なぜ炭素は生命の元素なのか

ベルリン、1828年。ハインリヒ・グスタフ・マグヌスの研究室で働いていた28歳のドイツ人化学者フリードリヒ・ウェーラーは、シアン酸アンモニウムの入った小さなフラスコを炎の上で加熱し、水が蒸発するにつれて液がとろりと粘ってくるのを見つめていた。フラスコが冷えていくと、無色の結晶が内側のガラスを這うように広がった。彼はそれをこそげ取り、標準的な検査にかけ、そして気づけば尿素を前にしていた。哺乳類が尿として排出する、教科書でおなじみの老廃物分子である。装置のなかに腎臓などなく、どこにも生きた組織はなかった。彼は二つの完全に死んだ無機塩を取り上げ、その朝までは生命からしか生じないとされていた化合物をつくり出したのだった。

ウェーラーは自分がなし遂げたことの大きさを理解していた。師であるイェンス・ヤコブ・ベルセリウスへの手紙で、彼はもう知らせを抑えておけないと書いた。人であれ犬であれ、腎臓を必要とせずに尿素をつくることができる、と。二世紀のあいだ化学を秩序立ててきた定説が、そのフラスコのなかで息絶えようとしていた。

たった数個の結晶が、どうしてそれほど大きな問いに決着をつけたのか。そして二百年を経た今もなお、私たちはなぜ、名の由来となった生命の分子ではなく、ただ一つの元素を中心に組み立てられた化学の一分野をまるごと教え続けているのか。その答えは、ある一つの原子、すなわち炭素の、奇妙でほとんど完璧なまでに調整された性質のなかを通っている。

生気力を葬った実験

18世紀の大半から19世紀初頭にかけて、化学者たちは物質界を二つに分けていた。鉱物、金属、塩類の領域である無機物質は、通常の実験室の法則に従った。そして植物や動物から得られる物質、すなわち有機物質は、それ自身の法則に従っているように見えた。当時を支配していた説明は 生気論 であり、それは有機分子が特別な「生気力」を帯びていて、それを供給できるのは生きた生物だけだとする定説だった。この見方によれば、いかなる化学者も有機化合物を一から組み立てることはできない。必要な材料が生命そのものであり、その生命を瓶から注ぎ出すことなどできないからである。

シアン酸アンモニウム NH₄OCN からの尿素 CO(NH₂)₂ のウェーラーの合成は、その考えに杭を打ち込んだ。両方の出発物質は無機物質に分類されていたが、生成物はまぎれもなく有機物であり、まさに哺乳類が排出するその化合物だった。もし本当に生気力が必要なのであれば、この反応は起こり得ないはずだった。それでも反応は、実験台の上で、室内に生きたものが何一つない状態で、確実に起こったのである。

歴史については正直であるべきだ。なぜなら教科書版は真実よりも整いすぎているからである。ウェーラーの結果は一夜にして生気論を覆したわけではない。この定説には何十年ものあいだ擁護者がいたし、尿素合成は定説を徐々に蝕んでいったいくつかの発見の一つにすぎなかった。だがこの実験は、実験室における有機化学の創始の瞬間として正しく記憶されており、この分野のはるかに有用な新しい定義を迫った。有機化学は生きものの化学であることをやめ、現代的な実用的意味において、炭素化合物の化学となった。「有機」という呼び名は残ったが、その対象はもはや生命のものではなかった。

四つの電子、四つの結合、そしてほぼ完璧な均衡

有機化学が炭素の化学だとすれば、次に当然出てくる問いは、なぜ炭素なのか、ということだ。天然に存在する元素はおよそ九十種ある。砂糖からプラスチック、DNAに至るまで、何百万もの異なる化合物の骨格に、この一つの元素にしているのは何なのか。その答えは、炭素においてたまたま並外れて好都合な組み合わせに落ち着いた、ありふれた原子の性質の短いリストである。

炭素は周期表の第二周期に位置し、四つの価電子をもつ。これはちょうど満たされた最外殻の半分である。この数が決定的に重要だ。電子を一つか二つだけゆるく抱えた原子は、それを手放そうとする。一つか二つだけ足りない原子は、それを奪い取ろうとする。ちょうど真ん中で正確に均衡している炭素は、そのどちらもしない。代わりに電子を共有し、ほどよい強さの四つの共有結合をつくる。生命や化学が起こる温度で構造を保つには十分に強く、しかし何も組み替えられないほどには強くない。決して切れない結合の上に築かれた分子は、不活性で役に立たない。炭素の結合は丈夫だが扱える。それこそが、用途の広い構成要素に求められるものである。

炭素の電気陰性度、すなわち原子が共有された電子をどれほど強く引っ張るかの尺度は、ポーリングの尺度で2.55であり、その範囲のほぼ中央に位置する。つまり炭素は、結合のなかの電子を独り占めすることも、明け渡すこともない。ほかの炭素との結合、そして水素との結合は本質的に無極性であり、電荷が一方の端に積み上がるのではなく均等に広がっている。無極性の結合は安定でやっかいごとが少なく、それが炭素の骨格を水中で崩れさせず、触れるものすべてと見境なく反応することからも守っている。

最後の性質が決定的なものだ。炭素は何の自然な限界もなしにたやすく自分自身と結合する。これは鎖を意味するラテン語に由来する カテネーション(連鎖)と呼ばれる挙動である。一つの炭素原子は別の炭素と結びつき、それがまた別の炭素と結びつき、際限なく続いていく。これほどうまくこれをこなす元素はほとんどない。カテネーションこそが、炭素を直鎖、枝分かれした鎖、閉じた環、そして事実上無制限の大きさをもつ込み入った三次元の籠へと自己組織化させるものである。四つの価電子、四つのほどよい無極性結合、そして無制限の自己連結を取り合わせれば、実質的に終わりのない異なる構造のカタログを築ける元素が得られる。そのカタログが有機化学なのである。

一つの原子はいかにして自らの形を選ぶのか

炭素はいつも同じ幾何構造を世界に見せるわけではない。その四つの価電子は結合する前に三通りの異なる仕方で混ざり合うことができ、その選択が炭素を中心に築かれるすべての形を決める。この混ざり合いは 混成 と呼ばれ、原子のもつ一つの2s軌道といくつかの2p軌道を混ぜ合わせて、結合相手のほうへきれいに向いた新しい混成軌道をつくり出す。

第一の様式であるsp³混成では、2s軌道が三つの2p軌道すべてと組み合わさり、四つの同一の混成軌道を生む。それらは正四面体の頂点のほうを向き、109.5度に開いて、四つの方向が取りうる限り互いから離れている。これはメタン CH₄ の幾何構造であり、脂肪、糖、そして生体分子の大部分を構成する飽和炭素骨格の幾何構造でもある。sp²混成では、2s軌道は二つの2p軌道とだけ混ざり合い、120度に開いた三つの平面的な混成軌道と、その平面に垂直な一つの混成していないp軌道を残す。これはエチレン H₂C=CH₂ における配置であり、そこでは隣り合う二つの炭素上の余ったp軌道が横向きに重なり合って、二本目のより弱い結合をつくる。sp混成では、2s軌道はただ一つの2p軌道と混ざり合い、180度で互いに反対方向を向いた二つの混成軌道を生み、二つの垂直なp軌道を残す。これは炭素どうしのあいだに三重結合をもつアセチレン HC≡CH の直線的な幾何構造である。

ただ一つの元素が、電子が結合する前にどう混ざり合うかだけによって、四面体形、平面形、あるいは直線形の幾何構造を選べるということ。それが、炭素がこれほど生産的である控えめな理由の一つである。

結合の数値が伝えていること

二つの炭素のあいだの結合の数は、単なる帳簿上の細かい事柄ではない。それはきわめて予測力に富んだ仕方で、結合の測定可能な長さと強さを変える。炭素同士の単結合はおよそ1.54オングストロームに伸び、1モルあたりおよそ348キロジュールのエネルギーで保たれる。二本目の結合を加えて二重結合にすると、二つの炭素はより近づき、およそ1.34オングストロームになる一方、エネルギーは1モルあたりおよそ614キロジュールへと上がる。三重結合にすると、炭素はさらに近くに座り、およそ1.20オングストローム離れて、およそ839キロジュール毎モルで結ばれる。

その傾向は一貫している。結合の数が多いほど、結合は短く、強くなる。だが計算に注目してほしい。単結合から二重結合へ進むと1モルあたりおよそ266キロジュールが加わるのに対し、二重結合から三重結合へ進むと加わるのはおよそ225キロジュールだけである。追加される結合は一つ前より少ない分しか寄与しない。なぜなら、余ったp軌道どうしの横向きの重なりによって形成される、いわゆるパイ結合という余分な結合は、二つの原子のあいだにまっすぐ横たわるもとのシグマ結合よりも本質的に弱いからである。

これらの数値が化学の課程で居場所を得ているのは、それが挙動を予測するからである。それらは、熱や試薬の攻撃を受けてどの結合が最初に切れるかを教えてくれる。最も弱い環がまず壊れるからだ。それらは、コンロのなかのメタンであれエンジンのなかのオクタンであれ、どんな炭化水素を燃やしても炭素水素結合一つあたりほぼ同じエネルギーが放出される理由を説明する。どちらの場合も、同じ種類の結合を切り、つくり直しているからだ。そしてそれらは、分子の線の上下にむき出しで座る、あの弱いパイ結合がなぜ有機化学の典型的な反応部位、つまり反応が始まりがちな場所であるのかを説明する。

一つの元素、多くの固体

炭素の多才さはその化合物にとどまらない。純粋な炭素は、見た目も振る舞いもまったく似ていないいくつかの結晶形をとる。これは同素体と呼ばれる現象である。その違いはまったくもって原子の配列の仕方から生じ、それは炭素の混成の選択から導かれる。

ダイヤモンドは、剛直な三次元の網目へと広がったsp³炭素であり、どの原子も四つの隣接原子と四面体的に結合し、結晶全体が事実上一つの巨大な分子となっている。その途切れることのない強い結合の網こそが、ダイヤモンドがモース硬度尺度で完璧な10を得る理由であり、知られているなかで最も硬い天然物質である理由だ。黒鉛は平らなシートに配列したsp²炭素であり、各シートの内部ではきつく固定されているが、シート同士のあいだではゆるく重なっているだけなので、層が互いに滑り合う。その滑りこそが、黒鉛が柔らかい理由であり、潤滑剤になる理由であり、鉛筆を紙の上で引きずると灰色の筋が残る理由である。グラフェンは黒鉛の一枚を孤立させたシートで、原子一個分の厚さしかなく、2004年にアンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフによって初めて分離された。フラーレンはsp²炭素が丸まって中空の球になった閉じた籠であり、その原型はサッカーボールの形をしたバックミンスターフラーレン C₆₀ である。そしてカーボンナノチューブはグラフェンのシートが円筒状に巻かれたものだ。同じ元素、同じ原子、まったく異なる固体。それらはすべて、炭素が結合すると決めるときの角度という、ただそれだけのものから呼び出される。

炭素の言語を読む

これまでのすべてはいずれ書き留められなければならず、有機化学者ははるか昔にそのための簡潔な表記法に落ち着いた。構造式である。線描では、炭素の骨格は線分のジグザグとして描かれ、各頂点と各線の端が一つの炭素原子を表す。水素はまったく描かれない。各炭素は四つの結合を必要とするので、残ったすべての結合を埋めるものと了解されている。二重結合と三重結合は二本線や三本線として現れ、官能基と呼ばれる反応性の集まりは、骨格に沿った特徴的な位置に座る。これについては後の授業で詳しく扱う。

構造式を一目で読み取る、つまり鎖、枝分かれ、多重結合、そして官能基をすべて一度に見て取れるようになることは、この学問分野の基礎的な読み書き能力であり、音楽家にとっての楽譜を読むことに相当する。

その語彙は、名を冠した実験の長い連なりを通じて、ウェーラーのフラスコから育っていった。1845年のヘルマン・コルベによる酢酸の合成、1865年のアウグスト・ケクレによるベンゼンの構造、1874年にヤコブス・ファント・ホッフとジョセフ・ル・ベルが提唱した四面体炭素原子、1939年のライナス・ポーリングの The Nature of the Chemical Bond(化学結合論)、そして2004年のグラフェンの分離である。それぞれの一歩が、古い生気論の謎をほんの少しずつ退け、紙の上に描ける構造へと置き換えていった。

要点

炭素が生命の元素という称号を得るのは、何らかの生気の火花によってではない。1828年にフリードリヒ・ウェーラーがその考えを解体したとき、彼は無機物のシアン酸アンモニウムから有機分子である尿素をつくり、有機化学を生きものの化学ではなく炭素化合物の化学として定義し直した。構成要素としての炭素の優位は、ありふれた性質のすっきりとした収束から導かれる。四つの共有結合をほどよい強さで形成させる四つの価電子、それらの結合を無極性で安定に保つ2.55という電気陰性度、そして際限なく自分自身と鎖をつくり、鎖、環、籠へと連ならせるカテネーションである。炭素は混成を通じて自らの形を調整し、四面体形のsp³(109.5度、メタン)、平面形のsp²(120度、エチレン)、あるいは直線形のsp(180度、アセチレン)の幾何構造を選ぶ。そしてその結合は予測力のある特徴を帯びており、単結合は1.54 Åで348 kJ/mol、二重結合は1.34 Åで614 kJ/mol、三重結合は1.20 Åで839 kJ/molである。ここでは、加わるパイ結合のそれぞれが結合を短く強くするが、一つ前より少ないエネルギーしか寄与しない。分子を支配するのと同じ混成の選択は、純粋な炭素の際立って異なる固体、すなわちダイヤモンドや黒鉛からグラフェン、フラーレン、ナノチューブに至るまでをも生み出す。そしてウェーラーの結晶から育ったこの学問分野のすべては、あらゆる有機化学者が一目で読み取れるよう学ぶ、あの簡潔な線描のなかに記録されているのである。