環状化合物

環状化合物（または環化合物）は、化合物中の 1 つ以上の一連の原子が結合して環を形成する化学分野の化合物の用語です。環のサイズは 3 原子から多数の原子までさまざまであり、すべての原子が炭素である場合（つまり、炭素環）、どの原子も炭素ではない場合（無機環状化合物）、または炭素原子と非炭素原子の両方が存在する場合（炭素と非炭素の両方を含む環を持つ複素環式化合物）が含まれます。環のサイズ、環原子間の個々の結合の結合次数、および環内でのそれらの配置に応じて、炭素環式化合物と複素環式化合物は芳香族または非芳香族になります。後者の場合、完全に飽和している場合から、環原子間にさまざまな数の多重結合がある場合までさまざまです。一般的な原子の価数と環を形成する能力の組み合わせによって可能になる非常に大きな多様性のため、小さなサイズ（たとえば、合計原子数 17 未満）でも、考えられる環状構造の数は数十億に上ります。

• 環状化合物の例: 全炭素（炭素環式）およびより複雑な天然環状化合物
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  インゲノールは、3、5、7員の非芳香族炭素環を含む複雑な環構造を示す、パクリタキセルと関連があるがより単純な、複雑なテルペノイド 天然物です。
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  シクロアルカンは最も単純な炭素環で、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサンが含まれます。他の箇所では、有機化学の略語が使用され、水素原子は炭素の原子価 4 を満たすために存在していると推測されます (明示的に示されるのではなく)。
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  パクリタキセルは、別の複雑な植物由来のテルペノイドであり、天然物で、4、6、8員環（炭素環式および複素環式、芳香族および非芳香族）を含む複雑な多環構造を示します。

環は複雑で数が多いだけでなく、原子が閉じて環を形成すると、特定の原子が別個の置換基（官能基による）で固定され、化合物の立体化学やキラリティーが生じ、環に特有の現象（例えば、配置異性体）も現れる。また、環の大きさによって、特定の環状構造（通常は原子5個以上の環）の3次元形状が変化し、相互変換して配座異性を示すことがある。実際、この重要な化学概念の発展は、歴史的に環状化合物に関連して始まった。最後に、環状化合物は、その独特の形状、反応性、特性、生物活性のため、生物の生化学、構造、機能に関与する分子の大部分を占めており、薬物、農薬などの人工分子にも使用されている。

環状化合物または環化合物は、少なくとも一部の原子が結合して環を形成している化合物です。 ^[1]環の大きさは3個から数十個、さらには数百個の原子までさまざまです。環化合物の例には次のようなケースが挙げられます。

• すべての原子は炭素原子（すなわち炭素環原子）である。
• 原子のいずれも炭素原子ではない（無機環状化合物）^[2] 、または
• 炭素原子と非炭素原子の両方が存在します（炭素原子と非炭素原子の両方を含む環を持つ複素環式化合物）。

一般的な原子は（その原子価の結果として）さまざまな数の結合を形成することができ、多くの一般的な原子は容易に環を形成する。さらに、環のサイズ、環原子間の個々の結合の結合順序、環内でのそれらの配置に応じて、環状化合物は芳香族または非芳香族になる可能性がある。非芳香族環状化合物の場合、完全に飽和しているものからさまざまな数の多重結合を持つものまでさまざまである。環状構造において熱力学的に可能な構成上の可変性の結果として、小さなサイズ（たとえば、<17原子）であっても、可能な環状構造の数は数十億に上る。^[3]

さらに、原子が環に閉じることで、特定の官能基が置換された原子が固定され、化合物に立体化学とキラリティーが関連付けられ、環に特有のいくつかの現象（例えば、配置異性体）が含まれます。 ^[4]また、環の大きさに応じて、特定の環状構造（通常は5原子以上の環）の3次元形状が変化し、相互変換して配座異性体が表示されます。^[4]

環状化合物の大部分は有機化合物であり、そのうち概念的に重要な大部分は炭素原子のみでできた環で構成されています（つまり、炭素環です）。^[要出典]

無機原子も環状化合物を形成する。例としては、硫黄と窒素（例えば、七硫黄イミド S ₇ NH、三塩化トリチアジル （NSCl）₃、四窒化四硫黄S ₄ N ₄）、ケイ素（例えば、シクロペンタシラン（SiH ₂）₅）、リンと窒素（例えば、ヘキサクロロホスファゼン（NPCl ₂）₃）、リンと酸素（例えば、メタリン酸塩（PO −3) ₃および他の環状リン酸誘導体）、ホウ素と酸素（例：メタホウ酸ナトリウム Na ₃ (BO ₂ ) ₃、ホウ砂）、ホウ素と窒素（例：ボラジン(BN) ₃ H ₆）。^[要出典]ボラベンゼン、シラベンゼン、ゲルマナベンゼン、スタンナベンゼン、ホスホリンのようにベンゼン中の炭素が他の元素で「置換」されると、芳香族性が保持されるため、芳香族無機環状化合物も知られており、十分に特徴付けられている。^[要出典]

複素環式化合物は、環の構成元素として少なくとも 2 種類の原子を持つ環状化合物です。^[5]炭素原子と非炭素原子の両方が存在する環状化合物は複素環式炭素化合物であり、この名前は無機環状化合物にも適用されます (例:環にケイ素と酸素のみを含むシロキサン、環にホウ素と窒素のみを含むボラジン)。^[5]複素環の命名には IUPAC によってハンチ・ウィドマン命名法が推奨されていますが、多くの一般名が今でも一般的に使用されています。^[要出典]

マクロサイクルという用語は、8個以上の原子からなる環を持つ化合物に使用されます。^{[6] [7]}マクロサイクルは、完全に炭素環式（炭素原子のみを含む環、例：シクロオクタン）、炭素原子と非炭素原子の両方を含む複素環式（ 8個以上の原子からなる環を含むラクトンやラクタムなど）、または非炭素（環に非炭素原子のみを含む、例：六硫化二セレン）です。環に炭素を含む複素環は、環内の非炭素原子の数が限られている場合（例：環に炭素が豊富で非炭素原子の数が限られているラクトンやラクタム）、または非炭素原子が豊富で顕著な対称性を示す場合（例：キレートマクロサイクルの場合）があります。マクロサイクルは、いくつかの安定した配座をとることができるが、環内の環外非結合相互作用を最小にする配座をとることを優先する（例えば、シクロオクタンでは、図に示す円弧で示される相互作用のため、椅子型および椅子-ボート型はボート-ボート型配座よりも安定である）。^[要出典]中環（8-11原子）は最も歪みが大きく、歪みエネルギーは9-13（kcal/mol）であり、より大きなマクロサイクルの配座に重要な因子の分析は、中環配座を使用してモデル化できる。^[8]奇数員環の配座分析によると、安定配座間のエネルギー差が小さく、対称性の低い形態をとる傾向があることが示唆されている。^[9]

IUPAC命名法には、コア構造と脂環式構造に付加された置換基の両方として、環状構造の命名をカバーする広範な規則があります。^[要出典]マクロ環という用語は、環含有化合物が12個以上の原子の環を持つ場合に使用されます。^{[6] [7]多}環という用語は、1つの分子に複数の環が現れる場合に使用されます。ナフタレンは正式には多環式化合物ですが、より具体的には二環式化合物と呼ばれています。マクロ環式および多環式構造の例をいくつか下の最後のギャラリーに示します。

環状構造を構成する原子は環状原子と呼ばれる。^[10]

原子が環に閉じこめられると、特定の原子が官能基によって明確に置換され固定され、その結果、化合物の立体化学とキラリティーが生じ、環に特有のいくつかの現象（例えば、配置異性体）も生じる。^[4]

シクロヘキサンの 2 つの配座異性体、左が椅子型、右がボート型。アキシャル水素原子とエクアトリアル水素原子はそれぞれaとeで表されます。

環の大きさに応じて、特定の環状構造（通常は5原子以上の環）の3次元形状は変化し、相互変換して配座異性を示すことがあります。^[4]実際、この重要な化学概念の発展は、歴史的に環状化合物に関連して起こりました。たとえば、シクロヘキサン（二重結合のない6員炭素環で、さまざまな置換基を結合できます。画像を参照）は、画像に示すように、椅子型とボート型の2つの配座の間の平衡を示します。

椅子型配座は、他の可能性がある立体ひずみ、重なりひずみ、および角度ひずみが最小限に抑えられるため、好ましい配置です。^[4] 1つ以上の置換基を持つシクロヘキサンでどの椅子型配座が優勢であるかは、置換基と、それらが環上のどこに位置するかによって異なります。一般的に、「かさばる」置換基（大きな体積を持つ基、または相互作用において反発する基^{[要出典]）}は、赤道位置を占めることを好みます。^[4]立体ひずみにつながり、平衡が舟形から椅子形にシフトする分子内の相互作用の例は、 cis -1,4-ジメチルシクロヘキサンの2つのメチル基間の相互作用です。この分子では、2つのメチル基は環の反対の位置（1,4-）にあり、それらのcis立体化学は、これらの基の両方を環の同じ側に投影します。したがって、より高いエネルギーのボート型に強制されると、これらのメチル基は立体的に接触し、互いに反発し、平衡を椅子型配座へと導きます。^[4]

環状化合物は芳香族性を示す場合と示さない場合があります。ベンゼンは芳香族環状化合物の例ですが、シクロヘキサンは非芳香族です。有機化学では、芳香族性という用語は、同じ原子セットの他の幾何学的または接続配置と比較して異常な安定性を示す環状（リング状）の平面（平らな）分子を説明するために使用されます。その安定性の結果、芳香族分子を分解して他の物質と反応させることは非常に困難です。芳香族でない有機化合物は脂肪族化合物に分類されます。つまり、環状の場合もありますが、芳香環のみが特別な安定性（低い反応性）を備えています。

有機化学で最も一般的に見られる芳香族化合物の 1 つは、原型的な芳香族化合物であるベンゼン (石油とその蒸留物によく含まれる芳香族炭化水素) の誘導体に基づいているため、「芳香族」という語は、非公式にはベンゼン誘導体を指すために時々使用され、これが最初に定義された方法です。ただし、ベンゼン以外の芳香族化合物は多数存在します。たとえば、生体内で最も一般的な芳香環は、RNA と DNA の二重環塩基です。芳香族である官能基またはその他の置換基は、アリール基と呼ばれます。

「芳香族」という用語が最初に使われたのは、1855年のアウグスト・ヴィルヘルム・ホフマンの論文です。ホフマンは、純粋な飽和炭化水素とは異なり、匂い（芳香）を持つベンゼン化合物のクラスに対してこの用語を使用しました。今日では、化学的性質としての芳香族性とそのような化合物の嗅覚特性（匂いの仕方）の間には一般的な関係はありませんが、ベンゼンや有機化合物の構造が解明される前の1855年には、ホフマンのような化学者は、テルペンなどの植物由来の匂い分子が、今日私たちが認識しているベンゼンなどの不飽和石油炭化水素に似た化学的性質を持つことを理解し始めていました。

分子の電子的性質の観点から見ると、芳香族性は、多くの場合、環内の単結合と二重結合が交互になった共役系を表します。この構成により、分子のπシステムの電子が環の周囲に非局在化され、分子の安定性が向上します。分子は1つの構造で表すことはできず、ベンゼンの2つの共鳴構造のように、異なる構造の共鳴ハイブリッドで表されます。これらの分子は、長い単結合が1つの場所にあり、短い二重結合が別の場所にあるという表現のいずれにも見つかりません（以下の理論を参照）。むしろ、分子は単結合と二重結合の中間の結合長を示します。このよく見られる芳香族環のモデル、つまりベンゼンが単結合と二重結合が交互になった6員炭素環（シクロヘキサトリエン）から形成されるという考えは、アウグスト・ケクレによって開発されました（以下の歴史のセクションを参照）。ベンゼンのモデルは2つの共鳴形式で構成され、これは二重結合と単結合が重なり合って6つの1.5結合を生成することに対応しています。ベンゼンは、電荷の非局在化を考慮せずに予想されるよりも安定した分子です。^{[引用が必要]}

環状化合物は、その独特な形状、反応性、特性、およびそれらがもたらす生物活性のため、生物の生化学、構造、機能に関与するすべての分子の中で最大の割合を占めており、また、人間が自然や生物系を制御するために使用する人工分子（薬物、除草剤など）にも使用されています。

環の形成のみを目的とするさまざまな特殊な反応があり、これらについては以下で説明します。これらに加えて、歴史的に、第一に環化学の概念の理解、第二に環置換基の配向が定義された（すなわち、定義された立体化学）環構造を高収率で調製するための信頼性の高い手順の開発に重要であったさまざまな一般的な有機反応があります。これらの一般的な反応には次のものがあります。

• アシロイン縮合;
• 陽極酸化;そして
• 環形成に応用されたディークマン縮合。

有機化学では、さまざまな合成手段が炭素環やその他の環を閉じるのに特に有用であり、これらは閉環反応と呼ばれます。例としては、次のものがあります。

• アルキン三量化;
• エンジインのベルクマン環化;
• 共役ジエンと置換アルケンの間のディールス・アルダー反応、およびその他の環化付加反応。
• ナザロフ環化反応は、もともとジビニルケトンの環化反応であった。
• 様々なラジカル環化;
• 閉環メタセシス反応。これは特定の種類の重合を達成するためにも使用できます。
• ルジツカ大環合成。2つのカルボキシル基が結合して、 CO ₂とH ₂ Oを失いながらカルボニル基を形成する。
• ウェンカー合成はβアミノアルコールをアジリジンに変換する
• ソラニンの生合成におけるアミノ基とヒドロキシ基の反応などの他の反応

さまざまなさらなる合成手順は、化学反応を促進するために二重結合またはその他の官能基「ハンドル」を含む炭素環式環やその他の環を開く際に特に有用であり、これらは開環反応と呼ばれます。例には次のものがあります。

• 開環メタセシスは、特定の種類の重合を達成するためにも使用できます。

環拡大および縮小反応は有機合成では一般的であり、環周反応で頻繁に遭遇します。環拡大および縮小には、環状ケトンのバイヤー・ビリガー酸化の場合のような官能基の挿入、分子内 ディールス・アルダー反応で見られる環状炭素環の転位、または二環式化合物の崩壊または転位など、いくつかの例が含まれます。

以下は、単純および芳香族炭素環、無機環状化合物、および複素環の例です。

• 単純な単環式化合物: 炭素環式、無機環式、複素環式 (芳香族および非芳香族) の例。
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  シクロヘプタンは、単純な 7 員環炭素環化合物で、メチレン水素が表示されます (非芳香族)。
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  ベンゼンは、6 員環の炭素環式有機化合物です。メチン水素が示され、6 つの電子が円の描画によって非局在化されて示されています (芳香族)。
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  シクロオクタ硫黄、 8員環無機環状化合物（非芳香族）。
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  六硫化二セレン、8員環無機複素環式化合物（非芳香族）。
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  シクロペンタシランは、5員環の無機環状化合物（非芳香族）。
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  ヘキサメチルシクロトリシロキサンは、6員環有機複素環式化合物（非芳香族）。
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  ヘキサクロロホスファゼンは、6員環の無機複素環式化合物（芳香族）です。
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  ボラジンは、6員環の無機複素環式化合物（芳香族の場合もある）。
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  ペンタゾールは、5員環の無機環状化合物（芳香族）です。
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  アゼチジンは、4 員環窒素(アザ) 複素環式化合物で、メチレン水素原子は暗示されているが、示されていない (非芳香族)。
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  カプロラクタムは、7員複素環式有機化合物（非芳香族）です。
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  ピリジンは 6 員環複素環式化合物で、メチン水素原子は暗示されているが示されておらず、非局在化したπ 電子は個別の結合として示されている (芳香族)。

以下は、より複雑な環系と立体化学的特徴を示す環状化合物の例です。

• 複雑な環状化合物: 大環状化合物と多環状化合物の例
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  ナフタレンは、技術的には多環式、より具体的には二環式化合物であり、円はπ電子の非局在化を示しています（芳香族）。
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  デカリン（デカヒドロナフタレン）は、ナフタレンの完全飽和誘導体であり、2 つの環を「融合」できる 2 つの立体化学と、これがこの二環式化合物（非芳香族）の形状にどのように影響するかを示しています。
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  ロンギフォレンはテルペン 天然物であり、三環式分子（非芳香族）の例です。
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  パクリタキセルは、三環式核を持つ多環式天然物質です。複素環式の 4 員環 D 環が、さらに 6 員環および 8 員環 (A/C および B) (非芳香族) の炭素環に縮合し、さらに 3 つのペンダントフェニル環が「尾部」に付いており、C-2 に結合しています (略称 Ph、C ₆ H ₅ ; 芳香族)。
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  パクリタキセルが採用する代表的な3次元形状。その独特な環状構造によるもの。^[11]
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  コレステロールは、別のテルペン天然物であり、特にステロイドであり、四環式分子（非芳香族）のクラスです。
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  ベンゾ[a]ピレンは、天然および人工の五環式化合物であり、非局在化したπ電子が個別の結合（芳香族）として示されています。
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  パゴダンは、複雑で対称性の高い人工多環式化合物（非芳香族）です。
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  ブレベトキシン A は、すべて縮合した 10 個の環とすべて複素環を持つ天然物質で、赤潮の原因となる生物に関連する毒性成分です。右側の R 基は、いくつかの可能な 4 炭素側鎖の 1 つを指します (ブレベトキシンの主な記事を参照、非芳香族)。

• 有効モル濃度
• ラクトン
• 開鎖化合物

• Jürgen-Hinrich Fuhrhop & Gustav Penzlin、1986 年、「有機合成: 概念、方法、出発材料」、Weinheim、BW、DEU:VCH、ISBN 0895732467、[1] を参照、2015 年 6 月 19 日にアクセス。 
• Michael B. Smith & Jerry March、2007年、「March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure」、第6版、ニューヨーク、ニューヨーク、米国：Wiley & Sons、ISBN 0470084944、[2]を参照、2015年6月19日にアクセス。 
• Francis A. Carey & Richard J. Sundberg、2006、「タイトルAdvanced Organic Chemistry: Part A: Structure and Mechanisms」、第4版、ニューヨーク、NY、米国：Springer Science & Business Media、ISBN 0306468565、[3]を参照、2015年6月19日にアクセス。 
• Michael B. Smith、2011、「有機化学：酸塩基アプローチ」、フロリダ州ボカラトン、米国：CRC Press、ISBN 1420079212、[4]を参照、2015年6月19日にアクセス。[この記事に最も必要な資料ではないかもしれませんが、ここにある重要なコンテンツはオンラインで入手できます。] 
• ジョナサン・クレイデン、ニック・グリーブス、スチュアート・ウォーレン、2012年、「有機化学」、オックスフォード、オックスフォード大学出版局、ISBN 0199270295、[5]を参照、2015年6月19日にアクセス。 
• László Kürti & Barbara Czakó、2005、「有機合成における命名反応の戦略的応用：背景と詳細なメカニズム」、アムステルダム、NH、NLD：Elsevier Academic Press、2005ISBN 0124297854、[6]を参照、2015年6月19日にアクセス。

• 米国国立医学図書館医学件名表(MeSH)の多環式化合物
• 米国国立医学図書館の医学主題標目表(MeSH)における大環状化合物