در علم شیمی ترکیبات هتروسیکل (Heterocyclic compound) به ترکیبات حلقوی گفته می شود که در آنها، یک یا چند اتم کربن حلقه، با اتم های غیر کربن همچون نیتروژن، اکسیژن و یا گوگرد جایگزین شده است. به بیان ساده تر، اگر ترکیب حلقوی از اتم های کربن و حداقل یک عنصر دیگر تشکیل شده باشد، به عنوان هتروسیکل طبقه بندی می گردد. دقت داشته باشید که ترکیبات هتروسیکل متداول، اغلب دارای عناصر نیتروژن، اکسیژن و یا هر دوی آنها در ساختار حلقه خود هستند. ترکیبات هتروسیکل با نام های ترکیبات ناجور حلقه و یا هتروسیکلیک نیز شناخته می شوند. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی ترکیبات هتروسیکل و انواع مختلف آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
ترکیبات حلقوی
ترکیبات حلقوی (Cyclic compounds)، گروهی از ترکیبات هستند که در آنها، تعدادی از اتم ها با یکدیگر پیوند کووالانسی داده و در نتیجه یک حلقه را تشکیل می دهند. این ترکیبات به دو دسته ترکیبات جور حلقه (Homocyclic) و ناجور حلقه (Heterocyclic) طبقه بندی می شوند. در ترکیبات جورحلقه، ساختار حلقه فقط از اتم های کربن تشکیل شده است. دقت داشته باشید که به این نوع ترکیبات حلقوی، ترکیبات کربوسیکلیک نیز گفته می شود. در حالیکه، در ترکیبات ناجور حلقه، ساختار حلقه شامل اتم هایی غیر از اتم کربن نیز خواهد بود. لازم به ذکر است که ترکیبات ناجور حلقه به صورت وسیع و گسترده ای در طبیعت پراکنده هستند. بنابراین اهمیت بیولوژیکی و صنعتی بسیار مهمی دارند.
ترکیبات هتروسیکل
شیمی ترکیبات هتروسیکل که در حقیقت به خواص، سنتز و همچنین کاربرد های این دسته از ترکیبات می پردازد، شاخه مهمی از شیمی آلی محسوب می شود. دقت داشته باشید که ترکیبات هتروسیکلیک می توانند به شکل ترکیبات آلی یا معدنی وجود داشته باشند. اگر در حلقه مورد نظر، هیچ اتم کربنی نباشد، بنابراین یک هتروسیکل معدنی خواهد بود. در حالیکه، اگر حداقل یک اتم کربن در ساختار حلقه وجود داشته باشد، مولکول مورد نظر به عنوان یک ترکیب آلی هتروسیکل در نظر گرفته می شود. لازم به ذکر است که تمام اتم های غیر کربن حلقه را هترو اتم (Heteroatom) می نامند.
ترکیبات هتروسیکلیک حضوری گسترده و وسیع در ساختار های شیمیایی پر کاربرد دارند. به عنوان مثال می توان به اسید های نوکلئیک، طیف وسیعی از دارو ها، انواع آلکالوئید های موجود در گیاهان، بسیاری از رنگ های طبیعی و مصنوعی، اغلب زیست توده ها همچون سلولز و ساختار های وابسته اشاره کرد.
جالب است بدانید که تفاوت ساختاری مهم میان ترکیبات ناجور هسته، در تعویض هترواتم با سایر هترواتم ها و یا تعویض مکان و موقعیت هترواتم در ساختار حلقه است. توجه داشته باشید که این ترکیبات، در بسیاری از خواص شیمیایی مانند قدرت اسیدی، قدرت بازی، تمایل برای حمله هسته دوستی، تمایل برای حمله الکترون دوستی و همچنین قطبیت با یکدیگر تفاوت دارند. خصوصیت ساختاری مهم این دسته از ترکیبات، اینست که گروه های عاملی می توانند هم به عنوان استخلاف در مولکول ظاهر شوند و هم اینکه بخشی از خود سیستم حلقوی باشند. به عنوان مثال، اتم های نیتروژن می توانند هم به شکل استخلاف آمینو در ساختار وجود داشته باشند و یا اینکه به صورت قسمتی از حلقه ظاهر شوند. از این جهت، ساختار ها کاملا متنوع و مختلف خواهند بود.
طبقه بندی ترکیبات هتروسیکل
ترکیبات هیتروسیکل اشباع
هتروسیکل های اشباع، سیر شده، آلیفاتیک و یا غیر آروماتیک، در حقیقت مشتقاتی از سیکلو آلکان ها هستند. این ترکیبات با نام هتروسیکلو آلکان نیز شناخته می شوند. در این دسته از ترکیبات، هیچ پیوند دوگانه یا سه گانه ای میان اتم های حلقه وجود ندارد. لازم به ذکر است که واکنش پذیری این نوع از ترکیبات، شبیه ترکیبات آلیفاتیک متناظر است. به عنوان مثال، ترکیبات پیپریدین و پیپرازین رفتاری شبیه آمین های نوع دوم آلیفاتیک نشان می دهند.
هتروسیکل های اشباع اغلب به صورت حلقه های سه عضوی، چهار عضوی، پنج عضوی و شش عضوی وجود دارند. البته حلقه هایی تا ۹ عضو و یا حتی بیشتر نیز وجود دارند. جالب است بدانید که معمول ترین آنها، هتروسیکل های پنج عضوی و شش عضوی می باشند. هتروسیکل های کوچک همانند سیکلوپروپان ها یا سیکلوبوتان ها به دلیل کشش حلقه، نسبتا واکنش پذیر هستند. در واقع با انجام واکنش های هسته دوستی، حلقه باز شده و در نتیجه از کشیدگی رها خواهد شد. دقت داشته باشید که ترکیبات ناجور هسته سه ضلعی به خاطر اندازه کوچک حلقه، نسبت به همتا های چهار ضلعی خود، واکنش پذیرتر می باشند. در حالیکه، ترکیبات با حلقه بزرگتر نسبت به سیکلو آلکان های کوچکتر واکنش پذیری کمتری نشان می دهند (به دلیل نبودن کشش حلقه).
ترکیبات هیتروسیکل غیر اشباع
هتروسیکل های غیر اشباع، سیر نشده و یا آروماتیک، پیوند های دوگانه یا سه گانه میان اتم های حلقه دارند. این ترکیبات دارای یک هترواتم با الکترون های غیر مستقر می باشند. هترواتم ها در این نوع از ترکیبات می توانند بخشی از پیوند های دوگانه نیز محسوب شوند. لازم به ذکر است که این نوع از ترکیبات، شبیه آلکن ها، آلکین ها و یا حتی ترکیبات دیگر با پیوند چندگانه رفتار می کنند. هتروسیکل های غیر اشباع اغلب به صورت حلقه های پنج عضوی، شش عضوی، هفت عضوی و حلقه های جوش خورده وجود دارند.
آنیولن ها به ترکیبات هتروسیکل تک حلقه ای گفته می شود که به صورت یک در میان، پیوند دوگانه داشته باشند. از طرفی دیگر، هتروآرن (heteroarenes) به ترکیبات حلقه ای هتروسیکلی گفته می شود که ترکیب بنزنی ندارند، اما از قاعده هوکل پیروی می کنند. به عنوان مثال می توان به فوران اشاره کرد.
ترکیبات هتروسیکلیک مشتق شده از حلقه بنزن
اگر در حلقه بنزن، یک واحد CH به وسیله یک هترواتم جایگزین شود، هتروسیکل مشتق شده از حلقه بنزن بدست می آید. دقت داشته باشید که حلقه این دسته از ترکیبات، آروماتیک است. از جمله ساده ترین ترکیبات این گروه می توان به پیریدین اشاره کرد. در پیریدین، یک واحد C-H بنزن به وسیله اتم نیتروژن جایگزین شده است و داری فرمول شیمیایی C۵H۵N می باشد. به خاطر طبیعت دو گانه پیریدین، این مولکول می تواند هر دو واکنش جانشینی الکترون دوستی (الکتروفیلی) و هسته دوستی (نوکلئوفیلی) را انجام دهد. در اینصورت مشتقات استخلاف شده متنوعی از پیریدین بدست خواهد آمد.
هتروسیکلیک های آروماتیک دو حلقه ای
حلقه بنزن می تواند به یک ترکیب هتروسیکل متصل شده و در نتیجه یک ترکیب هتروسیکل دو حلقه ای بوجود بیاورد. به عنوان نمونه اگر حلقه بنزن به حلقه پیریدین متصل شود، ترکیبات کینولین و ایزوکینولین ایجاد می شوند.
اهمیت ترکیبات ناجور هسته
همانطور که اشاره شد، ترکیبات هتروسیکل اهمیت زیادی در شیمی دارند. به عنوان مثال، از بین بیست اسید آمینه ای که در پروتئین ها پیدا می شوند، سه اسید آمینه هیستیدین، پرولین و تریپتوفان در دسته ترکیبات هتروسیکل قرار می گیرند. در ادامه مقاله، چند مورد از موارد اهمیت آنها به صورت تیتر وار بیان می شود.
- استفاده به عنوان حلال، مانند پیریدین یا تترا هیدرو فوران
- به عنوان ترکیبات طبیعی مانند نیکوتین
- استفاده به عنوان کاتالیزگر مانند اورگانو کاتالیز ها
- به عنوان لیگاند مانند
- استفاده به عنوان باز و هسته دوست مانند پیریدین یا بنزیمیدازول
- استفاده به عنوان شناساگر مانند متیلن بلو (C۱۶H۱۸N۳SCl)
- کاربرد در ساختار پلیمر های مختلف مانند پلیمر های آزوئی
- در بیومولکول ها مانند آدنین و یا گوانین
- در ساختار DNA
- استفاده به عنوان دارو مانند مترونیدازول (نوعی آنتی بیوتیک) یا پنی سیلین
نامگذاری ترکیبات هتروسیکل
به منظور نام گذاری آیوپاک ترکیبات هتروسیکل، از حلقه والد و همچنین ساختار آنها کمک می گیرند. توجه داشته باشید که پیشوند های مورد استفاده برای هترواتم های موجود در ساختار ترکیبات هتروسیکلیک عبارتند از: پیشوند اکسا برای اتم اکسیژن، پیشوند تایا برای اتم گوگرد و پیشوند آزا برای اتم نیتروژن. لازم به ذکر است که دو روش نامگذاری هانتش- ویدمن (Hantzch-Widman) جهت نامگذاری هتروسیکل های ۳ تا ۱۰ عضوی و روش جایگزینی (Replacement) جهت نامگذاری حلقه های بزرگتر مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر آن، بسیاری از ترکیبات هتروسیکل نیز نام های معمولی یا رایج دارند. در ادامه به بررسی روش نامگذاری هانتش- ویدمن خواهیم پرداخت.
روش نام گذاری هانتش- ویدمن
پیشوند نوع و اسم هترواتم را به کمک جدول زیر مشخص می کنند.
| نماد عنصر | پیشوند | نماد عنصر | پیشوند |
| O | اکسا | Bi | بیسما |
| S | تیا | Si | سیلا |
| Se | سلنا | Ge | ژرما |
| Te | تلورا | Sn | استانا |
| N | آزا | Pb | پلومبا |
| P | فسفا | B | بور |
| As | آرسا | Hg | مرکورا |
| Sb | استیبا |
اندازه حلقه های ترکیبات هتروسیکلیک نیز به کمک پسوند های موجود در جدول زیر مشخص می شوند.
| اندازه حلقه | پسوند غیراشباع | پسوند اشباع |
| ۳ | -یرن (irene) | -یران (irane) |
| ۴ | -ت (ete) | -تان (etane) |
| ۵ | -ول (ole) | -ولان (olane) |
| ۶A | -ین (ine) | -ان (ane) |
| ۶B | -نین (inine) | -ینان (inane) |
| ۶C | -ینین (epine) | -ینان (inane) |
| ۷ | -پین (ocine) | -پان (epane) |
| ۸ | -سین (ocine) | -وکان (ocane) |
| ۹ | -نین (onine) | -نان (onane) |
| ۱۰ | -سین (ecine) | -اکان (ecane) |
جدول زیر ریشه ها و پیشوند ها را جهت نامگذاری ترکیبات هتروسیکل به صورت کلی ارائه می دهد.
نام گذاری ترکیبات هتروسیکلیک به کمک پسوند ها و پیشوند ها از جداول بالا صورت می گیرد. همانطور که بیان شد، هتروسیکل های اشباع را مشتقاتی از سیکلو آلکان ها در نظر می گیرند. با استفاده از پیشوند های آزا، اکسا و تیا، نوع هترواتم را مشخص می کنند. توجه داشته باشید که نامگذاری در جهتی انجام می شود که هترو اتم، شماره یک را بگیرد. همچنین محل استخلاف ها را نیز با شماره گذاری مشخص می کنند.
نامگذاری ترکیبات هتروسیکل تک حلقه ای با بیش از یک هترواتم
اگر ترکیب ناجور هسته مورد نظر، بیش از یک هترواتم داشته باشد، اولویت هترواتم ها در یک حلقه، جهت نام گذاری به صورت O > S > N خواهد بود. بنابراین در نام گذاری به صورت زیر عمل می کنند:
پیشوند اتم اول + پیشوند اتم دوم + ریشه + سیرشدگی
به عنوان مثال ترکیبات زیر را در نظر بگیرید.
نام گذاری سیستم های جوش خورده با بنزن
به منظور نام گذاری ترکیبات جوش خورده (Fused Systems) به حلقه بنزن، می توان به صورت زیر عمل کرد:
بنزو + [حروف مشخص کننده موقعیت اتصال] + نام حلقه هتروسیکل
برای نام گذاری سیستم های دو و یا چند حلقه ای که بیش از یک هتروسیکل دارند، ابتدا باید جز اصلی (پایه) ساختار را مشخص کنید. جز اصلی عبارتست از جزئی که شامل اتم نیتروژن و یا هترواتمی به غیر از عنصر نیتروژن که بالاترین جایگاه را در جدول پیشوند ها دارد، باشد. این جز اصلی همچنین با بیشترین تعداد حلقه ممکن، با بزرگترین حلقه، با بیشترین تعداد هترواتم، با بیشترین تعداد هترواتم های مختلف و با بیشترین تعداد هترواتم ها و بالاترین جایگاه در جدول پیشوند ها مشخص می شود.
کاربرد های ترکیبات ناجور هسته
ترکیبات هتروسیکل علاوه بر موارد گفته شده در بخش اهمیت ترکیبات ناجور هسته در این مقاله، به عنوان ضد اکسایش و ضد خوردگی، شفاف کننده نوری، افزودنی ها، علف کش ها، حشره کش ها، قارچ کش ها، رنگ ها، مواد فلورسنت برای تجسم بیومولکول ها، رسانا های آلی، در فناوری لیزر و غیره بکار می روند. ترکیبات هتروسیکلیک همچنین به عنوان حد واسط های سنتز های آلی نیز مورد استفاده زیاد قرار می گیرند.
از جمله کاربرد دیگر و بسیار مهم هتروسیکل ها می توان به فرآورده های دارویی اشاره کرد. این ترکیبات همچنین در میان انواع ترکیبات دارویی مخصوص دامپزشکی و گیاهی نیز سهم وسیعی دارند. از جمله ترکیبات هتروسیکل که خاصیت دارویی دارند می توان به کینین به عنوان ماده ضد مالاریا، نیکوتینامید ۱ (ویتامین B۳)، پیرودکسال ۲ (ویتامین B۶)، ویتامین B۱۲، کلروکویین ۴ به عنوان داروی ضد مالاریا، تیامین ۳ (دارای خواص ضد باکتریایی و ضد قارچی)، فولیک اسید به عنوان داروی درمان کم خونی، آنتی بیوتیک هایی همچون پنی سیلین اشاره کرد. جالب است بدانید که رسرپین که در حقیقت یک آلکالوئید طبیعی است نیز با فعالیت آرام بخشی و ضد فشار خونی خود در دسته دارو ها محسوب می شود. جالب است بدانید که بسیاری از این دارو ها از منابع طبیعی استخراج نمی شود، در حقیقت سنتز می شوند.
برخی ترکیبات هتروسیکل مضر
دقت داشته باشید که علاوه بر ترکیبات هتروسیکلیک مفید، ترکیبات مضری همچون هروئین و یا مرفین نیز در دسته ترکیبات هتروسیکل قرار دارند. این دارو ها به خاطر خاصیت زیان آور، مخدر و اعتیاد آور خود، خطرناک محسوب می شوند. به علاوه، نیکوتین که از برگ توتون استخراج می شود، LSD که یک ترکیب توهم زاست و یا کوکائین که محرک و تسکین دهنده موضعی است نیز در دسته ترکیبات ناجور هسته به شمار می روند.
