互変異性

互変異性（ごへんいせい）

化学において、互変異性（tautomerism）とは、ある化合物が複数の構造異性体として存在し、それらが比較的速やかに相互に変換することで平衡状態に達する現象を指します。この時、相互に変換可能な異性体を互変異性体（tautomer）と呼びます。

この異性化反応の速度や、平衡状態における各互変異性体の存在比率は、周囲の環境、特に温度、pH、分子が存在する相（固体か液体か）、そして溶媒の種類など、様々な要因によって影響を受けます。一般に、平衡に達するまでに数時間から数日かかる場合でも、互変異性として扱われることがあります。

共鳴との違い

互変異性は、しばしば共鳴（resonance）と混同されやすい概念ですが、両者は全く異なる現象です。

互変異性：これは実際の化学反応です。異なる化学構造を持つ分子Aと分子Bが、互いに化学的に変換し合っている状態（A ⇄ B）を表します。
共鳴：これは量子力学的な構造の表現です。ある物質の真の構造が、複数の異なる電子配置の図（共鳴構造）の重ね合わせとして表現される（A ↔ B のように書かれることが多い）ものであり、実際の分子がこれらの構造の間で変換しているわけではありません。真の構造は、これらの共鳴構造のどれとも異なる、それらの中間的な「共鳴混成体」として存在します。

互変異性の分類

互変異性は、その異性化の形式によっていくつかの種類に分類されます。主なものとして以下のものが挙げられます。

プロトン互変異性
核内互変異性
原子価互変異性
環鎖互変異性

以下にそれぞれの詳細を説明します。

プロトン互変異性

プロトン互変異性は、分子内のある位置から別の位置へ、プロトン（水素イオン）が移動することで起こる互変異性です。多くの場合、プロトンは3つの原子を介して1,3-転位を起こします。一般的な形式としては、HがX原子に結合し、X-Y間に単結合、Y-Z間に二重結合がある構造が、HがZ原子に結合し、X-Y間に二重結合、Y-Z間に単結合がある構造へと変換されます。この時、XやZ原子は酸素や窒素など、電気陰性度の比較的大きな原子であることが一般的です。

この種類の互変異化は、酸や塩基が存在することで反応速度が大きく促進されます。酸はプロトンを受け渡す中間体を経由し、塩基はプロトンを引き抜く中間体を経由することで反応が進みます。

ケト-エノール互変異性

プロトン互変異性の中で最も代表的なものが、ケト-エノール互変異性です。これは、カルボニル基（C=O）を持つ「ケト型」と、炭素-炭素二重結合（C=C）と水酸基（OH）を持つ「エノール型」の間で起こる互変異性です。

多くのカルボニル化合物では、炭素-酸素二重結合（C=O）の方が炭素-炭素二重結合（C=C）よりも安定であるため、平衡はケト型の方に大きく偏っています。そのため、通常の方法ではエノール型を検出することは難しいことがほとんどです。しかし、ケト型の分子が反応する際にエノール型を経由する反応（例えばα位のハロゲン化など）があることから、微量ながらもエノール型が存在することが分かります。

例外として、アセチルアセトンやアセト酢酸エチルのような1,3-ジカルボニル化合物では、エノール型が分子内で安定化される構造（分子内水素結合や共役系）をとれるため、平衡状態でも無視できないほどのエノール型が存在し、分光法などで確認することができます。さらに環状の1,3-ジカルボニル化合物（例: 1,3-シクロヘキサンジオン）では、エノール型が非常に安定化され、ほぼエノール型のみで存在することもあります。

その他のプロトン互変異性

プロトン互変異性は、ケト-エノール以外にも様々な系で知られています。

イミン（C=N）とエナミン（C=C-N）：通常はイミン型がより安定です。
アミド（C=O-N）とイミド酸（C=N-O）：通常はアミド型がより安定です。環状化合物では、ラクタムとラクチムと呼ばれます。
ニトロソ（C-N=O）とオキシム（C=N-OH）：通常はオキシム型がより安定です。
ニトロ（C-NO₂）とアシニトロ（C=N(O)OH）：通常はニトロ型がより安定です。

核内互変異性

核内互変異性は、プロトン互変異性の一種で、プロトンの移動に関わる原子や結合が芳香環の一部となっている場合を指します。例えば、2,4-シクロヘキサジエノン（ケト型）とフェノール（エノール型）の互変異性では、芳香族性を持つフェノールが圧倒的に安定であるため、通常はフェノールとしてのみ存在します。

しかし、ヘテロ芳香族化合物の場合、必ずしも芳香族化している構造が最も安定とは限りません。有名な例として、2-ピリドン（ラクタム型）と2-ヒドロキシピリジン（ラクチム型）の互変異性があります。この場合、極性溶媒中や固体状態では2-ピリドン型が優位ですが、非極性溶媒中や気相では2-ヒドロキシピリジン型が優位になります。

また、DNAやRNAを構成する核酸塩基も核内互変異性を示します。これらは通常、より安定なケト型やアミノ型で存在しますが、まれに不安定なエノール型やイミノ型へと互変異性化することがあります。この不安定な型になった塩基がDNA複製時に誤った相手と塩基対を作ってしまうことが、自然発生的な突然変異の一因であると考えられており、現在も研究が進められています。

原子価互変異性

原子価互変異性は、分子を構成する原子間の結合の組み換えが起こり、分子の骨格自体が変化するような互変異性です。これは可逆的な転位反応の一種と見なすことができます。例えば、ブルバレン誘導体は室温で速やかにコープ転位を起こし、互変異性体として存在します（置換基のないブルバレン自身は、転位しても同じ構造に戻るため互変異性体は存在しません）。また、2つのチオアミドが結合した化合物は、4員環構造を持つ1,2-ジチエットとの間で原子価互変異性を示すことが知られています。

環鎖互変異性

環鎖互変異性は、分子内に反応性の官能基を複数持つ鎖状化合物が、分子内で閉環反応を起こして環状化合物に変化し、両者が平衡状態にある場合を指します。この場合、鎖状化合物と環状化合物が互変異性体となります。

代表的な例は、4-ヒドロキシケトン（またはアルデヒド）や5-ヒドロキシケトン（またはアルデヒド）が、分子内でヘミアセタールを形成してできる環状のラクトールとの間の互変異性です。通常、ラクトール型の方がより安定な場合が多いです。

単糖類（ペントースやヘキソースなど）は、この環鎖互変異性の典型例です。鎖状のアルデヒドまたはケトン構造が、分子内の水酸基と反応して5員環（フラノース）または6員環（ピラノース）のヘミアセタール構造を形成します。この閉環の際に、鎖状構造にはなかった新しい不斉炭素（これを特にアノマー炭素と呼びます）が生成し、その立体配置が異なる2種類のエピマー（アノマー）が生じます。

これらの互変異性現象は、化合物の安定性や反応性に影響を与え、生体分子の機能など、様々な化学現象において重要な役割を果たしています。

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