Гетероциклические соединения

Гетероциклические соединения (гетероциклы) (от др.-греч. ἕτερος — другой) — органические соединения, содержащие циклы, в состав которых входят атомы, помимо углерода и водорода. Могут рассматриваться как карбоциклические соединения с гетерозаместителями (гетероатомами) в цикле. Наиболее разнообразны и хорошо изучены ароматические азотсодержащие гетероциклические соединения. Предельные случаи гетероциклических соединений — соединения, не содержащие атомов углерода в цикле, например, пентазол.

Реакционная способность

Особенности реакционной способности гетероциклических соединений по сравнению с их карбоциклическими аналогами обуславливаются именно такими гетерозаместителями. В качестве гетероатомов чаще всего выступают элементы второго периода (N, O) и S, реже — Se, P, Si и др. элементы. Как и в случае карбоциклических соединений, наиболее специфические свойства гетероциклических соединений проявляют ароматические гетероциклические соединения (гетероароматические соединения). В отличие от атомов углерода карбоциклических ароматических соединений, гетероатомы могут отдавать в ароматическую систему не только один (гетероатомы пиридинового типа), но и два (гетероатомы пиррольного типа) электрона. Гетероатомы пиррольного типа обычно входят в состав пятичленных циклов (пиррол, фуран, тиофен). В одном гетероцикле могут сочетаться оба типа гетероатомов (имидазол, оксазол). Особенности реакционной способности гетероароматических соединений определяются распределением электронной плотности в цикле, которая, в свою очередь, зависит от типов гетероатомов и их электроотрицательности.

Нуклеофильность

Так, для пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом (пиррольный тип), ароматический секстет электронов распределяется по пяти атомам цикла так, что ведёт к высокой нуклеофильности этих соединений. Для них характерны реакции электрофильного замещения, они весьма легко протонируются по пиридиновому азоту (предпочтительно, см. далее) или углероду цикла, галогенируются и сульфируются в мягких условиях. Реакционная способность при электрофильном замещении убывает в ряду пиррол > фуран > селенофен > тиофен > бензол.

Введение гетероатомов пиридинового типа в пятичленные гетероциклы ведёт к снижению электронной плотности, нуклеофильности, и, соответственно, реакционной способности в реакциях электрофильного замещения, то есть эффект аналогичен влиянию электроноакцепторных заместителей для производных бензола. Азолы реагируют с электрофилами подобно пирролам с одним или несколькими электроноакцепторными заместителями в кольце, а для оксазолов и тиазолов становится возможным лишь при наличии активирующих заместителей с +M-эффектом (амино- и гидроксигруппы).

Для шестичленных гетероциклов (пиридиновый тип) пониженная по сравнению с бензолом электронная плотность ведёт с пониженной нуклеофильности этих соединений: реакции электрофильного замещения идут в жёстких условиях. Так, пиридин сульфируется олеумом при 220—270 °C.

Нуклеофильность гетероатомов

Для азотсодержащих гетероциклических соединений с азотом пиридинового типа п-электронная плотность максимальна именно на атоме азота. В качестве иллюстрации можно привести расчётную п-электронную плотность для пиридина:

Положение атома	Электронная плотность
1 (N)	1.43
2 (α)	0.84
3 (β)	1.01
4 (γ)	0.87

Соответственно, атаки электрофилов в этом случае направляются на пиридиновый атом азота. В качестве электрофилов могут выступать разнообразные алкилирующие и ацилирующие агенты (реакция кватернизиции с образованием соответствующих четвертичных солей) и надкислоты (с образованием N-оксидов).

Атом азота пиррольного типа значительно менее нуклеофилен — алкилирование N-замещенных имидазолов идёт преимущественно по азоту пиридинового типа, однако, при депротонировании незамещённого пиррольного азота направление замещения обращается. Так, 4-нитроимидазол при метилировании в нейтральных условиях даёт в основном 1-метил-5-нитроимидазол, а в щелочных растворах (где субстратом является его депротонированная форма) главным продуктом реакции оказывается 1-метил-4-нитроимидазол.

Такое повышение нуклеофильности азота пиррольного типа при депротонировании типично для всех гетероароматических соединений, однако направление атаки электрофила зависит от степени диссоциации образующегося аниона: если индолил- и пирролилмагнийгалогениды подвергаются электрофильной атаке преимущественно по углероду, то соответствующие соли щелочных металлов реагируют в основном по атому азота. Подтверждением влияния диссоциации комплекса N-анион — металл на направление реакции является обращения направления электрофильной атаки при реакции индолилмагнийгалогенидов с метилйодидом в ГМФТА вследствие промотируемой растворителем диссоциации магниевого комплекса.

Электрофильность

Электрофильность гетероароматических соединений растёт при падении п-электронной плотности, то есть при увеличении числа гетероатомов и, при их равном числе, выше для шестичленных, по сравнению с пятичленными, гетероциклами. Так, для пирролов и индолов реакции нуклеофильного замещения атипичны, пиридин и бензимидазол аминируются амидом натрия, а 1,3,5-триазин быстро гидролизуется до формиата аммония уже в водном растворе.

Реакционная способность заместителей и боковых цепей

Реакционная способность неароматических гетероциклических близка к таковой их ациклических аналогов с поправкой на стерические эффекты.

В случае гетероароматических соединений на реакционную способность боковых цепей существенно влияют мезомерные эффекты. Кислотность метиленовых водородов в 2- и 4-замещённых пиридинах существенно повышена: так, альдольная конденсация 2-метилпиридина (α-пиколина) с формальдегидом с образованием 2-этоксиэтил-2-пиридина с последующей его дегидратацией служит промышленным методом синтеза 2-винилпиридина.

Номенклатура

Основная статья: Номенклатура гетероциклических соединений

В химии гетероциклические соединения в силу исторических причин широко применяются тривиальные названия; так, например, при именовании пяти- и шестичленных соединений, содержащих 1 или 2 гетероатома N, O или S в подавляющем большинстве случаев используются тривиальные названия.

Систематическая номенклатура гетероциклических соединений строится по правилам, предложенным Ганчем и Видманом.

Простые гетероциклы с одним гетероатомом
	Насыщенные гетероциклы			Ненасыщенные гетероциклы
Гетероатом	Азот	Кислород	Сера	Азот	Кислород	Сера
Трёхчленные
Систематическое название	Азиридин	Оксиран	Тииран	Азирин	Оксирен	Тиирен
Тривиальное название	Этиленимин	Этиленоксид	Этиленсульфид	-	-	-
Структура
Четырёхчленные
Систематическое название	Азетидин	Оксетан	Тиетан	Азет	Оксет	Тиет
Тривиальное название	1,3-Пропиленимин	Триметиленоксид	Триметиленсульфид	Азациклобутадиен	-	-
Структура
Пятичленные
Систематическое название	Азолидин	Оксолан	Тиолан	Азол	Оксол	Тиол
Тривиальное название	Пирролидин	Тетрагидрофуран	Тетрагидротиофен	Пиррол	Фуран	Тиофен
Структура
Шестичленные
Систематическое название	Азинан	Оксан	Тиан	Азин	Оксиний	Тииний
Тривиальное название	Пиперидин	Тетрагидропиран	Тетрагидротиопиран	Пиридин	Пирилий	Тиопирилий
Структура
Семичленные
Систематическое название	Азепан	Оксепан	Тиепан	Азепин	Оксепин	Тиепин
Тривиальное название	Гексаметиленимин	Гексаметиленоксид	Гексаметиленсульфид	Азатропилиден	Оксациклогептатриен	-
Структура

Основа названия присваивается гетероциклу в зависимости от размера цикла, а также от содержащихся в нём гетероатомов: для азотсодержащих гетероциклов часто применяют отдельный набор основ. Для насыщенных и максимально ненасыщенных гетероциклов также применяют различные наборы основ. Также иногда применяются специальные основы для указания на частичную ненасыщенность гетероцикла.

Насыщенные

• -иран (для трёхчленного цикла),
• -етан (для четырёхчленного цикла),
• -олан (для пятичленного цикла),
• -ан (для шестичленного цикла),
• -епан (для семичленного цикла),
• -окан (для восьмичленного цикла),
• -онан (для девятичленного цикла),
• -екан (для десятичленного цикла),

Ненасыщенные

• -ирен (для трёхчленного цикла),
• -ет (для четырёхчленного цикла),
• -ол (для пятичленного цикла),
• -ин (для шестичленного цикла),
• -епин (для семичленного цикла),
• -оцин (для восьмичленного цикла),
• -онин (для девятичленного цикла),
• -ецин (для десятичленного цикла),

содержащие азот

Насыщенные

• -еридин (для трёхчленного цикла),
• -етидин (для четырёхчленного цикла),
• -оллидин (для пятичленного цикла),
• -инан (для шестичленного цикла),
• -епан (для семичленного цикла),
• -окан (для восьмичленного цикла),
• -онан (для девятичленного цикла),
• -екан (для десятичленного цикла),

Ненасыщенные

• -ирин (для трёхчленного цикла),
• -ет (для четырёхчленного цикла),
• -ол (для пятичленного цикла),
• -ин (для шестичленного цикла),
• -епин (для семичленного цикла),
• -оцин (для восьмичленного цикла),
• -онин (для девятичленного цикла),
• -ецин (для десятичленного цикла),

Биологическое значение

Гетероциклические соединения широко распространены в живой природе и имеют важное значение в химии природных соединений и биохимии. Функции, выполняемые этими соединениями весьма широки — от структурообразующих полимеров (производные целлюлозы и других циклических полисахаридов) до коферментов и алкалоидов.

Производство и применение

Некоторые гетероциклические соединения получают из каменноугольной смолы (пиридин, хинолин, акридин и пр.) и при переработке растительного сырья (фурфурол). Многие природные и синтетические гетероциклические соединения — ценные красители (индиго), лекарственные вещества (хинин, морфин, акрихин, пирамидон). Гетероциклические соединения используют в производстве пластмасс, как ускорители вулканизации каучука, в кинофотопромышленности.

См. также

• Трёхчленные гетероциклы
• Четырёхчленные гетероциклы
• Пятичленные гетероциклы
• Шестичленные гетероциклы
• Семичленные гетероциклы
• 2-Метилбензотиазол
• 1-Диазидокарбамоил-5-азидотетразол

Ссылки

• Revision of the extended Hantzsch-Widman system of nomenclature for heteromonocycles (Recommendations 1982) // IUPAC Архивная копия от 8 сентября 2017 на Wayback Machine