Związki heterocykliczne

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.

Treści tej strony poświęcona jest pewnym zagadnieniom dotyczącym aromatycznych związków heterocyklicznych. Pojęcie aromatyczności reprezentowane przez benzen jest znane i stosunkowo proste. Różnica między benzenem z jednej strony a alkenami z drugiej jest dobrze znana: te ostatnie reagują z elektrofilami, np. brom, łatwo przez addycję, podczas gdy benzen reaguje tylko w znacznie ostrzejszych warunkach, i to głównie przez podstawienie. Różnica wynika z cyklicznego ułożenia sześciu elektronów π w benzenie, które tworzą o układ sprzężony, który jest termodynamicznie znacznie bardziej stabilny niż odpowiadający mu układ niecyklicznie sprzężony. Dodatkowa stabilizacja skutkuje zmniejszoną tendencją do reakcji przez addycję i większą tendencją do reakcji przez podstawienie, co zapewnia zachowanie cyklicznego sprzężonego układu elektronów w produkcie reakcji. Ogólna zasada zaproponowana przez Hückela w 1931 r. mówi, że aromatyczność obserwuje się w cyklicznie sprzężonych układach 4n + 2 elektronów, czyli z 2, 6, 10, 14 itd., elektronami π. Zdecydowanie większość monocyklicznych układów aromatycznych i heteroaromatycznych to układy z sześcioma elektronami π. 

Sześcioczłonowe aromatyczne związki heterocykliczne

Pięcioczłonowe aromatyczne związki heterocykliczne

Struktury elektronowe sześcioczłonowych układów heterocyklicznych

Struktura pirydyny jest analogiczna do struktury benzenu, w którym zastąpiono CH atomem azotu. Kluczowymi różnicami są:

• odejście od idealnie regularnej geometrii heksagonalnej spowodowane obecnością heteroatomu, w szczególności krótszymi wiązaniami węgiel – azot,
• zastąpienie wodoru w płaszczyźnie pierścienia niedzieloną parą elektronową, zajmującą zhybrydyzowany orbital sp²,  nie uczestniczącą w aromatycznym sekstecie elektronów π; jest to wolna para elektronowa azotu, odpowiedzialna za podstawowe właściwości pirydyn
• wykazywanie silnego momentu dipolowego, związanego z większą elektroujemnością azotu w porównaniu z węglem. 

Należy zdać sobie sprawę, że elektroujemny azot powoduje poprzez indukcję polaryzację głównie w ramach wiązania σ, a dodatkowo stabilizuje te spolaryzowane wkłady mezomeryczne, w których azot jest obdarzony ładunkiem ujemnym. Spolaryzowane wkłady implikują również trwałą polaryzację układu elektronów π. 

Polaryzacja wynikająca z efektów indukcyjnych i mezomerycznych jest w pirydynie zgodna co do orientacji, co skutkuje trwałym momentem dipolowym w kierunku atomu azotu. Oznacza to również, że na węglach w pierścieniu znajdują się ułamkowe ładunki dodatnie, zlokalizowane głównie w pozycjach α i γ. Z powodu tego niedoboru elektronów na atomach węgla pirydyna i podobne heterocykle są określane jako obdarzone „deficytem elektronowym” lub przejawiającymi deficyt π. Porównanie z momentem dipolowym piperydyny, który w całości wynika z indukowanej polaryzacji elektronów σ, daje wyobrażenie o dodatkowej polaryzacji związanej z odkształceniem układu π-elektronowego. Moment dipolowy pirydyny to 2,21 D, a piperydyny 1,17 D.

Struktury elektronowe diazyn są analogiczne chociaż tutaj mamy dwa atomu azotu w pierścieniu.

Pięcioczłonowe układy heteroaromatyczne

Przed omówieniem pirolu należy przyjrzeć się strukturze anionu cyklopentadienylowego, który jest sześcioelektronowym układem aromatycznym, wytworzonym przez usunięcie protonu z cyklopentadienu. Ten system ilustruje różnicę między stabilizacją aromatyczną a reaktywnością, ponieważ jest to bardzo reaktywna, całkowicie ujemnie naładowana jednostka, a mimo to jest „stabilizowana rezonansowo”. Cyklopentadien, z pK_a około 14, jest znacznie bardziej kwasowy niż prosty dien, tylko dlatego, że powstały anion jest stabilizowany rezonansowo. Pięć równoważnych struktur , pokazuje, że każdy atom węgla jest równoważny, a zatem niesie jedną piątą ładunku ujemnego. 

Pirol jest izoelektronowy z anionem cyklopentadienylowym, ale jest elektrycznie obojętny ze względu na wyższy ładunek jądrowy na azocie. Inną konsekwencją obecności azotu w pierścieniu jest utrata symetrii radialnej, tak że pirol nie ma pięciu równoważnych form mezomerycznych: ma jedną bez rozdzielenia ładunku, oraz dwie pary form równoważnych, w których występuje separacja ładunku, wskazująca na przesunięcie gęstości elektronowej od azotu.

Rezonans prowadzi zatem do utrwalenia częściowych ładunków ujemnych na węglu i częściowego ładunku dodatniego na azocie. Wpływ indukcyjny azotu jest  skierowany do heteroatomu, tak że rozkład elektronowy w pirolu jest równowagą dwóch przeciwstawnych efektów, z których efekt mezomeryczny jest prawdopodobnie bardziej znaczący, co powoduje, że kierunek momentu dipolowego jest od azotu do węgli. Przeniesienie elektronów od azotu w kierunku węgli powoduje, że pięcioczłonowe heterocykle typu pirolu określane są jako „bogate w elektrony”.

Struktury tiofenu i furanu są bardzo podobne do pirolu, z wyjątkiem tego, że NH zostaje zastąpione odpowiednio przez S i O. Konsekwencją jest to, że heteroatom w każdym z nich ma jedną wolną parę elektronową stanowiącą część sekstetu aromatycznego, jak w pirolu, ale ma również drugą parę elektronową, która nie jest zaangażowana w układ aromatyczny i znajduje się na hybrydowym orbitalu sp² w płaszczyźnie pierścienia . Formy mezomeryczne analogiczne do pirolu można zapisać dla każdego z nich, ale wyższa elektroujemność zarówno siarki, jak i tlenu oznacza, że ​​spolaryzowane formy, z dodatnimi ładunkami na heteroatomach, mają mniejszy udział. Zmniejszony przepływ elektronów mezomerycznych od heteroatomów jest w tych dwóch przypadkach niewystarczający, aby przezwyciężyć polaryzację indukcyjną w kierunku heteroatomu (momenty dipolowe tetrahydrotiofenu i tetrahydrofuranu, odpowiednio 1,87 D i 1,68 D, w kierunku heteroatomu, są w każdy przypadku większe niż w przypadku pirolidyny), a efektem jest to, że dipole są skierowane w stronę heteroatomów w tiofenu i furanie.

1,3- i 1,2-azole, pięcioczłonowe pierścienie z dwoma heteroatomami, stanowią kombinację typów heteroatomów – we wszystkich przypadkach jeden heteroatom musi należeć do pięcioczłonowego heterocyklu (pirol, tiofen, furan ) typu i jednego typu iminy, jak w pirydynie. Najlepiej ilustruje to imidazol z dwoma atomami azotu.