Związki heterocykliczne

Związki heterocykliczne – szeroka klasa pierścieniowych związków chemicznych, w których co najmniej jeden układ cykliczny zawiera jeden lub więcej atomów pierwiastków innych niż węgiel. Najczęściej spotykanymi pierwiastkami wchodzącymi w skład pierścieni są tlen, azot i siarka^[1]. Struktury te mogą obejmować zarówno układy aromatyczne, jak i alicykliczne. Prostymi związkami heterocyklicznymi są pirydyna (C₅H₅N), pirymidyna (C₄H₄N₂) oraz dioksan (C₄H₈O₂).

Zazwyczaj w chemii organicznej za związek hetorocykliczny uważa się każdy związek cykliczny, który zawiera w części cyklicznej inny pierwiastek niż węgiel. Jednakże istnieje kilka wyjątków od tej reguły: niektóre klasy związków organicznych, takie jak węglowodany, zazwyczaj nie są nazywane związkami heterocyklicznymi, mimo że z formalnego punktu widzenia nimi są. Ponadto wiele związków makrocyklicznych zwyczajowo nie jest nazywanych związkami heterocyklicznymi.

W przypadku wielu związków chemicznych, które są „standardowo” zbudowane z regularnie występujących dwóch rodzajów atomów (np. tlenu i węgla (eter koronowy) lub z krzemu i tlenu (cyklosiloksany), lub azotu i fosforu (fosfazen)) terminu „związek heterocykliczny” używa się dopiero wtedy, gdy w cyklu pojawiają się jeszcze jakieś inne atomy, np. azotu lub w przypadku cyklosiloksanów i fosfazenów – paradoksalnie – węgla.

Przegląd wybranych związków heterocyklicznych

Nazwa w liczbie mnogiej oznacza występowanie izomerów.

Pierścienie trójczłonowe

Heterocykle zbudowane z trzech atomów węgla są bardzo reaktywne z uwagi na występowanie znacznych naprężeń w obrębie pierścienia. Jeżeli obecny jest tylko jeden heteroatom, to związek taki jest zasadniczo stabilny w warunkach standardowych, jednakże związki zawierające dwa heteroatomy są bardzo nietrwałe, występują raczej jako reaktywne intermediaty. Do pospolitych związków z pierścieniem trójczłonowym należą:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	azyrydyna	azyryna
tlen	oksiran (tlenek etylenu)	oksiren
siarka	tiiran (siarczek etylenu)	tiiren

Do związków z dwoma heteroatomami należą:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	diazyrydyna	diazyryna
tlen	dioksiran	–
azot/tlen	oksazyrydyna	oksazyren

Pierścienie czteroczłonowe

Związki z jednym heteroatomem:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony
azot	azetydyna	azetyny^[b], azet^[a]
tlen	oksetan	okset^[a]^[b]
siarka	tietan	tiet^[a]^[b]

Związki z dwoma heteroatomami:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	diazetydyny	diazetyny^[a]
tlen	dioksetany	diokset^[a]^[b]
siarka	ditietany	ditiet^[a]^[b]

Pierścienie pięcioczłonowe

W przypadku tej grupy heterocykli związki nienasycone są bardziej rozpowszechnione ze względu na dodatkową stabilizację wynikającą z charakteru aromatycznego.

Pierścienie pięcioczłonowe z jednym heteroatomem:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony
azot	tetrahydropirol (azolidyna, pirolidyna)	dihydropirole (piroliny)^[b], pirol^[a]
tlen	tetrahydrofuran (oksolan)	dihydrofurany^[b], furan^[a]
siarka	tetrahydrotiofen (tiolan)	dihydrotiofeny^[b], tiofen^[a]
arsen	arsolan	arsol^[a]

Pierścienie pięcioczłonowe zawierające dwa heteroatomy, z których przynajmniej jeden jest azotem, zbiorczo nazywa się azolami. tiazole i izotiazole zawierają w cząsteczce atom azotu i siarki. ditiolany zawierają dwa atomy siarki.

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	imidazolidyna	pirazol, imidazol
azot/tlen	oksazolidyna	oksazol, izoksazol
azot/siarka	tiazolidyna	tiazol, izotiazol
tlen	dioksolany	dioksole
siarka	ditiolanyo	ditiole
tlen/siarka	oksatiolan	oksatiole

Ponadto istnieje duża grupa pierścieni pięcioczłonowych z trzema atomami heterocyklicznymi. Przykładem może być ditiazol, zawierający dwa atomy siarki i jeden azotu.

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	triazolidyny	triazole
azot/2×siarka	ditiazolidyny	ditiazole
2×azot/tlen	oksadiazolidyny	furazan, oksadiazol
2×azot/siarka	tiadiazolidyny	tiodiazol

Pierścienie pięcioczłonowe zawierające cztery heteroatomy:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	tetrazolidyna	tetrazole

Pierścienie sześcioczłonowe

Związki z jednym heteroatomem:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	piperydyna	pirydyna
tlen	tetrahydropiran	piran
siarka	tion	tiopiran

Związki z dwoma heteroatomami:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	piperazyna^[c]	diazyny
azot/tlen	morfolina^[c]	oksazyny
azot/siarka	tiomorfolina^[c]	tiazyny
siarka	ditiany	ditiiny
tlen	dioksany	dioksyny

Związki z trzema heteroatomami:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	triazynany	triazyny
tlen	trioksany	trioksyny

Związki z czterema heteroatomami:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	tetrazynany	tetrazyny

Pierścienie siedmioczłonowe

Do tych związków zalicza się jedynie układy alicykliczne, pozbawione charakteru aromatycznego:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	azepan	azepina
tlen	oksepan	oksepina
siarka	tiepan	tiepina

Związki z dwoma heteroatomami:

Heteroatom	Nasycony	Nienasycony^[a]
azot	diazepany	diazepiny
azot/siarka	diazepany	tiazepiny

Wzory strukturalne

Wzory strukturalne wybranych związków monoheterocyklicznych azotu, tlenu i siarki
	Nasycony			Nienasycony z maksymalną liczbą wiązań podwójnych
Heteroatom	azot	tlen	siarka	azot	tlen	siarka
3 atomy
Nazwa	azyrydyna	oksiran	tiran	2H-Azyryna	oksiren	tiren
Struktura
4 atomy
Nazwa	azetydyna	oksetan	tietan	azet	Kation oksetioniowy	Kation tietioniowy
Struktura
5 atomów
Nazwa	pirolidyna	tetrahydrofuran	tetrahydrotiofen	pirol	Furan	tiofen
Struktura
6 atomów
Nazwa	piperydyna	tetrahydropiran	tian	pirydyna	Kation piraniowy	Kation tiopiraniowy
Struktura
7 atomów
Nazwa	azepan	oksepan	tiepan	azepina	oksepina	tiepina
Struktura

Zobacz też

związki homocykliczne

Uwagi

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q ^r ^s ^t ^u ^v Pierścień z maksymalną możliwą liczbą wiązań podwójnych.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Pierścień z jednym wiązaniem podwójnym.
↑ ^a ^b ^c Heteroatomy w układzie 1,4.

Przypisy

↑ Eicher, T.; Hauptmann, S.: The Chemistry of Heterocycles: Structure, Reactions, Syntheses, and Applications. Wiley-VCH, 2nd ed. 2003. ISBN 3-527-30720-6.

[UMAX-2] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q ^r ^s ^t ^u ^v Pierścień z maksymalną możliwą liczbą wiązań podwójnych.

[U1-3] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Pierścień z jednym wiązaniem podwójnym.

[U14-4] Heteroatomy w układzie 1,4.

[1] Eicher, T.; Hauptmann, S.: The Chemistry of Heterocycles: Structure, Reactions, Syntheses, and Applications. Wiley-VCH, 2nd ed. 2003. ISBN 3-527-30720-6.

[1]

[a]

[b]

[c]