複素環式化合物

は、環の中に少なくとも2種類の異なる元素を含む環式化合物であるIUPAC Gold Book heterocyclic compounds。複素環化合物（ふくそかんかごうぶつ）、ヘテロ環式化合物（ヘテロかんしきかごうぶつ）、ヘテロ環状化合物などとも呼ばれる。複素環化学（heterocyclic chemistry）は、有機化学の1分野で、複素環式化合物の合成、特性、応用等を扱う。

複素環式化合物の例としては、全ての核酸、薬品の大部分、バイオマス（セルロースや関連化合物）の大部分、多くの天然や合成染料がある。アメリカ食品医薬品局の認証する薬品の59%は窒素複素環を含んでいる。

分類複素環式化合物が有機化合物であっても無機化合物であっても、ほとんどは少なくとも1つの炭素原子を含んでいる。炭素でも水素でもない原子は、通常、炭素骨格に対してヘテロ原子と呼ばれる。しかし、ボラジン等の炭素原子を含まない化合物も複素環式化合物と呼ばれる。IUPACは、複素環式化合物の命名に、ハンチュ-ウィドマン命名法の利用を勧告している。

複素環式化合物は、その電子構造を基に分類することができる。飽和複素環式化合物は、非環式誘導体のように振る舞う。そのため、ピペリジンとテトラヒドロフランは、立体構造に改変の加わったアミンやエーテルとして扱われる。そのため、複素環化学は、主に不飽和の誘導体を対象にし、研究や応用の多くは、ひずみのない五員環や六員環に関するものである。これには、ピリジン、チオフェン、ピロール、フラン等がある。別の大きな分類は、ベンゼン環に融合した複素環である。ピリジン、チオフェン、ピロール、フランが融合すると、各々キノリン、ベンゾチオフェン、インドール、ベンゾフランとなる。2つのベンゼン環が融合したものは3つ目の大きな分類で、各々アクリジン、ジベンゾチオフェン、カルバゾール、ジベンゾフランとなる。不飽和環は、共役系に参加するヘテロ原子によって分類することができる。

三員環 3つの原子からなる複素環は、環ひずみのため反応性が高い。1つのヘテロ原子を含むものは一般に安定である。2つのヘテロ原子を含むものは反応中間体として生成しやすい。

1つのヘテロ原子を含む三員環ヘテロ原子飽和不飽和ホウ素ボリランボリレン窒素アジリジンアジリン酸素オキシラン（エチレンオキシド、エポキシド）オキシレンリンホスフィランホスフィレン硫黄チイラン（エピスルフィド）チイレン

2つのヘテロ原子を含む三員環

ヘテロ原子飽和不飽和窒素ジアジリジンジアジリン窒素/酸素オキサジリジン酸素ジオキシラン

四員環 1つのヘテロ原子を含む四員環

ヘテロ原子飽和不飽和窒素アゼチジンアゼト酸素オキセタンオキセト硫黄チエタンチエット

2つのヘテロ原子を含む四員環

ヘテロ原子飽和不飽和窒素ジアゼチジンジアゼト酸素ジオキセタンジオキセト硫黄ジチエタンジチエト

五員環 1つのヘテロ原子を含む五員環

ヘテロ原子飽和不飽和アンチモンスチボランスチボールヒ素アルソランアルソールビスマスビスモランビスモールホウ素ボロランボロール窒素ピロリジン（"アゾリジン"は使われない）ピロール（"アゾール"は使われない）酸素テトラヒドロフランフランリンホスホランホスホールセレンセレノランセレノフェンケイ素シラシクロペンタンシロール硫黄テトラヒドロチオフェンチオフェンテルルテルロフェンスズスタノランスタノール

2つのヘテロ原子を含む五員環 2つのヘテロ原子を含む五員環のうち、少なくとも1つが窒素原子のものは、総称してアゾールと呼ばれる。チアゾール、イソチアゾールは、環の中に硫黄原子と窒素原子を含む。ジチオランは2つの硫黄原子を含む。

ヘテロ原子飽和不飽和（部分不飽和）窒素/窒素イミダゾリジンピラゾリジンイミダゾール（イミダゾリン）ピラゾール（ピラゾリン）窒素/酸素オキサゾリジンイソキサゾリジンオキサゾール（オキサゾリン）イソキサゾール窒素/硫黄チアゾリジンイソチアゾリジンチアゾール（チアゾリン)イソチアゾール酸素/酸素ジオキソラン硫黄/硫黄ジチオラン

3つ以上のヘテロ原子を含む五員環 3つのヘテロ原子を含む五員環も大きなグループである。例として、2つの硫黄原子と1つの窒素原子を含むジチアゾールがある。

ヘテロ原子飽和不飽和（部分不飽和） 3 × 窒素トリアゾール 2 × 窒素 / 1 × 酸素フラザンオキサジアゾール 2 × 窒素 / 1 × 硫黄チアジアゾール 1 × 窒素 / 2 × 酸素ジオキサゾール 1 × 窒素 / 2 × 硫黄ジチアゾール 4 × 窒素テトラゾール 4 × 窒素/1 × 酸素オキサテトラゾール 4 × 窒素/1 × 硫黄チアテトラゾール 5 × 窒素ペンタゾール

六員環 1つのヘテロ原子を含む六員環

ヘテロ原子飽和不飽和イオンアンチモンスチビニンヒ素アルシナンアルシニンビスマスビスマベンゼンホウ素ボリナンボラベンゼンボラタベンゼンアニオンゲルマニウムゲルミナンゲルミン窒素ピペリジン（アジナンは使われない）ピリジン（アジンは使われない) ピリジニウムカチオン酸素テトラヒドロピランピラン (2H-オキシンは使われない) ピリリウムカチオンリンホスフィナンホスホリンセレンセレノピリリウムカチオンケイ素シリナンシリン硫黄チアンチオピラン (2H-チインは使わない) チオピリリウムカチオンスズスタニナンスタニン

2つのヘテロ原子を含む六員環

ヘテロ原子飽和不飽和窒素 / 窒素ピペラジンジアジン酸素 /窒素モルホリンオキサジン硫黄 / 窒素チオモルホリンチアジン酸素 / 酸素ジオキサンジオキシン硫黄 / 硫黄ジチアンジチイン

3つのヘテロ原子を含む六員環

ヘテロ原子飽和不飽和窒素ヘキサヒドロ-1,3,5-トリアジントリアジン酸素トリオキサン硫黄トリチアン

4つのヘテロ原子を含む六員環

ヘテロ原子飽和不飽和窒素テトラジン

5つのヘテロ原子を含む六員環

ヘテロ原子飽和不飽和窒素ペンタジン

6つの窒素原子を含む仮想上の化合物は、ヘキサジンと呼ばれる。

七員環七員環の場合、通常の芳香族安定化を利用するためには、ヘテロ原子が空のπ軌道（例：ホウ素）を提供できる必要がある。それ以外の場合には、ホモ芳香族性による安定化が可能である。

1つのヘテロ原子を含む七員環

ヘテロ原子飽和不飽和ホウ素ボレピン窒素アゼパンアゼピン酸素オキセパンオキセピン硫黄チエパンチエピン

2つのヘテロ原子を含む七員環

ヘテロ原子飽和不飽和窒素ジアゼパンジアゼピン窒素/硫黄チアゼピン

八員環ヘテロ原子飽和不飽和窒素アゾカンアゾシン酸素オキソカンオキソシン硫黄チオカンチオシン

九員環ヘテロ原子飽和不飽和窒素アゾナンアゾニン酸素オキソナンオキソニン硫黄チオナンチオニン

融合環炭素環や複素環が融合した化合物は、様々な一般名、系統名を持つ。例えば、ピロールがベンゼン環に結合すると、その方向に応じて、インドールやイソインドールとなる。ピリジンのアナログは、キノリンやイソキノリンとなる。アゼピンの場合は、ベンザゼピンという名前の方が好まれる。同様に、2つのベンゼン環が中央の複素環に融合したものには、カルバゾール、アクリジン、ジベンゾアゼピンがある。チエノチオフェンは、2つのチオフェン環が融合したものである。ホスファフェナレンは、炭素環のフェナレンから派生した、リンを含んだ複素環を含む三環の化合物である。

複素環化学の歴史複素環化学の歴史は、有機化学の進展と合わせて1800年代に始まった。注目に値する主な進展には、以下のようなものがある。 1818年: Brugnatelliが尿酸からアロキサンを単離 1832年: Dobereinerがデンプンを硫酸で処理し、フルフラールを製造 1834年: Rungeが骨を乾留してピロールを製造 1906年: Friedlanderがインディゴ染料を合成し、合成化学が農業の広い部分を代替できるようになった。 1936年: Treibsが原油からクロロフィルの誘導体を単離し、石油が生物起源であることを説明した。 1951年: シャルガフ則が記載され、遺伝コードにおける複素環式化合物（プリンやピリミジン）の役割が明らかとなった。

利用複素環式化合物は、生命科学技術の多くの領域に広がっているThomas L. Gilchrist "Heterocyclic Chemistry" 3rd ed. Addison Wesley: Essex, England, 1997. 414 pp. .。多くの薬品が複素環式化合物であるCompanies with the highest number of patents related to heterocyclic compounds.。

イメージ - 飽和不飽和ヘテロ原子窒素酸素硫黄窒素酸素硫黄三員複素環式化合物慣用名エチレンイミンエチレンオキシドエチレンスルフィド - アセチレンオキシドアセチレンスルフィド系統名アジリジンオキシランチイラン 1H-アジリン 2H-アジリンオキシレンチイレン構造中央|68x68ピクセル中央|51x51ピクセル中央|52x52ピクセル四員複素環式化合物慣用名アザシクロブタン 1,3-プロピレンオキシドトリメチレンスルフィド - オキセチウムイオンチエチウムイオン系統名アゼチジンオキセタンチエタンアゼト - - 構造五員複素環式化合物慣用名ピロリジンテトラヒドロフランテトラヒドロチオフェンピロールフランチオフェン系統名アゾリジンオキソランチオランアゾールオキソールチオール構造中央|52x52ピクセル六員複素環式化合物慣用名ピペリジンテトラヒドロピランテトラヒドロチオピラン - - チアピラン系統名アジナンオキサンチアンピリジンピリリウムイオンチオピリリウムイオン構造中央|57x57ピクセル中央|56x56ピクセル七員複素環式化合物慣用名ヘキサメチレンイミンヘキサメチレンオキシドヘキサメチレンスルフィドアザトロピリデンオキシシクロヘプタトリエンチオトロピリデン系統名アゼパンオキセパンチエパンアゼピンオキセピンチエピン構造中央|64x64ピクセル中央|53x53ピクセル中央|50x50ピクセル中央|52x52ピクセル八員複素環式化合物慣用名 - - - - - - 系統名アゾカンオキソカンチオカンアゾシンオキソシンチオシン構造中央|64x64ピクセル中央|53x53ピクセル中央|50x50ピクセル中央|52x52ピクセル九員複素環式化合物慣用名 - - - - - - 系統名アゾナンオキソナンチオナンアゾニンオキソニンチオニン構造中央|64x64ピクセル中央|53x53ピクセル中央|50x50ピクセル中央|52x52ピクセル

出典

関連項目ヒュッケル則 Heterocycles

外部リンク

Hantzsch-Widman nomenclature, IUPAC Heterocyclic amines in cooked meat, US CDC List of known and probable carcinogens, American Cancer Society List of known carcinogens by the State of California, Proposition 65 (more comprehensive)

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