Heterocyklické sloučeniny

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 2. září 2021; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Heterocyklické sloučeniny (heterocykly) jsou organické sloučeniny obsahující cykly, které zahrnují atomy alespoň dvou různých prvků [1] . Lze je považovat za karbocyklické sloučeniny s heterosubstituenty ( heteroatomy ) v kruhu. Aromatické heterocyklické sloučeniny obsahující dusík jsou nejrozmanitější a dobře prostudované. Limitujícími případy heterocyklických sloučenin jsou sloučeniny, které v cyklu neobsahují atomy uhlíku, například pentazol .

Reaktivita

Vlastnosti reaktivity heterocyklických sloučenin ve srovnání s jejich karbocyklickými analogy jsou určeny právě těmito heterosubstituenty. Jako heteroatomy nejčastěji působí prvky druhé periody (N, O) a S, méně často - Se, P, Si a další prvky. Stejně jako u karbocyklických sloučenin vykazují aromatické heterocyklické sloučeniny ( heteroaromatické sloučeniny ) nejspecifičtější vlastnosti heterocyklických sloučenin. Na rozdíl od uhlíkových atomů karbocyklických aromatických sloučenin mohou heteroatomy darovat aromatickému systému nejen jeden (heteroatomy pyridinového typu), ale i dva elektrony (heteroatomy pyrrolového typu). Heteroatomy pyrolového typu se obvykle nacházejí v pětičlenných kruzích ( pyrrol , furan , thiofen ). Oba typy heteroatomů ( imidazol , oxazol ) mohou být spojeny v jednom heterocyklu . Vlastnosti reaktivity heteroaromatických sloučenin jsou určeny distribucí elektronové hustoty v cyklu, která zase závisí na typech heteroatomů a jejich elektronegativitě.


Nukleofilita

Takže u pětičlenných heterocyklů s jedním heteroatomem (typ pyrrolu) je aromatický sextet elektronů distribuován na pět atomů kruhu takovým způsobem, že to vede k vysoké nukleofilitě těchto sloučenin. Vyznačují se elektrofilními substitučními reakcemi, jsou velmi snadno protonovány na pyridinovém dusíku (s výhodou, viz níže) nebo uhlíku cyklu, halogenovány a sulfonovány za mírných podmínek. Reaktivita s elektrofilní substitucí klesá v řadě pyrrol > furan > selenofen > thiofen > benzen .

Zavedení heteroatomů pyridinového typu do pětičlenných heterocyklů vede ke snížení elektronové hustoty, nukleofility a v důsledku toho reaktivity při elektrofilních substitučních reakcích, to znamená, že účinek je podobný účinku substituentů přitahujících elektrony pro deriváty benzenu . . Azoly reagují s elektrofily, jako jsou pyrroly , s jedním nebo více substituenty přitahujícími elektrony v kruhu, zatímco pro oxazoly a thiazoly je to možné pouze v přítomnosti aktivačních substituentů s + M efektem (amino a hydroxy skupiny).

U šestičlenných heterocyklů (typ pyridinu) vede nižší elektronová hustota ve srovnání s benzenem k nižší nukleofilitě těchto sloučenin: elektrofilní substituční reakce probíhají za drsných podmínek. Pyridin je tedy sulfonován oleem při 220–270 °C.

Nukleofilita heteroatomů

U heterocyklických sloučenin obsahujících dusík s dusíkem pyridinového typu je hustota p-elektronů maximální přesně na atomu dusíku. Pro ilustraci můžeme uvést vypočtenou hustotu p-elektronů pro pyridin:

Pozice atomu elektronová hustota
1(N) 1.43
2(α) 0,84
3(β) 1.01
4 (γ) 0,87

V souladu s tím jsou útoky elektrofilů v tomto případě zaměřeny na atom dusíku pyridinu. Jako elektrofily mohou působit různá alkylační a acylační činidla ( kvaternizační reakce s tvorbou odpovídajících kvartérních solí) a peroxykyseliny (za vzniku N-oxidů ).

Atom dusíku pyrrolového typu je mnohem méně nukleofilní - alkylace N-substituovaných imidazolů probíhá převážně na dusíku pyridinového typu, avšak při deprotonaci nesubstituovaného pyrrolového dusíku je směr substituce obrácen. 4-nitroimidazol, když je methylován za neutrálních podmínek, dává hlavně 1-methyl-5-nitroimidazol a v alkalických roztocích (kde je substrátem jeho deprotonovaná forma) se ukazuje jako hlavní reakce 1-methyl-4-nitroimidazol. produkt.

Takové zvýšení nukleofility dusíku pyrrolového typu během deprotonace je typické pro všechny heteroaromatické sloučeniny, směr elektrofilního ataku však závisí na stupni disociace vzniklého aniontu: pokud jsou indolyl- a pyrrolylmagnesiumhalogenidy vystaveny elektrofilnímu ataku hlavně na uhlíku, potom odpovídající soli alkalických kovů reagují hlavně na atomu dusíku. Potvrzením vlivu disociace komplexu N-aniont-kov na směr reakce je obrácení směru elektrofilního ataku při reakci indolylmagnesiumhalogenidů s methyljodidem v HMPTA v důsledku rozpouštědlem podporované disociace komplex hořčíku.

Elektrofilita

Elektrofilita heteroaromatických sloučenin roste s poklesem hustoty n-elektronů, tedy s nárůstem počtu heteroatomů a při jejich stejném počtu je vyšší u šestičlenných než u pětičlenných heterocyklů. Takže pro pyrroly a indoly jsou nukleofilní substituční reakce atypické, pyridin a benzimidazol jsou aminovány amidem sodným a 1,3,5-triazin je rychle hydrolyzován na mravenčan amonný již ve vodném roztoku.

Reaktivita substituentů a postranních řetězců

Reaktivita nearomatických heterocyklických sloučenin je blízká reaktivitě jejich acyklických protějšků, upravená o sterické efekty.

V případě heteroaromatických sloučenin mezomerní efekty významně ovlivňují reaktivitu postranních řetězců . Kyselost methylenových vodíků ve 2- a 4-substituovaných pyridinech je výrazně zvýšena: např. aldolová kondenzace 2-methylpyridinu (α-pikolinu) s formaldehydem za vzniku 2-ethoxyethyl-2-pyridinu s následnou dehydratací slouží jako průmyslová metoda syntézy 2-vinylpyridinu .

Nomenklatura

V chemii jsou pro heterocyklické sloučeniny z historických důvodů široce používány triviální názvy ; například při pojmenovávání pěti a šestičlenných sloučenin obsahujících 1 nebo 2 heteroatomy N, O nebo S se v drtivé většině případů používají triviální názvy.

Systematická nomenklatura heterocyklických sloučenin je sestavena podle pravidel navržených Gantschem a Widmanem.

Jednoduché heterocykly s jedním heteroatomem
Nasycené heterocykly Nenasycené heterocykly
heteroatom Dusík Kyslík Síra Dusík Kyslík Síra
Trinomial
Systematický název aziridin Oksiran Tiiran Azirin Oxyren Tiiren
Triviální jméno Ethylenimin Ethylenoxid Ethylensulfid - - -
Struktura
Kvartérní
Systematický název azetidin Oksetan Tietan Azet Oxet Tiet
Triviální jméno 1,3-propyleneimin trimethylenoxid Trimethylensulfid Azacyklobutadien - -
Struktura
Pětičlenný
Systematický název Azolidin Oksolan Thiolane Azol Oksol Thiol
Triviální jméno pyrrolidin tetrahydrofuran tetrahydrothiofen pyrrol furan thiofen
Struktura
Šestičlenná
Systematický název Azinan Oksan Tian Azin Oxynius tiiniy
Triviální jméno piperidin tetrahydropyran Tetrahydrothiopyran pyridin Pyrilius thiopyrilium
Struktura
Sedmičlenná
Systematický název Azepan Oksepan Thiepan azepin Oksepin Spona na kravatu
Triviální jméno Hexamethylenimin Hexamethylenoxid Hexamethylensulfid azatropyliden Oxacykloheptatrien -
Struktura

Základ názvu je přiřazen heterocyklu v závislosti na velikosti kruhu a také na heteroatomech v něm obsažených: pro heterocykly obsahující dusík se často používá samostatná sada bází. Pro nasycené a maximálně nenasycené heterocykly se také používají různé sady bází. Speciální báze se také někdy používají k označení částečné nenasycenosti heterocyklu.

Nasycený

Nenasycené

obsahující dusík


Nasycený


Nenasycené

Biologický význam

Heterocyklické sloučeniny jsou v přírodě široce rozšířeny a mají velký význam v chemii přírodních sloučenin a biochemii. Funkce těchto sloučenin jsou velmi široké - od strukturotvorných polymerů (deriváty celulózy a dalších cyklických polysacharidů ) až po koenzymy a alkaloidy .

Výroba a aplikace

Některé heterocyklické sloučeniny se získávají z černouhelného dehtu ( pyridin , chinolin , akridin aj.) a při zpracování rostlinných materiálů ( furfural ). Mnohé přírodní i syntetické heterocyklické sloučeniny jsou cennými barvivy ( indigo ), léčivými látkami ( chinin , morfin , chinin , pyryramidon ). Heterocyklické sloučeniny se používají při výrobě plastů , jako urychlovače vulkanizace pryže , ve filmovém a fotoprůmyslu.

Viz také

Poznámky

  1. heterocyklické sloučeniny // Zlatá kniha IUPAC . Získáno 3. února 2021. Archivováno z originálu dne 20. ledna 2017.

Odkazy