§ 38. Гетероциклические соединения

Вспомните, какие углеводороды называются циклическими. Приведите примеры.
Приведите примеры изученных вами ароматических соединений, запишите их структурные формулы.

Циклические соединения весьма многообразны. В их числе — гетероциклические соединения, имеющие широкое распространение в живой природе. Многие из них входят в состав живых организмов, выполняя важные биологические функции.

Например, гетероциклические соединения, такие как морфин, кофеин, никотин, кокаин и другие, входят в состав растений. Они широко известны под общим названием — алкалоиды. Алкалоиды обычно имеют высокую физиологическую активность, часто являясь сильными ядами. Например, кониин содержится в растении болиголове и является ядом, вызывающим паралич центральной нервной системы. По легенде, от сока этого растения умер древнегреческий философ Сократ, приговоренный к смерти.

Гетероциклические соединения и их производные широко применяются в органическом синтезе многих необходимых для человека материалов, продуктов и лекарств.

Гетероциклическими называются также соединения, у которых, помимо атомов углерода, в составе цикла (кольца) содержатся один или несколько атомов других элементов (кислорода, азота, серы, фосфора и др.).

Атомы кислорода, азота, серы, фосфора и других элементов, входящих помимо атомов углерода в циклическую систему (кольцо) гетероциклического соединения, называются гетероатомами (от греч. heteros — «другой», «иной»).

По своему составу гетероциклические соединения весьма разнообразны. В основе строения их молекул лежат кольца атомов, которые различаются размерами, структурой, числом атомов других элементов (гетероатомов). В составе этих молекул может быть одно кольцо (моноциклические соединения) и несколько (полициклические соединения), а также различные углеводородные радикалы и функциональные группы (—NO₂, —NH₃, —ОН и др.), присоединенные к кольцам. Гетероциклические соединения могут быть предельными и непредельными. Приведем формулы некоторых гетероциклических соединений. Помимо атомов углерода в составе их циклов имеются и гетероатомы.

Структурные формулы молекул гетероциклических соединений обычно записывают в сокращенном виде, отражая лишь их циклическую систему или кольцо и важнейшие связи в нем, а также функциональные группы.

Наибольший интерес для изучения представляют азотсодержащие гетероциклические соединения. Они довольно распространенны, хорошо изученны и имеют важное биологическое значение. Многие из них играют большую роль в жизни человека.

В природных соединениях часто встречаются пяти- и шестичленные циклы, содержащие гетероатомы.

Большинство из гетероциклических азотсодержащих соединений — ароматические гетероциклы. Среди ароматических азотсодержащих гетероциклических соединений есть и моноциклические (пиридин, пиррол и др.), и полициклические (пиримидин, гуанин и др.).

Ароматические гетероциклы

Ароматические гетероциклы — это соединения, имеющие плоский замкнутый цикл и сопряженную электронную систему, охватывающую все атомы цикла (кольца) и содержащую (4n + 2) π-электрона, где n = 1, 2, 3 и т. д. (правило Хюккеля).

С такой системой или кольцом вы встречались ранее на примере бензола и его производных.

Задание

1. Дайте определение ароматических углеводородов, приведите схему образования π-связей и опишите строение бензольного кольца.

2. На примере известного вам ароматического соединения запишите уравнения возможных его реакций и укажите условия их осуществления.

Ароматическим гетероциклическим соединениям присущи свойства, характерные для бензола и других ароматических соединений, с которыми вы уже познакомились при изучении органической химии: высокая стабильность, пассивность в реакциях присоединения, склонность к реакциям замещения.

Перейдем к рассмотрению наиболее известных представителей ароматических азотсодержащих гетероциклов.

Важное значение из азотсодержащих гетероциклов имеют пиридин, пиррол, имидазол и никотиновая кислота.

Пиридин

Рассмотрим структурную формулу пиридина и сравним ее с формулой бензола. Это шестичленный ненасыщенный гетероцикл, содержащий один гетероатом азота, который заместил в бензоле одну группу С—Н.

Атом азота в этой системе «поставляет» два своих электрона на установление σ-связей с двумя соседними атомами углерода и один электрон — в систему общего π-облака. В результате в молекуле пиридина, как и в молекуле бензола, образуется устойчивый секстет электронов, что обусловливает сходство его свойств со свойствами бензола.

Продолжение >>>