Гетероциклические соединения

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ (гетероциклы) (от гетеро... и греческий κ?κλος - круг, цикл), органические соединения, молекулы которых содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько атомов других элементов (гетероатомов). Наибольшее значение имеют гетероциклические соединения, содержащие гетероатомы N, О, S; менее изучены гетероциклические соединения с гетероатомами Р, В, Sn, Si и др. Названия гетероциклическим соединениям дают в соответствии с правилами химической номенклатуры. Важнейшие гетероциклические соединения имеют тривиальные названия, например акридин, индол, пурин. Гетероциклические  соединения отличаются друг от друга числом атомов в цикле: содержащие 3-4 атома относят к малым гетероциклам (например, этиленоксид, оксетан), содержащие 5-10 атомов - к средним гетероциклам (фуран, пиразин, азепин и др.), содержащие более 11 атомов (например, краун-эфиры, порфирины) - к макрогетероциклическим соединениям; наиболее устойчивые и распространённые – пяти и шестичленные гетероциклы. Гетероциклические  соединения отличаются также числом гетероатомов в цикле; например, среди пятичленных азотсодержащих гетероциклических соединений выделяют: пиррол - с одним атомом азота, пиразол и имидазол - с двумя (различаются взаимным расположением атомов азота в цикле), триазолы - с тремя, тетразол - с четырьмя атомами азота. В предельном случае, когда цикл состоит только из гетероатомов, образуются неорганические циклические соединения (боразол, циклические фосфазены и др.). Гетероциклические  соединения характеризуются наличием заместителей, мостиковых или конденсированных систем, а также насыщенным, ненасыщенным или ароматическим характером гетероцикла.

Гетероциклические  соединения, удовлетворяющие критериям ароматичности, называют гетероароматическими соединениями. Среди них выделяют: π-избыточные - пятичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом так называемого пиррольного типа, в которых секстет π-электронов распределён на пяти центрах, например пиррол, тиофен, фуран; π-дефицитные - шестичленные гетероциклические соединения с одним или несколькими гетероатомами так называемого пиридинового типа, в которых секстет π-электронов распределён, как и в молекуле бензола, на шести центрах, однако один или несколько центров обладают более высокой электроотрицательностью, чем атом углерода, вследствие чего система обедняется π-электронами, например пиридин, пиримидин; π-амфотерные, или азолы, - пятичленные гетероциклические соединения с несколькими гетероатомами, из которых по крайней мере один - атом N пиридинового типа, а другой - атом О, S или N пиррольного типа, например тиазол, оксазол.

Насыщенные гетероциклические соединения по химическим свойствам близки к соответствующим алифатическим соединениям; так, насыщенные гетероциклические простые эфиры (например, тетрагидрофуран) подобны алифатическим простым эфирам, гетероциклические амины (пиперидин и др.) - алифатическим вторичным аминам, лактоны - сложным эфирам, лактамы - амидам кислот. Ненасыщенные гетероциклические соединения, вследствие взаимного влияния двойной связи и гетероатома, а также отсутствия стабилизации за счёт сопряжения, менее стабильны и отличаются по свойствам от соответствующих алифатических соединений. Гетероароматические соединения отличаются от неароматических гетероциклических соединений более высокими показателями преломления и поглощением в близкой УФ или видимой области спектра. Для них характерны наличие так называемого кольцевого тока и сигналы в слабопольной («ароматической») части спектра ЯМР (6,5- 8,0 м. д. для ¹Н и 110-170 м. д. для ¹³С).

Гетероароматические соединения вступают в типичные для ароматических соединений реакции замещения. Для π-дефицитных гетероароматических соединений наиболее характерны реакции нуклеофильного замещения, например:

Для π-избыточных - реакции электрофильного замещения (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование и ацилирование) по механизму присоединения - отщепления в положение 2 молекулы:

 (Х - NH, S, О; Е - электрофильный реагент), π-Дефицитные гетероциклические соединения вступают в реакции электрофильного замещения в жёстких условиях в положение 3 молекулы, например:

π-Избыточные гетероароматические соединения вступают в реакции нуклеофильного замещения при наличии электроноакцепторного заместителя, например:

Для этих соединений характерны также реакции прямого металлирования, например:

π-Амфотерные гетероциклические соединения по реакционной способности занимают промежуточное положение между π-дефицитными и π-избыточными гетероароматическими соединениями. Многие из них вступают в реакции электрофильного замещения по традиционному механизму присоединения - отщепления (1,2-азолы замещаются в положение 4; 1,3-азолы - в положение 5); в слабощелочной среде 1,3-азолы способны реагировать с электрофилами также по механизму так называемого илидного замещения, при этом в возникающем биполярном ионе (илиде) электрофил (например, бром) направляется в положение 2:

Для гетероароматических соединений характерны также реакции присоединения, например гидрирование (каталитическое или водородом в момент выделения), и обмена гетероатомами (например, фуран в смеси с Н₂S или NН₃ при 450 °С, катализатор Al₂О₃, превращается соответственно в тиофен или пиррол). Окисление гетероароматических соединений происходит либо с раскрытием цикла, либо по гетероатому N или S с образованием N-оксидов или S,S-диоксидов.

Гетероциклические  соединения - самый многочисленный класс органических соединений, включающий около 2/3 всех известных природных и синтетических органических веществ. К гетероциклическим соединениям относятся: большинство алкалоидов, многие витамины, антибиотики (пенициллины и др.), пигменты (например, хлорофилл, антоцианы); в виде структурных фрагментов гетероциклические соединения входят в молекулы белков и нуклеиновых кислот. Гетероциклические  соединения, содержащие атомы азота и серы, выделяют из каменноугольной смолы и некоторых нефтей; производные фурана (главным образом фурфурол) получают гидролизом полисахаридов, содержащихся в отходах переработки сельскохозяйственных  культур (например, подсолнечника, кукурузы) и древесины. Многие гетероциклические соединения получают в промышленности специфическими синтетическими методами, а также с помощью циклоприсоединения или внутримолекулярных перициклических реакций. Используют в производстве лекарственных препаратов, антибиотиков и витаминов, средств защиты растений, красителей, ВВ, полимерных материалов.

Лит.: Джоуль Дж., Миллс К. Химия гетероциклических соединений. 2-е изд. М., 2004.