17.11: 5員複素環芳香族化合物: 概要

複素環芳香族化合物は、芳香族であり、環内に 1 つ以上のヘテロ原子 (炭素以外の原子) を有する環状化合物です。 環内に存在する原子の数に応じて、それらは 5 員または 6 員になります。 ５員複素環芳香族化合物の例としては、ピロール、フラン、チオフェン、イミダゾールなどが挙げられる。 ピロールは、1 つの孤立電子対を持つ 1 つの窒素原子から構成されます。 フランとチオフェンは、それぞれ酸素と硫黄のヘテロ原子を 1 つずつ持っています。 どちらも 2 つの孤立電子対を持っています。 イミダゾールは、各窒素原子上に 1 つの孤立電子対を持つヘテロ原子として 2 つの窒素を有する点で他の 3 つとは異なります。 4 つの複素環式化合物すべてにおいて、ヘテロ原子を含むすべての原子が sp^2 混成軌道されています。

その結果、すべての原子は、環の平面に垂直な、混成されていない 1 つの p 軌道を持ちます。 それぞれの場合において、すべての炭素原子は 1 つの π 電子に寄与し、ヘテロ原子は 1 つの孤立電子対に寄与し、混成されていない p 軌道を占めます。 これで芳香族六重奏が完成し、6 個の π 電子の閉ループが形成されます。

フランとチオフェンにそれぞれ含まれる酸素と硫黄のヘテロ原子の追加の孤立電子対は、p 軌道に垂直な sp^2 混成軌道を占有し、π 系には関与しません。 イミダゾールの場合、2 番目の窒素原子上の孤立電子対は sp^2 混成軌道を占有し、芳香族 π 系には参加しません。 したがって、1 つの窒素原子のみの孤立電子対が芳香族六重項に関与します。

1つ以上のヘテロ原子を有する環状芳香族化合物は、複素環式芳香族化合物と呼ばれます。

五員環芳香族化合物には、ピロール、フラン、チオフェン、イミダゾールが含まれ、ヘテロ原子として窒素、酸素、硫黄を有する。

これらの平面化合物では、ヘテロ原子を含むすべての原子がsp²混成されています。

ピロールのπ結合構造から明らかなように、各炭素からの1つのπ電子とヘテロ原子からの1つの孤立電子対が、非ハイブリダイゼーションされた2p軌道を占めます。

これらの5つの軌道が重なり合い、6つのπ電子の閉ループを形成し、ピロールを芳香族にします。

フランとチオフェンでは、追加の孤立電子対の電子はsp²混成軌道を占め、π系の一部ではありません。

イミダゾールには2つの窒素原子があります。窒素の1つ上の唯一のペアは、芳香族六重奏の一部です。2番目の窒素上の孤立電子対はsp²ハイブリッド軌道を占め、π系に関与していません。