Гетероциклическими соединениями называются – это соединения, молекулы которых содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько атомов других элементов (гетероатомов). Наибольшее значение имеют ГС, в цикл которых входят атомы N, O, S. К ним относят многие алкалоиды, витамины, антибиотики, природные пигменты; они входят в виде структурных фрагментов в молекулы нуклеиновых кислот, белков и др. соединений.
Г.С. – самый многочисленный класс органических соединений, включающий около ⅔ всех известных природных и синтетических органических веществ.
Согласно правилам номенклатуры ИЮПАК, для важнейших Г.С. сохраняются их тривиальные названия, например, пиррол, фуран, тиофен.
Пятичленные гетероциклы:
с одним гетероатомом с двумя гетероатомами
фуран тиофен пиррол тиазол имидазол
Шестичленные гетероциклы:
с одним гетероатомом с двумя гетероатомами
пиран пиридин пиримидин
Нумерация атомов в цикле всегда начинается с гетероатома и осуществляется таким образом, чтобы другие гетероатомы или заместители получили наименьшие номера.
В гетероциклах с одним гетероатомом атомы углерода иногда обозначают буквами греческого алфавита, начиная от С-атома, соседнего с гетероатомом:
Пиррол - пятичленный гетероцикл с одним гетероатомом. Это - бесцветная жидкость с запахом, напоминающем запах хлороформа, мало растворимая в воде, хорошо - в органических растворителях, при стоянии на воздухе темнеет вследствие окисления.
Строение пиррола.
Пиррол относится к ароматическим соединениям. Все атомы углерода и атом азота находятся в sp2 - гибридном состоянии. За счет гибридных орбиталей атомы углерода образуют s-связи друг с другом, с атомом азота и с атомами водорода, при этом образуется цикл из пяти атомов. Так как все гибридные орбитали располагаются в одной плоскости, молекула пиррола является плоской. У каждого атома углерода и у атома азота остается по одной негибридизованной p-орбитали, которые располагаются перпендикулярно плоскости молекулы и параллельно друг другу. У атомов углерода на p-орбиталях находится по одному электрону, а у атома азота – его электронная пара. p-Орбитали перекрываются над и под плоскостью цикла, образуя единое электронное облако, включающее 6 π-электронов, делокализованных (равномерно распределенных) по всему кольцу. Таким образом, строение пиррола подобно строению бензола.
Пиррол, как и бензол, и пиридин, подчиняется правилу ароматичности Хюккеля для n = 1.
Рассчитанное π -электронное распределение в молекуле пиррола показывает, что рассматриваемая система электроноизбыточная (шесть электронов перераспределены между пятью атомами кольца) и четыре атома углерода обладают большей электронной плотностью (р-,π- сопряжение), чем атомы «С» бензола.
Наибольшая электронная плотность сосредоточена на атоме азота пиррола. Атом азота в пирроле называют пиррольным атомом азота.
В молекулах пятичленных гетероциклов имеют место положительный мезомерный эффект – р,π-сопряжение и отрицательный индукционный эффект, направленный из кольца к гетероатому.