Aromatic compounds - aromatic compounds

Japanese: 芳香族化合物 - ほうこうぞくかごうぶつ（英語表記）aromatic compound

All organic compounds can be broadly classified into aliphatic compounds and aromatic compounds, and "aromatic compounds" is a general term for compounds that have a ring with aromatic properties, such as a benzene ring.

[Masahiro Hirota February 17, 2016]

Discovery of aromatic compounds and the structural formula of benzene

Evolution of the names of aromatic compounds

The term "aromatic" began to be used in the first half of the 19th century, when organic chemistry was about separating and extracting natural compounds from plants. At that time, the concept of the chemical structure of organic compounds was not yet clearly defined, so chemists noticed that there was a group of "fragrant compounds" such as wintergreen oil, vanillin, cinnamon oil, and aniseed oil among the organic compounds obtained from plants in nature, and they began to call them aromatic compounds. Later, it was discovered that many of these aromatic compounds had a common feature of having a benzene ring, so "compounds with aromatic rings such as a benzene ring" came to be classified as aromatic compounds. In this process, the name "aromatic" came to be no longer directly related to the "property of having a pleasant smell" of a compound, and aromatic compounds such as mint, pinene, and camphor, which had previously been considered aromatic, came to be classified as aliphatic because they did not have a benzene ring.

[Masahiro Hirota February 17, 2016]

Discovery and structural formula of benzene

The elucidation of the structure of aromatic compounds began in 1825 when M. Faraday of England discovered an aromatic compound (present-day benzene) as a component of oil obtained by pyrolysis of whale oil. Furthermore, in 1833, E. Michellich of Germany succeeded in obtaining the same substance by heating and distilling benzoic acid with lime, which he named benzene. The name benzene as it is currently used is due to A. W. Hoffmann of Germany. It was Michellich who determined in 1835 that benzene has the composition C ₆ H ₆ , but compared to aliphatic compounds, this composition of benzene is a highly unsaturated compound (a compound with a low ratio of hydrogen to carbon), and according to the common sense of the time, it was considered to be an unstable compound that is susceptible to chemical reactions. Nevertheless, real benzene is stable and exhibits unique properties such as substitution reactions rather than addition reactions, which attracted the interest of chemists. After Hoffmann succeeded in isolating large amounts of benzene from coal tar in 1845, experiments became easier and research into benzene became more active.

In 1865, F. A. Kekulé of Germany proposed the structural formula of benzene (classical Kekulé structural formula) based on the concept of carbon valence at that time, in which benzene has a hexagonal ring of six carbon atoms and single CC and double C=C bonds are arranged alternately ( Figure A ). However, since either (I) or (II) in Figure A alone could not fully explain the chemical properties of benzene, in 1872, he came up with the idea that the benzene molecule oscillates between these two structures and that there exists a very fast equilibrium that cannot be separated. According to this idea, the benzene ring forms a planar structure, the six carbon atoms are equivalent, the double bond is not localized, and the bond in the carbon ring of benzene is different in nature from the double bonds of aliphatic compounds, and it can be understood that benzene has a high degree of symmetry. This unique stability of the benzene ring is called "aromaticity".

Many proposals were made regarding the structure of benzene after that, but naturally no satisfactory explanation for the structure could be found at that time, when the concept of atomic valence had not yet been established. Among them, the six-center atomic valence structure proposed by Eugen Bamberger (1857-1932) of Germany in 1890 and the carbon atom partial atomic valence structure proposed by F. K. J. Thiele, also of Germany, in 1899 are noteworthy in that both have a unique feature regarding the placement of the fourth atomic valence of the carbon atom ( Figure B ).

In the 20th century, as the behavior of electrons in organic reactions became clear, the British hexagonal theory was proposed in 1925 by R. Robinson. This theory delves into the essence of the aromaticity of the benzene ring, and states that the reason benzene is more susceptible to substitution reactions than addition reactions is due to the collection of six electrons. The hexagonal theory can universally explain the aromaticity of not only benzene, but also six-membered heterocyclic compounds such as pyridine and pyrimidine, and five-membered heterocyclic compounds such as pyrrole, furan, and thiophene.

[Masahiro Hirota February 17, 2016]

Theory of aromaticity - delocalization of π (pi) electrons

Hückel's 4n +2 rule and the stability of π-electron systems

The true elucidation of aromaticity was completed in 1931 by the quantum mechanical theory proposed by E. A. A. J. Hückel of Germany. Hückel used approximate calculations using the molecular orbital method (Hückel MO method) to show that in a cyclic conjugated unsaturated system, when the number of π electrons is (4 n + 2), the degenerate molecular orbital (the presence of two or more molecular orbitals with equal energy is called "degenerate"; see Figure C ) is completely filled with electrons, and the molecule becomes stable, thus elucidating the stability of benzene. This law is called "Hückel's 4 n + 2 rule" (also called Hückel rule or 4 n + 2 rule). Benzene has six π electrons, which corresponds to the case of n = 1 in the 4 n + 2 rule. Even though they are cyclic π electron systems, cyclobutadiene with four π electrons and cyclooctatetraene with eight π electrons do not exhibit aromaticity because their numbers of π electrons deviate from this rule. Hückel's rule predicts that cyclic conjugated unsaturated compounds with 4n π-electrons are unstable antiaromatic compounds.

The important thing here is that since carbon is tetravalent, even if a σ (sigma) bond is formed between one hydrogen atom and two adjacent carbon atoms, as in the case of benzene, one valence electron (the hand that forms the bond) remains. This valence electron is in a p orbital ( 2p orbital in the case of carbon) and is used to form a π bond. The p electrons that make up the π bond are dumbbell-shaped with their axis perpendicular to the molecular plane, as shown in Figure D (b), and are bonded by overlapping sides of the orbitals, so they can bond with two or three other adjacent p orbitals at the same time. In the case of benzene in Figure E (1), one p orbital ( 2p atomic orbitals to be exact) is bonded to the adjacent p orbitals on both sides to form a ring, forming a 6-membered π electron system. This property of the π bond allows the π electron system to be spread throughout the entire unsaturated system, such as a long chain or ring. This is called delocalization of the π electrons, and allows the π electrons to move freely over the unsaturated atoms ( sp ² hybridization) that make up the ring and to be distributed to all the atoms that make up the ring.

When calculating the energy of the π molecular orbitals for a cyclic π electron system, we obtain the molecular orbital energy level diagram shown in Figure C. By filling these molecular orbitals with electrons starting from the lowest energy orbital, the system becomes very stable energetically when both of the doubly degenerate highest occupied orbitals (the orbitals with the highest energy among those containing electrons) are filled with two electrons, resulting in a "completely filled state." This corresponds to the number of π electrons being (4 n + 2), and is the electronic configuration that indicates aromaticity in a cyclic π electron system.

According to Hückel's rule, ( 4n + 2)π cyclic conjugated unsaturated compounds with n other than 1, i.e. compounds with π electrons not only 6 but also 2, 10, 14, 18, etc., are predicted to have aromaticity. The accuracy of this prediction was proven by subsequent research, such as the research on hinokitiol by Japan's Nozoe Tetsuo (1940) and the discovery and synthesis of the cyclopropenium ion (1957) and tropylium ion (1954) by the Americans Ronald Breslow (1931-) and William von Eggers Doering (1917-2011). Furthermore, since 1959, macrocyclic aromatic compounds have been synthesized by Franz Sondheimer (1926-1981) and others in the UK. As predicted by Hückel, the existence of non-benzene aromatic compounds such as 10-, 14-, and 18-membered rings has been demonstrated in addition to 6-membered benzene rings, providing experimental support for the 4n + 2 rule.

When the number of π electrons is 4n , each of the doubly degenerate highest occupied orbitals has one electron ( Figure C ), and since there are no electron pairs, the compound has strong radical properties, is unstable, and highly reactive. Antiaromatic compounds such as cyclobutadiene with 4π electrons and cyclooctatetraene with 8π electrons have this type of electron configuration ( Figure F ).

[Masahiro Hirota February 17, 2016]

Benzene ring geometry and aromaticity

The structure of the benzene ring, which is the basic skeleton of aromatics, has now been elucidated by X-ray diffraction and electron diffraction methods, and it is known that the bond angles between carbon atoms (∠CCC and ∠CCH) are both 120°, the bond distances between the carbon atoms are all equal at 0.1399 nm, and the six hydrogen atoms and six carbon atoms are all on the same plane, forming a regular hexagon ( Figure E (2)). The CC bond distance of benzene is shorter than the single bond distance of 0.154 nm in aliphatic ethane and longer than the double bond distance of 0.134 nm in ethylene, which is intermediate between single and double bonds. The planarity and bond distance of the benzene ring described here can also be explained by the delocalization of π electrons in benzene, which is the origin of aromaticity (see the "Benzene" entry).

In summary, all aromatic compounds have a planar cyclic conjugated unsaturated system and the number of π electrons in the ring is ( 4n + 2).

The characteristics of aromatic compounds can be summarized as follows:

(1) A conjugated unsaturated bond system forms a cyclic planar structure, and all π electrons in the system move freely on the carbon atoms of the system and are distributed among all the atoms that make up the ring. In this state, the π electrons are said to be delocalized (corresponding to "resonance" in resonance theory). As a result of delocalization, the difference in bond length between the double bonds and single bonds that make up the ring becomes smaller (bond alternation becomes smaller).

(2) The number of π electrons that can be delocalized is (4 n + 2), which satisfies Hückel's rule. Hückel's rule, based on the molecular orbital theory of cyclic π electron systems, states that when the number of electrons in a cyclic π electron system is (4 n + 2), the π electron energy becomes low and stable.

(3) In terms of reactivity, although benzene formally has three double bonds in the ring, it is not easily susceptible to chemical reactions that destroy the π electron system of benzene, such as addition reactions, oxidation, and reduction. Instead, it has the characteristic property of being prone to substitution reactions (called aromatic substitution reactions) in which hydrogen on the benzene ring is replaced with other atoms while the benzene ring is maintained.

This property is known to be a common characteristic of aromatic compounds and is called "aromaticity."

[Masahiro Hirota February 17, 2016]

Classification of aromatic compounds

In addition to benzene-based aromatic compounds that have a benzene ring as the parent, there are many known heterocyclic aromatic compounds (also called heteroaromatic compounds) that contain heteroatoms (heteroatoms) other than carbon atoms as atoms that make up the ring. There are also non-benzene-based aromatic compounds that do not have a benzene ring as the parent, that is, compounds that are composed of carbon rings with aromaticity other than six-membered rings ( Table 1 ).

[Masahiro Hirota February 17, 2016]

Benzene aromatic compounds

A general term for benzene and polycyclic compounds in which the benzene ring is condensed with other carbon rings, and their derivatives.

All benzene-substituted compounds, such as those shown in Figure G , are benzene-based aromatic compounds, and are named after the substituents present on the benzene ring. In addition, disubstituted compounds have three isomers: ortho, meta, and para. These substituted compounds can be synthesized from the parent benzene by electrophilic reactions specific to aromatic compounds, while retaining the aromatic ring.

A fused polycyclic compound is one in which two rings share two adjacent carbon atoms, and a compound in which one or more of the fused rings is aromatic is a fused polycyclic aromatic compound (also called a fused polycyclic aromatic compound). Important examples include naphthalene, tetralin, anthracene, phenanthrene, and pyrene. Some fused polycyclic aromatic compounds with a large number of fused rings are known to be carcinogenic. Benzo[a]pyrene is one example.

Industrially, naphthalene and anthracene are produced by separating them from coal tar, while benzene, toluene, and xylene are produced by catalytic reforming using naphtha as a raw material. Higher alkylbenzenes and other derivatives are also synthesized by alkylating aromatic compounds such as benzene using electrophilic aromatic substitution reactions. Figure G shows typical aromatic substitution reactions of benzene and its derivatives. In these reactions, the position and reactivity of the reaction are determined by the substituents already attached to the ring. Alkyl groups, hydroxyl groups, and amino groups act as substituents that activate the substitution reaction, making the reaction faster and giving preferentially ortho- and para-substituted compounds. In contrast, nitro groups, carboxylic acid groups, and sulfonic acid groups act as inactive groups, slowing the reaction and mainly producing meta-substituted compounds.

Under extreme conditions, such as high temperatures and the use of catalysts, the halogen and sulfonic acid groups on the benzene ring can be replaced by other substituents. This reaction is a nucleophilic substitution reaction of the benzene ring, with the nitro substituent on the ring activating reactions at the ortho and para positions ( Figure H ).

[Masahiro Hirota February 17, 2016]

Non-benzene aromatic compounds

Compounds that satisfy Hückel's 4n + 2 rule are not only found in six-membered ring compounds such as benzene, but also in seven-, five-, and four-membered ring compounds ( Table 2 ). For example, the cyclopentadienyl anion and cycloheptatrienyl cation have six pi electrons, which satisfies Hückel's rule. There are also eight- and nine-membered medium-sized ring compounds that have 10 pi electrons, which corresponds to n = 2. The three-membered ring with n = 0 is the cyclopropenyl cation. X-ray diffraction has confirmed that all of these compounds satisfy the conditions for aromatic compounds, that is, that they have a planar regular polygonal structure and that the carbon atoms that make up the ring are equivalent.

The aromaticity of macrocyclic conjugated polyenes with n of 3 or more predicted by Hückel's rule also attracted attention, and in 1962, Sondheimer synthesized [18]annulene, which has 18 cyclic π-electron systems ( n = 4), followed by [14]annulene (corresponding to n = 3) and [22]annulene (corresponding to n = 5). As the ring size increases, the distortion of the carbon ring increases, the overlap between the p orbitals of the carbons that make up the ring becomes poor, and deformation due to thermal vibration increases, making it difficult for the entire molecule to maintain a planar shape. For these reasons, it is known that as the ring size increases, the aromaticity decreases, and therefore the stability decreases.

[Masahiro Hirota February 17, 2016]

Heteroaromatic Compounds

Heterocyclic compounds are cyclic compounds that contain elements other than carbon in the ring. Thus, aromatic compounds that contain heteroatoms such as nitrogen, oxygen, sulfur, and phosphorus in the ring belong to this category. Heteroaromatic compounds that belong to medium and large ring compounds such as porphyrins have been attracting attention, but most important ones have six π-electrons and are classified as six-membered and five-membered ring compounds. Representatives of the former are π-electron deficient compounds such as pyridine and pyrimidine. Representatives of the latter are electron-rich compounds such as pyrrole, furan, and thiophene, which are prone to electrophilic substitution reactions. Compounds that have both a heteroaromatic pyridine ring and a carboaromatic benzene ring, such as quinoline, are usually classified as heteroaromatic compounds (see the "heterocyclic compounds" entry).

Heterocyclic compounds occupy a large position among organic compounds, and are important as synthetic raw materials and intermediates for, for example, medicines, pesticides, dyes, photographic materials, and polymeric materials. Furthermore, many biologically active substances that exist as natural products and metabolic substances in living organisms also contain heteroaromatic compounds. For example, vitamins, coenzymes, the photosynthetic pigment chlorophyll, hemoglobin in blood, and its decomposition products, bile pigments and nucleic acid bases, are all monocyclic or polycyclic nitrogen-containing aromatic compounds.

[Masahiro Hirota February 17, 2016]

"The Chemistry of Heterocyclic Compounds" by Tadashi Sasaki (1972, Tokyo Kagaku Dojin) ▽ "Introduction to Heterocyclic Chemistry" by Taro Nishiwaki (Modern Chemistry Series 17, 1973, Kodansha) ▽ "New Chemistry of Aromatic Systems" edited by the Chemical Society of Japan (General Chemistry 15, 1977, Chemical Society of Japan) ▽ "Basic Organic Chemistry" revised 2nd edition by Takashi Tsuchiya, Toru Koizumi, and Ryomaru Kumakai and edited by Bunsuke Umezawa (1991, Nanzando) ▽ "Basic Organic Chemistry" revised edition by H. Hart, translated by Kinya Akiba and Akira Oku (1994, Baifukan) ▽ "Basic Organic Chemistry" by Koichiro Oshima (2000, Tokyo Kagaku Dojin) ▽ "Useful Chemistry Series 5: Organic Chemistry" edited by Kazuhiko Mizuno and Junichi Yoshida (2004, Asakura Shoten)

Kekulé's six-membered ring structure (Figure A)
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Kekulé's six-membered ring structure (Figure A)

Six-center valence structure and partial valence structure (Figure B)
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Six-center valence structure and partial valence structure (Figure B...

Energy levels of cyclic conjugated π-electron systems and electron configurations of aromatic compounds (Figure C)
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Energy Levels of Cyclic Conjugated π-Electron Systems and Aromatic…

Covalent bond of ethylene (Fig. D)
In σ bonds, the orbital axes overlap, while in π bonds, the orbital axes are parallel and overlap from the side .

Covalent bond of ethylene (Fig. D)

Benzene molecule (Figure E)
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Benzene molecule (Figure E)

Examples of antiaromatic compounds (Figure F)
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Examples of antiaromatic compounds (Figure F)

Electrophilic substitution reactions of benzene and benzene derivatives (Figure G)
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Electrophilic substitutions of benzene and benzene derivatives

Nucleophilic substitution reactions of benzene derivatives (Fig. H)
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Nucleophilic substitution reactions of benzene derivatives (Fig. H)

Classification of aromatic compounds (Table 1)
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Classification of aromatic compounds (Table 1)

Non-benzene aromatic compounds [Table 2]
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Non-benzene aromatic compounds [Table 2]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

すべての有機化合物は、脂肪族化合物と芳香族化合物に大別され、「芳香族化合物」はベンゼン環に代表されるような芳香族性を有する環をもつ化合物の総称である。

［廣田　穰　2016年2月17日］

芳香族化合物の発見とベンゼンの構造式

芳香族化合物の名前の変遷

芳香族の名称が使われるようになったのは、植物から天然化合物を分けて取り出すことが有機化学とされていた19世紀前半の時代にさかのぼる。この時代にはまだ有機化合物の化学構造という概念がはっきりしていなかったので、自然界の植物などから得られた有機化合物のうちに、冬緑油(とうりょくゆ)（ウィンターグリーン油）、バニリン、桂皮(けいひ)油、アニス油などの「芳香をもつ一群の化合物」があることに化学者たちが気づき、これらを芳香族化合物とよぶようになった。のちに、これらの芳香をもつ化合物の多くがベンゼン環をもつという共通点があることが知られたので、「ベンゼン環などの芳香環をもつ化合物」を芳香族化合物と分類するようになった。この過程で、芳香族の名前は、化合物が「よい香りをもつという性質」には直接は関係ないことになり、それ以前には芳香族とされていた芳香をもつハッカ、ピネン、樟脳(しょうのう)などはベンゼン環がないという理由から脂肪族に分類されることになった。

［廣田　穰　2016年2月17日］

ベンゼンの発見と構造式

芳香族化合物の構造の解明は、1825年イギリスのM・ファラデーが、鯨油を熱分解して得られた油の一成分として、芳香をもつ一つの化合物（現在のベンゼン）を発見したことから始まった。さらに1833年にドイツのE・ミッチェルリヒは、安息香酸benzoic acidを石灰といっしょに加熱・蒸留して同じ物質を得るのに成功し、これをベンジンBenzinと名づけた。現在使われているベンゼンbenzeneの名はドイツのA・W・ホフマンによる。ベンゼンがC₆H₆の組成をもつと決定したのは、1835年ミッチェルリヒであるが、このベンゼンの組成は、脂肪族化合物に比べると、きわめて不飽和度の高い化合物（炭素に比べて水素の比率が低い化合物のこと）で、当時の常識からいうと化学反応を受けやすい不安定な化合物と考えられた。それにもかかわらず、実在のベンゼンは安定で、付加反応ではなく置換反応を行うなど特異な性質を示したので、化学者の興味を集めた。1845年にホフマンがコールタールから多量のベンゼンを単離するのに成功してからは、実験も容易にできるようになり、ベンゼンの研究が盛んになった。

　ドイツのF・A・ケクレは、1865年に当時の炭素の原子価の概念を基礎として、ベンゼンに対して6個の炭素原子からなる六角形の環をもち、単結合C-Cと二重結合C=Cが交互に並んだケクレの構造式（古典的なケクレの構造式）を提案した（図A）。しかし、図Aの（Ⅰ）または（Ⅱ）のいずれか一つだけではベンゼンの化学的性質を十分に説明できなかったので、1872年に、ベンゼン分子はこの二つの構造の間を振動していて、分離することのできない非常に速い平衡が存在するという考えに到達した。この考えによれば、ベンゼン環が平面構造を形成し、6個の炭素原子が等価であり、二重結合は位置が局限されず、またベンゼンの炭素環の結合は脂肪族の二重結合とは性質の異なるものであり、ベンゼンが高度の対称性をもつことが理解できる。ベンゼン環のもつこのような特異な安定性は「芳香族性」とよばれている。

　ベンゼンの構造に関してはその後も多くの提案がなされたが、原子価の概念が確立していない当時では、当然のことながら満足できる構造の説明は得られなかった。そのなかで1890年にドイツのバンベルガーEugen Bamberger（1857―1932）が発表した6中心原子価構造と、1899年に同じくドイツのF・K・J・ティーレが提案した炭素原子部分原子価構造は、両者とも炭素原子の4番目の原子価の置き場所に特徴がある点で、注目に値する（図B）。

　20世紀になって有機反応における電子の挙動が明らかになるに及んで、1925年にはイギリスのR・ロビンソンにより芳香族六隅子説が提案された。これはベンゼン環の芳香族性の核心に迫るもので、ベンゼンが付加反応よりも置換反応を受けやすいのは、6個の電子の集合によるという説である。六隅子説によると、ベンゼンのみならず、ピリジンやピリミジンなどの6員環複素環式化合物や、ピロール、フラン、チオフェンなどの5員環複素環式化合物の芳香族性を普遍的に説明できる。

［廣田　穰　2016年2月17日］

芳香族性の理論――π(パイ)電子の非局在化

ヒュッケルの4n＋2則とπ電子系の安定性

芳香族性の真の解明は、1931年にドイツのE・A・A・J・ヒュッケルにより提案された量子力学理論によって完成された。ヒュッケルは、分子軌道法（ヒュッケルMO法）による近似計算で、環状共役不飽和系ではπ電子の数が（4n＋2）個のときに縮重分子軌道（等エネルギーの分子軌道が二つ以上あることを「縮重」という。図Cを参照）が完全に電子で満たされた状態になり、分子が安定化することを示して、ベンゼンの安定性を解明した。この法則を「ヒュッケルの4n＋2の法則」という（ヒュッケル則、4n＋2則などともよばれる）。ベンゼンは6個のπ電子をもち、4n＋2則のn＝1の場合に相当する。環状のπ電子系であっても、π電子数4のシクロブタジエンやπ電子数8のシクロオクタテトラエンが芳香族性を示さないのは、π電子数がこの法則から外れているからである。ヒュッケル則はπ電子数が4n個の環状共役不飽和化合物は不安定な反芳香族化合物であると予測している。

　ここで重要なことは、炭素は4価であるので、ベンゼンの場合のように一つの水素原子と両隣の二つの炭素原子とσ(シグマ)結合をつくっても、なお一つの価電子（結合をつくる手）が残ることである。この価電子はp軌道（炭素の場合2p軌道）に入っていて、π結合を形成するのに使われている。π結合を構成しているp電子は、図Dの(b)にあるように、軸が分子面に垂直な亜鈴(あれい)形をしていて、軌道の側面の重なり合いにより結合しているので、同時に二つないしは三つの隣接する他のp軌道と結合することが可能である。図Eの(1)のベンゼンでは一つのp軌道（正確には2p原子軌道）が両隣のp軌道と結合して輪になって、6員環のπ電子系を構成している。このようなπ結合の特性により、π電子系を長い鎖や環などの不飽和系全体に広げることができる。これをπ電子の非局在化といい、π電子が、環を構成する不飽和原子（sp²混成）上を自由に動き、環を構成する全原子に分布することを可能にしている。

　環状π電子系について、π分子軌道のエネルギーを計算すると、図Cのような分子軌道のエネルギー準位図が得られる。これらの分子軌道に最低エネルギーの軌道から順に電子を満たしていって、二重縮重した最高被占軌道（電子が入っている軌道の内でエネルギーが最高のもの）の両方に2個ずつの電子が入り「完全に満たされた状態」になるとエネルギー的に非常に安定になる。これがπ電子数（4n＋2）のときに相当し、環状π電子系が芳香族性を示す電子配置である。

　ヒュッケル則によれば、nが1以外の（4n＋2）π環状共役不飽和化合物、すなわちπ電子数が6だけでなく2、10、14、18、……である場合でも、芳香族性をもつことが予見された。この予見の正しさはその後の諸研究、たとえば日本の野副(のぞえ)鉄男のヒノキチオールの研究（1940）や、アメリカのブレスローRonald Breslow（1931―　）、デーリングWilliam von Eggers Doering（1917―2011）によるシクロプロペニウムイオン（1957）や、トロピリウムイオン（1954）の発見と合成により証明された。また、1959年以降、大環状芳香族化合物がイギリスのソンドハイマーFranz Sondheimer（1926―1981）らによって合成されていて、ヒュッケルの予測したとおり、6員環のベンゼン系以外に、10員環、14員環、18員環などの非ベンゼン系芳香族化合物の存在が実証されて、4n＋2則が実験的に裏づけられた。

　π電子数が4nのときは、二重縮重した最高被占軌道にそれぞれ電子1個が入り（図C）、電子対をつくっていないのでラジカルの性質が強く、不安定で、反応性が高くなる。このような電子配置をとっているのが、4π電子のシクロブタジエン、8π電子のシクロオクタテトラエンなどの反芳香族化合物である（図F）。

［廣田　穰　2016年2月17日］

ベンゼン環の幾何構造と芳香族性

芳香族の基本骨格であるベンゼン環の構造は、現在ではX線回折法や電子線回折法により明らかにされていて、炭素原子間の結合角（∠CCCと∠CCH）はどちらも120°、炭素原子間の結合距離はすべて等しく0.1399ナノメートルであり、6個の水素原子と6個の炭素原子はすべて同一平面上にあって6個の炭素原子は正六角形をなしていることがわかっている（図Eの(2)）。ベンゼンのC-C結合距離は脂肪族のエタンの単結合距離0.154ナノメートルより短く、エチレンの二重結合距離0.134ナノメートルより長く、単結合と二重結合の中間である。ここに述べたベンゼン環の平面性と結合距離もベンゼンのπ電子の非局在化により説明でき、これが芳香族性の根源になっている（「ベンゼン」の項目を参照）。

　まとめると、すべての芳香族化合物は平面構造の環状共役不飽和系をもっていて、かつ環を構成するπ電子数が（4n＋2）個である。

　芳香族化合物の特徴を要約すると次のようになる。

(1)共役不飽和結合系が環状平面構造を形成し、その系に属するすべてのπ電子が系の炭素原子上を自由に移動して、環を構成する原子全部に分散していること。このような状態をπ電子が非局在化（共鳴理論の「共鳴」に相当）しているという。非局在化に伴い環を構成する二重結合と単結合の結合距離の差は少なくなる（結合交替が小さくなる）。

(2)非局在化しうるπ電子の数が（4n＋2）個でヒュッケル則を満足していること。ヒュッケル則では、環状π電子系の分子軌道論に基づいて、環状π電子系の電子数が（4n＋2）個のときにはπ電子エネルギーは低くなり安定化することを示している。

(3)反応性からみると、ベンゼンは形式上環内に3個の二重結合をもつにもかかわらず、付加反応や酸化・還元などのベンゼンのπ電子系が壊れる化学反応を受けにくく、かわりにベンゼン環が保持されたままベンゼン環上の水素が他の原子と置き換わる置換反応（芳香族置換反応という）がおこりやすいという特徴的な性質をもつ。

　このような性質は芳香族化合物に共通の特性として知られていて、「芳香族性」とよばれる。

［廣田　穰　2016年2月17日］

芳香族化合物の分類

ベンゼン環を母体とするベンゼン系芳香族化合物のほかに、環を構成する原子として炭素原子以外のヘテロ原子（異原子）を含む複素環式芳香族化合物（複素芳香族化合物ともいう）が多数知られている。また、ベンゼンを母体としない、すなわち6員環以外の芳香族性をもつ炭素環により構成されている非ベンゼン系芳香族化合物もある（表1）。

［廣田　穰　2016年2月17日］

ベンゼン系芳香族化合物

ベンゼンおよびベンゼン環が他の炭素環と縮合した多環式化合物とそれらの誘導体の総称である。

　図Gにあるようなベンゼン置換体は、すべてベンゼン系芳香族化合物で、ベンゼン環上に存在する置換基名をつけて命名する。また、二置換体になるとオルト、メタ、パラの3種の異性体が存在する。これらの置換体は芳香族に特有の求電子反応により、母体のベンゼンから芳香環を保持したままで合成できる。

　2個の環が2個の隣接した炭素原子を共有しているのが縮合多環式化合物で、縮合している環のうち一つ以上が芳香環である化合物は縮合多環式芳香族化合物（縮合多環芳香族化合物ともいう）である。重要なものとして、ナフタレン、テトラリン、アントラセン、フェナントレン、ピレンなどがある。縮合している環の数が多い縮合多環式芳香族化合物には発癌(はつがん)性を有するものがいくつか知られている。ベンゾ[a]ピレンなどがその一例である。

　工業的には、ナフタレン、アントラセンなどは石炭タールから分離して製造するが、ベンゼン、トルエン、キシレンなどはナフサを原料として接触的改質（リフォーミング）法により製造されている。また高級アルキルベンゼンやその他の誘導体は、ベンゼンなどの芳香族化合物を、芳香族求電子置換反応を利用しアルキル化して合成される。図Gにベンゼンおよびその誘導体の代表的な芳香族置換反応を示す。これらの反応では、反応のおこる位置と反応性は前から環についている置換基によって決まる。アルキル基、ヒドロキシ基、アミノ基などは置換反応を活性化する置換基として作用し、反応が速くなり、オルトおよびパラ置換体を優先的に与える。これに対しニトロ基、カルボン酸基、スルホン酸基は不活性基として作用し、反応は遅くなり、主としてメタ置換体を生成する。

　高温で触媒を使うような過激な条件下では、ベンゼン環上のハロゲンやスルホン酸基を他の置換基に置き換えることもできる。この反応はベンゼン環の求核置換反応であり、環のニトロ置換基がオルトおよびパラ位での反応を活性化する（図H）。

［廣田　穰　2016年2月17日］

非ベンゼン系芳香族化合物

ヒュッケルの4n＋2則を満たす化合物は、ベンゼンに代表される6員環化合物ばかりでなく、7員環、5員環、4員環などの化合物からもみいだされる（表2）。たとえば、シクロペンタジエニル陰イオンや、シクロヘプタトリエニル陽イオンはπ電子数が6でヒュッケル則を満たす。また、8員環や9員環の中環状化合物でもn＝2にあたる10個のπ電子をもつ芳香族化合物が知られている。また、3員環でn＝0の場合がシクロプロペニル陽イオンである。これらの化合物はいずれも、X線回折により平面正多角形構造で環を構成する各炭素原子が等価であるという芳香族化合物の条件を満たすことが確認されている。

　ヒュッケル則で予測されたnが3以上の大環状の共役ポリエンの芳香族性にも関心が集まり、1962年には、ソンドハイマーによって18個の環状π電子系（n＝4）をもつ[18]アヌレンが合成され、続いて[14]アヌレン（n＝3に相当）、[22]アヌレン（n＝5に相当）も合成された。環が大きくなるにつれて、炭素環のひずみが増すこと、環を構成する炭素のp軌道間の重なりが悪くなること、熱振動による変形が大きくなることなどにより、分子全体が平面を保ちにくくなる。このような理由により、環が大きくなると芳香族性が減少してしまうので、安定性が減少することが知られている。

［廣田　穰　2016年2月17日］

複素芳香族化合物

複素環式化合物とは、炭素以外の元素を環内に含む環式化合物を意味する。したがって環内に窒素、酸素、硫黄(いおう)、リンなどの異原子を含む芳香族化合物が、これに属する。ポルフィリンなどの中・大環状化合物に属する複素芳香族化合物が注目されるようになっているが、重要なものは6π電子系のものが多く、6員環化合物と5員環化合物に分類される。前者の代表はピリジンやピリミジンなどのπ電子不足型（π電子欠乏型）の化合物である。後者の代表はピロール、フラン、チオフェンなどの電子過剰型の化合物であり、求電子置換反応を受けやすい。キノリンのように複素芳香族のピリジン環と炭素芳香族のベンゼン環の両方をもつ化合物は通常、複素芳香族化合物に分類される（「複素環式化合物」の項目を参照）。

　有機化合物のなかで、複素環式化合物の占める位置は大きく、たとえば医薬・農薬・染料・写真材料・高分子材料などの合成原料や中間体として重要である。さらに天然物として存在する生理活性物質や、生体での代謝物質も複素芳香族化合物を含むものが多い。たとえばビタミン類、補酵素、光合成色素のクロロフィル、血液中のヘモグロビンや、その分解産物である胆汁色素・核酸塩基などは、いずれも単環式または多環式の含窒素芳香族化合物である。

［廣田　穰　2016年2月17日］

『佐々木正著『複素環式化合物の化学』（1972・東京化学同人）』▽『西脇太郎三衛門著『ヘテロ環化学序説』（『現代の化学シリーズ17』1973・講談社）』▽『日本化学会編『新しい芳香族系の化学』（『化学総説　15』1977・日本化学会）』▽『土屋隆・小泉徹・熊懐稜丸著、梅沢文輔編『基礎有機化学』改訂第2版（1991・南江堂）』▽『H・ハート著、秋葉欣哉・奥彬訳『基礎有機化学』改訂版（1994・培風館）』▽『大嶌幸一郎著『基礎有機化学』（2000・東京化学同人）』▽『水野一彦・吉田潤一編著『役にたつ化学シリーズ5　有機化学』（2004・朝倉書店）』