Гетероциклическое соединение - Heterocyclic compound
А гетероциклическое соединение или же кольцевая структура это циклическое соединение который имеет атомы как минимум двух разных элементы как члены его кольца (а).[1] Гетероциклическая химия это филиал органическая химия имея дело с синтезом, свойствами и приложениями этих гетероциклы.[2]
Примеры гетероциклических соединений включают все нуклеиновые кислоты, большинство лекарств, большую часть биомассы (целлюлозу и родственные материалы) и многие природные и синтетические красители. 59% одобренных FDA лекарств США содержат гетероциклы азота,[3] из-за его способности улучшать растворимость и селективность молекулы лекарства.
Классификация
Хотя гетероциклические химические соединения могут быть неорганическими соединениями или органическими соединениями, большинство из них содержат по крайней мере один углерод. Хотя атомы, которые не являются ни углеродом, ни водородом, в органической химии обычно называют гетероатомами, это обычно сравнивают с полностью углеродной основной цепью. Но это не препятствует тому, чтобы такое соединение, как боразин (не имеющее атомов углерода), было названо «гетероциклическим». ИЮПАК рекомендует Номенклатура Ганча-Видмана для наименования гетероциклических соединений.[4]
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, в первую очередь, на ненасыщенных производных, и преобладающая часть работ и применений связана с недеформированными 5- и 6-членными кольцами. Включены пиридин, тиофен, пиррол и фуран. Другой большой класс гетероциклов относится к гетероциклам, конденсированным с бензольными кольцами. Например, конденсированные бензольные аналоги 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. Ненасыщенные кольца можно классифицировать по участию гетероатома в сопряженной пи-системе.
3-членные кольца
Гетероциклы с тремя атомами в кольце выше по энергии и более реакционноспособны из-за напряжение кольца. Те, которые содержат один гетероатом, в целом стабильны. Те, у которых есть два гетероатома, чаще встречаются как реактивные промежуточные соединения. Валентные углы C-X-C (где X представляет собой гетероатом) в оксиранах и азиридинах очень близки к 60 °, а периферийные валентные углы H-C-H близки к 180 °.[нужна цитата ]
Трехчленные кольца с один гетероатом
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Бор | Бориран | Borirene |
| Азот | Азиридин | Азирин |
| Кислород | Оксиран (окись этилена, эпоксиды ) | Оксирен |
| Фосфор | Фосфиран | Фосфирен |
| Сера | Тииран (эписульфиды ) | Тиирен |
Трехчленные кольца с два гетероатомы
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Диазиридин | Диазирин |
| Азот / кислород | Оксазиридин | |
| Кислород | Диоксиран |
4-членные кольца
Четырехчленные кольца с один гетероатом
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Азетидин | Азете |
| Кислород | Оксетан | Oxete |
| Сера | Тиетан | Thiete |
Четырехчленные кольца с два гетероатомы
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Диазетидин | Диазете |
| Кислород | Диоксетан | Диоксет |
| Сера | Дитиетан | Dithiete |
5-членные кольца
Пятичленные кольца с один гетероатом
| 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 два гетероатомы
5-членные кольцевые соединения, содержащие два гетероатомы, по крайней мере, один из которых является азотом, вместе называются азолы. Тиазолы и изотиазолы содержат в кольце атом серы и азота. Дитиоланы имеют два атома серы.
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный (и частично ненасыщенный) |
|---|---|---|
| Азот | Имидазолидин Пиразолидин | Имидазол (Имидазолин ) Пиразол (Пиразолин ) |
| Кислород | Оксазолидин Изоксазолидин | Оксазол (Оксазолин ) Изоксазол |
| Сера | Тиазолидин Изотиазолидин | Тиазол (Тиазолин ) Изотиазол |
| Кислород / кислород | Диоксолан | |
| Сера / сера | Дитиолан |
Пятичленные кольца с не менее три гетероатомы
Большая группа 5-членных кольцевых соединений с три или более гетероатомов также существует. Одним из примеров является класс дитиазолы, которые содержат два атома серы и один атом азота.
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| 3 × Азот | Триазолы | |
| 2 × азот / 1 × кислород | Фуразан Оксадиазол | |
| 2 × азот / 1 × сера | Тиадиазол | |
| 1 × азот / 2 × кислород | Диоксазол | |
| 1 × азот / 2 × сера | Дитиазол | |
| 4 × Азот | Тетразол | |
| 4 × Азот / 1 × Кислород | Оксатетразол | |
| 4 × Азот / 1 × Сера | Тиатетразол | |
| 5 × Азот | Пентазол |
6-членные кольца
Шестичленные кольца с один гетероатом
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный | Ионы |
|---|---|---|---|
| Сурьма | Стибинин[5] | ||
| Мышьяк | Арсинан | Арсинин | |
| Висмут | Бисмин[6] | ||
| Бор | Borinane | Боринин | Боратабензол анион |
| Германий | Germinane | Germine | |
| Азот | Пиперидин (Азинан не используется) | Пиридин (Азин не используется) | Пиридиний катион |
| Кислород | Тетрагидропиран | Пиран (2ЧАС-Оксин не используется) | Пирилий катион |
| Фосфор | Фосфинан | Фосфинин | |
| Селен | Селенопириллий катион | ||
| Кремний | Силинан | Силин | |
| Сера | Тиан | Тиопиран (2ЧАС-Thiine не используется) | Тиопирилий катион |
| Теллур | Теллуропирилий катион | ||
| Банка | Станнинан | Станнин |
Шестичленные кольца с два гетероатомы
| 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 три гетероатомы
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Триазинан | Триазин |
| Кислород | Триоксан | |
| Сера | Trithiane |
Шестичленные кольца с четыре гетероатомы
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Тетразин |
Карборазин представляет собой шестичленное кольцо с двумя гетероатомами азота и двумя гетероатомами бора.
Шестичленные кольца с пятью гетероатомами
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Пентазин |
Шестичленные кольца с шестью гетероатомами
Гипотетическое соединение с шестью гетероатомами азота было бы гексазин.
Боразин представляет собой шестичленное кольцо с тремя гетероатомами азота и тремя гетероатомами бора.
7-членные кольца
В 7-членных кольцах гетероатом должен обеспечивать пустую пи-орбиталь (например, бор), чтобы была доступна «нормальная» ароматическая стабилизация; иначе, гомоароматичность может быть возможно. 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
| 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
| Гетероатом | Насыщенный | Ненасыщенный |
|---|---|---|
| Азот | Азонане | Азонин |
| Кислород | Оксонан | Оксонин |
| Сера | Тионан | Тионин |
Изображений
- Имена, выделенные курсивом, сохраняются ИЮПАК и они не следуют Номенклатура Ганча-Видмана
| 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 | |
 |  |  |  |  |  | ||
Плавленые кольца
Системы гетероциклических колец, которые формально образуются путем слияния с другими кольцами, либо карбоциклический или гетероциклический, имеют множество общих и систематических названий. Например, с бензоконденсированными гетероциклами с ненасыщенным азотом пиррол обеспечивает индол или же изоиндол в зависимости от ориентации. Аналог пиридина - это хинолин или же изохинолин. Для азепина бензазепин предпочтительное имя. Точно так же соединения с двумя бензольными кольцами, конденсированными с центральным гетероциклом, являются карбазол, акридин и дибензоазепин. Тиенотиофен представляют собой слияние двух тиофеновых колец. Фосфафенален представляют собой трициклическую фосфорсодержащую гетероциклическую систему, полученную из карбоцикла фенален.
История гетероциклической химии
История гетероциклической химии началась в 1800-х годах, одновременно с развитием органическая химия. Некоторые заслуживающие внимания разработки:[7]
1818: изоляты Brugnatelli аллоксан из мочевая кислота
1832: Доберейнер производит фурфурол (фуран) путем лечения крахмал с серная кислота
1834: Рунге получает пиррол («огненное масло») путем сухой перегонки костей
1906: Фридлендер синтезирует краситель индиго, позволяя синтетической химии вытеснить крупную сельскохозяйственную промышленность
1936: Treibs выделяет производные хлорофила из сырой нефти, объясняя биологическое происхождение нефти.
1951: Правила Чаргаффа описаны, подчеркивая роль гетероциклических соединений (пурины и пиримидины ) в генетическом коде.
Использует
Гетероциклические соединения широко используются во многих областях наук о жизни и технологий.[2] Многие препараты представляют собой гетероциклические соединения.[8]
Рекомендации
- ^ Золотая книга ИЮПАК гетероциклические соединения
- ^ а б Томас Л. Гилкрист "Гетероциклическая химия" 3-е изд. Аддисон Уэсли: Эссекс, Англия, 1997. 414 стр. ISBN 0-582-27843-0.
- ^ 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. Дои:10.1021 / jm501100b. PMID 25255204.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
- ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Имя Ханча – Видмана ". Дои:10.1351 / goldbook.H02737
- ^ «Стибинин». химический паук. Королевское химическое общество. Получено 11 июн 2018.
- ^ «Бисмин». ChemSpider. Королевское химическое общество. Получено 11 июн 2018.
- ^ Кампейн, Э. (1986). «Адриен Альберт и рационализация гетероциклической химии». Журнал химического образования. 63 (10): 860. Дои:10.1021 / ed063p860.
- ^ "Многоязычный патентный поиск IPEXL.com, рейтинг патентов". www.ipexl.com.
