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.