Hétérocycle

Définition

Un hétérocycle est un composé cyclique dans lequel au moins un des membres du cycle n'est pas un atome de carbone. Les composés hétérocycliques sont extrêmement importants en chimie organique car ils représentent plus de la moitié de tous les composés organiques connus.

Par exemple, la pyridine (C₅H₅N) est un composé hétérocyclique car son cycle contient cinq atomes de carbone et un atome d'azote.

La caféine est un excellent exemple d'un produit chimique de tous les jours composé d'hétérocycles (contrairement à un homocycle ou composé homocyclique). Certaines parties de notre ADN sont même constituées de composés contenant des hétérocycles.

Liste des composés hétérocycles :

Liste des composés hétérocycles classés par leur groupe fonctionnel. Le composé hétérocycle a au moins deux anneaux d'atomes de plus d'un type, avec un cycle d'atomes de carbone contenant au moins un atome qui n'est pas du carbone.

Explications

Les hétérocycles sont des structures essentielles en chimie organique. Leurs propriétés uniques en font des composants importants dans pratiquement tous les domaines de la chimie organique, y compris les produits pharmaceutiques, la science des matériaux et la synthèse organique.

En tant que classe structurelle importante, il y a eu de nombreuses revues des hétérocycles au fil des ans. En tant que groupe de structures important et diversifié, il existe bien sûr de nombreuses stratégies pour synthétiser le large éventail d'hétérocycles; cependant, ce chapitre se concentrera sur l'utilisation des carbonyles et des dérivés carbonylés pour leur synthèse.

Compte tenu des fonctions répandues des hétérocycles en chimie organique, il serait impossible d'examiner toutes les applications de ces structures. Par conséquent, un accent particulier sera mis sur l'examen de la synthèse hétérocyclique médiée par le carbonyle de molécules biologiquement actives. Même au sein de ce sous-groupe de molécules, il n'est pas pratique de fournir un niveau de détail utile pour chaque structure hétérocyclique commune.

⭐ Les composés classés comme hétérocycliques constituent probablement la famille la plus vaste et la plus variée de composés organiques. Après tout, chaque composé carbocyclique, quelles que soient sa structure et sa fonctionnalité, peut en principe être converti en une collection d'analogues hétérocycliques en remplaçant un ou plusieurs des atomes de carbone du cycle par un élément différent. Même si nous restreignons notre considération à l'oxygène, à l'azote et au soufre (les éléments hétérocycliques les plus courants), les permutations et les combinaisons d'un tel remplacement sont nombreuses.

✅ Les noyaux hétérocycliques se trouvent dans de nombreux composés naturels. Plus particulièrement, ils composent les structures centrales des mono et polysaccharides et les quatre bases d'ADN qui établissent le code génétique.

Les oxiranes (époxydes) sont les hétérocycles à trois chaînons les plus couramment rencontrés.

Classification des composés hétérocycliques

Peut-être en raison du large éventail d'hétérocycles possibles, leur dénomination peut parfois sembler un peu plus compliquée. Pour de nombreux hétérocycles, découverts il y a plusieurs générations, les noms archaïques sont encore préférés aux noms plus systématiques qui sont utilisés pour les découvertes plus récentes. Tous les hétérocycles peuvent cependant être désignés par ces noms systématiques, qui sont donnés en italique sous les noms les plus couramment utilisés dans le graphique ci-dessus.

Classification des composés hétérocycliques :

Le système de dénomination Hantzsch-Widman est utilisé pour nommer les hétérocycles. Dans un premier temps, un préfixe est donné pour l'élément autre que le carbone qui compose l'hétérocycle. Suite à cela, la voyelle à la fin du préfixe est supprimée et un suffixe est ajouté. Ce suffixe est basé sur le nombre d'atomes qui composent le cycle, et dépend également du fait que l'hétérocycle est saturé (ne contient que des liaisons simples) ou insaturé (contient des doubles liaisons).

Un système de nomenclature facile à retenir, mais limité, utilise un préfixe élémentaire pour l'hétéroatome suivi du nom carbocyclique approprié. Une courte liste de certains préfixes courants est donnée dans le tableau suivant, l'ordre de priorité augmentant de droite à gauche. Des exemples de cette nomenclature sont : oxyde d'éthylène = oxacyclopropane, furanne = oxacyclopenta-2,4-diène, pyridine = azabenzène et morpholine = 1-oxa-4-azacyclohexane.

Les principales classes d'hétérocycles sont celles contenant de l'oxygène, de l'azote ou du soufre. Cependant, des exemples contenant du sélénium, du phosphore, du silicium, du bore et de l'arsenic sont également possibles, bien que plus rares.

Les plus rapides auront déduit que le composé "arsole" est une possibilité (un cycle insaturé à 5 chaînons contenant un hétéroatome d'arsenic). Bien que l'arsole elle-même n'ait pas été isolée dans sa forme pure, ses dérivés l'ont été, au grand amusement des chimistes du monde entier. Tant que nous y sommes, un nom alternatif pour l'imidazole, montré dans le graphique, est "miazole", et il existe également une molécule appelée "urazole".

⭐ Malgré la structure systématique générale du système Hantzsch-Widman, plusieurs exceptions et modifications ont été incorporées pour tenir compte des conflits avec l'utilisation antérieure. Certains exemples sont :

• Le terminal "e" dans le suffixe est facultatif mais recommandé.
• Les hétérocycles azotés saturés à 3, 4 et 5 chaînons doivent utiliser respectivement le suffixe traditionnel "iridine", "étidine" et "olidine".
• Les hétérocycles azotés insaturés à 3 chaînons peuvent utiliser le suffixe traditionnel "irine".
• L'utilisation cohérente de "étine" et "oline" comme suffixe pour les hétérocycles insaturés à 4 et 5 chaînons est empêchée par leur ancienne utilisation pour des hétérocycles azotés de taille similaire.
• L'utilisation établie de l'oxine, de l'azine et du silane pour d'autres composés ou fonctions interdit leur utilisation pour le pyrane, la pyridine et le silacyclohexane respectivement.

Composés polycycliques

Tous les exemples précédents ont été des composés monocycliques. Les composés polycycliques incorporant un ou plusieurs cycles hétérocycliques sont bien connus. Quelques-uns d'entre eux sont illustrés dans le schéma suivant. Comme auparavant, les noms communs sont en noir et les noms systématiques en bleu. Les deux quinoléines illustrent une autre nuance de la nomenclature hétérocyclique. Ainsi, l'emplacement d'un cycle condensé peut être indiqué par une lettre minuscule qui désigne le bord du cycle hétérocyclique impliqué dans la fusion.

Des exemples de certains composés azotés polycycliques sont connus sous le nom d'alcaloïdes en raison de leurs propriétés fondamentales. La camptothécine est un alcaloïde de la quinoléine qui inhibe l'enzyme ADN topoisomérase I. La réserpine est un alcaloïde indole, qui a été utilisé pour le contrôle de l'hypertension artérielle et le traitement du comportement psychotique. L'ajmaline et la strychnine sont également des alcaloïdes indoliques, le premier étant un agent antiarythmique et le second un pesticide extrêmement toxique. Les neurotoxines saxitoxine et tétrodotoxine ont toutes deux des origines marines et sont caractérisées par des fragments guanidiniun. aflatoxine B 1est un composé cancérigène non azoté produit par le champignon Aspergillus.

La porphyrine est un tertrapyrrole cyclique important qui est la structure centrale de l'hème et de la chlorophylle.

Les dérivés de la simple purine à hétérocycle condensé constituent une famille particulièrement importante et abondante de produits naturels. Les composés aminés adénine et guanine sont deux des bases complémentaires qui sont des composants essentiels de l'ADN. La xanthine et l'acide urique sont des produits de l'oxydation métabolique des purines. L'acide urique est normalement excrété dans l'urine; une accumulation excessive d'acide urique dans le sérum peut entraîner une maladie arthritique connue sous le nom de goutte.

La caféine, la plus connue d'entre elles, est un alcaloïde amer et cristallin. On le trouve en quantités variables, ainsi que d'autres alcaloïdes tels que les stimulants cardiaques théophylline et théobromine dans les haricots, les feuilles et les fruits de certaines plantes. Les boissons contenant de la caféine, telles que le café, le thé et certaines boissons non alcoolisées, sont sans doute les boissons les plus consommées au monde. La caféine est un stimulant du système nerveux central, servant à conjurer la somnolence et à restaurer la vigilance. La paraxanthéine est le principal métabolite de la caféine dans le corps.

Les hétérocycles soufrés se trouvent dans la nature, mais à un degré moindre que leurs analogues azotés et oxygénés. Deux membres du complexe de la vitamine B, la biotine et la thiamine, incorporent de telles fractions hétérocycliques.

Le terthiényle est un trimère de thiophène intéressant trouvé dans les racines des soucis, où il fournit une activité némicide. Des études ont montré que l'irradiation UV du terthiényle produit une phototoxicité générale pour de nombreux organismes. Les polymères incorporant des unités de thiophène et des systèmes fusionnés tels que le dithiénothiophène ont des propriétés électromagnétiques intéressantes et sont prometteurs en tant que conducteurs de type métal organique et matériaux photovoltaïques. Le complexe de transfert de charge formé par le tétrathiofulvalène et le tétracyanoquinodiméthane possède l'une des conductivités électriques les plus élevées signalées pour un solide organique.

Intérêt biologique

On estime que 90 % des nouveaux médicaments contiennent des hétérocycles, et on les trouve également en abondance dans les processus naturels. De nombreuses molécules biologiques de votre corps contiennent des hétérocycles, du neurotransmetteur sérotonine aux enzymes qui aident à décomposer et à métaboliser les aliments.

Une partie de la raison pour laquelle ils sont si répandus peut être due à leur utilité pour pouvoir subir un large éventail de réactions dans des conditions différentes.

En rapport avec "hétérocycle"

• caféine

  

  La caféine est un alcaloïde du groupe des xanthines, un solide cristallin blanc au goût amer qui agit comme un médicament psychoactif, légèrement dissociatif...

• hétéroatome

  

  Un hétéroatome est tout atome d'un cycle hétérocyclique qui n'est pas du carbone ou de l'hydrogène, ou une structure normalement constituée d'atomes de carbone...

• imidazole

  

  L'imidazole est un composé cristallin incolore aux propriétés légèrement basiques, présent comme substituant de l'acide aminé histidine.

• pyridine

  

  La pyridine est un composé aromatique hétérocyclique sous la forme d'un liquide volatil incolore à odeur désagréable de poisson pourri, comparable à celle...