芳香族カルボン酸（安息香酸・サリチル酸）

安息香酸・サリチル酸の性質と、サリチル酸からサリチル酸メチル・アセチルサリチル酸が生じる反応、それらの塩化鉄(III) 水溶液による呈色の有無を判定できる

前提

フェノール類の性質と反応（高校化学有機化合物（知識））
カルボン酸とエステル（高校化学有機化合物（知識））

この技能までの道筋（33 技能）

算数中学高校大学大学院

読み込み中…

右端（太枠）がこの技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る（前提が先）

実験器具の使い方と安全（中学理科化学分野の用語と知識）
気体の発生方法・性質・集め方（中学理科化学分野の用語と知識）
有機物・無機物と金属の性質（中学理科化学分野の用語と知識）
原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子の構造と同位体（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
電子配置と価電子（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
周期表と周期律（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオン化エネルギー・電子親和力・電気陰性度（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）
イオン結合と金属結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
共有結合と配位結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
分子の形と極性（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
分子間力と沸点（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
結晶の種類と性質（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
水溶液の性質と再結晶（中学理科化学分野の用語と知識）
溶解のしくみ（水和）と極性による溶けやすさ（高校化学溶液の性質（知識））
有機化合物の特徴と官能基による分類（高校化学有機化合物（知識））
脂肪族炭化水素の置換反応・付加反応・付加重合（高校化学有機化合物（知識））
ベンゼンの構造と反応（高校化学有機化合物（知識））
構造異性体（高校化学有機化合物（知識））
分解と化合（化学変化の種類）（中学理科化学分野の用語と知識）
酸化と還元（中学理科化学分野の用語と知識）
酸化・還元の定義（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
アルコールとエーテル（高校化学有機化合物（知識））
酸・アルカリと中和・指示薬（中学理科化学分野の用語と知識）
アレニウスとブレンステッド・ローリーの酸・塩基の定義（高校化学酸と塩基（知識））
酸・塩基の価数・強弱と電離度（高校化学酸と塩基（知識））
弱酸の遊離・揮発性の酸の遊離（高校化学酸と塩基（知識））
フェノール類の性質と反応（高校化学有機化合物（知識））
酸化数と酸化・還元の判定（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
アルデヒドとケトン（高校化学有機化合物（知識））
カルボン酸とエステル（高校化学有機化合物（知識））

説明

ベンゼン環にカルボキシ基 $- COOH$ が直接結合した化合物を芳香族カルボン酸といいます。代表は安息香酸 $C_{6} H_{5} COOH$ と、ベンゼン環の隣り合う位置（オルト位）に $- OH$ と $- COOH$ をもつサリチル酸 $C_{6} H_{4} (OH) COOH$ です。この技能では、これらの酸としての性質と、サリチル酸からサリチル酸メチル・アセチルサリチル酸が生じる反応、そして塩化鉄(III) 水溶液で呈色するかどうかを、もっている官能基から判定できるようになります。医薬品の合成や、芳香族化合物を見分ける問題で使います。

なぜそうしてよいのか

安息香酸の $- COOH$ は、脂肪族のカルボン酸と同じようにはたらきます。白色の結晶で冷水には溶けにくいですが、炭酸より強い酸なので、炭酸水素ナトリウム水溶液に加えると $C O_{2}$ を発生して塩（安息香酸ナトリウム）となって溶けます： $C_{6} H_{5} COOH + NaHC O_{3} \to C_{6} H_{5} COONa + H_{2} O + C O_{2}$ 。ベンゼン環に $- OH$ が直接付いていないので、塩化鉄(III) 水溶液では呈色しません。

サリチル酸は、カルボン酸の $- COOH$ と、フェノール類の $- OH$ （ベンゼン環に直接結合した $- OH$ ）の両方をもっています。そのため、カルボン酸として $NaHC O_{3}$ と反応して $C O_{2}$ を発生し、フェノール類として塩化鉄(III) 水溶液で赤紫色に呈色します。サリチル酸の反応は「どちらの官能基が反応したか」で整理できます。

(1) サリチル酸にメタノールと少量の濃硫酸を加えて加熱すると、 $- COOH$ がメタノールとエステル化してサリチル酸メチル $C_{6} H_{4} (OH) COOC H_{3}$ が生じます（消炎鎮痛の塗り薬・湿布薬に使われる）。 $- COOH$ がなくなるので $NaHC O_{3}$ とは反応しませんが、フェノール性の $- OH$ は残るので塩化鉄(III) で呈色します。(2) サリチル酸に無水酢酸 $(C H_{3} CO)_{2} O$ を作用させると、フェノール性の $- OH$ の H がアセチル基 $C H_{3} CO -$ に置き換わり（アセチル化）、アセチルサリチル酸 $C_{6} H_{4} (OCOC H_{3}) COOH$ が生じます（解熱鎮痛剤、アスピリン）。こちらはフェノール性の $- OH$ がなくなるので塩化鉄(III) で呈色しませんが、 $- COOH$ は残るので $NaHC O_{3}$ と反応して $C O_{2}$ を発生します。

手順

物質がもつ官能基を書き出す：安息香酸は $- COOH$ のみ、サリチル酸は $- COOH$ とフェノール性 $- OH$ 。
反応で変わる官能基を決める：メタノール＋濃硫酸（加熱）→ $- COOH$ がエステル $- COOC H_{3}$ に（サリチル酸メチル）。無水酢酸 → フェノール性 $- OH$ が $- OCOC H_{3}$ に（アセチルサリチル酸）。
生成物に残っている官能基を確認する：サリチル酸メチルはフェノール性 $- OH$ が残る。アセチルサリチル酸は $- COOH$ が残る。
性質を判断する： $- COOH$ があれば $NaHC O_{3}$ と反応して $C O_{2}$ を発生。ベンゼン環に直接結合した $- OH$ があれば塩化鉄(III) 水溶液で呈色。
手順 1〜4 の結果と選択肢を照らし合わせて選ぶ。

例題

サリチル酸に無水酢酸を作用させて得られる化合物 A と、サリチル酸にメタノールと少量の濃硫酸を加えて加熱して得られる化合物 B がある。A と B のそれぞれに塩化鉄(III) 水溶液を加えたときの結果の組み合わせとして正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　A：呈色する　B：呈色する
イ　A：呈色する　B：呈色しない
ウ　A：呈色しない　B：呈色する
エ　A：呈色しない　B：呈色しない

例題の解答

手順 1：サリチル酸は $- COOH$ とフェノール性 $- OH$ をもつ。
手順 2：無水酢酸ではフェノール性 $- OH$ がアセチル化され、A はアセチルサリチル酸 $C_{6} H_{4} (OCOC H_{3}) COOH$ になる。メタノールと濃硫酸では $- COOH$ がエステル化され、B はサリチル酸メチル $C_{6} H_{4} (OH) COOC H_{3}$ になる。
手順 3：A ではフェノール性 $- OH$ がなくなり、B ではフェノール性 $- OH$ が残っている。
手順 4：塩化鉄(III) 水溶液で呈色するのはベンゼン環に直接結合した $- OH$ をもつ物質なので、A は呈色せず、B は呈色する。
手順 5：正しい組み合わせはウ。

答え:

ウ

よくある誤り

サリチル酸メチルはエステルなので、もとのサリチル酸の性質はすべて失われ、塩化鉄(III) でも呈色しないとしてしまう誤り。正しくは、エステル化されたのは $- COOH$ だけで、 $C_{6} H_{4} (OH) COOC H_{3}$ にはフェノール性 $- OH$ が残るので呈色する。
アセチルサリチル酸は $- COOH$ がアセチル化された物質としてしまう誤り。正しくは、無水酢酸で置き換わるのはフェノール性 $- OH$ の H で、 $C_{6} H_{4} (OCOC H_{3}) COOH$ には $- COOH$ が残る。そのため $NaHC O_{3}$ と反応して $C O_{2}$ を発生するが、塩化鉄(III) では呈色しない。
安息香酸もベンゼン環をもつので塩化鉄(III) で呈色するとしてしまう誤り。正しくは、呈色するのはベンゼン環に $- OH$ が直接結合したフェノール類で、 $- OH$ をもたない $C_{6} H_{5} COOH$ は呈色しない。
安息香酸はフェノールと同じく炭酸より弱い酸で、 $NaHC O_{3}$ とは反応しないとしてしまう誤り。正しくは、安息香酸はカルボン酸で炭酸より強く、 $C_{6} H_{5} COOH + NaHC O_{3} \to C_{6} H_{5} COONa + H_{2} O + C O_{2}$ のように $C O_{2}$ を発生する。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
安息香酸・サリチル酸とその誘導体についての記述として誤っているものを、次のア〜オから 1 つ選べ。
- ア　サリチル酸にメタノールと少量の濃硫酸を加えて加熱すると、サリチル酸メチルが生じる。
- イ　アセチルサリチル酸に塩化鉄(III) 水溶液を加えると、赤紫色に呈色する。
- ウ　サリチル酸メチルに塩化鉄(III) 水溶液を加えると、呈色する。
- エ　サリチル酸に無水酢酸を作用させると、アセチルサリチル酸が生じる。
- オ　安息香酸は、炭酸水素ナトリウム水溶液に二酸化炭素を発生しながら溶ける。

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

芳香族化合物の分離（高校化学有機化合物（知識））