芳香族化合物

ベンゼンよりも大きいアヌレンのうち、[12]アヌレンと[14]アヌレンは弱い芳香族化合物であり、[18]アヌレン、シクロオクタデカノナエンは芳香族であるが、構造内のひずみにより、芳香族の分類に必要な正確な平面構造からわずかにずれている。^{[ 11 ]}ベンジルでない単環式アレーンのもう1つの例は、 nが0でヒュッケル則を満たすシクロプロペニル（シクロプロペニウムカチオン）である。 ^{[ 12 ]}この環状プロペニルのカチオン型のみが芳香族であることに注意。この化合物が中性であると、オクテット則またはヒュッケル則のいずれかに違反するからである。^{[ 12 ]}

その他の非ベンジル単環式芳香族化合物には、炭素原子をN、O、Sなどの他のヘテロ原子で置換できる前述のヘテロ芳香族化合物が含まれる。 ^{[ 5 ]}これらの一般的な例としては、置換窒素を持つ5員環ピロールと6員環ピリジンがある。 ^{[ 13 ]}

多環芳香族炭化水素（多核芳香族化合物（PAH）とも呼ばれる）は、融合した芳香環からなり、ヘテロ原子や置換基を持たない芳香族炭化水素である。^{[ 14 ]}ナフタレンはPAHの最も単純な例である。PAHは石油、石炭、タールの堆積物中に存在し、燃料燃焼（化石燃料またはバイオマス）の副産物として生成される。^{[ 15 ]}汚染物質として、PAHは、発がん性、変異原性、催奇形性を持つ化合物として特定されているため、懸念されている。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} PAHは調理済みの食品にも含まれている。^{[ 15 ]}研究によると、例えば、グリルやバーベキューなどの高温で調理された肉や燻製魚には、高濃度のPAHが含まれていることが示されている。^{[ 15 ] [ 16 ]}これらは、生命の初期形態の基盤として機能する有力な候補分子でもある。^{[ 20 ]}グラフェンでは、PAH モチーフが大きな 2D シートに拡張されている。^{[ 21 ]}

同様の構造を持つ無機ケイ素環状化合物がいくつか合成されており、それらは芳香族化合物とも呼ばれている。^{[ 22 ]}

芳香族置換では、アレーン環上の置換基（通常は水素）の1つが別の試薬に置き換えられます。 ^{[ 5 ]}主な種類は、活性試薬が求電子剤である求電子芳香族置換と、試薬が求核剤である求核芳香族置換の2つです。ラジカル求核芳香族置換では、活性試薬はラジカルです。^{[ 23 ] [ 24 ]}

求電子芳香族置換反応の一例として、サリチル酸のニトロ化反応が挙げられる。この反応では、水酸化物置換基のパラ位にニトロ基が付加される。

求核芳香族置換反応は、芳香環上のハロゲン化物などの脱離基の置換を伴う。芳香環は通常求核性であるが、電子吸引基が存在すると芳香族化合物は求核置換反応を起こす。機構的には、この反応は三角炭素原子（sp ²混成）で起こるため、一般的なSN ₂反応とは異なる。 ^{[ 25 ]}

アレーンの水素化により飽和環が生成される。化合物1-ナフトールは完全に還元され、デカリン-オール異性体の混合物となる。^{[ 26 ]}

化合物レゾルシノールは、水酸化ナトリウム水溶液の存在下でラネーニッケルで水素化され、エノラートを形成し、それがヨウ化メチルでアルキル化されて2-メチル-1,3-シクロヘキサンジオンになる: ^{[ 27 ]}

脱芳香族化反応では、反応物の芳香族性が失われます。この点において、脱芳香族化は水素化と関連しています。古典的なアプローチはバーチ還元です。この方法は合成に使用されます。^{[ 28 ]}

ベンゼン二量体はπスタッキングの研究のプロトタイプシステムであり、T字型二量体の重心間の距離が4.96 Åで気相中で8～12 kJ/mol（2～3 kcal/mol）の結合が実験的に確認されている。^{[ 35 ]} X線結晶構造解析により、多くの単純な芳香族化合物で垂直およびオフセット平行配置が明らかになった。^{[ 35 ]}タンパク質データバンクの高解像度X線タンパク質結晶構造の調査でも、同様のオフセット平行または垂直の幾何学的構造が観察された。^{[ 36 ]}芳香族アミノ酸であるフェニルアラニン、チロシン、ヒスチジン、トリプトファンの分析によると、これらの側鎖の二量体は平均ファンデルワールス半径よりも大きな距離で多くの安定化相互作用を持っている。^{[ 33 ]}

ベンゼン二量体の 3 つの幾何構造の相対的な結合エネルギーは、四重極/四重極力とロンドン分散力のバランスによって説明できます。ベンゼンには双極子モーメントはありませんが、強い四重極モーメントがあります。^{[ 37 ]}局所的な C–H 双極子は、環内の原子に正の電荷があり、環の上と下に電子雲を表す対応する負の電荷があることを意味します。ヘキサフルオロベンゼンでは、フッ素の電気陰性度により四重極モーメントが反転します。サンドイッチ構成のベンゼン二量体は、ロンドン分散力によって安定化されますが、反発する四重極/四重極相互作用によって不安定化されます。ベンゼン環の 1 つをオフセットすることで、平行にずれた構成ではこれらの反発相互作用が減少し、安定化されます。芳香環の大きな分極率により、スタッキング効果への主な寄与として分散相互作用が生じます。これらは、 DNAなどの核酸塩基の相互作用において重要な役割を果たします。^{[ 38 ]} T 字型配置では、一方のベンゼン環の正の四重極が他方のベンゼン環の負の四重極と相互作用するため、好ましい四重極/四重極相互作用が得られます。この配置ではベンゼン環が最も離れているため、好ましい四重極/四重極相互作用が分散力の低下を明らかに補償します。

あるモデルによれば、電子求引性置換基は芳香環の負の四重極を低下させ、それによって平行変位およびサンドイッチ配座を有利にする。対照的に、電子供与性基は負の四重極を増加させ、適切な幾何学的構造を持つT字型配置を安定化させる可能性がある。^{[ 39 ]}彼らは、シグマおよびパイ原子電荷、相対配向、およびファンデルワールス相互作用に基づく単純な数学モデルを使用して、置換基効果において静電相互作用が支配的であることを定性的に決定した。^{[ 40 ]}

Hunterらは、水素結合した「ジッパー」を用いたより洗練された化学的二重変異サイクルを、タンパク質のπスタッキング相互作用における置換基効果の問題に適用した。^{[ 41 ] [ 42 ]}しかし、著者らは、後述する環状置換基との直接的な相互作用も重要な寄与をしていると指摘している。実際、これら 2 つの要因の相互作用により、πスタッキング相互作用の複雑な置換基および幾何学的依存性挙動が生じる可能性がある。

いくつかの実験的および計算的証拠は、πスタッキング相互作用が主に静電効果によって支配されているわけではないことを示唆している。^{[ 43 ] [ 44 ]}

πスタッキングの相対的な寄与は計算によって裏付けられている。^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]}電子供与性または電子吸引性置換基に基づく傾向は、交換反発項と分散項によって説明できる。^{[ 48 ]}

2 つの配座状態を持つアリールエステルの分子ねじれバランス。^{[ 49 ]}折り畳まれた状態では、T 字型の幾何学的構造を持つ明確な π スタッキング相互作用がありましたが、折り畳まれていない状態ではアリール – アリール相互作用はありませんでした。2 つの配座の NMR 化学シフトは異なっており、2 つの状態の比率を決定するために使用でき、これは分子内力の尺度として解釈されました。著者らは、折り畳まれた状態を好むのはアリールエステルに特有のものではないと報告しています。たとえば、シクロヘキシルエステルはフェニルエステルよりも折り畳まれた状態を好み、tert-ブチルエステルはどのアリールエステルよりも折り畳まれた状態を好む傾向がありました。これは、芳香族性が芳香環との好ましい相互作用の厳密な要件ではないことを示唆しています。

非芳香族πスタッキング相互作用の結果に関するその他の証拠には、経験的観察の根底にあるメカニズムを説明する理論化学の重要な研究が含まれます。Grimmeは、1つまたは2つの環からなる小さな二量体の相互作用エネルギーは、芳香族化合物と飽和化合物の両方で非常に似ていると報告しました。^{[ 50 ]}この発見は生物学に特に関連しており、πシステムが積み重なった核酸塩基などの現象に寄与している可能性を示唆しています。しかし、大きな芳香族二量体では安定化相互作用が増加することが示されました。前述のように、この相互作用エネルギーは幾何学に大きく依存します。実際、大きな芳香族二量体は、サンドイッチ形状の場合にのみ飽和二量体と比較して安定化され、T字型相互作用ではエネルギーが似ています。

芳香族性の役割をモデル化するより直接的なアプローチは、ブルームとウィーラーによって取られた。^{[ 51 ]}著者らは、ベンゼンと2-メチルナフタレンまたはその非芳香族異性体である2-メチレン-2,3-ジヒドロナフタレンとの相互作用を比較した。後者の化合物は、非局在化の影響を取り除きながら、π電子の数を保存する手段を提供する。驚くべきことに、ベンゼンとの相互作用エネルギーは非芳香族化合物の方が高く、πスタッキング相互作用ではπ結合の局在化が有利であることを示唆している。著者らはまた、ベンゼンをエチレンと1,3-ブタジエンにホモデスモティックに分解し、これらの相互作用をサンドイッチ構造でベンゼンと比較した。彼らの計算によると、ベンゼンとホモデスモティックベンゼン間の相互作用エネルギーは、サンドイッチ型および平行変位型の両方の配座においてベンゼン二量体の相互作用エネルギーよりも高く、局所的なπ結合相互作用の有利性を改めて強調している。これらの結果は、このモデルにおけるπスタッキング相互作用には芳香族性が必要ないことを強く示唆している。

この証拠を踏まえても、グリムはπスタッキングが確かに存在すると結論付けている。^{[ 50 ]}しかし、彼は、より小さな環、特にT字型の配座にある環は、飽和した環と比べて大きく異なる挙動を示さないこと、そして、協同的なπ電子効果を示すように見える、積み重ねられた配座にあるより大きな環に対してこの用語を規定すべきであると警告している。