【有機化学】反応機構を曲がった矢印で書く方法を徹底解説！

有機化学を学ぶ大学生にとって、「反応機構」の理解は最大の壁の一つです。教科書に書かれている複雑な生成物を見て、「なぜこの結合が切れて、ここに新しい結合ができるの？」と頭を抱えた経験はあるでしょう。

その「なぜ」を説明する言語こそが、「曲がった矢印」です。

曲がった矢印は、単なる飾りではありません。化学反応における電子の動きを可視化するツールです。

この矢印の書き方をマスターすれば、未知の反応に出会っても、ある程度メカニズムを推測できるようになります。丸暗記の化学から卒業するための必須スキルです。

この記事では、化学系大学生向けに、反応機構図における「曲がった矢印」の正しい書き方、ルール、そして典型的なパターンを徹底解説します。

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大原則：矢印は「電子対」の動きを表す

最も重要で、絶対に忘れてはいけない大原則があります。

曲がった矢印は、常に「電子対（2個の電子）」の移動方向を表す。 原子核（原子そのもの）や、正電荷（プラス）の動きを表すものではない。

有機反応の多くは、電子が豊富な場所から、電子が不足している場所へ移動することで起こります。この「電子の流れ」を追うのが矢印の役割です。

• 通常の曲がった矢印（二重の矢尻）: 電子対（2電子）の移動を表します。イオン反応のほとんどはこれです。
• （参考）片方の矢尻（釣り針状）: ラジカル反応における1電子の移動を表します。今回は扱いません。

矢印の「始点」と「終点」

矢印を正しく書くためには、「どこから始まり（始点）」、「どこへ向かうか（終点）」を明確にする必要があります。

始点：電子が豊富な場所

矢印の尻尾は、必ず電子がある場所からスタートします。具体的には以下の3つです。

1. 非共有電子対:
   • 最も一般的な始点です。N, O, S, ハロゲンなどが持つ孤立電子対です。
   • （例：アンモニアのNの孤立電子対、水酸化物イオンのOの孤立電子対）
2. π結合（パイ結合）:
   • 二重結合や三重結合にある、反応性の高い電子対です。
   • （例：アルケンのC=C二重結合）
3. σ結合（シグマ結合）:
   • 単結合の電子対が移動することもあります。脱離反応や転位反応で見られます。
   • （例：C-H結合が切れてH⁺が取れる時、C-L結合が切れて脱離基Lが抜ける時）

【重要キーワード】 これら「電子対を与える能力がある種」を求核剤またはルイス塩基と呼びます。

終点：電子を受け入れる場所

矢印の先は、電子を受け入れることができる場所に向かいます。

1. 電気陰性度の高い原子（δ-）:
   • 新しい結合を作るために、その原子に向かって矢印を引きます。ただし、その原子がすでにオクテットを満たしている場合、同時に別の結合を切断して電子を押し出す必要があります（後述）。
2. 正電荷を持つ原子（カチオン）または部分正電荷（δ+）を持つ原子:
   • 電子が不足している場所は、喜んで電子を受け入れます。
   • （例：カルボカチオンの空のp軌道、カルボニル基の炭素（C=OのCはδ+））
3. 原子と原子の間の空間（新しい結合の形成）:
   • 新しいπ結合ができる時など、原子間結合の上に矢印の先を置くことがあります。

【重要キーワード】 これら「電子対を受け取る能力がある種」を求電子剤またはルイス酸と呼びます。

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習得すべき4つの基本パターン

有機反応機構は複雑に見えますが、実は基本的な電子移動パターンの組み合わせで成り立っています。まずはこの4つを完璧に理解しましょう。

パターンA：求核攻撃（Nucleophilic Attack）

電子豊富な種（求核剤）が、電子不足な種（求電子剤）を攻撃して新しい結合を作るパターンです。

[例：Brイオンによるカルボカチオンへの攻撃]

新たに生成した結合の電子は、もともとBrが持っていた非共有電子対から来ています。

パターンB：脱離基の脱離（Loss of a Leaving Group）

単結合（σ結合）の電子対を持って、原子団が分子から離れるパターンです。さっきと逆ですね。

[例：tert-ブチルブロミドからの臭化物イオンの脱離]

C-Br結合の電子対がBrのものになり、Br⁻として脱離します。残されたCはプラスになります。

パターンC：プロトン移動（Proton Transfer）

酸塩基反応のことです。

「塩基がH⁺を奪う」反応ですが、H⁺が動くのではなく、塩基の電子対がHを取りに行くように描くのが鉄則です。

これはパターンAとBの組み合わせで起こることが多いです。

[例：水酸化イオンと塩化水素の反応]

1. OH^–の非共有電子対（始点）から、HClのH（終点）へ矢印を引く（Hへの攻撃）。
2. 同時に、H-Cl結合（始点）からCl（終点）へ矢印を引く（Clの脱離）。 ※Hは結合を1本しか持てないため、新しい結合ができると同時に、古い結合を切る必要があります。

パターンD：転位（Rearrangement）※ややレア

不安定な中間体（カルボカチオンなど）が、より安定な構造へ変化する際に起こります。隣の炭素からHやメチル基が、電子対ごと移動します。

[例：カルボカチオンのヒドリドシフト]

隣接するC-H結合（始点）が、電子対ごとカチオン中心の空軌道（終点）へ移動します。

ちなみにカルボカチオンの安定度は、超共役の効果により第一級＜第二級＜第三級カルボカチオンの順番なので、この反応はいたって自然ですね！

絶対に守るべきルールと注意点

矢印を書く際に、以下のルールを破ると化学的にありえない構造になってしまいます。常に意識しましょう！

ルール1：オクテット則を決して破らない（特に第2周期元素）

C, N, O, F などの第2周期元素は、価電子を8個（結合4本分）までしか持てません。 炭素に結合の手を5本生やしてはいけません。

• すでに結合が4本ある（あるいは二重結合などでオクテットを満たしている）原子に対して求核攻撃をする場合は、必ず同時に別の結合を切断して、電子を押し出す矢印（脱離の矢印）を書く必要があります（パターンCの例を参照）。

ルール2：形式電荷の変化を正しく追う

電子対が移動すると、原子の形式電荷が変わります。これを間違えると反応機構が破綻します！

• 電子対を受け取った原子：形式電荷は「－1」方向に変化します。
  • 中性 → 負電荷 (0 → -1)
  • 正電荷 → 中性 (+1 → 0)
• 電子対を供与した（失った）原子：形式電荷は「＋1」方向に変化します。
  • 中性 → 正電荷 (0 → +1)
  • 負電荷 → 中性 (-1 → 0)

例）中性のNH₃が非共有電子対を使ってH⁺と結合すると、Nは電子を供与した形になるので、NH₄⁺（正電荷）になります。

注意点：逆向きの矢印を書かない

初心者がやりがちなミスです。

×「H⁺が、電子豊富な二重結合に近づいていく」 〇「二重結合のπ電子が、H⁺を捕まえにいく」

常に主語は「電子」です。プラスの電荷から矢印をスタートさせてはいけません！

補足

これは補足ですが、「矢印のえがく円の外側」にある原子の電子対が移動します。

上の図にある通り、△で示した反応機構は左側のC原子上の電子対が使われているのに最終的に右側のC原子がC^＋になっているので、少し気持ちの悪い反応機構になっています。

どれくらい気持ち悪いかというと、数学の割り算で6÷2=3・・・0と書くぐらいです。

もし右側のC原子をC⁺にしたいのなら、以下のように書く必要があります。

練習問題

少しですが、練習問題を用意しました。時間があれば解いてみて下さい！

練習問題①

練習問題②

まとめ

反応機構の矢印は、有機化学における「言語」です。最初はぎこちなくても、自分で手を動かして書いていくうちに、電子の流れが自然に見えるようになります。

1. 矢印は「電子対」の動き！
2. 始点は「非共有電子対、π結合、σ結合」！
3. 終点は「δ+の原子、カチオン、新しい結合位置」！
4. オクテット則と形式電荷に注意！

教科書を読む時も、ただ目で追うだけでなく、「なぜここに矢印が引かれているのか？（どの電子が、どこに惹かれているのか？）」を常に考える習慣をつけましょう。それが有機化学マスターへの近道です。