Гетероциклическое соединение или кольцевая структура представляет собой циклическое соединение , которое имеет атомы по меньшей мере два различных элементов , в качестве членов его кольца (колец). [1] Гетероциклическая химия - это раздел органической химии, изучающий синтез, свойства и применение этих гетероциклов . [2]
Примеры гетероциклических соединений включают все нуклеиновые кислоты, большинство лекарств, большую часть биомассы (целлюлозу и родственные материалы) и многие природные и синтетические красители. Более половины известных соединений представляют собой гетероциклы. [3] 59% одобренных FDA препаратов США содержат азотные гетероциклы. [4]
Классификация [ править ]
Изучение химии гетероциклов сосредоточено, в частности, на ненасыщенных производных, и преобладающая часть работ и применений включает в себя не напряженные 5- и 6-членные кольца. Включены пиридин, тиофен, пиррол и фуран. Другой большой класс гетероциклов относится к гетероциклам, конденсированным с бензольными кольцами. Например, конденсированные бензольные производные пиридина, тиофена, пиррола и фурана представляют собой хинолин, бензотиофен, индол и бензофуран соответственно. Слияние двух бензольных колец дает начало третьему большому семейству соединений. Аналогами ранее упомянутых гетероциклов для этого третьего семейства соединений являются акридин, дибензотиофен, карбазол и дибензофуран соответственно.
Гетероциклические соединения можно классифицировать на основе их электронной структуры. Насыщенные гетероциклы ведут себя как ациклические производные. Таким образом, пиперидин и тетрагидрофуран представляют собой обычные амины и простые эфиры с модифицированными стерическими профилями. Таким образом, изучение химии гетероциклов сосредоточено на ненасыщенных кольцах.
Неорганические кольца [ править ]
Некоторые гетероциклы не содержат углерода. Примерами являются боразин ( кольцо B 3 N 3 ), гексахлорфосфазены ( кольца P 3 N 3 ) и S 4 N 4 . По сравнению с органическими гетероциклами, которые имеют множество коммерческих применений, неорганические кольцевые системы представляют в основном теоретический интерес. ИЮПАК рекомендует номенклатуру Ганча-Видмана для наименования гетероциклических соединений. [5]
Примечания к спискам [ править ]
- «Гетероатомы» представляют собой атомы в кольце, кроме атомов углерода.
- Некоторые из названий относятся к классам соединений, а не к отдельным соединениям.
- Также не делается попыток перечислить изомеры.
3-членные кольца [ править ]
Хотя 3-членные гетероциклические кольца подвержены деформации кольца, они хорошо охарактеризованы. [6]
Трехчленные кольца с одним гетероатомом [ править ]
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Бор | Бориран | Borirene |
| Азот | Азиридин | Азирин |
| Кислород | Оксиран ( оксид этилена , эпоксиды ) | Оксирен |
| Фосфор | Фосфиран | Фосфирен |
| Сера | Тииран ( эписульфид ) | Тиирен |
Трехчленные кольца с двумя гетероатомами [ править ]
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| 2 × Азот | Диазиридин | Диазирин |
| Азот + кислород | Оксазиридин | |
| 2 × Кислород | Диоксиран (крайне нестабилен) |
4-членные кольца [ править ]
Четырехчленные кольца с одним гетероатомом [ править ]
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Азетидин | Азете |
| Кислород | Оксетан | Oxete |
| Сера | Тиетан | Thiete |
Четырехчленные кольца с двумя гетероатомами [ править ]
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| 2 × Азот | Диазетидин | Диазете |
| 2 × Кислород | Диоксетан | Диоксет |
| 2 × Сера | Дитиетан | Dithiete |
5-членные кольца [ править ]
Пятичленные кольца с одним гетероатомом [ править ]
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Сурьма | Стиболан | Стибол |
| Мышьяк | Арсолан | Арсоль |
| Висмут | Бисмолан | Bismole |
| Бор | Боролан | Бороле |
| Азот | Пирролидин («Азолидин» не используется) | Пиррол («Азол» не используется) |
| Кислород | Тетрагидрофуран | Фуран |
| Фосфор | Фосфолан | Фосфол |
| Селен | Селенолан | Селенофен |
| Кремний | Силациклопентан | Силоле |
| Сера | Тетрагидротиофен | Тиофен |
| Теллур | Теллурофен | |
| Банка | Станнолан | Stannole |
Пятичленные кольца с двумя гетероатомами [ править ]
Соединения с 5-членным кольцом, содержащие два гетероатома, по крайней мере, один из которых является азотом, все вместе называются азолами . Тиазолы и изотиазолы содержат в кольце атом серы и азота. Дитиоланы имеют два атома серы.
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенный (и частично ненасыщенный) |
|---|---|---|
| 2 × азот | Имидазолидин пиразолидин | Имидазола ( Имидазолиновый ) пиразол ( пиразолиновый ) |
| Кислород + сера | Оксатиолидин Изокстиолидин | Оксатиол ( оксатиолин ) Изоксатиол |
| Азот + сера | Тиазолидин Изотиазолидин | Тиазол ( тиазолин ) изотиазол |
| 2 × кислород | Диоксолан | |
| 2 × сера | Дитиолан |
Пятичленные кольца не менее чем с тремя гетероатомами [ править ]
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.
| Гетероатомы | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| NNN | Триазолы | |
| NNO | Фуразан Оксадиазол | |
| NNS | Тиадиазол | |
| НЕТ | Диоксазол | |
| НСС | Дитиазол | |
| NNNN | Тетразол | |
| NNNNO | Оксатетразол | |
| NNNNS | Тиатетразол | |
| NNNNN | Пентазол |
6-членные кольца [ править ]
Шестичленные кольца с одним гетероатомом [ править ]
- Имена, выделенные курсивом, сохранены IUPAC и не соответствуют номенклатуре Hantzsch-Widman.
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный | Ионы |
|---|---|---|---|
| Сурьма | Стибинин [7] | ||
| Мышьяк | Арсинан | Арсинин | |
| Висмут | Бисмин [8] | ||
| Бор | Borinane | Боринин | Боратабензол анион |
| Германий | Germinane | Germine | |
| Азот | Пиперидин (Азинан не используется) | Пиридин ( Азин не используется) | Катион пиридиния |
| Кислород | Оксан | Пиран (2 H - оксин не используется) | пирилиевый катион |
| Фосфор | Фосфинан | Фосфинин | |
| Селен | Селенан | Селенопиран [9] | Селенопирил катион |
| Кремний | Силинан | Силин | |
| Сера | Тиан | Тиопиран (2 H- Tiine не используется) | Thiopyrylium катионом |
| Теллур | Теллуран | Теллуропиран | Telluropyrylium катионом |
| Банка | Станнинан | Станнин |
Шестичленные кольца с двумя гетероатомами [ править ]
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот / азот | Диазинан | Диазин |
| Кислород / азот | Морфолин | Оксазин |
| Сера / азот | Тиоморфолин | Тиазин |
| Кислород / кислород | Диоксан | Диоксин |
| Сера / сера | Дитиан | Дитхиин |
| Бор / азот | 1,2-дигидро-1,2-азаборин |
Шестичленные кольца с тремя гетероатомами [ править ]
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Триазинан | Триазин |
| Кислород | Триоксан | |
| Сера | Trithiane |
Шестичленные кольца с четырьмя гетероатомами [ править ]
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Тетразин |
Карборазин представляет собой шестичленное кольцо с двумя гетероатомами азота и двумя гетероатомами бора.
Шестичленные кольца с пятью гетероатомами [ править ]
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Пентазин |
Шестичленные кольца с шестью гетероатомами [ править ]
Гипотетическое соединение с шестью гетероатомами азота будет гексазином .
Боразин представляет собой шестичленное кольцо с тремя гетероатомами азота и тремя гетероатомами бора.
7-членные кольца [ править ]
В 7-членном кольце гетероатом должен обеспечивать пустую π-орбиталь (например, бор), чтобы была доступна «нормальная» ароматическая стабилизация; в противном случае возможна гомоароматичность . К соединениям с одним гетероатомом относятся:
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Бор | Borepin | |
| Азот | Азепане | Азепин |
| Кислород | Oxepane | Oxepine |
| Сера | Thiepane | Thiepine |
Те, у кого есть два гетероатома, включают:
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Диазепан | Диазепин |
| Азот / сера | Тиазепин |
8-членные кольца [ править ]
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| 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 [ править ]
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Азонане | Азонин |
| Кислород | Оксонан | Оксонин |
| Сера | Тионан | Тионин |
Изображения колец с одним гетероатомом [ править ]
- Имена, выделенные курсивом, сохранены IUPAC и не соответствуют номенклатуре Hantzsch-Widman.
| Насыщенный | Ненасыщенный | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Гетероатом | Азот | Кислород | Сера | Азот | Кислород | Сера | |
| 3-атомное кольцо | Азиридин | Оксиран | Тииран | Азирин | Оксирен | Тиирен | |
| 4-атомное кольцо | Азетидин | Оксетан | Тиетан | Азете | Oxete | Thiete | |
| 5-атомное кольцо | Пирролидин | Оксолан | Тиолан | Пиррол | Фуран | Тиофен | |
| 6-атомное кольцо | Пиперидин | Оксан | Тиан | Пиридин | Пиран | Тиопиран | |
| 7-атомное кольцо | Азепане | Oxepane | Thiepane | Азепин | Oxepine | Thiepine | |
| 8-атомное кольцо | Азокан | Оксокан | Тиокан | Азоцин | Оксоцин | Тиоцин | |
| 9-атомное кольцо | Азонане | Оксонан | Тионан | Азонин | Оксонин | Тионин | |
Сплавленные кольца [ править ]
Системы гетероциклических колец, которые формально образуются путем слияния с другими кольцами, карбоциклическими или гетероциклическими, имеют множество общих и систематических названий. Например, с бензоконденсированными гетероциклами с ненасыщенным азотом пиррол дает индол или изоиндол в зависимости от ориентации. Аналог пиридина - хинолин или изохинолин . Для азепина предпочтительным названием является бензазепин . Аналогичным образом, соединения с двумя бензольными кольцами, слитыми с центральным гетероциклом, представляют собой карбазол , акридин и дибензоазепин. Тиенотиофен - это сплав двух тиофеновых колец. Фосфафеналенпредставляют собой трициклическую фосфорсодержащую гетероциклическую систему, полученную из карбоцикла фенален .
История химии гетероциклов [ править ]
История гетероциклической химии началась в 1800-х годах, одновременно с развитием органической химии . Некоторые наиболее важные изменения: [10]
1818: Brugnatelli изолирует аллоксан из мочевой кислоты
1832: Dobereiner производит фурфурол (фуран) путем обработки крахмала с серной кислотой
1834: Рунг получает пиррола ( «огненно масло») путем сухой перегонки костей
1906: Фридлендер синтезирует краситель индиго , позволяющий синтетической химии вытеснить крупную сельскохозяйственную промышленность
1936: Treibsвыделяет производные хлорофила из сырой нефти, объясняя биологическое происхождение нефти.
1951: описаны правила Чаргаффа , подчеркивающие роль гетероциклических соединений ( пуринов и пиримидинов ) в генетическом коде.
Использует [ редактировать ]
Гетероциклические соединения широко используются во многих областях наук о жизни и технологий. [2] Многие лекарства являются гетероциклическими соединениями. [11]
Ссылки [ править ]
- ^ Гетероциклические соединения Золотой книги ИЮПАК
- ^ a b Томас Л. Гилкрист "Гетероциклическая химия" 3-е изд. Аддисон Уэсли: Эссекс, Англия, 1997. 414 стр. ISBN 0-582-27843-0 .
- Перейти ↑ Rees, Charles W. (1992). «Полисерно-азотная гетероциклическая химия». Журнал химии гетероциклов . 29 (3): 639–651. DOI : 10.1002 / jhet.5570290306 .
- ^ Эдон Витаку, Дэвид Т. Смит, Джон Т. Ньярдарсон (2014). «Анализ структурного разнообразия, моделей замещения и частоты гетероциклов азота среди фармацевтических препаратов, одобренных FDA США». J. Med. Chem . 57 : 10257-10274. DOI : 10.1021 / jm501100b . PMID 25255204 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Имя Ханча – Видмана ». DOI : 10,1351 / goldbook.H02737
- ^ Смит, Майкл Б .; Март, Джерри (2007), Расширенная органическая химия: реакции, механизмы и структура (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-72091-1
- ^ "Стибинин" . химспайдер . Королевское химическое общество . Проверено 11 июня 2018 .
- ^ "Бисмин" . ChemSpider . Королевское химическое общество . Проверено 11 июня 2018 .
- ^ "Селенопираний" . ChemSpider . Королевское химическое общество . Проверено 11 июня 2018 .
- Перейти ↑ Campaigne, E. (1986). «Адриен Альберт и рационализация гетероциклической химии». Журнал химического образования . 63 (10): 860. DOI : 10.1021 / ed063p860 .
- ^ "Многоязычный патентный поиск IPEXL.com, рейтинг патентов" . www.ipexl.com .
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с гетероциклическими соединениями . |
 | В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Гетероциклическое соединение |
- Номенклатура Ханча-Видмана, ИЮПАК
- Гетероциклические амины в вареном мясе, CDC США
- Список известных и вероятных канцерогенов, Американское онкологическое общество
- Список известных канцерогенов штата Калифорния , Предложение 65 (более полное)
