, they are organic compounds that do not contain cyclic structures within the molecule and are composed only of chain structures. Palmitic acid and stearic acid, the main components of fats, are chain carbon compounds, and many other types of carbon chain carboxylic acids, esters, and alcohols can be obtained from fats, hence the name. In addition to fats and oils, there are many aliphatic compounds in nature. There are many synthetic polymers that are classified as aliphatic, such as polyethylene, polypropylene, and nylon ( Figure A ).

[Masahiro Hirota]

Aliphatic hydrocarbons - the skeleton of aliphatic compounds

Aliphatic hydrocarbons form the basic skeleton of aliphatic compounds. Among aliphatic hydrocarbons, saturated aliphatic hydrocarbons have a skeleton made only of C-C single bonds with the maximum possible number of hydrogen atoms bonded to this skeleton, while unsaturated aliphatic hydrocarbons have C=C double bonds or C≡C triple bonds within the molecule.

Saturated aliphatic hydrocarbons are a series of hydrocarbons with the general formula _CnH2n _{+ 2} , and are named alkanes in the IUPAC nomenclature. Alkanes are also called methane series hydrocarbons, because they are a series of hydrocarbons beginning with methane ( _CH4 ), which corresponds to n = 1 in the general formula. Alkanes are also called "paraffin", derived from the Latin parum affinis, which means "having little affinity", because they have low reactivity with common chemical reagents.

Among unsaturated aliphatic hydrocarbons, those with one double bond in the molecule are called alkenes. Alkenes are hydrocarbons with the general formula C _n H _{2 n} , and since the first in this series is ethylene (C ₂ H ₄ ) with n = 2, they are also called ethylenic hydrocarbons and are also known as olefins. Alkynes are hydrocarbons with one triple bond in the molecule. Alkynes are hydrocarbons with the general formula C _n H _{2 n -2} , and since the first in this series is acetylene (C ₂ H ₂ ) with n = 2, they are also called acetylenic hydrocarbons.

Aliphatic hydrocarbon groups such as alkyl groups are obtained by removing a single hydrogen atom from these aliphatic hydrocarbons ( Table 1 ).

Any compound in which the hydrogen of an aliphatic hydrocarbon is replaced by a functional group such as a hydroxyl group (OH), aldehyde group (CHO), carboxyl group (COOH), or amino group ( _NH2 ) is an aliphatic compound. For example, a compound in which an aliphatic hydrocarbon is replaced by a carboxyl group is an aliphatic carboxylic acid (fatty acid), and a compound in which a hydroxyl group is replaced is an aliphatic alcohol. There are also various aliphatic compounds that have two or more functional groups on one aliphatic hydrocarbon skeleton. There are also many organic compounds with a structure in which an aromatic ring is bonded to an aliphatic skeleton, but these are often classified as aromatic compounds rather than aliphatic.

[Masahiro Hirota]

Structure and reactions of aliphatic compounds

In saturated aliphatic hydrocarbons (alkanes), all carbon atoms form four σ (sigma) bonds with other carbon atoms or hydrogen atoms through sp ³ hybrid orbitals. Since all of the bonds formed in this case are covalent bonds, the direction in which the bonds extend is fixed, and the bond angles of sp ³ hybridized carbon atoms are all close to 109.5°, and the four bonds extend toward each vertex of a regular tetrahedron with the carbon atom at the center. Carbon that is bonded to four other atoms is called tetracoordinate carbon. To put it simply, the saturated carbon atom C has "four hands" and joins hands with four other atoms, including other carbon atoms C and hydrogen atoms H, to form a molecule.

Aliphatic hydrocarbons are not limited to _CH3 ( _CH2 ) _nCH3 , in which carbon atoms are linked in a straight line. When the number of carbon atoms in a chain of saturated hydrocarbons is four or more, the carbon chain can branch, and structural isomers exist due to differences in the structure of the carbon chain. Among structural isomers, those with _{an unbranched} , linear carbon skeleton are called normal ( n- ) systems, and those with a branched side chain are called iso systems. Even if the number of carbon atoms increases, there is only one type of n -alkane, but the number of branched isoalkanes is a very large number (see the "Alkanes" entry for details).

The CH and CC σ bonds formed by saturated carbon atoms are stable and unreactive, and are not easily attacked by reagents such as acids and bases. The other name of paraffin well reflects this fact.

However, photoreactions are different. For example, when light is shone on a mixture of methane (CH4 ₎ and chlorine ₍ Cl2 ₎ , the reaction occurs very rapidly, with one to four H atoms on the carbon atoms being replaced by Cl, producing _CH3Cl , _CH2Cl2 , _CHCl3 , and _CCl4 . In this reaction, Cl. (atomic chlorine, chlorine radical), which is produced by the decomposition of Cl2 _, is the active species in the reaction. Saturated hydrocarbons are not susceptible to ionic reactions, but are susceptible to radical reactions. Low molecular weight aliphatic compounds are characterized by their high flammability, but combustion is a radical chain reaction caused by oxygen in the air.

In aliphatic compounds containing substituents such as halogens, hydroxyl groups, and amino groups, these substituents on the saturated tetrahedral carbons can be replaced by other atoms or atomic groups. This type of reaction is known as aliphatic nucleophilic substitution reactions, and based on the reaction mechanism, they can be divided into unimolecular nucleophilic substitution reactions (S _N 1 reactions) and bimolecular nucleophilic substitution reactions (S _N 2 reactions). These nucleophilic substitution reactions are unique to aliphatics and are often contrasted with electrophilic aromatic substitution reactions ( Figure B ).

The structure and reactions of alkenes and alkynes, which are unsaturated aliphatic compounds, are easier to understand if we consider the C=C and C≡C unsaturated bond parts separately from the saturated hydrocarbon chain parts. The saturated hydrocarbon chain parts, like alkanes, have low activity in normal ionic reactions and are not susceptible to acid and base reactions. The double and triple bond carbons with π (pi) electron systems show unique reactivity different from saturated carbons and are susceptible to ionic addition reactions and oxidation-reduction reactions (see the entries for "alkene" and "alkyne" for details).

The carbon atoms that make up the C=C double bond of an alkene are sp2 ^hybridized , have a bond angle of 120°, and have a planar structure. The carbon atoms that make up the C≡C bond of an alkene are sp hybridized, have a bond angle of 180°, and have a linear structure ( Table 2 ). The second and third bonds in the double and triple bonds are weak bonds called π bonds rather than σ bonds, and are highly reactive.

[Masahiro Hirota]

Naturally occurring fatty compounds

Petroleum crude oil, although it varies depending on the place of production, is a mixture containing a large amount of linear and alicyclic saturated hydrocarbons. To produce petroleum products from crude oil, the components are separated by boiling point using atmospheric distillation. The boiling point of aliphatic hydrocarbons increases as the carbon chain gets longer, so separating by boiling point means separating by the length of the carbon chain. The components separated by boiling point are further refined and reformed to produce products such as natural gas, gasoline (naphtha), kerosene, diesel, heavy oil, lubricating oil, and asphalt.

Natural gas is produced from gas fields, but can also be obtained by distillation of crude petroleum. It has a low boiling point and is separated as a gas, with its main components being saturated aliphatic hydrocarbons with 1 to 4 carbon atoms. Components with 5 or more carbon atoms are liquid, and naphtha, which is used in automobile gasoline, etc., has a boiling point of around 30 to 200°C and contains a lot of aliphatic and alicyclic hydrocarbons with around 5 to 12 carbon atoms. The composition of crude oil varies depending on the place of production, and it can also contain a large amount of aromatic hydrocarbons. Table 3 below shows the industrial products and boiling points obtained by atmospheric distillation of crude oil.

Aliphatic compounds are widely distributed in the animal and plant kingdoms, and play important roles in living organisms. The important fats and oils as food components are esters of straight-chain fatty acids with unbranched carbon chains and glycerol (also called glycerin). Glycerol is a trihydric alcohol with three hydroxyl groups, so it can form esters with three molecules of fatty acids. These esters are called glycerides. Many natural fats are mixed glycerides in which one molecule of glycerol is bound to three molecules of different fatty acids, but tripalmitin extracted from coconut oil is a simple glyceride in which glycerol forms an ester with three molecules of palmitic acid. Fatty acids that serve as nutritional components in fats and oils are straight-chain and have an even number of carbon atoms. This is closely related to the synthesis and decomposition pathways of fats and oils in living organisms.

Unsaturated fatty acids such as linoleic acid and linolenic acid cannot be synthesized in the animal body and must be ingested from plants as a nutritional source, so they are called essential fatty acids. Since no organism other than special microorganisms has the enzyme to synthesize trans unsaturated fatty acids, the double bonds in natural unsaturated fatty acids are almost all in the cis configuration. The main fatty acids known to be components of oils and fats are listed in Table 4 .

[Masahiro Hirota]

Classification of organic compounds by structure [Figure A]
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Classification of organic compounds by structure [Figure A]

Aliphatic S-substitution reaction (Figure B)
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Aliphatic S-substitution reaction (Figure B)

Classification and names of aliphatic hydrocarbons and aliphatic hydrocarbon groups (monovalent) [Table 1]
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Aliphatic hydrocarbons and aliphatic hydrocarbon groups (monovalent…

Geometric structures of aliphatic compounds with double and triple bonds (Table 2)
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Aliphatic compounds with double or triple bonds...

Industrial products obtained from petroleum crude oil [Table 3]
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Industrial products obtained from petroleum crude oil [Table 3]

Representative aliphatic carboxylic acids (fatty acids) known to be components of fats and oils and their locations [Table 4]
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Typical fats known as components of oils and fats…

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

鎖式有機化合物の別名。直鎖あるいは枝分れを含む鎖式の炭素骨格をもつ有機化合物をいう。いいかえれば、分子内に環式構造を含まず鎖式の構造のみから構成されている有機化合物である。脂肪の主成分であるパルミチン酸、ステアリン酸などが鎖式炭素化合物であり、このほかにも脂肪からは多くの種類の炭素鎖式のカルボン酸、エステル、アルコールが得られているので、この名がつけられた。脂肪や油脂だけでなく、自然界には多くの脂肪族化合物がある。合成高分子にもポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなど、脂肪族に分類される化合物が多い（図A）。

［廣田　穰］

脂肪族炭化水素――脂肪族化合物の骨格

脂肪族化合物の基本骨格をなしているのが脂肪族炭化水素である。脂肪族炭化水素のうちで、骨格がC-C単結合だけでできていて、この骨格に可能な最大数の水素原子が結合しているのが飽和脂肪族炭化水素であり、分子内にC=C二重結合やC≡C三重結合をもっているのが不飽和脂肪族炭化水素である。

　飽和脂肪族炭化水素はC_nH_2n＋2の一般式で表される一連の炭化水素で、IUPAC命名法ではアルカンと名づけられている。アルカンは、一般式のn＝1に相当するメタン（CH₄）から始まる一連の炭化水素であるので、メタン列炭化水素ともよばれている。アルカンは通常の化学試薬に対する反応性が低いので、「親和性に乏しい」を意味するラテン語parum affinisに由来する「パラフィンparaffin」の名でもよばれる。

　不飽和脂肪族炭化水素のうち、分子内に二重結合を一つもつものをアルケンという。アルケンはC_nH_2nの一般式で表される炭化水素で、この系列の最初はn＝2のエチレン（C₂H₄）であるのでエチレン列炭化水素ともよばれ、オレフィンの別名をもつ。分子内に三重結合を一つもつものをアルキンという。アルキンはC_nH_2n－2の一般式で表される炭化水素で、この系列の最初はn＝2のアセチレン（C₂H₂）であるのでアセチレン列炭化水素ともよばれる。

　これらの脂肪族炭化水素から水素原子一つを取り除いたのがアルキル基などの脂肪族炭化水素基である（表1）。

　脂肪族炭化水素の水素をヒドロキシ基（OH）、アルデヒド基（CHO）、カルボキシ基（COOH）、アミノ基（NH₂）などの官能基により置換した化合物はすべて脂肪族化合物である。たとえば、脂肪族炭化水素をカルボキシ基で置換した化合物は脂肪族カルボン酸（脂肪酸）であり、ヒドロキシ基で置換した化合物は脂肪族アルコールである。一つの脂肪族炭化水素骨格に二つ以上の官能基をもつ脂肪族化合物もいろいろある。脂肪族の骨格に芳香環が結合した構造の有機化合物も多数存在するが、これらは多くの場合、脂肪族ではなく芳香族化合物に分類される。

［廣田　穰］

脂肪族化合物の構造と反応

飽和脂肪族炭化水素（アルカン）では、すべての炭素原子がsp³混成軌道により4本のσ(シグマ)結合をつくって他の炭素原子または水素原子と結合をしている。このときにできる結合はすべて共有結合であるので、結合の伸びる向きが決まっていて、sp³混成の炭素原子の結合角はすべて109.5°に近く、4本の結合は炭素原子を中心にもつ正四面体の各頂点の方向に伸びているという特徴がある。他の4原子と結合している炭素を4配位炭素とよぶ。わかりやすくいうと、飽和炭素原子Cは「4本の手」をもっていて、他の炭素原子C、水素原子Hなど4原子と手をつないで分子をつくりあげているということである。

　脂肪族炭化水素は、炭素原子が一列になって直鎖状に連なっているCH₃(CH₂)_nCH₃だけではない。鎖式飽和炭化水素の炭素原子数が4以上になると、炭素鎖の枝分れが可能になり、炭素鎖の構造の違いによる構造異性体が存在するようになる。構造異性体のうち、炭素骨格に枝分れがなく直線状のものをノルマル（n-）系といい、枝分れして側鎖のあるものをイゾ系という。炭素数が増えてもn-アルカンは1種類しかないが、枝分れ異性体のイソアルカンの数は非常に多くなる（詳しくは「アルカン」の項を参照されたい）。

　飽和の炭素原子がつくるC-HとC-Cのσ結合は安定で反応性に乏しく、酸・塩基などの試薬の攻撃を受けにくい。パラフィンの別名はこのことをよく表している。

　しかし、光反応は別で、たとえば、メタンCH₄と塩素Cl₂の混合物に光を当てると非常に急激に反応して、炭素原子上の1～4個のHがClに置き換わったCH₃Cl、CH₂Cl₂、CHCl₃、CCl₄ができる。この反応では、Cl₂が分解して生成するCl・（原子状塩素、塩素ラジカル）が反応の活性種になっている。飽和炭化水素はイオン反応を受けにくいが、ラジカル反応は受けやすい。低分子量の脂肪族化合物は燃えやすい特徴をもっているが、燃焼は空気中の酸素によるラジカル的連鎖反応である。

　ハロゲン、ヒドロキシ基、アミノ基などの置換基をもつ脂肪族化合物では、飽和の四面体炭素上にあるこれらの置換基が他の原子または原子団により置換される反応がおこる。この種の反応は脂肪族求核置換反応として知られていて、その反応機構に基づいて1分子的求核置換反応（S_N1反応）と2分子的求核置換反応（S_N2反応）に分けられる。これらの求核的置換反応は脂肪族に特有な反応であり、求電子的芳香族置換反応と対比されることが多い（図B）。

　不飽和脂肪族化合物であるアルケンとアルキンの構造や反応は、C=CとC≡Cの不飽和結合の部分と飽和炭化水素鎖の部分とを分けて考えるのが分かりやすい。飽和炭化水素鎖の部分は、アルカンと同様に普通のイオン反応の活性は低く、酸・塩基の反応を受けにくい。π(パイ)電子系をもつ二重結合と三重結合の炭素は飽和炭素とは異なる特有の反応性を示し、イオン的な付加反応や酸化還元反応を受けやすい（詳しくは「アルケン」「アルキン」の項を参照されたい）。

　アルケンのC=C二重結合を構成する炭素原子はsp²混成で、結合角は120°で平面構造をとっている。また、アルキンのC≡C結合を構成する炭素原子はsp混成で、結合角は180°で直線構造をとっている（表2）。二重結合や三重結合の2本目・3本目の結合はσ結合ではなくπ結合とよばれている弱い結合で反応性に富んでいる。

［廣田　穰］

天然にある脂肪族化合物

石油原油は、産地により違いがあるが、鎖式および脂環式の飽和炭化水素を多量成分とした混合物である。原油から石油製品をつくるには、常圧蒸留によって沸点ごとに成分を分ける。脂肪族炭化水素の沸点は炭素鎖が長くなるにしたがって高くなるので、沸点で分けることは炭素鎖の長さにより分けることになる。沸点ごとに分けた成分をさらに精製・改質処理をすることにより、天然ガス、ガソリン（ナフサ）、灯油、軽油、重油、潤滑油、アスファルトなどの製品が得られる。

　天然ガスはガス田から産するが、石油原油の蒸留によっても得られる。沸点が低く気体として分離され、炭素数1～4の飽和脂肪族炭化水素が主成分である。炭素数5以上の成分は液体で、自動車用ガソリンなどに使われるナフサは沸点が30～200℃程度の成分で、炭素数5～12ぐらいの脂肪族および脂環式炭化水素を多く含んでいる。原油の成分は産地により異なり、芳香族炭化水素がかなり含まれる場合もある。次の表3に原油の常圧蒸留による工業製品と沸点を示す。

　動植物界にも脂肪族化合物は多く分布していて、生物体で重要な役割を果たしている。食品の成分として重要な油脂は、炭素鎖に枝分れのない直鎖の脂肪酸とグリセロール（グリセリンともいう）とのエステルである。グリセロールは三つのヒドロキシ基をもつ3価アルコールであるので、3分子の脂肪酸とエステルをつくることができる。このエステルをグリセリドとよぶ。天然の脂肪では1分子のグリセロールに3分子の異なる種類の脂肪酸が結合している混合グリセリドが多いが、やし油からとれるトリパルミチンはグリセロールが3分子のパルミチン酸とエステルをつくっている単純グリセリドである。油脂として栄養成分となる脂肪酸は直鎖状で炭素数が偶数である。これは、生体内での油脂の合成および分解経路と密接に関係がある。

　リノール酸、リノレン酸などの不飽和脂肪酸は動物体内では合成できず、植物を栄養源として摂取する必要があるので必須(ひっす)脂肪酸とよばれている。特殊な微生物以外はtrans(トランス)不飽和脂肪酸を合成する酵素をもたないので、天然の不飽和脂肪酸の二重結合はほとんどすべてcis(シス)配置である。油脂の成分として知られているおもな脂肪酸をまとめて表4に掲げる。

［廣田　穰］