【基礎化学(有機)】Module 7：芳香族化合物（2）フェノール類と芳香族アミン

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本モジュールの目的と構成

Module 6では、芳香族化学の王であるベンゼンとその基本的な置換反応、そして反応性を支配する「配向性」のルールについて学びました。私たちは、ベンゼン環という特別な安定性を持つ舞台の上で、求電子剤がどのように振る舞うかを見てきました。そして今、私たちはその舞台に、有機化学における最も重要な官能基のいくつかを登場させ、物語を新たな次元へと進めます。このモジュールで光を当てるのは、ベンゼン環にヒドロキシ基(-OH)が直接結合したフェノール類と、アミノ基(-NH₂)が直接結合した芳香族アミン（その代表がアニリン）です。

フェノールとアニリンは、一見すると脂肪族の親戚であるアルコールやアミンと似ているように思えるかもしれません。しかし、官能基がベンゼン環に直結した瞬間、両者の間に劇的な相互作用が生まれ、脂肪族のカウンターパートとは全く異なる個性が現れます。このモジュールの中心的なテーマは、ベンゼン環と官”能基が、共鳴効果を通じて互いの性質をいかに変容させるか」を理解することにあります。

私たちは、フェノールの-OH基が、ベンゼン環に電子を供給することで、脂肪族アルコールには見られない顕著な「酸性」を示すようになる謎を解き明かします。同様に、アニリンの-NH₂基の非共有電子対がベンゼン環に吸い込まれることで、なぜ脂肪族アミンよりも「塩基性」が著しく弱まるのか、その理由に迫ります。

さらに、これらの官能基はベンゼン環を強力に「活性化」し、親電子置換反応を驚くほど容易に進行させます。この高すぎる反応性を逆手にとり、あるいは巧みに制御しながら、染料や医薬品といった有用な物質を合成していく化学の叡智を探求します。特に、アニリンを低温で処理することで生まれる「ジアゾニウム塩」という不安定な中間体は、「ジアゾカップリング」という反応を通じて、鮮やかなアゾ染料の世界への扉を開きます。

本モジュールは、以下の10の学習項目で構成されています。

フェノール類の構造と性質（弱酸性）: なぜフェノールはアルコールと異なり、酸性を示すのか？その鍵である「フェノキシドイオンの共鳴安定化」を解明します。
フェノール類の製法（クメン法など）: 工業的にフェノールを大量生産する、巧妙な「クメン法」のメカニズムを探り、化学がいかに効率性を追求するかを学びます。
フェノール類の反応（置換反応、呈色反応）: -OH基によって超活性化されたベンゼン環が示す、爆発的な反応性。そしてフェノールを見分けるための美しい呈色反応を学びます。
アニリンの構造と性質（弱塩基性）: なぜアニリンは通常のアミンよりも塩基性が弱いのか？その理由を、アミノ基の非共有電子対の「非局在化」から論理的に理解します。
アニリンの製法（ニトロベンゼンの還元）: ベンゼンからニトロ化を経てアニリンへと至る、芳香族化合物の基本的な合成ルートを確立します。
アニリンの反応（アセチル化）: 制御不能なほどの高い反応性を持つアミノ基を、一時的に「保護」して穏やかなアミドに変える「アセチル化」という、有機合成の重要な戦略を学びます。
ジアゾ化とジアゾカップリング: 芳香族化学の華。アニリンを低温でジアゾニウム塩に変換し、それを別の芳香族化合物と結合させて新しい分子を創り出す、魔法のような反応です。
アゾ染料の構造と色: なぜアゾ化合物は鮮やかな色を持つのか？分子構造と色の関係を、共役π電子系という概念から理解します。
スルファニル酸と両性イオン: 分子内に酸性基と塩基性基を併せ持つ化合物が見せる「両性イオン（双性イオン）」という興味深い姿を探ります。
安息香酸の性質と製法: 芳香族カルボン酸の代表である安息香酸について、その製法と性質を整理し、これまでの知識を統合します。

このモジュールを終えるとき、あなたはベンゼン環と官能基が織りなす電子の相互作用を深く理解し、それがいかに化合物の酸性・塩基性や反応性を支配するかを説明できるようになっているでしょう。それは、芳香族化学の真の面白さに触れる体験となるはずです。

1. フェノール類の構造と性質（弱酸性）

芳香族化合物の世界にヒドロキシ基 (-OH) が登場すると、私たちはフェノール類と呼ばれる新しい化合物ファミリーに出会います。脂肪族のアルコールと構造は似ていますが、その性質、特に酸性度においては劇的な違いが見られます。この違いを理解することは、ベンゼン環が隣接する官能基に及ぼす電子的影響を学ぶ上で、絶好のケーススタディとなります。

1.1. フェノール類の構造と定義

定義: ベンゼン環の炭素原子に、ヒドロキシ基 (-OH) が直接結合した化合物の総称。最も単純なものがフェノール (Phenol, \(\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}\)) です。
アルコールとの違い: 脂肪族アルコールでは、-OH基は飽和炭素原子（sp³炭素）に結合しています。一方、フェノールでは、-OH基はベンゼン環のsp²炭素に結合しています。この結合相手の違いが、性質の差を生む根源です。
クレゾール: トルエンのメチル基に対して、-OH基がオルト、メタ、パラの位置に置換したメチルフェノールには、クレゾールという慣用名があります（o-クレゾール, m-クレゾール, p-クレゾール）。

1.2. フェノールの物理的性質

状態: 純粋なフェノールは、無色の結晶性固体で、特有の薬品臭（消毒薬のような臭い）を持ちます。
溶解性: フェノールの分子は、-OH基を持つため、水分子と水素結合を形成できます。しかし、疎水性の大きなベンゼン環も持っているため、水への溶解度は常温でそれほど高くありません（約8g/100mL）。お湯にはよく溶けます。
毒性: フェノールは腐食性があり、皮膚に触れると薬傷（やけど）を引き起こすため、取り扱いには注意が必要です。消毒・殺菌作用もあります。

1.3. フェノールの弱酸性

フェノールの最も重要な化学的性質は、脂肪族アルコール（ほぼ中性）とは異なり、明確な酸性を示すことです。ただし、その酸性度はカルボン酸よりははるかに弱いため、弱酸に分類されます。

\( \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{O}^- + \text{H}_3\text{O}^+ \)

pKaの比較:
- エタノール (アルコール): pKa ≈ 16
- フェノール: pKa ≈ 10
- 炭酸: pKa₁ ≈ 6.4
- 酢酸 (カルボン酸): pKa ≈ 4.8
塩基との反応性:
- vs 強塩基 (NaOH): フェノールは、水酸化ナトリウムのような強塩基とは完全に反応して、水溶性の塩であるナトリウムフェノキシド (ナトリウムフェノラート) を生成します。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2\text{O} \)
- vs 弱塩基 (NaHCO₃): フェノールは、炭酸よりも弱い酸です。したがって、「弱酸の遊離」の原理により、炭酸の塩である炭酸水素ナトリウムや炭酸ナトリウムとは反応しません。
- 弱酸の遊離: 逆に、ナトリウムフェノキシドの水溶液に、フェノールよりも強い酸である二酸化炭素（炭酸）を吹き込むと、弱酸であるフェノールが遊離して、溶液が白濁します。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} \downarrow + \text{NaHCO}_3 \)
- この反応性の違い（NaOHには溶けるが、NaHCO₃には溶けない）は、カルボン酸とフェノールを分離・識別するための極めて重要な手段となります。

1.4. なぜフェノールは酸性を示すのか？：フェノキシドイオンの共鳴安定化

アルコールが酸性を示さないのに、フェノールが酸性を示す理由は、プロトンを放出した後に生成する共役塩基、フェノキシドイオン (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{O}^-\)) の特別な安定性にあります。

アルコールの場合: アルコールがプロトンを失うとアルコキシドイオン (R-O⁻) が生成します。このイオンでは、負の電荷は酸素原子上に局在化しており、不安定です。
フェノールの場合: フェノールがプロトンを失うとフェノキシドイオンが生成します。このイオンでは、酸素原子上の負の電荷（非共有電子対）が、ベンゼン環のπ電子系と共鳴することができます。
- 共鳴構造式を描くと、負の電荷が酸素原子上だけでなく、ベンゼン環のオルト位とパラ位の炭素原子上にも**非局在化（分散）**していることがわかります。

この共鳴による負電荷の非局在化が、フェノキシドイオンをアルコキシドイオンよりもはるかに安定化させています。共役塩基が安定であるほど、元の酸はプロトンを放出しやすくなります。これが、フェノールがアルコールよりも \(10^6\) 倍（100万倍）も強い酸であることの根本的な理由です。

フェノールの酸性は、ベンゼン環と官能基が電子的に相互作用（共鳴）することで、互いの性質を劇的に変化させるという、芳香族化学の醍醐味を示す最初の重要な例なのです。

2. フェノール類の製法（クメン法など）

フェノールは、消毒薬から樹脂（フェノール樹脂）、医薬品（アスピリン）まで、様々な化学製品の原料として大量に必要とされる、極めて重要な基幹化学品です。そのため、フェノールを安価かつ効率的に工業生産するための方法が、長年にわたって研究されてきました。

現在、世界のフェノールのほとんどがクメン法 (Cumene process) と呼ばれる、非常に巧妙で経済的なプロセスによって製造されています。このセクションでは、このクメン法を中心に、フェノールの代表的な製法を学びます。

2.1. クメン法：現在の主流

クメン法は、1940年代に開発され、現在、フェノールの工業的製法の95%以上を占めています。この方法が優れている最大の理由は、目的生成物であるフェノールと、同じく有用な化学品であるアセトンが、同時に得られる（併産される）という点にあります。

クメン法は、以下の3つのステップから構成されます。

ステップ1：クメンの合成（フリーデル・クラフツアルキル化）

原料: ベンゼンとプロペン (プロピレン)
反応: ベンゼンを、リン酸などを触媒として、プロペンとフリーデル・クラフTS アルキル化反応させ、クメン (Cumene) を合成します。
- クメンのIUPAC名はイソプロピルベンゼンです。\( \text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_2\text{=CH-CH}_3 \xrightarrow{\text{酸触媒}} \text{C}_6\text{H}_5\text{CH(CH}_3)_2 \)(ベンゼン) + (プロペン) → (クメン)

ステップ2：クメンヒドロペルオキシドの生成（自動酸化）

反応: 合成したクメンを、塩基性条件下で、空気中の酸素を使って酸化（自動酸化）します。
生成物: イソプロピル基の根元のC-H結合に酸素分子が挿入されたような形で、クメンヒドロペルオキシドが生成します。ヒドロペルオキシドとは、-O-O-Hという構造を持つ化合物です。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{CH(CH}_3)_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{空気酸化}} \text{C}_6\text{H}_5\text{C(CH}_3)_2\text{OOH} \)(クメン) → (クメンヒドロペルオキシド)

ステップ3：酸分解によるフェノールとアセトンの生成

反応: 生成したクメンヒドロペルオキシドを、希硫酸のような酸で処理（酸分解）します。
生成物: ここで、分子内で劇的な転位反応が起こり、最終的にフェノールとアセトンに分解されます。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{C(CH}_3)_2\text{OOH} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{CH}_3\text{COCH}_3 \)(クメンヒドロペルオキシド) → (フェノール) + (アセトン)

クメン法の利点:

原料のベンゼンとプロペンが安価で豊富に入手可能。
比較的穏やかな反応条件で進行する。
主生成物のフェノールだけでなく、副生成物のアセトンも溶剤や化学原料として非常に需要が高く、経済性が極めて高い。

このクメン法は、複数の基本的な有機反応（フリーデル・クラフTS反応、酸化、転位）を巧みに組み合わせた、工業化学の傑作と言えます。

2.2. その他の製法

クメン法が主流となる以前には、他の方法も工業的に用いられていました。

2.2.1. スルホン酸のアルカリ融解

原料: ベンゼンスルホン酸ナトリウム
反応:
1. まず、ベンゼンをスルホン化してベンゼンスルホン酸とし、これを水酸化ナトリウムで中和してベンゼンスルホン酸ナトリウムを得ます。
2. このベンゼンスルホン酸ナトリウムを、固体の水酸化ナトリウムとともに**高温（300℃以上）で融解（アルカリ融解）**させます。
3. スルホ基 (-SO₃Na) がヒドロキシ基に置き換わった、ナトリウムフェノキシドが生成します。
4. 最後に、これを酸で中和することで、フェノールが得られます。
化学式:\( \text{C}_6\text{H}_5\text{SO}_3\text{Na} + 2\text{NaOH} \xrightarrow{\text{融解}} \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \)\( \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}^+ \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{Na}^+ \)
高温・高圧の厳しい条件が必要であり、腐食性の高い試薬を用いるため、現在ではあまり用いられません。

2.2.2. クロロベンゼンの加水分解（ダウ法）

原料: クロロベンゼン
反応: クロロベンゼンを、高温・高圧下で水酸化ナトリウム水溶液と反応させます。
化学式:\( \text{C}_6\text{H}_5\text{Cl} + 2\text{NaOH} \xrightarrow{\text{高温・高圧}} \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} \)
課題: ベンゼン環のハロゲンは反応性が低いため、この求核置換反応を起こすには、350℃、300気圧といった非常に過酷な条件が必要であり、エネルギーコストが高いです。

これらの製法と比較して、クメン法がいかに洗練され、効率的なプロセスであるかがわかります。

3. フェノール類の反応（置換反応、呈色反応）

フェノールの化学的性質は、その分子内に存在する二つの部分、すなわちヒドロキシ基 (-OH) とベンゼン環の相互作用によって支配されています。前のセクションでは、ベンゼン環がヒドロキシ基に影響を与え、酸性を生み出すことを見ました。このセクションでは、逆にヒドロキシ基がベンゼン環にどのような影響を与えるか、特に親電子芳香族置換反応における振る舞いを中心に探求します。

3.1. 塩化鉄(III)による呈色反応

これは、フェノール性ヒドロキシ基を検出するための、最も有名で簡便な定性分析です。

反応: フェノールまたはフェノール類の水溶液に、塩化鉄(III) (\(\text{FeCl}_3\)) 水溶液を数滴加えると、青色から紫色の呈色が観察されます。
原理: この色は、フェノキシドイオンと鉄(III)イオン (Fe³⁺) が配位結合して形成される、錯イオンの色に由来します。
特異性: この反応は、フェノール性ヒドロキシ基（ベンゼン環に-OHが直接結合した構造）に特有です。脂肪族アルコール（例：エタノール）や、-OH基が側鎖に結合した芳香族アルコール（例：ベンジルアルコール, \(\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{OH}\)）は、この反応を示しません。
例外: 非常に立体的に混み合ったフェノールなど、一部呈色しない例外もありますが、一般的にこの反応が陽性であれば、フェノール性ヒドロキシ基の存在を強く示唆します。

3.2. 親電子芳香族置換反応：強力な活性化と配向性

ベンゼン環の反応性において、ヒドロキシ基 (-OH) は極めて特徴的な振る舞いをします。

反応性: -OH基は、極めて強力な活性化基です。
配向性: -OH基は、オルト・パラ配向性です。

【理由の再確認】

この性質は、ヒドロキシ基の酸素原子が持つ非共有電子対が、共鳴効果 (+R効果) によってベンゼン環のπ電子系に流れ込むことに起因します。

活性化: 環全体の電子密度が大幅に増加するため、求電子剤に対する反応性がベンゼンよりもはるかに高くなります。
オルト・パラ配向性: 共鳴構造式を描くと、負の電荷が特にオルト位とパラ位に現れることがわかります。これにより、求電子剤 (E⁺) は、電子が最も豊富なこれらの位置を選択的に攻撃します。

3.2.1. ハロゲン化（臭素化）

反応: フェノールに臭素水 (Br₂ aq.) を加えると、触媒なしで、室温でも瞬時に反応が進行します。
生成物: -OH基の活性化能が非常に強いため、反応はモノ置換（臭素が1つ置換）では止まりません。ベンゼン環上の、-OH基に対してオルト位とパラ位の3つの水素原子がすべて臭素原子に置換された、2,4,6-トリブロモフェノールの白色沈殿が生成します。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + 3\text{Br}_2 \rightarrow \text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{OH} \downarrow + 3\text{HBr} \)
意義: この反応は、フェノールの検出や定量にも用いられます。トルエンの臭素化には鉄触媒が必要であったことと比較すると、-OH基の強力な活性化能がよくわかります。

3.2.2. ニトロ化

反応: フェノールのニトロ化も、ベンゼンやトルエンの場合よりはるかに穏やかな条件で進行します。
条件と生成物:
- 希硝酸を用いると、主にo-ニトロフェノールとp-ニトロフェノールの混合物が得られます。これらは、分子内水素結合の有無などから、蒸留によって分離することが可能です。
- 濃硝酸と濃硫酸（混酸）のような強力な試薬を用いると、反応はさらに進み、2,4,6-トリニトロフェノールが生成します。これはピクリン酸という慣用名を持ち、爆薬としても知られる黄色の結晶です。

3.3. その他の重要な反応

3.3.1. コルベ・シュミット反応 (Kolbe-Schmitt Reaction)

反応: これは、サリチル酸を工業的に合成するための重要な人名反応です。
プロセス:
1. まず、フェノールを水酸化ナトリウムと反応させて、より反応性の高いナトリウムフェノキシドにします。
2. これを高温・高圧下で、求電子剤としては弱い**二酸化炭素 (CO₂) **と反応させます。
3. ナトリウムフェノキシドのオルト位がCO₂を攻撃し、置換反応が起こります。
4. 最後に酸で処理することで、**サリチル酸（o-ヒドロキシ安息香酸）**が得られます。
意義: この反応により、鎮痛剤アスピリンの原料であるサリチル酸を、安価なフェノールと二酸化炭素から大量に合成することができます。

フェノールの化学は、-OH基がベンゼン環の性質をいかに劇的に変えるかを示す、鮮やかな例です。その強力な活性化能は、穏やかな条件での反応を可能にする一方で、反応を制御する難しさももたらします。

4. アニリンの構造と性質（弱塩基性）

芳香族化合物のもう一人の主役が、ベンゼン環にアミノ基 (-NH₂) が直接結合した芳香族アミン、その代表であるアニリン (Aniline) です。アニリンは、染料や医薬品の合成における最も基本的な出発物質の一つであり、その化学は芳香族化学の重要な一分野を形成しています。

アニリンの性質を理解する鍵は、脂肪族アミンとの比較、そしてフェノールと同様に、アミノ基とベンゼン環の間の電子的相互作用にあります。

4.1. アニリンの構造と物理的性質

構造:
- 分子式: \(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\)
- アミノ基の窒素原子は、sp³混成に近い、やや平坦化した三角錐形の構造をとっています。
物理的性質:
- 純粋なアニリンは、無色で油状の液体です。
- 特有の生臭いような臭気があります。
- 空気に触れると酸化されやすく、徐々に赤褐色に変色します。
- 水にはわずかにしか溶けませんが、酸にはよく溶けます（後述）。

4.2. アニリンの弱塩基性

脂肪族アミン（例：アンモニア、メチルアミン）は、窒素原子上の非共有電子対がプロトン (H⁺) を受け取ることができるため、塩基性を示します。アニリンもアミノ基を持つため、同様に塩基性を示しますが、その強さは脂肪族アミンよりもはるかに弱い、弱塩基です。

\( \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3^+ + \text{OH}^- \)

pKbの比較 (pKbが大きいほど弱い塩基):
- アンモニア: pKb ≈ 4.8
- メチルアミン (脂肪族): pKb ≈ 3.4
- アニリン (芳香族): pKb ≈ 9.4

アニリンの塩基性度は、アンモニアよりも約10万倍、メチルアミンよりも約100万倍も弱いことになります。なぜ、これほどまでに塩基性が弱まるのでしょうか？

4.3. 塩基性が弱い理由：非共有電子対の非局在化

その理由は、フェノールが酸性を示す理由と対をなす、共鳴効果によって説明されます。

脂肪族アミンの場合: 窒素原子上の非共有電子対は、窒素原子に局在化しています。そのため、プロトンを捕獲するために、いつでも利用可能な状態にあります。
アニリンの場合: アミノ基の窒素原子上の非共有電子対は、隣接するベンゼン環のπ電子系と共鳴することができます。
- 共鳴構造式を描くと、この非共有電子対が環の中に流れ込み、ベンゼン環のオルト位とパラ位の炭素原子上に負の電荷が**非局在化（分散）**していることがわかります。

この共鳴による非共有電子対の非局在化が、アニリンの塩基性を著しく弱めているのです。

効果: 窒素原子上の電子密度が減少し、非共有電子対がプロトンを受け取るために「出払っている」時間が長くなります。
結果: プロトンを捕獲する能力が低下するため、脂肪族アミンに比べてはるかに弱い塩基となります。

言い換えれば、アニリンは、アミノ基の非共有電子対を「プロトンとの結合」に使うか、「ベンゼン環との共鳴」に使うかの選択を迫られ、後者にもかなりの時間を費やしている、と考えることができます。

4.4. アニリンの塩基としての反応

アニリンは弱塩基ですが、塩酸や硫酸のような強酸とは反応して、水溶性の塩を形成します。

塩酸との反応:\( \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 + \text{HCl} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3^+\text{Cl}^- \)(アニリン) + (塩酸) → (アニリニウム塩化物)
溶解性: アニリン自体は水に難溶ですが、塩であるアニリニウム塩化物はイオン性の化合物なので、水によく溶けます。
弱塩基の遊離: このアニリニウム塩化物の水溶液に、アニリンよりも強い塩基である水酸化ナトリウム (NaOH) を加えると、「弱塩基の遊離」が起こり、もとのアニリンが油状物質として分離してきます。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3^+\text{Cl}^- + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 \downarrow + \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} \)

この性質は、中性や酸性の化合物との混合物から、アニリンを抽出・分離するために利用されます。

アニリンの弱塩基性は、フェノールの弱酸性と並び、ベンゼン環と官能基の電子的相互作用を理解するための、最も重要な実例です。この原理は、次セクション以降で学ぶアニリンの反応性を理解する上でも、基礎となります。

5. アニリンの製法（ニトロベンゼンの還元）

アニリンは、その高い反応性を利用して、アゾ染料や医薬品、ポリウレタンなど、多岐にわたる化学製品の出発物質として用いられる、極めて重要な芳香族化合物です。したがって、安価な原料からアニリンを効率的に合成する手法は、化学工業において中心的な位置を占めています。

アニリンを合成するための最も基本的で、工業的にも重要なルートは、ニトロベンゼンの還元です。この方法は、ベンゼンから出発する2段階のプロセスとして、有機化学の反応ネットワークにおける基本的な繋がりを形成しています。

5.1. ベンゼンからの合成ルート

アニリンの合成は、通常、以下の2つのステップで行われます。

ステップ1：ベンゼンのニトロ化

原料: ベンゼン (\(\text{C}_6\text{H}_6\))
反応: ベンゼンを**混酸（濃硝酸と濃硫酸の混合物）**と反応させ、親電子芳香族置換反応によってニトロ基 (-NO₂) を導入します。
生成物: ニトロベンゼン (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2\))\( \text{C}_6\text{H}_6 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \)

この反応は、Module 6で学んだ、最も基本的な芳香族置換反応の一つです。

ステップ2：ニトロベンゼンの還元

原料: ニトロベンゼン (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2\))
反応: ニトロベンゼンのニトロ基 (-NO₂) を、適切な還元剤を用いてアミノ基 (-NH₂) に還元します。
生成物: アニリン (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\))

この「ベンゼン → ニトロベンゼン → アニリン」という流れは、芳香族化合物の合成における最も基本的な定石の一つであり、必ず覚えておく必要があります。

5.2. ニトロ基の還元に用いられる試薬

ニトロ基をアミノ基に還元するには、いくつかの方法があります。

5.2.1. スズ (Sn) と濃塩酸 (HCl) による還元

これは、実験室でアニリンを合成する際の、古典的で信頼性の高い方法です。

試薬: 金属のスズ (Sn) と濃塩酸 (HCl)
反応プロセス: 反応は、酸性条件下で進行します。
1. 還元: まず、ニトロベンゼンをスズと濃塩酸の混合物とともに加熱します。金属のスズが塩酸と反応して塩化スズ(II)となり、その過程で発生する水素（またはスズイオンからの電子移動）によってニトロ基が還元されます。ニトロ基 (-NO₂) は、ニトロソ基 (-NO)、ヒドロキシルアミノ基 (-NHOH) などを経て、最終的にアミノ基 (-NH₂) になります。
2. 塩の生成: 反応は強酸性（塩酸）の条件下で行われるため、生成したアニリン（塩基）は、直ちに塩酸と反応して、水溶性の塩であるアニリニウム塩化物 (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3^+\text{Cl}^-\)) となります。
3. 遊離: 最後に、反応混合物に水酸化ナトリウム (NaOH) のような強塩基を加えて塩基性にすることで、「弱塩基の遊離」が起こり、目的のアニリンが油状物質として得られます。
化学反応式（全体）:\( \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + 3\text{Sn} + 7\text{HCl} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3^+\text{Cl}^- + 3\text{SnCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \)（実際にはスズはSnCl₄²⁻などの錯体を形成するため、より複雑です）そして、\( \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3^+\text{Cl}^- + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 + \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} \)

5.2.2. 接触水素化（接触還元）

工業的には、よりクリーンで効率的な接触水素化が広く用いられます。

試薬: 水素ガス (\(\text{H}_2\)) と、白金 (Pt), パラジウム (Pd), ニッケル (Ni) などの金属触媒。
反応: ニトロベンゼンを、触媒の存在下で、加圧した水素ガスと反応させます。
化学反応式:\( \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{触媒}} \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \)
特徴: この方法は、廃棄物が水だけであるため、環境負荷が小さいという利点があります。ただし、分子内にアルケンやアルキンなどの他の還元されやすい官能基が存在する場合、それらも同時に還元されてしまう可能性があるため、選択性には注意が必要です。

アニリンの製法を理解することは、単に一つの化合物の作り方を学ぶだけではありません。それは、官能基を導入（ニトロ化）し、次にその官能基を別の官能基に変換（還元）するという、有機合成化学における基本的な戦略と思考法を学ぶことでもあります。

6. アニリンの反応（アセチル化）

アニリンの化学的性質は、フェノールと同様に、アミノ基 (-NH₂) とベンゼン環の相互作用によって決定づけられます。アミノ基の窒素原子上の非共有電子対が、共鳴によってベンゼン環に流れ込むことで、アニリンのベンゼン環は親電子芳香族置換反応に対して極めて高い反応性を示します。

この高すぎる反応性は、時として目的の反応を制御する上で障害となります。そこで、有機合成化学では、この強力な活性化能を一時的に抑制するための巧妙な戦略が用いられます。その代表例が、アミノ基をアミド基に変換するアセチル化です。

6.1. アニリンの親電子芳香族置換反応

反応性: アミノ基 (-NH₂) は、ヒドロキシ基 (-OH) と同様、あるいはそれ以上に強力な活性化基です。
配向性: アミノ基は、オルト・パラ配向性です。

この強力な活性化能のため、アニリンの置換反応は非常に激しく進行し、しばしば制御が困難になります。

例：アニリンの臭素化
- アニリンに臭素水を加えると、フェノールと同様に、触媒なしで、室温でも瞬時に反応が進行します。
- 反応はモノ置換では止まらず、オルト位とパラ位の3つの位置がすべて置換された、2,4,6-トリブロモアニリンの白色沈殿が生成します。
- この反応では、モノブロモアニリン（例えば、p-ブロモアニリン）だけを選択的に合成することは、ほぼ不可能です。
ニトロ化の問題:
- アニリンを、ニトロ化に用いられる混酸（濃硝酸＋濃硫酸）のような強酸性条件にさらすと、2つの望ましくない副反応が起こります。
  1. 酸塩基反応: 塩基性のアミノ基が、酸によってプロトン化され、アニリニウムイオン (\(\text{-NH}_3^+\)) となります。この\(\text{-NH}_3^+\)基は、もはや非共有電子対を持たず、逆に強力な電子吸引性を持つため、ベンゼン環を不活性化し、メタ配向性になります。
  2. 酸化: 濃硝酸は強力な酸化剤でもあるため、電子豊富なアニリンのベンゼン環を酸化し、タール状の分解生成物を生じてしまいます。

これらの問題を回避し、アニリンの置換反応を選択的に行うために、「保護基」の概念が導入されます。

6.2. アミノ基の保護：アセチル化

アセチル化 (Acetylation) は、アミノ基 (-NH₂) にアセチル基 (CH₃CO-) を導入し、より安定で反応性の穏やかなアミド基 (-NHCOCH₃) に変換する操作です。

反応: アニリンに、無水酢酸 ( (CH₃CO)₂O ) または塩化アセチル (CH₃COCl) を反応させます。
生成物: アセトアニリド (Acetanilide) が生成します。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 + (\text{CH}_3\text{CO})_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NHCOCH}_3 + \text{CH}_3\text{COOH} \)(アニリン) + (無水酢酸) → (アセトアニリド) + (酢酸)

6.3. アセチル化の効果

アミノ基をアセチル化してアセトアニリドにすると、なぜ反応性が穏やかになるのでしょうか？

共鳴による活性化能の低下:
- アセトアニリドのアミド基では、窒素原子の非共有電子対は、ベンゼン環方向だけでなく、隣接するカルボニル基 (C=O) の方向にも共鳴によって非局在化します。
- 窒素の非共有電子対が、ベンゼン環とカルボニル基という2つの「引力」の間で綱引きをされている状態になります。
- その結果、ベンゼン環へ流れ込む電子の量がアニリンの場合よりも減少し、アミノ基の活性化能が大幅に低下します。

【アセトアニリドの性質】

反応性: -NHCOCH₃ 基は、-NH₂基よりはるかに穏やかな活性化基となります。
配向性: 引き続きオルト・パラ配向性です。
塩基性: 窒素の非共有電子対がカルボニル基に強く引きつけられるため、アセトアニリドの塩基性はアニリンよりもさらに弱く、ほぼ中性に近くなります。そのため、強酸条件下でもプロトン化されにくくなります。

6.4. 保護基を用いた選択的合成

この穏やかになった反応性を利用して、選択的な置換反応を行うことができます。

【p-ニトロアニリンの合成ルート】

保護 (アセチル化): アニリンを無水酢酸でアセチル化し、アセトアニリドを合成する。
ニトロ化: アセトアニリドを混酸でニトロ化する。-NHCOCH₃基は穏やかな活性化能を持つオルト・パラ配向性であるため、反応は穏やかに進行し、主にp-ニトロアセトアニリドが得られます。（オルト体は立体障害のため副生成物となる）
脱保護 (加水分解): 得られたp-ニトロアセトアニリドを、希酸または塩基で加水分解する。アミド結合が切断され、アミノ基が再生されます。\( p\text{-NO}_2\text{-C}_6\text{H}_4\text{NHCOCH}_3 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+ \text{ or } \text{OH}^-} p\text{-NO}_2\text{-C}_6\text{H}_4\text{NH}_2 + \text{CH}_3\text{COOH} \)

この一連の「保護 → 反応 → 脱保護」というプロセスは、多官能基化合物の選択的な合成において頻繁に用いられる、極めて重要な戦略です。アセチル化は、暴れ馬のようなアミノ基の反応性を、手なずけられた馬のように穏やかにするための「手綱」の役割を果たしているのです。

7. ジアゾ化とジアゾカップリング

芳香族アミンの化学の中でも、特にユニークで応用範囲が広いのが、ジアゾ化とそれに続くジアゾカップリングです。この一連の反応は、アニリンのような芳香族第一級アミンを、ジアゾニウム塩という非常に反応性の高い中間体へと変換し、それを「つなぎ役」として他の芳香族化合物と結合させることで、アゾ化合物と呼ばれる色素（染料）を合成する、鮮やかな化学の舞台です。

この反応は、温度管理が極めて重要であり、低温という特殊な条件下でのみ成功する、デリケートな化学反応でもあります。

7.1. ジアゾ化 (Diazotization)

定義: 芳香族第一級アミン（例：アニリン）を、亜硝酸 (\(\text{HNO}_2\)) と**強酸（例：塩酸 HCl）**の存在下で、**低温（0～5℃）**に保ちながら反応させ、ジアゾニウム塩を生成させる反応。
試薬:
- 亜硝酸 (\(\text{HNO}_2\)): 亜硝酸は不安定な物質であるため、反応の直前に亜硝酸ナトリウム (\(\text{NaNO}_2\)) と塩酸 (HCl) を反応させて、系中で発生（in situ 生成）させます。\( \text{NaNO}_2 + \text{HCl} \rightarrow \text{HNO}_2 + \text{NaCl} \)
- 温度: **0～5℃**という低温を維持することが絶対不可欠です。温度がこれより高いと、生成したジアゾニウム塩が分解してしまいます（後述）。反応は通常、氷浴中で行われます。
反応式 (アニリンのジアゾ化):アニリンを塩酸に溶かした溶液を氷で冷やしながら、亜硝酸ナトリウム水溶液をゆっくりと加えます。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 + \text{HNO}_2 + \text{HCl} \xrightarrow{0-5℃} \text{C}_6\text{H}_5\text{N}_2^+\text{Cl}^- + 2\text{H}_2\text{O} \)(アニリン) + (亜硝酸) + (塩酸) → (塩化ベンゼンジアゾニウム)
生成物：ジアゾニウム塩:
- 生成した塩化ベンゼンジアゾニウム (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{N}_2^+\text{Cl}^-\)) は、\(\text{-N}_2^+\)というジアゾニオ基を持つイオン性の化合物（塩）です。
- このジアゾニウム塩は、低温の水溶液中ではある程度安定に存在できますが、非常に反応性が高く、単離して保存することは通常しません。溶液のまま、次の反応に用います。
- ジアゾニウム塩の分解: もし、このジアゾニウム塩の水溶液を加熱すると、ジアゾニオ基が極めて安定な**窒素ガス (N₂) **として脱離し、代わりにヒドロキシ基 (-OH) が導入され、フェノールが生成します。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{N}_2^+\text{Cl}^- + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{加熱}} \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{N}_2 \uparrow + \text{HCl} \)これは、アニリンをフェノールに変換する間接的な方法としても利用できます。

7.2. ジアゾカップリング (Diazo Coupling)

ジアゾ化によって得られたジアゾニウム塩は、次の**カップリング（連結）**反応の主役となります。

定義: ジアゾニウム塩が、フェノール類や芳香族アミンのような電子豊富な芳香族化合物と反応し、アゾ化合物 (R-N=N-R’) を生成する反応。
反応の分類: この反応は、ジアゾニウムイオン (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{-N}_2^+\)) が求電子剤として、活性化されたベンゼン環（フェノールやアニリン）を攻撃する、親電子芳香族置換反応の一種です。
- ジアゾニウムイオンは、窒素原子が正の電荷を持つため求電子的ですが、その力は比較的弱いです。そのため、相手はフェノールやアニリンのように、-OH基や-NH₂基によって強力に活性化されたベンゼン環でなければ、反応は進行しません。

7.2.1. カップリングの位置と条件

反応位置: フェノールやアニリンの-OH基、-NH₂基は、強力なオルト・パラ配向性です。カップリング反応は、立体障害の少ないパラ位で優先的に起こります。もしパラ位がすでに他の置換基でブロックされている場合は、オルト位で反応します。
反応のpH条件: カップリング反応を成功させるには、適切なpH条件を選ぶことが重要です。
- vs フェノール類: 反応は弱塩基性 (pH > 7) の条件下で行います。
  - 理由: 塩基性条件下では、フェノールはフェノキシドイオン (\(\text{-O}^-\)) となって存在します。-O⁻ は -OH よりもはるかに強力な電子供与基（活性化基）であるため、環の反応性が最大になり、弱い求電子剤であるジアゾニウムイオンとも反応できるようになります。ただし、pHが高すぎるとジアゾニウムイオンが分解してしまうため、弱塩基性が最適です。
  - 反応式:\( \text{C}_6\text{H}_5\text{N}_2^+\text{Cl}^- + \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} \xrightarrow{\text{OH}^-} p\text{-HOC}_6\text{H}_4\text{N=NC}_6\text{H}_5 \) (p-ヒドロキシアゾベンゼン)
- vs 芳香族アミン: 反応は弱酸性 (pH < 7) の条件下で行います。
  - 理由: もし塩基性にすると、求電子剤であるジアゾニウムイオンが分解してしまいます。一方、酸性が強すぎると、相手のアニリンのアミノ基がプロトン化されてアニリニウムイオン (\(\text{-NH}_3^+\)) となり、これは不活性化基であるためカップリングが起こりません。したがって、アミノ基がプロトン化されず、かつジアゾニウムイオンが安定に存在できる弱酸性が最適となります。

ジアゾ化とジアゾカップリングは、二つの芳香香る分子を「-N=N-」という橋で結びつける、エレガントな化学反応です。そして、この連結によって生まれるアゾ化合物は、次のセクションで見るように、私たちの世界に彩りを与える、鮮やかな染料の母体となるのです。

8. アゾ染料の構造と色

ジアゾカップリング反応によって合成されるアゾ化合物は、その多くが鮮やかな色を持つという、際立った特徴を持っています。この性質を利用して、アゾ化合物は、合成染料の中で最も種類が多く、工業的にも最も重要な「アゾ染料 (Azo dyes)」として、衣類や食品、印刷インキなど、私たちの身の回りのありとあらゆるものを着色するために広く利用されています。

なぜ、これらの分子は色づいて見えるのでしょうか？その答えは、分子の電子構造と光の吸収との間に存在する、普遍的な物理化学的法則にあります。

8.1. アゾ化合物の構造

基本構造: アゾ化合物は、アゾ基 (-N=N-) という官能基によって、2つの芳香環（または他の有機基）が連結された構造を持っています。
一般式: Ar-N=N-Ar’ （Ar, Ar’は芳香環）
例:
- p-ヒドロキシアゾベンゼン: 塩化ベンゼンジアゾニウムとフェノールとのカップリングで生成。橙赤色の固体。
- p-アミノアゾベンゼン (p-フェニルアゾアニリン): 塩化ベンゼンジアゾニウムとアニリンとのカップリングで生成。黄色の固体。

8.2. 物質が色を持つ理由：光の吸収と補色

物質が色を持つ（＝色づいて見える）のは、その物質が可視光線（波長約400 nm～800 nm）の一部を吸収し、吸収されずに反射または透過した残りの光が私たちの目に入るからです。

白色光: 太陽光や電灯の光は、様々な色の光（波長）が混ざり合った白色光です。
光の吸収: 分子が特定のエネルギーに相当する波長の光を吸収すると、電子がエネルギーの低い軌道（基底状態）から高い軌道（励起状態）へと遷移します。
補色: 私たちの目は、吸収された光の**補色（反対色）**を知覚します。
- 例えば、ある物質が青色～緑色の光（波長 490-560 nm）を強く吸収した場合、その補色である赤色～橙色に見えます。
- もし、物質が可視光を全く吸収しなければ無色透明に、可視光をすべて吸収すれば黒色に見えます。

8.3. アゾ染料の発色の原理：共役π電子系

では、なぜアゾ化合物は、ベンゼンやフェノール（どちらも無色）とは異なり、可視光を吸収できるのでしょうか？

その鍵は、分子内に広がる長大な「共役π電子系 (Conjugated pi-electron system)」にあります。

共役とは: 二重結合（または三重結合）と単結合が、交互に連続して連なった構造のこと。
アゾ化合物の共役系: アゾ化合物では、一方のベンゼン環のπ電子系、アゾ基のπ結合、そしてもう一方のベンゼン環のπ電子系が、すべて共役しています。
- 例：p-ヒドロキシアゾベンゼンでは、ヒドロキシ基の酸素原子の非共有電子対も含め、π電子が分子全体にわたって非局在化しています。
共役と光の吸収:
- π電子が非局在化する範囲（共役系）が長くなればなるほど、電子が動き回れる空間が広がり、電子のエネルギー準位間のエネルギー差が小さくなります。
- エネルギー差が小さくなると、電子を励起させるのに必要な光のエネルギーも小さくて済みます。光のエネルギーは波長に反比例する（\( E = h\nu = hc/\lambda \)）ため、これはより長い波長の光を吸収できるようになることを意味します。
- ベンゼンのような小さな共役系では、吸収する光は紫外領域（短波長）にあり、可視光は吸収しないため無色です。
- しかし、アゾ化合物のように共役系が分子全体に広がると、吸収する光の波長が長波長側にシフトし、可視光領域にまで達します。その結果、分子は特定の色を吸収し、色づいて見えるのです。
発色団と助色団:
- 分子に色を与える原因となる原子団を発色団 (Chromophore) と呼びます。アゾ基 (-N=N-) は、その代表例です。
- 発色団に結合して、色の濃さを増したり、色合いを微妙に変化させたりする官能基を助色団 (Auxochrome) と呼びます。ヒドロキシ基 (-OH) やアミノ基 (-NH₂) のような、非共有電子対を持つ官能基がこれにあたります。これらは、共鳴によって共役系をさらに拡張させ、より長波長の光を吸収させる効果（深色効果）を持ちます。

アゾ染料の化学は、分子の構造（共役系の長さ）と、その物質が示す物理的性質（色）との間に、明確な関係があることを教えてくれます。化学者は、この原理を理解し、分子の構造を精密に設計することで、望み通りの色を持つ染料を自在に創り出しているのです。

9. スルファニル酸と両性イオン

芳香族化合物の世界には、一つの分子の中に酸性の官能基と塩基性の官能基の両方を併せ持つ、興味深い化合物が存在します。その代表例がスルファニル酸 (Sulfanilic acid) です。このような化合物は、分子内で酸塩基反応を起こし、**両性イオン（双性イオン）**という特殊な構造をとることがあります。この概念は、後のモジュールで学ぶアミノ酸の化学を理解するための重要な基礎となります。

9.1. スルファニル酸の構造と製法

構造と名称:
- IUPAC名: 4-アミノベンゼンスルホン酸 (4-Aminobenzenesulfonic acid)
- アニリンのベンゼン環のパラ位に、スルホ基 (-SO₃H) が結合した構造をしています。
官能基:
- アミノ基 (-NH₂): 塩基性を示す官能基。
- スルホ基 (-SO₃H): 強酸性を示す官能基。
製法:
- アニリンと濃硫酸を反応させて、まずアニリニウム硫酸水素塩を形成します。
- この塩を**高温（約180～200℃）で加熱（焼成）**すると、分子内で転位反応が起こり、スルホ基がパラ位に移動して、スルファニル酸が生成します。

9.2. 両性イオン（双性イオン）の形成

スルファニル酸のように、分子内に酸性基と塩基性基の両方を持つ化合物を両性化合物と呼びます。

分子内酸塩基反応:
- スルファニル酸分子の中では、強酸性であるスルホ基 (-SO₃H) が、塩基性であるアミノ基 (-NH₂) に、自身のプロトン (H⁺) を渡すという、分子内酸塩基反応が起こります。
両性イオン（Zwitterion）:
- その結果、アミノ基はプロトンを受け取ってアンモニウムイオン (-NH₃⁺) となり、スルホ基はプロトンを失ってスルホン酸イオン (-SO₃⁻) となります。
- このように、一つの分子の中に正の電荷を持つ部分と負の電荷を持つ部分の両方を含み、分子全体としては電気的に中性であるイオンを、両性イオン (Zwitterion) または双性イオンと呼びます。「ツビッター (Zwitter)」はドイツ語で「両性の、双子の」を意味します。
スルファニル酸の真の姿:
- したがって、スルファニル酸は、特に結晶状態や中性の水溶液中では、-NH₂と-SO₃Hの形で存在するのではなく、ほとんどがこの両性イオンの形で存在しています。

9.3. 両性イオンの物理的性質

この両性イオン構造は、スルファニル酸に、通常の有機化合物とは異なる、イオン結晶に似た物理的性質を与えます。

高い融点: スルファニル酸は、融点が非常に高く（約288℃で分解）、明確な融点を示さずに分解することが多いです。これは、結晶中で分子（両性イオン）が、-NH₃⁺ と -SO₃⁻ の間の強いイオン結合的な力で引き合っているためです。
水への溶解性: イオン性の官能基を持つため、ベンゼンやエーテルのような有機溶媒にはほとんど溶けません。一方、極性溶媒である水には、ある程度溶けますが、その溶解度は高くはありません。

9.4. スルファニル酸の酸・塩基としての挙動

スルファニル酸は両性化合物であるため、外部の酸や塩基に対して、両方の性質を示します。

強酸を加えた場合:
- 両性イオンの塩基性部分 (-SO₃⁻) が、外部から加えられた強酸のプロトン (H⁺) を受け取ります。
- その結果、分子全体として陽イオンとなり、水によく溶けるようになります。(陽イオン)
強塩基を加えた場合:
- 両性イオンの酸性部分 (-NH₃⁺) が、外部から加えられた強塩基（例：OH⁻）にプロトンを渡します。
- その結果、分子全体として陰イオンとなり、これも水によく溶けるようになります。(陰イオン)

9.5. 応用：スルファ剤

スルファニル酸は、アゾ染料の中間体として重要であるだけでなく、その誘導体は**サルファ剤（スルホンアミド）**と呼ばれる、世界で最初に発見された化学療法薬（抗菌薬）ファミリーの母体となりました。

スルファニルアミドという化合物が、細菌の増殖に必要な葉酸の生合成を阻害することで、抗菌作用を示すことが発見されました。
これは、化学物質を用いて、人体に害を与えることなく、体内の病原微生物だけを選択的に攻撃するという「化学療法」の概念を確立した、医学史上の画期的な発見でした。

スルファニル酸と両性イオンの概念は、一見すると特殊な例に見えるかもしれません。しかし、これは次のモジュールで学ぶ、生命の基本構成単位であるアミノ酸の化学的性質を理解するための、極めて重要な序章なのです。

10. 安息香酸の性質と製法

芳香族化合物の探求の締めくくりとして、芳香族カルボン酸の最も基本的な代表である安息香酸 (Benzoic acid) について、その性質と製法を整理・確認します。安息香酸は、これまでに学んだカルボン酸と芳香族化合物の両方の性質を併せ持っており、知識を統合し、定着させるための良いモデルケースとなります。

10.1. 安息香酸の構造と性質

構造と名称:
- IUPAC名: ベンゼンカルボン酸 (Benzenecarboxylic acid)
- 慣用名: 安息香酸 (Benzoic acid)
- ベンゼン環にカルボキシ基 (-COOH) が1つ直接結合した構造。分子式は \(\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}\)。
物理的性質:
- 常温では、無色の針状または鱗片状の結晶性固体。
- 水には溶けにくいですが、熱水やエタノール、ジエチルエーテルのような有機溶媒にはよく溶けます。
- 昇華しやすい性質を持ちます。
化学的性質（酸として）:
- 安息香酸は、酢酸（pKa 4.8）よりもやや強い酸です（pKa 4.2）。これは、ベンゼン環（フェニル基）がわずかに電子吸引性であり、共役塩基である安息香酸イオンを安定化させるためです。
- カルボン酸として、水酸化ナトリウムのような強塩基はもちろん、炭酸水素ナトリウムのような弱塩基とも反応して、水溶性の塩（安息香酸ナトリウム）を生成します。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + \text{NaHCO}_3 \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \uparrow \)
- 安息香酸ナトリウムは、その静菌作用（菌の増殖を抑える作用）から、食品の保存料として清涼飲料水などに広く利用されています。

10.2. 安息香酸の製法

安息香酸を合成する代表的な方法は、アルキルベンゼンの側鎖酸化です。

トルエンの酸化:
- 原料: トルエン (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3\))
- 試薬: 過マンガン酸カリウム (\(\text{KMnO}_4\)) や二クロム酸カリウム (\(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\)) のような強力な酸化剤。
- 反応: トルエンを、酸化剤の水溶液とともに加熱すると、側鎖のメチル基が酸化されてカルボキシ基に変換され、安息香酸が生成します。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + 3[\text{O}] \xrightarrow{\text{KMnO}_4, \text{加熱}} \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + \text{H}_2\text{O} \)
- この反応は、エチルベンゼンやプロピルベンゼンのような、より長いアルキル側鎖を持つ化合物に対しても同様に進行し、側鎖の長さに関わらず安息香酸を与えます（ただし、ベンジル位に水素原子が必要です）。これは、芳香族カルボン酸を合成するための、非常に一般的で信頼性の高い方法です。

10.3. 安息香酸の反応

安息香酸は、カルボン酸としての反応と、ベンゼン環としての反応の両方を示します。

カルボキシ基の反応:
- エステル化: エタノールのようなアルコールと、酸触媒下で加熱すると、対応するエステル（安息香酸エチル）を生成します。\( \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{COOCH}_2\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O} \)
- 酸塩化物への変換: 塩化チオニル (SOCl₂) などと反応させることで、より反応性の高い塩化ベンゾイル (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{COCl}\)) に変換できます。
ベンゼン環の反応（親電子芳香族置換反応）:
- カルボキシ基 (-COOH) は、電子吸引性の不活性化基であり、メタ配向性です。
- したがって、安息香酸をニトロ化やスルホン化しようとすると、ベンゼンよりも反応が起こりにくく、より厳しい条件が必要となります。
- 生成物は、主にメタ置換体となります。
  - 例：安息香酸のニトロ化\( \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} m\text{-ニトロ安息香酸} \)

安息香酸は、これまでに学んだ多くの重要な概念（カルボン酸の性質、芳香族炭化水素の酸化、親電子置換反応における配向性など）が交差する、知識の結節点のような化合物です。その性質と反応を整理することで、芳香族化学の理解を一層深めることができます。

Module 7：芳香族化合物（2）フェノール類と芳香族アミンの総括：官能基と芳香環が奏でる共鳴の化学

このモジュールで、私たちは芳香族の舞台に、ヒドロキシ基を持つフェノールとアミノ基を持つアニリンという、二人の新たな主役を迎え入れました。彼らの登場によって、物語は単なる置換反応のパターン学習から、官能基とベンゼン環が互いの性質を深く変容させる、共鳴という名の相互作用のドラマへと昇華しました。

私たちはまず、フェノールが脂肪族アルコールとは似て非なる存在であることを学びました。その-OH基は、プロトンを放出した後のフェノキシドイオンが共鳴によって安定化されるため、アルコールにはない明確な弱酸性を示しました。この性質は、強塩基には溶けるが弱塩基には溶けないという、分離化学における重要な識別点を与えてくれました。

一方、アニリンは、窒素の非共有電子対がベンゼン環のπ電子系に吸い込まれることで、脂肪族アミンが誇る塩基性を大きく損なうという、宿命を背負っていました。この「共鳴による塩基性の低下」は、フェノールの酸性発現と見事な対をなす、芳香族化学の根源的な原理です。

しかし、官能基が失うものがあれば、芳香環が得るものもありました。-OH基と-NH₂基は、その強力な電子供与性共鳴効果によって、ベンゼン環を親電子置換反応に対して超活性化させました。その激しすぎる反応性を、アニリンのアセチル化という「保護」の戦略で巧みに制御する化学の叡智に触れました。

そして、このモジュールのクライマックスは、アニリンが低温下でジアゾニウム塩へと変身し、フェノールやアニリンと結びつく「ジアゾカップリング」でした。この反応は、二つの芳香環を-N=N-の架け橋で結び、分子全体に広がる長大な共役π電子系を創出します。その結果として生まれるアゾ染料の鮮やかな色は、分子の電子構造が、私たちの目に見える「色」という物理現象をいかに支配しているかを教えてくれました。

スルファニル酸の両性イオンから安息香酸の性質の確認に至るまで、このモジュールで探求したすべての事象は、一つの中心テーマへと収斂します。すなわち、「芳香族化合物とは、官能基と芳香環が共鳴という電子の言葉で対話し、互いの個性（酸性・塩基性・反応性）を創り変えていく、ダイナミックなシステムである」ということです。この対話の文法を理解したあなたは、もはや芳香族化合物を静的な構造としてではなく、電子が躍動する生きた化学の舞台として捉えることができるでしょう。

【基礎 化学(有機)】Module 7：芳香族化合物（2）フェノール類と芳香族アミン