Гетероциклические соединения (ГЦС)
ГЦС называются молекулы, в цикл которых, кроме атомов углерода, входит один или несколько гетероатомов, чаще всего это N, О, S.
Пиррол Фуран Тиазол Индол Пиримидин Пурин
Биологическая функция
Химия ГЦС явл-ся одним из важных разделов органической химии. Многие жизненноважные сое-ния содержат гетероциклы. (ГЦ) – это ферменты (дегидрогеназа, декарбоксилаза и др.), витамины (В1, В6, В12 и др.), гормоны, алкалоиды, антибиотики (пенициллин). ГЦ входят в состав нуклеиновых к-т (НК): аденин, гуанин, тимин, цитозин, урацил – азотистые основания – материальные носители наследственности. Четыре пиррольных кольца, соединенные метиленовыми мостиками (-СН=) образуют порфириновую структуру, которая в сочетании с Fe+2 образует основу гемоглобина, с Мg+2 – хлорофилла, с Со+2 – витамина В12.
ГЦ составляет основу многих химиотерапевтических препаратов: фурацилин, фурагин – содержат ядро фурана; 5-НОК, энтеросептол – ядро хинолина; антипирин, амидопирин – ядро пиразола, орат калия – ядро пиримидина; рибоксин – ядро пурина.
Классификация
ГЦС
Пиррол Имида- Пирими- Пиридин
зол дин
Конденсированными ГЦ наз-ся соединения, молекулы которых состоят из двух и более циклов, имеющих как минимум два общих атома углерода.
Номенклатура
Сложна. Поэтому широко используются тривиальные и полутривиальные названия. Некоторые закономерности можно отметить лишь для N-содержащих ГЦ.
5-членные ГЦ с двумя гетероатомами, содержащие N, наз-ся азолами. Вид второго гетероатома обозначается приставкой. Например, ОКСА – О-оксазол, тиа – S–тиазол.
6-членные ГЦ с атомом N имеют окончание -ИН. Например, пиридИН, пиримидИН.
Производные ГЦ наз-ся и по МН, и рациональной номенклатуре.
Нумерацию в кольце начинают с наиболее электроотрицательного гетероатома и продолжают в сторону наименьших номеров, обозначающих другой гетероатом, либо двойную связь, либо функциональную группу.
Если второй гетероатом располагается слева в кольце, то нумерацию ведут по часовой стрелке:
По рациональной номенклатуре атомы, стоящие рядом с гетероатомом, обозначаются буквами греческого алфавита (a, b, g, d, e и т.д.) и строится название
3-метилпиридин,
b-метилпиридин,
b-пиколин
При нумерации конденсированных ГЦ важно определить главный цикл и атомы, участвующие в конденсации, т.к. они, как правило, не нумеруются. В конденсированных циклах с бензолом главным является ГЦ. В других конденсированных ГЦ главным является ГЦ с большим числом гетероатомов, либо больший ГЦ, если они одинаковы, то главным будет цикл, содержащий азот:
Индол Хинолин Пурин
Пятичленные ГЦ с одним гетероатомом
Пиррол
 |
Ароматическое соединение. Молекула плоская, все атомы цикла находятся в sр2-гибридизации, выполняется правило Хюккеля. Двухэлектронная орбиталь атома N образует шестиэлектронное облако, поэтому атом азота не участвует в образовании связи по донорно-акцепторному механизму.
Пиррол не обладает оснóвными св-вами. Он ацидофобен, т.е. способен протонироваться сильными к-тами, затем полимеризуется и осмоляется.
Атом азота отдает два электрона в p-электронную систему кольца, являясь ЭД заместителем I-го рода. Т.о., пиррол – электронноизбыточная система: на
5 атомов цикла приходится 6 электронов, поэтому для него наиболее характерны р-ции SE, они протекают довольно легко.
Смещение электронной плотности от атома N в цикл увеличивает полярность связи N H. Пиррол – слабая к-та.
Химические св-ва
Р-ции замещения в цикле
1) Р-ции SE идут, в первую очередь, в положения 2, 5, а затем 3, 4. Это р-ции галоидирования, нитрования, сульфирования, ацилирования, алкилирования:
|
2) Р-ции SN не характерны, т. к. пиррол электронноизбыточная система.
II. Кислотно-оснóвные св-ва
В связи с полярностью связи N H пиррол проявляет слабые кислотные св-ва (подобно спиртам). Он образует соли с металлическим калием и 30 % р-ром КОН.
|
III. Окислительно-восстановительные св-ва
Пиррол стоек к действию окислителей. При восстановлении (гидрировании) пиррола образуются продукты частичного или полного восстановления:
Пирролидин входит в состав АК (пролин, оксипролин).
Винилпирролидин полимеризуется и образует полимер перистон – заменитель плазмы крови.
Фуран  | Тиофен  |
В фуране и тиофене электронная пара атомов O и S, так же как и пиррольного атома N, включается в сопряжение с р – электронами атома углерода, образуя единую электронную систему, отвечающую правилу Хюккеля.
Наиболее важные производные фурана:
 Фурфурол |  5 - нитрофурфурол |
5 – нитрофурфурол является исходным вещ-вом для синтеза антибактериальных препаратов: фурацилина, фуразолидона, солафура и др.
Шестичленные ГЦ
Пиридин
 | Ароматическое соединение. Молекула плоская, все атомы кольца находятся в sp2 – гибридизации, выполняется правило Хюккеля. Атом азота поставляет в p-электронное облако один электрон. Т.к. атом азота более электроотрицателен, чем атом углерода, то электронная плотность кольца смещается к нему, он выполняет роль заместителя (ЭА) II-го рода. Неподеленная пара электронов гибридной р-орбитали свободна, поэтому пиридин проявляет оснóвные св-ва и не проявляет кислотные. |
Р-ции SE протекают с трудом в b - положения, р-ции SN протекают легче и преимущественно в a – положения.
Химические свойства
I Р-ции замещения в цикле
1) Р-ции SЕ (нитрование, сульфирование, галоидирование)
–NO2, –SO3H, –Br группы входят в 3,5 – положения, как и для бензола с ЭА заместителем.
2)
|
|
II. Кислотно-оснóвные св-ва
Атом азота имеет неподеленную электронную пару на гибридной орбитали, поэтому подобно аминам пиридин проявляет оснóвные св-ва, образуя соли с к-тами, и нуклеофильные св-ва, присоединяя другую положительную частицу:
III. Окислительно-восстановительные св-ва
Наличие сопряженной системы делает пиридин стойким к действию окислителей. Однако гомологи окисляются легко, образуя к-ты:
Р-ция восстановления, как и бензола, протекает в жестких условиях:
Пиперидин входит в состав анестетика промедола. Производные пиридина: алкалоиды, витамины В1, РР, ферменты, лекарственные противотуберкулезные и др. препараты:
 |  |  |  |
| Никотиновая к-та, Витамин РР | Тубазид | Фтавизид | Кордиамин |