皆さん、毎回お世話になっております！今回は、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6からクロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlが、どの様な過程を経て生成されるのか？その仕組みについて順追って、各段階ごとに話を進めて行きたいと思います。
この化学反応において最重要とされるのは、「※ 正電荷と負電荷の関係！」です。別記事にも化学の根本的考え方は、正(＋)と負(－)の関係が最重要と記述致しました。この事は単純な考え方の様に思えますが、非常に重要視される所です！
ここでは再度、正(＋)と負(－)の重要さを基本として考えて頂きますと、理解度が増して自然と記憶されて行くでしょう。それではスタート致しましょう！
１．ベンゼン：Ｃ6Ｈ6の構造！
有機化合物のベンゼン：Ｃ6Ｈ6の構造は６個の炭素原子：Ｃが同一平面上に存在しており、ベンゼン環として正六角形を構成する炭素原子：Ｃ同士の角度は全て１２０°になっています。またベンゼンの構造式は下記画像の様に「※ ケクレ構造！」と呼ばれる構造式と、これを省略した構造式の「※ ロビンソン構造！」であり、下記画像の様にイメージして頂くと理解しやすいと思います。
【※ ロビンソン構造式は、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6が平衡状態にあると仮定した場合の中間的な構造式としてイメージすると理解しやすい！】
上記画像の左右２つのケクレ構造に着目して観ますと、炭素原子：Ｃと水素原子：Ｈは左右共に単結合を形成していますが、炭素原子：Ｃ同士の二重結合の位置は異なっています。ロビンソン構造式は、この２つのケクレ構造式を１つにまとめた構造式かつ中間的表記であり、実際こちらの方が正確な表記として扱われています。何故でしょうか？
それはベンゼン環内の６つの炭素原子：Ｃが、６つのsｐ2混成軌道を形成しているからです。１つの炭素原子：Ｃで考えると、「※ Ｃ－Ｈ間で１つのσ結合(＝単結合)、Ｃ－Ｃ間で２つのσ結合(＝単結合)、残った最後の１個の電子がπ電子であり、他の原子とは直接結合していません！」。
sｐ2混成内でσ結合を形成していない２ｐz軌道のπ電子は、平面状態のベンゼンＣ6Ｈ6を四方八方取り囲み、拡散し飛び回っているというイメージをされたらと思います。よって、常にベンゼンＣ6Ｈ6は負(－)に帯電している状態として存在している事になります(※ 負に帯電している状態にある事が最重要の着眼点であり、この状態を表した構造式としてはロビンソン構造式の方がイメージしやすいと思います！)。
この状態が「※ π電子雲であり、これが共鳴と呼ばれる電子の非局在可！」を表しています。
【✺ また、sｐ2混成軌道に付きましては別記事の、こちらを是非御覧頂けたらと思います！】
「※ 必見！酢酸ＣＨ3ＣＯＯＨの２s軌道が電子０個になる謎とは！？」
２．ベンゼン：Ｃ6Ｈ6の性質！
ベンゼンの構造を観ると六角形である事から固体の様にイメージ出来ますが、実際は液体として存在しています。よって水Ｈ2Ｏに溶けやすいイメージもありますが、ベンゼンは無極性分子であるアルカン(メタンＣＨ4など)などの炭化水素と同様に極性を所有する水には溶けにくく、有機化合物に対しては互いによく溶け合う溶媒として使用されます(※ 無極性分子の炭化水素は、無極性分子であるベンゼンなどの有機溶媒に対してはよく溶けます！)。
ベンゼンの性質は、アルケンのエチレン：Ｃ2Ｈ4・アルキンのアセチレン：Ｃ2Ｈ2がπ電子により付加反応が起こりやすいのに対し、ベンゼン環としての構造自体が炭素原子：Ｃ同士のσ結合により非常に安定しているために、ベンゼン環内の水素原子：Ｈ等が他の原子・原子団に置き換わる「※ 置換反応！」が起こりやすいとされています。
この置換反応にはπ電子が大きく関わっているため、ベンゼン環は不飽和結合(※ まだ他の物質に変化出来る可能性がある結合！)であり、飽和結合(※ これ以上他の物質に変化出来ない結合！)ではない事にも着目しておきましょう(※ これ等の詳しい内容も見出し：１．で紹介致しました記事を御覧頂けたらと思います。)！
それではベンゼンの性質を生かして、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6と、塩素：Ｃl2の置換反応に付いて考えて行きましょう！
３．ベンゼンＣ6Ｈ6と塩素Ｃl2の置換反応：ハロゲン化！
ベンゼン：Ｃ6Ｈ6と、塩素：Ｃl2の置換反応には触媒として鉄：Ｆeか塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3を用います。ここでは触媒に塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3を用いて、水素：Ｈがハロゲン：Ｃlに置換されるハロゲン化によってクロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlが生成するまでの過程を大まかですが各段階的に考えて行きましょう。
［１．］まず塩素：Ｃl2と、鉄原子：Ｆeより触媒の塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3が生成する化学反応式から始まります。
２Ｆe ＋ ３Ｃl2 → ２ＦeＣl3
［２．］次に、生成した塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3の空軌道(※ 鉄原子：Ｆeは本来、３ｄ軌道に非共有電子対(ローンペア)を１つ、不対電子４個を所有しており、電子の空席が４つ在ります！)に塩素Ｃl2のローンペアを配位結合させると、求電子剤(※ 電子が欲しい陽イオンあるいはラジカルにある状態！)である塩素陽イオン：Ｃl^+と、錯体のアニオン(※ 負に帯電した錯イオン)である、「※ テトラクロロ鉄(Ⅲ)酸イオン：〔ＦeＣl4〕^-」が生成されます！
Ｃl2 ＋ ＦeＣl3 → Ｃl^+ ＋ 〔ＦeＣl4〕^-
【※ 塩素：Ｃl2と、塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3の反応の仕組み！】
上記画像のイメージとして、塩素：Ｃl2の非共有電子対から電子１個を吸引している錯体：〔ＦeＣl4〕^-が負(－)に帯電します。この時ローンペアの電子１個を失っている塩素：Ｃl2内に電荷の偏りが生じ、右側の塩素原子：Ｃlが正(＋)に帯電すると考えられます。
これにより正(＋)に帯電した右側の塩素原子：Ｃlが、同じ分子内の左側の塩素原子：Ｃlから共有電子対ごと吸引し(※ 左側の塩素原子：Ｃlから電子１個を完全に奪った状態！)、結果右側の塩素原子：Ｃlはオクテット則(※ 最も安定した８電子による８電子則！)を満たす事になり、〔ＦeＣl4〕^-が生成されます！
また同時に、「※ 電子１個を失った左側の塩素原子：Ｃlの方は、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6の２π電子を攻撃しやすい最もベストな状態の、正(＋)に帯電する求電子剤となる塩素陽イオン：Ｃl^+として生成される！」事になります。
(Ⅰ)：１つ目の可能性と致しましては、切断された２つの物質が全く同じであり、不対電子を所有する、Ｃl・(※ 塩素ラジカル)とＣl・(※ 塩素ラジカル)が生じます！求電子剤がＣl・(※ 塩素ラジカル)の場合には、π電子を１個だけしか吸引する事が出来ないため置換反応よりも、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6に光(紫外線)を照射し、ヘキサクロロシクロヘキサン：Ｃ6Ｈ6Ｃl6が生成する「※ 付加反応に最も適した求電子剤！」となります。
つまり、３Ｃl2の６つの塩素ラジカル：Ｃl・としてベンゼン：Ｃ6Ｈ6の６つのπ電子とσ結合を形成する事によってＣ6Ｈ6Ｃl6が生成されます！
Ｃ6Ｈ6 ＋ ３Ｃl2 → 光(紫外線)→ Ｃ6Ｈ6Ｃl6(ヘキサクロロシクロヘキサン)
(Ⅱ)：２つ目の可能性と致しましては、切断された２つの物質が異なった、Ｃl^+(※ 塩素陽イオン)とＣl^-(※ 塩化物イオン)が生じると考えられます。クロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlを生成させる場合には、２つのπ電子を吸引可能なＣl^+(※ 塩素陽イオン)が最も適した状態であり、かつ最も適した求電子剤となります！
塩素：Ｃl2が外部からの力を受けて切断されると、(Ⅰ)か(Ⅱ)の物質が生じる可能性が在ると考えられます。クロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlを生成させる場合には、塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3に塩素：Ｃl2のローンペアを配位結合させる事により、(Ⅱ)のＣl^+(※ 塩素陽イオン)とＣl^-(※ 塩化物イオン)に切断させなければなりません！
これにより、「※ 切断されたＣl^+(※ 塩素陽イオン)の方はベンゼン：Ｃ6Ｈ6の６π電子雲内の２π電子を攻撃する求電子剤となり、残ったＣl^-(※ 塩化物イオン)は塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3に配位結合する事によって、錯体であるテトラクロロ鉄(Ⅲ)酸イオン：〔ＦeＣl4〕^-が生成される！」といった様な反応をイメージされますと、この後最終的にクロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlが生成されるまでの一連の流れが理解しやすくなると思います！
再度ここまでをまとめますと、塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3に配位結合した塩素分子Ｃl2が、塩素陽イオン：Ｃl^+と塩化物イオン：Ｃl^-とに分散され、結果別れた塩化物イオン：Ｃl^-の方がＦeＣl3に配位結合した事により、負(－)の電荷を帯びた錯イオンのテトラクロロ鉄(Ⅲ)酸イオン：〔ＦeＣl4〕^-が生成がされます！
そして後に残った塩素陽イオン：Ｃl^+が、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6の６π電子雲内の２π電子を攻撃する求電子剤として生成された事になります！
４．芳香族求電子置換反応！
求電子剤として生成した塩素陽イオン：Ｃl^+が、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6の水素：Ｈと置換される反応を「※ 芳香族求電子置換反応！」と称しています。ここから塩素陽イオン：Ｃl^+が、いよいよベンゼン：Ｃ6Ｈ6と反応し始めます。クロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlが生成されるまでをイメージしながら分析していきますが、生成されるまでの段階を、大まかですが大きく５段階に分けて理解していく事にしましょう。
【※ ベンゼン：Ｃ6Ｈ6のπ電子雲と、塩素陽イオン：Ｃl^+の反応！】
第１段階では、まずベンゼン：Ｃ6Ｈ6を覆っている負(－)に帯電した６π電子雲に、生成した正(＋)に帯電している塩素陽イオン：Ｃl^+が引き寄せられます。このＣl^+が、上画像の(１)の「※ イプソ位(※ 上画像のベンゼン：Ｃ6Ｈ6の最上位に在る水素原子：Ｈが塩素原子：Ｃlに置換され、最終的にクロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlが生成された時の塩素原子：Ｃlの位置がイプソ位である事を前提としています。)！」と(２)の「※ オルト位！」に存在する２π電子を攻撃吸引しにかかります！
〔※ ２π電子の動きが理解しやすい様に、あえてイプソ位とオルト位で表現しています。なお、置換基の位置の名称は本記事の最下部の見出し６．を御覧下さい！〕
【※ 塩素陽イオン：Ｃl^+の変化！】
第２段階ではＣl^+が最初にイプソ位に舞う１個目のπ電子を奪うと、直ぐ様オルト位に存在するπ電子を攻撃する事により、イプソ位に位置する炭素原子：Ｃとσ結合を形成し一旦中間的な構造が形成されます！
この状態は中間的な生成物として存在しているため、この後に記す表記(※ Ｃ6Ｈ6Ｃl^+)が適切な表記かは解りませんが、塩素陽イオン：Ｃl^+が２π電子を奪ったために、ベンゼン環内は正(＋)に帯電していますので、言わばＣ6Ｈ6Ｃl^+が「※ 中間体として生成している状態！」、といった所でしょうか！
「※ 求電子剤である塩素陽イオン：Ｃl^+がベンゼン環内の６π電子の内の２π電子を攻撃し吸引するとＣl^+は変化していく？この現象を次の様にイメージして考えていきますと、さらに理解度が深まると思います！」
(Ⅰ)：求電子剤である塩素陽イオン：Ｃl^+が１個目のπ電子を奪い吸引すると、塩素ラジカル：Ｃl・に変化します！
【※ Ｃl^+ → １個目のπ電子を奪い吸引する！ → 塩素ラジカル：Ｃl・に変化する！】
(Ⅱ)：次に、塩素陽イオン：Ｃl^+から変化した塩素ラジカル：Ｃl・が、２個目のπ電子を奪い吸引すると、塩化物イオン：Ｃl^-に変化します！
【※ Ｃl・ → ２個目のπ電子を奪い吸引する！ → 塩化物イオン：Ｃl^-に変化する！】
(Ⅲ)：以上をまとめると次の様に考える事が出来ます！
「※ Ｃl^+ → １個目のπ電子を奪い吸引する！ → 塩素ラジカル：Ｃl・に変化する！ → ２個目のπ電子を奪い吸引する！ → 塩化物イオン：Ｃl^-に変化する！」より、
【※ 塩素陽イオン：Ｃl^+ → 塩素ラジカル：Ｃl・ → 塩化物イオン：Ｃl^-(※ クロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlの置換基Ｃlがオクテット則(８電子則)を満たしている状態をＣl^-としています！) 】
この様に求電子剤である塩素陽イオン：Ｃl^+が変化していく事を最重要視して頂いてイメージされますと、Ｃl^+が変化する度に２π電子によって還元されていく流れもイメージしやすくなり、理解度がアップするのではないでしょうか！
４－１．ベンゼン環内からの水素イオン：Ｈ^+(プロトン)の脱離！
第１段階では、塩素陽イオン：Ｃl^+が６π電子雲から２π電子を攻撃し吸引しました。この瞬間、オルト位の炭素原子：Ｃは１個のπ電子を奪われたため炭素陽イオン：Ｃ^+として正(＋)の電荷に偏っていると考えられます！
【※ 水素イオンＨ^+(プロトン)の脱離！】
第３段階での水素イオン：Ｈ^+が脱離するイメージと致しましては、この電荷の偏りによって炭素陽イオン：Ｃ^+がイプソ位の水素原子：Ｈに対し、共有電子対ごと吸引し共有電子対内の１個の電子を完全に吸引する事によってπ結合が再生され６π電子雲が復活します(※ 水素原子：Ｈより、電気陰性度の大きい炭素原子：ＣがＨを引き付けるイメージ！)。
また、この段階での環内は正(＋)に帯電している事から、水素原子：Ｈは水素イオン：Ｈ^+として環内の正電荷(＋)と反発し合い、結果水素イオン：Ｈ^+が弾き出され脱離する、この様にイメージされますと理解しやすいのではないでしょうか！
４－２．クロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlの生成と６π電子雲(π結合)の完全修復再生！
【※ クロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlの生成！】
第４段階では、水素イオン：Ｈ^+の脱離によってクロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlが生成されると同時に６π電子によるπ結合も再生されます。さらに脱離した水素イオン：Ｈ^+がテトラクロロ鉄(Ⅲ)酸イオン：〔ＦeＣl4〕^-内の塩素原子：Ｃlの非共有電子対に配位結合します！
また塩素原子：Ｃlに置換した事によって、置換したイプソ位で軌道自体もこの時点で炭素原子：Ｃを中心としたsｐ2混成軌道から、塩素原子：Ｃlを中心としたsｐ3混成軌道(※ Ｃ－Ｃlのσ結合、Ｃlの所有する３つの非共有電子対を３つのσ結合と考慮した場合、合計４つのσ結合！)へと編成されたのではないかと考えられます。
一方、塩素原子：Ｃlと結合している炭素原子：Ｃを中心として観た場合の軌道は、本来のsｐ2混成軌道に戻り、６π電子雲が修復再生され安定化する事になります！
【※ 塩化水素：ＨＣlの生成と、触媒・塩化鉄（Ⅲ）：ＦeＣl3の再生復活！】
第５段階(※ 最終段階)では水素イオン：Ｈ^+が、テトラクロロ鉄(Ⅲ)酸イオン：〔ＦeＣl4〕^-内の塩素原子：Ｃlの非共有電子対に配位結合した事で、塩化水素：ＨＣlが生成脱離し、テトラクロロ鉄(Ⅲ)酸イオン：〔ＦeＣl4〕^-は触媒である元の塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3に還ります。結果、この事より塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3が触媒の役割を果たしていたのだと理解出来ます！
また画像中に記載しています、「※ ＋ ＦeＣl3」は、化学反応式には必要としませんが、理解度が深まるのではないかと記載致しました。実際には、次の反応式が最終的にクロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlが生成され完結する化学反応式となりますので、御間違えの無い様にお願い致します!
【※ Ｃ6Ｈ6(ベンゼン) ＋ Ｃl2(塩素) → (塩化鉄(Ⅲ)：ＦeＣl3・触媒) → Ｃ6Ｈ5Ｃl(クロロベンゼン) ＋ ＨＣl(塩化水素)】
これは、共有結合として生成した塩化水素：ＨＣlの方が、錯イオンかつ配位結合形成の〔ＦeＣl4〕^-よりも安定した生成物であるがために、塩化水素：ＨＣlとして脱離する事を考えますと、改めて共有結合と配位結合の違いがイメージ的に理解出来るのではないでしょうか！」
【※ 再度繰り返しますが、第４段階で生成したクロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlの６つの全ての軌道は６π電子も修復再生している事もあり、これより炭素原子：Ｃを中心に考えますと、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6の６つの混成軌道と同じsｐ2混成軌道であると考えられます！
この事からも最終的には、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6の水素原子：Ｈと、ハロゲン：Ｃlとが置換反応により置き換わっただけでクロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlが生成されるという仕組みが皆さん御理解出来たのではないでしょうか！】
５．ブロモベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｂrの生成する仕組み！
ここでは、ベンゼン：Ｃ6Ｈ6と臭素：Ｂr2の反応によってブロモベンゼン ：Ｃ6Ｈ5Ｂrが生成される仕組みも理解しておいて頂きたいと思います！
【※ 臭化水素︰ＨＢrの生成と、触媒・臭化鉄（Ⅲ）：ＦeＢr3の再生！】
クロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlと同様に、ブロモベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｂrが生成される反応を次の様に簡単にまとめてみました。互いの反応の仕組みが１対のペアとして同時にインプットされておきますと、更に理解度が増すと思われます！
(Ⅰ)：まず、臭素：Ｂr2内の臭化物イオン：Ｂr^-が触媒・臭化鉄(Ⅲ)：ＦeＢr3に配位結合して、錯体：テトラブロモ鉄(Ⅲ)酸イオン〔ＦeＢr4〕^-が生成し、残った臭素陽イオン：Ｂr^+が求電子剤となる！
(Ⅱ)：求電子剤である臭素陽イオン：Ｂr^+がベンゼン：Ｃ6Ｈ6の６π電子雲の２π電子を吸引し中間体が生成される！
(Ⅲ)：中間体：炭素陽イオンが、ベンゼン環内のＣーＨ間の共有電子対ごと吸引し水素イオン：Ｈ^+が放出され、「※ ブロモベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｂr」が生成される！
(Ⅳ)：放出された水素イオン：Ｈ^+が錯体内の臭化物イオン：Ｂr^-に配位結合し、「※ 臭化水素：ＨＢr」が生成され、錯体は本来の触媒・臭化鉄(Ⅲ)：ＦeＢr3に戻り反応終了となる！
大まかですが、(Ⅰ)～(Ⅳ)の様な反応を経て、ブロモベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｂrと臭化水素：ＨＢrが生成されます。
またクロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlと同様に、画像中に「※ ＋ ＦeＢr3」と再生を意味する記載につきましては化学反応式には必要としませんが、理解度が深まるのではないかと思い記載致しました。実際には次の様な反応式になりますので、御間違えの無い様にお願い致します！
【※ Ｃ6Ｈ6 ＋ Ｂr2(臭素) → (※ 臭化鉄(Ⅲ)：ＦeＢr3・触媒) → Ｃ6Ｈ5Ｂr(ブロモベンゼン) ＋ ＨＢr(臭化水素)】
６．ベンゼン(Ｃ6Ｈ6)環に置換基が置換した位置(場所)の名称の覚え方！
最後に、ベンゼン(Ｃ6Ｈ6)環に外部から置換基(※ 最頂部の置換基を炭化水素基：－ＣＨ3・メチル基などを基準として考えています！)が置換した位置の名称についてですが(※ 下記の画像では最頂部の置換基を「Ｚ」としています！)、
の名称が付いています！覚え方と致しましては、
などと覚えて試てはいかがでしょうか？
【✺ 併せて、こちらも是非御覧下さい！】
「上級名答！ベンゼンから、ニトロベンゼンが誕生する仕組み！」
「絶対太鼓判！ベンゼンからベンゼンスルホン酸が誕生する仕組み！」
「全集中フル回転！実はクメン法、凄い神技だらけの宝庫だった！」
今回は芳香族求電子置換反応によって、クロロベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｃlと、ブロモベンゼン：Ｃ6Ｈ5Ｂrが生成される仕組みについて段階的に観てイメージして頂きましたが、皆さん、この様に思われた方も多いのではないでしょうか？
「化学の基本は、やはり、正電荷(＋)と負電荷(－)なんだな！」って。
私自身は常に、この様に大胆に思い切って考えて頂いた方が良いイメージが湧きやすく理解度が深まると思っています。これから先、有機化合物について皆さん各所に行き詰まる所が有るかも知れません。
ですが、有機化合物がある物質と反応する時、どこの電子に一番注目するかを予想して、それに関連する重要な電子１つ１つが、どこに移動して行くかをイメージして突き止めていきますと、どの様にして、ある物質として生成するかの一連の流れが理解出来ると思いますので、基本を忠実にこなして行って頂けたらと思います。
それでは今回もこの辺で、 See you ！
