Что такое гетероциклы?

В третьей главе мы говорили о бензоле - одной из основных "строительных деталей" органических молекул. Действительно, как мы уже видели, бензольные кольца входят в состав многих веществ, встречающихся в природе и синтезированных человеком. Это и нафталин, и антрацен, это и некоторые аминокислоты (фенилаланин,тирозин).

Чем интересна молекула бензола? Все шесть π - электронов трех двойных связей образуют общее усредненное облако, придающее бензолу свойства ароматической системы. Что это значит? Это значит, что молекула бензола плоская (все шесть атомов углерода и шесть атомов водорода, с ними соединенные, лежат в одной плоскости), и атомы водорода легко замещаются на различные группировки (говорят, что бензол легко вступает в реакции электрофильного замещения). В то же время присоединение каких-либо атомов или молекул по двойным связям в случае ароматического бензола очень затруднено.

Заменим один из атомов углерода в молекуле бензола на атом какого-то другого элемента, например, на азот. Такую операцию можно провести, только заменить придется не один атом углерода, а всю группу С-Н (на место четырехвалентного углерода встает трехвалентный азот). Мы получили новое соединение, называемое пиридином:

Не углеродные атомы, включенные в цикл, называются гетероатомами, а соединения, содержащие в кольце гетероатом,- гетероциклическими, или просто гетероциклами.

А нельзя ли заменить на азот две группы СН в молекуле бензола? Можно, причем мы получим три?

разных соединения:

Все эти вещества известны, синтезированы и их химия хорошо изучена. Для нас, поскольку предстоит разговор о нуклеиновых кислотах, интересен пиримидин.

Известны гетероциклы, содержащие не шесть членов в цикле, а пять, и тоже являющиеся ароматическими. На первый взгляд это кажется странным - ведь ароматические системы должны содержать шесть, а не пять π-электронов. Но и в пятичленных гетероциклах на пять атомов тоже приходится шесть я-электронов. По два π-электрона дают две двойные связи, а гетероатом (например, атом азота в пирроле) также предоставляет в общее пользование два электрона:

Это та же пара электронов, что и в молекуле аммиака и любого амина, которая позволяет амину присоединять протон с образованием аммонийной соли.

В качестве гетероатома в пятичленных ароматических системах может выступать не только азот, но и кислород (гетероцикл фуран), и сера (тиофен). В пределах одного пятичленного цикла могут быть заключены два гетероатома (одинаковые или разные); из таких соединений назовем имидазол:

Два бензольных кольца могут соединяться в двух местах и образовывать конденсированную систему нафталин. Может бензол сконденсироваться и с гетероциклом, например, с пирролом. В этом случае получается гетероцикл индол, который входит в состав аминокислоты триптофана.

Наконец, возможно и такое сочетание: два конденсированных гетероцикла. Самый интересный для нас случай, когда эти гетероциклы - пиримидин и имидазол; продукт такой "конденсации" - пурин - содержит четыре атома азота:

Гетероциклы входят в состав важнейших в биологическом отношении соединений. Здесь и аденозин-трифосфат (АТФ), и никотинамиддинуклеотид (НАД) и аминокислоты, и витамины, и лекарства, и антибиотики, и красители... И наконец, гетероциклы - необходимая составная часть нуклеиновых кислот, к разговору о которых мы и переходим.