Гетероциклические соединения - соединения, c одним или более атомов в цикле которых представляют собой гетероатом, в основном $O$, $N$, $S$. Они принадлежат к одним из самых распространенных природных соединений (алкалоиды, пигменты, витамины, продукты жизнедеятельности биологических систем) и характеризуются достаточно разнообразными строением и свойствами.
Условно гетероциклические соединения разделяют на насыщенные, ненасыщенные и ароматические. К насыщенным можно отнести циклические эфиры (оксид этилена, тетрагидрофуран), лактамы (бутиролактам, капролактам), циклические ангидриды (янтарный). Их химические свойства почти не отличаются от свойств аналогов линейного строения.
Ненасыщенные гетероциклические соединения, например дигидрофуран, пирролены, дигидропираны, в определенной степени отличаются от ненасыщенных соединений с открытой цепью тем, что для них характерно заметное взаимное влияние двойной связи и гетероатома при смежном расположении.
Существует также большая и важная группа ненасыщенных пяти- и шестичленных гетероциклов, которые проявляют ароматический характер и подчиняются правилу Хюккеля.
Пиридин
Пиридин по своему строению напоминает бензол, в котором вместо $CH$-группы содержится атом азота, электрононегативнлсть которого больше, чем углерода. В молекуле пиридина неподеленная пара электронов атома азота, которая расположена экваториально к плоскостным кольца, участия в сопряжении ароматического секстета не участвует и придает соединению определенные основные свойства:
Рисунок 1.
По электронной конфигурации атом азота в молекуле пиридина существенно отличается от азота в пирроле. Так, в пиридине атом азота соединен с атомами углерода с помощью двух $sp^2$-гибридных орбиталей, один р-электрон азота отдает на образование сопряженного $\pi$- электронной облака кольца, и на третий $sp^2$-орбитали размещается неразделенная пара электронов.
Присутствие электроноакцепторного азота в молекуле пиридина вызывает смещение электронной плотности $\pi$-связей от него, в результате чего ароматическое кольцо теряет электронную плотность и практически на всех атомах углерода возникают незначительные положительные заряды. Такие особенности строения пиридина иллюстрируют резонансные формулы III-V:
Рисунок 2.
Кроме того, в результате смещення $\pi$-электронного облака к атому азота пиридин имеет дипольншй момент ($\mu$ = 2,26 $D$), больший, чем для пиперидина - полностью гидрированного пиридина ($\mu$ = 1,17 $D$) и пиррола ($\mu$ = 1,75 $D$).
Электронографические исследования показывают, что пиридин имеет строение почти правильного шестиугольника, подобно бензолу. Энергия его резонанса мало чем отличается от соответствующей величины бензола и составляет по разным данным 116,7-155 кДж / моль.
Конформация шестичленных гетероциклов
Внедрение в пятичленный цикл гетероатома азота, кислорода или серы с образованием шестичленного цикла делает такие молекулы аналогичны циглогексану, при чем конформации таких гетероциклов существенно не отлечаются от кресловидной формы цикла, незначительные изменения наблюдаются только в длинах связей и валентных углах при гетероатомах. Для всех этих гетероциклов - тиана, пиперидина, тетрагидропирана и прочих наиболее стабильной конформационной формой остается форма кресла:
Рисунок 3.
Конформация монозамещенных шестичленных гетероциклов
Введение нескольких гетероатомов в эти циклы приводит к тому, что в них частично снимаются ван-дер-ваальсовые взаимодействия несвязанных атомов двух заместителей. Этот эффект может быть наглядно проиллюстрирован на примере цис-формы 5-трет-бутил-2-метил-1,8-диоксана, у которого преобладает конформационная форма с аксиальным расположением трет-бутильного заместителя и экваториальным расположением метильной группы. При таком аксиальном заместителе в этом соединении нет эффекта 1,3-диаксиального отталкивания, поскольку такое расположение занимаются двумя атомами кислорода. Таким образом, стерический эффект заместителей в таких гетероциклических соединениях играют менее заметную роль, чем в случае производных циклогексана.
Рисунок 4.
Отличительной особенностью монозамещенных производных шестичленных гетероциклов является то, что для них предпочтительно аксиальное расположение электроноакцепторных заместителей при соседнем к гетероатому атому углерода $C-2$. Так, например, доля аксиального конформера для 2-метокситетрагидропирана в $CCl_4$ составляет 83%, а для 2-трихлорэтокситетрагидропирана она возрастает до 95%.
Рисунок 5.
Конформация дизамещенных шестичленных гетероциклов
В 1,3-дизамещенных шестичленных гетероциклах электроно-акцепторные группы при $C-2$ также стремятся занять аксиальные положения, где это стремление выражено более сильно, чем для гетероциклов с одним гетероатомом. Транс-2,3-дихлор-1,4-диоксаны, 1,4-дитианы и в растворе и в кристалле целиком находятся в диаксиальной конформации.
Рисунок 6.
Для всех этих соединений наблюдается явно выраженное отклонение от конформационного поведения, характерного для карбоциклических соединений. Отклонение конформационного поведения для целой группы соединений от принятого стандарта принято называть конформационным эффектом, который в данном случае носит название аномерный эффект. Следует заметить, что аномерный эффект как явление был открыт при изучении конформации гексапиранозмоносахаридов, которым он обязан и своим названием. В три-$O$-ацетил-$\beta$-$D$-ксилопиранозилхлориде все заместители находятся в аксиальном положении.
Рисунок 7.
