kanin. isa. SIMPLENG HETEROCYCLIC COMPOUNDS

Pag-uuri ng mga heterocyclic compound.

Depende sa likas na katangian ng heteroatom, ang mga compound na naglalaman ng oxygen, nitrogen at sulfur ay nakikilala. Mayroon ding mga compound na naglalaman ng sabay-sabay na ilang magkapareho (Fig. 2, dioxane) o iba't ibang heteroatoms (Fig. 2, thiazole, oxazine). Bilang karagdagan, nahahati sila sa mga puspos na compound (Larawan 1, piperidine) at unsaturated, i.e. naglalaman ng maraming mga bono (Larawan 1, furan, pyridine, thiophene). Depende sa bilang ng mga cyclic fragment sa isang molekula, mononuclear - monocyclic compounds (Fig. 1) at polynuclear - na naglalaman ng ilang mga cycle ay nakikilala, at ang mga cycle ay maaaring condensed (naglalaman ng dalawang karaniwang atoms, Fig. 2, indole), o konektado. sa pamamagitan ng isang solong bono (Larawan 2, bipyridyl). Ang mga macrocyclic compound, ang tinatawag na crown ethers (crown Ingles– korona), na naglalaman ng higit sa apat na heteroatom at higit sa sampung mga link sa istruktura ng singsing (ang isang link ay isang fragment ng dalawang chemically bonded atoms, (Fig. 2).

kanin. 2. IBA'T IBANG URI NG MAS KOMPLEX NA HETEROCYCLIC COMPOUND: na may dalawang magkaparehong (dioxane) o magkaibang (thiazole, oxazine) heteroatoms. Binuclear compounds: may condensed (indole) o hiwalay na mga cycle (bipyridyl). Ang mga Crown ether ay mga compound na may malalaking cycle (macrocyclic).

Nomenclature ng mga heterocyclic compound.

Para sa isang malaking grupo ng mga heterocyclic compound, ang paggamit ng trivial ( cm. TRIVIAL NAMES OF SUBSTANCES) mga pangalan na nabuo sa kasaysayan (halimbawa, Fig. 1), mayroong humigit-kumulang 60 mga pangalan sa kabuuan. at naiiba sa sistema na tinatanggap para sa karamihan ng mga organikong compound ng ibang mga klase. Mula sa mga ugat at prefix na espesyal na iminungkahi para sa layuning ito, nabuo ang isang pangalan, na sinusunod ang napagkasunduang pagkakasunud-sunod. Ito ay batay sa salitang-ugat na binubuo ng dalawang pantig. Ang unang pantig ay nagpapahiwatig ng bilang ng mga link sa cycle, halimbawa, ang pantig " ir" (dalawang rearranged letters mula sa salitang Latin na "t ri”) ay tumutugma sa isang tatlong-matagalang siklo, ang pantig na “ hindi" (isang fragment ng Latin t et ra) ay isang apat na link na cycle, ang pantig na " OK"(bahagi ng Latin oc ta) ay ginagamit para sa mga cycle na may walong miyembro. Ang pinagmulan ng ilang iba pang mga pantig na nagsasaad ng laki ng cycle ay hindi palaging lohikal na nabibigyang katwiran, halimbawa, para sa anim na terminong cycle, ang pantig " sa”, kinuha mula sa pangalan ng karaniwang heterocycle na “pyride sa» (Larawan 1).

Ang pangalawang pantig ay nagpapahiwatig kung ang heterocycle ay puspos - ang pantig " en", o unsaturated - ang pantig " en"(isang pagkakatulad sa mga pangalan ng hydrocarbons: et en - ito en). Ang isang prefix ay inilalagay sa harap ng ugat, na nagpapahiwatig ng likas na katangian ng heteroatom: O - oxa, S - thia, N - aza. Dahil ang ugat ay madalas na nagsisimula sa isang patinig, ang pangwakas na "a" ay karaniwang tinanggal mula sa unlapi. Bilang resulta, ang puspos na singsing na may tatlong miyembro na naglalaman ng S ay tinatawag na thiiran (Fig. 3A): " ti-" pinaikling unlapi "thio-", bahagi ng salitang-ugat " ir” ay nagsasaad ng tatlong-matagalang cycle, at ang pangalawang bahagi ng ugat “ en» tumutugma sa isang saturated compound. Katulad nito, ang isang tatlong miyembro na O-containing unsaturated ring ay tinatawag na oxirene (Fig. 3B). Kung mayroong maraming mga heteroatom sa heterocycle, kung gayon ang kanilang posisyon ay ipinahiwatig gamit ang mga numerical na indeks, na dati nang binilang ang mga atomo sa cycle, at ang bilang ng mga naturang atom ay ipinahiwatig ng mga prefix na di-, tri-, atbp., halimbawa, 1,3,5-triazine (Larawan 3B). Kung may iba't ibang heteroatom, binabanggit ang mga ito sa sumusunod na pagkakasunud-sunod: O > S > N (ang itinatag na pagkakasunud-sunod na ito ay arbitrary at hindi nauugnay sa mga katangian ng kemikal). Sa dulo ng pangalan, isang ugat ang ginagamit upang ipahiwatig ang laki ng singsing at unsaturation, halimbawa, 1,2,6-oxadiazine (Fig. 3E). Ang paraan ng pagsulat ng mga ugat para sa mga siklo na naglalaman ng N ay medyo naiiba sa inilarawan sa itaas, na partikular ding itinakda, halimbawa, ang ugat " sa» sa pangalang 1,2,6-oxadiazine (Fig. 3D) ay tumutukoy sa parehong anim na miyembro at unsaturated na singsing.

Ang mga patakaran para sa pag-compile ng mga sistematikong pangalan ay naaangkop sa anumang heterocyclic compound, kabilang ang mga kung saan mayroong mahusay na itinatag na mga trivial na pangalan, halimbawa, ang bicyclic compound na may trivial na pangalan na quinoline (Fig. 3F) ay may sistematikong pangalan na benzazine. Sa halip na isang kumplikadong sistema ng mga sistematikong pangalan, ang mga chemist ay kadalasang gumagamit ng isang mas simpleng sistema batay sa mga walang kabuluhang pangalan: "inihiwalay" nila ang isang fragment ng isang maliit na pangalan sa isang molekula at ipinapahiwatig ang posisyon ng mga substituent gamit ang mga digital na indeks. Ang pangalang 8-hydroxyquinoline ay binubuo sa ganitong paraan (Larawan 3G).

kanin. 3. MGA SYSTEMATIKONG PANGALAN NG HETEROCYCLIC COMPOUNDS(IMPYERNO). Paghahambing ng sistematiko at walang kuwentang mga pangalan (E). Ang paggamit ng isang maliit na termino sa komposisyon ng pangalan (G). Sa 8-hydroxyquinoline (G), hindi binibilang ang dalawang carbon atom na sabay-sabay sa dalawang cycle, dahil hindi sila maaaring magkaroon ng mga kapalit.

Mga kemikal na katangian ng mga heterocyclic compound.

Ang mga heterocycle na tatlo at apat na miyembro ay mga strained system; ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga reaksiyong pagbubukas ng ring. Ang ethylene oxide (sa 150°C at isang presyon ng 2 MPa) ay na-hydrolyzed upang bumuo ng ethylene glycol (Fig. 4A). Ang reaksyon ng O-containing strained rings na may mga alcohol ay humahantong sa mga compound na may isang OH group at isang ether bond (cellosolves, Fig. 4B), at kapag sila ay ginagamot sa hydrogen halides, ang mga compound na naglalaman ng Hal at isang OH group ay nabuo (halohydrins, Larawan 4C). Ang N-containing strained rings ay tumutugon sa hydrogen halides upang bumuo ng mga haloalkylamines (Fig. 4D).

kanin. apat. LIMA AT ANIM NA MIYEMBRO ANG UNSATURATED HETEROCYCLIC COMPOUNDS, pati na rin ang kanilang mga derivatives, ay mayroon aromaticity, samakatuwid, ang kanilang kemikal na pag-uugali ay kahawig ng mga katangian ng mga aromatic compound (benzene derivatives) - sa panahon ng iba't ibang mga pagbabagong-anyo, ang cyclic fragment ay medyo matatag, at ang H atoms sa carbon atoms ng singsing, tulad ng sa benzene, ay maaaring mapalitan ng iba't ibang grupo. ( cm. CHEMISTRY ORGANIC). Sa sulfonation (Larawan 5A), nitration (Larawan 5B), at acylation (Larawan 5C,D), ang mga H atomo ay pinapalitan ng kaukulang mga grupo, habang ang cycle ay nananatiling hindi nagbabago. Gayunpaman, ang katatagan ng mga cyclic fragment sa naturang mga compound ay mas mababa kaysa sa singsing ng benzene, kaya ang lahat ng mga reaksyon ng pagpapalit ay isinasagawa sa ilalim ng mas banayad na mga kondisyon.

kanin. 5. MGA REAKSIYON NG PAGPAPALIT sa heterocyclic compound: A - sulfonation, B - nitration, C, D - acetylation. Tulad ng mga reaksyon ng pagpapalit sa singsing ng benzene, ang cyclic fragment ay nananatiling hindi nagbabago.

Ito ay tumatagal ng 6 R-mga electron ( cm. AROMATICITY). Ang bawat dobleng bono ay binubuo ng dalawang bono ( cm. ORBITALS), ang una ay nabuo ng dalawa s- elektron ng dalawang kalapit na mga atomo, at ang pangalawa - ay bumubuo ng isang pares R- mga electron (ipinahiwatig ng mga tuldok sa loob ng pyridine cycle, Fig. 6A). Ang anim na electron system sa pyridine ay nabuo ng lima R- mga electron na kabilang sa mga carbon atoms (itim na tuldok) at isa R- electron mula sa nitrogen (asul na tuldok). Bilang resulta, ang nag-iisang pares ng elektron ng nitrogen (mga pulang tuldok) ay hindi nakikilahok sa pagbuo ng aromatic system, samakatuwid, ang naturang nitrogen atom ay maaaring maging isang donor (nagbibigay ng mga electron) sa pagbuo ng isang donor-acceptor bond (amines). may parehong ari-arian). Kadalasan ang naturang donor ay tinatawag na Lewis base, dahil ito ay nagpapakita ng mga katangiang tipikal ng isang base: ito ay bumubuo ng mga matatag na asing-gamot na may mga mineral na acid (Larawan 6A), na mga kumplikadong compound. Ang Quinoline ay kumikilos nang katulad (Larawan 6B), na maaaring ituring bilang isang derivative ng pyridine. Ang mga katangian ng base ay pinaka-binibigkas sa 8-hydroxyquinoline (Fig. 3g). Ang tambalang ito ay malakas na nagbibigkis ng mga ion ng karamihan sa mga metal, na bumubuo ng dalawang kumbensyonal na kemikal na bono ng isang metal na atom na may dalawang O atomo, at dalawang donor-acceptor bond na may mga N atomo. Ang mga naturang complex ay tinatawag na chelate (mula sa Greek chele - claw) o claw-like . Ang pag-aari na ito ng 8-hydroxyquinoline ay malawakang ginagamit sa analytical chemistry para sa quantitative determination ng mga metal.

kanin. 6. PAGBUO NG COMPLEX SALT na may partisipasyon ng anim na miyembro na N-containing heterocycles (A, B). Chelate complexes ng mga metal ions (B).

Sa pagpasa mula sa anim na miyembro hanggang sa limang miyembro na N-containing unsaturated heterocycles (pyrrole, Fig. 7), nagbabago ang sitwasyon. Sa kasong ito, ang nag-iisang pares ng elektron ng nitrogen (Larawan 7, mga pulang tuldok) ay kasangkot sa pagbuo ng isang anim na electron aromatic system at hindi maaaring lumahok sa pagbuo ng isang donor-acceptor bond, bilang isang resulta, ang mga acidic na katangian. ng NH bond ay malinaw na ipinakita: ang hydrogen ay maaaring mapalitan ng isang metal (Larawan 7). Ang mga naturang metal derivatives ay maginhawang intermediate para sa pagdaragdag ng alkyl (Fig. 7A) o acetyl groups (Fig. 7B) sa nitrogen.

Ang limang-membered imidazole heterocycle (Larawan 7C) na naglalaman ng dalawang N atomo ay isa ring mabangong tambalan: 6 R-mga electron. Kapansin-pansin, mayroon itong parehong acidic at pangunahing mga katangian. Ang N atom sa pangkat ng N-H ay maaaring mag-react bilang isang acid, katulad ng pyrrole (Larawan 7A, B), ang pangalawang N atom ay kahawig ng parehong atom sa pyridine sa mga katangian, ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga reaksyon na ipinapakita sa Fig. 6A.

kanin. 7. ACID PROPERTIES NG FIVE-MEMBERED PYRROL HETEROCYCLE(A, B). Ang kumbinasyon ng acidic at pangunahing mga katangian sa imidazole (B). Ang dalawang N atomo sa imidazole at ang kanilang mga electron ay minarkahan ng iba't ibang kulay.

Ang mga heterocyclic compound ay nakuha gamit ang iba't ibang mga proseso ng condensation na dumadaan sa yugto ng pagsasara ng singsing (Fig. 8A-B). Ang daloy ng naturang mga reaksyon sa nais na direksyon ay pinasigla ng katotohanan na, bilang isang resulta, ang medyo matatag na heteroaromatic compound ay nabuo. Ang ilang mga heterocyclic compound ay nakuha batay sa mga compound na may katulad na komposisyon. Ang Furfural ay nakuha sa pamamagitan ng decarbonylation (pag-alis ng CO) ng furfural (Fig. 8D, ang furfural ay isang mahusay na itinatag na walang kuwentang pangalan na hindi tumpak na sumasalamin sa komposisyon, mas tama, furfural). Ang hydrogenation ng furan ay humahantong sa tetrahydrofuran (Fig. 8E).

kanin. walo. MGA PARAAN PARA MAKAKUHA NG HETEROCYCLIC COMPOUNDS

Sa unsaturated five-membered heterocycles, ang isang heteroatom ay pinapalitan ng isa pa nang hindi binabago ang cyclic fragment (Larawan 9).

kanin. 9. MGA INTERCONVERSION NG LIMA-MEMBER NA HETEROCYCLES

Maraming heterocyclic compound ang nakukuha sa pamamagitan ng pagproseso ng mga natural na produkto. Ang Pyrrole at indole (Fig. 2) ay matatagpuan sa coal tar, ang thiophene ay nakuha mula sa mga produkto ng coal coking at thermal decomposition ng oil shale, ang furan ay nakahiwalay mula sa mga produkto ng dry distillation ng ilang mga uri ng kahoy. Ang Pyridine (Larawan 1) ay nakukuha mula sa coal tar, dry distillation products ng kahoy, at pit. Ang Furfural (Larawan 8) ay nakuha sa pamamagitan ng hydrolysis ng mga materyales ng halaman (corn cobs, oat at rice husks) sa pagkakaroon ng dilute mineral acids.

Pakikilahok ng mga heterocyclic compound sa mga biological na proseso.

Tatlong compound - uracil, thymine at cytosine, na mga derivatives ng nitrogen-containing pyrimidine heterocycle (Fig. 10, sa mga bracket), pati na rin ang dalawang derivatives ng purine heterocycle (Fig. 10, sa mga bracket) - guanine at adenine, ay bahagi ng mga nucleic acid, ang pagkakasunud-sunod ng paghalili ng mga heterocycle na ito kasama ang polymeric chain ng DNA at RNA ay tumutukoy sa lahat ng namamana na impormasyon ng isang buhay na organismo at ang paraan ng pag-iipon ng mga molekula ng protina.

Fig.10. HETEROCYCLIC COMPOUNDS na bumubuo sa mga nucleic acid

Ang ilang mga amino acid (Larawan 11) na kasangkot sa pagbuo ng mga protina ay naglalaman din ng mga heterocyclic fragment: ang tryptophan ay may kasamang indole fragment (Larawan 2), ang histidine ay may imidazole cycle (Larawan 7), at ang proline ay isang pyrrolidine derivative.

Ang mga fragment ng heterocycle ay matatagpuan sa istraktura ng maraming biologically active substance; kabilang sa mga pinaka ginagamit na gamot, higit sa 60% ay heterocyclic compound. Ang apat na miyembro na cycle na azetidinone (Fig. 11) ay bahagi ng antibiotics na penicillin at cephalosporin, ang ascorbic acid (bitamina C) ay naglalaman ng furan heterocycle, isa pang bitamina nicotinamide ay may kasamang pyridine fragment, ang caffeine molecule ay "built" batay sa ang naunang nabanggit na purine (Fig. . sampu).

kanin. labing-isa. ANG PRESENCE OF FRAGMENTS NG HETEROCYCLIC COMPOUNDS sa istraktura ng mga biologically mahalagang molekula

Para sa lahat ng mga compound (Larawan 10), maliban sa azetidinone, ang mga walang kuwentang pangalan ay ibinigay, na itinatag at ginamit bago nabuo ang mga patakaran ng sistematikong katawagan.

Ang paggamit ng mga heterocyclic compound.

Ang Dioxane (Larawan 2) at tetrahydrofuran (Larawan 8) ay malawakang ginagamit bilang mataas na polar na solvent sa organic synthesis.

Ang Furfural (Larawan 8) ay ang panimulang produkto para sa pagkuha ng furan (Larawan 8), tetrahydrofuran, pati na rin para sa synthesis ng ilang mga gamot (furatsilin).

Sa panahon ng condensation ng furfural sa isang acidic medium, ang mga polymeric na produkto (furan resins) ay nabuo na structurally reminiscent ng phenolic resins—CH2 methylene groups na nag-uugnay sa mga heterocycle (Fig. 12A). Kapag ang mga naturang resin ay pinainit sa pagkakaroon ng mga acid catalysts (halimbawa, toluenesulfonic acid), ang mga dobleng bono ay binuksan sa pagbuo ng mga cross-link, bilang isang resulta, ang polimer ay pumasa sa isang hindi matutunaw na estado, na nagpapahintulot na magamit ito bilang isang binder sa paggawa ng iba't ibang mga filled press na materyales: salamin at carbon plastic, wood fiber board, at iba pa. Sa solid state, ang furan polymers ay mga chemically resistant substance (hanggang 300°C), na nagpapahintulot sa kanila na magamit bilang corrosion-resistant at fire-resistant sealant at mastics.

Sa paghalay ng aromatic tetramines (4 amino group) na may mga ester ng aromatic dicarboxylic acids ( cm. ESTERS), ang mga polimer ay nabuo, sa istraktura kung saan lumilitaw ang mga fragment ng benzimidazole sa panahon ng synthesis (Larawan 12B). Ang ganitong mga polymer, na tinatawag na polybenzimidazoles, ay may mataas na lakas at paglaban sa init (hanggang sa 500 ° C), ginagamit ang mga ito upang gumawa ng mga pelikula, fibers (trade name na ARMOS at RUSAR), reinforced plastics.

kanin. 12. MGA POLYMER NA NAGLALAMAN NG HETEROCYCLIC FRAGMENTS SA CHAIN: furan polymer (A), polybenzimidazole (B).

Ang benzimidazole derivatives ay bahagi ng mga gamot (dibazol).

Ang Indole (Larawan 2) ay ginagamit bilang pang-ayos ng amoy sa industriya ng pabango at sa paggawa ng ilang partikular na gamot (indomethacin).

Mikhail Levitsky

Sinabi ni Dr. elemento (heteroatoms). Naib. ibig sabihin, ang cycle to-rykh ay kinabibilangan ng N, O, S. Kabilang dito ang marami, n. ; ang mga ito ay kasama sa anyo ng mga fragment ng istruktura sa mga nucleic acid, atbp. Ang mga heterocyclic compound ay ang pinakamaraming klase ng org. koneksyon, kabilang ang approx. 2/3 ng lahat ng kilalang kalikasan. at gawa ng tao. org. .

Nomenclature. Ayon sa mga patakaran ng nomenclature, para sa pinakamahalagang heterocyclic compound, ang kanilang mga walang kuwentang pangalan ay pinanatili, halimbawa. (form I), (II), (III). sistematiko pangalan monocyclic Iyon ay, na naglalaman ng mula 3 hanggang 10 sa cycle, sila ay nabuo sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga prefix na nagsasaad ng mga heteroatom (N-aza, O-oxa, S-thia, P-phospha, atbp.), Na may mga ugat na para sa pangunahing heterocyclic compound. ay nakalista sa talahanayan. Ang antas ng unsaturation. ang heterocycle ay makikita sa pangalan. sa tulong ng mga ugat o prefix na "dihydro" (two attached), "tetrahydro", "perhydro", atbp. Mga halimbawa ng sistematiko mga pangalan: (IV), thiirene (V), natutunaw (VI), 1,3-dioxolane (VII), perhydropyrimidine (VIII).

Para sa mga heterocyclic compound na may 11 o higit pang miyembro sa cycle, bridged at ilang condenser. sistema, ginagamit ang "a"-nomenclature, ayon sa mga tuntunin kung saan ginagamit ang unang bahagi ng pangalan. nagsasaad ng heteroatom, at ang pangalawa ay tinatawag. , na m. b. ay nabuo kung ipagpalagay natin na sa f-le ng isang heterocyclic compound ang lahat ng heteroatoms ay pinalitan ng C, CH o CH 2 na mga grupo, halimbawa. 1,5-diazabicyclo (Xill). Para sa pangalan ng mga heterocyclic compound ng ganitong uri, ginagamit din ang mga tradisyonal na pangalan, halimbawa. pentadecanolide (XIV), 18-crown-6-ether (XV).

MGA UGAT NA GINAMIT SA PAG-COMPILE NG MGA PANGALAN NG HETEROCYCLIC COMPOUND AYON SA NOMENCLATURE

Mga katangian ng kemikal. Para sa 3- at 4 na miyembro na heterocyclic compound, ang strained ring ay madaling mabuksan. 5- at 6 na miyembro na unsaturated. heterocycles (ang pinakamaraming uri ng heterocyclic compounds), isang closed conjugated bond system to-rykh kasama ang (4m + 2), ay may mabango. karakter (Hückel's rule) at tinawag. heteroaromatic mga koneksyon. Para sa kanila, pati na rin para sa benzoid aromatic. conn., Naib. katangiang pagpapalit ng p-tion. Sa kasong ito, ang heteroatom ay gumaganap ng papel ng isang "internal" na function na tumutukoy sa oryentasyon, pati na rin ang isang pag-activate o pag-deactivate ng epekto sa singsing sa pagkilos ng decomp. .

Heteroaromatic conn. nahahati sa i-labis at kulang. Ang una ay kinabibilangan ng 5-membered heterocyclic compound na may isang heteroatom, kung saan ang sextet ay na-delocalize sa pagitan ng limang cycle, na nagiging sanhi ng kanilang pagtaas. may kaugnayan sa electric mga ahente. Ang mga heterocycle na may 6 na miyembro na may anim ay itinuturing na kakaunti, ang to-rye ay ipinamamahagi, tulad ng kaso, sa pagitan ng anim na singsing, ngunit isa o ilan. kung saan ay mga heteroatom na may higit sa y , . Ang nasabing Comm. paalalahanan sa pamamagitan ng reaksyon. mga derivatives ng kakayahan

Mga heterocyclic compound

Ang mga heterocyclic compound ay mga compound na may mga singsing (cycle) sa kanilang komposisyon, sa pagbuo kung saan, bilang karagdagan sa mga carbon atom, ang mga atom ng iba pang mga elemento ay nakikilahok din.

Ang mga atom ng mga elemento maliban sa mga carbon atom na bahagi ng mga heterocycle ay tinatawag na heteroatoms. Ang mga heteroatom ng nitrogen (N), oxygen (O), at sulfur (S) ay kadalasang matatagpuan sa mga heterocycle.

Pag-uuri ng mga heterocycle

1. sa pamamagitan ng kabuuang bilang ng mga atomo sa cycle: tatlo-, apat-, lima-, anim na miyembro na mga siklo, atbp.

2. ayon sa likas na katangian ng heteroatom: oxygen-, nitrogen-, sulfur-, phosphorus-containing

3. Sa bilang ng mga heteroatom: 1.2 o higit pa sa cycle

4. Sa pamamagitan ng antas ng saturation ng mga cycle

5. Sa bilang ng mga cycle

Ang pinakamahalaga ay ang lima at anim na miyembro na heterocycle na naglalaman ng nitrogen, oxygen at sulfur. Ang mga siklo na ito ay nabuo nang pinakamadaling at nailalarawan sa pamamagitan ng mahusay na lakas. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga anggulo ng bono ng mga pinababang heteroatom ay bahagyang naiiba mula sa anggulo ng bono ng carbon. Ayon sa antas ng saturation, ang mga heterocyclic compound ay maaaring puspos, unsaturated at aromatic. Ang partikular na tala ay ang mga heterocyclic compound, na naiiba sa kanilang mga katangian mula sa lahat ng iba pang mga cyclic at acyclic compound, na kahawig ng benzene at mga derivatives nito sa kanilang katatagan at mga reaksyon. Ito ay mga aromatic heterocyclic compound.

Ang mga heterocyclic compound ay may malaking kahalagahan. Marami sa kanila ang batayan ng mahahalagang gamot, ay kasangkot sa pagtatayo ng ilang mga amino acid na bumubuo sa mga protina. Ang mga heterocycle ay ang mga istrukturang bahagi ng mga nucleic acid, bumubuo sila ng batayan ng mga natural na kulay na sangkap tulad ng chlorophyll, hemoglobin.

Mga mabangong heterocyclic compound

Sa mga aromatic heterocyclic compound, ang mga sumusunod na heteroatom lamang ang nangyayari: nitrogen, oxygen, at sulfur. Sila lamang ang mga elemento maliban sa carbon na maaaring bumuo ng π bond at samakatuwid ay lumahok sa pagbuo ng aromatic nuclei.

Mga heterocycle na may limang miyembro na may isang heteroatom

Ang pinakamahalagang limang miyembro na heterocycle na may isang heteroatom ay:

Ang Indole (benzpyrrole) ay isang halimbawa ng fused heterocyclic compound, na binubuo ng isang benzene at isang pyrrole ring na may isang karaniwang joint.

Ang mga derivative ng Pyrrole ay malawak na ipinamamahagi sa kalikasan. Ang Pyrrole mismo ay bihira. Ito ay matatagpuan sa coal tar at bone oil. Ang isang bilang ng mga pyrrole at indole derivatives ay nakuha nang artipisyal at kinuha ang isang mahalagang lugar sa pang-industriya na organic synthesis: mga tina, gamot, plastik. Ang Indole ay isang istrukturang bahagi ng mahahalagang amino acid na tryptophan.

Mga heterocycle na may anim na miyembro na may isang heteroatom

Ang pinakamahalagang anim na miyembro na heterocycle na may isang nitrogen heteroatom ay pyridine. Kasama ng pyridine, ang mga condensed system kung saan ang pyridine nucleus ay pinagsama sa isa o dalawang benzene nuclei ay may malaking kahalagahan. Halimbawa, quinoline.

Mga heterocycle na may limang miyembro at anim na miyembro na may dalawang heteroatom

Sa nitrogen-containing heterocycles, dalawang nitrogen atoms ay maaaring matatagpuan sa malapit at maaaring paghiwalayin ng isa o dalawang CH group (1,2-, 1,3- at 1,4- arrangement).

Ang purine ay isang kumplikadong sistemang heterocyclic na binubuo ng dalawang pinagsamang heterocycle: pyrimidine at imidazole.

Pamantayan sa aromaticity

1. Flat cyclic system

2. Sarado, conjugated system, na sumasaklaw sa lahat ng mga atomo ng cycle

3. Ang bilang ng mga electron na kasangkot sa conjugation ay 4n+2, kung saan n=0,1,2,3,… (n ay ang bilang ng mga cycle)

Sa heterocyclic compound na may isang singsing, 6 na electron ang kasangkot sa conjugation

Ang istraktura ng benzene ayon sa scheme

Pyridine. Tulad ng kaso ng benzene, ang aromatic na katangian ng pyridine ay dahil sa conjugation ng anim na p-electrons (aromatic sextet), isa mula sa bawat ring atom. Ang nitrogen atom (pyridine) ay nakagapos sa dalawang katabing carbon atoms ng sp 2 -hybridized orbitals, katulad ng mga carbon atoms sa benzene. Ang interatomic C-C na mga distansya sa pyridine ay katumbas ng isa't isa at halos katumbas ng mga C-C na distansya sa benzene ring; Ang mga distansya ng C-N ay mas maliit kaysa sa parehong mga distansya sa mga di-conjugated na molekula. Ang hindi nakabahaging pares ng elektron sa sp 2 -AO ng nitrogen ay hindi nakikilahok sa conjugation. Siya ang tumutukoy sa mga pangunahing katangian ng pyridine.

Pyrrole. Ang aromatic sextet ng pyrrole ay nabuo sa pamamagitan ng kumbinasyon ng apat na p-electron ng carbon at dalawang nag-iisang electron ng nitrogen bawat pz-AO upang bumuo ng isang solong π-electron system. Ang nitrogen atom sa kasong ito ay tinatawag na pyrrole.

Ang pagkakaroon ng isang heteroatom ay humahantong sa isang hindi pantay na pamamahagi ng density ng elektron. Ang impluwensya ng heteroatom ay nag-iiba depende sa kung ito ay nag-aambag ng isa o dalawang p-electron sa aromatic sextet. Ang pamamahagi ng density ng elektron, mga haba ng bono, at mga anggulo ng bono sa mga molekula ng pyridine at pyrrole ay ipinapakita sa figure. Dahil ang electronegativity ng nitrogen ay mas malaki kaysa sa carbon, sa pyridine ang electron density ay nadagdagan sa nitrogen atom at ibinababa sa natitirang mga atom ng cycle, pangunahin sa mga atom sa mga posisyon 2,4 at 6.

Dahil sa pakikilahok ng isang pares ng nag-iisang electron ng pyrrole nitrogen atom sa aromatic conjugation, ang heteroatom ay nagiging mas mahirap sa mga electron. Ang mga pangkat ng CH na katabi ng heteroatom (mga α-posisyon) ay magiging mas mayaman sa mga electron at samakatuwid ay mas reaktibo sa mga reaksyon ng pagpapalit ng electrophilic kaysa sa mas malayong mga pangkat ng CH (mga β-posisyon)

Pyrimidine naglalaman ng dalawang pyridine nitrogen atoms, at imidazole at purine ay pyrrole at pyridine nitrogen atoms. Tinutukoy nito ang mga katangian ng acid-base ng mga compound na ito.

Pyrrole. Walang kulay na likido, bahagyang natutunaw sa tubig, mabilis na nag-oxidize at nagdidilim sa hangin. Resibo:

1. Ang Furan, thiophene at pyrrole ay maaaring maging isa't isa kapag pinainit sa 400-450 sa pagkakaroon ng Al 2 O 3 catalyst (Yuriev cycle)

2. Nabubuo ang Pyrrole sa pamamagitan ng pagpasa ng pinaghalong C 2 H 2 at NH 3 sa pamamagitan ng heated katFe 2 O 3

Mga katangian ng kemikal

1. Ang Pyrrole ay nagpapakita ng bahagyang acidic na katangian, tumutugon sa alkali Me o may napakalakas na base sa t.

2. Mas madaling pumasok ang benzene sa mga reaksyon ng pagpapalit. Ang pamamahagi ng density ng elektron dahil sa pagkakaroon ng heteroatom ay tulad na ang pinaka-reaktibo ay ang mga posisyon ng alpha na may paggalang sa nitrogen atom.

3. Kapag nabawasan sa mahinang kondisyon (Zn+HCl), ang pyrrole ay na-convert sa pyrroline. Ang masiglang pagbawas (halimbawa, hydrogenation sa pagkakaroon ng nickel sa 200) ay humahantong sa pagbuo ng tetrahydropyrrole (pyrrolidine).

Ang mga pangunahing katangian ng pyrrole ay halos hindi nagpapakita ng kanilang sarili dahil sa pakikilahok ng isang solong pares ng elektron sa sistema ng conjugation ng singsing (pyrrole nitrogen). Sa seryeng pyrrole - pyrroline - pyrrolidine, ang basicity ay tumataas.

Ang core ng pyrrole at ang ilan sa mga derivatives nito ay bahagi ng pinakamahalagang biological at biochemical na istruktura. Halimbawa. Ang mga pyrrole ring ay bahagi ng porphin at gemma. Kapag nawasak ang mga ito sa katawan, ang mga "linear" na tetrapyrrole ay nabuo, na tinatawag na mga pigment ng apdo (biliverdin, bilirubin, stercobilin, atbp.). Tinutukoy ng ratio ng mga pigment ang uri ng jaundice at ang mga sanhi ng sakit (obstructive jaundice, viral hepatitis, atbp.)

Pyridine. Walang kulay na likido na may isang katangian na hindi kanais-nais na amoy, nahahalo sa tubig sa anumang ratio. Resibo:

1. Extraction mula sa coal tar

2. Synthesis mula sa hydrocyanic acid at acetylene

Mga katangian ng kemikal

1. Ang pyridine ay may mga pangunahing katangian, dahil naglalaman ng isang PYRIDINE nitrogen atom, sa isang tiyak na lawak na katulad ng nitrogen atom ng mga amin (ang pares ng elektron ay hindi nakikilahok sa pagbuo ng isang aromatic sextet):

2. Ang mga may tubig na solusyon ng pyridine stain blue litmus, sa ilalim ng pagkilos ng mga mineral acid ay nabuo ang mga kristal na pyridinium salts

3. Ang pyridine at ang mga homologue nito ay nagdaragdag ng mga halogen alkyls, na nagbibigay ng pyridinium salts

4. Ang pyridine ay mas mahirap na pumasok sa mga reaksyon ng pagpapalit kaysa sa benzene dahil sa mas malaking electronegativity ng nitrogen atom kaysa sa carbon. Sa kasong ito, ang pagpapalit ay nangyayari pangunahin sa β-posisyon

5. Binabago ng catalytic reduction ang pyridine sa piperidine

6. Ang Pyridine ay lumalaban sa mga oxidizing agent. Ang mga homologue nito ay na-oxidized upang bumuo ng mga heterocyclic carboxylic acid

7. Pagkasunog ng pyridine

Ang pyridine at ang mga derivatives nito ay ang batayan ng maraming gamot. Halimbawa, ang nikotinic acid at ang amide nito ay mga bitamina ng pangkat ng PP.

Mga baseng nucleic

Ito ay sumusunod mula sa naunang nabanggit na ang mga compound na naglalaman ng isang pyridine nitrogen atom ay may mga pangunahing katangian (nitrogenous bases). Mga derivative ng pyrimidine at purine, na bahagi ng mga nucleic acid. ay tinatawag na nucleic base.

M.I. Antonova, A.S. Berland

BIO-ORGANIC na kimika

HETEROCYCLIC COMPOUNDS

Moscow 2010

Ang institusyong pang-edukasyon ng estado ng mas mataas na propesyonal na edukasyon

"Moscow State University of Medicine at Dentistry" Federal Agency for Health and Social Development ng Russian Federation

Kagawaran ng General at Bioorganic Chemistry

M.I. Antonova, A.S. Berland

BIO-ORGANIC na kimika

HETEROCYCLIC COMPOUNDS

Bioorganic Chemistry Tutorial

para sa malayang gawain ng mga mag-aaral

dental faculties ng mga medikal na unibersidad

Inirerekomenda ng Educational and Methodological Association para sa Edukasyong Medikal at Parmasyutiko ng mga Unibersidad ng Russia bilang tulong sa pagtuturo para sa mga mag-aaral na nag-aaral sa specialty 060105 (040400) - "Dentistry"

Moscow 2010

BBC 24.1 at 73

UDC 546 (075.8)

Mga Reviewer:

ulo Department of Organic Chemistry MMA sila. I.V. Sechenov, d.h. n., Propesor N.A. Tyukavkina,

ulo Kagawaran ng Pharmacology, MGMSU,

Doctor of Medical Sciences, Propesor A.G. Mulyar

M.I. Antonova, A.S. Berland. Bioorganic chemistry, bahagi VI. Pagtuturo. M., MGMSU, 2010, 63s.

Sa ilalim ng pag-edit ni Propesor A.S. Berland

Ang tulong sa pagtuturo na ito ay nakatuon sa mga compound na pinagsama sa ilalim ng pangkalahatang pangalan na "Heterocyclic compounds". Ang manwal ay naglalaman ng teoretikal na materyal, sinuri ang isang bilang ng mga sangguniang gawain, pati na rin ang mga tanong at gawain para sa malayang gawain ng mga mag-aaral. Ang manual ay inirerekomenda para sa paggamit ng mga mag-aaral ng dental, medikal at pediatric faculties ng mga medikal na unibersidad ng Russian Federation upang maghanda para sa mga klase sa bioorganic chemistry.

BBC 24.1 at 73

© MGMSU, 2010

© M.I. Antonova, A.S. Berland. 2010.

Mga heterocyclic compound

1. Pangkalahatang katangian.

Ang mga heterocyclic compound ay tinatawag na mga compound ng isang cyclic na istraktura, na naglalaman sa cycle hindi lamang mga carbon atom, kundi pati na rin ang mga atom ng iba pang mga elemento (heteroatoms).

Ang mga heterocyclic compound ay ang pinakakaraniwang pangkat ng mga organic compound. Ang mga ito ay bahagi ng maraming sangkap ng natural na pinagmulan, tulad ng mga nucleic acid, chlorophyll, heme ng dugo, alkaloids, penicillins, at maraming bitamina. Ang mga heterocyclic compound ay may mahalagang papel sa mga metabolic na proseso at may mataas na biological na aktibidad. Ang isang makabuluhang bahagi ng mga modernong sangkap na panggamot ay naglalaman ng mga heterocycle sa kanilang istraktura.

2. Pag-uuri at katawagan ng mga heterocyclic compound.

2.1. Pag-uuri.

Ang mga sumusunod na tampok ay ginagamit upang pag-uri-uriin ang mga heterocyclic compound.

sa laki ng ikot Ang mga heterocyclic compound ay kadalasang tatlo, apat, lima, anim at pitong miyembro:

sa uri ng elemento , kasama sa cycle, ang mga ito ay pangunahing mga compound na may nitrogen, oxygen o sulfur atoms:

sa bilang ng mga heteroatom , kasama sa cycle, ang pinakakaraniwan ay ang mga heterocycle na may isa at dalawang heteroatom, ngunit ang mga compound na may apat na atom sa isang cycle ay kilala rin:

sa kalikasan at magkaparehong pag-aayos ng ilang heteroatoms iba't ibang mga kumbinasyon ang posible (halimbawa, N at S, N at O, atbp.), at ang mga heteroatom ay maaaring sumakop sa iba't ibang mga posisyon na nauugnay sa bawat isa:

sa antas ng saturation ang mga heterocycle ay maaaring mabango, hindi puspos at puspos:

Ang kimika ng aromatic heterocycles ay pinag-aralan nang detalyado. Ang ganap o bahagyang puspos na mga heterocycle, dahil sa mga kakaibang katangian ng kanilang mga kemikal na katangian, ay isinasaalang-alang, bilang panuntunan, hindi bilang mga heterocyclic compound, ngunit bilang cyclic analogues ng ilang mga aliphatic compound (ether, sulfides, pangalawang amines).

sa bilang ng mga cycle makilala sa pagitan ng monocyclic, polycyclic (pangunahin na condensed) system. Ang bilang ng mga cycle at ang kanilang mga uri ay maaaring ibang-iba:

Ang mga heterocyclic compound ay tinatawag na mga naturang compound ng isang cyclic na istraktura, sa mga cycle kung saan, kasama ang mga carbon atom, mayroong mga atom ng iba pang mga elemento. Ang iba pang mga atom na ito ay tinatawag na heteroatoms. Kadalasan, ang mga heteroatom na ito ay oxygen, sulfur, at nitrogen atoms. Ang mga heterocycle ay maaaring maglaman ng isa, dalawa, tatlo o higit pang mga heteroatom. Gayunpaman, ayon sa teorya ng pag-igting ng ikot, ang tatlo at apat na miyembro na mga siklo ay hindi matatag. Ang pinakamalakas at samakatuwid ay mas karaniwan ay mga heterocycle na may lima at anim na miyembro.

Ang pag-uuri ng mga heterocycle ay isinasagawa depende sa laki ng cycle. Alinsunod dito, ang tatlong-, apat-, lima-, anim na miyembro na heterocycle at heterocycle na may malaking bilang ng mga atom ay nakikilala.

Ang mga heterocyclic compound ay marami, napakakaraniwan sa kalikasan at may malaking praktikal na kahalagahan. Kabilang dito ang mga sangkap tulad ng chlorophyll - ang berdeng sangkap ng mga halaman, hemoglobin - ang pangkulay na sangkap ng dugo at maraming iba pang natural na pangkulay na sangkap, bitamina, antibiotics (penicillin), mga sangkap na panggamot, pestisidyo.

Nomenclature ng heterocycles

Ang mga heterocyclic compound ay pinangalanan ayon sa trivial, rational, at systematic nomenclature. Ang mga trivial na pangalan ay kadalasang ginagamit para sa mga kilalang heterocyclic compound. Halimbawa, pyrrole, pyridine, furan, indole, purine, atbp. Sa rational nomenclature, ang pangalan ng isang partikular na heterocycle ay kinuha bilang batayan - furans, thiophene, pyrrole, pyridine o iba pa, at ang posisyon ng mga substituent sa kanila ay ipinahiwatig sa pamamagitan ng mga numero o titik ng alpabetong Griyego. Sa mga heterocycle na may isang heteroatom, ang pagnunumero ay nagsisimula sa heteroatom na ito.

Larawan 1.

Ang modernong pang-agham na katawagan ng mga heterocyclic system ay kinabibilangan ng laki ng cycle, ang pagka-unsaturated nito, ang bilang ng mga heteroatom, ang kanilang uri at posisyon. Ang pangalan ng heterocycle ayon sa nomenclature na ito ay binubuo ng tatlong bahagi:

• ugat - nagpapahiwatig ng laki ng cycle,
• suffix - nagsasaad ng antas ng unsaturation ng heterocyclic system
• at mga prefix - nagsasaad ng uri ng mga hetero atom at ang kanilang bilang.

Ang singsing na may tatlong miyembro ay may ugat -ir, ang singsing na may apat na miyembro ay may -et, ang singsing na may limang miyembro ay may -ol, ang singsing na may anim na miyembro ay may -in. Ang mga saturated heterocycle na may nitrogen atom ay may suffix -idine, ang mga saturated heterocycle na walang nitrogen atom ay may suffix -an, ang saturated heterocyclic system ay may suffix -in.

Ang likas na katangian ng heteroatom ay ipinahiwatig ng mga prefix na oxa-, thia- at aza-, ayon sa pagkakabanggit, para sa oxygen, sulfur at nitrogen, ang mga prefix na dioxa-, dithia-, diaza- mean, ayon sa pagkakabanggit, dalawang atomo ng oxygen, sulfur at nitrogen . Kung mayroong dalawa o higit pang magkakaibang heteroatom sa heterocycle, ang mga ito ay nakalista sa pagkakasunud-sunod ng precedence oxygen bago ang sulfur, at sulfur bago ang nitrogen, at sila ay binibilang sa sumusunod na pagkakasunud-sunod: $O$, $S$, $N$.

Kung mayroong isang oxygen atom at isang nitrogen atom sa heterocycle, ang prefix - oxaza- ay ginagamit, at sa pagkakaroon ng isang sulfur atom at isang nitrogen atom - thiaza-. Kapag ang tertiary nitrogen atom at ang grupong $NH$ ay nasa singsing nang sabay, ang numero 1 ay tumutukoy sa nitrogen atom ng pangkat na $NH$. Sa kasong ito, ang pagnunumero ay isinasagawa sa sumusunod na pagkakasunud-sunod: $O$, $S$, $NH$, $N$.

Ang mga heterocycle na hindi naglalaman ng matinding mga bono, bilang panuntunan, ay katulad sa kemikal at pisikal na mga katangian sa mga kaukulang cyclic compound.

Aromaticity ng heterocycles

Mayroong isang malaking grupo ng mga heterocycle na may conjugated system ng maramihang mga bono. Ang ganitong mga heterocycle ay kahawig ng benzene at mga derivatives nito sa kanilang katatagan at mga uri ng mga reaksyon at tinatawag na mga aromatic heterocyclic compound.

Ayon sa panuntunan ni Hückel, ang isang sistema ng singsing ay may mga mabangong katangian kung ito ay:

• naglalaman ng $4n + 2$ generalizing electron;
• ay may tuluy-tuloy na kadena ng conjugation;
• ay planar.

Paghambingin natin ang dalawang compound - benzene at pyridine:

Figure 2.

Larawan 3

Sa benzene molecule, ang carbon atoms ay nasa $sp2$ hybridization state. Ang ikaapat na electron ng bawat C atom ay non-hybridizable. Sa kasong ito, ang isang sextet ng mga electron ay nabuo, na pangkalahatan ng lahat ng mga atomo ng cycle (aromatic sextet).

Ang mga ulap ng hindi na-hybridized na $\pi$-electron na may hugis ng volume eights, na magkakapatong sa isa't isa, ay bumubuo ng isang $\pi$-electron cloud:

Larawan 4

Ang aromatic na katangian ng pyridine ay maaaring ipaliwanag nang katulad. Tanging 5$\pi$-electron mula sa carbon atoms at isang electron mula sa nitrogen ang lumahok sa pagbuo ng isang electron sextet sa kalikasan:

Larawan 5

Ang nitrogen atom ay nagpapanatili ng isang hindi nakabahaging pares ng mga electron. Ang pares ng mga electron na ito ay hindi bahagi ng isang mabangong sextet; planar system; tumutugma sa panuntunan ng Hückel: $4n + 2$.

Elektronikong istraktura ng limang miyembro na heterocycle

Isaalang-alang ang elektronikong istraktura ng isang limang miyembro na heterocycle - pyrrole, na nabuo ng apat na carbon atoms at isang nitrogen atom, at naglalaman ng dalawang double bond:

Larawan 6

Ang isang aromatic sextet ay nabuo din sa pyrrole molecule dahil sa apat na $\pi$-electrons ng carbon atoms at dalawang unshared p-electrons ng nitrogen atom. Kaya, ang isang karaniwang sistema ng isang sextet ng mga electron ay nabuo sa nucleus at ang nucleus ay may mga mabangong katangian. Ang unang tuntunin sa aromaticity ay mayroong: mayroong $4n + 2 = 4\cdot1 + 2 = 6$ generalized electron. Ang pangalawang kondisyon ng aromaticity ay natutupad din - ang isang tuluy-tuloy na conjugation chain ay napanatili, na kinabibilangan ng isang hindi nahahati na pares ng mga electron ng nitrogen atom. Ang lahat ng mga atom ay namamalagi sa parehong eroplano, ang sistema ay planar. Kaya, sa limang-member na heterocycle, 6 na electron ang na-delocalize sa pagitan ng 5 atoms na bumubuo sa cycle na ito.

Larawan 7

Sa limang-member na heterocyclic compound na may isang heteroatom, ang pinakamahalaga ay: furan, thiophene at pyrrole. Para sa furan, thiophene, pyrrole at ang kanilang mga derivatives, ang mga electrophilic substitution reactions ay tipikal: nitration, sulfonation, halogenation, acylation, atbp. Ang tampok na ito ng mga katangian ng mga heterocyclic compound na ito ay nauugnay sa kanilang elektronikong istraktura. Ang mga siklo ng mga sangkap na ito ay naglalaman ng parehong mga carbon atom at heteroatom. Ang mga carbon atom at heteroatom ay konektado sa mga kalapit na carbon atom sa pamamagitan ng $\sigma$-bond.

Iba pang mga aromatic heterocyclic compound

Dahil ang mga carbon atom ng iba't ibang mga cycle at sa iba't ibang mga kumbinasyon ay maaaring mapalitan ng mga heteroatom sa polycyclic compound, ang bilang ng mga posibleng aromatic heterocyclic compound ay napakalaki:

Larawan 8

Bilang karagdagan sa mga heterocyclic system, na naglalaman ng anim na $\pi$-electron sa bawat singsing, maraming mga halimbawa ng aromatic ($4n+2$) p-electron heterocyclic compound kung saan $n >1$. Ang heterocyclic analogs ng aromatic annulenes ay kilala. Kasama sa mga halimbawa ang oxa--annulene, aza--annulene, aza--annulene, isoelectronic hanggang aromatic -annulene:

Larawan 9

Larawan 10.

Ang isa pang magandang halimbawa ng isang aromatic heteroannulene ay ang bridged homoquinoline, na isoelectronic sa 1,6-methano-annulene at naglalaman ng 10 p-electrons:

Larawan 11.