複素環式化合物
複素環式化合物または環構造は、環の構成要素として少なくとも2つの異なる元素の原子を持つ環状化合物です。 [1]複素環式有機化学は、有機複素環の合成、特性、および応用を扱う有機化学の分野です。[2]
複素環式化合物の例としては、すべての核酸、ほとんどの医薬品、ほとんどのバイオマス（セルロースおよび関連物質）、そして多くの天然および合成染料が挙げられます。既知の化合物の半分以上は複素環式化合物です。[3] 米国FDA（食品医薬品局）承認医薬品の59%は窒素複素環式化合物を含んでいます。[4]
分類
有機複素環化学の研究は、特に有機不飽和誘導体に焦点を当てており、仕事と応用の大部分は、歪みのない有機 5 員環と 6 員環に関連しています。ピリジン、チオフェン、ピロール、フランなどが含まれます。有機複素環のもう 1 つの大きなクラスは、ベンゼン環に縮合したものを指します。たとえば、ピリジン、チオフェン、ピロール、フランの縮合ベンゼン誘導体は、それぞれキノリン、ベンゾチオフェン、インドール、ベンゾフランです。2 つのベンゼン環の縮合により、3 番目の大きな有機化合物ファミリーが生じます。この 3 番目の化合物ファミリーの前述の複素環類似体は、それぞれアクリジン、ジベンゾチオフェン、カルバゾール、ジベンゾフランです。
複素環式有機化合物は、その電子構造に基づいて分類するのが有効です。飽和有機複素環は、非環式誘導体と同様に振舞います。例えば、ピペリジンとテトラヒドロフランは、立体構造が変化した従来のアミンおよびエーテルです。したがって、有機複素環化学の研究は、有機不飽和環に焦点を当てています。
無機リング
炭素を含まない複素環化合物も存在します。例としては、ボラジン（B 3 N 3環）、ヘキサクロロホスファゼン（P 3 N 3環）、トリチアジルトリクロリド（S 3 N 3環）などが挙げられます。多くの商業用途を持つ有機複素環化合物と比較すると、無機環系は主に理論的な関心の対象となっています。IUPACは、複素環式化合物の命名法としてハンチ・ウィドマン命名法を推奨しています。[5]
リストに関するメモ
- 「ヘテロ原子」とは、環内の炭素原子以外の原子のことです。
- イタリック体で表記された名前はIUPACによって保持されており、 Hantzsch-Widman 命名法には従いません。
- 一部の名前は、個々の化合物ではなく、化合物のクラスを指します。
- また、異性体を一覧表示する試みも行われません。
3員環
環の歪みの影響を受けるものの、3員複素環はよく特徴付けられている。[6]
| 1つのヘテロ原子を含む3員環 | ||
|---|---|---|
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| ボロン | ボリレーン | ボリレネ |
| 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 （エチレンスルフィド、エピスルフィド） | ティイレーネ |
| 2つのヘテロ原子を含む3員環 | ||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| 2 × 窒素 | ジアジリジン | ジアジリン |
| 窒素 + 酸素 | オキサジリジン | オキサジリン |
| 窒素 + 硫黄 | チアジリジン | チアジリン |
| 酸素2個 | ジオキシラン（非常に不安定） | |
| 2 × 硫黄 | ジチイラン（非常に不安定） | |
4員環
| 1つのヘテロ原子を含む4員環 | ||
|---|---|---|
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| ボロン | ボレタネ | ボレテ |
| 窒素 | アゼチジン | アゼテ |
| 酸素 | オキセタン | オクセテ |
| シリコン | シレタン | シレテ |
| リン | ホスフェタン | リン酸塩 |
| 硫黄 | チエタン | ティエテ |
| 2つのヘテロ原子を含む4員環 | ||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| 2 × 窒素 | ジアゼチジン | ジアゼト |
| 酸素2個 | ジオキセタン | ジオキセテ |
| 2 × 硫黄 | ジチエタン | ディチエテ |
5員環
2つのヘテロ原子（少なくとも1つは窒素原子）を含む5員環化合物は、総称してアゾールと呼ばれます。チアゾールとイソチアゾールは、環内に硫黄原子と窒素原子を含みます。ジチオールは硫黄原子を2つ含みます。
3つ以上のヘテロ原子を含む5員環化合物の大きなグループも存在します。一例として、2つの硫黄原子と1つの窒素原子を含むジチアゾール類が挙げられます。
| 1つのヘテロ原子を含む5員環 | ||
|---|---|---|
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| アンチモン | スティボラン | スティボール |
| 砒素 | アルソラネ | アルソール |
| ビスマス | ビスモラン | ビスモール |
| ボロン | ボロレーン | ボロール |
| ゲルマニウム | ジェルモレーン | 生殖器 |
| 窒素 | ピロリジン （アゾリジンは使用しない） | ピロール （アゾールは使用されない） ピロリン（部分不飽和） |
| 酸素 | オキソラン | フラン （オキソールは使用しない） |
| 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 |
| シリコン | シロラン | シロレ |
| 硫黄 | チオラン | チオフェン （チオールは使用されない） |
| テルル | テルロレーン | テルロフェン |
| 錫 | スタンノレーン | スタンノール |
| 2つのヘテロ原子を含む5員環 | ||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和（および部分不飽和） |
| 2 × 窒素 | ピラゾリジン イミダゾリジン | ピラゾール（ピラゾリン） イミダゾール（イミダゾリン） |
| 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（イソキサゾリン） |
| 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（イソチアゾリン） |
| 酸素 + 硫黄 | オキサチオラン イソキサチオラン | オキサチオール イソキサチオール |
| 酸素2個 | ジオキソラン | ジオキソール |
| 2 × 硫黄 | ジチオラン | ジチオール |
| 3つのヘテロ原子を含む5員環 | ||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| 3 × 窒素 | トリアゾール | |
| 2 窒素 + 酸素 | オキサジアゾール | |
| 2 窒素 + 硫黄 | チアジアゾール | |
| 窒素 + 酸素 2 | ジオキサゾール | |
| 窒素 + 2 硫黄 | ジチアゾール | |
| 4つのヘテロ原子を含む5員環 | ||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| 4 × 窒素 | テトラゾール | |
| 3 窒素 + 酸素 | オキサトリアゾール | |
| 3 窒素 + 硫黄 | チアトリアゾール | |
| 5つのヘテロ原子を含む5員環 | ||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| 5 × 窒素 | ペンタゾール | |
| 4 窒素 + 酸素 | オキサテトラゾール | |
| 4 窒素 + 硫黄 | チアテトラゾール | |
6員環
少なくとも1つが窒素である2つのヘテロ原子を含む6員環化合物は、総称してアジンと呼ばれます。チアジンは環内に硫黄原子と窒素原子を含みます。ジチインは硫黄原子を2つ含みます。
| 1つのヘテロ原子を含む6員環 | |||
|---|---|---|---|
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 | イオン |
| アンチモン | スチビナン | スチビニン | スティバタベンゼンカチオン |
| 砒素 | アルシナン | アルシニン | アルサタベンゼンカチオン |
| ビスマス | ビスミナネ | ビスミン | ビスマタベンゼンカチオン |
| ボロン | ボリナン | ボリニン | ボラタベンゼンアニオン |
| ゲルマニウム | ジェルミナネ | ジャーミン | |
| 窒素 | ピペリジン （アジナンは使用されない） | ピリジン （アジンは使用しない） | ピリジニウムカチオン |
| 酸素 | オキサン | ピラン （オキシンは使用されない） | ピリリウムカチオン |
| リン | ホスフィナン | ホスフィニン | ホスフィニニウムカチオン[7] |
| セレン | セレナン | セレノピラン | セレノピリリウムカチオン |
| シリコン | シリナン | シリン | |
| 硫黄 | ティアン | チオピラン （チインは使用されない） | チオピリリウムカチオン |
| テルル | テルレーン | テルロピラン | テルロピリリウムカチオン |
| 錫 | スタニナン | スタンニン | |
| 2つのヘテロ原子を含む6員環 | |||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 | |
| 2 × 窒素 | ピペラジン | ピラジン ピリミジン ピリダジン | |
| 窒素 + 酸素 | モルホリン | オキサジン | |
| 窒素 + 硫黄 | チオモルホリン | チアジン | |
| 酸素 + 硫黄 | オキサチアン | オキサチイン | |
| 酸素2個 | ジオキサン | ダイオキシン | |
| 2 × 硫黄 | ジチアン | ジチイン | |
| 3つのヘテロ原子を含む6員環 | |||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 | |
| 3 × 窒素 | トリアジナン | トリアジン | |
| 3 × 酸素 | トリオキサン | トリオキシン | |
| 3 × 硫黄 | トリチアン | トリチイン | |
| 4つのヘテロ原子を含む6員環 | |||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 | |
| 4 × 窒素 | テトラジン | ||
| 窒素2個 + ホウ素2個 | カルボラジン | ||
5 つのヘテロ原子を持つ 6 員環5 つの窒素ヘテロ原子を持つ仮想的な化合物
はペンタジンです。
6個のヘテロ原子を含む6員環。6
個の窒素ヘテロ原子を含む仮想的な化合物はヘキサジンです。ボラジンは、3個の窒素ヘテロ原子と3個のホウ素ヘテロ原子を含む6員環です。
7員環
7 員環では、通常の芳香族安定化が可能になるためには、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ります。そうでない場合は、ホモ芳香族性が発生する可能性があります。
| 1つのヘテロ原子を含む7員環 | ||
|---|---|---|
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| ボロン | ボレパネ | ボレパイン |
| 窒素 | アゼパネ | アゼピン |
| 酸素 | オクセパン | オクセピン |
| リン | ホスフェパン | ホスフェピン |
| 硫黄 | チエパン | チエピン |
| 2つのヘテロ原子を含む7員環 | ||
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
| 2 × 窒素 | ジアゼパン | ジアゼピン |
| 窒素 + 酸素 | オキサゼパン | オキサゼピン |
| 窒素 + 硫黄 | チアゼパン | チアゼピン |
8員環
| ヘテロ原子 | 飽和 | 不飽和 |
|---|---|---|
| 窒素 | アゾカネ | 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 |
ボラゾシンは、4 つの窒素ヘテロ原子と 4 つのホウ素ヘテロ原子を含む 8 員環です。
9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 |
ヘテロ原子1個を含む環の画像
| 飽和 | 不飽和 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| ヘテロ原子 | 窒素 | 酸素 | 硫黄 | 窒素 | 酸素 | 硫黄 |
| 3原子環 | アジリジン | オキシラン | ティイラン | アジリン | オキシレン | ティイレーネ |
 |  |  |  |  |  | |
| 4原子環 | アゼチジン | オキセタン | チエタン | アゼテ | オクセテ | ティエテ |
 |  |  |  |  |  | |
| 5原子環 | ピロリジン | オキソラン | チオラン | ピロール | フラン | チオフェン |
 |  |  |  |  |  | |
| 6原子環 | ピペリジン | オキサン | ティアン | ピリジン | ピラン | チオピラン |
 | .svg/1280px-Tetrahydropyran_(vzorec).svg.png) |  |  |  |  | |
| 7原子環 | アゼパネ | オクセパン | チエパン | アゼピン | オクセピン | チエピン |
 |  |  |  |  |  | |
| 8原子環 | アゾカネ | オキソカン | チオカン | アゾシン | オキソシン | チオシン |
 |  |  |  |  |  | |
| 9原子環 | 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 |
 |  |  |  |  |  | |
縮合環
炭素環式または複素環式のいずれかの他の環との縮合によって正式に誘導される複素環系には、様々な一般名と体系名があります。たとえば、ベンゾ縮合不飽和窒素複素環では、ピロールは配向に応じてインドールまたはイソインドールを提供します。ピリジン誘導体はキノリンまたはイソキノリンであり、2つの窒素原子を持つ類似体のクラスはベンゾジアジンとして知られています。アゼピン誘導体の場合、ベンズアゼピンが推奨される名前です。同様に、中心の複素環に縮合した2つのベンゼン環を持つ化合物は、カルバゾール、アクリジン、およびジベンゾアゼピンです。ヘプタジンは、3つのトリアジン環の縮合によって誘導される三環式窒素含有複素環系であり、炭素環フェナレンの類似体です。
複素環化学の歴史
複素環化学の歴史は、有機化学の発展とともに1800年代に始まりました。注目すべき発展としては、次のようなものがあります。[8]
- 1818年: ブルニャテッリが尿酸からアロキサンを作る。
- 1832年: ドーベライナーはデンプンを硫酸で処理してフルフラール（フランの一種）を生産する。
- 1834年: ルンゲは骨の乾留によりピロール（「燃える油」）を得る。
- 1906年: フリードレンダーが藍の染料を合成し、合成化学が大規模な農業産業に取って代わることを可能にした。
- 1936年:トレイブスが原油からクロロフィル誘導体を分離し、石油の生物学的起源を説明した。
- 1951年:シャルガフの法則が説明され、遺伝コードにおける複素環式化合物（プリンとピリミジン）の役割が強調されました。
用途
複素環化合物は、生命科学および技術の多くの分野に広く浸透しています。[2] 多くの医薬品は複素環化合物です。[9]抗腫瘍化合物ファミリーの修飾の中でも、複素環式有機化合物は、反応性プロファイルを改変するために多くのグループによって広く応用されてきました。ピロール、ピリミジン、インドール、キノリン、プリンは、興味深い細胞毒性プロファイルを示した複素環化合物のいくつかのクラスであり、抗がん剤の開発において非常に有益となる可能性があります。[10]
参照
参考文献
- ^ IUPACゴールドブック複素環式化合物
- ^ ab Thomas L. Gilchrist「ヘテロ環化学」第3版、Addison Wesley：エセックス、イギリス、1997年、414ページ、ISBN 0-582-27843-0。
- ^ Rees, Charles W. (1992). 「多硫黄-窒素複素環化学」. Journal of Heterocyclic Chemistry . 29 (3): 639– 651. doi :10.1002/jhet.5570290306.
- ^ Edon Vitaku, David T. Smith, Jon T. Njardarson (2014). 「米国FDA承認医薬品における窒素ヘテロ環化合物の構造多様性、置換パターン、および頻度の分析」J. Med. Chem . 57 (24): 10257– 10274. doi :10.1021/jm501100b. PMID 25255204.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) - ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 5th ed. (the "Gold Book") (2025). オンライン版: (2006–) "Hantzsch–Widman name". doi :10.1351/goldbook.H02737
- ^ スミス、マイケル・B.;マーチ、ジェリー（2007年）、上級有機化学：反応、メカニズム、構造（第6版）、ニューヨーク：ワイリー・インターサイエンス、ISBN 978-0-471-72091-1
- ^ Fischer, Lukas; Wossidlo, Friedrich; Frost, Daniel; Coles, Nathan T.; Steinhauer, Simon; Riedel, Sebastian; Müller, Christian (2021年8月6日) [2021年7月19日]. 「芳香族リン複素環のワンステップメチル化：1-メチルホスフィニニウム塩の合成および結晶構造解析」. Chemical Communications . 57 (2021, 57 ). Royal Society of Chemistry: 9522– 9525. doi : 10.1039/D1CC03892C . PMID 34546255.
- ^ Campaigne, E. (1986). 「アドリアン・アルバートと複素環化学の合理化」. Journal of Chemical Education . 63 (10): 860. Bibcode :1986JChEd..63..860C. doi :10.1021/ed063p860.
- ^ 「IPEXL.com 多言語特許検索、特許ランキング」www.ipexl.com . 2015年9月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年9月8日閲覧。
- ^ Kidwai, M.; Venktaramanan, R.; Mohan, R.; Sapra, P. (2002年6月1日). 「癌化学療法とヘテロ環化合物」. Current Medicinal Chemistry . 9 (12): 1209– 1228. doi :10.2174/0929867023370059. ISSN 0929-8673. PMID 12052173. 2024年6月20日時点のオリジナル よりアーカイブ。
外部リンク
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- Hantzsch-Widman 命名法、IUPAC
- 調理済み肉中のヘテロ環アミン、米国CDC
- 既知および可能性のある発がん性物質のリスト、アメリカがん協会、2003年12月13日アーカイブ、Wayback Machineにて
- カリフォルニア州提案65による既知の発がん性物質のリスト（より包括的）
