1. Шестичленні та пятичленні гетероцикли.

2. Класифікація гетероциклів.

3. Склад та номенклатура гетероциклів.

Гетероциклічними сполуками називаються речовини, у молекулі яких є цикли, які містять рядом з атомами вуглецю атоми інших елементів (гетероатоми).

Похідні гетероциклічних сполук мають фізіологічне значення; до них відносяться нуклеїнові кислоти, хлорофіл, ряд вітамінів, алкалоїди. Багато гетероциклічних сполук широко використовуються як лікарські препарати. Особливе значення мають сполуки, які містять у молекулі п'яти та шестичленні цикли, а також азот, кисень та сірку як гетероатоми. Ці атоми мають невеликий атомний об'єм, близькі до об'єму метиленової групи. У зв'язку з цим включення гетероатомів N, O, S замість груп -СН₂- та -СН= у циклічну групіровку мало сказується на напруженні циклу та почти не змінює загальну геометрію молекули.

Гетероциклічні сполуки класифікують по числу атомів у циклі, а також по числу та індивідуальності гетероатому. У особливу групу виділяють гетероцикли з конденсированими ядрами.

При найменуванні гетероциклів використовують тривіальні назви, наприклад фуран, піридин, пиримідин, індол, хінолін та ін.:

Нумерація у гетероциклах завжди знаходиться з гетероатомами. Для простих систем можливі позначки положення за допомогою греческих букв:  (на ряду з гетероатомом)  та  (по мірі віддалення від гетероатому).

Властивості гетероциклів визначаються не тільки гетероатомами які є, но і залежать від характеру зв'язку у циклі. Гетероцикли, не які містять кратних зв'язків, як правило по хімічним та фізичним властивостям схожі на відповідні ацекличні сполуки.

Фуран, тіофен, пірол.

Будова. Вони є важливішими пятичленими гетероциклами з одним гетероатомом.

Відомо, що циклічна система володіє ароматичними властивостями лиш тоді, коли вона має плоску будову, (4n + 2) делокалізованих - електронів (правило Хюккеля) та має непереривний ланцюг.

З трьох елементів - кисень, азот та сірка - кисень більш електронегативний елемент. Зі зрівнянням з азотом кисень міцніше тримає свої електрони, значить у фурані пари неподілених електронів гетероатому слабкіші, чим у піролі. Добре виражений ароматичний характер тіофену його слабкою електронегативністю сірки (менша, чим електронегативність азоту та кисню).

Добування. Добування із 1,4-дікарбонілмістящих сполук. Це один із найбільш загальних засобів синтезу п'ятичленних ароматичних гетероциклів з одним гетероатомом. 1,4-Дікарбонільне сполучення може бути дікетоном, дікарбоновою кислотою чи кетокислотою. При нагріванні цих сполук з дегідратирующим агентом (СаСІ₂, Н₂SO₄, P₂O₅ та ін.) утворюються похідні фурана; при проведенні дегідратації у середовищі аміаку - похідні піролу; у присутності фосфорних сполук сірки - похідні тіофену. Реакція дегідратації проходить, через утворення дієнолу:

Добуток фурану із слизової кислоти. При сухій перегонці слизової кислоти утворюється пірослизова кислота, при декарбоксилірованні якої (при нагріванні у запаяних трубках) маємо фуран:

Добуток фурану із фурфуролу. Фурфурол - найбільш доступне похідне фурану, добуте у промислових масштабах із сировини, багатого пентозанами. Гідролізом їх добувають з початку пентози, які потім проходять дегідратацію з циклізацією та перетворюються у фурфурол. Декарбонілірованієм фурфуролу добувають фуран:

Добуток тіофену у промисловості. Утворюється із бутану та парів сірки:

Добуток піролу із ацетилену та аміаку:

Взаємоперетворення фурану, тіофену та піролу. Між фураном, тіофеном та піролом є взаємозв'язок, відкритий вченим Ю.К. Юр’євим:

Ці перетворення названих гетероциклів друг у друга проходять при температурі 450⁰С у присутності триоксиду алюмінію.

Фізичні властивості. Фуран - безбарвна рідина, з запахом хлороформу. Тіофен - безбарвна рідина. Пірол - безбарвна рідина.

Хімічні властивості.

1. Р е а к ц і я е л е к т р о ф і л ь н о г о з а м і щ е н н я. Ці сполуки підвергаються нітруванню, сульфірованню, галогенірованню, ацилірованню та ін.. У всіх цих реакціях п'ятичленні гетероцикли ведуть себе активніше бензолу, нагадує своєю реакційною здібностью ароматичні аміни та феноли.

Галогеніровання. При бромуванні фурану на холоді, з початку відбувається приєднання молекули брому. Утворившаяся промежуточна речовина (яку не вдалося виділити) відщеплює молекулу бромної води та перетворюється у 2-бромфуран:

Для галогеніровання тіофену можна використовувати бром чи хлор при низькій температурі, при цьому можуть утворитися моно та полігалогентіофени. Найбільш дій сульфурил хлорид SO₂Cl₂:

При йодированні піролу утворюється тетрайодпіррол - йодол, який є добрим антисептиком. При дії сульфурилхлориду на холоді утворюється 2-хлорпіррол:

Сульфіровання. Фуран та пірол легші, чим тіофен, окислюються та осмолюються при дії мінеральних кислот. Осмоляюча дія кислот підтверджується тим, що з початку відбувається пронізація фурану по кисню:

При цьому пара електронів, які приймали участь у утворенні ароматичного секстету, виходить з подвійними зв'язками, ароматичність порушується і утворившийся оксієновий іон, який володіє властивостями дієна з подвійними зв'язками, легко полімеризується та засмолюється. Подібно веде себе і пірол. Тому сульфірування фуран та пірол вдається тільки пірідінсульфотріоксидом:

Підвищена стійкість тіофену дає можливість сульфіровати його сірчаною кислотою. По різності з бензолом він сульфітується на холоді:

Нітрування. Тіофен значно стійкий до дії мінеральних кислот, чим фуран та пірол, однак він все ж окислюється азотною кислотою з порушенням молекули. Так для нітрування тіофену, як і для нітрування фурану та піролу, використовують суміш оцтового ангідриду та азотної кислоти:

Ациліровання. Реакцію ациліровання по Фріделю-Крафтсу проводять у випадку фурану та піролу, використовуючи замість трихлориду алюмінію більш м’які каталізатори (SnCl₂, SnCl₄, ZnCl₂, BF₃):

2. Р е а к ц і ї г і д р і р о в а н і я. Гідрування фурану, тіофену та піролу приводить до насичених гетероциклічних систем, втративши ароматичні властивості. Фуран гідрується над нікелевим або платиновим каталізатором до тетрагідрофурану (ТГФ):

Тетрагідрофуран - цінний розчинник.

Тіофен повертається дією металевого натрію у аміаку чи спирті:

Тіофен та його гомологи містяться у сірчаних нафтах.

Електрохімічне повернення піролу може привести до продукту неповного гідрування - піроліну. Каталітичним поверненням у присутності нікелевого тапалладієвого каталізаторів можна добути піролідин:

Похідні піролу широко розповсюджені у природі, до їх числа відносяться такі важливі сполуки, як хлорофіл, гемоглобін, гетероциклічні амінокислоти, вітамін В₁₂. Багато із цих сполук містяться у молекулі особливої групи із чотирьох пірольних ядер, називаємо ядром порфіна:

При заміщенні атомів водню у - положенні пірольних кілець на радикали утворюється порфірин. Багато важливих природних сполук є металевими похідними порфіринів. Пігменти крові людини та тварини - гемоглобіни, містять атом заліза, є хромопротеїдами. Їх молекули складаються з двох частин - білкової частини (глобінів) та простатичної - гема:

Зелені пігменти рослин - хлорофіли, є маній похідними, у їх молекулі атоми азоту пов'язані з магнієм:

Хлорофілу належить роль у фотосинтезі - прийняття вуглекисневого газу зеленими рослинами за вдяки світовій енергії з утворенням органічної речовини. Фотосинтез є основним процесом утворення органічної речовини на Землі.