Heterocyklické sloučeniny (heterocykly) jsou organické sloučeniny obsahující cykly, které zahrnují atomy alespoň dvou různých prvků [1] . Lze je považovat za karbocyklické sloučeniny s heterosubstituenty ( heteroatomy ) v kruhu. Aromatické heterocyklické sloučeniny obsahující dusík jsou nejrozmanitější a dobře prostudované. Limitujícími případy heterocyklických sloučenin jsou sloučeniny, které v cyklu neobsahují atomy uhlíku, například pentazol .
Vlastnosti reaktivity heterocyklických sloučenin ve srovnání s jejich karbocyklickými analogy jsou určeny právě těmito heterosubstituenty. Jako heteroatomy nejčastěji působí prvky druhé periody (N, O) a S, méně často - Se, P, Si a další prvky. Stejně jako u karbocyklických sloučenin vykazují aromatické heterocyklické sloučeniny ( heteroaromatické sloučeniny ) nejspecifičtější vlastnosti heterocyklických sloučenin. Na rozdíl od uhlíkových atomů karbocyklických aromatických sloučenin mohou heteroatomy darovat aromatickému systému nejen jeden (heteroatomy pyridinového typu), ale i dva elektrony (heteroatomy pyrrolového typu). Heteroatomy pyrolového typu se obvykle nacházejí v pětičlenných kruzích ( pyrrol , furan , thiofen ). Oba typy heteroatomů ( imidazol , oxazol ) mohou být spojeny v jednom heterocyklu . Vlastnosti reaktivity heteroaromatických sloučenin jsou určeny distribucí elektronové hustoty v cyklu, která zase závisí na typech heteroatomů a jejich elektronegativitě.
Takže u pětičlenných heterocyklů s jedním heteroatomem (typ pyrrolu) je aromatický sextet elektronů distribuován na pět atomů kruhu takovým způsobem, že to vede k vysoké nukleofilitě těchto sloučenin. Vyznačují se elektrofilními substitučními reakcemi, jsou velmi snadno protonovány na pyridinovém dusíku (s výhodou, viz níže) nebo uhlíku cyklu, halogenovány a sulfonovány za mírných podmínek. Reaktivita s elektrofilní substitucí klesá v řadě pyrrol > furan > selenofen > thiofen > benzen .
Zavedení heteroatomů pyridinového typu do pětičlenných heterocyklů vede ke snížení elektronové hustoty, nukleofility a v důsledku toho reaktivity při elektrofilních substitučních reakcích, to znamená, že účinek je podobný účinku substituentů přitahujících elektrony pro deriváty benzenu . . Azoly reagují s elektrofily, jako jsou pyrroly , s jedním nebo více substituenty přitahujícími elektrony v kruhu, zatímco pro oxazoly a thiazoly je to možné pouze v přítomnosti aktivačních substituentů s + M efektem (amino a hydroxy skupiny).
U šestičlenných heterocyklů (typ pyridinu) vede nižší elektronová hustota ve srovnání s benzenem k nižší nukleofilitě těchto sloučenin: elektrofilní substituční reakce probíhají za drsných podmínek. Pyridin je tedy sulfonován oleem při 220–270 °C.
U heterocyklických sloučenin obsahujících dusík s dusíkem pyridinového typu je hustota p-elektronů maximální přesně na atomu dusíku. Pro ilustraci můžeme uvést vypočtenou hustotu p-elektronů pro pyridin:
| Pozice atomu | elektronová hustota |
|---|---|
| 1(N) | 1.43 |
| 2(α) | 0,84 |
| 3(β) | 1.01 |
| 4 (γ) | 0,87 |
V souladu s tím jsou útoky elektrofilů v tomto případě zaměřeny na atom dusíku pyridinu. Jako elektrofily mohou působit různá alkylační a acylační činidla ( kvaternizační reakce s tvorbou odpovídajících kvartérních solí) a peroxykyseliny (za vzniku N-oxidů ).
Atom dusíku pyrrolového typu je mnohem méně nukleofilní - alkylace N-substituovaných imidazolů probíhá převážně na dusíku pyridinového typu, avšak při deprotonaci nesubstituovaného pyrrolového dusíku je směr substituce obrácen. 4-nitroimidazol, když je methylován za neutrálních podmínek, dává hlavně 1-methyl-5-nitroimidazol a v alkalických roztocích (kde je substrátem jeho deprotonovaná forma) se ukazuje jako hlavní reakce 1-methyl-4-nitroimidazol. produkt.
Takové zvýšení nukleofility dusíku pyrrolového typu během deprotonace je typické pro všechny heteroaromatické sloučeniny, směr elektrofilního ataku však závisí na stupni disociace vzniklého aniontu: pokud jsou indolyl- a pyrrolylmagnesiumhalogenidy vystaveny elektrofilnímu ataku hlavně na uhlíku, potom odpovídající soli alkalických kovů reagují hlavně na atomu dusíku. Potvrzením vlivu disociace komplexu N-aniont-kov na směr reakce je obrácení směru elektrofilního ataku při reakci indolylmagnesiumhalogenidů s methyljodidem v HMPTA v důsledku rozpouštědlem podporované disociace komplex hořčíku.
Elektrofilita heteroaromatických sloučenin roste s poklesem hustoty n-elektronů, tedy s nárůstem počtu heteroatomů a při jejich stejném počtu je vyšší u šestičlenných než u pětičlenných heterocyklů. Takže pro pyrroly a indoly jsou nukleofilní substituční reakce atypické, pyridin a benzimidazol jsou aminovány amidem sodným a 1,3,5-triazin je rychle hydrolyzován na mravenčan amonný již ve vodném roztoku.
Reaktivita nearomatických heterocyklických sloučenin je blízká reaktivitě jejich acyklických protějšků, upravená o sterické efekty.
V případě heteroaromatických sloučenin mezomerní efekty významně ovlivňují reaktivitu postranních řetězců . Kyselost methylenových vodíků ve 2- a 4-substituovaných pyridinech je výrazně zvýšena: např. aldolová kondenzace 2-methylpyridinu (α-pikolinu) s formaldehydem za vzniku 2-ethoxyethyl-2-pyridinu s následnou dehydratací slouží jako průmyslová metoda syntézy 2-vinylpyridinu .
V chemii jsou pro heterocyklické sloučeniny z historických důvodů široce používány triviální názvy ; například při pojmenovávání pěti a šestičlenných sloučenin obsahujících 1 nebo 2 heteroatomy N, O nebo S se v drtivé většině případů používají triviální názvy.
Systematická nomenklatura heterocyklických sloučenin je sestavena podle pravidel navržených Gantschem a Widmanem.
| Jednoduché heterocykly s jedním heteroatomem | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nasycené heterocykly | Nenasycené heterocykly | ||||||
| heteroatom | Dusík | Kyslík | Síra | Dusík | Kyslík | Síra | |
| Trinomial | |||||||
| Systematický název | aziridin | Oksiran | Tiiran | Azirin | Oxyren | Tiiren | |
| Triviální jméno | Ethylenimin | Ethylenoxid | Ethylensulfid | - | - | - | |
| Struktura | |||||||
| Kvartérní | |||||||
| Systematický název | azetidin | Oksetan | Tietan | Azet | Oxet | Tiet | |
| Triviální jméno | 1,3-propyleneimin | trimethylenoxid | Trimethylensulfid | Azacyklobutadien | - | - | |
| Struktura | |||||||
| Pětičlenný | |||||||
| Systematický název | Azolidin | Oksolan | Thiolane | Azol | Oksol | Thiol | |
| Triviální jméno | pyrrolidin | tetrahydrofuran | tetrahydrothiofen | pyrrol | furan | thiofen | |
| Struktura | |||||||
| Šestičlenná | |||||||
| Systematický název | Azinan | Oksan | Tian | Azin | Oxynius | tiiniy | |
| Triviální jméno | piperidin | tetrahydropyran | Tetrahydrothiopyran | pyridin | Pyrilius | thiopyrilium | |
| Struktura | |||||||
| Sedmičlenná | |||||||
| Systematický název | Azepan | Oksepan | Thiepan | azepin | Oksepin | Spona na kravatu | |
| Triviální jméno | Hexamethylenimin | Hexamethylenoxid | Hexamethylensulfid | azatropyliden | Oxacykloheptatrien | - | |
| Struktura | |||||||
Základ názvu je přiřazen heterocyklu v závislosti na velikosti kruhu a také na heteroatomech v něm obsažených: pro heterocykly obsahující dusík se často používá samostatná sada bází. Pro nasycené a maximálně nenasycené heterocykly se také používají různé sady bází. Speciální báze se také někdy používají k označení částečné nenasycenosti heterocyklu.
Nasycený
Nenasycené
obsahující dusík
Nasycený
Nenasycené
Heterocyklické sloučeniny jsou v přírodě široce rozšířeny a mají velký význam v chemii přírodních sloučenin a biochemii. Funkce těchto sloučenin jsou velmi široké - od strukturotvorných polymerů (deriváty celulózy a dalších cyklických polysacharidů ) až po koenzymy a alkaloidy .
Některé heterocyklické sloučeniny se získávají z černouhelného dehtu ( pyridin , chinolin , akridin aj.) a při zpracování rostlinných materiálů ( furfural ). Mnohé přírodní i syntetické heterocyklické sloučeniny jsou cennými barvivy ( indigo ), léčivými látkami ( chinin , morfin , chinin , pyryramidon ). Heterocyklické sloučeniny se používají při výrobě plastů , jako urychlovače vulkanizace pryže , ve filmovém a fotoprůmyslu.
| Třídy organických sloučenin | |
|---|---|
| uhlovodíky | |
| Obsahující kyslík | |
| Obsahující dusík | |
| Síra | |
| S obsahem fosforu | |
| halogenorganické | |
| organokřemičitý | |
| Organoelement | |
| Další důležité třídy | |