環状化合物

環状化合物の大部分は有機化合物であり、その中でも、概念的に重要な相当部分は、炭素原子のみからなる環状構造（すなわち、炭素環化合物）で構成されている。

無機原子も環状化合物を形成する。例としては、硫黄（例：シクロオクタ硫黄S ₈）、硫黄と窒素（例：トリチアジルトリクロリド（NSCl）₃）、ケイ素（例：シクロペンタシラン（SiH ₂）₅）、ケイ素と酸素（例：ヘキサメチルシクロトリシロキサン[ (CH ₃ ) ₂ SiO] ₃）、リンと窒素（例：ヘキサクロロホスファゼン（NPCl ₂）₃）、リンと酸素（例：メタリン酸ナトリウムNa ₃ (PO ₂ ) ₃）、ホウ素と酸素（例：メタホウ酸ナトリウムNa ₃ (BO ₂ ) ₃）、ホウ素と窒素（例：ボラジン（BN）₃ H ₆）、窒素（例：ペンタゾールN ₅ H）などがある。ベンゼンの炭素が他の元素に「置換」された場合、例えばボラベンゼン、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、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、よく特徴づけられている。

複素環化合物は、少なくとも 2 種類の異なる元素の原子が環を構成する環状化合物です。^{[ 5 ]}炭素原子と非炭素原子の両方を含む環状化合物は複素環炭素化合物と呼ばれ、この名称は無機環状化合物にも適用されます (例えば、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 により Hantzsch–Widman 命名法が推奨されていますが、多くの一般的な名称が依然として日常的に使用されています。

立体配座の自由度と反応性の観点から、炭素化合物中の環は以下のように考えることができる。

• 3～4個の原子からなり、環に著しいひずみがあり、いわゆる小環と呼ばれる。
• 5～7個の原子からなる、いわゆる一般的な環。
• 8～11個の原子からなる、いわゆる中環。
• 12個以上の原子からなる、いわゆる大きな環、またはマクロサイクル。^{[ 6 ] [ 7 ]}

（古い文献では、大きな環の分岐点として8個以上の原子が挙げられている場合もあるが、これは主要な文献ではまれな見解である。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}）

大環状化合物は、完全に炭素環式（炭素原子のみを含む環、例：シクロドデカン）、複素環式またはハイブリッド（炭素原子と非炭素原子の両方を含む環、例：ラクトンおよびラクタム）、または純粋に無機（環に非炭素原子のみを含む、例：{Pd ₈₄ } ^Ac）である可能性がある。^{[ 10 ]}環に炭素を含む複素環は、環に非炭素原子が限られている場合（例：炭素に富むが非炭素原子の数が限られているラクトンおよびラクタム）、または非炭素原子に富み、顕著な対称性を示す場合（例：キレート大環状化合物の場合）がある。

中環（8～11個の原子）はマクロ環よりも歪みが大きく、歪みエネルギーは9～13 kcal/molである。^{[ 11 ]}例えば、シクロオクタンの椅子型および椅子-舟型配座は、図示された相互作用により、舟-舟型配座よりも安定している。

大環状分子は、多くの安定な配座をとることができ、環内の環間非結合相互作用を最小限に抑える配座をとる傾向がある。より大きな大環状分子の配座において重要な因子の分析は、中程度の環状配座を用いてモデル化することができる。^{[ 11 ]}奇数員環の配座分析によると、安定な配座間のエネルギー差が小さい、対称性の低い形態をとる傾向がある。^{[ 12 ]}

原子が環状に閉じると、特定の原子が官能基によって異なる置換基で固定され、その結果、化合物の立体化学とキラリティが生じ、環状化合物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、右が舟型。軸方向の水素原子はa、赤道方向の水素原子はeでそれぞれ表される。

環のサイズに応じて、特定の環状構造（典型的には 5 原子以上の環）の三次元形状は変化し、相互変換して配座異性体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生じました。たとえば、シクロヘキサン（二重結合のない6 員炭素環で、さまざまな置換基が結合する可能性があります。図を参照）は、図に示すように、椅子型と舟型の 2 つの配座間の平衡を示します。

椅子型配座が好ましい配置である。なぜなら、この配座では、そうでなければ起こりうる立体ひずみ、重なりひずみ、および角度ひずみが最小限に抑えられるからである。 ^{[ 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になるかは、置換基と、それらが環上のどこに位置するかによって決まる。一般的に、「かさ高い」置換基、つまり体積の大きい基、または相互作用において反発する基は、赤道位置を占めることを好む。^{[ 4 ]}立体ひずみを引き起こし、平衡が舟型から椅子型にシフトする分子内の相互作用の例として、 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が挙げられる。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立体化学により、これらの両方の基が環の同じ側に投影される。したがって、よりエネルギーの高い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、互いに反発し合い、平衡を椅子型配座の方へ押しやります。^{[ 4 ]}

環状構造の形成のみを目的とする特殊な反応が数多く存在し、これらについては後述します。これらに加えて、歴史的に、第一に環状化学の概念の理解、第二に環状構造を高収率で、かつ環状置換基の配向が明確に定義された（すなわち、立体化学が明確に定義された）状態で合成するための信頼性の高い手順の開発において極めて重要であった、多種多様な一般的な有機反応が存在します。これらの一般的な反応には、以下のようなものがあります。

• アシルオイン縮合；
• 陽極酸化、および
• 環状構造形成に適用されるディークマン縮合。

有機化学において、炭素環やその他の環を閉じるのに特に有用な合成手法が数多く存在する。これらは環化反応と呼ばれる。例としては以下のようなものがある。

• アルキン三量化；
• エネジインのベルグマン環化反応；
• 共役ジエンと置換アルケンとの間のディールス・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、もともとは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反応；
• 環化メタセシス反応は、特定の種類の重合を達成するためにも使用できます。
• ルジツカ大環合成では、2つのカルボキシル基が結合してCO2と_H2Oを失ってカルボニル基_を形成します。
• ウェンカー合成： β-アミノアルコールをアジリジンに変換する

炭素環やその他の環を開環する際に特に有用な合成手順は多岐にわたり、これらの環は一般的に化学反応を容易にするための二重結合やその他の官能基の「ハンドル」を含んでいます。これらは開環反応と呼ばれます。例としては以下のようなものがあります。

• 環開裂メタセシスは、特定の種類の重合を達成するためにも使用できます。

環拡大および環収縮反応は有機合成において一般的であり、ペリ環状反応で頻繁に見られる。環拡大および環収縮には、環状ケトンのバイヤー・ビリガー酸化のように官能基の挿入を伴うもの、分子内ディールス・アルダー反応に見られるような環状炭素環の転位、あるいは二環式化合物の崩壊または転位など、いくつかの例がある。

以下は、単純な芳香族炭素環化合物、無機環状化合物、および複素環化合物の例です。

• 単純な単環式化合物：炭素環式、無機環式、および複素環式（芳香族および非芳香族）の例
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  ベンゼンは6員環の炭素環式有機化合物であり、メチン水素が示され、6個の電子は円を描くことで非局在化している（芳香族性）ことが示されている。
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  シクロオクタンは、8員環の炭素環式有機化合物であり、メチレン水素は図示されていないが、その存在は示唆されている（非芳香族）。
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  シクロオクタ硫黄は、8員環の無機環状化合物（非芳香族）である。
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  トリチアジルトリクロリドは、6員環の無機複素環化合物（非芳香族）である。
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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）である。
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  ヘキサメチルシクロトリシロキサンは、6員環の有機複素環化合物（非芳香族）である。
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  ヘキサクロロホスファゼンは、6員環の無機複素環化合物（芳香族）である。
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  ボラジンは、6員環の無機複素環化合物（芳香族性を持つ場合もある）である。
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  ペンタゾールは、5員環の無機環状化合物（芳香族化合物）である。
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  ピロールは5員環の複素環式有機化合物であり、メチン水素原子は図示されていないが、暗示されている（芳香族）。
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  ピリジンは6員環の複素環式有機化合物であり、メチン水素原子は図示されておらず、非局在化π電子は個別の結合（芳香族）として示されている。
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  アゼピンは、7員環の複素環式有機化合物（非芳香族）である。

以下は、より複雑な環状構造と立体化学的特徴を示す環状化合物の例である。

• 複雑な環状化合物：大環状化合物と多環式化合物の例
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  ナフタレンは、厳密には多環式化合物であり、より具体的には二環式化合物で、円はπ電子の非局在化（芳香族性）を示している。
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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」させる際に可能な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、多環式テルペン天然物であり、三環式分子（非芳香族）の一例である。
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  インゲノールは、3員環と5員環の炭素環がさらに2つの7員環の炭素環（非芳香族）に融合した四環式コアを持つ多環式テルペン天然物である。
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  パクリタキセルは、四環式コアを持つ多環式天然物であり、4員環の複素環式D環がさらに6員環および8員環の炭素環（A/C環およびB環）（非芳香族）に融合し、さらに3つの側鎖フェニル環が「尾部」に付いており、C-2に結合している（略称Ph、C6H5 _；芳香族）_。
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  パクリタキセルは、その独特な環状構造の結果として、代表的な三次元形状をとる。 ^{[ 14 ]}
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  コレステロールは、別の多環式テルペン天然物であり、特にステロイドの一種で、四環式分子（非芳香族）の一種です。
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  ベンゾ[a]ピレンは、天然にも人工にも存在する五環式化合物であり、非局在化したπ電子は離散的な結合（芳香族）として示されている。
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  パゴダンは、複雑で高度に対称的な、人工的に合成された多環式化合物（非芳香族）である。