Бициклические молекулы: структура и номенклатура

Введение

Молекула с двумя соединенными кольцами

Бициклическая молекула – это молекула, содержащая два соединенных кольца. Бициклические структуры широко распространены, например, во многих биологически важных молекулах, таких как α-туен и камфора. Бициклическое соединение может быть карбоциклическим (все атомы кольца – углероды) или гетероциклическим (атомы кольца состоят как минимум из двух элементов), как DABCO. Кроме того, оба кольца могут быть алифатическими (например, декалин и норборнан), ароматическими (например, нафталин) или представлять собой комбинацию алифатических и ароматических (например, тетралин). Существует три способа соединения колец в бициклическом соединении: в спиросоединениях два кольца разделяют только один атом – спироатом, который обычно является четвертичным углеродом. Примером спироциклического соединения является фотохромный переключатель спиропиран. В конденсированных бициклических соединениях два кольца разделяют два соседних атома. Иными словами, кольца имеют одну ковалентную связь, то есть атомы мостового головки непосредственно соединены (например, α-туен и декалин). В мостовых бициклических соединениях два кольца разделяют три или более атомов, разделяя два атома мостового головки мостом, содержащим как минимум один атом. Например, норборнан, также известный как бицикло[2.2.1]гептан, можно рассматривать как пару циклопентановых колец, каждое из которых разделяет три из пяти атомов углерода. Камфора – более сложный пример.

Номенклатура

Бициклические молекулы описываются номенклатурой IUPAC. Корень названия соединения зависит от общего числа атомов во всех кольцах вместе, за которым, возможно, следует суффикс, обозначающий функциональную группу с наивысшим приоритетом. Нумерация углеродной цепи всегда начинается с одного атома мостового столба (там, где встречаются кольца) и следует по углеродной цепи по самому длинному пути к следующему мостовому столбу. Затем нумерация продолжается по второму по длине пути и так далее. Слитые и мостовые бициклические соединения получают приставку бицикло, а спироциклические соединения – приставку спиро. Между приставкой и суффиксом пара скобок с цифрами указывает количество атомов углерода между каждым из мостовых столбов. Эти числа располагаются в порядке убывания и разделяются точками. Например, углеродный каркас норборнана содержит в общей сложности 7 атомов, следовательно, корень названия – гептан. Эта молекула имеет два пути по 2 атома углерода и третий путь из 1 атома углерода между двумя мостовыми атомами углерода, поэтому скобки заполняются в порядке убывания: [2.2.1]. Добавление приставки бицикло дает общее название бицикло[2.2.1]гептан. Углеродный каркас камфоры также содержит 7 атомов, но в этом случае он замещен карбонильной группой, следовательно, суффикс – гептанон. Мы начинаем нумерацию углеродного каркаса с мостового столба с наивысшим приоритетом (метильная группа перед протоном), поэтому мостовой атом углерода спереди получает номер 1, карбонильная группа – номер 2, и нумерация продолжается вдоль углеродной цепи по самому длинному пути до верхнего атома углерода, замещенного дважды (номер 7). Как и в случае норборнана, эта молекула также имеет два пути по 2 атома углерода и один путь из 1 атома углерода между двумя мостовыми атомами углерода, поэтому числа в скобках остаются [2.2.1]. Объединение скобок и суффикса (теперь с указанием положения карбонильной группы) дает [2.2.1]гептан-2-он. Помимо бицикло, приставка должна также указывать положения всех метильных заместителей, поэтому полное официальное название становится 1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]гептан-2-он. При наименовании простых слитых бициклических соединений применяется тот же метод, что и для мостовых бициклических соединений, за исключением того, что третий путь между двумя мостовыми атомами теперь состоит из нуля атомов. Следовательно, в скобках слитых бициклических соединений присутствует "0". Например, декалин называется бицикло[4.4.0]деканом. В однозначных случаях числа иногда опускаются. Например, бицикло[1.1.0]бутан обычно называют просто бициклобутаном. Гетероциклическая молекула DABCO содержит в общей сложности 8 атомов в своей мостовой структуре, следовательно, корень названия – октан. Здесь два мостовых атома – азот, а не углерод. Следовательно, официальное название получает дополнительную приставку 1,4-диаза, а полное название становится 1,4-диазабицикло[2.2.2]октан.

Bicyclic molecules are described by IUPAC nomenclature. The root of the compound name depends on the total number of atoms in all rings together, possibly followed by a suffix denoting the functional group with the highest priority. Numbering of the carbon chain always begins at one bridgehead atom (where the rings meet) and follows the carbon chain along the longest path, to the next bridgehead atom. Then numbering is continued along the second longest path and so on. Fused and bridged bicyclic compounds get the prefix bicyclo, whereas spirocyclic compounds get the prefix spiro. In between the prefix and the suffix, a pair of brackets with numerals denotes the number of carbon atoms between each of the bridgehead atoms. These numbers are arranged in descending order and are separated by periods. For example, the carbon frame of norbornane contains a total of 7 atoms, hence the root name heptane. This molecule has two paths of 2 carbon atoms and a third path of 1 carbon atom between the two bridgehead carbons, so the brackets are filled in descending order: [2.2.1]. Addition of the prefix bicyclo gives the total name bicyclo[2.2.1]heptane. The carbon frame of camphor also counts 7 atoms, but is substituted with a carbonyl in this case, hence the suffix heptanone. We start with numbering the carbon frame at the bridgehead atom with the highest priority (methyl goes before proton), hence the bridgehead carbon in front gets number 1, the carbonyl gets number 2 and numbering continues along the carbon chain following the longest path, until the doubly substituted top carbon (number 7). Equal to norbornane, this molecule also has two paths of 2 carbon atoms and one path of 1 carbon atom between the two bridgehead carbons, so the numbers within the brackets stay [2.2.1]. Combining the brackets and suffix (now filling in the position of the carbonyl as well) gives us [2.2.1]heptan 2 one. Besides bicyclo, the prefix should also specify the positions of all methyl substituents so the complete, official name becomes 1,7,7 trimethylbicyclo[2.2.1]heptan 2 one. When naming simple fused bicyclic compounds, the same method as for bridged bicyclic compounds is applied, except the third path between the two bridgehead atoms now consists of zero atoms. Therefore, fused bicyclic compounds have a "0" included in the brackets. For example, decalin is named bicyclo[4.4.0]decane. The numbers are sometimes omitted in unambiguous cases. For example, bicyclo[1.1.0]butane is typically called simply bicyclobutane. The heterocyclic molecule DABCO has a total of 8 atoms in its bridged structure, hence the root name octane. Here the two bridgehead atoms are nitrogen instead of carbon atoms. Therefore, the official name gets the additional prefix 1,4 diaza and the total name becomes 1,4 diazabicyclo[2.2.2]octane.