高校化学では、ベンゼンのニトロ化、スルホン化、ハロゲン化を個別の反応として学び、それぞれの試薬と生成物を覚えます。
しかし、「なぜベンゼンは付加反応ではなく置換反応を起こすのか」「置換基がすでにあるとき、次の置換はどの位置に起こるのか」という問いには、高校の範囲では答えられません。
大学化学では、これらの反応はすべて求電子置換反応（Electrophilic Aromatic Substitution, EAS）という共通メカニズムで進行することを学びます。
求電子剤がベンゼン環の$\pi$電子を攻撃し、$\sigma$錯体（ウェランド中間体）を経てプロトンが脱離する ── この3段階の機構を理解すれば、ニトロ化もハロゲン化もフリーデル-クラフツ反応も同じ枠組みで説明できます。
さらに、$\sigma$錯体の安定性を共鳴構造で比較することで、置換基による配向性（オルト-パラ配向かメタ配向か）を予測できるようになります。
高校化学では、ベンゼンの代表的な反応を次のように学びます。
これらはいずれも、ベンゼン環の水素原子が別の原子団に「置き換わる」反応であり、置換反応に分類されます。 高校ではさらに、トルエン $\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3$ をニトロ化すると、オルト位とパラ位にニトロ基が入りやすいことを学びます。 しかし、「なぜオルト位とパラ位なのか」「別の置換基ならどうなるのか」という問いには答えられません。
また、ベンゼンは二重結合を含むにもかかわらず、アルケンのような付加反応を起こしにくいことも学びます。 この理由は「芳香族性が安定だから」と説明されますが、高校ではそれ以上の掘り下げはありません。
次のセクションでは、大学の視点を導入することで、これらの反応を一つの共通メカニズムで理解し、配向性まで予測できるようになることを確認します。
大学化学では、セクション1で挙げたニトロ化・スルホン化・ハロゲン化をすべて求電子置換反応（Electrophilic Aromatic Substitution, EAS）という一つの反応形式として扱います。 反応の本質は、ベンゼン環の$\pi$電子が求核剤として働き、電子不足の求電子剤を引きつけるという点にあります。
求核剤・求電子剤の概念は 📖 C-13-1 で導入しています。求核剤は電子を供与する種、求電子剤は電子を受け取る種です。 また、ベンゼン環の$\pi$電子が非局在化して安定であること（芳香族性）は 📖 C-15-1 で詳しく解説しています。
この記事を読み終えると、以下のことができるようになります。
1. 求電子置換反応の一般的機構（求電子剤の攻撃 → $\sigma$錯体 → プロトン脱離）を説明できる
2. ベンゼンが付加反応ではなく置換反応を起こす理由を、芳香族性の回復という観点から説明できる
3. ニトロ化、ハロゲン化、フリーデル-クラフツ反応のそれぞれについて、求電子剤が何であるかを特定し、EASの一般的機構に当てはめることができる
4. 置換基の電子的効果（共鳴効果と誘起効果）から、配向性（オルト-パラ配向 / メタ配向）を予測できる
5. 具体的な一置換ベンゼンについて、次の求電子置換反応がどの位置に起こるかを判断できる
共通メカニズムを理解するために、まず「ベンゼン環の$\pi$電子が求電子剤を攻撃すると何が起こるか」を段階的に見ていきます。
ベンゼン環には6個の$\pi$電子が非局在化しており（📖 C-15-1）、この$\pi$電子雲はベンゼン環の上下に広がっています。 $\pi$電子は負の電荷を持つため、正の電荷（または電子不足）を持つ求電子剤を引きつけます。 つまり、ベンゼン環は$\pi$電子の豊かさによって求核剤として振る舞い、求電子剤と反応します。
一方、アルケンの$\pi$結合も求電子剤と反応しますが、その場合は付加反応が起こります。 ベンゼンでは付加反応ではなく置換反応が起こります。この違いの理由は次の通りです。
求電子剤を $\text{E}^+$ と表します。 $\text{E}^+$ がベンゼン環の$\pi$電子と反応すると、$\text{E}$ は環上の炭素の一つに$\sigma$結合で結合します。 この段階で、攻撃を受けた炭素は $\text{sp}^3$ 混成になり（もとは $\text{sp}^2$）、芳香族性が失われます。 残りの5つの炭素にまたがって正電荷が非局在化した中間体が生じます。
この中間体を$\sigma$錯体（sigma complex）またはウェランド中間体（Wheland intermediate）、あるいはアレニウム中間体と呼びます。 $\sigma$錯体では正電荷が3つの炭素上に共鳴によって分散しています。共鳴構造を書くと次のようになります。
$\text{E}$ が結合した炭素を1番とすると、正電荷は2番（オルト位）、4番（パラ位）、6番（もう一方のオルト位）の炭素に分布します。 これは3つの共鳴構造で表されます。
$$\text{E}-\text{C}_6\text{H}_5^{\ +} \quad \text{（3つの共鳴構造に書ける）}$$
$\sigma$錯体は芳香族性を失っているため、エネルギー的に不安定な状態です。 反応はここで終わりではなく、次のステップに進みます。
$\sigma$錯体から、$\text{E}$ が結合した炭素上のプロトン $\text{H}^+$ が塩基によって引き抜かれます。 この炭素が再び $\text{sp}^2$ 混成に戻ると、6個の$\pi$電子が環全体に非局在化し、芳香族性が回復します。
最終生成物は、もとのベンゼンの水素原子1つが $\text{E}$ に置き換わった芳香族化合物です。
ステップ1（律速段階）：求電子剤 $\text{E}^+$ がベンゼン環の$\pi$電子を攻撃し、$\sigma$錯体（ウェランド中間体）を形成する。
$$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{E}^+ \longrightarrow [\text{C}_6\text{H}_6\text{E}]^+ \quad (\sigma\text{-complex})$$
ステップ2：$\sigma$錯体からプロトンが脱離し、芳香族性が回復する。
$$[\text{C}_6\text{H}_6\text{E}]^+ \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{E} + \text{H}^+$$
ステップ1は$\pi$電子の芳香族安定化を壊す過程であるため、大きな活性化エネルギーが必要です。 これが律速段階（反応全体の速度を決める段階）になります。 ステップ2は芳香族性を回復する過程であるため、速やかに進行します。
アルケンの場合、$\pi$結合に求電子剤が攻撃すると、カルボカチオン中間体が生じ、そこに求核剤が結合して付加生成物ができます。 $\pi$結合が1つ失われても、生成物は安定な飽和化合物です。
ベンゼンの場合、仮に付加反応が起こったとすると、6個の$\pi$電子の非局在化（芳香族性）が永久に失われます。 芳香族安定化エネルギーは約 $150 \; \text{kJ/mol}$ にのぼり（📖 C-15-1）、この安定化を捨てることは熱力学的に非常に不利です。
一方、置換反応であれば、$\sigma$錯体の段階で一時的に芳香族性を失うものの、プロトンの脱離によって芳香族性が回復します。 最終生成物は再び芳香族化合物であり、芳香族安定化エネルギーを保持しています。
ベンゼンが付加反応ではなく置換反応を起こすのは、芳香族安定化エネルギーが非常に大きいためです。
$\sigma$錯体の段階では芳香族性が失われていますが、プロトンが脱離すれば芳香族性が回復します。付加反応の場合、芳香族性は永久に失われます。
したがって、ベンゼン環は「芳香族性を一時的に壊しても、最終的に回復する」経路、すなわち置換反応を選びます。
ここまでで、求電子置換反応の一般的機構を理解しました。 ステップ1で求電子剤 $\text{E}^+$ が環を攻撃して$\sigma$錯体を形成し、ステップ2でプロトンが脱離して芳香族性が回復する ── この骨格はすべてのEASに共通です。 次のセクションでは、この機構をニトロ化、ハロゲン化、フリーデル-クラフツ反応の具体例に当てはめます。
セクション3で確立した「求電子剤の攻撃 → $\sigma$錯体 → プロトン脱離」という一般的機構を、3つの具体的な反応に当てはめます。 各反応で異なるのは「何が求電子剤 $\text{E}^+$ として働くか」という点だけです。
高校では「濃硝酸と濃硫酸の混酸を使う」と学びます。 大学の視点では、混酸の中で次の反応が起こり、真の求電子剤であるニトロニウムイオン $\text{NO}_2^+$ が生成することが重要です。
$$\text{HNO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{NO}_2^+ + \text{HSO}_4^- + \text{H}_2\text{O}$$
濃硫酸は硝酸よりも強い酸であり、硝酸のプロトン化を引き起こします。 プロトン化された硝酸から水が脱離すると $\text{NO}_2^+$ が生じます。 窒素原子は正電荷を持ち、電子不足であるため、ベンゼン環の$\pi$電子に強く引きつけられます。
$\text{NO}_2^+$ がベンゼン環を攻撃すると、セクション3の一般的機構に従って$\sigma$錯体が形成され、続いてプロトンが脱離してニトロベンゼンが生成します。
$$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{NO}_2^+ \longrightarrow [\sigma\text{-complex}]^+ \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}^+$$
高校では「ベンゼンに臭素を加え、鉄粉を触媒に使う」と学びます。 実際には、鉄粉 $\text{Fe}$ が臭素 $\text{Br}_2$ と反応して臭化鉄(III) $\text{FeBr}_3$ が生じ、これがルイス酸触媒として機能します。
$\text{FeBr}_3$ は $\text{Br}_2$ の一方の臭素に配位し、$\text{Br-Br}$ 結合を分極させます。 $\text{FeBr}_3$ に配位した側の臭素は電子密度が減少し、もう一方の臭素が求電子剤として活性化されます。
$$\text{Br}_2 + \text{FeBr}_3 \longrightarrow \text{Br}^{\delta+}\text{-Br-FeBr}_3^{\ \delta-}$$
分極した $\text{Br}^{\delta+}$ がベンゼン環を攻撃して$\sigma$錯体が形成され、プロトン脱離によりブロモベンゼンが生成します。 脱離した $\text{H}^+$ は $[\text{FeBr}_4]^-$ から $\text{HBr}$ と $\text{FeBr}_3$ を再生します。 $\text{FeBr}_3$ が再生するため、触媒として働きます。
$$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{Br} + \text{HBr}$$
混同しやすい点：アルケン（例：エチレン）に臭素を加えると、触媒なしで付加反応が起こり $\text{CH}_2\text{BrCH}_2\text{Br}$ が生成します。 一方、ベンゼンに臭素だけを加えても反応はほとんど進みません。ルイス酸触媒が必要です。
正しい理解：アルケンの$\pi$結合は局在化しており、反応性が高いため臭素がそのまま反応できます。 ベンゼンの$\pi$電子は6個が非局在化して芳香族安定化を受けているため、より強力な求電子剤が必要です。 $\text{FeBr}_3$ のようなルイス酸で $\text{Br}_2$ を活性化することで、はじめて芳香族性を壊せるだけの反応性を持つ求電子剤が生じます。
フリーデル-クラフツ反応（Friedel-Crafts reaction）は、ベンゼン環にアルキル基（アルキル化）またはアシル基（アシル化）を導入する反応です。 高校では直接は扱いませんが、EASの一般的機構がそのまま適用できる重要な例です。
アルキル化：ハロゲン化アルキル $\text{R-Cl}$ を $\text{AlCl}_3$（ルイス酸）存在下でベンゼンと反応させます。
$$\text{R-Cl} + \text{AlCl}_3 \longrightarrow \text{R}^+ + [\text{AlCl}_4]^-$$
$\text{AlCl}_3$ が $\text{Cl}$ を引き抜くことでカルボカチオン $\text{R}^+$ が生じ、これが求電子剤としてベンゼン環を攻撃します。
$$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{R}^+ \longrightarrow [\sigma\text{-complex}]^+ \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{R} + \text{H}^+$$
アシル化：酸塩化物 $\text{RCOCl}$ を $\text{AlCl}_3$ 存在下で反応させると、アシリウムイオン $\text{RCO}^+$ が求電子剤として働き、ベンゼン環にアシル基 $\text{-COR}$ が導入されます。
いずれの場合も、反応の骨格はセクション3の一般的機構と同じです。 求電子剤の種類が変わるだけで、$\sigma$錯体の形成とプロトン脱離という2段階の流れは共通しています。
| 反応名 | 求電子剤 $\text{E}^+$ | 生成する求電子剤の方法 | 生成物 |
|---|---|---|---|
| ニトロ化 | $\text{NO}_2^+$ | $\text{HNO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4$ | $\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2$ |
| スルホン化 | $\text{SO}_3$ | 発煙硫酸中に存在 | $\text{C}_6\text{H}_5\text{SO}_3\text{H}$ |
| ハロゲン化 | $\text{Br}^{\delta+}$（$\text{FeBr}_3$で活性化） | $\text{Br}_2 + \text{FeBr}_3$ | $\text{C}_6\text{H}_5\text{Br}$ |
| FC アルキル化 | $\text{R}^+$ | $\text{RCl} + \text{AlCl}_3$ | $\text{C}_6\text{H}_5\text{R}$ |
| FC アシル化 | $\text{RCO}^+$ | $\text{RCOCl} + \text{AlCl}_3$ | $\text{C}_6\text{H}_5\text{COR}$ |
ここまでで、求電子置換反応の一般的機構がさまざまな反応に共通して適用できることを確認しました。 すべての反応は「求電子剤の生成 → ベンゼン環への攻撃（$\sigma$錯体形成） → プロトン脱離」という同じ流れに従います。 次のセクションでは、すでに置換基を持つベンゼン（一置換ベンゼン）に対してEASが起こるとき、$\sigma$錯体の安定性がどのように反応位置を決めるかを見ていきます。
セクション3で見たように、EASの律速段階は$\sigma$錯体の形成です。 一置換ベンゼン $\text{C}_6\text{H}_5\text{-G}$（$\text{G}$ は置換基）に次の求電子剤が攻撃するとき、オルト位、メタ位、パラ位のどこに攻撃するかで、異なる$\sigma$錯体が生じます。
律速段階で生じる$\sigma$錯体が安定であるほど、その遷移状態のエネルギーも低くなります（ハモンドの仮説）。 したがって、最も安定な$\sigma$錯体を与える位置に、反応は優先的に進行します。 $\sigma$錯体の安定性を決めるのは、置換基 $\text{G}$ が正電荷をどの程度安定化できるか（または不安定化するか）です。
セクション3で述べた通り、$\sigma$錯体の正電荷は、求電子剤が結合した炭素のオルト位とパラ位に分布します（3つの共鳴構造）。 メタ位の炭素には正電荷が現れません。
この事実が配向性の鍵です。次のように考えます。
$\text{-OH}$、$\text{-NH}_2$、$\text{-CH}_3$、$\text{-OCH}_3$ などの電子供与基は、ベンゼン環に電子を供給します。 これらの置換基は、$\sigma$錯体の正電荷を安定化する効果を持ちます。
求電子剤がオルト位またはパラ位を攻撃した場合、$\sigma$錯体の共鳴構造の一つで、正電荷が置換基の結合した炭素（ipso位）に現れます。 電子供与基はこの正電荷を効果的に安定化できるため、オルト位・パラ位への攻撃で生じる$\sigma$錯体が特に安定になります。
具体例として、$\text{-OH}$ 基を考えます。 パラ位への攻撃で生じる$\sigma$錯体では、正電荷が $\text{-OH}$ の酸素に隣接する炭素に現れる共鳴構造があります。 酸素の非共有電子対が$\pi$結合を通じて正電荷を分散できるため、通常の3つの共鳴構造に加えて、もう1つ余分な共鳴構造を書くことができます。 この追加の共鳴構造により、$\sigma$錯体がさらに安定化されます。
一方、メタ位への攻撃では、正電荷は $\text{-OH}$ に隣接する炭素に現れないため、酸素の非共有電子対による追加の安定化は得られません。
$\text{-CH}_3$ 基の場合は、非共有電子対を持ちませんが、超共役（C-H結合の電子が正電荷を安定化する効果）と誘起効果（$\sigma$結合を通じた電子供与）によって正電荷を安定化します。 この効果は、正電荷が $\text{-CH}_3$ に隣接する炭素に現れるオルト・パラ位への攻撃で発揮されます。
電子供与基 $\text{G}$（$\text{-OH}$, $\text{-NH}_2$, $\text{-OR}$, $\text{-CH}_3$ など）を持つベンゼン環への求電子置換反応では、次の求電子剤はオルト位またはパラ位に優先的に入ります。
理由：オルト・パラ位への攻撃で生じる$\sigma$錯体では、正電荷が置換基に隣接する炭素に現れる共鳴構造があり、電子供与基がこの正電荷を安定化するためです。
特に非共有電子対を持つ置換基（$\text{-OH}$, $\text{-NH}_2$, $\text{-OR}$ など）は、共鳴効果による強い電子供与を行います。 これらの置換基は反応を無置換ベンゼンよりも速くする活性化基でもあります。
$\text{-NO}_2$、$\text{-COOH}$、$\text{-CHO}$、$\text{-SO}_3\text{H}$、$\text{-CN}$ などの電子求引基は、ベンゼン環から電子を引き抜きます。
求電子剤がオルト位またはパラ位を攻撃した場合、$\sigma$錯体の共鳴構造の一つで、正電荷が電子求引基の結合した炭素に現れます。 電子求引基はその炭素の電子密度をさらに低下させるため、正電荷が集中する状態を不安定化します。
一方、メタ位への攻撃では、正電荷は電子求引基の結合した炭素には直接現れません。 電子求引基による不安定化の影響がオルト・パラ攻撃ほど大きくないため、メタ位への攻撃で生じる$\sigma$錯体が相対的に安定になります。
具体例として、$\text{-NO}_2$ 基を考えます。 ニトロ基の窒素は正の形式電荷を持ち（$\text{N}$ は $\text{O}$ に電子を引かれています）、強い電子求引性を示します。 オルト位やパラ位への攻撃では、$\sigma$錯体の共鳴構造で正電荷がニトロ基の隣の炭素に現れ、正電荷が2つ隣接する非常に不安定な構造になります。 メタ位への攻撃ではこの不利が避けられるため、メタ位への攻撃が相対的に有利になります。
電子求引基 $\text{G}$（$\text{-NO}_2$, $\text{-COOH}$, $\text{-CHO}$, $\text{-CN}$, $\text{-SO}_3\text{H}$ など）を持つベンゼン環への求電子置換反応では、次の求電子剤はメタ位に優先的に入ります。
理由：オルト・パラ位への攻撃で生じる$\sigma$錯体では、正電荷が電子求引基に隣接する炭素に現れて不安定化されるため、この不利がないメタ位への攻撃が相対的に有利になります。
電子求引基は反応を無置換ベンゼンよりも遅くする不活性化基でもあります。 メタ配向とは「メタ位が特別に安定」なのではなく、「オルト・パラ位が特に不安定」なために相対的にメタ位が選ばれるということです。
$\text{-F}$、$\text{-Cl}$、$\text{-Br}$、$\text{-I}$ などのハロゲンは特殊な例です。 ハロゲンは電気陰性度が高いため、誘起効果（$\sigma$結合を通じた電子求引）ではベンゼン環から電子を引き抜き、環を不活性化します。 しかし、ハロゲンは非共有電子対を持つため、共鳴効果（$\pi$結合を通じた電子供与）ではオルト・パラ位の$\sigma$錯体を安定化します。
誘起効果と共鳴効果は逆方向に働きますが、配向性を決めるのは$\sigma$錯体における正電荷の安定化、すなわち共鳴効果です。 一方、反応速度を決めるのは環全体の電子密度に影響する誘起効果です。
その結果、ハロゲン置換基は不活性化基（反応を遅くする）でありながらオルト-パラ配向という独特の性質を示します。
誤解：「オルト-パラ配向基は環を活性化し、メタ配向基は環を不活性化する」と単純に対応させてしまう。
正しい理解：配向性は$\sigma$錯体の相対的安定性（共鳴効果が支配的）で決まり、反応速度は環全体の電子密度（誘起効果も影響）で決まります。 ハロゲンのように、共鳴効果ではオルト-パラ配向だが、誘起効果では環を不活性化するという例があります。 ただし、ハロゲン以外のほとんどの置換基では、電子供与基 = 活性化基 + オルト-パラ配向、電子求引基 = 不活性化基 + メタ配向、と対応します。
| 置換基の分類 | 代表的な置換基 | 配向性 | 反応速度 |
|---|---|---|---|
| 強い電子供与基（共鳴効果） | $\text{-OH}$, $\text{-NH}_2$, $\text{-OR}$ | オルト-パラ | 活性化（速い） |
| 弱い電子供与基（誘起効果） | $\text{-CH}_3$, $\text{-C}_2\text{H}_5$ | オルト-パラ | 活性化（速い） |
| ハロゲン | $\text{-F}$, $\text{-Cl}$, $\text{-Br}$ | オルト-パラ | 不活性化（遅い） |
| 電子求引基（共鳴効果 + 誘起効果） | $\text{-NO}_2$, $\text{-COOH}$, $\text{-CHO}$, $\text{-CN}$ | メタ | 不活性化（遅い） |
ここまでで、置換基の電子的効果（共鳴効果と誘起効果）が$\sigma$錯体の安定性をどのように変え、配向性を決定するかを理解しました。 すべての議論の出発点は、セクション3で確立した「$\sigma$錯体における正電荷の分布」です。 正電荷がオルト位とパラ位に現れるという事実と、置換基がその正電荷を安定化するか不安定化するかで、配向性が論理的に決まります。 次のセクションでは、この知識を使って具体的な反応の位置を予測します。
セクション5で学んだ配向性の規則を、具体的な分子に適用してみます。
トルエン $\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3$ をニトロ化（$\text{NO}_2^+$ による攻撃）するとき、ニトロ基はどの位置に入るでしょうか。
$\text{-CH}_3$ は弱い電子供与基（誘起効果による電子供与）であり、セクション5の表からオルト-パラ配向基です。 したがって、ニトロ基はオルト位またはパラ位に優先的に入ります。
実測でも、トルエンのニトロ化生成物の割合はおおよそ次の通りです。
| 位置 | 生成物の割合（実測値） |
|---|---|
| オルト | 約 58% |
| メタ | 約 4% |
| パラ | 約 38% |
オルト位とパラ位を合わせると約 96% を占めており、配向性の予測と一致します。 オルト位がパラ位よりやや多いのは、統計的な要因（オルト位は2か所あるのに対しパラ位は1か所）によるものですが、立体効果（置換基の近くは込み合っている）によりパラ位が統計的割合（67%）より多くなることもあります。
ニトロベンゼン $\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2$ を臭素化するとき、臭素はどの位置に入るでしょうか。
$\text{-NO}_2$ は電子求引基であり、メタ配向基です。 したがって、臭素はメタ位に優先的に入り、$m$-ブロモニトロベンゼンが主生成物になります。
実測でも、ニトロベンゼンの臭素化ではメタ位の生成物が約 93% を占めます。
フェノール $\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}$ をスルホン化するとき、スルホン基はどの位置に入るでしょうか。
$\text{-OH}$ は強い電子供与基（酸素の非共有電子対による共鳴効果）であり、オルト-パラ配向基です。 したがって、スルホン基はオルト位またはパラ位に優先的に入ります。
実際に、低温ではオルト体（$o$-ヒドロキシベンゼンスルホン酸）が主生成物になり、高温ではパラ体（$p$-ヒドロキシベンゼンスルホン酸）が主生成物になります。 これは、オルト体が速度論的（反応速度の面で有利な）生成物、パラ体が熱力学的（安定性の面で有利な）生成物であることに対応します。
アニリン $\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2$ に臭素水を加えると、触媒なしで反応が進み、2,4,6-トリブロモアニリンが沈殿します。 高校化学でもこの反応は学びますが、なぜ3か所同時に臭素化されるのかは説明されません。
EASの観点から説明すると、$\text{-NH}_2$ は非常に強い電子供与基（共鳴効果）であり、ベンゼン環の電子密度を大きく増加させます。 その結果、触媒なしでも臭素 $\text{Br}_2$ がそのまま求電子剤として反応できるほど環が活性化されます。 さらに、オルト位2か所とパラ位1か所のすべてが活性化されているため、3回のEASが連続して起こり、トリブロモ体が生成します。
配向性の知識は、目的の化合物を合成する際の反応順序の設計に直結します。 たとえば、$p$-ニトロトルエン（パラ位にニトロ基があるトルエン）を合成したい場合、「トルエンをニトロ化する」という順序が正解です。 メチル基はオルト-パラ配向基なので、ニトロ基がパラ位に入ります。
逆に、$m$-ニトロトルエン（メタ位にニトロ基があるトルエン）を合成したい場合はどうすればよいでしょうか。 メチル基はオルト-パラ配向基なので、トルエンを直接ニトロ化してもメタ位のニトロ体はほとんど得られません。 このような場合、先にニトロベンゼンを合成し、別の方法でメチル基を導入するなど、反応順序の工夫が必要になります。
配向性を理解していれば、「どの順序で置換基を導入するか」を論理的に計画できるようになります。
Q1. 求電子置換反応（EAS）の一般的機構は2つのステップからなります。各ステップの内容を簡潔に説明し、律速段階はどちらかを答えてください。
Q2. ベンゼンのニトロ化において、真の求電子剤は何ですか。また、それはどのようにして生成しますか。
Q3. $\sigma$錯体における正電荷は、求電子剤が結合した炭素から見て、どの位置の炭素に分布しますか。
Q4. クロロベンゼン $\text{C}_6\text{H}_5\text{Cl}$ をニトロ化すると、ニトロ基は主にどの位置に入りますか。その理由も答えてください。
以下の置換基を、「オルト-パラ配向基」と「メタ配向基」に分類してください。
$\text{-OH}$、$\text{-NO}_2$、$\text{-CH}_3$、$\text{-COOH}$、$\text{-NH}_2$、$\text{-Br}$、$\text{-CHO}$、$\text{-OCH}_3$
オルト-パラ配向基：$\text{-OH}$、$\text{-CH}_3$、$\text{-NH}_2$、$\text{-Br}$、$\text{-OCH}_3$
メタ配向基：$\text{-NO}_2$、$\text{-COOH}$、$\text{-CHO}$
非共有電子対を持つ置換基（$\text{-OH}$, $\text{-NH}_2$, $\text{-OCH}_3$, $\text{-Br}$）とアルキル基（$\text{-CH}_3$）はオルト-パラ配向です。 多重結合で電子を引く置換基（$\text{-NO}_2$, $\text{-COOH}$, $\text{-CHO}$）はメタ配向です。 $\text{-Br}$ は不活性化基ですが、共鳴効果によりオルト-パラ配向です。
安息香酸 $\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}$ を臭素化（$\text{Br}_2 / \text{FeBr}_3$）するとき、臭素は主にどの位置に入りますか。 主生成物の名称と構造を示し、配向性の理由を$\sigma$錯体の安定性に基づいて説明してください。
主生成物は$m$-ブロモ安息香酸（メタ位に臭素が入ったもの）です。
$\text{-COOH}$ は電子求引基（カルボニル基の$\pi$結合を通じた共鳴効果 + 酸素の電気陰性度による誘起効果）であり、メタ配向基です。
オルト位やパラ位に $\text{Br}$ が攻撃した場合、$\sigma$錯体の共鳴構造の一つで正電荷が $\text{-COOH}$ に隣接する炭素に現れます。$\text{-COOH}$ のカルボニル炭素はすでに正の分極をしているため、隣接炭素にさらに正電荷が来ると非常に不安定になります。
メタ位に攻撃した場合は、正電荷が $\text{-COOH}$ の隣の炭素には直接現れないため、この不安定化が回避されます。したがってメタ位への攻撃が相対的に有利であり、$m$-ブロモ安息香酸が主生成物となります。
アニソール $\text{C}_6\text{H}_5\text{OCH}_3$ をニトロ化するとき、ニトロ基は主にどの位置に入りますか。 配向性を決める置換基の電子的効果を、共鳴効果と誘起効果の両面から説明してください。
主生成物は$o$-ニトロアニソールおよび$p$-ニトロアニソール（オルト位とパラ位にニトロ基が入ったもの）です。
$\text{-OCH}_3$ は酸素上に非共有電子対を持ちます。
共鳴効果：酸素の非共有電子対がベンゼン環の$\pi$系に供与されます。オルト位またはパラ位への攻撃で生じる$\sigma$錯体では、正電荷が酸素に隣接する炭素に現れる共鳴構造があり、酸素の非共有電子対がこの正電荷を効果的に安定化します。この追加の共鳴安定化はメタ位への攻撃では得られません。
誘起効果：酸素は電気陰性度が高いため、$\sigma$結合を通じてわずかに電子を引きますが、この効果は共鳴効果に比べて小さいです。
したがって、共鳴効果が支配的であり、$\text{-OCH}_3$ はオルト-パラ配向の活性化基として働きます。実測でも、オルト体とパラ体が主生成物です。
$p$-ニトロトルエンを合成するための2つの経路を比較してください。
(a) 経路A：ベンゼン → トルエン（フリーデル-クラフツアルキル化）→ ニトロ化
(b) 経路B：ベンゼン → ニトロベンゼン（ニトロ化）→ フリーデル-クラフツアルキル化
(c) どちらの経路が$p$-ニトロトルエンの合成に適しているか、配向性と反応性の観点から論じてください。
(a) 経路A：ベンゼンに $\text{CH}_3\text{Cl} / \text{AlCl}_3$ でメチル基を導入してトルエンを得ます。次にトルエンをニトロ化します。$\text{-CH}_3$ はオルト-パラ配向基なので、$\text{NO}_2$ がオルト位またはパラ位に入ります。目的物の$p$-ニトロトルエンが主生成物の一つとして得られます。
(b) 経路B：ベンゼンを先にニトロ化してニトロベンゼンを得ます。次にフリーデル-クラフツアルキル化を行おうとします。しかし、$\text{-NO}_2$ は強い電子求引基（不活性化基）であるため、ベンゼン環の電子密度が大きく低下しています。フリーデル-クラフツ反応は電子密度の低い環にはほとんど進行しません。
(c) 経路Aが適しています。
経路Bには2つの問題があります。第一に、ニトロベンゼンは強く不活性化されているため、フリーデル-クラフツ反応がほとんど進行しません（フリーデル-クラフツ反応は不活性化された芳香環には適用できないことが知られています）。第二に、仮に反応が進んだとしても、$\text{-NO}_2$ はメタ配向基なので、メチル基はメタ位に入り、$m$-ニトロトルエンが生成してしまいます。
経路Aでは、トルエンは活性化された環を持つためニトロ化が容易に進行し、$\text{-CH}_3$ のオルト-パラ配向性により$p$-ニトロトルエンが得られます。したがって、「どの順序で置換基を導入するか」は配向性と反応性の両方を考慮して決める必要があります。