Heterocykliska föreningar (heterocykler) är organiska föreningar som innehåller cykler, som inkluderar atomer av minst två olika grundämnen [1] . Kan betraktas som karbocykliska föreningar med heterosubstituenter ( heteroatomer ) i ringen. Aromatiska kväveinnehållande heterocykliska föreningar är de mest olika och väl studerade. Begränsande fall av heterocykliska föreningar är föreningar som inte innehåller kolatomer i cykeln, till exempel pentazol .
Särdragen hos reaktiviteten hos heterocykliska föreningar i jämförelse med deras karbocykliska analoger bestäms exakt av sådana heterosubstituenter. Som heteroatomer verkar element från den andra perioden (N, O) och S oftast, mindre ofta - Se, P, Si och andra element. Liksom med karbocykliska föreningar uppvisar aromatiska heterocykliska föreningar ( heteroaromatiska föreningar ) de mest specifika egenskaperna hos heterocykliska föreningar. Till skillnad från kolatomerna i karbocykliska aromatiska föreningar kan heteroatomer donera inte bara en (heteroatomer av pyridintyp), utan också två (heteroatomer av pyrroltyp) elektroner till det aromatiska systemet. Heteroatomer av pyrroltyp finns vanligtvis i femledade ringar ( pyrrol , furan , tiofen ). Båda typerna av heteroatomer ( imidazol , oxazol ) kan kombineras i en heterocykel . Egenskaper för reaktiviteten hos heteroaromatiska föreningar bestäms av fördelningen av elektrondensitet i cykeln, vilket i sin tur beror på typerna av heteroatomer och deras elektronegativitet.
Så för femledade heterocykler med en heteroatom (pyrroltyp) är den aromatiska sextetten av elektroner fördelad över fem ringatomer på ett sådant sätt som leder till hög nukleofilicitet av dessa föreningar. De kännetecknas av elektrofila substitutionsreaktioner, de protoneras mycket lätt vid pyridin-kvävet (företrädesvis, se nedan) eller kolet i cykeln, halogeneras och sulfoneras under milda förhållanden. Reaktivitet med elektrofil substitution minskar i serien pyrrol > furan > selenofen > tiofen > bensen .
Införandet av heteroatomer av pyridintyp i femledade heterocykler leder till en minskning av elektrondensitet, nukleofilicitet och följaktligen reaktivitet i elektrofila substitutionsreaktioner, det vill säga effekten liknar effekten av elektronbortdragande substituenter för bensenderivat. . Azoler reagerar med elektrofiler som pyrroler med en eller flera elektronbortdragande substituenter i ringen, medan det för oxazoler och tiazoler blir möjligt endast i närvaro av aktiverande substituenter med +M-effekt (amino- och hydroxigrupper).
För sexledade heterocykler (typ pyridin) leder den lägre elektrondensiteten jämfört med bensen till en lägre nukleofilicitet hos dessa föreningar: elektrofila substitutionsreaktioner fortskrider under svåra förhållanden. Således sulfoneras pyridin med oleum vid 220–270°C.
För kvävehaltiga heterocykliska föreningar med kväve av pyridintyp är p-elektrondensiteten maximal precis vid kväveatomen. Som en illustration kan vi ge den beräknade p-elektrondensiteten för pyridin:
| Atomposition | elektrondensitet |
|---|---|
| 1(N) | 1,43 |
| 2(α) | 0,84 |
| 3(β) | 1.01 |
| 4 (γ) | 0,87 |
Följaktligen är attackerna av elektrofiler i detta fall riktade mot pyridin-kväveatomen. Olika alkylerings- och acyleringsmedel ( kvaterniseringsreaktion med bildning av motsvarande kvaternära salter) och peroxisyror (med bildning av N-oxider ) kan fungera som elektrofiler.
Kväveatomen av pyrroltyp är mycket mindre nukleofil - alkylering av N-substituerade imidazoler fortskrider huvudsakligen vid kvävet av pyridintyp, men när det osubstituerade pyrrolkvävet deprotoneras, vänds substitutionsriktningen om. Sålunda ger 4-nitroimidazol, när den metyleras under neutrala förhållanden, huvudsakligen 1-metyl-5-nitroimidazol, och i alkaliska lösningar (där dess deprotonerade form är substratet), visar sig 1-metyl-4-nitroimidazol vara huvudreaktionen produkt.
En sådan ökning av nukleofilicitet för kväve av pyrroltyp under deprotonering är typisk för alla heteroaromatiska föreningar, men riktningen för den elektrofila attacken beror på graden av dissociation av den resulterande anjonen: om indolyl- och pyrrolylmagnesiumhalider utsätts för elektrofil attack huvudsakligen vid kol, då reagerar motsvarande alkalimetallsalter huvudsakligen vid kväveatomen. Bekräftelse på inverkan av dissociationen av N-anjon-metallkomplexet på reaktionsriktningen är omkastningen av riktningen för den elektrofila attacken i reaktionen av indolylmagnesiumhalider med metyljodid i HMPTA på grund av lösningsmedelsfrämjad dissociation av magnesiumkomplex.
Elektrofiliciteten hos heteroaromatiska föreningar ökar med en minskning av n-elektrondensiteten, det vill säga med en ökning av antalet heteroatomer, och med deras lika många är den högre för sexledade, jämfört med femledade heterocykler. Så för pyrroler och indoler är nukleofila substitutionsreaktioner atypiska, pyridin och bensimidazol amineras med natriumamid och 1,3,5-triazin hydrolyseras snabbt till ammoniumformiat redan i vattenlösning.
Reaktiviteten hos icke-aromatiska heterocykliska ämnen är nära den hos deras acykliska motsvarigheter, korrigerad för steriska effekter.
I fallet med heteroaromatiska föreningar påverkar mesomera effekter signifikant sidokedjornas reaktivitet . Surheten hos metylenväte i 2- och 4-substituerade pyridiner är avsevärt ökad: till exempel fungerar aldolkondensationen av 2-metylpyridin (α-pikolin) med formaldehyd för att bilda 2-etoxietyl-2-pyridin följt av dess dehydrering som en industriell metod för syntes av 2-vinylpyridin .
Inom kemin, av historiska skäl, används triviala namn i stor utsträckning för heterocykliska föreningar ; till exempel, när man namnger fem- och sexledade föreningar som innehåller 1 eller 2 N-, O- eller S-heteroatomer, används trivialnamn i den överväldigande majoriteten av fallen.
Den systematiska nomenklaturen av heterocykliska föreningar är uppbyggd enligt de regler som föreslagits av Gantsch och Widman.
| Enkla heterocykler med en heteroatom | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mättade heterocykler | Omättade heterocykler | ||||||
| heteroatom | Kväve | Syre | Svavel | Kväve | Syre | Svavel | |
| Trinomial | |||||||
| Systematiskt namn | Aziridin | Oksiran | Tiiran | Azirin | syre | Tiiren | |
| Trivialt namn | Etylenimin | Etylenoxid | Etensulfid | - | - | - | |
| Strukturera | |||||||
| Kvartär | |||||||
| Systematiskt namn | Azetidin | Oksetan | Tietan | Azet | Oxet | Tiet | |
| Trivialt namn | 1,3-propylenimin | trimetylenoxid | Trimetylensulfid | Azacyklobutadien | - | - | |
| Strukturera | |||||||
| Femledad | |||||||
| Systematiskt namn | Azolidin | Oksolan | Thiolane | Azol | Oksol | Thiol | |
| Trivialt namn | pyrrolidin | Tetrahydrofuran | Tetrahydrotiofen | pyrrol | Furan | tiofen | |
| Strukturera | |||||||
| Sexledad | |||||||
| Systematiskt namn | Azinan | Oksan | Tian | Azin | Oxynius | tiiniy | |
| Trivialt namn | Piperidin | tetrahydropyran | Tetrahydrotiopyran | pyridin | Pyrilius | tiopyrilium | |
| Strukturera | |||||||
| Sju medlemmar | |||||||
| Systematiskt namn | Azepan | Oksepan | Thiepan | Azepin | Oksepin | Slipsnål | |
| Trivialt namn | Hexametylenimin | Hexametylenoxid | Hexametylensulfid | Azatropyliden | Oxacykloheptatrien | - | |
| Strukturera | |||||||
Grunden för namnet tilldelas heterocykeln beroende på ringens storlek, såväl som på heteroatomerna som finns i den: en separat uppsättning baser används ofta för kväveinnehållande heterocykler. För mättade och maximalt omättade heterocykler används också olika uppsättningar av baser. Särskilda baser används också ibland för att indikera partiell omättnad av en heterocykel.
Mättad
Omättad
innehållande kväve
Mättad
Omättad
Heterocykliska föreningar är vitt spridda i naturen och är av stor betydelse i kemin av naturliga föreningar och biokemi. Funktionerna som dessa föreningar utför är mycket breda - från strukturbildande polymerer (derivat av cellulosa och andra cykliska polysackarider ) till koenzymer och alkaloider .
Vissa heterocykliska föreningar erhålls från stenkolstjära ( pyridin , kinolin , akridin , etc.) och under bearbetning av växtmaterial ( furfural ). Många naturliga och syntetiska heterocykliska föreningar är värdefulla färgämnen ( indigo ), medicinska substanser ( kinin , morfin , kinin , pyramidon ). Heterocykliska föreningar används vid tillverkning av plast , som gummivulkaniseringsacceleratorer , i film- och fotoindustrin .
| Klasser av organiska föreningar | |
|---|---|
| kolväten | |
| Syrehaltig | |
| Kvävehaltig | |
| Svavel | |
| Fosforhaltig | |
| haloorganiska | |
| organosilikon | |
| Organoelement | |
| Andra viktiga klasser | |