Хотя реакция замыкания цикла включает образование одной связи, обычно интермедиат получают из двух или более простых реагентов. Например – синтез пирролов по _ени – Кнорру из 1,4-дикарбонильных соединений и первичных аминов (рис. 3). Стадия циклизации включает нуклеофильную атаку иминного атома азота по карбонильной группе в интермедиате 1.

Следует отметить, что 1,4-дикетон в данном случае дважды выступает в роли электрофила – при взаимодействии с амином и с имином. И в большинстве других синтезов первоначально нуклеофил–электрофильное взаимодействие двух реагентов влечет за собой процесс аналогичного типа, приводящий к замыканию цикла. Различные типы таких взаимодействий показаны ниже.

Примеры компонентов, часто используемых при синтезе гетероциклов, приведены на рис. 4. Соединения, содержащие карбонильную группу (альдегиды, кетоны, хлороангидриды, эфиры карбоновых кислот, а также другие соединения) широко используются как электрофилы.

Реагенты с двумя электрофильными центрами

Реагенты с двумя нуклеофильными центрами

Реагенты с электрофильным и нуклеофильным центрами

Рис. 4. Примеры компонентов различного типа, используемых при синтезе гетероциклов.

Наиболее важный метод синтеза бензоконденсированных гетероциклов состоит в аннелировании гетероциклического кольца к бензольному. При этом существует два основных стратегических подхода: использование диорто-производных бензола и монозамещенных бензолов, в которых opmoположения реагируют как нуклеофилы (т.е. подвергаются нуклеофильной атаке). Например, хинолиновая система может быть получена из 2-аминобензальдегида с использованием двухуглеродного реагента с электрофильным и нуклеофильным центрами. Альтернативный подход основан на использовании анилина и трехуглеродного реагента с двумя электрофильными центрами, например α,β-ненасыщенного кетона. Недостаток второго подхода связан с неоднозначностью протекания процесса при наличии в анилине неэквивалентных орто-положений.

Система номенклатуры для описания возможных типов циклизаций проиллюстрирована на рис. 5. Она определяется характе­ром гибридизации атома, атакуемого нуклеофилом, и тем, происхо­дит ли сдвиг электронов от нуклеофильного центра к эндоциклическому (эндо) или экзоциклическому (экзо) атому.

Рис. 5. Варианты замыкания цикла при нуклеофильно-электрофильном взаимодействии.

Внутримолекулярное замещение при насыщенном атоме углерода – пример экзотет-процесса, а нуклеофильное присоединение к карбонильной группе и процессы присоединения–элиминирования с участием карбонильной группы относятся к экзотриг-типу.

Для того чтобы определить, какая из циклических систем образуется преимущественно при замыкании цикла, необходимо учитывать размер образующегося цикла и характер переходного состояния, приводящего к нему. Свободная энергия активации процесса состоит из энтальпийной () и энтропийной () компонент (Т – абсолютная температура):

Энтропия активации для внутримолекулярного процесса связана с вероятностью подхода двух реакционных центров одной молекулы друг к другу. Эта вероятность уменьшается ( приобретает большое отрицательное значение) при увеличении длины цепи. Энтальпия активации отражает напряженность переходного состояния, приводящего к образованию цикла. Значение энтальпии активации наименьшее при образовании пяти- и шестичленных циклов и несколько увеличивается при образовании более напряженных трех- и четырехчленных циклических систем. Значение велико при образовании циклов среднего размера (от восьми- до одиннадцатичленных), что связано с пространственными взаимодействиями в кольце. Значение свободной энергии активации при образовании циклов среднего размера также велико, поэтому замыкание таких циклов затруднено.

Другой важный фактор при определении возможности протекания процесса замыкания цикла связан с геометрией подхода нуклеофильного центра к электрофильному в переходном состоянии. Хорошо известно, например, что при бимолекулярном нуклеофильном замещении при насыщенном атоме углерода реализуется переходное состояние, в котором нуклеофил приближается со стороны, противоположной уходящей группе. Атака нуклеофилом карбонильной группы предпочтительна сверху или снизу плоскости связи С=О под углом, близким к тетраэдрическому. Преимущественные направления атаки нуклеофилами различных электрофильных центров продемонстрированы на рис. 4. Вероятно, небольшие отклонения от подходящей геометрии допустимы, однако напряжение в некоторых типах процессов, приведенных на рис. 6, затрудняют образование циклов с пятью и меньшим количеством атомов. Например, можно предположить, что процесс эндо-триг «невыгоден» для образования циклов с числом атомов, меньшим шести. Действительно, такие реакции идут с большим трудом. Процесс эндо-диг с этой точки зрения еще более «невыгоден», но приводит к замыканию пятичленных циклов. Это возможно из-за того, что π-связи функциональной группы с sp-гибридизованным атомом углерода расположены в той же плоскости, что и нуклеофил, тогда как в эндотриг-процессе подход нуклеофила осущест­вляется сверху или снизу плоскости молекулы.

Замещение при насыщенном атоме углерода.

Внутримолекулярный вариант реакции SN2-типа широко используется для замыкания насыщенных гетероциклов. Наиболее легко этот процесс протекает при образовании пяти- и шестичленных циклов, поскольку при таком размере кольца наблюдается наилучший баланс между энтальпийной и энтропийной компонентами – кольца не напряжены и переходные состояния доступны. Циклизация бромоалкиламинов Br(CH2)n-1NH2 с образованием пяти- и шестичленных циклов особенно благоприятна. Азиридины (n = 3) образуются в результате этого процесса также достаточно легко, несмотря на существующее напряжение в трехчленном цикле. Малая степень упорядочения, требуемая для переходного состояния, облегчает протекание реакции. [Циклизация бромоацетат-анионов, приводящая к α-лактону, идет существенно медленнее, возможно, из-за возникновения дополнительного напряжения, связанного с включением sр2-гибридного атома углерода в цикл.]

Реакции этого типа сопровождаются инверсией при атоме углерода. На рис. 7 приведен пример стереоселективного образования цис- и транс-2,3-дифенилазиридинов из трео- и эритро-хлороаминов.

В тех случаях, когда скорость замыкания цикла мала, вероятно протекание межмолекулярных процессов и выход циклического про­дукта снижается. Например, взаимодействие 3-хлоропропанола с гидроксидом натрия в водном метаноле приводит к ациклическим продуктам сольволиза с выходом 78% и к оксетану лишь с выхо­дом 14% (рис. 8).