Ryža. jeden. JEDNODUCHÉ HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY

Klasifikácia heterocyklických zlúčenín.

V závislosti od povahy heteroatómu sa rozlišujú zlúčeniny obsahujúce kyslík, dusík a síru. Existujú aj zlúčeniny, ktoré obsahujú súčasne niekoľko rovnakých (obr. 2, dioxán) alebo rôznych heteroatómov (obr. 2, tiazol, oxazín). Okrem toho sa delia na nasýtené zlúčeniny (obr. 1, piperidín) a nenasýtené, t.j. obsahujúce násobné väzby (obr. 1, furán, pyridín, tiofén). V závislosti od počtu cyklických fragmentov v molekule sa rozlišujú mononukleárne monocyklické zlúčeniny (obr. 1) a polynukleárne obsahujúce niekoľko cyklov, pričom cykly môžu byť kondenzované (obsahujú dva spoločné atómy, obr. 2, indol), alebo spojené pomocou a jednoduchá väzba (obr. 2, bipyridyl). Makrocyklické zlúčeniny, takzvané korunové étery (crown Angličtina koruna) obsahujúca viac ako štyri heteroatómy a viac ako desať väzieb v kruhovej štruktúre (spojka je fragment dvoch chemicky viazaných atómov, (obr. 2).

Ryža. 2. RÔZNE TYPY KOMPLEXNEJŠÍCH HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN: s dvoma rovnakými (dioxán) alebo rôznymi (tiazol, oxazín) heteroatómami. Dvojjadrové zlúčeniny: s kondenzovanými (indol) alebo oddelenými cyklami (bipyridyl). Crown étery zlúčeniny s veľkými cyklami (makrocyklické).

Nomenklatúra heterocyklických zlúčenín.

Pre veľkú skupinu heterocyklických zlúčenín je použitie triviálnych ( cm. TRIVIÁLNE NÁZVY LÁTOK) názvy, ktoré sa vyvinuli historicky (napr. obr. 1), takýchto názvov je celkovo asi 60 a líšia sa od systému, ktorý je akceptovaný pre väčšinu organických zlúčenín iných tried. Z koreňov a predpôn špeciálne navrhnutých na tento účel sa vytvorí názov, ktorý dodržiava dohodnuté poradie. Jeho základom je koreň pozostávajúci z dvoch slabík. Prvá slabika označuje počet odkazov v cykle, napríklad slabika „ ir“ (dve preskupené písmená z latinského koreňa „t RI“) zodpovedá trojčlennému cyklu, slabika „ č“ (úlomok latinčiny t et ra) štvorčlenný cyklus, slabika “ OK“ (časť lat oc ta) sa používa pre osemčlenné cykly. Pôvod niektorých iných slabík označujúcich veľkosť cyklu nie je vždy logicky opodstatnený, napríklad pri šesťčlenných cykloch je slabika „ v“, prevzaté z názvu bežného heterocyklu „pyride v» (obr. 1).

Druhá slabika označuje, či je heterocyklus nasýtený slabikou " en alebo nenasýtená slabika en"(analógia s názvami uhľovodíkov: et en toto sk). Pred koreňom je umiestnená predpona, ktorá označuje povahu heteroatómu: O oxa, S tia, Naza. Keďže koreň často začína samohláskou, koncové „a“ sa zvyčajne z predpony vynecháva. Výsledkom je, že nasýtený trojčlenný kruh obsahujúci S sa nazýva thiiran (obr. 3A): " ti-" skrátená predpona "tio-", časť koreňa " ir“ označuje trojčlenný cyklus a druhá časť koreňa “ en» zodpovedá nasýtenej zlúčenine. Podobne trojčlenný O-obsahujúci nenasýtený kruh sa nazýva oxirén (obr. 3B). Ak je v heterocykle niekoľko heteroatómov, ich poloha je označená pomocou číselných indexov, ktoré predtým očíslovali atómy v cykle, a počet takýchto atómov je označený predponami di-, tri- atď. 1,3,5-triazín (obr. 3B). Ak existujú rôzne heteroatómy, sú uvedené v nasledujúcom poradí: O > S > N (toto stanovené poradie je ľubovoľné a nesúvisí s chemickými vlastnosťami). Na konci názvu sa používa koreň na označenie veľkosti kruhu a nenasýtenosti, napríklad 1,2,6-oxadiazín (obr. 3E). Spôsob zapisovania koreňov pre cykly obsahujúce N sa trochu líši od spôsobu opísaného vyššie, ktorý je tiež špecificky stanovený, napríklad koreň " v» v názve 1,2,6-oxadiazín (obr. 3D) označuje šesťčlenný aj nenasýtený kruh.

Pravidlá zostavovania systematických názvov sú použiteľné pre všetky heterocyklické zlúčeniny vrátane tých, pre ktoré existujú dobre zavedené triviálne názvy, napríklad bicyklická zlúčenina s triviálnym názvom chinolín (obr. 3F) má systematický názov benzazín. Namiesto zložitého systému systematických názvov chemici často používajú jednoduchší systém založený na triviálnych názvoch: „izolujú“ fragment triviálneho názvu v molekule a pomocou digitálnych indexov označujú polohu substituentov Názov 8-hydroxychinolín je zložený týmto spôsobom (obr. 3G).

Ryža. 3. SYSTEMATICKÉ NÁZVY HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN(PEKLO). Porovnanie systematických a triviálnych mien (E). Použitie triviálneho termínu v skladbe mena (G). V 8-hydroxychinolíne (G) nie sú dva atómy uhlíka patriace súčasne do dvoch cyklov očíslované, pretože nemôžu mať náhradníkov.

Chemické vlastnosti heterocyklických zlúčenín.

Troj- a štvorčlenné heterocykly sú napäté systémy, vyznačujú sa reakciami otvárajúcimi kruh. Etylénoxid (pri 150 °C a tlaku 2 MPa) sa hydrolyzuje za vzniku etylénglykolu (obr. 4A). Reakcia napnutých kruhov obsahujúcich O s alkoholmi vedie k zlúčeninám s OH skupinou a éterovou väzbou (cellosolves, obr. 4B) a pri ich pôsobení halogenovodíkmi vznikajú zlúčeniny obsahujúce Hal a OH skupinu (halogénhydríny, Obr. 4C). Napäté kruhy obsahujúce N reagujú s halogenvodíkmi za vzniku halogénalkylamínov (obr. 4d).

Ryža. štyri. PÄŤ- A ŠESŤČLENNÉ NENASÝTENÉ HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY, ako aj ich deriváty, majú aromatickosť, preto sa ich chemické správanie podobá vlastnostiam aromatických zlúčenín (derivátov benzénu) pri rôznych premenách, cyklický fragment je relatívne stabilný a atómy H na atómoch uhlíka v kruhu, podobne ako v benzéne, môžu byť nahradené rôznymi skupinami ( cm. ORGANICKÁ CHÉMIA). Po sulfonácii (obr. 5A), nitrácii (obr. 5B) a acylácii (obr. 5C, D) sú atómy H nahradené zodpovedajúcimi skupinami, pričom cyklus zostáva nezmenený. Stabilita cyklických fragmentov v takýchto zlúčeninách je však nižšia ako stabilita benzénového kruhu, takže všetky substitučné reakcie sa uskutočňujú za miernejších podmienok.

Ryža. 5. SUBSTITUČNÉ REAKCIE v heterocyklických zlúčeninách: A sulfonácia, B nitrácia, C, D acetylácia. Podobne ako substitučné reakcie v benzénovom kruhu zostáva cyklický fragment nezmenený.

Trvá 6 R- elektróny ( cm. AROMATICITA). Každá dvojitá väzba sa skladá z dvoch väzieb ( cm. ORBITALS), prvý je tvorený dvoma s- elektrón dvoch susedných atómov a druhý je tvorený párom R- elektróny (označené bodkami vo vnútri pyridínového cyklu, obr. 6A). Šesťelektrónový systém v pyridíne je tvorený piatimi R- elektróny patriace k atómom uhlíka (čierne bodky) a jeden R- elektrón z dusíka (modrá bodka). Výsledkom je, že osamelý elektrónový pár dusíka (červené bodky) sa nezúčastňuje na tvorbe aromatického systému, preto môže byť takýto atóm dusíka donorom (darujúcim elektróny) pri tvorbe väzby donor-akceptor (amíny majú rovnakú vlastnosť). Takýto donor sa často nazýva Lewisova zásada, pretože vykazuje vlastnosti typické pre zásadu: tvorí stabilné soli s minerálnymi kyselinami (obr. 6A), čo sú komplexné zlúčeniny. Podobne sa správa chinolín (obr. 6B), ktorý možno považovať za derivát pyridínu. Vlastnosti zásady sú najvýraznejšie u 8-hydroxychinolínu (obr. 3g). Táto zlúčenina silne viaže ióny väčšiny kovov, pričom vytvára dve konvenčné chemické väzby atómu kovu s dvoma atómami O a dve väzby donor-akceptor s atómami N. Takéto komplexy sa nazývajú cheláty (z gréckeho chele claw) alebo pazúr. Táto vlastnosť 8-hydroxychinolínu je široko používaná v analytickej chémii na kvantitatívne stanovenie kovov.

Ryža. 6. TVORBA KOMPLEXNEJ SOLI za účasti šesťčlenných heterocyklov obsahujúcich dusík (A, B). Chelátové komplexy kovových iónov (B).

Pri prechode zo šesťčlenných na päťčlenné nenasýtené heterocykly obsahujúce dusík (pyrol, obr. 7) sa situácia mení. V tomto prípade sa osamelý elektrónový pár dusíka (obr. 7, červené bodky) podieľa na tvorbe šesťelektrónového aromatického systému a nemôže sa podieľať na tvorbe väzby donor-akceptor, v dôsledku čoho sa kyslé vlastnosti väzby N-H sa jasne prejavujú: vodík môže byť nahradený kovom (obr. 7) . Takéto kovové deriváty sú vhodnými medziproduktmi na pridávanie alkylových (obr. 7A) alebo acetylových skupín (obr. 7B) k dusíku.

Päťčlenný imidazolový heterocyklus (obr. 7C) obsahujúci dva atómy N je tiež aromatická zlúčenina 6 R-elektróny. Zaujímavé je, že má kyslé aj zásadité vlastnosti. Atóm N v skupine N-H môže reagovať ako kyselina, podobne ako pyrol (obr. 7A, B), druhý atóm N sa vlastnosťami podobá na rovnaký atóm v pyridíne, charakterizujú ho reakcie znázornené na obr. 6A.

Ryža. 7. KYSELNÉ VLASTNOSTI PÄŤČLENNÉHO HETEROCYKLU PYRROL(A, B). Kombinácia kyslých a zásaditých vlastností v imidazole (B). Dva atómy N v imidazole a ich elektróny sú označené rôznymi farbami.

Heterocyklické zlúčeniny sa získavajú pomocou rôznych kondenzačných procesov, ktoré prechádzajú fázou uzavretia kruhu (obr. 8A-B). Tok takýchto reakcií v požadovanom smere je stimulovaný skutočnosťou, že v dôsledku toho vznikajú relatívne stabilné heteroaromatické zlúčeniny. Niektoré heterocyklické zlúčeniny sa získavajú na základe zlúčenín podobného zloženia. Furfural sa získava dekarbonyláciou (odstránením CO) furfuralu (obr. 8d, furfural je zaužívaný triviálny názov, ktorý nepresne odráža zloženie, správnejšie furfural). Hydrogenácia furánu vedie k tetrahydrofuránu (obr. 8E).

Ryža. osem. METÓDY ZÍSKANIA HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN

V nenasýtených päťčlenných heterocykloch je jeden heteroatóm nahradený iným bez zmeny cyklického fragmentu (obr. 9).

Ryža. 9. VNÚTORNÉ KONVERZIE PÄŤČLENNÝCH HETEROCYKLOV

Mnoho heterocyklických zlúčenín sa získava spracovaním prírodných produktov. Pyrol a indol (obr. 2) sa nachádzajú v uhoľnom dechte, tiofén sa získava z produktov koksovania uhlia a termického rozkladu ropných bridlíc, furán sa izoluje z produktov suchej destilácie niektorých druhov dreva. Pyridín (obr. 1) sa získava z uhoľného dechtu, produktov suchej destilácie dreva a rašeliny. Furfural (obr. 8) sa získava hydrolýzou rastlinných materiálov (kukuričné ​​klasy, ovsené a ryžové šupky) v prítomnosti zriedených minerálnych kyselín.

Účasť heterocyklických zlúčenín na biologických procesoch.

Súčasťou sú tri zlúčeniny uracil, tymín a cytozín, ktoré sú derivátmi dusíkatého pyrimidínového heterocyklu (obr. 10, v zátvorkách), ako aj dva deriváty purínového heterocyklu (obr. 10) guanín a adenín. nukleových kyselín, poradie striedania týchto heterocyklov pozdĺž polymérnych reťazcov DNA a RNA určuje všetky dedičné informácie živého organizmu a spôsob zostavovania molekúl bielkovín.

Obr.10. HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY ktoré tvoria nukleové kyseliny

Niektoré aminokyseliny (obr. 11) podieľajúce sa na tvorbe bielkovín obsahujú aj heterocyklické fragmenty: tryptofán zahŕňa indolový fragment (obr. 2), histidín má imidazolový cyklus (obr. 7), prolín je derivát pyrolidínu.

Fragmenty heterocyklov sa nachádzajú v štruktúre mnohých biologicky aktívnych látok, medzi najpoužívanejšími liečivami je viac ako 60 % heterocyklických zlúčenín. Štvorčlenný cyklus azetidinón (obr. 11) je súčasťou antibiotík penicilín a cefalosporín, kyselina askorbová (vitamín C) obsahuje furánový heterocyklus, ďalší vitamín nikotínamid obsahuje fragment pyridínu, molekula kofeínu je „postavená“ na báze tzv. už spomínaný purín (obr. . desať).

Ryža. jedenásť. PRÍTOMNOSŤ FRAGMENTOV HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN v štruktúre biologicky dôležitých molekúl

Pre všetky zlúčeniny (obr. 10), s výnimkou azetidinónu, sú uvedené triviálne názvy, ktoré sa zaviedli a začali používať skôr, ako boli sformulované pravidlá systematického názvoslovia.

Použitie heterocyklických zlúčenín.

Dioxán (obr. 2) a tetrahydrofurán (obr. 8) sú široko používané ako vysoko polárne rozpúšťadlá v organickej syntéze.

Furfural (obr. 8) je východiskovým produktom na získanie furánu (obr. 8), tetrahydrofuránu, ako aj na syntézu niektorých liečiv (furatsilín).

Pri kondenzácii furfuralu v kyslom prostredí vznikajú polymérne produkty (furánové živice), ktoré štruktúrou pripomínajú fenolové živice, CH2 metylénové skupiny spájajúce heterocykly (obr. 12A). Keď sa takéto živice zahrejú v prítomnosti kyslých katalyzátorov (napríklad kyseliny toluénsulfónovej), dvojité väzby sa otvoria s vytvorením priečnych väzieb, v dôsledku čoho polymér prechádza do nerozpustného stavu, čo umožňuje jeho použitie ako spojivo pri výrobe rôznych plnených lisovacích materiálov: sklenené a uhlíkové plasty, drevovláknité dosky atď. V tuhom stave sú furánové polyméry chemicky odolné látky (do 300°C), čo umožňuje ich použitie ako korózii a ohňovzdorné tmely a tmely.

Pri kondenzácii aromatických tetramínov (4 aminoskupiny) s estermi aromatických dikarboxylových kyselín ( cm. ESTERY), vznikajú polyméry, v štruktúre ktorých sa pri syntéze objavujú fragmenty benzimidazolu (obr. 12B). Takéto polyméry, nazývané polybenzimidazoly, majú vysokú pevnosť a tepelnú odolnosť (do 500°C), vyrábajú sa z nich fólie, vlákna (obchodný názov ARMOS a RUSAR), vystužené plasty.

Ryža. 12. POLYMÉRY OBSAHUJÚCE HETEROCYKLICKÉ FRAGMENTY V REŤAZCI: polymér furánu (A), polybenzimidazol (B).

Deriváty benzimidazolu sú súčasťou liečiv (dibazol).

Indol (obr. 2) sa používa ako fixátor pachu v parfumérskom priemysle a pri výrobe niektorých liečiv (indometacín).

Michail Levický

DR. prvky (heteroatómy). Naíb. tj cyklus to-rykh zahŕňa N, O, S. Patria sem mnohé, n. ; sú zahrnuté vo forme štruktúrnych fragmentov v nukleových kyselinách atď. Heterocyklické zlúčeniny sú najpočetnejšou triedou org. pripojenie vrátane cca. 2/3 všetkej známej prírody. a syntetické. org. .

Nomenklatúra. Podľa pravidiel názvoslovia sa pri najdôležitejších heterocyklických zlúčeninách zachovávajú ich triviálne názvy, napr. (forma I), (II), (III). Systematický názov monocyklický To znamená, že obsahujú od 3 do 10 v cykle, sú tvorené spojením predpôn označujúcich heteroatómy (N-aza, O-oxa, S-tia, P-fosfa atď.), S koreňmi, ktoré sú pre hlavné heterocyklické zlúčeniny sú uvedené v tabuľke. Stupeň nenasýtenosti. heterocyklus sa odráža v názve. pomocou koreňov alebo predpôn "dihydro" (dva pripojené), "tetrahydro", "perhydro" atď. Príklady systematickosti názvy: (IV), tiirén (V), taveniny (VI), 1,3-dioxolán (VII), perhydropyrimidín (VIII).

Pre heterocyklické zlúčeniny s 11 alebo viacerými členmi v cykle, premostené a niektoré kondenzátory. systémov sa používa „a“-názvoslovie, podľa pravidiel ktorého sa používa prvá zložka názvu. označuje heteroatóm a druhý sa nazýva. , ktorý m. b. vzniká, ak predpokladáme, že vo f-le heterocyklickej zlúčeniny sú všetky heteroatómy nahradené napríklad skupinami C, CH alebo CH2. 1,5-diazabicyklo (Xill). Pre názov heterocyklických zlúčenín tohto typu sa používajú aj tradičné názvy napr. pentadekanolid (XIV), 18-crown-6-éter (XV).

KORENE POUŽITÉ PRI ZOSTAVOVANÍ NÁZVOV HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN PODĽA NOMENKLATURY

Chemické vlastnosti. Pre 3- a 4-členné heterocyklické zlúčeniny sa napnutý kruh ľahko otvorí. 5- a 6-členné nenasýtené. heterocykly (najpočetnejší typ heterocyklických zlúčenín), systém uzavretých konjugovaných väzieb k-rykh zahŕňa (4m + 2), majú aromatické. charakter (Hückelovo pravidlo) a tzv. heteroaromatické spojenia. Pre nich, ako aj pre benzoidové aromatické. spoj., Naíb. charakteristická p-tionová substitúcia. V tomto prípade hrá heteroatóm úlohu „vnútornej“ funkcie, ktorá určuje orientáciu, ako aj aktivačný alebo deaktivačný účinok na kruh na pôsobenie rozkladu. .

Heteroaromatické spoj. ďalej rozdelené na i-nadmerné a nedostatočné. Medzi prvé patria 5-členné heterocyklické zlúčeniny s jedným heteroatómom, v ktorých je sextet delokalizovaný medzi piatimi cyklami, čo spôsobuje ich zvýšenie. vo vzťahu k elektrike agentov. 6-členné heterocykly so šiestimi sú považované za vzácne, to-raže sú rozdelené, ako v tomto prípade, medzi šesť kruhov, ale jeden alebo niekoľko. z ktorých sú heteroatómy s viac ako y , . Taký Comm. pripomenúť reakciou. deriváty schopností

Heterocyklické zlúčeniny

Heterocyklické zlúčeniny sú zlúčeniny, ktoré majú vo svojom zložení kruhy (cykly), na tvorbe ktorých sa okrem atómov uhlíka podieľajú aj atómy iných prvkov.

Atómy prvkov iných ako atómy uhlíka, ktoré sú súčasťou heterocyklov, sa nazývajú heteroatómy. V heterocykloch sa najčastejšie nachádzajú heteroatómy dusíka (N), kyslíka (O) a síry (S).

Klasifikácia heterocyklov

1. celkovým počtom atómov v cykle: troj-, štvor-, päť-, šesťčlenné cykly atď.

2. podľa povahy heteroatómu: obsahujúci kyslík, dusík, síru, fosfor

3. Podľa počtu heteroatómov: 1,2 alebo viac v cykle

4. Podľa stupňa nasýtenia cyklov

5. Podľa počtu cyklov

Najdôležitejšie sú päť a šesťčlenné heterocykly obsahujúce dusík, kyslík a síru. Tieto cykly sa tvoria najľahšie a vyznačujú sa veľkou silou. Je to spôsobené tým, že väzbové uhly redukovaných heteroatómov sa mierne líšia od väzbového uhla uhlíka. Podľa stupňa nasýtenia môžu byť heterocyklické zlúčeniny nasýtené, nenasýtené a aromatické. Za zmienku stoja najmä heterocyklické zlúčeniny, ktoré sa svojimi vlastnosťami líšia od všetkých ostatných cyklických a acyklických zlúčenín a svojou stabilitou a reakciami pripomínajú benzén a jeho deriváty. Ide o aromatické heterocyklické zlúčeniny.

Heterocyklické zlúčeniny majú veľký význam. Mnohé z nich sú základom dôležitých liekov, podieľajú sa na konštrukcii určitých aminokyselín, ktoré tvoria proteíny. Heterocykly sú štruktúrne zložky nukleových kyselín, tvoria základ prírodných farebných látok ako chlorofyl, hemoglobín.

Aromatické heterocyklické zlúčeniny

V aromatických heterocyklických zlúčeninách sa vyskytujú iba tieto heteroatómy: dusík, kyslík a síra. Sú to jediné prvky okrem uhlíka, ktoré môžu vytvárať π väzby, a preto sa podieľajú na konštrukcii aromatických jadier.

Päťčlenné heterocykly s jedným heteroatómom

Najdôležitejšie päťčlenné heterocykly s jedným heteroatómom sú:

Indol (benzpyrol) je príkladom kondenzovanej heterocyklickej zlúčeniny, ktorá pozostáva z benzénového a pyrolového kruhu, ktoré majú spoločný spoj.

Pyrolové deriváty sú v prírode široko rozšírené. Samotný pyrol je zriedkavý. Nachádza sa v uhoľnom dechte a kostnom oleji. Množstvo pyrolových a indolových derivátov sa získavalo umelo a zaujímalo dôležité miesto v priemyselnej organickej syntéze: farbivá, liečivá, plasty. Indol je štrukturálna zložka esenciálnej aminokyseliny tryptofánu.

Šesťčlenné heterocykly s jedným heteroatómom

Najdôležitejším šesťčlenným heterocyklom s jedným dusíkovým heteroatómom je pyridín. Spolu s pyridínom majú veľký význam kondenzované systémy, v ktorých je pyridínové jadro spojené s jedným alebo dvoma benzénovými jadrami. Napríklad chinolín.

Päťčlenné a šesťčlenné heterocykly s dvoma heteroatómami

V heterocykloch obsahujúcich dusík môžu byť dva atómy dusíka umiestnené v tesnej blízkosti a môžu byť oddelené jednou alebo dvoma skupinami CH (1,2-, 1,3- a 1,4- usporiadanie).

Purín je komplexný heterocyklický systém pozostávajúci z dvoch kondenzovaných heterocyklov: pyrimidínu a imidazolu.

Kritériá aromatizácie

1. Plochý cyklický systém

2. Uzavretý, konjugovaný systém, zahŕňajúci všetky atómy cyklu

3. Počet elektrónov zapojených do konjugácie je 4n+2, kde n=0,1,2,3,… (n je počet cyklov)

V heterocyklických zlúčeninách s jedným kruhom sa na konjugácii podieľa 6 elektrónov

Štruktúra benzénu podľa schémy

Pyridín. Rovnako ako v prípade benzénu, aromatický charakter pyridínu je spôsobený konjugáciou šiestich p-elektrónov (aromatický sextet), jeden z každého atómu kruhu. Atóm dusíka (pyridín) je naviazaný na dva susedné atómy uhlíka sp2-hybridizovanými orbitálmi, podobne ako atómy uhlíka v benzéne. Medziatómové vzdialenosti C-C v pyridíne sú navzájom rovnaké a sú prakticky rovnaké ako vzdialenosti C-C v benzénovom kruhu; C-N vzdialenosti sú oveľa menšie ako rovnaké vzdialenosti v nekonjugovaných molekulách. Nezdieľaný elektrónový pár na sp2-AO dusíka sa nezúčastňuje konjugácie. Je to ona, ktorá určuje hlavné vlastnosti pyridínu.

Pyrrol. Aromatické sexteto pyrolu je tvorené kombináciou štyroch p-elektrónov uhlíka a dvoch osamelých elektrónov dusíka na pz-AO za vzniku jediného π-elektrónového systému. Atóm dusíka sa v tomto prípade nazýva pyrol.

Prítomnosť heteroatómu vedie k nerovnomernému rozloženiu hustoty elektrónov. Vplyv heteroatómu sa mení v závislosti od toho, či prispieva jedným alebo dvoma p-elektrónmi do aromatického sextetu. Distribúcia elektrónovej hustoty, dĺžky väzieb a väzbové uhly v molekulách pyridínu a pyrolu sú znázornené na obrázku. Pretože elektronegativita dusíka je väčšia ako uhlíka, v pyridíne je hustota elektrónov zvýšená na atóme dusíka a znížená na zostávajúcich atómoch cyklu, najmä na atómoch v polohách 2, 4 a 6.

V dôsledku účasti páru osamelých elektrónov pyrolového atómu dusíka v aromatickej konjugácii sa heteroatóm stáva chudobnejším na elektróny. Skupiny CH susediace s heteroatómom (polohy α) budú výrazne bohatšie na elektróny, a preto reaktívnejšie v elektrofilných substitučných reakciách ako vzdialenejšie skupiny CH (polohy β)

Pyrimidín obsahuje dva atómy dusíka pyridínu a imidazol a purín R2 sú pyrolové a pyridínové dusíkové atómy. To určuje acidobázické vlastnosti týchto zlúčenín.

Pyrrol. Bezfarebná kvapalina, málo rozpustná vo vode, na vzduchu rýchlo oxiduje a tmavne. Potvrdenie:

1. Furán, tiofén a pyrol sa môžu navzájom premeniť pri zahriatí na 400-450 °C v prítomnosti katalyzátora Al 2 O 3 (Yurievov cyklus)

2. Pyrol vzniká prechodom zmesi C 2 H 2 a NH 3 cez zahriaty katFe 2 O 3

Chemické vlastnosti

1. Pyrol vykazuje slabo kyslé vlastnosti, reaguje s alkalickým Me alebo s veľmi silnými zásadami pri t.

2. Ľahšie ako benzén vstupuje do substitučných reakcií. Distribúcia elektrónovej hustoty v dôsledku prítomnosti heteroatómu je taká, že najreaktívnejšie sú polohy alfa vzhľadom na atóm dusíka.

3. Pri redukcii za miernych podmienok (Zn+HCl) sa pyrol premení na pyrolín. Intenzívna redukcia (napríklad hydrogenácia v prítomnosti niklu pri 200 °C) vedie k tvorbe tetrahydropyrolu (pyrolidínu).

Hlavné vlastnosti pyrolu sa prakticky neprejavujú v dôsledku účasti osamelého elektrónového páru v systéme kruhovej konjugácie (pyrolový dusík). V rade pyrol - pyrolín - pyrolidín sa zásaditosť zvyšuje.

Jadro pyrolu a niektoré jeho deriváty sú súčasťou najdôležitejších biologických a biochemických štruktúr. Napríklad. pyrolové krúžky sú súčasťou porfínu a gemmy. Keď sú v tele zničené, vytvárajú sa „lineárne“ tetrapyroly, nazývané žlčové pigmenty (biliverdín, bilirubín, stercobilín atď.). Pomer pigmentov určuje typ žltačky a príčiny ochorenia (obštrukčná žltačka, vírusová hepatitída atď.)

Pyridín. Bezfarebná kvapalina s charakteristickým nepríjemným zápachom, miešateľná s vodou v akomkoľvek pomere. Potvrdenie:

1. Ťažba z uhoľného dechtu

2. Syntéza z kyseliny kyanovodíkovej a acetylénu

Chemické vlastnosti

1. Pyridín má základné vlastnosti, pretože obsahuje atóm dusíka PYRIDÍN, do určitej miery podobný atómu dusíka amínov (elektrónový pár sa nezúčastňuje na tvorbe aromatického sextetu):

2. Vodné roztoky pyridínu farbia modrý lakmus, pôsobením minerálnych kyselín vznikajú kryštalické pyridíniové soli

3. Pyridín a jeho homológy pridávajú halogénalkyly, čím vznikajú pyridíniové soli

4. Pyridín vstupuje do substitučných reakcií ťažšie ako benzén kvôli väčšej elektronegativite atómu dusíka ako atómu uhlíka. V tomto prípade k substitúcii dochádza hlavne v polohe β

5. Katalytická redukcia premieňa pyridín na piperidín

6. Pyridín je odolný voči oxidačným činidlám. Jeho homológy sa oxidujú za vzniku heterocyklických karboxylových kyselín

7. Spaľovanie pyridínu

Pyridín a jeho deriváty sú základom mnohých liekov. Napríklad kyselina nikotínová a jej amid sú vitamíny skupiny PP.

Nukleové bázy

Z vyššie uvedeného vyplýva, že zlúčeniny obsahujúce atóm dusíka pyridínu majú zásadité vlastnosti (dusíkaté zásady). Deriváty pyrimidínu a purínu, ktoré sú súčasťou nukleových kyselín. sa nazývajú nukleové bázy.

M.I. Antonová, A.S. Berland

BIO-ORGANICKÁ chémia

HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY

Moskva 2010

Štátna vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania

"Moskovská štátna univerzita medicíny a zubného lekárstva" Federálna agentúra pre zdravie a sociálny rozvoj Ruskej federácie

Katedra všeobecnej a bioorganickej chémie

M.I. Antonová, A.S. Berland

BIO-ORGANICKÁ chémia

HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY

Návod na bioorganickú chémiu

za samostatnú prácu žiakov

zubné fakulty lekárskych univerzít

Odporúčané Vzdelávacou a metodickou asociáciou pre lekárske a farmaceutické vzdelávanie ruských univerzít ako učebnú pomôcku pre študentov študujúcich v odbore 060105 (040400) - "Zubné lekárstvo"

Moskva 2010

BBC 24.1 a 73

UDC 546 (075,8)

Recenzenti:

hlavu Katedra organickej chémie MMA im. I.V. Sechenov, d.h. n., profesor N.A. tyukavkina,

hlavu Katedra farmakológie, MGMSU,

Doktor lekárskych vied, profesor A.G. Mulyar

M.I. Antonova, A.S. Berland. Bioorganická chémia, časť VI. Návod. M., MGMSU, 2010, 63s.

Pod redakciou profesora A.S. Berland

Táto učebná pomôcka je venovaná zlúčeninám združeným pod všeobecným názvom "Heterocyklické zlúčeniny". Príručka obsahuje teoretický materiál, analyzované množstvo referenčných úloh, ako aj otázok a úloh na samostatnú prácu študentov. Príručka je odporúčaná pre študentov zubných, lekárskych a pediatrických fakúlt lekárskych univerzít Ruskej federácie na prípravu na hodiny bioorganickej chémie.

BBC 24.1 a 73

© MGMSU, 2010

© M.I. Antonova, A.S. Berland. 2010.

Heterocyklické zlúčeniny

1. Všeobecná charakteristika.

Heterocyklické zlúčeniny sa nazývajú zlúčeniny cyklickej štruktúry, obsahujúce v cykle nielen atómy uhlíka, ale aj atómy iných prvkov (heteroatómy).

Heterocyklické zlúčeniny sú najbežnejšou skupinou organických zlúčenín. Sú súčasťou mnohých látok prírodného pôvodu, ako sú nukleové kyseliny, chlorofyl, krvný hem, alkaloidy, penicilíny a mnohé vitamíny. Heterocyklické zlúčeniny hrajú dôležitú úlohu v metabolických procesoch a majú vysokú biologickú aktivitu. Významná časť moderných liečivých látok obsahuje vo svojej štruktúre heterocykly.

2. Klasifikácia a nomenklatúra heterocyklických zlúčenín.

2.1. Klasifikácia.

Nasledujúce znaky sa používajú na klasifikáciu heterocyklických zlúčenín.

na veľkosť cyklu heterocyklické zlúčeniny sú najčastejšie troj-, štvor-, päť-, šesť- a sedemčlenné:

na typ prvku , zaradené do cyklu sú to najmä zlúčeniny s atómami dusíka, kyslíka alebo síry:

na počet heteroatómov , zahrnuté v cykle, najbežnejšie sú heterocykly s jedným a dvoma heteroatómami, ale známe sú aj zlúčeniny so štyrmi atómami v jednom cykle:

na charakter a vzájomné usporiadanie viacerých heteroatómov sú možné rôzne kombinácie (napríklad N a S, N a O atď.) a heteroatómy môžu zaberať rôzne polohy voči sebe navzájom:

na stupňa nasýtenia heterocykly môžu byť aromatické, nenasýtené a nasýtené:

Najpodrobnejšie bola študovaná chémia aromatických heterocyklov. Úplne alebo čiastočne nasýtené heterocykly sa vzhľadom na zvláštnosti ich chemických vlastností spravidla nepovažujú za heterocyklické zlúčeniny, ale za cyklické analógy určitých alifatických zlúčenín (étery, sulfidy, sekundárne amíny).

na počet cyklov rozlišovať medzi monocyklickými, polycyklickými (hlavne kondenzovanými) systémami. Počet cyklov a ich typy sa môžu veľmi líšiť:

Heterocyklické zlúčeniny sa nazývajú také zlúčeniny cyklickej štruktúry, v ktorých cykloch sú spolu s atómami uhlíka aj atómy iných prvkov. Tieto ďalšie atómy sa nazývajú heteroatómy. Najčastejšie sú takýmito heteroatómami atómy kyslíka, síry a dusíka. Heterocykly môžu obsahovať jeden, dva, tri alebo viac heteroatómov. Podľa teórie napätia cyklu sú však troj- a štvorčlenné cykly nestabilné. Najsilnejšie a teda bežnejšie sú päť- a šesťčlenné heterocykly.

Klasifikácia heterocyklov sa uskutočňuje v závislosti od veľkosti cyklu. V súlade s tým sa rozlišujú troj-, štvor-, päť-, šesťčlenné heterocykly a heterocykly s veľkým počtom atómov.

Heterocyklické zlúčeniny sú početné, v prírode veľmi bežné a majú veľký praktický význam. Patria sem látky ako chlorofyl – zelená látka rastlín, hemoglobín – farbivo krvi a mnohé ďalšie prírodné farbivá, vitamíny, antibiotiká (penicilín), liečivé látky, pesticídy.

Názvoslovie heterocyklov

Heterocyklické zlúčeniny sú pomenované podľa triviálnej, racionálnej a systematickej nomenklatúry. Pre dobre známe heterocyklické zlúčeniny sa často používajú triviálne názvy. Napríklad pyrol, pyridín, furán, indol, purín atď. V racionálnej nomenklatúre sa za základ berie názov určitého heterocyklu - furány, tiofén, pyrol, pyridín alebo iný a je v nich uvedená poloha substituentov. číslami alebo písmenami gréckej abecedy. V heterocykloch s jedným heteroatómom začína číslovanie od tohto heteroatómu.

Obrázok 1.

Moderná vedecká nomenklatúra heterocyklických systémov zahŕňa veľkosť cyklu, jeho nenasýtenosť, počet heteroatómov, ich typ a polohu. Názov heterocyklu podľa tejto nomenklatúry pozostáva z troch častí:

• koreň - označuje veľkosť cyklu,
• prípona - označuje stupeň nenasýtenosti heterocyklického systému
• a predpony - označuje typ heteroatómov a ich počet.

Trojčlenný kruh má koreň -ir, štvorčlenný kruh -et, päťčlenný kruh -ol, šesťčlenný kruh -in. Nasýtené heterocykly s atómom dusíka majú príponu -idín, nasýtené heterocykly bez atómu dusíka majú príponu -an, nasýtené heterocyklické systémy majú príponu -in.

Povaha heteroatómu je označená predponami oxa-, tia- a aza- pre kyslík, síru a dusík, predpony dioxa-, dithia-, diaza- znamenajú dva atómy kyslíka, síry a dusíka. . Ak sú v heterocykle dva alebo viac rôznych heteroatómov, potom sú uvedené v poradí podľa priority kyslík pred sírou a síra pred dusíkom a sú očíslované v nasledujúcom poradí: $O$, $S$, $N$.

Ak je v heterocykle jeden atóm kyslíka a jeden atóm dusíka, použije sa predpona - oxaza- a v prítomnosti jedného atómu síry a jedného atómu dusíka - tiaza-. Keď sú terciárny atóm dusíka a skupina $NH$ v kruhu súčasne, číslo 1 označuje atóm dusíka skupiny $NH$. V tomto prípade sa číslovanie vykoná v nasledujúcom poradí: $O$, $S$, $NH$, $N$.

Heterocykly, ktoré neobsahujú extrémne väzby, majú spravidla podobné chemické a fyzikálne vlastnosti ako zodpovedajúce cyklické zlúčeniny.

Aromatickosť heterocyklov

Existuje obrovská skupina heterocyklov, ktoré majú konjugovaný systém viacnásobných väzieb. Takéto heterocykly sa svojou stabilitou a typmi reakcií podobajú benzénu a jeho derivátom a nazývajú sa aromatické heterocyklické zlúčeniny.

Podľa Hückelovho pravidla má kruhový systém aromatické vlastnosti, ak:

• obsahuje $4n + 2$ zovšeobecňujúce elektróny;
• má súvislý reťazec konjugácie;
• je rovinný.

Porovnajme dve zlúčeniny - benzén a pyridín:

Obrázok 2

Obrázok 3

V molekule benzénu sú atómy uhlíka v hybridizačnom stave $sp2$. Štvrtý elektrón každého atómu uhlíka je nehybridizovateľný. V tomto prípade vzniká sextet elektrónov zovšeobecnený všetkými atómami cyklu (aromatický sextet).

Oblaky nehybridizovaných $\pi$-elektrónov v tvare objemových osmičiek, ktoré sa navzájom prekrývajú, tvoria jediný $\pi$-elektrónový oblak:

Obrázok 4

Aromatický charakter pyridínu možno vysvetliť podobne. Len 5$\pi$-elektrónov z atómov uhlíka a jeden elektrón z dusíka sa podieľa na tvorbe elektrónového sextetu v prírode:

Obrázok 5

Atóm dusíka si zachováva nezdieľaný pár elektrónov. Tento pár elektrónov nie je súčasťou aromatického sextetu; rovinný systém; zodpovedá Hückelovmu pravidlu: $ 4n + 2 $.

Elektrónová štruktúra päťčlenných heterocyklov

Uvažujme o elektrónovej štruktúre päťčlenného heterocyklu - pyrolu, ktorý tvoria štyri atómy uhlíka a atóm dusíka a obsahuje dve dvojité väzby:

Obrázok 6

V molekule pyrolu sa tiež vytvára aromatický sextet v dôsledku štyroch $\pi$-elektrónov atómov uhlíka a dvoch nezdieľaných p-elektrónov atómu dusíka. V jadre teda vzniká spoločný systém sexteta elektrónov a jadro má aromatické vlastnosti. Platí prvé pravidlo aromaticity: existuje $4n + 2 = 4\cdot1 + 2 = 6$ zovšeobecnených elektrónov. Je splnená aj druhá podmienka aromaticity – je zachovaný súvislý konjugačný reťazec, ktorý zahŕňa nerozdelený pár elektrónov atómu dusíka. Všetky atómy ležia v rovnakej rovine, sústava je rovinná. V päťčlenných heterocykloch je teda 6 elektrónov delokalizovaných medzi 5 atómov, ktoré tvoria tento cyklus.

Obrázok 7

Z päťčlenných heterocyklických zlúčenín s jedným heteroatómom sú najdôležitejšie: furán, tiofén a pyrol. Pre furán, tiofén, pyrol a ich deriváty sú typické elektrofilné substitučné reakcie: nitrácia, sulfonácia, halogenácia, acylácia atď. Táto vlastnosť vlastností týchto heterocyklických zlúčenín je spojená s ich elektrónovou štruktúrou. Cykly týchto látok obsahujú atómy uhlíka aj heteroatómy. Atómy uhlíka a heteroatómy sú spojené so susednými atómami uhlíka väzbami $\sigma$.

Iné aromatické heterocyklické zlúčeniny

Pretože atómy uhlíka rôznych cyklov a v rôznych kombináciách môžu byť nahradené heteroatómami v polycyklických zlúčeninách, počet možných aromatických heterocyklických zlúčenín je extrémne veľký:

Obrázok 8

Okrem heterocyklických systémov, ktoré obsahujú šesť $\pi$-elektrónov v každom kruhu, existuje množstvo príkladov aromatických ($4n+2$) p-elektrónových heterocyklických zlúčenín, v ktorých $n >1$. Heterocyklické analógy aromatických anulénov sú známe. Príklady zahŕňajú oxa-anulén, aza-anulén, aza-anulén, izoelektronický až aromatický-anulén:

Obrázok 9

Obrázok 10.

Ďalším dobrým príkladom aromatického heteroanulénu je premostený homochinolín, ktorý je izoelektronický voči 1,6-metanoanulénu a obsahuje 10 p-elektrónov:

Obrázok 11.