Гетероциклические соединения — это органические соединения, молекулы которых содержат циклы, в образовании которых кроме атома углерода принимают участие и атомы других элементов (гетероатомы).
К гетероатомам относят атомы азота, кислорода, серы, кремния, фосфора, селена, бора и некоторых других элементов.
Гетероциклические соединения широко распространены как в животном, так и в растительном мире. Очень многие биологически важные вещества содержат в своем составе гетероциклические фрагменты.
Гетероциклические соединения играют большую роль в жизнедеятельности организмов и имеют важное физиологическое значение (ДНК, РНК, хлорофилл, алкалоиды, ряд витаминов, антибиотиков).
Классификация гетероциклических соединений
Гетероциклические соединения классифицируют согласно следующим структурным признакам:
- размеру цикла (числу атомов в цикле);
- по природе гетероатома;
- по числу гетероатомов в цикле;
- по степени ненасыщенности (насыщенные и ненасыщенные).
1. В зависимости от числа атомов в цикле гетероциклические соединения подразделяют на трех- , четырех- , пяти- , шести- и семичленные.
2. По природе гетероатома наиболее распространены гетероциклы, в состав которых входят атомы азота, кислорода или серы.
Простейшие пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом – фуран, тиофен и пиррол:
3. По числу гетероатомов, входящих в цикл, наиболее распространены гетероциклы с
– одним гетероатомом:
– двумя гетероатомами:
4. По степени насыщенности гетероциклы могут быть насыщенными, ненасыщенными и ароматическими.
Насыщенные
Ненасыщенные
Ароматические
Особый интерес представляют непредельные гетероциклические соединения, которые удовлетворяют условиям ароматичности. Они имеют плоское строение и замкнутую систему π-электронов.
Наиболее разнообразны и хорошо изучены ароматические азотсодержащие гетероциклические соединения.
По некоторым свойствам гетероциклы сходны с соответствующими алифатическими и карбоциклическими соединениями.
Аналогично карбоциклическим соединениям, наиболее устойчивыми являются пяти- и шестичленные гетероциклы.
Пятичленные гетероциклы
а) с одним атомом азота
б) с двумя атомами азота
Эти гетероциклы имеют плоское строение и единую π-систему из шести электронов (по одному от четырех атомов углерода и пара электронов – от атома кислорода, серы или азота).
В этом проявляется сходство данных соединений с бензолом: пятичленные гетероциклы обладают ароматическим характером и склонны к реакциям замещения.
Шестичленные гетероциклы
а) с одним атомом азота (пиридин и его производные)
б) с двумя атомами азота (пиримидин и его производные)
Конденсированные (бициклические) гетероциклы (пурин и его производные)
Большое значение имеют гетероциклы, конденсированные с бензольным кольцом или с другим гетероциклом.
При названии гетероциклов широко используются тривиальные названия:
Гетероциклические соединения, как и бензол, более склонны к реакциям замещения, чем к реакциям присоединения. Они вступают в типичные для бензола реакции электрофильного замещения, устойчивы по отношению к восстановителям и окислителям.
Эти особенности в химическом поведении определяются наличием в их кольцах электронного секстета. Благодаря сопряжению, связи выравниваются, и кольцо становится плоским. Однако стабильность секстетов π-электронов в молекуле бензола и в молекулах гетероциклов различна.