ベンゼンをベンゼンを化学する
Ver.1.0.0

鹿島 長次(2023.7)

目次

1.

まえがき .................................................................................................................................. 3
名が体を表さない芳香族化合物 ................................................................................................ 3
亀の甲の化学 ................................................................................................................................ 42.

ベンゼンの構造と性質 .......................................................................................................... 9共有結合 ........................................................................................................................................ 9KEKŰLE と DEWAR の構造式 .................................................................................................... 14
安定性と求電子置換反応 .......................................................................................................... 17
環電流 .......................................................................................................................................... 19
Π 電子－Π 電子分子間相互作用................................................................................................ 22

ベンゼンの沸点と融点 .............................................................................................................. 27
3.

ベンゼン以外の芳香族化合物 ............................................................................................ 31
共鳴安定とヒュッケル
共鳴安定とヒュッケル則
ヒュッケル則 .......................................................................................................... 31
ベンゼン類以外の芳香族化合物 .............................................................................................. 33
複素環芳香族化合物 .................................................................................................................. 35

4.

生物の体内の芳香族環 ........................................................................................................ 41
生体内におけるベンゼン環の生成過程 .................................................................................. 41
フェノールの酸とピリジンの塩基 .......................................................................................... 48
ヒドロキノンとキノンの酸化還元
ヒドロキノンとキノンの酸化還元 .......................................................................................... 53
アデニンと DNA ........................................................................................................................ 55
DNA の情報を伝達する RNA ................................................................................................... 62
アミノ酸の生成過程 .................................................................................................................. 66
赤血球と葉緑素 .......................................................................................................................... 72

5.

日常生活の中の芳香族環 .................................................................................................... 79
芳香族化合物は色彩豊か .......................................................................................................... 79
全芳香族 プラスティックの液晶 ............................................................................................. 84
芳香族性を集約した黒鉛 .......................................................................................................... 91

6.

芳香族化合物の概観 .......................................................................................................... 100

索引 ................................................................................................................................................ 104

2

1. まえがき
名が体を表さない芳香族化合物
バニラのような甘い香りが呼吸器の粘膜を刺激して痰の排出を促進する作用を示す安息香が中国の明の時代に纏められた「本草綱目」に記されています。この安息香はインドシナ半島やスマトラ島に生息するエゴノキ属のアンソクコウノキの樹脂で、英語やドイツ語で Benzoin とよばれる香りとして親しまれています。安息香の主成分が図 1-1 に示す安息香酸（C6H5-CO2H）であったためにこの名から母核の C6H6 の化合物の名前がベンゼンと名付けられたと云われています。ポー・デスパーニュは 16 世紀の頃から調合されてきた代表的なオーデコロンで、香りの主成分はこの安息香酸のメチルエステルやエチルエステルです。
他に図 1-1 に化学構造式で掲げたように、ベンゼン環を分子の中に含む多くの物質が芳しい香りの成分として含まれています。ハーブの一種のアニスやスターアニスの香り成分の中にはアネトールやアニスアルデヒドやアニス酸やエストラゴールが含まれています
し、オールスパイスやクローブや月桂樹はオイゲノールやメチルオイゲノールが香っています。シナモン（肉桂）の香り成分にはシンナムアルデヒドの他にオイゲノールやサフロールや酢酸シンナミルがR2H2C含まれており、フェンネ
ルの香り成分はおもにアR1ネトールです。アイスク
リームやプリンの匂い付

R2けに用いられているバニラの匂い成分は発酵により微生物がバニラ豆に含イドを酸化分解して生成するバニリンと呼ばれる物質です。ヒヤシンスの花の香りは主にシンナミ

ベン ジルア ルコ ール：R1=R2=H
アニ スアル コー ル：R1=OCH3,R2=H R2
ベラ トリル アル コール：R 1=R2=OCH3
バニ リルア ルコ ール：R1=OH,R2=OCH3
CHO

R1R2

R1

ネチルアルコールですし、ライラックの香りはアニスアルコールやピペロナ

CH 2

エス トラ ゴール ：R1=OCH3,R2=H
メチ ルオ イゲノ ール ：R1=R2=OCH3
オイ ゲノ ール： R1=OH,R2=OCH3
サフ ロー ル：R 1,R2=OCH2O
HC

ベン ズアルデヒド：R =R =H
アニ スアルデヒド：R1=OCH3,R2=H
べラ トルアルデヒド：R1=R2=OCH3
バニ リン：R1=OH,R2=OCH3
ピペ ロナール：R1,R2=OCH2O

CH3
CH

2

アネ トー ル：R 1=OCH 3

H2CHCCOHH
シンナミル アルコール

CO2H
安息 香酸：R1=R2=H
アニ ス酸：R1=OCH3,R2=H
ベラ トルム酸：R1=R 2=OCH3
バニ リン酸：R1=OH,R2=OCH3

HCCHOCH
シンナムア ルデヒド

H2COHCH2
フェ ネチル アル コール

ルアルコールとフェニルアセトアルデヒドとフェH2CCH

1R1

まれるフェニルプロパノ

R1OH

H
C

CO2H
C
H

桂皮酸
H2
CCHO
フェ ニルア セト アルデヒド

H2C
CO2H
フェニ ル酢 酸ールです。
このようにベンゼン

図 1-1 ベンゼン環を持つ代表的な香料物質
ベンゼン環を持つ代表的な香料物質

3

環を含む多くの物質が芳しい香りを持っていますから、化学を研究する先人たちはベンゼン環を含む化合物を総じて
芳 香 族 化 合 物 （ AromaticCompounds）と呼ぶようになりました。19 世紀になると錬金術から脱却して、物理学や化学の知識が公開されるようになり、多くの化合物の性質が明らかになりました。研究上の取り扱いが比較的容易であったため、特にベンゼン環を持つ化合物の知見が無秩序に蓄積しました。
室町時代から明治時代初期までの、狩野元信や尾形光
琳や葛飾北斎や谷文晁のなど

図 1-2 伝統的な亀甲模様
伝統的な亀甲模様が工夫した 700 余りの文様の原画が 20 世紀初頭に「古代模様式図考」に集められましたが、その中で亀甲の文様だけを図 1-2 に抜粋しました。巻物亀甲にはナフタレンやフェナントレンが描かれていますし、続亀甲はペンタセンを模っています。重亀甲は第 5 章で取り上げている黒鉛の分子構造を表しています。このように正 6 角形の連なった文様は亀甲文様と呼ばれていますが、ベンゼンの分子構造が正 6 角形と認められるようになり、芳香族化合物の研究は亀の甲の化学と俗称されて最先端の化学の研究分野でした。しかし 20 世紀以降の化学的知見からは、芳しい香りを持つ芳香族化合物も多く知られていますが、ベンゼン自体はあまり強い匂いを持っていませんし、無臭の芳香族化合物や臭い匂いを持つ芳香族化合物も多く知られています。このように芳香族化合物という物質群と匂いとの間には直接的な相関関係は見出されていません。必ずしも名が体を表すわけではないようです。

亀の甲の化学「風邪は万病のもと」といわれ風邪は最も普遍的な病気ですが、発熱と頭痛と鼻炎や扁桃腺炎が主な症状です。ギリシャ時代からヨーロッパでは柳の樹皮や葉が熱と痛みを和らげる風邪薬として用いられてきましたが、18 世紀末になると薬効成分として柳の樹皮や葉からサリチル酸が分離精製されました。サリチル酸は図 1-3 に示すようにベンゼン環にカルボン酸とフェノール性水酸基の原子団が結合した分子構造をしています。第 2 章以下
4表 1-1 代表的な鎮痛剤と解熱剤の性質
代表的な鎮痛剤と解熱剤の性質
薬品名

pKa

LD50

水溶性

薬効

サリチル酸

2.98

1.3g0.22g/100mL鎮痛、抗炎症アスピリン

3.48

1.8g

0.33g/100mL鎮痛、解熱、抗炎症

サリチルアミド

8.37

1.4g

0.20g/100mL鎮痛、解熱、抗炎症

サリチル酸メチル

9.90

0.1g

0.07g/100mL

解熱、鎮痛、抗炎症

アセトアニリド

13.40.8g

0.54g/100mL

鎮痛、解熱

アセトアミノフェン

3.7g

1.40g/100mL鎮痛、解熱、

フェナセチン

1.7g

0.08g/100mL鎮痛、解熱、

で詳しく見てゆきますが、ベンゼン環とカルボン酸と水酸基は互いに強く相互作用をしていますから、分子全体が平面構造をしており、表 1-1 に示すようにサリチル酸のカルボン酸は pKa が 2.97 を示し pKa が 4.75 の酢酸よりもさらに強い酸性を示します。サリチル酸は解熱や鎮痛の薬効がありますが、この強い酸性のために副作用として胃腸障害を起こしやすい欠点を持っています。1859 年に Kolbe がサリチル酸とその同族体を種々合成しまし
たが、彼の仲間の Hoffmann はサリチル酸の水酸基を酢酸エステルとして酸の性質を弱め、かつ解熱と鎮痛の効果を維持することに成功し、アスピリンと命名しました。風邪薬として最も広く処方されているアスピリンの解熱作用の有効最小量（ED50）が 0.016g/kg に対して致死量（ LD50）は 1.75g/kg ですから、治療係数が 109 と算出され非常に安全性の高い医薬品と考えることができます。このようにアスピリンは風邪の症状に最も適した解熱と鎮痛と抗炎症の薬効と非常に高い安全性を示していますから、以後に開発された多くの医薬品の中で最も優れた医薬品となりました。現に、人口約 3 億人のアメリカ合衆国では 1年間に 20000t 以上のアスピリンが消費されていますが、通常 1 日 3 回で 1 回に約 0.3g 服用しますから、アメリカ人の 5 人に 1 人の割合でアスピリンを毎日服用していることになります。このようにアスピリンは強い酸性を示すサリチル酸の欠点を弱めた最も優れた医薬品として認められましたが、表 1-1 に掲げたようにアスピリンの pKa が 3.48 で未だかな
り強い酸性を示していますから、かなりの人には胃腸障害をもたらします。1950 年にこの強い酸性をアルミニウムのグリシン錯体で中和して、アスピリンの欠点を改良したバッファリンが市販されるようになりました。
サリチル酸とアンモニアから得られるサリチルアミドは図 1-3 に示すようにカルボン酸の原子団がアミドの原子団に置き換えられていますから酸性の性質は著しく抑えられますが、アスピリンと同じように高い解熱と鎮痛の薬効を示します。アスピリンとサリチルアミドはそれぞれアスピリンの水酸基とカルボン酸の原子団が一部変化した構造をしていますが、図 1-3 の赤色で示すようにベンゼン環に直接結合した酸素原子に隣り合ったカルボン酸の酸素原子との間に水素原子の挟まるような水素結合を持つ構造が共通しています。
カルボン酸部分の原子団が強い酸性を示すサリチル酸と比較して、アスピリンとサリチル
5アミドでは胃腸障害を引HOOCO
Hき起こす強い酸性が抑え

OCOO

解熱と鎮痛と抗炎症の効果を示すことを暗示して

O

H

H3COO
CHOO

CH3サリチル酸

アスピリン

HNCいます。
サリチル酸メチルもOCCられていますが、図 1-3で赤色に示す部分構造が

H2N

H

CH3O

サリチル酸メチル

CH3H
N

CHO

アセトアニリド

ベンゼン環に直接結合しサリチルアミド
HNO

アセトアミノフェン

C

CH3O

C2H5O
フェナセチン

図 1-3 アスピリンとその類縁体の構造た酸素原子に隣り合ったエステルの酸素原子との間に同じように水素原子が水素結合により挟まるような図 1-3 で赤色に示す構造を持っていますし、生体内で加水分解によりサリチル酸が代謝されますから、解熱や鎮痛や消炎の薬効を示すと考えられます。実際、サリチル酸メチルはメチルエステル化によりサリチル酸のカルボン酸部分の強い酸性が抑えられますし、解熱や鎮痛や消炎の薬効を示します。このサリチル酸メチルを服用しますと
LD50 が 101mg/kg でサリチル酸やアスピリンよりも強い毒性を示し、治療係数が小さくなって安全性が不十分ですから、経口薬の風邪薬として用いることができませんので、一般には湿布薬として関節炎や鎮痛剤として用いられています。しかし、歯痛を抑えることを目的としてサリチル酸メチルが練り込まれている独特の匂いのする歯磨き剤を著者は間違って購入して用いたことがあります。
サリチル酸の誘導体と同じように分子内にベンゼン環と炭素=酸素二重結合を持つアセトアニリドやアセトアミノフェンやフェナセチンも解熱剤あるいは鎮痛剤の性質を示しますから、表 1-1 にはこれらの解熱と鎮痛の薬効を示す物質の性質を掲げておきます。これらのアセトアニリドとアセトアミノフェンとフェナセチンの構造式で図 1-3 に青色で示す
ように、アセトアニリドの部分の構造が解熱と鎮痛の効果を示すことも暗示しています。
これらのアセトアニリドの部分構造を持つ物質は pKa が 13.4 ですからほぼ中性で胃腸障害を引き起こしません。

アスピリンはギリシャ時代からの西欧に蓄積してきた多くの知識が基本となって生まれたサリチル酸を 19 世紀以来の化学でその欠点を改良し開発されてきた代
表的な風邪薬で、多くの医薬品の中で最も優れた医薬品となりました。アスピリンやア
セトアニリドやそれらを改良した種々の風邪薬は解熱や鎮痛や抗炎症などの薬効を示しますが、その発現の強さも早さも持続時間も異なりますから、多くの製薬会社はそれぞれ異なった割合でこれらの薬効成分を調合して特色を持たせた風邪薬を販売しています。このように多くの風邪薬の分子の中心にはベンゼン環が鎮座していますから、匂いは全くありませんが人類にとって極めて有用な芳香族化合物です。このようにベンゼンを含む芳香族化合物の研究が 19 世紀半ば以降の染料工業の進歩に伴い｢亀の甲の化学｣と俗称されて飛躍的に進みました。

6アミノ基（－NH2）とカルボン酸（－CO2H）の 2 種の原子団は容易に脱水反応しますから、それぞれ 2 種の原子団を分子内に持つ 2 つのアミノ酸はアミド結合しますが、その両末端には 2 種の原子団が残ります。さらに他のアミノ酸と脱水反応すれば 3 つ、４つのアミノ酸が鎖状に連なった化合物になりますが、その両末端には常に 2 種の原子団が残ります。実際、絹の繊維は主要構成単位としてグリシンとアラニンとセリンの 3 種のαアミノ酸が約 5000 分子アミド結合しています。このように構成単位となる分子量の小さな簡単な構造を持つ分子を種々の安定な結合で無限に繋ぎ合わせることを Carothers は研究したようで、各種のアミノ酸をアミド結合で繋ぎ合わせてゆく研究や水酸基とカルボン酸を分子内に持つヒドロキシ酸をエステル結合で繋ぎ合わせてゆく研究結果を報告しています。
無限に近い数の原子を長く繋ぎ合わせてゆくためには元素の数が 2～20 個の物質を原料として調製し、その原料を構成単位として容易に形成できる安定な結合で繋ぎ合わせてゆく方法が最も便利な合成法と考えられます。構成単位を繋ぎ合わせる結合は温和な条件で容易に形成できる安定な物でなければならず、エーテル結合やアミド結合のほかにアルコールとカルボン酸が結合したエステル結合などが適当と考えられます。また、炭素＝炭素 2 重結合の 1 本の結合を切って繋ぎ合わせてゆく重合反応は炭素－炭素単結合で無限に繋ぎ合わせることができますから、長い分子を合成する方法の 1 つとして利用できます。
このように種々の繋ぎ合わせる方法と構成単位となる物質により、生活に必要なあらゆる性質を持つ高分子化合物を合成することができるようになりました。
図 1-4 にはベンゼン環を含む構成単位から作られる非常に汎用的な 2 種の高分子化合物の合成過程を掲げておきます。ポリエチレンテレフタレート（Polyethyleneterephthalate）
Oは赤色文字を繋げてペット（PET）
CH3CO2Hと呼ばれ、図 1-4 に示すように構成単位を鎖状に長くエステル結O

HO-CH2CH2-OHCH2OH

H3CHO2Cp-キ
キシ レンHO2C

テレフタ ル酸 O

合させたプラスティックです。

OH2CC

ベンゼン環の特性を反映して堅O

H2CCCH2OO

牢で軟化点の非常に高い性質を

CH2OH

HO2CnCポ リエチレン テレフタ レート O

示しますから、PET は高圧にも耐えるペットボトルなどの容器

H2C

C

CH3H2CCH2H2CHC

CH-H2に広く用いられていますし、合Fe

TiCl3

C6H5H2CCH

H2CCHnC6H5

成繊維を製造する東レや帝人はテトロンと呼ばれる繊維として広く衣料に用いています。

エチ ルベンゼ ン

スチレン

ポリスチレン

図 1-4 PET とポリスチレンの生成過程
ポリスチレンの生成過程

ポリエチレンは炭素＝炭素 2 重結合の 1 本の結合を切って繋ぎ合わせて無限に炭素－炭素単結合で繋ぎ合わせたプラスティックですが、比較的軟化点が低いために硬い器などへの利用に適していません。図 1-4 に示すようにエチレンの水素原子をベンゼン環で置き7換えたスチレンを重合しますとベンゼン環の特性により硬く比較的軟化点の高いプラスティックになります。このポリスチレンは微細な泡を閉じ込めた硬いスポンジ状に固化できますから、少量のポリスチレンで大きな形状の軽くて断熱効果に優れたものに成形できます。発泡スチレンと呼ばれて、この特性を利用した断熱材や防音材としての建築資材や生鮮食品や冷凍食品の保冷や運搬に広く用いられています。ベンゼン環を含む構成単位が長い鎖状に結合した高分子化合物を合成しますと、ベンゼンの性質が顕著に現れて比較的硬くて高温でも軟化しない高分子化合物が得られます。
このように分子内にベンゼン環を含む芳香族化合物は有機化合物としては特異な性質を示すために、香料や医薬品やプラスティックや溶剤や爆薬や染料として日常生活の中に広く用いられているばかりでなく、自然界でもその特性が DNA や ATP や酵素などの生命活動を司る種々の生体反応で重要な役割を演じています。本書では化学的な知識や思考方法を基にしてベンゼン環と芳香族化合物の特性が生体の中や日常生活の中で如何に合理的に関係しているか独善的に考えてみようと思います。ベンゼンや芳香族化合物に関する化学的知識をもとにして自然界の変化や身の回りの物質の利用の仕方等を改めて考えることから、何か一つでも化学の研究や教育に役立つものが見つけ出せれば良いと思っております。また、ベンゼン及び芳香族性について考えることで物質の持つ特性と利用法を考える上で助けになれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。

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