Гетероциклические соединения

Гетероциклические соединения(гетероциклы) (отдр.-греч.ἕτερος— другой) —органические соединения, содержащие циклы, в состав которых входят атомы, помимо углерода и водорода. Могут рассматриваться каккарбоциклические соединенияс 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.
Особенности реакционной способности гетероциклических соединений по сравнению с ихкарбоциклическимианалогами 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 способностигетероароматических соединенийопределяются распределением электронной плотности в цикле, которая, в свою очередь, зависит от типов гетероатомов и их электроотрицательности.
Так, дляпятичленных гетероцикловс одним гетероатомом (пиррольный тип), ароматический секстет электронов распределяется по пяти атомам цикла так, что ведёт к высокойнуклеофильностиэтих 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 рядупиррол>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 производныхбензола.Азолыреагируют с электрофилами подобнопирроламс одним или несколькими электроноакцепторными заместителями в кольце, а дляоксазоловитиазоловстановится возможным лишь при наличии активирующих заместителей с +M-эффектом (амино- и гидроксигруппы).
Дляшестичленных гетероциклов(пиридиновый тип) пониженная по сравнению сбензоломэлектронная плотность ведёт с пониженной нуклеофильности этих соединений: реакции электрофильного замещения идут в жёстких условиях. Так,пиридинсульфируетсяолеумомпри 220—270 °C.
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:
Соответственно, атаки электрофилов в этом случае направляются на пиридиновый атом азота. В качестве электрофилов могут выступать разнообразные алкилирующие и ацилирующие агенты (реакциякватернизициис образованием соответствующих четвертичных солей) инадкислоты(с образованиемN-оксидов).
Атом азота пиррольного типа значительно менее нуклеофилен — алкилирование N-замещенныхимидазоловидёт преимущественно по азоту пиридинового типа, однако, при депротонировании незамещённого пиррольного азота направление замещения обращается. Так, 4-нитроимидазол приметилированиив 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 вГМФТАвследствие промотируемой растворителем диссоциации магниевого комплекса.
Электрофильностьгетероароматических 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, дляпирролови индолов реакции нуклеофильного замещения атипичны,пиридинибензимидазоламинируются амидом натрия, а1,3,5-триазинбыстро гидролизуется доформиатааммонияуже в водном растворе.
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 влияютмезомерныеэффекты. Кислотность метиленовых водородов в 2- и 4-замещённых пиридинах существенно повышена: так, альдольная конденсация2-метилпиридина(α-пиколина) сформальдегидомс образованием 2-этоксиэтил-2-пиридина с последующей его дегидратацией служит промышленным методом синтеза2-винилпиридина.
В химии гетероциклические соединения в силу исторических причин широко применяютсятривиальные 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 поправилам, предложеннымГанчеми Видманом.
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
Ненасыщенные
содержащие азот
Насыщенные
Ненасыщенные
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 (производныецеллюлозыи других циклическихполисахаридов) докоферментовиалкалоидов.
Некоторые гетероциклические соединения получают изкаменноугольной смолы(пиридин,хинолин,акридини пр.) и при переработке растительного сырья (фурфурол). Многие природные и синтетические гетероциклические соединения — ценныекрасители(индиго), лекарственные вещества (хинин,морфин,акрихин,пирамидон). Гетероциклические соединения используют в производствепластмасс, как ускорителивулканизациикаучука, в кинофотопромышленности.