Введение
Молекула с кольцом связанных атомов
Циклическое соединение (или кольцевое соединение) – это термин, используемый в химии для обозначения соединения, в котором одна или несколько последовательностей атомов в его составе соединены, образуя кольцо. Кольца могут варьироваться в размере от трех до множества атомов и включают примеры, где все атомы – углерод (то есть карбоциклы), ни один из атомов не является углеродом (неорганические циклические соединения), или присутствуют как атомы углерода, так и другие атомы (гетероциклические соединения с кольцами, содержащими как углерод, так и другие элементы). В зависимости от размера кольца, порядка связей между атомами в кольце и их расположения, карбоциклические и гетероциклические соединения могут быть ароматическими или неароматическими; в последнем случае они могут быть полностью насыщенными или содержать различное количество кратных связей между атомами кольца. Благодаря огромному разнообразию, обусловленному валентностями распространенных атомов и их способностью образовывать кольца, число возможных циклических структур, даже небольшого размера (например, менее 17 атомов в общей сложности), исчисляется миллиардами. Усложняя и увеличивая их количество, замыкание атомов в кольцо может фиксировать определенные атомы с конкретными заместителями (функциональными группами), что приводит к стереохимии и хиральности соединения, включая некоторые проявления, уникальные для колец (например, конфигурационные изомеры). Кроме того, в зависимости от размера кольца, трехмерная форма определенных циклических структур – как правило, колец из пяти и более атомов – может изменяться и преобразовываться, демонстрируя конформационный изомеризм. Фактически, развитие этой важной химической концепции исторически связано с циклическими соединениями. Наконец, циклические соединения, благодаря своим уникальным формам, реакционной способности, свойствам и биоактивности, составляют большинство молекул, участвующих в биохимии, структуре и функциях живых организмов, а также в синтетических молекулах, таких как лекарства, пестициды и т.д.
Макроциклы
Термин макроцикл используется для соединений, содержащих кольца из 8 и более атомов. Макроциклы могут быть полностью карбоциклическими (кольца, содержащие только атомы углерода, например, циклооктана), гетероциклическими, содержащими как атомы углерода, так и атомы, отличные от углерода (например, лактоны и лактамы, содержащие кольца из 8 и более атомов), или не содержащими углерод (содержащими только атомы, отличные от углерода, в кольцах, например, гексасульфид диселена). Гетероциклы с атомами углерода в кольцах могут содержать небольшое количество атомов, отличных от углерода (например, в лактонах и лактамах, кольца которых богаты углеродом, но содержат ограниченное число атомов, отличных от углерода), либо быть богатыми атомами, отличными от углерода, и проявлять значительную симметрию (например, в случае хелатирующих макроциклов). Макроциклы могут принимать ряд стабильных конформаций, предпочитая те, которые минимизируют трансаннулярные нековалентные взаимодействия внутри кольца (например, конформации "кресло" и "кресло-лодка" более стабильны, чем конформация "лодка" для циклооктана, из-за взаимодействий, показанных дугами). Кольца среднего размера (8–11 атомов) наиболее напряжены, с энергией деформации от 9 до 13 (ккал/моль), и анализ факторов, важных для конформаций более крупных макроциклов, можно моделировать на основе конформаций колец среднего размера. Конформационный анализ колец с нечетным числом атомов показывает, что они склонны находиться в менее симметричных формах с небольшими энергетическими различиями между стабильными конформациями.
Номенклатура
Номенклатура IUPAC содержит обширные правила для наименования циклических структур, как основных, так и в качестве заместителей, присоединенных к алициклическим структурам. Термин «макроцикл» используется, когда кольцевое соединение содержит цикл из 12 или более атомов.