>> 自然の科学 >  >> 化学

芳香族化合物

コア コンセプト

このチュートリアルでは、化合物を芳香族にするもの、芳香族性の力、芳香族性の一般的な例、反芳香族化合物、および重要な芳香環反応について学びます。

他の記事で取り上げるトピック

  • 機能グループ
  • 分子幾何学
  • 共鳴
  • 分子軌道理論

語彙

  • 芳香族:連続共役系を持ち、ヒュッケルの法則を満たす環状の平面構造。
  • 反芳香族:連続した共役系を持ち、4n 電子を持つ環状の平面構造。
  • ヒュッケルの法則:4n + 2 pi 電子を持つ構造を記述

芳香性

芳香族化合物は、環状であり、共役系を持ち、ヒュッケルの法則を満たし、一般に平面である化合物で構成されています。

名前が示すように、分岐鎖構造とは対照的に、環状構造は環を形成します。芳香族性には、環の形状とは別に、連続したπ系が含まれます。これは、環を持つ各原子が利用可能な p 軌道を持っているか、sp 混成であることを意味します。したがって、共振が安定します。

ヒュッケルの法則によれば、芳香族化合物は 4n + 2 個の pi 電子 (2、6、10、14 など) を持っている必要があります。 Pi 電子は、二重結合および三重結合に見られる pi 結合に関与する電子であり、p 軌道の一部です。 4n +2 は、芳香族性に関連する pi 電子の数を提供しますが、ではありません。 リング内のパイ電子の数を計算する方法。

リング内のパイ電子の数を決定するには、パイ システムに寄与する二重結合、負電荷、孤立電子対の数を数えます。次に、2 を掛けます。

平面分子は、各原子が同じ平面上にある結果として平らな分子です。芳香族化合物の場合、各原子は sp 混成です。したがって、それらは平面です。原子価結合理論によれば、p 軌道が重なり合い、電子の連続的な移動を可能にするために、環構造は平面でなければなりません。

芳香族の力 指輪

これらの 4 つの要因のそれぞれが組み合わさると、結果は、各要因の合計よりもはるかに安定した構造になります。これを実証するために、ベンゼンの完全水素化に伴うエンタルピーの変化を観察してみましょう。具体的には、水素ガスとベンゼンを反応させて、二重結合のないシクロヘキサンを生成します。熱量測定によって経験的に測定すると、反応は発熱性であり、208 kJ/mol を放出します。

C6 H6 + H2 → C6 H12

ΔHrxn =-208 kJ/mol

ここで、シクロヘキセン (二重結合 1 つ) とシクロジエキセン (二重結合 2 つ) の水素化におけるエンタルピー変化を観察してみましょう。 1 つの二重結合の場合、120 kJ/mol が反応から放出され、2 つの二重結合の場合、234 kJ/mol が放出されます。シクロヘキセンよりもシクロヘキサジエンの水素化から約 2 倍のエネルギーが放出される傾向が見られます。

C6 H10 + H2 → C6 H12

ΔHrxn =-120 kJ/mol

C6 H8 + H2 → C6 H12

ΔHrxn =-234 kJ/mol

ベンゼンが 3 つの二重結合を持つ単純なシクロヘキサンである場合、水素化のエンタルピーは 3 つの二重結合のそれぞれについて約 360 kJ/mol に等しいと予想されます。代わりに、前述のように、208 kJ/mol のエネルギーしか放出されません。化学者は、この 150 kJ/mol のベンゼンの「共鳴エネルギー」の差を、「シクロヘキサトリエン」よりも実質的に安定していると呼んでいます。おわかりのように、芳香族性は、分子構造に関する従来の洞察によって示される以上の追加の安定性を提供します。

芳香環の例

ベンゼンは最も認識しやすい芳香族分子として機能しますが、より多くの芳香族構造が存在します。重要なことに、パイ電子は循環的に移動する能力を持っている必要がありますが、同じ芳香族系内に複数のサイクルが存在する可能性があります。たとえば、ナフタレンやアントラセンなどの分子は芳香族構造としてカウントされます。

さらに、電子の総数がヒュッケルの法則に従う限り、多くのイオン構造も芳香族性を持っています。顕著な例には、シクロプロペニル カチオン、シクロペンタジエン アニオン、およびシクロヘプタトリエニル カチオンが含まれます。

興味深いことに、芳香族性が熱力学的に好都合であるため、シクロペンタジエンのような分子は、その sp 炭素にかなり酸性の水素 (pKa =16) が結合しています。

さらに、複素環式化合物は、フラン、オキサゾール、プリンなどの芳香族性を持つ場合もあります。

また、シクロペンタジエン アニオンと同様に、複素環式化合物の多くは、環メンバーの 1 つに 4 つの電子を持っていることに気付くかもしれません。これは通常 sp 混成を示しますが、この場合、これらの原子はまだ sp 混成を持ち、孤立電子対が p 軌道にあります。

反芳香族化合物

芳香族性により安定性が増しますが、不安定性を増した同様の化合物も存在します。化学者はこれらの化合物を「反芳香族」と呼び、安定した対応物と同様に、連続したπシステムを持つ平面の環状構造を持っています.ただし、ヒュッケルの法則に従う代わりに、これらの化合物は 4n pi 電子を持っています。反芳香族化合物の古典的な例は、シクロブタジエンです。これは非常に不安定なため、極端な条件下ではほぼ瞬時に分解します.

実際、シクロオクタテトラエンなどのより大きな反芳香族化合物は、代わりにしわの寄った構造を発達させます。これにより、メンバー炭素間の立体障害が増加しますが、そのようなパッカーは、平面の反芳香族構造よりもかなり安定しています.

芳香族置換反応

芳香族の独特な化学作用により、化学者はそれらの多くの用途を設計してきました。しかし、これには一般に、置換芳香族化合物が含まれます。

置換基は、求核芳香族置換を介して環に結合することもできます。これにより、アルコール、アミノなどの結合が可能になります。


  1. 光合成における色素の役割は何ですか?
  2. 実験室での水素製造の化学式
  3. pH 値が 0 ~ 14 の範囲にあるのはなぜですか?
  4. アルカリとアルカリの違い
  5. 生分解性と非生分解性の違い
  6. BrF3 の分子構造と結合角