似た者同士！グルコース、フルクトース、ガラクトースの平衡状態に迫る！

水溶液中では、単糖類であるグルコース、フルクトース、ガラクトースは平衡状態にあって還元性を示します。

中でもフルクトースは、六員環構造のα−フルクトース・β−フルクトース、鎖状構造、五員環構造のα−フルクトース・β−フルクトースの、５つの平衡状態で存在しています。

今回は、「混成軌道」の記事で紹介致しましたフルクトースを中心に、再度こちらの記事で単糖類として紹介していきたいと思いますので、どうぞお付き合い下さい！

混成軌道の記事については、是非こちらを御覧下さい！

「必見！酢酸ＣＨ3ＣＯＯＨの２ｓ軌道が電子０個になる謎とは！？」

１．フルクトース（果糖）の性質！

【❋　フルクトース（果糖）！】

　フルクトース（果糖）は甘味の強いハチミツ、果実等に含まれＣ6Ｈ12Ｏ6で表わされます。グルコース、ガラクトースとは３者互いに異性体として存在し、水にもよく溶けます。

また甘味の強度は、フルクトース≫グルコース≫ガラクトースであり、酵素チマーゼによってアルコール発酵可能となります。

【❋　フルクトース・グルコース・ガラクトースのアルコール発酵！】Ｃ6Ｈ12Ｏ6　→（酵素チマーゼ）→　２Ｃ2Ｈ5ＯＨ（エタノール）＋　２ＣＯ2（二酸化炭素）

この様にアルコール発酵させるとエタノールＣ2Ｈ5ＯＨと二酸化炭素ＣＯ2が生成されます。

「アルコール発酵と言えば、多糖類であるデンプン・セルロース・グリコーゲンを加水分解して単糖類にしてから酵素によってアルコール発酵させ、エタノールＣ2Ｈ5ＯＨと二酸化炭素ＣＯ2が生成される！」とイメージして頂けたらと思います。

２．グルコースとガラクトースの構造と平衡状態！

ここでフルクトースの平衡状態に関係の深い、グルコースとガラクトースの構造と平衡状態について触れておきましょう。

グルコースとガラクトースの構造は、非常によく似ています。４位に着く、−Ｈ基と−ＯＨ基が逆になっているだけです。この状態で平衡状態となりアルデヒド基−ＣＨＯによって還元性を示します。

まずは、グルコースの平衡状態について考えてみましょう。

２−１．グルコースの平衡状態！

【❋　グルコース（ブドウ糖）の平衡状態！】

　上画像はグルコースの平衡状態ですが、α−グルコースとβ−グルコースにはフルクトースにも在る、「❋　ヘミアセタール・Ｏ−Ｃ−ＯＨ」と呼ばれる結合が在ります。

このヘミアセタールの酸素原子Ｏとヒドロキシ基−ＯＨの酸素原子Ｏが炭素原子Ｃを電気陰性度の差によって強く引き付けると、炭素原子Ｃは正（＋）に偏った状態になっています。このＣ（＋）がヒドロキシ基−ＯＨのＯの非共有電子対（ローンペア）を引き付けて二重結合を形成するとケトン基・〉Ｃ＝ＯのＯがＯ＾+となり、これと水素イオンＨ＾+とが反発し合いＨ＾+が弾かれます。

更にここで炭素原子Ｃがオクテット則（８電子則）を満たさなくなった為に、Ｃと結合しているもう1つの酸素原子Ｏとの結合が切れＣの１電子がＯに奪われＯ＾-と負（−）に帯電します。ここに先程脱離した水素イオンＨ＾+が配位結合し、鎖式グルコースが生成されアルデヒド基−ＣＨＯを形成します。

このアルデヒド基−ＣＨＯは１位の炭素原子Ｃを中心に回転出来る為、もう1つの鎖式グルコースが生成され平衡状態に入ります。この２つ目の鎖式グルコースのヒドロキシ基−ＯＨの酸素原子Ｏの非共有電子対（ローンペア）をＣ（＋）が引き付けて共有結合を形成します。

ここで炭素原子Ｃがオクテット則を満たす為に、二重結合のケトン基・〉Ｃ＝Ｏのπ電子が完全にＯ側の電子となりＯ＾-となります。そしてＯ＾-にヒドロキシ基−ＯＨの水素イオンＨ＾+が配位結合しβ−グルコースが生成する、といった平衡状態となります。皆さん、うまくイメージ出来たのではないでしょうか！

【❋　カルボカチオンＣ＾+とＣ（＋）の違い！】本文中にＣ（＋）とありますが、この記述の仕方はあくまでも２つの酸素原子Ｏと炭素原子Ｃの電気陰性度の差によって正（＋）に偏っている事を意味し、正電荷（＋）であるカルボカチオンＣ＾+ではない事に着目して頂けたらと思います！

２−２．ガラクトースの平衡状態！

【❋　ガラクトース（脳糖）の平衡状態！】

ガラクトースにもグルコース同様、「❋　ヘミアセタール・Ｏ−Ｃ−ＯＨ」がα−ガラクトースとβ−ガラクトースに存在しています。

このヘミアセタールの炭素原子Ｃは酸素原子Ｏとヒドロキシ基−ＯＨのＯに電気陰性度の差によって引き付けられており、正電荷（＋）に偏っています。この正（＋）に偏ったＣは酸素原子Ｏとの共有電子対ごと奪われＯはＯ＾-となります。

逆に電子を奪われたＣは「❋　カルボカチオンＣ＾+」（❋　画像中にはカルボカチオンＣ＾+は書いていませんが、反応中に生成されていますのでイメージされたらと思います。なお、グルコースの場合も同様です！）となりヒドロキシ基−ＯＨのＯの非共有電子対を引き付けて奪いπ結合となる二重結合を形成します。

そしてＯが正（＋）に帯電する為に水素原子Ｈが水素イオンＨ＾+として反発し合いＨ＾+が脱離し、脱離後Ｏ＾-に配位結合し鎖式ガラクトースなりα−ガラクトースと平衡状態に入ります。この時、還元性を示すアルデヒド基−ＣＨＯが生成されますが、これは回転する事が可能になっています。

次に、この回転したアルデヒド基−ＣＨＯが動き出します。アルデヒド基−ＣＨＯの正（＋）に偏っているＣ（＋）が、先程のヒドロキシ基−ＯＨのＯのローンペアを奪い引き付けてＯと共有結合を形成します。

Ｏと共有結合を形成したＣ（＋）はオクテット則（８電子則）を満たさなくなった為に、結合の弱いＣ＝Ｏ間のπ結合の電子がＯ側に完全に移動しなければならずＯ＾-の負（−）として帯電します。

そして、先程ローンペアを失ったＯが正（＋）に帯電する為に、水素原子Ｈが水素イオンＨ＾+として反発し合い弾かれると、アルデヒド基−ＣＨＯのＯ＾-に配位結合しβ−ガラクトースが生成され平衡状態に入ります。

考え方と致しましては、ヘミアセタール・Ｏ−Ｃ−ＯＨを中心にグルコースの平衡状態と同じ考え方ですので、理解しやすかったのではないでしょうか！

【❋　Ｃ原子とＯ原子の非共有電子対（ローンペア）の距離間！】画像では正（＋）に偏ったＣとＯは距離があり、ＣがＯのローンペアを引き付けて奪えない様に感じます。そこでイメージと致しましては、Ｏのローンペアは広い空間を所有しており、Ｃが充分にローンペアを奪える距離間にあり、実際にはＯのローンペアとは近いというイメージをされたらと思います！

３．フルクトースの構造と平衡状態！

フルクトースの平衡状態に付きましては、上画像の様な「❋　六員環構造のα−フルクトースとβ−フルクトース、２種類の鎖状構造のフルクトース、五員環構造のα−フルクトースとβ−フルクトース！」から成り立っています。

皆さん４つの画像から、おおよその平衡状態は理解出来るとは思いますが、再度１つ１つの画像について分けて考えていきたいと思います。

【❋　フルクトース（果糖）の平衡状態！】

フルクトース（六員環）にもグルコース、ガラクトースと同様に「❋　ヘミアセタール・Ｏ−Ｃ−ＯＨ」が存在します。

まずα−フルクトース（六員環）、β−フルクトース（六員環）ですが、フルクトースのヘミアセタール・Ｏ−Ｃ−ＯＨがグルコース、ガラクトースと同じ動きによって２種の鎖式フルクトースが生成し平衡状態となります！

２種の鎖式フルクトースは平衡状態に在りますが、これは−ＣＯ−ＣＨ2ＯＨのＣ（＋）の部分が回転するからです。そして画像の２つの（１）、（２）、（３）の中心にあります２つの「❋　５位の炭素原子Ｃ」が−ＯＨ方向に回転すると、２種の五員環の様な鎖式フルクトースが生成され平衡状態となります！

ここでは、この鎖式フルクトースのてっぺんの−ＯＨ基のＯの非共有電子対を正（＋）に偏ったＣ（＋）が引き付けて共有結合を形成します。そしてこの瞬間、−ＯＨ基のＯが１電子を失った為に正（＋）に帯電しＯ＾+となり、水素原子Ｈが水素イオンＨ＾+としてＯ＾+と反発し合って脱離します。

さらにオクテット則を満たさなくなったＣ（＋）が電子を吸収した際に、ケトン基・〉Ｃ＝ＯのＯのπ電子をＯ側に完全に追いやり負（−）に帯電しＯ＾-となります。このＯ＾-に先程脱離したＨ＾+が配位結合し、α−フルクトース（五員環）とβ−フルクトース（五員環）が生成し、鎖式フルクトースと平衡状態に入ります！

α−フルクトース（五員環）とβ−フルクトース（五員環）が生成すると、五員環のてっぺんのＯ原子がＣ（＋）との共有電子対ごと電子を奪いＯ＾-となります。電子を奪われたＣ（＋）はカルボカチオンＣ＾＋となり、−ＯＨ基のＯ原子の非共有電子対を吸収しＯと二重結合を形成します。

電子が奪われたＯはＯ＾+として正（＋）に帯電する為に、水素原子Ｈが水素イオンＨ＾+として反発し合い弾かれると、てっぺんのＯ＾-に配位結合し−ＯＨ基を形成し、鎖式フルクトースと平衡状態に入ります。

後は、４つの画像全てが互いに平衡状態に入る様（さま）をイメージして頂けたらと思います！

皆さん、うまくイメージ出来たのではないでしょうか？結局、フルクトースの中にヘミアセタール・Ｏ−Ｃ−ＯＨが存在しますので、グルコース、ガラクトースと同様に考えて頂けたらと思います。

また、酸素原子Ｏ（❋　−ＯＨ基のＯも含む！）の所有する非共有電子対（ローンペア）と、ケトン基・〉Ｃ＝Ｏの所有する二重結合（π結合）のπ電子の存在にも着目して頂けたら理解度がアップするのではないでしょうか！

３−１．フルクトースは、Ｒ−ＣＯ−ＣＨ2ＯＨ構造の平衡状態に還元性を示すアルデヒド基−ＣＨＯを所有する！

【❋　平衡状態におけるアルデヒド基−ＣＨＯ！】

　冒頭でフルクトースは５つの構造によって平衡状態にあると記述致しましたが、グルコースはα−グルコース・鎖状構造・β−グルコースの３つの構造によって平衡状態に、ガラクトースはα−ガラクトース・鎖状構造・β−ガラクトースの３つの構造と、グルコースとガラクトースは同じ３つの平衡状態から成っていてフルクトースとは少々異なります。

ですが、水溶液中でのフルクトース、グルコース、ガラクトースには共通点があります。それが混成軌道の記事内で紹介致しました、「❋　水溶液は銀鏡反応を示し、フェーリング液を還元するが、これ等は条件として平衡状態にある鎖状構造のアルデヒド基−ＣＨＯが存在しなければならない！」という共通点です。

しかし、平衡状態にある鎖状構造を観ると、グルコースとガラクトースにはアルデヒド基−ＣＨＯがあり還元性を示す事が解りますが、フルクトースの鎖状構造にはアルデヒド基−ＣＨＯが無いように思えます。

今回フルクトースを中心に単糖類を題材として設けたのは、「❋　フルクトースの平衡状態が理解しづらい！」事と、フルクトースの平衡状態において鎖状構造にある時は、「❋　Ｒ−ＣＯ−ＣＨ2ＯＨの構造を所有しており、この構造が更に平衡状態となってアルデヒド基−ＣＨＯが出現し還元性を示す！」事から、再度画像によって理解して頂きたいと思い記事と致しました！