Ryż. 1. PROSTE ZWIĄZKI HETEROCYKLICZNE

Klasyfikacja związków heterocyklicznych.

W zależności od charakteru heteroatomu rozróżnia się związki zawierające tlen, azot i siarkę. Istnieją również związki, które zawierają jednocześnie kilka identycznych (ryc. 2, dioksan) lub różnych heteroatomów (ryc. 2, tiazol, oksazyna). Ponadto dzieli się je na związki nasycone (ryc. 1, piperydyna) i nienasycone, tj. zawierające wiązania wielokrotne (ryc. 1, furan, pirydyna, tiofen). W zależności od liczby fragmentów cyklicznych w cząsteczce rozróżnia się związki jednojądrzaste, monocykliczne (ryc. 1) i wielopierścieniowe zawierające kilka cykli, przy czym cykle mogą być skondensowane (zawierają dwa wspólne atomy, ryc. 2, indol) lub połączone mostkiem wiązanie pojedyncze (ryc. 2, bipirydyl). Związki makrocykliczne, tzw. etery koronowe (crown język angielski korona) zawierający więcej niż cztery heteroatomy i więcej niż dziesięć ogniw w strukturze pierścieniowej (łącznik to fragment dwóch chemicznie związanych atomów, (ryc. 2).

Ryż. 2. RÓŻNE TYPY BARDZIEJ ZŁOŻONYCH ZWIĄZKÓW HETEROCYKLICZNYCH: z dwoma identycznymi (dioksanami) lub różnymi (tiazolami, oksazyną) heteroatomami. Związki dwupierścieniowe: o cyklach skondensowanych (indol) lub rozdzielonych (bipirydyl). Związki eterów koronowych o dużych cyklach (makrocykliczne).

Nazewnictwo związków heterocyklicznych.

W przypadku dużej grupy związków heterocyklicznych zastosowanie trywialnego ( cm. TRYWIALNE NAZWY SUBSTANCJI), które rozwinęły się historycznie (na przykład ryc. 1), istnieje w sumie około 60 takich nazw i różnią się od systemu przyjętego dla większości związków organicznych innych klas. Ze specjalnie zaproponowanych w tym celu rdzeni i przedrostków powstaje nazwa, zachowując ustaloną kolejność. Opiera się na rdzeniu składającym się z dwóch sylab. Pierwsza sylaba wskazuje liczbę ogniw w cyklu, na przykład sylaba „ ir” (dwie przestawione litery z łacińskiego rdzenia „t ri”) odpowiada cyklowi trzech wyrazów, sylaba „ NIE" (fragment łac T i.t ra) cykl czteroogniwowy, sylaba „ OK" (część łac ok ta) jest używany w przypadku cykli ośmioczłonowych. Pochodzenie niektórych innych sylab oznaczających wielkość cyklu nie zawsze jest logicznie uzasadnione, np. Dla cykli sześcioczłonowych sylaba „ W”, zaczerpnięty z nazwy pospolitego heterocyklu „piryd W» (ryc. 1).

Druga sylaba wskazuje, czy heterocykl jest nasycony sylabą „ pl'lub nienasycona sylaba' pl„(analogia z nazwami węglowodorów: et pl Ten pl). Przed rdzeniem umieszczony jest przedrostek wskazujący naturę heteroatomu: O oxa, S tia, N aza. Ponieważ rdzeń często zaczyna się od samogłoski, przedrostek zwykle pomija ostatnie „a”. W rezultacie nasycony trójczłonowy pierścień zawierający S nazywa się tiiranem (ryc. 3A): „ ty-" skrócony przedrostek "tio-", część rdzenia " ir” oznacza cykl trzyczłonowy, a druga część pierwiastka „ pl» odpowiada związkowi nasyconemu. Podobnie trójczłonowy nienasycony pierścień zawierający O nazywany jest oksirenem (ryc. 3B). Jeżeli w heterocyklu znajduje się kilka heteroatomów, wówczas ich położenie jest wskazywane za pomocą wskaźników liczbowych, po wcześniejszym numerowaniu atomów w cyklu, a liczbę takich atomów określa się przedrostkami di-, tri- itp., na przykład 1,3,5-triazyna (ryc. 3B). Jeżeli istnieją różne heteroatomy, wymienia się je w następującej kolejności: O > S > N (ta ustalona kolejność jest dowolna i niezwiązana z właściwościami chemicznymi). Na końcu nazwy stosuje się pierwiastek wskazujący wielkość pierścienia i nienasycenie, np. 1,2,6-oksadiazyna (ryc. 3E). Sposób zapisywania pierwiastków dla cykli zawierających N różni się nieco od opisanego powyżej, co również jest szczegółowo określone, na przykład pierwiastek „ W» w nazwie 1,2,6-oksadiazyna (ryc. 3D) oznacza zarówno pierścień sześcioczłonowy, jak i nienasycony.

Zasady zestawiania nazw systematycznych mają zastosowanie do wszelkich związków heterocyklicznych, w tym także tych, dla których istnieją ugruntowane nazwy trywialne, np. związek bicykliczny o trywialnej nazwie chinolina (ryc. 3F) ma nazwę systematyczną benzazyna. Zamiast złożonego systemu nazw systematycznych chemicy często stosują prostszy system oparty na nazwach trywialnych: „izolują” w cząsteczce fragment trywialnej nazwy i wskazują pozycję podstawników za pomocą wskaźników cyfrowych.Nazwa 8-hydroksychinolina składa się w ten sposób (ryc. 3G).

Ryż. 3. SYSTEMATYCZNE NAZWY ZWIĄZKÓW HETEROCYKLICZNYCH(PIEKŁO). Porównanie nazw systematycznych i trywialnych (E). Użycie trywialnego terminu w składzie nazwy (G). W 8-hydroksychinolinie (G) nie są policzone dwa atomy węgla należące jednocześnie do dwóch cykli, ponieważ nie mogą mieć substytutów.

Właściwości chemiczne związków heterocyklicznych.

Trój- i czteroczłonowe heterocykle są układami naprężonymi, charakteryzującymi się reakcjami otwarcia pierścienia. Tlenek etylenu (w temperaturze 150°C i pod ciśnieniem 2 MPa) ulega hydrolizie, tworząc glikol etylenowy (rys. 4A). Reakcja naprężonych pierścieni zawierających O z alkoholami prowadzi do związków z grupą OH i wiązaniem eterowym (cellosolwy, ryc. 4B), a pod działaniem na nie halogenowodorów powstają związki zawierające Hal i grupę OH (halohydryny , rys. 4C). Naprężone pierścienie zawierające N reagują z halogenowodorami, tworząc haloalkiloaminy (ryc. 4d).

Ryż. 4. Pięcio- i sześcioczłonowe nienasycone związki heterocykliczne, jak również ich pochodne, mają aromatyczność dlatego ich zachowanie chemiczne przypomina właściwości związków aromatycznych (pochodnych benzenu) podczas różnych przemian, fragment cykliczny jest stosunkowo stabilny, a atomy H przy atomach węgla pierścienia, podobnie jak w benzenie, można zastąpić różnymi grupami ( cm. CHEMIA ORGANICZNA). Po sulfonowaniu (ryc. 5A), nitrowaniu (ryc. 5B) i acylowaniu (ryc. 5C, D) atomy H zostają zastąpione odpowiednimi grupami, podczas gdy cykl pozostaje niezmieniony. Jednakże stabilność fragmentów cyklicznych w takich związkach jest niższa niż pierścienia benzenowego, dlatego wszelkie reakcje podstawienia prowadzi się w łagodniejszych warunkach.

Ryż. 5. REAKCJE PODSTAWIENIA w związkach heterocyklicznych: A sulfonowanie, B nitrowanie, C, D acetylowanie. Podobnie jak reakcje podstawienia w pierścieniu benzenowym, fragment cykliczny pozostaje niezmieniony.

Zajmuje 6 R-elektrony ( cm. AROMATYCZNOŚĆ). Każde wiązanie podwójne składa się z dwóch wiązań ( cm. ORBITALNE), pierwszy tworzą dwa S- elektron dwóch sąsiednich atomów, a drugi tworzy para R- elektrony (oznaczone kropkami wewnątrz cyklu pirydynowego, ryc. 6A). Układ sześcioelektronowy w pirydynie składa się z pięciu R- elektrony należące do atomów węgla (czarne kropki) i jeden R- elektron z azotu (niebieska kropka). W rezultacie samotna para elektronów azotu (czerwone kropki) nie uczestniczy w tworzeniu układu aromatycznego, dlatego taki atom azotu może być donorem (oddającym elektrony) w tworzeniu wiązania donor-akceptor (aminy mają tę samą własność). Często taki donor nazywany jest zasadą Lewisa, ponieważ wykazuje właściwości typowe dla zasady: tworzy trwałe sole z kwasami mineralnymi (ryc. 6A), które są związkami złożonymi. Podobnie zachowuje się chinolina (ryc. 6B), którą można uznać za pochodną pirydyny. Właściwości zasady są najbardziej widoczne w 8-hydroksychinolinie (ryc. 3g). Związek ten silnie wiąże jony większości metali, tworząc dwa konwencjonalne wiązania chemiczne atomu metalu z dwoma atomami O oraz dwa wiązania donor-akceptor z atomami N. Takie kompleksy nazywane są chelatami (od greckiego chele pazur) lub pazurowatymi . Ta właściwość 8-hydroksychinoliny jest szeroko stosowana w chemii analitycznej do ilościowego oznaczania metali.

Ryż. 6. TWORZENIE SOLI ZŁOŻONEJ z udziałem sześcioczłonowych heterocykli zawierających N (A, B). Chelatowe kompleksy jonów metali (B).

Po przejściu od sześcioczłonowych do pięcioczłonowych nienasyconych heterocykli zawierających N (pirol, ryc. 7) sytuacja się zmienia. W tym przypadku samotna para elektronów azotu (ryc. 7, czerwone kropki) bierze udział w tworzeniu sześcioelektronowego układu aromatycznego i nie może brać udziału w tworzeniu wiązania donor-akceptor, w rezultacie właściwości kwasowe wiązania N-H są wyraźnie widoczne: wodór można zastąpić metalem (ryc. 7). Takie pochodne metali są wygodnymi związkami pośrednimi do dodawania grup alkilowych (ryc. 7A) lub acetylowych (ryc. 7B) do azotu.

Pięcioczłonowy heterocykl imidazolowy (ryc. 7C) zawierający dwa atomy N jest również związkiem aromatycznym 6 R-elektrony. Co ciekawe, ma zarówno właściwości kwasowe, jak i zasadowe. Atom N w grupie N-H może reagować jak kwas, podobnie jak pirol (ryc. 7A, B), drugi atom N właściwościami przypomina ten sam atom w pirydynie, charakteryzuje się reakcjami pokazanymi na ryc. 6A.

Ryż. 7. WŁAŚCIWOŚCI KWASOWE PIĘCICZŁONOWEGO HETEROCYKLU PIROLU(A, B). Połączenie właściwości kwasowych i zasadowych w imidazolu (B). Dwa atomy N w imidazolu i ich elektrony zaznaczono różnymi kolorami.

Związki heterocykliczne otrzymuje się w wyniku różnych procesów kondensacji, które przechodzą przez etap zamknięcia pierścienia (ryc. 8A-B). Przepływ takich reakcji w pożądanym kierunku stymulowany jest faktem, że w ich efekcie powstają stosunkowo trwałe związki heteroaromatyczne. Niektóre związki heterocykliczne otrzymuje się w oparciu o związki o podobnym składzie. Furfural otrzymuje się przez dekarbonylację (usunięcie CO) furfuralu (ryc. 8d, furfural to dobrze ugruntowana trywialna nazwa, która niedokładnie odzwierciedla skład, a dokładniej furfural). Uwodornienie furanu prowadzi do tetrahydrofuranu (ryc. 8E).

Ryż. 8. METODY Otrzymywania Związków HETEROCYKLICZNYCH

W nienasyconych pięcioczłonowych heterocyklach jeden heteroatom zostaje zastąpiony innym bez zmiany fragmentu cyklicznego (ryc. 9).

Ryż. 9. INTERKONWERSJE HETEROCYKLI PIĘCICZŁONOWYCH

Wiele związków heterocyklicznych otrzymuje się w wyniku przetwarzania produktów naturalnych. Pirol i indol (ryc. 2) występują w smole węglowej, tiofen ekstrahuje się z produktów koksowania węgla i termicznego rozkładu łupków bitumicznych, furan wyodrębnia się z produktów suchej destylacji niektórych gatunków drewna. Pirydynę (ryc. 1) otrzymuje się ze smoły węglowej, produktów suchej destylacji drewna i torfu. Furfural (ryc. 8) otrzymywany jest w wyniku hydrolizy surowców roślinnych (kolb kukurydzy, łusek owsa i ryżu) w obecności rozcieńczonych kwasów mineralnych.

Udział związków heterocyklicznych w procesach biologicznych.

W skład wchodzą trzy związki: uracyl, tymina i cytozyna, które są pochodnymi heterocyklu pirymidynowego zawierającego azot (ryc. 10 w nawiasach), a także dwie pochodne heterocyklu purynowego (ryc. 10 w nawiasach) guanina i adenina. kwasów nukleinowych kolejność naprzemienności tych heterocykli wzdłuż polimerycznych łańcuchów DNA i RNA determinuje wszystkie informacje dziedziczne żywego organizmu i sposób składania cząsteczek białka.

Ryc.10. ZWIĄZKI HETEROCYKLICZNE tworzące kwasy nukleinowe

Niektóre aminokwasy (ryc. 11) biorące udział w tworzeniu białek zawierają także fragmenty heterocykliczne: tryptofan zawiera fragment indolowy (ryc. 2), histydyna ma cykl imidazolowy (ryc. 7), prolina jest pochodną pirolidyny.

Fragmenty heterocykli występują w strukturze wielu substancji biologicznie czynnych, wśród najczęściej stosowanych leków ponad 60% stanowią związki heterocykliczne. Azetydynon o cyklu czteroczłonowym (ryc. 11) wchodzi w skład antybiotyków penicyliny i cefalosporyny, kwas askorbinowy (witamina C) zawiera heterocykl furanu, kolejna witamina nikotynamid zawiera fragment pirydyny, cząsteczka kofeiny jest „zbudowana” w oparciu o wspomniana wcześniej puryna (ryc. 10).

Ryż. jedenaście. OBECNOŚĆ FRAGMENTÓW ZWIĄZKÓW HETEROCYKLICZNYCH w strukturze biologicznie ważnych cząsteczek

Wszystkim związkom (ryc. 10), z wyjątkiem azetydynonu, podano trywialne nazwy, które zostały ustalone i weszły w życie jeszcze przed sformułowaniem zasad nazewnictwa systematycznego.

Zastosowanie związków heterocyklicznych.

Dioksan (rys. 2) i tetrahydrofuran (ryc. 8) są szeroko stosowane jako wysoce polarne rozpuszczalniki w syntezie organicznej.

Furfural (ryc. 8) jest produktem wyjściowym do otrzymywania furanu (ryc. 8), tetrahydrofuranu, a także do syntezy niektórych leków (furatsiliny).

Podczas kondensacji furfuralu w środowisku kwaśnym powstają produkty polimerowe (żywice furanowe), przypominające budową żywice fenolowe, grupy metylenowe CH 2 łączące heterocykle (ryc. 12A). Gdy takie żywice ogrzewa się w obecności katalizatorów kwasowych (na przykład kwasu toluenosulfonowego), wiązania podwójne otwierają się z utworzeniem wiązań poprzecznych, w wyniku czego polimer przechodzi w stan nierozpuszczalny, co pozwala na jego zastosowanie jako spoiwo w produkcji różnych wypełnianych materiałów prasowych: tworzyw szklanych i węglowych, płyt pilśniowych itp. W stanie stałym polimery furanowe są substancjami odpornymi chemicznie (do 300°C), co pozwala na ich zastosowanie jako uszczelniacze i masy uszczelniające odporne na korozję i ognioodporne.

Po kondensacji aromatycznych tetramin (4 grupy aminowe) z estrami aromatycznych kwasów dikarboksylowych ( cm. ESTRY) powstają polimery, w strukturze których podczas syntezy pojawiają się fragmenty benzimidazolu (ryc. 12B). Polimery takie, zwane polibenzimidazolami, charakteryzują się dużą wytrzymałością i odpornością cieplną (do 500°C), wykorzystywane są do wytwarzania folii, włókien (nazwy handlowe ARMOS i RUSAR), tworzyw sztucznych wzmacnianych.

Ryż. 12. POLIMERY ZAWIERAJĄCE W ŁAŃCUCHU FRAGMENTY HETEROCYKLICZNE: polimer furanowy (A), polibenzimidazol (B).

Pochodne benzimidazolu wchodzą w skład leków (dibazol).

Indol (ryc. 2) stosowany jest jako utrwalacz zapachu w przemyśle perfumeryjnym oraz do produkcji niektórych leków (indometacyna).

Michaił Lewicki

Dr. pierwiastki (heteroatomy). Naib. tj. cykl to-rykh obejmuje N, O, S. Należą do nich wiele, n. ; są one zawarte w postaci fragmentów strukturalnych w kwasach nukleinowych itp. Związki heterocykliczne są najliczniejszą klasą org. połączenie, w tym ok. 2/3 całej znanej przyrody. i syntetyczne. org. .

Nomenklatura. Zgodnie z zasadami nazewnictwa, dla najważniejszych związków heterocyklicznych zachowane zostały np. ich banalne nazwy. (forma I), (II), (III). Systematyczny nazwa monocykliczny Oznacza to, że zawierające od 3 do 10 w cyklu, powstają przez połączenie przedrostków oznaczających heteroatomy (N-aza, O-oxa, S-tia, P-fosfa itp.), Z korzeniami, które są dla głównych związków heterocyklicznych są wymienione w tabeli. Stopień nienasycenia. heterocykl znajduje odzwierciedlenie w nazwie. za pomocą korzeni lub przedrostków „dihydro” (dwa dołączone), „tetrahydro”, „perhydro” itp. Przykłady systematyki nazwy: (IV), tiiren (V), stopy (VI), 1,3-dioksolan (VII), perhydropirymidyna (VIII).

Dla związków heterocyklicznych mających 11 lub więcej członków w cyklu, mostkowych i niektórych kondensatorów. W systemach stosuje się nomenklaturę „a”, zgodnie z zasadami, według których używany jest pierwszy składnik nazwy. oznacza heteroatom, a drugi nazywa się. , który m. b. powstaje, jeśli założymy, że w pliku związku heterocyklicznego wszystkie heteroatomy są zastąpione na przykład przez grupy C, CH lub CH2. 1,5-diazabicyklo (Xill). Do nazw związków heterocyklicznych tego typu używa się także nazw tradycyjnych np. pentadekanolid (XIV), 18-korona-6-eter (XV).

KORZENIE UŻYWANE PRZY ZEBRANIU NAZW ZWIĄZKÓW HETEROCYKLICZNYCH WEDŁUG NOMENKLATURY

Właściwości chemiczne. W przypadku 3- i 4-członowych związków heterocyklicznych naprężony pierścień można łatwo otworzyć. 5- i 6-członowe nienasycone. heterocykle (najliczniejszy rodzaj związków heterocyklicznych), do których zalicza się zamknięty układ wiązań sprzężonych (4m + 2), mają charakter aromatyczny. charakter (reguła Hückela) i wywołany. heteroaromatyczny związki. Dla nich, a także dla benzoidów aromatycznych. conn., Naib. charakterystyczne podstawienie p-tionowe. W tym przypadku heteroatom pełni rolę „wewnętrznej” funkcji określającej orientację, a także aktywującego lub dezaktywującego wpływ na pierścień na działanie rozkładu. .

Heteroaromatyczny połączenie dzieli się na: nadmiarowe i niedoborowe. Do pierwszych zalicza się 5-członowe związki heterocykliczne z jednym heteroatomem, w których sekstet ulega delokalizacji pomiędzy pięcioma cyklami, co powoduje ich wzrost. w odniesieniu do elektryki agenci. 6-członowe heterocykle z sześcioma uważa się za rzadkie, do żyta są rozmieszczone, jak w tym przypadku, pomiędzy sześcioma pierścieniami, ale jednym lub kilkoma. z czego są heteroatomy z więcej niż y , . Taki kom. przypomnieć poprzez reakcję. pochodne zdolności

Związki heterocykliczne

Związki heterocykliczne to związki posiadające w swoim składzie pierścienie (cykle), w tworzeniu których oprócz atomów węgla biorą udział także atomy innych pierwiastków.

Atomy pierwiastków innych niż atomy węgla, które są częścią heterocykli, nazywane są heteroatomami. W heterocyklach najczęściej występują heteroatomy azotu (N), tlenu (O) i siarki (S).

Klasyfikacja heterocykli

1. przez całkowitą liczbę atomów w cyklu: cykle trzy-, cztero-, pięcio-, sześcioczłonowe itp.

2. ze względu na charakter heteroatomu: zawierający tlen, azot, siarkę, fosfor

3. Według liczby heteroatomów: 1,2 lub więcej w cyklu

4. Według stopnia nasycenia cykli

5. Według liczby cykli

Najważniejsze z nich to pięcio- i sześcioczłonowe heterocykle zawierające azot, tlen i siarkę. Cykle te formują się najłatwiej i charakteryzują się dużą wytrzymałością. Wynika to z faktu, że kąty wiązania zredukowanych heteroatomów różnią się nieznacznie od kąta wiązania węgla. W zależności od stopnia nasycenia związki heterocykliczne mogą być nasycone, nienasycone i aromatyczne. Na szczególną uwagę zasługują związki heterocykliczne, które różnią się swoimi właściwościami od wszystkich innych związków cyklicznych i acyklicznych, przypominając benzen i jego pochodne pod względem stabilności i reakcji. Są to aromatyczne związki heterocykliczne.

Duże znaczenie mają związki heterocykliczne. Wiele z nich stanowi podstawę ważnych leków, bierze udział w budowie niektórych aminokwasów tworzących białka. Heterocykle są składnikami strukturalnymi kwasów nukleinowych, stanowią podstawę naturalnych substancji barwiących, takich jak chlorofil, hemoglobina.

Aromatyczne związki heterocykliczne

W aromatycznych związkach heterocyklicznych występują tylko następujące heteroatomy: azot, tlen i siarka. Są to jedyne pierwiastki inne niż węgiel, które mogą tworzyć wiązania π i dlatego biorą udział w budowie jąder aromatycznych.

Pięcioczłonowe heterocykle z jednym heteroatomem

Najważniejsze pięcioczłonowe heterocykle z jednym heteroatomem to:

Indol (benzpirol) jest przykładem skondensowanego związku heterocyklicznego, który składa się z pierścienia benzenowego i pirolowego, które mają wspólne złącze.

Pochodne pirolu są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Sam pirol jest rzadki. Występuje w smole węglowej i oleju kostnym. Szereg pochodnych pirolu i indolu otrzymywano sztucznie i zajmowały ważne miejsce w przemysłowej syntezie organicznej: barwniki, leki, tworzywa sztuczne. Indol jest składnikiem strukturalnym niezbędnego aminokwasu tryptofanu.

Sześcioczłonowe heterocykle z jednym heteroatomem

Najważniejszym sześcioczłonowym heterocyklem z jednym heteroatomem azotu jest pirydyna. Obok pirydyny duże znaczenie mają układy skondensowane, w których rdzeń pirydyny jest połączony z jednym lub dwoma jądrami benzenu. Na przykład chinolina.

Pięcioczłonowe i sześcioczłonowe heterocykle z dwoma heteroatomami

W heterocyklach zawierających azot dwa atomy azotu mogą znajdować się blisko siebie i mogą być oddzielone jedną lub dwiema grupami CH (układ 1,2-, 1,3- i 1,4-).

Puryna jest złożonym układem heterocyklicznym składającym się z dwóch skondensowanych heterocykli: pirymidyny i imidazolu.

Kryteria aromatyczności

1. Płaski układ cykliczny

2. Układ zamknięty, sprzężony, obejmujący wszystkie atomy cyklu

3. Liczba elektronów biorących udział w koniugacji wynosi 4n+2, gdzie n=0,1,2,3,… (n to liczba cykli)

W związkach heterocyklicznych z jednym pierścieniem w koniugacji bierze udział 6 elektronów

Struktura benzenu według schematu

Pirydyna. Podobnie jak w przypadku benzenu, aromatyczny charakter pirydyny wynika z koniugacji sześciu p-elektronów (sektetu aromatycznego), po jednym z każdego atomu pierścienia. Atom azotu (pirydyna) jest związany z dwoma sąsiednimi atomami węgla za pomocą zhybrydyzowanych orbitali sp 2, podobnie jak atomy węgla w benzenie. Odległości międzyatomowe C-C w pirydynie są sobie równe i praktycznie równe odległościom C-C w pierścieniu benzenowym; Odległości C-N są znacznie mniejsze niż te same odległości w cząsteczkach nieskoniugowanych. Niewspółdzielona para elektronów na sp 2 -AO azotu nie uczestniczy w koniugacji. To ona określa główne właściwości pirydyny.

Pirol. Aromatyczny sekstet pirolu powstaje w wyniku połączenia czterech p-elektronów węgla i dwóch samotnych elektronów azotu na pz-AO, tworząc pojedynczy układ π-elektronów. Atom azotu w tym przypadku nazywany jest pirolem.

Obecność heteroatomu prowadzi do nierównomiernego rozkładu gęstości elektronowej. Wpływ heteroatomu zmienia się w zależności od tego, czy dostarcza on jeden czy dwa p-elektrony do sekstetu aromatycznego. Na rysunku pokazano rozkład gęstości elektronów, długości wiązań i kąty wiązań w cząsteczkach pirydyny i pirolu. Ponieważ elektroujemność azotu jest większa niż węgla, w pirydynie gęstość elektronów wzrasta przy atomie azotu i obniża się przy pozostałych atomach cyklu, głównie przy atomach w pozycjach 2,4 i 6.

Ze względu na udział pary wolnych elektronów atomu azotu pirolu w koniugacji aromatycznej, heteroatom staje się uboższy w elektrony. Grupy CH sąsiadujące z heteroatomem (pozycje α) będą znacznie bogatsze w elektrony, a zatem będą bardziej reaktywne w reakcjach podstawienia elektrofilowego niż bardziej odległe grupy CH (pozycje β)

Pirymidyna zawiera dwa atomy azotu pirydyny i imidazol I puryna są atomami azotu pirolu i pirydyny. Określa to właściwości kwasowo-zasadowe tych związków.

Pirol. Bezbarwna ciecz, słabo rozpuszczalna w wodzie, szybko utlenia się i ciemnieje w powietrzu. Paragon:

1. Furan, tiofen i pirol mogą zamieniać się w siebie po podgrzaniu do 400-450 w obecności katalizatora Al 2 O 3 (cykl Yurieva)

2. Pirol powstaje przez przepuszczenie mieszaniny C 2 H 2 i NH 3 przez ogrzany katFe 2 O 3

Właściwości chemiczne

1. Pirol wykazuje właściwości lekko kwaśne, reagując z alkalicznym Me lub z bardzo mocnymi zasadami w temperaturze t.

2. Łatwiej niż benzen wchodzi w reakcje podstawienia. Rozkład gęstości elektronów ze względu na obecność heteroatomu jest taki, że najbardziej reaktywne są pozycje alfa w stosunku do atomu azotu.

3. Po redukcji w łagodnych warunkach (Zn+HCl) pirol przekształca się w pirolinę. Gwałtowna redukcja (na przykład uwodornienie w obecności niklu w temperaturze 200) prowadzi do powstania tetrahydropirolu (pirolidyny).

Główne właściwości pirolu praktycznie nie ujawniają się ze względu na udział samotnej pary elektronów w układzie koniugacji pierścienia (azot pirolu). W serii pirol - pirolina - pirolidyna wzrasta zasadowość.

Rdzeń pirolu i niektóre jego pochodne wchodzą w skład najważniejszych struktur biologicznych i biochemicznych. Na przykład. pierścienie pirolowe są częścią porfiny i gemmy. Kiedy ulegają zniszczeniu w organizmie, tworzą się „liniowe” tetrapirole, zwane pigmentami żółciowymi (biliwerdyna, bilirubina, sterkobilina itp.). Stosunek pigmentów określa rodzaj żółtaczki i przyczyny choroby (żółtaczka obturacyjna, wirusowe zapalenie wątroby itp.)

Pirydyna. Bezbarwna ciecz o charakterystycznym nieprzyjemnym zapachu, mieszalna z wodą w dowolnym stosunku. Paragon:

1. Ekstrakcja ze smoły węglowej

2. Synteza z kwasu cyjanowodorowego i acetylenu

Właściwości chemiczne

1. Pirydyna ma podstawowe właściwości, ponieważ zawiera atom azotu PIRYDYNY, w pewnym stopniu podobny do atomu azotu amin (para elektronów nie uczestniczy w tworzeniu sekstetu aromatycznego):

2. Wodne roztwory pirydyny barwią niebieski lakmus, pod działaniem kwasów mineralnych tworzą się krystaliczne sole pirydyniowe

3. Pirydyna i jej homologi dodają halogenowe alkile, dając sole pirydyniowe

4. Pirydyna trudniej wchodzi w reakcje podstawienia niż benzen ze względu na większą elektroujemność atomu azotu niż węgla. W tym przypadku podstawienie następuje głównie w pozycji β

5. Redukcja katalityczna przekształca pirydynę w piperydynę

6. Pirydyna jest odporna na środki utleniające. Jego homologi utleniają się, tworząc heterocykliczne kwasy karboksylowe

7. Spalanie pirydyny

Pirydyna i jej pochodne są podstawą wielu leków. Na przykład kwas nikotynowy i jego amid to witaminy z grupy PP.

Zasady nuklearne

Z powyższego wynika, że ​​związki zawierające atom azotu pirydyny mają właściwości zasadowe (zasady azotowe). Pochodne pirymidyny i puryn, które wchodzą w skład kwasów nukleinowych. nazywane są zasadami nukleinowymi.

MI. Antonova, A.S. Berlanda

Chemia BIOORGANICZNA

ZWIĄZKI HETEROCYKLICZNE

Moskwa 2010

Państwowa instytucja edukacyjna wyższej edukacji zawodowej

„Moskiewski Państwowy Uniwersytet Medycyny i Stomatologii” Federalna Agencja Zdrowia i Rozwoju Społecznego Federacji Rosyjskiej

Katedra Chemii Ogólnej i Bioorganicznej

MI. Antonova, A.S. Berlanda

Chemia BIOORGANICZNA

ZWIĄZKI HETEROCYKLICZNE

Poradnik z chemii bioorganicznej

do samodzielnej pracy uczniów

wydziały stomatologiczne uniwersytetów medycznych

Polecany przez Stowarzyszenie Edukacyjno-Metodologiczne Edukacji Medycznej i Farmaceutycznej Rosyjskich Uniwersytetów jako pomoc dydaktyczna dla studentów studiujących na specjalności 060105 (040400) - „Stomatologia”

Moskwa 2010

BBC 24.1 i 73

UDC 546 (075,8)

Recenzenci:

głowa Katedra Chemii Organicznej MMA im. I.V. Sechenov, d.h. n., profesor N.A. Tyukavkina,

głowa Katedra Farmakologii, MGMSU,

Doktor nauk medycznych, profesor A.G. Mular

MI. Antonova, A.S. Berlanda. Chemia bioorganiczna, część VI. Instruktaż. M., MGMSU, 2010, lata 63.

Pod redakcją profesora A.S. Berlanda

Niniejsza pomoc dydaktyczna poświęcona jest związkom zrzeszonym pod ogólną nazwą „Związki heterocykliczne”. Podręcznik zawiera materiał teoretyczny, przeanalizowano szereg zadań referencyjnych, a także pytań i zadań do samodzielnej pracy studentów. Podręcznik jest zalecany do wykorzystania przez studentów wydziałów stomatologicznych, lekarskich i pediatrycznych uniwersytetów medycznych Federacji Rosyjskiej w celu przygotowania się do zajęć z chemii bioorganicznej.

BBC 24.1 i 73

© MGMSU, 2010

© M.I. Antonova, A.S. Berlanda. 2010.

Związki heterocykliczne

1. Charakterystyka ogólna.

Związki heterocykliczne nazywane są związkami o strukturze cyklicznej, zawierającymi w cyklu nie tylko atomy węgla, ale także atomy innych pierwiastków (heteroatomy).

Związki heterocykliczne są najczęstszą grupą związków organicznych. Wchodzą w skład wielu substancji pochodzenia naturalnego, takich jak kwasy nukleinowe, chlorofil, hem krwi, alkaloidy, penicyliny i wiele witamin. Związki heterocykliczne odgrywają ważną rolę w procesach metabolicznych i wykazują wysoką aktywność biologiczną. Znaczna część nowoczesnych substancji leczniczych zawiera w swojej strukturze heterocykle.

2. Klasyfikacja i nazewnictwo związków heterocyklicznych.

2.1. Klasyfikacja.

Do klasyfikacji związków heterocyklicznych stosuje się następujące cechy.

Przez wielkość cyklu związki heterocykliczne są najczęściej trzy-, cztero-, pięcio-, sześcio- i siedmioczłonowe:

Przez typ elementu , zaliczane do cyklu to głównie związki posiadające atomy azotu, tlenu lub siarki:

Przez liczba heteroatomów , zaliczane do cyklu, najczęstsze są heterocykle z jednym i dwoma heteroatomami, ale znane są też związki z czterema atomami w jednym cyklu:

Przez charakter i wzajemne ułożenie kilku heteroatomów możliwe są różne kombinacje (na przykład N i S, N i O itp.), a heteroatomy mogą zajmować różne pozycje względem siebie:

Przez stopnie nasycenia heterocykle mogą być aromatyczne, nienasycone i nasycone:

Najbardziej szczegółowo zbadano chemię aromatycznych heterocykli. Całkowicie lub częściowo nasycone heterocykle, ze względu na specyfikę ich właściwości chemicznych, są z reguły uważane nie za związki heterocykliczne, ale za cykliczne analogi niektórych związków alifatycznych (etery, siarczki, aminy drugorzędowe).

Przez liczba cykli rozróżniać układy monocykliczne i policykliczne (głównie skondensowane). Liczba cykli i ich rodzaje mogą być bardzo różne:

Związki heterocykliczne nazywane są takimi związkami o strukturze cyklicznej, w których cyklach wraz z atomami węgla znajdują się atomy innych pierwiastków. Te inne atomy nazywane są heteroatomami. Najczęściej takimi heteroatomami są atomy tlenu, siarki i azotu. Heterocykle mogą zawierać jeden, dwa, trzy lub więcej heteroatomów. Jednak zgodnie z teorią napięcia cykli cykle trzy- i czteroczłonowe są niestabilne. Najsilniejsze i dlatego bardziej powszechne są pięcio- i sześcioczłonowe heterocykle.

Klasyfikację heterocykli przeprowadza się w zależności od wielkości cyklu. Zgodnie z tym rozróżnia się trzy-, cztero-, pięcio-, sześcioczłonowe heterocykle i heterocykle z dużą liczbą atomów.

Związki heterocykliczne są liczne, bardzo powszechne w przyrodzie i mają duże znaczenie praktyczne. Należą do nich takie substancje jak chlorofil – zielona substancja roślin, hemoglobina – barwnik krwi i wiele innych naturalnych substancji barwiących, witaminy, antybiotyki (penicylina), substancje lecznicze, pestycydy.

Nazewnictwo heterocykli

Związki heterocykliczne nazywane są według trywialnej, racjonalnej i systematycznej nomenklatury. Często używane są trywialne nazwy dobrze znanych związków heterocyklicznych. Na przykład pirol, pirydyna, furan, indol, puryna itp. W racjonalnej nomenklaturze za podstawę przyjmuje się nazwę pewnego heterocyklu - furany, tiofen, pirol, pirydyna lub inny i wskazuje się w nich pozycję podstawników cyframi lub literami alfabetu greckiego. W heterocyklach z jednym heteroatomem numeracja zaczyna się od tego heteroatomu.

Obrazek 1.

Współczesna nomenklatura naukowa układów heterocyklicznych obejmuje wielkość cyklu, jego nienasycenie, liczbę heteroatomów, ich rodzaj i położenie. Nazwa heterocyklu zgodnie z tą nomenklaturą składa się z trzech części:

• pierwiastek - wskazuje wielkość cyklu,
• przyrostek - wskazuje stopień nienasycenia układu heterocyklicznego
• i przedrostki - wskazuje rodzaj heteroatomów i ich liczbę.

Pierścień trzyczłonowy ma rdzeń -ir, pierścień czteroczłonowy ma -et, pierścień pięcioczłonowy ma -ol, pierścień sześcioczłonowy ma -in. Nasycone heterocykle z atomem azotu mają przyrostek -idyna, nasycone heterocykle bez atomu azotu mają przyrostek -an, nasycone układy heterocykliczne mają przyrostek -in.

Naturę heteroatomu wskazują odpowiednio przedrostki oksa-, tia- i aza- dla tlenu, siarki i azotu, przedrostki dioksa-, ditia-, diaza- oznaczają odpowiednio dwa atomy tlenu, siarki i azotu . Jeżeli w heterocyklu znajdują się dwa lub więcej różnych heteroatomów, wówczas są one wymienione w kolejności pierwszeństwa tlenu przed siarką i siarki przed azotem i są ponumerowane w następującej kolejności: $O$, $S$, $N$.

Jeśli w heterocyklu znajduje się jeden atom tlenu i jeden atom azotu, stosuje się przedrostek - oksaza-, a w obecności jednego atomu siarki i jednego atomu azotu - tiaza-. Gdy trzeciorzędowy atom azotu i grupa $NH$ znajdują się w pierścieniu w tym samym czasie, cyfra 1 oznacza atom azotu grupy $NH$. W tym przypadku numeracja odbywa się w następującej kolejności: $O$, $S$, $NH$, $N$.

Heterocykle, które nie zawierają ekstremalnych wiązań, z reguły mają podobne właściwości chemiczne i fizyczne do odpowiednich związków cyklicznych.

Aromatyczność heterocykli

Istnieje ogromna grupa heterocykli, które mają sprzężony układ wiązań wielokrotnych. Takie heterocykle przypominają benzen i jego pochodne pod względem stabilności i rodzaju reakcji i nazywane są aromatycznymi związkami heterocyklicznymi.

Zgodnie z regułą Hückela układ pierścieniowy ma właściwości aromatyczne, jeśli:

• zawiera 4n + 2$ elektronów uogólniających;
• ma ciągły łańcuch koniugacji;
• jest planarny.

Porównajmy dwa związki - benzen i pirydynę:

Rysunek 2.

Rysunek 3

W cząsteczce benzenu atomy węgla znajdują się w stanie hybrydyzacji $sp2$. Czwarty elektron każdego atomu C nie ulega hybrydyzacji. W tym przypadku powstaje sekstet elektronów, uogólniony na wszystkie atomy cyklu (sektet aromatyczny).

Chmury niezhybrydyzowanych $\pi$-elektronów o kształcie ósemek tomowych, nakładając się na siebie, tworzą pojedynczą chmurę $\pi$-elektronów:

Rysunek 4

Aromatyczny charakter pirydyny można wyjaśnić w podobny sposób. Tylko 5$\pi$-elektronów z atomów węgla i jeden elektron z azotu uczestniczy w tworzeniu sekstetu elektronowego w przyrodzie:

Rysunek 5

Atom azotu zatrzymuje niewspółdzieloną parę elektronów. Ta para elektronów nie jest częścią sekstetu aromatycznego; układ planarny; odpowiada regule Hückela: 4n + 2$.

Struktura elektronowa pięcioczłonowych heterocykli

Rozważ strukturę elektronową pięcioczłonowego heterocyklu - pirolu, utworzonego przez cztery atomy węgla i atom azotu i zawiera dwa wiązania podwójne:

Rysunek 6

Sekstet aromatyczny powstaje również w cząsteczce pirolu z powodu czterech $\pi$-elektronów atomów węgla i dwóch niewspółdzielonych p-elektronów atomu azotu. W ten sposób w jądrze powstaje wspólny układ sekstetu elektronów, a jądro ma właściwości aromatyczne. Obowiązuje pierwsza zasada aromatyczności: istnieje $4n + 2 = 4\cdot1 + 2 = 6$ uogólnionych elektronów. Spełniony jest także drugi warunek aromatyczności - zachowany jest ciągły łańcuch koniugacji, w skład którego wchodzi niepodzielna para elektronów atomu azotu. Wszystkie atomy leżą w tej samej płaszczyźnie, układ jest płaski. Zatem w pięcioczłonowych heterocyklach 6 elektronów ulega delokalizacji pomiędzy 5 atomami tworzącymi ten cykl.

Rysunek 7

Spośród pięcioczłonowych związków heterocyklicznych z jednym heteroatomem najważniejsze to: furan, tiofen i pirol. W przypadku furanu, tiofenu, pirolu i ich pochodnych typowe są reakcje podstawienia elektrofilowego: nitrowanie, sulfonowanie, halogenowanie, acylowanie itp. Ta cecha właściwości tych związków heterocyklicznych jest związana z ich strukturą elektronową. Cykle tych substancji zawierają zarówno atomy węgla, jak i heteroatomy. Atomy węgla i heteroatomy są połączone z sąsiednimi atomami węgla wiązaniami $\sigma$.

Inne aromatyczne związki heterocykliczne

Ponieważ atomy węgla o różnych cyklach i w różnych kombinacjach można zastąpić heteroatomami w związkach policyklicznych, liczba możliwych aromatycznych związków heterocyklicznych jest niezwykle duża:

Cyfra 8

Oprócz układów heterocyklicznych, które zawierają sześć $\pi$-elektronów w każdym pierścieniu, istnieje wiele przykładów aromatycznych ($4n+2$) związków heterocyklicznych p-elektronów, w których $n >1$. Znane są heterocykliczne analogi aromatycznych pierścieni. Przykładami są oksa-annulen, aza-annulen, aza-annulen, izoelektroniczny do aromatycznego -annulenu:

Rysunek 9

Rysunek 10.

Innym dobrym przykładem aromatycznego heteroannulenu jest zmostkowana homochinolina, która jest izoelektroniczna w stosunku do 1,6-metano-annulenu i zawiera 10 p-elektronów:

Rysunek 11.