Blog

Najznačajniji heterocikli u svijetu

Najznačajniji heterocikli u svijetu

Heterociklična jedinjenja

Heterociklično jedinjenje, takođe poznato i kao prstenasta struktura, u osnovi je jedinjenje koje sadrži atome od dva različita elementa kao članovi njegovog prstena / prstena. Heterociklična jedinjenja verovatno predstavljaju najrazličitiji i najznačajniji broj porodice organskih jedinjenja.

Bez obzira na funkcionalnost i strukturu, svako karbociklično jedinjenje može biti pretvoreno u različite heterociklične analoge samo zamenom jednog ili više atoma ugljeničnog prstena sa različitim elementom. Kao rezultat, heterocikli su ponudili platformu za razmjenu istraživanja u različitim oblastima, uključujući, ali ne ograničavajući se na farmaceutsku, medicinsku, analitičku i organsku hemiju heterocikličnih jedinjenja.

Glavni primjeri heterocikličnih jedinjenja su većina lekova, nukleinskih kiselina, većina sintetičkih i prirodnih boja i većina biomase kao što su celuloza i srodni materijali.

klasifikacija

Iako heterociklična jedinjenja mogu biti organska ili neorganska jedinjenja, većina ima bar jedan ugljenik. Ova jedinjenja se mogu klasifikovati prema njihovoj elektronskoj strukturi. Zasićene heterociklične jedinice se ponašaju na isti način kao i aciklični derivati. Kao rezultat, tetrahidrofuran i piperidin su konvencionalni etri i amini sa modifikovanim steričkim profilima.

Studija heterociklične hemije, stoga, fokusira se uglavnom na nezasićene derivate i aplikacije uključuju nesvučene pet, kao i šestčlanske prstenove. To uključuje furan, pirol, tiofen i piridin. Sledeća velika klasa heterocikličnih jedinjenja spojena je sa benzenskim prstenovima, koji su za furan, pirol, tiofen i piridin benzofuran, indol, benzotiofen i kinolin, respektivno. Ako su dva benzenska prstena spojena, to rezultira još jednom velikom familijom jedinjenja, koja su dibenzofuran, karbazol, dibenzotiofen i aridin. Nezasićeni prstenovi mogu se klasifikovati na osnovu učešća heteroatoma u pi sistemu, konjugovanog sistema.

Priprema i reakcije

3-članovi prstenovi

Heterociklična jedinjenja sa tri atoma u prstenu su način reaktivnije ljubaznosti prinosa prstena. Heterocikli koji sadrže jedan heteroatom su uglavnom stabilni. One koje sadrže dva heteroatoma javljaju se uopšte kao reaktivni intermedijari.

Oxiranes, poznati i kao epoksidi, najčešći su heterocikli 3-članovi. Oxiranes se pripremaju reakcijom peracida sa alkenima, uz dobru stereospecifičnost. Oxiranovi su reaktivniji od nezasićenih etara zahvaljujući senzoru visokog ugla 3-člana prstena. Reakcije dodavanja koje se odvijaju nukleofilnim i elektrofilnim otvaranjem prstena su najopštija reakciona klasa.

Reakcija ove vrste uključena je u farmakološku akciju azotnih senfa koja je bila među prvim lekovima protiv raka. Zatvaranje intramolekularnog prstena, kao u slučaju antikancerogenog agensa, mehoreftamina formira srednji aziridijum jon. Formirani biološki aktivni agens napada proliferirajuće ćelije uključujući ćelije raka kroz inhibiciju njihove replikacije DNK. Azotni gorčadi su takođe korišćeni kao sredstva protiv raka.

Komercijalno aziridin i oksirane su esencijalne industrijske hemikalije. U masovnoj proizvodnji oksirane, etilen se direktno reaguje sa kiseonikom. Hemijska reakcija, koja je najkarakteristična od ovih prstenova 3-članova, je da su podložni napadima nukleofilnih reagensa da otvore prsten kao što je prikazano u nastavku:

Najčešći tričlani heterociklična jedinjenja sa jednim heteroatomom uključuju:

Zasićen Nezasićeno
Thiirane (episulfidi) Thiirene
Fosfirane Fosfiren
Epoksidi (oksirane, etilenoksid) Oxirene
Aziridine Azirine
Borirane Borirene

Najčešća tročlana heterociklična jedinjenja sa dva heteroatoma uključuju Diaziridin kao zasićeni derivat i Diazirin kao nezasićeni derivat, kao i Dioxirane i Oksaziridin.

Prsten sa četiri člana

Različite metode pripreme heterocikli prstenova 4-a su prikazane na dijagramu u nastavku. Proces reakcije amina, tiola ili 3-halo sa bazom je tipično efikasan, ali sa prosečnim prinosima. Dimerizacija i eliminacija su tipične neželjene reakcije. Ostale reakcije mogu takmičiti u reakciji.

U prvom primeru, ciklizacija u oksirane uvek se takmiče sa formiranjem thietana, ali veća nukleofilnost dominira posebno ako se koristi slaba baza.

U drugom primjeru moguće je formiranje i azetidina i aziridina, ali se vidi samo drugo. Primer broj četiri pokazuje da ovaj pristup formiranju azetidina dobro funkcioniše ako nema konkurencije.

U trećem primeru, kruta konfiguracija podloge daje prednost formiranju oksetana i sprečava ciklizaciju oksiranata. U primerima 5 i 6, fotociklizacije Paterno-Buchi su posebno pogodne za formiranje oksetana.

Metode pripreme 4-članskih prstenova heterocikla

reakcije

Reakcije 4-članova heterociklična jedinjenja takođe pokazuju uticaj prstena prstena. Sledeći dijagram pokazuje nekoliko primjera. Kiselinska kataliza je tipična karakteristika različitih reakcija otvaranja prstena prikazanih u primjerima 1,2 i 3a. U reakciji 2 od thietana, sumpor prolazi kroz elektrofilnu hlorinaciju, što dovodi do stvaranja hlorosulfonijumskog intermedijera i zamjene hloridnog iona koja otvara prsten. U reakciji 3b, snažni nukleofili takođe se javljaju da otvore napetim etrom. Reakcije cepanja beta-laktona mogu se desiti bilo kislinskom katalizovanom izmenom acila kao što se vidi u 4a. To se takođe može desiti rupture alkil-O nukleofilima kao u 4b.

Primer broj 6 pokazuje zanimljiv fenomen intramolekularnog preuređivanja orto-estera. Reakcija 6 pokazuje beta-laktamsko cepanje penicilina G koji objašnjava poboljšanu reakciju acilacije kondenzovanog prstenastog sistema.

Primjeri reakcija 4-članih heterocikličnih jedinjenja

Najkorisnije heterociklična jedinjenja sa 4-članskim prstenovima su dve serije antibiotika, cefalosporina i penicilina. Dve serije sadrže azetidinonski prsten koji je poznat i kao beta-laktamski prsten.
Mnogi oksetani su pod istragom kao antivirusni, antikancer, antiinflamatorni i antifungalni agensi. Oksetanoni, s druge strane, uglavnom se primenjuju u poljoprivredi kao baktericidi, fungicidi i herbicidi, kao iu proizvodnji polimera.
Roditeljski tietan je pronađen u ulju iz škriljaca, dok njegovi derivati ​​mirisa rade kao marker za evropska polecat, fermente i minke. Thietani se primenjuju kao fungicidi i baktericidi u boju, kao inhibitori korozije gvožđa, i za proizvodnju polimera.

Četvoročlane prstenove jedinjenja sa jednim heteroatomom

Heteroatom Zasićeno Nenasićeno

Heteroatom Zasićen Nezasićeno
sumpor Thietane Azete
kiseonik Oksetan Oxete
azot Azetidin Azete

Četvoročlane prstenje jedinjenja sa dva heteroatoma

Heteroatom Zasićen Nezasićeno
sumpor Dithietane Dithiete
kiseonik Dioksetan Dioxete
azot Diazetidin Diazete

5-članovi prstenovi sa jednim heteroatomom

Tiofen, furan i pirol su matična aromatična jedinjenja heterocikli prstenova 5-a. Evo njihova struktura:

Zasićeni derivati ​​tiofena, furana i pirola su tiofan, tetrahidrofuran i pirolidin. Biciklična jedinjenja napravljena od tiofenskog, furanskog ili pirolog prstena spojenog sa benzenskim prstenom poznate su kao benzotiofen, benzofuran, izoindol (ili indol) respektivno.
Nitrogen heterociklov pirol tipično se javlja u kostnom ulju koji se formira dekompozicijom proteina kroz jako zagrevanje. Pirolski prstenovi se nalaze u amino kiselinama kao što su hidroksiprolin i prolin koji su sastavni deo različitih proteina prisutnih u visokim koncentracijama u strukturnom proteinu ligamenata, tetiva, kože i kostiju i kolagena.
Derivati ​​pirola nalaze se u alkaloidima. Nikotin je najčešće poznati pirol koji sadrži alkaloid. Hemoglobin, mioglobin, vitamin B12 i hlorofili, sve se formiraju spajanjem četiri pirolske jedinice u veliki prstenasti sistem koji se naziva porfirin, kao što je prikazano u daljem tekstu hlorofila B.

Biljni pigmenti se formiraju razgradnjom porfirinskog prstena i imaju lanac 4 pirolnih prstenova.
Priprema heterocikla prstenova 5
Industrijska priprema furana nastavljena je kao što je prikazano ispod aldehidom, furfuralom, koji se generiše iz pentoze koja sadrži sirovine kao što su kornkobovi. Slični preparati tiofena i pirola su prikazani u drugom redu jednačina.
Treći red jednačine pokazuje opštu pripremu supstituisanih tiofena, pirola, furana iz 1,4-dikarbonil jedinjenja. Počele su mnoge druge reakcije koje dovode do formiranja supstituisanih heterocikla ove vrste. Dve ove procedure su prikazane u drugoj i trećoj reakciji. Furan se smanjuje hidrogenacijom katalizovanim paladijumom u tetrahidrofuran. Ovaj ciklični eter je vrijedan rastvarač koji se ne može pretvoriti samo u 4-haloalkilsulfonate, ali i 1,4-dihalobutane koji se mogu koristiti za pripremu tiolana i pirolidina.

Petočlane prstenove jedinjenja sa jednim heteroatomom

Heteroatom Nezasićeno Zasićen
antimon Stibole Stibolane
arsen Arsole Arsolane
bizmut Bismole Bismolane
bor Borole Borolane
azot Pyrrole Pirolidin
kiseonik Furan Tetrahidrofuran

5-članovi prstenovi sa 2 heteroatomima

Petočlana jedinjenja prstena koja sadrže 2 heteroatome i najmanje jedan od heteroatoma su azot, poznati su kao azoli. Izotiazoli i tiazoli imaju atom azota i sumpora u prstenu. Jedinjenja sa dva atoma sumpora poznata su kao Ditiolani.

Heteroatom Nezasićeni (i djelimično nezasićeni) Zasićen
azot

/nitrogen

Pyrazole (Pyrazoline)

Imidazol (imidazolin)

Pyrazolidine

Imidazolidin

Azot / kiseonik Izoksazol

Oksazolin (oksazol)

Izoksazolidin

oksazolidin

Azot / sumpor Izotiazol

Tiazolin (tiazol)

Izotiazolidin

Tiazolidin

Kiseonik / kiseonik Dioksolan
Sumpor / sumpor Ditiolan

Neki pirazoli se javljaju prirodno. Jedinjenja ove klase pripremljena su reakcijom 1,3-diketona sa hidrazinima. Većina sintetičkih jedinjenja pirazola se koriste kao lekovi i boje. Oni uključuju analgetik aminopirim koji smanjuje temperaturu, fenibutazon koji se koristi u lečenju artritisa, tartrazin u boji u vlaknu i žutu hranu, a većina boja koja se koristi u fotografiji u boji kao senzibilizujuća sredstva.

5-članovi prstenovi sa 3 heteroatomima

Takođe postoji velika grupa petočlanih jedinjenja prstena sa najmanje 3 heteroatomima. Jedan primer takvih jedinjenja je ditiiazoli koji sadrže atom azota i dva sumpora.

6-članovi prstenovi sa 1 heteroatomom

Nomenklatura koja se koristi u monocikličnim jedinjenjima prstenastog jedinjenja 6 koji sadrže azot je ovdje ispod. Prikazane su pozicije na prstenu za piridin, arapskim brojevima je poželjnije grčkim slovima, iako se oba sistema koriste. Piridoni su aromatična jedinjenja zahvaljujući doprinosima rezonantnom hibridu iz naelektrisanih rezonantnih oblika kao što je pokazano za 4-piridon.

Dva glavna koenzima uključena u različite ključne metaboličke reakcije u ćelijama, NAD (takođe poznati kao koenzim1) i NADP (takođe poznati kao koenima II), potiču iz nikotinamida.
Većina alkaloida sadrži piperidinsku ili piridinsku prstenastu strukturu, među njima piperine (čini jedan od sadržaja oštrih ukusa crno-belog bibera) i nikotina. Njihove strukture su prikazane ispod.

Pirin koji je nekada bio ekstrahovan iz katrana uglja, ali je sada katalitički pripremljen od amonijaka i tetrahidrofurfuril alkohola je ključni intermedijer i rastvarač koji se koristi za proizvodnju drugih jedinjenja. Vinilpiridini su ključni monomerni blokovi od plastike, a potpuno su zasićeni piperidin, piridin se koristi kao hemijska sirovina i gumarska prerada.

Farmaceutski korisni piridini

Farmaceutski korisni piridini uključuju hidrazid izonikotinske kiseline (tuberculostat izoniazid), anti-AIDS-virus lijek poznat kao nevirapin, nikorandil - avasodilator koji se koristi za kontrolu angine, fenazopiridin - analgetik urinarnog trakta, kao i antiinflamatorni sulfa. Diflufenik, klopralid, parakvat i dikvat su popularni derivati ​​piridina koji se koriste kao herbicidi.

6-članovi prstenovi sa 2 ili više heteroatoma

3 monociklični šestočlani heterocikli prstena sa 2 azotnim heteroatomima (diazini) su numerisani i imenovani kao što je prikazano u nastavku.

Malehid hidrazid je derivat piridazina koji se koristi kao herbicid. Neki pirazini kao što je aspergilična kiselina pojavljuju se prirodno. Evo struktura pomenutih jedinjenja:

Pirazinski prsten je komponenta raznih policikličkih jedinjenja industrijskog i biološkog značaja. Važni članovi porodice pirazina su fenazini, aloksazini i pteridini. Farmakološki i biološki, najvažniji diazini su pirimidini. Citosin, timin i uracil su 3 5 nukleotidnih baza koje čine genetski kod u RNK i DNK. Ispod su njihove strukture:

Vitamin tiamin ima pirimidinski prsten i pored sintetičkih barbiturata, uključujući amobarbital, najčešće se koriste lekovi. Morfolin (matični tetrahidro-1,4-oksazin) se proizvodi u velikoj meri za upotrebu kao fungicid, inhibitor korozije i rastvarač. Morfolinski prsten se takođe nalazi u sedativnom-hipnotičkom trimetozinu lekova i nekim fungicidima poput fenpropimorfa i tridemorfa. Evo strukturne formule za morfolin:

7-članovi prstenovi

Kako se veličina prstena povećava, raznovrsnost jedinjenja koja se može dobiti promjenom lokacije, tipa i broja heteroatoma značajno se povećava. Međutim, hemija heterocikla sa 7-članskim prstenovima ili više je manje razvijena od onih 6 i 5-članih heterocikličnih jedinjenja prstena.
Oksepin i azepinski prstenovi su ključni sastojci različitih prirodnih metaboličkih proizvoda morskih organizama i alkaloida. Derivat azepina poznat kao kaprolaktam se komercijalno proizvodi u rasutom stanju za upotrebu u proizvodnji najlon-6 kao sredstvo za proizvodnju sintetičke kože, premaza i filmova.
7-članska heterociklična jedinjenja sa dva ili jednim atomom azota u prstenu su strukturne jedinice široko korišćenih psihofarmaceutika Prazepine (triciklični antidepresivi) i dijapepam koji pomaže trankilizator, takođe poznat kao valium.

8-članovi prstenovi

Primeri heterocikličnih jedinjenja u ovoj klasi uključuju azokan, oksokan i tiokan sa azotom, kiseonikom i sumpom koji su odgovarajući heteroatomi. Njihovi odgovarajući nezasićeni derivati ​​su azokin, oksocin i tiocin.

9-članovi prstenovi

Primeri heterocikličnih jedinjenja u ovoj klasi uključuju azonane, oksonane i tionane sa azotom, kiseonikom i sumpom koji su odgovarajući heteroatomi. Njihovi nezasićeni derivati ​​su azonin, oksonin i tionin.

Upotreba heterocikličnih jedinjenja

Heterocikli su korisni u nekoliko oblasti životnih nauka i tehnologije. Kao što smo već videli u našoj diskusiji, mnogi lekovi su heterociklična jedinjenja.

reference

IUPAC Gold Book, heterociklična jedinjenja. Veza:

WH Powell: Revizija proširenog Hantzsch-Widmana sistema nomenklature za heteromonocikle, u: Pure Appl. Chem.1983, 55, 409-416;

A. Hantzsch, JH Weber: Ueber Verbindungen des Thiazols (Piridins der Thiophenreihe), u: Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1887, 20, 3118-3132

O. Widman: Zur Nomenclatur der Verbindungen, primeniti Stickstoffkerne enthalten, u: J. Prakt. Chem. 1888, 38, 185-201;