Гетероциклическое соединение
Гетероциклическое соединение или кольцевая структура — это циклическое соединение , в состав которого входят атомы по крайней мере двух различных элементов . [1] Гетероциклическая органическая химия — это раздел органической химии, занимающийся синтезом, свойствами и применением органических гетероциклов . [2]
Примерами гетероциклических соединений являются все нуклеиновые кислоты , большинство лекарств, большая часть биомассы ( целлюлоза и родственные материалы) и многие натуральные и синтетические красители. Более половины известных соединений являются гетероциклами. [3] 59% лекарств, одобренных FDA США, содержат азотные гетероциклы. [4]
Классификация
Изучение органической гетероциклической химии сосредоточено, в частности, на органических ненасыщенных производных, и преобладающая часть работы и приложений связана с ненапряженными органическими 5- и 6-членными кольцами. Включены пиридин , тиофен , пиррол и фуран . Другой большой класс органических гетероциклов относится к тем, которые конденсированы с бензольными кольцами . Например, конденсированные бензольные производные пиридина, тиофена, пиррола и фурана - это хинолин , бензотиофен , индол и бензофуран , соответственно. Слияние двух бензольных колец дает начало третьему большому семейству органических соединений. Аналогами ранее упомянутых гетероциклов для этого третьего семейства соединений являются акридин , дибензотиофен , карбазол и дибензофуран , соответственно.
Гетероциклические органические соединения можно с пользой классифицировать на основе их электронной структуры. Насыщенные органические гетероциклы ведут себя как ациклические производные. Таким образом, пиперидин и тетрагидрофуран являются обычными аминами и эфирами с измененными стерическими профилями. Поэтому изучение органической гетероциклической химии фокусируется на органических ненасыщенных кольцах.
Неорганические кольца
Некоторые гетероциклы не содержат углерода. Примерами являются боразин (кольцо B 3 N 3 ), гексахлорфосфазены (кольца P 3 N 3 ) и тетранитрид тетрасеры S 4 N 4 . По сравнению с органическими гетероциклами, имеющими многочисленные коммерческие применения, неорганические кольцевые системы в основном представляют теоретический интерес. ИЮПАК рекомендует номенклатуру Ганча-Видмана для наименования гетероциклических соединений. [5]
Заметки о списках
- «Гетероатомы» — это атомы в кольце, отличные от атомов углерода .
- Названия, выделенные курсивом, сохранены ИЮПАК и не соответствуют номенклатуре Ганча-Видмана.
- Некоторые названия относятся к классам соединений, а не к отдельным соединениям.
- Также не делается никаких попыток перечислить изомеры .
3-членные кольца
Хотя 3-членные гетероциклические кольца подвержены кольцевой деформации , они хорошо охарактеризованы. [6]
| Трехчленные кольца с одним гетероатомом | ||
|---|---|---|
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенные |
| Бор | Бориран | Борирен |
| Азот | Азиридин | Азирине |
| Кислород | Оксиран ( окись этилена , эпоксиды ) | Оксирен |
| Фосфор | Фосфиран | Фосфирен |
| Сера | Тииран ( этиленсульфид , эписульфиды ) | Тиирен |
| Трехчленные кольца с двумя гетероатомами | ||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные |
| 2 × Азот | Диазиридин | Диазирин |
| Азот + Кислород | Оксазиридин | Оксазирин |
| Азот + Сера | Тиазиридин | Тиазирин |
| 2 × Кислород | Диоксиран (крайне нестабилен) | |
| 2 × Сера | Дитииран (крайне нестабилен) | |
4-членные кольца
| Четырехчленные кольца с одним гетероатомом | ||
|---|---|---|
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенные |
| Бор | Боретан | Борете |
| Азот | Азетидин | Азете |
| Кислород | Оксетан | Оксете |
| Фосфор | Фосфетан | Фосфет |
| Сера | Тиетан | Тьете |
| Четырехчленные кольца с двумя гетероатомами | ||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные |
| 2 × Азот | Диазетидин | Диазет |
| 2 × Кислород | Диоксетан | Диоксет |
| 2 × Сера | Дитиетан | Дитхиете |
5-членные кольца
Пятичленные кольцевые соединения, содержащие два гетероатома, по крайней мере один из которых является азотом, называются азолами . Тиазолы и изотиазолы содержат атом серы и азота в кольце. Дитиолы содержат два атома серы.
Также существует большая группа 5-членных кольцевых соединений с тремя или более гетероатомами. Одним из примеров является класс дитиазолов , которые содержат два атома серы и один атом азота.
| Пятичленные кольца с одним гетероатомом | ||
|---|---|---|
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенные |
| Сурьма | Стиболан | Стибол |
| Мышьяк | Арсолан | Арсоле |
| Висмут | Бисмолан | Бисмоле |
| Бор | Боролан | Бороле |
| Германий | Джермолан | Жермоле |
| Азот | Пирролидин ( азолидин не используется) | Пиррол ( Азол не используется) Пирролин (частично ненасыщенный) |
| Кислород | Оксолан | Фуран ( оксол не используется) |
| Фосфор | Фосфолан | Фосфол |
| Селен | селенолана | Селенофен |
| Кремний | Силолан | Силоле |
| Сера | Тиолан | Тиофен ( тиол не используется) |
| Теллур | Теллуролан | Теллурофен |
| Олово | Станнолан | Станноле |
| Пятичленные кольца с двумя гетероатомами | ||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные (и частично ненасыщенные) |
| 2 × Азот | Пиразолидин Имидазолидин | Пиразол ( Пиразолин ) Имидазол ( Имидазолин ) |
| Азот + Кислород | Оксазолидин Изоксазолидин | Оксазол ( Оксазолин ) Изоксазол ( Изоксазолин ) |
| Азот + Сера | Тиазолидин Изотиазолидин | Тиазол ( Тиазолин ) Изотиазол (Изотиазолин) |
| Кислород + Сера | Оксатиолан Изоксатиолан | Оксатиол Изоксатиол |
| 2 × Кислород | Диоксолан | Диоксол |
| 2 × Сера | Дитиолан | Дитиол |
| Пятичленные кольца с тремя гетероатомами | ||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные |
| 3 × Азот | Триазол | |
| 2 Азот + Кислород | Оксадиазол | |
| 2 Азот + Сера | Тиадиазол | |
| Азот + 2 Кислорода | Диоксазол | |
| Азот + 2 Сера | Дитиазол | |
| Пятичленные кольца с четырьмя гетероатомами | ||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные |
| 4 × Азот | Тетразол | |
| 3 Азот + Кислород | Оксатриазол | |
| 3 Азот + Сера | Тиатриазол | |
| Пятичленные кольца с пятью гетероатомами | ||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные |
| 5 × Азот | Пентазол | |
| 4 Азот + Кислород | Оксатетразол | |
| 4 Азот + Сера | Тиатетразол | |
6-членные кольца
Шестичленные кольцевые соединения, содержащие два гетероатома, по крайней мере один из которых является азотом, называются азинами . Тиазины содержат в кольце атом серы и азота. Дитиины содержат два атома серы.
| Шестичленные кольца с одним гетероатомом | |||
|---|---|---|---|
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенные | Ионы |
| Сурьма | Стибинан | Стибинин [7] | Катион стибатабензола |
| Мышьяк | Арсинан | Арсинин | Арсатабензол катион |
| Висмут | Бисминан | Бисмин [8] | Катион бисматабензола |
| Бор | Боринан | Боринин | Анион боратабензола |
| Германий | Жерминана | Жермин | |
| Азот | Пиперидин ( азинан не используется) | Пиридин ( азин не используется) | Пиридиновый катион |
| Кислород | Оксан | Пиран ( Оксин не используется) | Пирилиевый катион |
| Фосфор | Фосфинан | Фосфинин | Фосфатабензол катион |
| Селен | Селенан | Селенопиран [9] | Катион селенопирилия |
| Кремний | Силинан | Силикон | |
| Сера | Тиан | Тиопиран (тиин не используется) | Катион тиопирилия |
| Теллур | Теллуран | Теллуропиран | Катион теллуропирилия |
| Олово | Станнинан | Станнин | |
| Шестичленные кольца с двумя гетероатомами | |||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные | |
| 2 × Азот | Пиперазин | Пиразин Пиримидин Пиридазин | |
| Азот + Кислород | Морфолин | Оксазин | |
| Азот + Сера | Тиоморфолин | Тиазин | |
| Кислород + Сера | Оксатиан | Оксатиин | |
| 2 × Кислород | Диоксан | Диоксин | |
| 2 × Сера | Дитиан | Дитиин | |
| Шестичленные кольца с тремя гетероатомами | |||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные | |
| 3 × Азот | Триазинан | Триазин | |
| 3 × Кислород | Триоксан | Триоксин | |
| 3 × Сера | Тритиан | Тритиин | |
| Шестичленные кольца с четырьмя гетероатомами | |||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные | |
| 4 × Азот | Тетразин | ||
| 2 Азота + 2 Бора | Карборазин | ||
Шестичленные кольца с пятью гетероатомами.
Гипотетическим химическим соединением с пятью гетероатомами азота будет пентазин .
Шестичленные кольца с шестью гетероатомами
Гипотетическим химическим соединением с шестью гетероатомами азота будет гексазин . Боразин представляет собой шестичленное кольцо с тремя гетероатомами азота и тремя гетероатомами бора.
7-членные кольца
В 7-членном кольце гетероатом должен иметь возможность предоставить пустую π-орбиталь (например, бор) для обеспечения «нормальной» ароматической стабилизации; в противном случае возможна гомоароматика .
| Семичленные кольца с одним гетероатомом | ||
|---|---|---|
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенные |
| Бор | Борепан | Борепин |
| Азот | Азепан | Азепин |
| Кислород | Оксепан | Оксепин |
| Фосфор | Фосфепан | Фосфепин |
| Сера | Тьепане | Тьепин |
| Семичленные кольца с двумя гетероатомами | ||
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенные |
| 2 × Азот | Диазепан | Диазепин |
| Азот + Кислород | Оксазепан | Оксазепин |
| Азот + Сера | Тиазепан | Тиазепин |
8-членные кольца
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенные |
|---|---|---|
| Азот | Азокан | Азоцин |
| Кислород | Оксокан | Оксоцин |
| Сера | Тиокан | Тиоцин |
Боразоцин представляет собой восьмичленное кольцо с четырьмя гетероатомами азота и четырьмя гетероатомами бора.
9-членные кольца
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенные |
|---|---|---|
| Азот | Азонан | Азонин |
| Кислород | Оксонан | Оксонин |
| Сера | Тионан | Тионин |
Изображения колец с одним гетероатомом
| Насыщенный | Ненасыщенные | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Гетероатом | Азот | Кислород | Сера | Азот | Кислород | Сера |
| 3-атомное кольцо | Азиридин | Оксиран | Тиране | Азирине | Оксирен | Тиирен |
 |  |  |  |  |  | |
| 4-атомное кольцо | Азетидин | Оксетан | Тиетан | Азете | Оксете | Тьете |
 |  |  |  |  |  | |
| 5-атомное кольцо | Пирролидин | Оксолан | Тиолан | Пиррол | Фуран | Тиофен |
 |  |  |  |  |  | |
| 6-атомное кольцо | Пиперидин | Оксан | Тиан | Пиридин | Пиран | Тиопиран |
 | .svg/1280px-Tetrahydropyran_(vzorec).svg.png) |  |  |  |  | |
| 7-атомное кольцо | Азепан | Оксепан | Тьепане | Азепин | Оксепин | Тьепин |
 |  |  |  |  |  | |
| 8-атомное кольцо | Азокан | Оксокан | Тиокан | Азоцин | Оксоцин | Тиоцин |
 |  |  |  |  |  | |
| 9-атомное кольцо | Азонан | Оксонан | Тионан | Азонин | Оксонин | Тионин |
 |  |  |  |  |  | |
Сплавленные/конденсированные кольца
Системы гетероциклических колец, которые формально получены путем слияния с другими кольцами, как карбоциклическими , так и гетероциклическими, имеют множество общих и систематических названий. Например, с бензоконденсированными ненасыщенными азотистыми гетероциклами пиррол дает индол или изоиндол в зависимости от ориентации. Аналогом пиридина является хинолин или изохинолин , а класс аналогов с двумя атомами азота известен как бензодиазины . Для азепина предпочтительным названием является бензазепин . Аналогично, соединения с двумя бензольными кольцами, конденсированными с центральным гетероциклом, являются карбазол , акридин и дибензоазепин. Тиенотиофены представляют собой слияние двух тиофеновых колец. Фосфафеналены представляют собой трициклическую фосфорсодержащую гетероциклическую систему, полученную из карбоцикла феналена .
История гетероциклической химии
История гетероциклической химии началась в 1800-х годах, одновременно с развитием органической химии . Некоторые примечательные события: [10]
- 1818: Бругнателли создает аллоксан из мочевой кислоты.
- 1832: Доберейнер производит фурфурол (фуран) путем обработки крахмала серной кислотой .
- 1834: Рунге получает пиррол («огненное масло») путем сухой перегонки костей.
- 1906: Фридлендер синтезирует краситель индиго , что позволило синтетической химии заменить крупную сельскохозяйственную промышленность.
- 1936: Трейбс выделяет производные хлорофилла из сырой нефти, объясняя биологическое происхождение нефти.
- 1951: Описаны правила Чаргаффа , подчеркивающие роль гетероциклических соединений ( пуринов и пиримидинов ) в генетическом коде.
Использует
Гетероциклические соединения широко распространены во многих областях естественных наук и технологий. [2] Многие лекарственные препараты представляют собой гетероциклические соединения. [11]
Смотрите также
Ссылки
- ^ Золотая книга ИЮПАК гетероциклические соединения
- ^ ab Thomas L. Gilchrist "Heterocyclic Chemistry" 3-е изд. Addison Wesley: Essex, England, 1997. 414 стр. ISBN 0-582-27843-0 .
- ^ Риз, Чарльз В. (1992). «Гетероциклическая химия полисеры и азота». Журнал гетероциклической химии . 29 (3): 639– 651. doi :10.1002/jhet.5570290306.
- ^ Эдон Витаку, Дэвид Т. Смит, Джон Т. Ньярдарсон (2014). «Анализ структурного разнообразия, закономерностей замещения и частоты гетероциклов азота среди одобренных FDA фармацевтических препаратов США». J. Med. Chem . 57 (24): 10257– 10274. doi :10.1021/jm501100b. PMID 25255204.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «Hantzsch–Widman name». doi :10.1351/goldbook.H02737
- ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-72091-1
- ^ "Stibinin". chemspider . Королевское химическое общество . Получено 11 июня 2018 г. .
- ^ "Bismin". ChemSpider . Королевское химическое общество . Получено 11 июня 2018 г. .
- ^ "Selenopyranium". ChemSpider . Королевское химическое общество . Получено 11 июня 2018 г. .
- ^ Кампань, Э. (1986). «Адриан Альберт и рационализация гетероциклической химии». Журнал химического образования . 63 (10): 860. Bibcode : 1986JChEd..63..860C. doi : 10.1021/ed063p860.
- ^ "IPEXL.com Multilingual Patent Search, Patent Ranking". www.ipexl.com . Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Получено 8 сентября 2010 г.
Внешние ссылки
.svg){kind=link}
- Номенклатура Ханча-Видмана, ИЮПАК
- Гетероциклические амины в приготовленном мясе, Центр по контролю и профилактике заболеваний США
- Список известных и вероятных канцерогенов, Американское онкологическое общество. Архивировано 13 декабря 2003 г. на Wayback Machine.
- Список известных канцерогенов штата Калифорния, Предложение 65 (более полный)
