Blogas

Labiausiai įtakingų heterociklus pasaulyje

Labiausiai įtakingų heterociklus pasaulyje

Heterocikliniai junginiai

Heterociklinis junginys, dar vadinamas žiedo struktūra, iš esmės yra junginys, turintis dviejų skirtingų elementų, kaip žiedo / žiedų elementų, atomus. Heterocikliniai junginiai tikriausiai yra labiausiai įvairaus ir didžiausio organinių junginių šeimos skaičiaus.

Nepriklausomai nuo funkcionalumo ir struktūros, kiekvienas karbociklinis junginys gali būti paverstas įvairiomis heterociklinėmis analogijomis, tiesiog pakeičiant vieną ar daugiau anglies atomo žiedus kitokiu elementu. Kaip rezultatas, heterociklai pasiūlė platformą, skirtą keistis tyrimais įvairiose srityse, įskaitant (bet tuo neapsiribojant) heterociklinių junginių farmacinę, medicininę, analitinę ir organinę chemiją.

Pagrindiniai heterociklinių junginių pavyzdžiai yra dauguma vaistų, nukleino rūgščių, dauguma sintetinių ir natūralių dažiklių ir dauguma biomasės, tokios kaip celiuliozė ir susijusios medžiagos.

klasifikacija

Nors heterocikliniai junginiai gali būti organiniai arba neorganiniai junginiai, dauguma jų turi bent vieną anglį. Šie junginiai gali būti klasifikuojami pagal jų elektroninę struktūrą. Sotieji heterocikliniai junginiai elgiasi taip pat, kaip ir acikliniai dariniai. Kaip rezultatas, tetrahidrofuranas ir piperidinas yra įprasti eteriai ir aminai su modifikuotu sterikiniu profiliu.

Todėl heterociklinės chemijos tyrime daugiausia dėmesio skiriama nesočiųjų darinių, o jų panaudojimas apima ne mažiau kaip penkis ir šešių narių žiedus. Tai apima furaną, pirolį, tiofeną ir piridiną. Kitas didelis heterociklinių junginių klaseis sulietas su benzeno žiedais, o furanui, piroliui, tiofenui ir piridinui yra atitinkamai benzofuranas, indolas, benzotiofenas ir chinolinas. Jei sujungiami du benzolo žiedai, tai atsiranda dar vienai didelei junginių grupei, ty dibenzofuranui, karbazoliui, dibenzotiofenui ir aridinui. Nesotieji žiedai gali būti klasifikuojami remiantis heteroatomo dalyvavimu pi sistemoje, konjuguota sistema.

Paruošimas ir reakcijos

3 narių žiedai

Heterocikliniai junginiai su trijų atomų žiede yra labiau reaguojantys į žiedo kamieną. Heterociklai, kuriuose yra vienas heteroatomas, paprastai yra stabilūs. Tie, kuriuose yra du heteroatomai, apskritai yra reaktyvūs tarpiniai junginiai.

Oksiranai, taip pat žinomi kaip epoksidai, yra labiausiai paplitę 3 narių heterociklai. Oksiranai paruošiami reaguojant peroksidus su alkenais, kurių stereospecifika yra gera. Oksiranai yra labiau reaktyvūs, nei nesotieji eteriai, mandagūs 3 narių žiedo didelio kampo kamieno. Papildomos reakcijos, vykdomos naudojant nukleofilinę ir elektrofilinę žiedo angas, yra labiausiai paplitusi reakcijos klasė.

Tokio pobūdžio reakcija yra susijusi su azoto garstyčių farmakologiniu poveikiu, kuris buvo vienas pirmųjų priešvėžinių vaistų. Intramolekulinio žiedo uždarymas, kaip antai vėžio sukėlėjas, mechloretaminas sudaro tarpinį aziridio joną. Sukurtas biologiškai aktyvus agentas išprovizuoja ląsteles, įskaitant vėžines ląsteles, slopindamas jų DNR replikaciją. Azoto garstyčios taip pat buvo naudojamos kaip priešvėžiniai preparatai.

Komerciniu požiūriu aziridinas ir oksiranas yra svarbiausi pramoniniai chemikalai. Dėl didelio masto oksirano gamybos etilenas tiesiogiai reaguoja su deguonimi. Šių 3 narių žiedų labiausiai būdinga cheminė reakcija yra tai, kad jie gali nukleotidinių reagentų atakuoti, kad atvertų žiedą, kaip parodyta žemiau:

Labiausiai paplitę trijų narių heterocikliniai junginiai su vienu heteroatomu yra:

Prisotintas Nesoturintas
Thirane (episulfidai) Thiirene
Fosfiranas Fosfirenas
Epoksidai (oksiranas, etileno oksidas) Oksirenas
Aziridinas Azirinas
Borirane Borirenė

Dažniausi trijų narių heterocikliniai junginiai su dviem heteroatomais apima diaziridiną kaip sočiuosius darinius ir diaziriną ​​kaip nesočiuosius darinius, taip pat dioksiraną ir oksaziridiną.

Keturių narių žiedai

Įvairūs 4-narių žiedų heterociklų paruošimo būdai parodyti toliau esančioje diagramoje. Amino, tiolio arba 3-halogeno reakcijos su baze procesas paprastai yra efektyvus, tačiau jis yra vidutiniškas. Dimetrizacija ir eliminacija yra tipinės šalutinės reakcijos. Kitos funkcijos taip pat gali konkuruoti reakcijoje.

Pirmajame pavyzdyje, ciklizacija į oksiraną visada konkuruoja su katalizatoriaus formavimu, tačiau vyrauja aukštas nukleofiliškumas, ypač jei jis naudoja silpną bazę.

Antruoju pavyzdžiu galima susidaryti azetidiną ir aziridiną, tačiau tik pastarasis yra matomas. Ketvirtasis pavyzdys rodo, kad šis požiūris į azetidino susidarymą veikia gerai, jei nėra konkurencijos.

Trečiuoju pavyzdžiu griežta substrato konfigūracija palaiko oksetano susidarymą ir neleidžia oksirano ciklizacijai. Pavyzdyse 5 ir 6 Paterno-Buchi fotociklizacijos ypač tinka oksetano formavimui.

4-narių žiedų heterociklų gavimo būdai

Reakcijos

4 narių reakcijos heterocikliniai junginiai taip pat parodo įtakos žiedo deformavimui. Toliau pateiktoje diagramoje pateikiami keli pavyzdžiai. Rūgšties katalizė yra būdinga įvairioms žiedo atvėrimo reakcijoms, pateiktoms 1,2 ir 3a pavyzdžiuose. Reakcijos 2 reakcijoje sieros elektrolifikuojamas, todėl susidaro chlorosulfonio tarpinis junginys ir pakeičiamas žiedo atidarymo chlorido jonas. Reakcijoje 3b taip pat matyti, kad stiprūs nukleofilai atveria įtemptą eterį. Beta-laktonų skilimo reakcijos gali atsirasti arba rūgštiniu katalizuojamu acilų mainu, kaip matyti 4a. Tai taip pat gali įvykti alkil-O pertvarka nukleofilais, tokiais kaip 4b.

Pavyzdžio numeris 6 rodo įdomų orto esterio intramolekulinės pertvarkos fenomeną. Reakcija 6 rodo penicilino G skilimo beta-laktamą, kuris paaiškina kondensuotų žiedų sistemos sustiprintą acilinimo reakciją.

4 narių heterociklinių junginių reakcijų pavyzdžiai

Labiausiai naudinga heterocikliniai junginiai su 4 narių žiedais yra dvi serijos antibiotikų, cefalosporinų ir penicilinų. Dviejuose serijose yra azetidinono žiedas, taip pat žinomas kaip beta-laktaminis žiedas.
Daugelis oksetanų yra tiriami kaip antivirusiniai, priešvėžiniai, priešuždegiminiai ir priešgrybeliniai preparatai. Kita vertus, oksetanonai daugiausia naudojami žemės ūkyje kaip baktericidai, fungicidai ir herbicidai bei polimero gamybai.
Tėvų šaknis buvo rastas skalūnų aliejuje, o jo kvapieji dariniai veikia kaip europinių polecats, šeškai ir kumelės kvapo žymekliai. Thietanai naudojami kaip fungicidai ir baktericidai dažuose, kaip geležies korozijos inhibitoriai, ir polimerų gamybai.

Keturių narių žiedai junginiai su vienu heteroatomu

Heteroatom Sočiųjų nesočiųjų

Heteroatom Prisotintas Nesoturintas
Siera Thietane Azete
Deguonis Oxetane Okste
Azotas Azetidinas Azete

Keturių narių žiedai junginiai su dviem heteroatomais

Heteroatom Prisotintas Nesoturintas
Siera Dithietane Dietė
Deguonis Dioksetanas Dioksetas
Azotas Diazeptidinas Diazete

5 narių žiedai su vienu heteroatomu

Tiofenas, furanas ir pirolas yra pagrindiniai aromatiniai junginiai iš 5 narių gretų heterociklų. Čia yra jų struktūros:

Tiofeno, furano ir pirolio sotieji dariniai yra atitinkamai tiofanas, tetrahidrofuranas ir pirolidinas. Bicikliniai junginiai, pagaminti iš tiofeno, furano arba pirolio žiedo, kondensuoti į benzolo žiedą, vadinami atitinkamai benzotiofenu, benzofuranu, izoindolu (arba indolu).
Azoto heterociklinis pirolis paprastai atsiranda kauliniame aliejuje, kuris susidaro dėl baltymų skaidymo stipriu šildymu. Pirolo žiedai randami aminorūgštyje, tokiose kaip hidroksiprolinas ir prolinas, kurie yra įvairių baltymų, esančių didelėse koncentracijose, struktūros baltymų raiščių, sausgyslių, odos ir kaulų bei kolageno.
Pirolo dariniai randami alkaloiduose. Nikotinas yra dažniausiai žinomas pirrolas, kuriame yra alkaloidų. Hemoglobinas, mioglobinas, vitaminas B12 ir chlorofilai yra visi, sujungiant keturis pirolio vienetus didelėje žiedinėje sistemoje, vadinamo porfirinu, kaip aprašyta žemiau.

Tulžies pigmentai susidaro per porfirino žiedo skilimą ir turi grandinę iš 4 pirolio žiedų.
5 narių žiedinių heterociklų paruošimas
Pramoninis furano gaminimas vyksta kaip parodyta žemiau aldehido, furfurolo būdu, kuris generuojamas iš pentozės, kurioje yra žaliavų, tokių kaip kukurūzai. Panašios tiofeno ir pirolio preparatai parodytos antroje lygčių eilutėje.
Trečioji lygtis lyginamoji eilutė rodo bendrąjį pakeistų tiofenu, pirolių, furanų iš 1,4-dikarbonilo junginių paruošimą. Pradėta daugybė kitų reakcijų, dėl kurių susidarė tokio tipo pakeistų heterociklų. Antrojoje ir trečioje reakcijoje buvo parodytos dvi iš šių procedūrų. Furanas yra sumažintas hidrinant paladžio katalizuojamu hidrinimu iki tetrahidrofurano. Šis ciklinis eteris yra vertingas tirpiklis, kuris gali būti ne tik paverstas 4-halogenalkilsulfonatais, bet ir 1,4-dihalobutanais, kuriuos galima naudoti tiolanui ir pirolidinui gaminti.

Penkių narių žiedai junginiai su vienu heteroatomu

Heteroatom Nesoturintas Prisotintas
stibis Stibole Stibolane
arsenas Arsole Arsolane
bismuto Bismolė Bismolanas
Boro Borolis Borolane
Azotas Pirolas Pirolidinas
Deguonis Furanas Tetrahidrofuranas

5 narių žiedai su 2 heteroatomais

Penkių narių žiedo junginiai, kurių sudėtyje yra 2 heteroatomų ir bent vienas iš heteroatomų yra azotas, yra žinomi kaip azolai. Izotiazoliai ir tiazolai turi azoto ir sieros atomą žiede. Junginiai su dviem sieros atomais yra žinomi kaip ditiolanai.

Heteroatom Nesotintasis (ir iš dalies neprisotintas) Prisotintas
Azotas

/ azotas

Pirazolas (Pyrazoline)

Imidazolas (imidazolinas)

Pirazolidinas

Imidazolidinas

Azotas / deguonis Izoksazolas

Oksazolinas (oksazolas)

Izoksazolidinas

oksazolidinas

Azotas / siera Izotiazolas

Tiazolinas (tiazolas)

Izotiazolidinas

Tiazolidinas

Deguonis / deguonis Dioksolanas
Siera / siera Ditiolanas

Kai kurie pirazoliai būna natūraliai. Šios klasės junginiai yra gaminami reaguojant 1,3-diketonus su hidrazinais. Dauguma sintetinių pirazolo junginių yra naudojami kaip vaistas ir dažikliai. Jie apima karščiavimą mažinančią analgetiką aminopiriną, fenibutazoną, naudojamą gydymui artritu, pluošto dažą ir geltoną maisto spalvą tartrazino, ir daugumą dažiklių, naudojamų spalvotai fotografijai, kaip jautrinančias medžiagas.

5 narių žiedai su 3 heteroatomais

Taip pat egzistuoja didelė penkių narių žiedo junginių grupė, turinti mažiausiai 3 heteroatomus. Vienas tokių junginių pavyzdys yra ditiazoliai, kuriuose yra azoto atomo ir dviejų sieros.

6 narių žiedai su 1 heteroatomu

Žemiau pateikiama nomenklatūra, naudojama monocikliniame azoto turinčiame 6 narių žiedo junginyje. Parodytos piridino žiedo pozicijos, arabiški skaitmenys yra labiau tinkami graikų raidėmis, net jei abi sistemos yra naudojamos. Piridonai yra aromatiniai junginiai, kuriuose pateikiama informacija apie rezonansinį hibridą iš užpildytų rezonanso formų, kaip parodyta 4-piridonui.

Du pagrindiniai koenzimai, susiję su įvairiomis svarbiomis medžiagų apykaitos reakcijomis ląstelėse, NAD (taip pat žinomas kaip coenzyme1) ir NADP (dar žinomas kaip coenyme II) yra gaunami iš nikotinamido.
Dauguma alkaloidų yra piperidino arba piridino žiedo struktūros, tarp jų piperinas (yra vienas iš aštrų skonio juodųjų ir baltųjų paprikų turinio) ir nikotino. Jų struktūros yra parodytos žemiau.

Piridinas, kuris vieną kartą buvo išgaunamas iš akmens anglių deguto, bet dabar yra kataliziškai pagamintas iš amoniako ir tetrahidrofurfurilo alkoholio, yra svarbus tarpinis junginys ir tirpiklis, naudojamas kitų junginių gamybai. Vinilpiridinai yra labai svarbūs monomeriniai plastiko konstrukcijų blokai, o visiškai prisotintas piperidinas, piridinas naudojamas kaip cheminė žaliava ir gumos apdorojimas.

Farmaciškai naudingi piridinai

Farmaciškai naudingų piridinų sudėtyje yra isonikotino rūgšties hidrazido (tuberkulostato izoniazido), anti-AIDS tipo viruso vaisto, vadinamo nevirapinu, nikorandilio avasodilatoriaus, vartojamo anginos, fenazopiridino, šlapimo takų analgetiko, taip pat priešuždegiminio sieros vaistinio preparato vartojimui. Diflufenikanas, klopiralidas, parakvatas ir dikvatas yra populiarūs piridino dariniai, kurie naudojami kaip herbicidai.

6 narių žiedai su 2 arba daugiau heteroatomų

3 monocikliniai šešių narių žiediniai heterociklai su 2 azoto heteroatomais (diazinai) sunumeruoti ir vadinami kaip parodyta žemiau.

Maleino hidrazidas yra piridazino darinys, naudojamas kaip herbicidas. Kai kurie pirazinai, tokie kaip aspergilinė rūgštis, natūraliai atsiranda. Čia yra minėtų junginių struktūros:

Pirazino žiedas yra įvairių policiklinių junginių, turinčių pramoninę ir biologinę reikšmę, sudedamoji dalis. Svarbūs pirazinų šeimos nariai yra fenazinai, aloksazinai ir pteridinai. Farmakologiškai ir biologiškai svarbiausi diazinai yra pirimidinai. Citozinas, timinas ir uracilis yra 3 iš 5 nukleotidų bazių, kurie sudaro genetinį kodą RNR ir DNR. Žemiau yra jų struktūros:

Vitaminas tiaminas turi pirimidino žiedą, be sintetinių barbituratų, įskaitant amobarbitalį, dažniausiai vartojami vaistai. Morfolinas (pagrindinis tetrahidro-1,4-oksazinas) gaminamas didelio masto, skirtas naudoti kaip fungicidas, korozijos inhibitorius ir tirpiklis. Morfolino žiedas taip pat randamas raminamuosiuose ir hipnotizuojamuose narkotikų vartojimuose, trimetozinu ir kai kuriais fungicidais, tokiais kaip fenpropimorfas ir tridemorfas. Štai morfolino struktūrinė formulė:

7 narių žiedai

Didėjant žiedo dydžiui, labai padidėja junginių įvairovė, kurie gali būti gaunami keičiantis heteroatomų buvimo vieta, rūšimi ir skaičiumi. Tačiau heterociklų, turinčių 7 narių žiedus ar daugiau, cheminė sudėtis yra mažiau išsivysčiusi nei 6 ir 5 narių žiedų heterociklinių junginių chemija.
Oksepinas ir azepinų žiedai yra esminės sudėtinės įvairių natūraliai pasitaikančių medžiagų, turinčių jūros organizmų ir alkaloidų. Azepino darinys, žinomas kaip kaprolaktamas, yra komerciniu būdu pagamintas iš birių produktų, skirtų nailono-6 gamybai kaip tarpinis produktas, gaminant sintetines odas, dangas ir plėvelę.
7 narių heterocikliniai junginiai su dviem arba vienu azoto atomu savo žiede yra plačiai naudojamų psichofarmacealinių preparatų struktūriniai vienetai Prazepinas (triciklinis antidepresantas) ir tranzitoris diazepamas, dar žinomas kaip valiumas.

8 narių žiedai

Šios klasės heterociklinių junginių pavyzdžiai apima azokaną, oksokaną ir tiokaną su azotu, deguonimi ir siera yra atitinkami heteroatomai. Jų atitinkami nepasotiniai dariniai yra atitinkamai azocinas, oksocinas ir tiocinas.

9 narių žiedai

Šios klasės heterociklinių junginių pavyzdžiai yra azonanas, oksonanas ir tionanas, kurių azotas, deguonis ir siera yra atitinkami heteroatomai. Jų atitinkami nepasotiniai dariniai yra azoninas, oksoninas ir tioninas.

Naudojimas heterociklinių junginių

Heterociklas yra naudingas keliose srityse, susijusiose su gyvosios gamtos mokslais ir technologijomis. Kaip jau matėme mūsų diskusijoje, daugelis vaistų yra heterocikliniai junginiai.

Nuorodos

IUPAC Gold Book, heterocikliniai junginiai. Nuoroda:

WH Powell: Išplėstinės heteromonociklų nomenklatūros Hantzsch-Widman sistemos peržiūra, in: Pure Appl. Chem.1983, 55, 409-416;

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

O. Widman: Žurnalas "Verbindungen", kuris yra "Stickstoffkerne enthalten", in: J. Prakt. Chem. 1888, 38, 185-201;