Un compost heterocíclic és un compost orgànic que conté una cadena de carbonis formant un anell en la qual hi ha almenys un àtom diferent del carboni formant part del cicle. Els àtoms diferents de carboni presents al cicle es denominen heteroàtoms, els més habituals són oxigen, nitrogen o sofre.
En la seva estructura general, els composts heterocíclics s'assemblen als composts orgànics cíclics que incorporen només àtoms de carboni als anells. Per exemple, el ciclopropà (amb un anell de tres àtoms de carboni) o el benzè (amb un anell de sis àtoms de carboni). Però la presència dels heteroàtoms dona als composts heterocíclics propietats físiques i químiques que sovint són força diferents de les dels seus anàlegs d'anells de carboni.
Els composts heterocíclics representen al voltant del 50 % de tots els composts orgànics coneguts i inclouen molts dels composts bioquímics essencials per a la vida. Per exemple, els àcids nucleics, les substàncies químiques que porten la informació genètica que controla l'herència, consisteixen en llargues cadenes d'unitats heterocícliques unides per altres tipus de materials. Molts pigments, vitamines i antibiòtics naturals són composts heterocíclics, com la majoria dels al·lucinògens. La societat moderna depèn dels composts heterocíclics sintètics per utilitzar-los com a fàrmacs, pesticides, colorants i plàstics. Gairebé el 90 % dels fàrmacs són composts heterocíclics.
Història esquerra|miniatura|Texans acolorits amb indi. La química dels composts heterocíclics començà amb tres descobriments fonamentals. El primer és l'aïllament de diversos derivats del furan a partir de plantes el 1780 per part del químic suec Carl Wilhelm Scheele (1742–1786), que obtingué àcid furoic en la destil·lació en sec de l'àcid múcic. El segon fou el 1834 quan el químic alemany Friedlieb Ferdinand Runge (1795–1867) observà la presència d'un compost que provocava la coloració vermella d'una estella de fusta humitejada amb àcid mineral, en una fracció aconseguida per destil·lació de quitrà d'hulla. Anomenà la substància pirrole. El tercer s'inicià el 1826 amb el químic alemany Otto Unverborden (1806–1873). Unverborden, mentre investigava l'oli fètid obtingut en la destil·lació destructiva dels ossos, descobrí diversos alcaloides volàtils. Entre aquests n'hi havia un que es distingia per la seva olor aclaparadora i persistent; a aquesta substància li donà el nom d'«odorina». El 1846, el químic escocès Thomas Anderson (1819–1874) aconseguí aïllar una base de la nafta de carbó, que suposà que era isomèrica amb l'anilina. També mostrà les seves relacions amb l'«odorina» d'Unverdorben, i li donà el nom de picol·lina.
Ja en el , el 1906 el químic alemany Paul Friedländer (1857–1923) sintetitzà el colorant indi, permetent que la química sintètica desplacés a la indústria agrícola. El 1936 el químic alemany Alfred E. Treibs (1899–1983) aïllà derivats de la clorofil·la del cru de petroli, explicant l'origen biològic del petroli. El 1951 el bioquímic austríac Erwin Chargaff (1905–2002) publicà les regles de Chargaff, destacant el paper dels compostos heterocíclics (purines i pirimidines) en el codi genètic.
Estat natural Els composts heterocíclics més comuns són els que tenen anells de cinc o sis membres i contenen heteroàtoms de nitrogen, oxigen o sofre. Els simples més coneguts són la piridina, el pirrole, el furan i el tiofè. Una molècula de piridina conté un anell de sis àtoms: cinc de carboni i un de nitrogen. Les molècules de pirrole, furan i tiofè contenen anells de cinc membres, composts per quatre de carboni i un de nitrogen, oxigen o sofre, respectivament.
Les estructures heterocícliques es troben en molts productes naturals. La camptotecina és un alcaloide de quinolina que inhibeix l'enzim ADN topoisomerasa I. La reserpina és un alcaloide indole, que s'ha utilitzat per al control de la pressió arterial alta i el tractament del comportament psicòtic. L'ajmalina i l'estricnina també són alcaloides indole, el primer és un agent antiarrítmic i el segon un pesticida extremadament tòxic. Les neurotoxines saxitoxina i tetradotoxina tenen orígens marins i es caracteritzen per fragments de guanidiniun. L'aflatoxina B1 és un compost cancerigen no nitrogenat produït pel fong Aspergillus. La porfirina és un tetrapirrole cíclic important que és l'estructura central de l'hemo i la clorofil·la.
Els derivats de la purina d'anell fusionat simple, constitueixen una família de productes naturals especialment rellevant i abundant. L'adenina i la guanina són dues de les bases nitrogenades que són components essencials de l'ADN. La xantina i l'àcid úric són productes de l'oxidació metabòlica de les purines. L'àcid úric normalment s'excreta per l'orina; un excés d'acumulació sèrica d'àcid úric pot provocar una condició artrítica coneguda com a gota.
La cafeïna és un alcaloide amarg i cristal·lí. Es troba en quantitats variables, juntament amb alcaloides addicionals com els estimulants cardíacs teofil·lina i teobromina a les mongetes, fulles i fruits de certes plantes. Les begudes que contenen cafeïna, com el cafè, el te i alguns refrescs, són sens dubte les begudes més consumides del món. La cafeïna és un estimulant del sistema nerviós central, que serveix per evitar la somnolència i restaurar l'alerta. La paraxanteïna és el principal metabòlit de la cafeïna al cos. Els heterocíclics de sofre es troben a la natura, però en menor grau que els seus anàlegs de nitrogen i oxigen. Dos membres del complex de vitamina B, la biotina i la tiamina, incorporen aquests fragments heterocíclics. El tertienil és un trímer de tiofè interessant que es troba a les arrels de les calèndules, on proporciona activitat nematicida. Els estudis han demostrat que la irradiació UV del tertienil produeix una fototoxicitat general per a molts organismes. Els polímers que incorporen unitats de tiofè i sistemes fusionats com el ditienotiofè tenen propietats electromagnètiques interessants i són prometedors com a conductors orgànics semblants a metalls i materials fotovoltaics. El complex de transferència de càrrega format per tetratiofulvalè i tetracianoquinodimetà té una de les conductivitats elèctriques més altes que s'han determinat per a un sòlid orgànic.
Nomenclatura Composts monocíclics La IUPAC utilitza per anomenar els composts heterocíclics el sistema de Hantzsch-Widman. Els composts monocíclics que contenen un o més heteroàtoms en un anell de tres a deu àtoms s'anomenen combinant un prefix que indica el tipus d'heteroàtom (eliminant la "a" si cal) amb una terminació que assenyala el nombre de membres de l'anell, si conté nitrogen i si és saturat o insaturat.
HeteroàtomOxigenSofreSeleniTel·luriNitrogenFòsforArsènicAntimoniPrefixOxaTiaSelenaTel·luraAzaFosfaArsaEstiba Quan «fosfa–», «arsa–» i «estiba–» van seguits immediatament per «–in» o «–ina», cal reemplaçar-los per «fosfor–», «arsen–» i «antimon–». A més amés, els anells saturats de sis membres corresponents al fosforín i l'arsenín i el borín s'anomenen fosforinà, arsenà i borinà. Nombre de membres de l'anell345678910Terminacions d'anellsamb nitrogenInsaturats -irina -ete -ole -ina -epina -ocina -onina -ecinaSaturats -iridina -etidina -olidinaTerminacions d'anellssense nitrogenInsaturats -irè -ete -ole -in -epín -ocín -onín -ecínSaturats -irà -età -olà -à -epà -ocà -onà -ecà
Els composts heterocíclics amb nitrogen saturats que no tenen terminació s'anomenen amb el prefix «perhidro» davant del nom del compost insaturat corresponent. Els anells amb insaturació menor que la corresponents al màxim nombre de dobles enllaços no acumulats s'anomenen emprant els prefixos «dihidro–»,«tetrahidro–», etc. En el cas d'anells de quatre i cinc àtoms, s'empra una terminació especial per a les estructures que contenen un sol enllaç doble, sempre que pugui existir més d'un enllaç doble no acumulat. Als anells de quatre àtoms s'empren les terminacions «–etina» i «–etè» si contenen nitrogen i si no en contenen, respectivament. Pels anells de cinc són «–olina» i «–olè».
Heterocíclics saturatsHeterocíclics completament insaturatsHeteroàtomNitrogenOxigenSofreNitrogenOxigenSofreCicles de 3 àtomsNom IUPACAziridinaOxiràTiràAzirinaOxirèTirèNom comúEtileniminaÒxid d'etilèSulfur d'etilè -Òxid d'acetilèSulfur d'acetilèEstructura66x66px|74x74px|63x63px|80x80px|63x63px|62x62px|Cicles de 4 àtomsNom IUPACAzetidinaOxetàTietàAzeteOxoniaciclobut-1,3-dièTioniaciclobut-1,3-dièEstructura80x80px|62x62px|62x62px|63x63px|70x70px|70x70px|Cicles de 5 àtomsNom IUPACAzolidinaOxolàTiolàAzoleOxoleTioleNom comúPirrolidinaTetrahidrofuranTetrahidrotiofèPirroleFuranTiofèEstructura81x81px|74x74px|76x76px|90x90px|76x76px|76x76px|Cicles de 6 àtomsNom IUPACPerhidroazinaOxanTianAzinaOxinTiinNom comúPiperidinaTetrahidropiranTetrahidrotiopiranPiridinaPiranTiopiranEstructura94x94px|87x87px|90x90px|90x90px|85x85px|89x89px|89x89px|90x90px|Cicles de 7 àtomsNom IUPACPerhidroazepinaOxepàTiepàAzepinaOxepínTiepínEstructura92x92px|75x75px|75x75px|88x88px|78x78px|75x75px|Cicles de 8 àtomsNom IUPACPerhidroazocinaOxocàTiocàAzocinaOxoniaciclooct-1,3,5,7-tretraèTioniaciclooct-1,3,5,7-tretraèEstructura99x99px|95x95px|95x95px|95x95px|95x95px|95x95px|Cicles de 9 àtomsNom IUPACPerhidroazoninaOxonàTionàAzoninaOxonínTionínEstructura102x102px|90x90px|90x90px|102x102px|90x90px|90x90px|Cicles de 10 àtomsNom IUPACPerhidroazecinaOxecàTiecàAzecinaOxoniaciclodec-1,3,5,7,9-pentaèTioniaciclodec-1,3,5,7,9-pentaèEstructura110x110px|96x96px|96x96px|102x102px|96x96px|96x96px|
Compostos policíclics Els heterocicles policíclics sorgeixen quan un o més compostos progenitors es combinen amb un o més carbocicles. La combinació es pot fer de diverses maneres: com a compost fusionat (els anells comparteixen un enllaç) o com a compost espiro (els anells comparteixen 1 àtom de carboni). Un exemple és l'indole: aquesta estructura es pot entendre com un anell de benzè fusionat amb un anell de pirrole. La taula següent resumeix els enllaços de fusió entre un anell de benzè i anells heterocíclics de cinc i sis membres: Cicles de 5 i 6 àtomsCicles de 6 àtomsHeteroàtomNitrogenOxigenSofreNitrogenNom IUPACIndoleIsoindoleBenzofuranIsobenzofuranBenzotiofèIsobenzotiofèQuinolinaIsoquinolinaEstructurasense marc|100x100pxsense marc|105x105pxsense marc|90x90pxsense marc|95x95pxsense marc|90x90pxsense marc|90x90pxsense marc|100x100pxsense marc|100x100px
Compostos amb dos heteroàtoms
A més dels compostos parentals i policíclics parentals, també hi ha un gran grup de compostos heterocíclics derivats en què es produeixen diversos heteroàtoms (del mateix o diferent tipus d'àtom) o en els quals només una part de l'anell està saturat. Aquests compostos també es poden fusionar a un anell de benzè. La multiplicitat d'un mateix heteroàtom s'indica mitjançant un prefix «di–», «tri–», etc., anteposat al prefix corresponent al nom de l'element. Per exemple 1,3,5-triazina. Si dos o més heteroàtoms són presents en un mateix anell, el seu ordre de citació és el que apareix a la taula de prefixos d'heteroàtoms. Per exemple 1,2-oxatiolà, 1,3-tiazole.
La taula següent enumera els compostos heterocíclics més simples amb dos àtoms de nitrogen (a excepció de la purina que és un compost de fusió entre imidazole i pirimidina i, per tant, conté quatre àtoms de nitrogen) amb els noms trivials o semitrivials acceptats per la IUPAC.
Cicles de 5 àtomsCicles de 6 àtomsHeteroàtomNitrogenNitrogen i oxigenNitrogen i sofreNitrogenNom IUPACImidazolePirazoleOxazoleIsoxazoleTiazoleIsotiazolePiridazinaPirimidinaPirazinaEstructurasense marc|94x94pxsense marc|85x85pxsense marc|66x66pxsense marc|60x60pxsense marc|66x66pxsense marc|60x60pxsense marc|67x67pxsense marc|67x67pxsense marc|62x62px