18.5 Общая характеристика гетероциклических соединений с двумя и более гетероатомами

Определения и обозначения

Гетероциклические соединения с двумя и более гетероатомами — циклические органические вещества, в кольце которых присутствуют два или более атомов, отличных от углерода. Такие атомы называют гетероатомами; часто это азот, кислород или сера. Определение помогает отличать эти вещества от углеводородных циклов, в которых кольцо построено только из атомов углерода.

Азолы — пятичленные ароматические гетероциклы с одним или несколькими атомами азота и гетероатомом кислорода или серы. К этой группе относятся, например, оксазолы и тиазолы, а также соединения с двумя атомами азота — имидазол и пиразол. Название класса подсказывает, что кольцо содержит пять атомов, а его строение поддерживает ароматическую систему.

Диазины — шестичленные ароматические гетероциклы с двумя атомами азота; их различают по взаимному положению атомов азота. Это пиридазин, пиримидин и пиразин. Такая классификация нужна, чтобы не смешивать вещества с одинаковым составом, но разным расположением атомов в кольце.

Конденсированные гетероциклы — соединения, содержащие два или более цикла, соединённых общими атомами. Пример — пурин, в котором объединены пяти- и шестичленный циклы. Понятие «конденсированный» помогает описывать сложные кольцевые системы, не сводя их к одному простому циклу.

Как это устроено

Размер цикла определяют подсчётом всех атомов, образующих кольцо, а не только атомов углерода. Пятичленные циклы с несколькими гетероатомами относят, например, к азолам, шестичленные с двумя атомами азота — к диазинам. Если в молекуле два цикла имеют общие атомы, перед нами конденсированная система: поэтому пурин нельзя описать как один пяти- или шестичленный цикл.

Многие такие кольца ароматичны, потому что атомы в них могут образовать непрерывную систему сопряжения: соседние p-орбитали перекрываются, а π-электроны распределяются по циклу. При подходящем числе электронов эта система оказывается особенно устойчивой; для простых ароматических циклов ориентируются на правило 4n + 2 π-электронов. Электроны гетероатомов иногда тоже вносят вклад, и без этого вклад цикла может не набрать нужного числа электронов.

Неподелённая электронная пара — пара электронов, не образующая обычную связь. Её роль зависит от типа атома и его положения в кольце: одна пара может занимать p-орбиталь и участвовать в общей π-системе, а другая — находиться в орбитали вне этой системы. Поэтому нельзя считать все пары гетероатомов одинаковыми: доступная для связи пара может принимать протон, а участвующая в ароматичности уже помогает стабилизировать кольцо.

Разное положение гетероатомов создаёт позиционные изомеры — вещества с одинаковым составом, но различным порядком атомов в цикле. Перестановка азота меняет распределение электронной плотности, то есть то, насколько легко электронное облако смещается в разных частях молекулы. Это влияет на основность и на реакционную способность: одни участки кольца могут охотнее связывать частицы или вступать в реакции, чем другие.

Важные представители различаются и составом, и положением гетероатомов. Имидазол и пиразол содержат два атома азота, но в первом они разделены атомом углерода, а во втором соседствуют; оксазол и тиазол содержат азот вместе с кислородом или серой. Пиридазин, пиримидин и пиразин — изомеры с двумя атомами азота в шестичленном цикле, триазины содержат три атома азота, а пурин объединяет два цикла. Эти структуры встречаются в биологически важных веществах, лекарствах и других практических соединениях.

Классификация и особенности гетероциклов с двумя и более гетероатомами

Сначала по таблице определите размер и тип цикла, затем сравните состав и расположение гетероатомов. Это позволяет отличить классы и найти позиционные изомеры, даже если формула у них одинаковая. Последний столбец показывает, почему эти структуры важны за пределами классификации.

Разбор задач

Задача 1. Распределите имидазол, оксазол, тиазол и пиримидин по размеру цикла и укажите гетероатомы в составе каждого соединения. Решение начинаем не с названия, а с классификационного признака: числа атомов в кольце. Затем перечисляем гетероатомы, чтобы связать размер цикла с классом вещества.

1. Имидазол — пятичленный цикл: в нём три атома углерода и два атома азота. Значит, это азол с двумя атомами N.
2. Оксазол и тиазол тоже пятичленные, но в каждом по одному атому азота и по одному другому гетероатому. В оксазоле это O, а в тиазоле — S.
3. Пиримидин — шестичленный цикл с четырьмя атомами углерода и двумя атомами азота. Следовательно, он относится к диазинам, а не к азолам.

Ответ: имидазол, оксазол и тиазол — пятичленные циклы; пиримидин — шестичленный. Имидазол содержит N и N, оксазол — N и O, тиазол — N и S, пиримидин — два N.

Задача 2. Сравните пиридазин, пиримидин и пиразин: чем они отличаются и какие являются позиционными изомерами? У всех трёх веществ одинаковый размер цикла и число атомов азота. Поэтому нужно сравнить не формулы, а номера положений, занимаемых атомами азота при обходе кольца.

1. В пиридазине атомы азота стоят рядом, то есть занимают положения 1,2. Это отличает его от двух остальных изомеров.
2. В пиримидине между атомами азота находится один атом углерода, поэтому их положения — 1,3. В пиразине азоты расположены напротив друг друга — в положениях 1,4.
3. Каждую пару веществ можно считать позиционными изомерами: состав и размер кольца у них совпадают, а расположение N меняется. Из-за этого электронная плотность и свойства могут различаться.

Ответ: пиридазин — 1,2-диазин, пиримидин — 1,3-диазин, пиразин — 1,4-диазин. Все три являются позиционными изомерами друг друга.

Задача 3. Объясните, почему имидазол сохраняет ароматичность и проявляет основные свойства, несмотря на наличие двух атомов азота. Чтобы ответить, нужно рассматривать не просто число атомов азота, а назначение электронной пары каждого из них. Такой разбор одновременно объясняет и устойчивость кольца, и способность соединения связывать протон.

1. У одного атома азота пиррольный тип: его неподелённая пара входит в общую π-систему кольца. Вместе с π-электронами связей это даёт устойчивую ароматическую систему с шестью π-электронами.
2. У второго атома азота пиридиновый тип: его неподелённая пара не входит в ароматическую π-систему. Поэтому для участия в связи с протоном эта пара доступна.
3. Присоединение протона к доступной паре объясняет основные свойства имидазола. При этом ароматическая система сохраняется, поскольку протон принимает пара, которая не обеспечивала ароматичность кольца.

Ответ: одна пара азота поддерживает ароматичность, а другая может связывать протон. Различие ролей двух атомов азота позволяет имидазолу быть одновременно ароматическим и проявлять основные свойства.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все неподелённые электронные пары гетероатомов частью ароматической π-системы. Так думают, потому что оба типа пар не нарисованы как обычные связи, но их орбитальное положение может быть разным. Проверка: установите, какая пара перекрывается с p-орбиталями цикла, а какая остаётся вне сопряжения.

Ошибка — путать позиционные изомеры диазинов. Часто запоминают три названия, но не соотносят их с положениями азотов. Проверка проста: отметьте первый N как положение 1 и посчитайте, где находится второй — в 2, 3 или 4.

Ошибка — называть любой гетероцикл с двумя атомами азота имидазолом. Такое название подходит только конкретному пятичленному кольцу с определённым расположением атомов; пиразол тоже имеет два N, но они соседствуют. Проверяйте и размер цикла, и положение каждого гетероатома.

Ошибка — ожидать, что большее число атомов азота всегда означает более сильные основные свойства. Азот может не только предоставить электронную пару, но и оттягивать электронную плотность, снижая её доступность для протонирования. Сравнивайте строение и доступность пары, а не просто подсчитывайте атомы азота.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении бензола, ароматичности, сопряжении и неподелённых электронных парах: они объясняют устойчивость кольца и роль гетероатомов. Классификация циклов и основы номенклатуры помогают читать названия и отличать позиционные изомеры. Эти знания пригодятся при изучении нуклеиновых оснований, других азотсодержащих биомолекул, лекарств и механизмов органических реакций.

Что запомнить

• Гетероциклы с двумя и более гетероатомами классифицируют по размеру цикла, числу, природе и положению гетероатомов.
• Азолы — преимущественно пятичленные ароматические гетероциклы.
• Диазины — шестичленные циклы с двумя атомами азота.
• Положение гетероатомов создаёт позиционные изомеры и изменяет свойства соединения.
• Не каждая неподелённая пара гетероатома входит в ароматическую π-систему.
• К важным конденсированным гетероциклам относится пурин.
• Многие многогетероатомные гетероциклы имеют биологическое и практическое значение.