«Гетероциклические соединения»

см. Циклосоединения.

гетероциклы (от гетеро… (См. Гетеро...) и греч. kýklos — круг), органические вещества, содержащие цикл, в состав которого, кроме атомов углерода, входят атомы других элементов (гетероатомы), наиболее часто N, О, S, реже — Р, В, Si и др. Многообразие типов Г. с. чрезвычайно велико, т. к. они могут отличаться друг от друга числом атомов в цикле, природой, числом и расположением гетероатомов, наличием или отсутствием заместителей либо конденсированных циклов, насыщенным, ненасыщенным или ароматическим характером гетероциклического кольца. Неароматические Г. с. по химическим свойствам близки к своим аналогам с открытой цепью; некоторые различия обусловлены эффектами напряжения в цикле и пространственными эффектами, связанными с циклической структурой. Так, окись этилена (I) и тетрагидрофуран подобны алифатическим эфирам простым (См. Эфиры простые), а этиленимин (III) и пиролидин (IV) — алифатическим вторичным аминам:

Ароматичность проявляется у Г. с.(главным образом 5- и 6-членных), содержащих, подобно другим ароматическим соединениям, замкнутую систему 4n+2 π -электронов. Химия таких Г. с., сохраняя известное сходство с химией ароматических соединений (См. Ароматические соединения) бензольного ряда, определяется в основном специфическим характером каждого гетероциклического ядра. К важнейшим ароматическим Г. с. относятся Фуран (V), Тиофен (VI), Пиррол (VII), пиразол (VIII), Имидазол (IX), оксазол (X), тиазол (XI) и Пиридин (XII). Большое значение имеют также Г. с., конденсированные с бензольными ядрами, — бензофуран (кумарон; XIII), бензпиррол (Индол; XIV), бензтиофен (тионафтен; XV), бензтиазол (XVI), бензпиридины — хинолин (XVII) и Изохинолин (XVIII), дибензпиридин (Акридин; XIX):

Ароматический характер фурана, тиофена, пиррола и их бензпроизводных определяется участием неподелённой электронной пары гетероатома в образовании замкнутой системы шести π-электронов. В кислой среде гетероатом присоединяет протон и система перестаёт быть ароматической. Поэтому такие Г. с., как фуран, пиррол и индол, не выдерживают действия сильных кислот (тиофен устойчив к кислотам вследствие меньшего сродства серы к протону):

В 6-членных гетероциклах неподелённая электронная пара гетероатома не участвует в образовании ароматической системы связей. Поэтому пиридин — гораздо более сильное основание, чем пиррол, и с кислотами образует устойчивые соли:

Некоторые важные Г. с. могут быть получены из каменноугольной смолы, например пиридин и его гомологи, хинолин, изохинолин, индол, акридин, карбазол и др.; гидролизом растительных отходов (шелуха подсолнечника, солома и т. п.) получают фурфурол. Однако наибольшее значение имеют синтетические методы, которые весьма разнообразны и специфичны; они рассмотрены в статьях, посвященных отдельным представителям Г. с. При синтезе чаще всего исходят из соединений с открытой цепью. Для некоторых 5-членных гетероциклов известны взаимные превращения. Так, фуран, пиррол и тиофен переходят друг в друга при действии соответственно H₂O, NH₃ или H₂S при 450° над Al₂O₃ (см. Юрьева реакция).

Роль Г. с. в процессах жизнедеятельности растительных и животных организмов исключительно велика. К Г. с. относятся такие вещества, как хлорофилл растений и гемин крови, компоненты нуклеиновых кислот, коферменты, некоторые незаменимые аминокислоты (например, пролин и триптофан), почти все алкалоиды, пенициллин и некоторые другие антибиотики, ряд витаминов, например кобаламин (витамин B₁₂), никотиновая кислота и её амид (витамин PP), растительные пигменты (антоцианины) и т. д. К Г. с. принадлежат многие широко применяемые в медицине синтетические лекарственные вещества, такие, как антипирин, амидопирин, анальгин, акрихин, аминазин, норсульфазол и другие. Г. с. широко применяют в различных отраслях промышленности (растворители, красители, ускорители вулканизации каучука и т. д.).

Лит.: Каррер П.. Курс органической химии, пер. с нем., Л., 1962, с. 955.

Б. Л. Дяткин.

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ соединения - органические соединения, содержащие в молекуле цикл, в состав которого наряду с атомами углерода входят атомы других элементов, чаще всего азота, кислорода, серы (т. н. гетероатомы). Природные гетероциклические соединения, напр., хлорофилл, гем, играют важную роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов. Многие гетероциклические соединения получают синтетическими методами. Некоторые гетероциклические соединения, напр., пиридин, хинолин, тиофен, фуран, обладают ароматическими свойствами (т. н. гетероароматические соединения).

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, см. ЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.

Гетероциклические соединения - это углеродные циклические соединения, в которых один или несколько атомов кольцевой системы являются отличными от углерода неметаллами (кислородом, азотом или серой). Как и карбоциклические соединения, гетероциклы можно подразделить на имеющие ароматический характер и продукты восстановления таких ароматических гетероциклов, которые аналогично алициклическим соединениям обнаруживают свойства и реакции, сходные со свойствами и реакциями алифатических соединений. Гетероциклы удобно классифицировать а) по числу атомов в кольце, б) по числу и природе гетероатомов. Ненасыщенные гетероциклы, обнаруживающие максимально ароматический характер, берутся в качестве ключевых представителей каждой циклической системы.

А. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ

1. Один гетероатом

2. Два гетероатома

3. Три и более гетероатомов

Резонанс (см. "Резонанс" в начале разд. IV-3) пятичленных колец включает значительный вклад следующих структур:

Приобретенная таким путем энергия резонанса делает эти системы весьма устойчивыми к реакциям присоединения по двойным связям, и они вступают во многие типичные реакции ароматического замещения.

Б. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ

1. Один гетероатом

2. Два гетероатома

В. КОНДЕНСИРОВАННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Важные ряды соединений в каждом классе получают конденсацией гетероциклического кольца с одним или несколькими бензольными, например:

Гетероциклические системы широко распространены в природе, особенно в алкалоидах, растительных пигментах (антоцианины, флавоны), порфиринах (гемин, хлорофилл) и витаминах группы В (тиамин, рибофлавин, фолевая кислота). Ниже рассмотрены подробнее некоторые гетероциклические соединения.

Г. ПРАКТИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Фуран, летучая жидкость, устойчивая к действию щелочей, но чувствительная к кислотам

Его легче всего получить декарбоксилированием пирослизевой кислоты (2,5-дикарбоксифурана), продукта пиролиза слизевой (тетрагидроксиадипиновой) кислоты. Наиболее общим методом получения фурановых производных является дегидратация g-дикетонов над хлоридом цинка:

Сухая перегонка пентоз HOCH2(CHOH)3CHO дает фурфурол (a-формилфуран). Фурфурол проявляет многие свойства ароматического альдегида. Так, подобно бензальдегиду, он вступает в реакцию Канниццаро и в бензоиновую конденсацию. Кумарон (бензофуран) (см. выше "Конденсированные гетероциклические системы") вместе с его гомологами содержится в каменноугольной смоле. Он имеет некоторую ценность для получения кумароновых смол, которые образуются при его обработке серной кислотой. Производные кумарона могут быть получены разложением дибромкумаринов щелочью:

или действием щелочи на о-гидрокси-b-хлорстирол, о-HO-C6H4-CH=CH-Cl. Кумароновая структура встречается во многих природных растительных веществах, которые являются мощными инсектицидами и ядами для рыб, например:

Тиофен (формулу см. выше, т. кип. 84° С) содержится в каменноугольной смоле и сопровождает бензол при ее фракционировании. Его можно удалить из бензола осаждением комплекса с ацетатом ртути, из которого при обработке соляной кислотой можно регенерировать тиофен. Серная кислота также удаляет его из бензола путем образования a-тиофенсульфокислоты. Производные тиофена можно получить следующими способами: 1) перегонкой янтарных кислот или g-кетокислот с P2S3:

2) перегонкой g-дикетонов с P2S5:

Тиофен и его гомологи очень устойчивы к окислению или восстановлению кольца. Реакции ароматического замещения (сульфирование, нитрование и т.д.) идут в a-положение. Тионафтен (бензотиофен) получают окислением о-меркаптокоричной кислоты красной кровяной солью (феррицианидом калия). Его 3-гидроксипроизводное, имеющее большое промышленное значение в химии красителей, получают действием уксусного ангидрида на о-карбоксифенилтиогликолевую кислоту о-HOOCC6H4-S-CH2COOH. Оно легко сочетается с солями диазония в положение 2, давая азокрасители, и конденсируется с альдегидами и кетонами, образуя тиоиндигоидные красители.

Пиррол (формулу см. выше), бесцветная, приятно пахнущая жидкость, содержащаяся в каменноугольной смоле, легко полимеризуется на воздухе. У него практически нет свойств основания, он устойчив к окислителям и щелочам, но легко полимеризуется в форме компонентов белков (пролин, триптофан), алкалоидов (никотин, атропин) и порфиринов (гемин, хлорофилл). Производные пиррола можно получить: 1) перегонкой сукцинимидов

с цинковой пылью; 2) нагреванием g-дикетонов с аммиаком; 3) нагреванием слизевой кислоты (см. выше) с аммиаком или первичными аминами; 4) одновременным восстановлением эквивалентных количеств b-кетоэфира и изонитрозокетона

Пирролы вступают в типичные реакции ароматического замещения в a-положение. Обработка реактивов Гриньяра превращает их в a-пиррилмагнийгалогениды

которые вступают в типичные реакции Гриньяра. Расширения кольца с образованием пиридиновой системы можно достичь: 1) обработкой хлороформом и этилатом натрия

2) пропусканием a-алкилпирролов через трубку, нагретую до красного каления

Восстановление путем каталитического гидрирования под давлением, хотя и медленно, ведет к пирролидинам:

Индол (бензопиррол; формулу см. в табл. 4, разд. III) содержится в каменноугольной смоле и эфирных маслах цветов апельсина и жасмина. Производные индола получают: 1) из о-аминофенилацетальдегида о-H2NC6H4CH2CH=O отщеплением воды; 2) нагреванием гидрохлоридов о-оў-диаминостильбенов:

3) из фенилгидразонов нагреванием с галогенидами меди или цинка

По своим реакциям индол похож на пиррол с тем исключением, что в реакциях замещения участвует b-положение. Заслуживают упоминания следующие производные индола: 1) скатол (b-метилиндол), вещество с неприятным запахом, присутствующее в экскрементах; 2) триптофан (b-(b-индолил)аланин), аминокислота, встречающаяся во многих белках; 3) гетероауксин (b-индолилуксусная кислота или 3-индолилуксусная кислота), фактор роста растений; 4) индиго

Оксазол (формулу см. выше) известен в чистом виде. Его производные можно получить конденсацией амидов с a-галогенокетонами:

или действием пентахлорида фосфора на ациламинокетоны:

Оксазолы - слабые основания, чувствительные к расщеплению сильными кислотами. Изоксазол

и его производные представляют меньший интерес. Они могут быть получены дегидратацией монооксимов b-дикетонов. Тиазол и его гомологи - слабые основания, в которых кольцо обнаруживает высокую устойчивость к окислению, восстановлению и действию сильных кислот

Тиазолы можно получить из a-ациламинокетонов действием P2S5, а также реакцией тиоамидов с a-галогенокетонами:

Сильные кислоты превращают тиазолы в соли (C3H3SN + HX (r) C3H3SNH+X-), которые устойчивы, но заметно гидролизуются в водных растворах. С алкилгалогенидами образуются N-замещенные соли тиазолия, содержащие четвертичный азот:

Наиболее важным природным соединением, содержащим тиазольное кольцо, является витамин B1 (тиамин). Ценный химиотерапевтический препарат сульфатиазол получают действием N-ацетилсульфанилхлорида на 2-аминотиазол с последующим удалением ацетильной группы гидролизом:

Имидазол (глиоксалин) и его гомологи

получают из альдегидов, a-дикетонов и аммиака:

Их также можно приготовить взаимодействием амидинов

с a-галогенокетонами. Имидазолы - более сильные основания, чем пирролы. С алкилгалогенидами они дают N-алкилимидазолы. Эти вещества при пропускании через трубку при температуре красного каления изомеризуются в 2-алкилимидазолы; при взаимодействии со второй молекулой алкилгалогенида они превращаются в соли имидазолия, содержащие четвертичный азот

Действие реактивов Гриньяра RMgX на имидазолы ведет к соответствующим 2-имидазолилмагнийгалогенидам C3H3N2MgX, которые вступают в реакции, обычные для реактивов Гриньяра. Имидазольное кольцо встречается во многих природных соединениях, в том числе в аминокислоте гистидине (см. разд. IV-1.Б.4, "Аминокислоты"), алкалоидах группы пилокарпина и пуриновых основаниях. Пиразол и его производные - только синтетические соединения; кольцевая система пиразола

не встречается в природе. Пиразолы получают взаимодействием гидразина с b-дикетонами:

или действием диазоалканов на ацетилен:

Реакция фенилгидразина с a,b-ненасыщенными кетонами или эфирами дает дигидропиразолы, или пиразолины:

Эти соединения легко окисляются в соответствующие пиразолы. Пиразольное кольцо очень устойчиво к окислению, восстановлению и действию сильных кислот. Пиразолиниевые соли, получаемые действием сильных кислот на пиразолины, нестойки и разлагаются в вакууме. Наиболее важный класс пиразолов - пиразолоны

получаемые действием гидразина и его производных на b-кетоэфиры, например,

Пиразолоны ведут себя как смесь трех таутомерных (т.е. находящихся в равновесии) форм, например:

1-Фенил-3-метилпиразол-5 является важным веществом. Окисление красной кровяной солью (феррицианидом калия) превращает его в индигоидный краситель пиразоловый голубой:

Метилирование (CH3I при 100° С) превращает его в жаропонижающий препарат антипирин (1-фенил-2,3-диметилпиразолон), 4-N-диметиламинопроизводное которого представляет собой аналогичное лекарственное средство амидопирин (пирамидон). Кольцевые системы с тремя и более гетероатомами не представляют практического интереса. Все они устойчивы к окислению, восстановлению и действию сильных кислот. Фуразаны получают дегидратацией диоксимов a-дикетонов. 1,2,3-Триазолы и тетразолы также относятся к этой группе соединений.

орг. соединения, молекулы к-рых содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или неск. атомов др. элементов (гетероатомов). Наиб. значение имеют Т. е., в цикл к-рых входят атомы N, О, S. К ним относятся мн, алкалоиды, витамины, антибиотики, прир. пигменты; они входят в виде структурных фрагментов в молекулы нуклеиновых к-т, белков и др. Г. с.-самый многочисленный класс орг. соед., включающий ок. ²/₃ всех известных прир. и синтетич. орг. веществ.

Номенклатура. Согласно правилам номенклатуры ИЮПАК, для важнейших Г. с. сохраняются их тривиальные назв., напр. пиррол (ф-ла I), фуран (II), тиофен(III). Систематич. назв. моноциклич. Т. е., содержащих в цикле от 3 до 10 атомов, образуют путем сочетания приставок, обозначающих гетероатомы (N-аза, О-окса, S-тиа, Р-фосфа и т. п.), с корнями, к-рые для основных Г. с. приведены в таблице. Степень гидрогенизации ненасыщ. гетероцикла отражается в назв. с помощью корней или приставок "дигидро" (присоединены два атома водорода), "тетрагидро", "пергидро" и т. д. Примеры систематич. назв.: азиридин (IV), тиирен (V), тает (VI), 1,3-диоксолан (VII), пергидропиримидин (VIII).

При построении назв. в-в, молекулы к-рых состоят из конденсиров. циклов, в кач-ве основы используют назв. "старшего" цикла. При этом учитывается, что гетероцикл всегда старше карбоцикла, а среди гетероциклов предпочтение отдается циклам с большим числом членов; при одинаковом размере двух циклов старшинство определяется природой гетероатома (N > О > S). Связи в основном цикле обозначаются строчными латинскими буквами: а-связи 1-2, b-связи 2-3 и т. д. Напр., изомеры бензофурана наз. бензо[b]фуран (IX) и бензо[с]фуран (X). В случае конденсации с карбоциклом, имеющим неравноценные положения, напр. с нафталиновым ядром, или с др. гетероциклом связи "младшего" цикла нумеруются обычным образом, причем номера атомов "в месте конденсации" указываются в порядке, соответствующем последовательности связей основного цикла, напр. имидазо[1,2-а]пиридин (XI), имидазо[1,5-а]пиридин (XII).

Для Г. с, с 11 и более членами в цикле, мостиковых и нек-рых конденсиров. систем используется "а"-номенклатура, по правилам к-рой первая составная часть назв. обозначает гетероатом, а вторая-назв. углеводорода, к-рое м. б. образовано, если считать, что в ф-ле Г. с. все гетероатомы заменены на атомы С, группы СН или СН ₂, напр. 1,5-диазабицикло[3,3,0]октан (Xill). Для названия Г. с. этого типа используют также традиционные назв., напр. пентадеканолид (XIV), 18-краун-6-эфир (XV).