Гетероциклические соединения

Гетероциклические соединения (гетероциклы) — это класс органических соединений, молекулы которых содержат циклические структуры, включающие в состав цикла, помимо атомов углерода, один или несколько атомов других элементов (гетероатомов). Наиболее распространёнными гетероатомами являются азот (N), кислород (O) и сера (S). Гетероциклические соединения составляют основу многих природных и синтетических веществ, включая нуклеиновые кислоты, алкалоиды, витамины, лекарственные препараты, красители и полимеры.

Классификация

Гетероциклические соединения классифицируются по нескольким признакам: числу атомов в цикле, природе и количеству гетероатомов, степени насыщенности (наличию кратных связей) и наличию конденсированных (сочленённых) циклов.

По размеру цикла

Наиболее распространены пяти- и шестичленные гетероциклы. Реже встречаются трёх-, четырёх-, семичленные и более крупные циклы.

• Трёхчленные: оксиран (этиленоксид), азиридин.
• Четырёхчленные: азетидин, оксетан.
• Пятичленные: фуран, тиофен, пиррол (с одним гетероатомом); оксазол, тиазол, имидазол (с двумя гетероатомами).
• Шестичленные: пиридин, пиран (с одним гетероатомом); пиримидин, пиразин, пиридазин (с двумя гетероатомами).
• Семичленные: азепин, оксепин.

По природе и количеству гетероатомов

Гетероциклы могут содержать один, два, три и более гетероатомов. По типу гетероатома различают азотсодержащие (пиррол, пиридин, пурин), кислородсодержащие (фуран, пиран) и серосодержащие (тиофен, тиазол). Смешанные гетероциклы содержат атомы разных элементов, например, тиазол (азот и сера) или морфолин (азот и кислород).

По степени насыщенности

• Ароматические гетероциклы: содержат сопряжённую систему π-электронов, удовлетворяющую правилу Хюккеля (4n+2 π-электронов). Они обладают повышенной термодинамической стабильностью и склонны к реакциям электрофильного замещения, а не присоединения. Примеры: пиррол, фуран, тиофен, пиридин, индол.
• Неароматические (алициклические) гетероциклы: не имеют сопряжённой системы или не удовлетворяют правилу Хюккеля. Они могут быть насыщенными (тетрагидрофуран, пиперидин, морфолин) или ненасыщенными (дигидропиран). Для них характерны реакции присоединения.

По строению

• Моноциклические: содержат один цикл (пиррол, пиридин, фуран).
• Конденсированные (полициклические): содержат два или более сочленённых цикла, общих атомов. Примеры: индол (бензольное кольцо, конденсированное с пирролом), хинолин (бензольное кольцо, конденсированное с пиридином), пурин (пиримидиновое кольцо, конденсированное с имидазолом), акридин.

Номенклатура

Номенклатура гетероциклических соединений исторически сложилась на основе тривиальных названий (фуран, пиррол, пиридин). Систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC) использует префиксы, указывающие на природу гетероатома (окса- для кислорода, тиа- для серы, аза- для азота), и суффиксы, определяющие размер цикла и степень насыщенности. Для нумерации атомов в цикле за начало отсчёта принимают гетероатом, которому присваивается номер 1. Нумерация ведётся так, чтобы гетероатомы и заместители получили наименьшие возможные номера.

Химические свойства

Химические свойства гетероциклов определяются как природой и положением гетероатомов, так и ароматичностью системы.

Ароматические гетероциклы

Ароматические гетероциклы (пиррол, фуран, тиофен, пиридин) вступают преимущественно в реакции электрофильного замещения (SE). Однако их реакционная способность сильно зависит от гетероатома. Например, пиррол и фуран, обладающие избытком электронной плотности на углеродных атомах, легко нитруются, сульфируются и галогенируются, но в кислых средах могут осмоляться. Тиофен более устойчив к кислотам. Пиридин, в отличие от них, является π-дефицитным гетероциклом: атом азота оттягивает электронную плотность, поэтому пиридин вступает в реакции электрофильного замещения с трудом и в жёстких условиях, зато легко реагирует с нуклеофилами (SN).

Неароматические гетероциклы

Неароматические гетероциклы (тетрагидрофуран, пиперидин, морфолин) по химическим свойствам близки к соответствующим ациклическим соединениям (эфирам, аминам). Они способны к реакциям раскрытия цикла, присоединения и замещения у гетероатома.

Распространение в природе и биологическая роль

Гетероциклические соединения чрезвычайно широко распространены в живой природе и играют ключевую роль в биохимических процессах.

• Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК): их азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил — являются производными пурина и пиримидина (гетероциклы).
• Алкалоиды: большая группа азотсодержащих гетероциклических соединений растительного происхождения, обладающих выраженной физиологической активностью. Примеры: никотин (пиридиновое кольцо), кофеин (пуриновое кольцо), морфин (изохинолиновое кольцо), хинин (хинолиновое кольцо).
• Витамины: многие витамины содержат гетероциклические фрагменты. Например, витамин B1 (тиамин) содержит тиазольное кольцо, витамин B6 (пиридоксин) — пиридиновое, витамин B9 (фолиевая кислота) — птеридиновое, витамин B12 (кобаламин) — корриновое кольцо.
• Порфирины: макроциклические системы, состоящие из четырёх пиррольных колец. Они входят в состав гемоглобина (гем — комплекс порфирина с железом), хлорофилла (комплекс с магнием) и цитохромов.
• Аминокислоты: триптофан, гистидин и пролин содержат индольное, имидазольное и пирролидиновое кольца соответственно.
• Антибиотики: многие природные и полусинтетические антибиотики, такие как пенициллины и цефалоспорины, содержат β-лактамное кольцо (четырёхчленный гетероцикл), а также тиазолидиновое кольцо.

Применение

Гетероциклические соединения находят широчайшее применение в различных отраслях промышленности и медицины.

• Фармацевтика: подавляющее большинство современных лекарственных препаратов являются гетероциклическими соединениями. Примеры: ацетилсалициловая кислота (производное пирана), парацетамол (производное анилина, содержащее амидную группу, но не гетероцикл), однако многие антидепрессанты, нейролептики, противоопухолевые средства, противовирусные препараты (например, осельтамивир) содержат гетероциклические ядра.
• Сельское хозяйство: многие пестициды (гербициды, инсектициды, фунгициды) являются гетероциклическими соединениями. Например, атразин (триазиновое кольцо) используется как гербицид.
• Промышленность: гетероциклы используются в производстве красителей (индиго, акридиновые красители), полимеров (полиамиды на основе капролактама, полиуретаны на основе изоцианатов), взрывчатых веществ (гексоген, октоген), антиоксидантов и ингибиторов коррозии.
• Научные исследования: гетероциклические соединения служат модельными объектами для изучения механизмов органических реакций, а также используются в качестве лигандов в металлокомплексном катализе.

Источники

1. Джоуль Дж., Миллс К. Химия гетероциклических соединений. — М.: Мир, 2004.
2. Гильберт А. Г., Эйххорн Г. Л. Гетероциклические соединения. — М.: Иностранная литература, 1960.
3. Общая органическая химия / Под ред. Д. Бартона и У. Д. Оллиса. — М.: Химия, 1985. — Т. 8.
4. Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1981.