13. Związki heteroaromatyczne
Związki heterocykliczne
HN O S
NH O S
HN O S
HN O S
azyrydyna oksiran tiiran
azetydyna oksetan tietan
pirolidyna, azolidyna oksolan tiolan
(tetrahydropirol) (tetrahydrofuran) (tetrahydrotiofen)
piperydyna tetrahydropiran tion
Związki heterocykliczne
O
HN
O
HN
1
2
3 O
O
1
2
3
4
oksazyrydyna morfolina 1,4-dioksan
Możliwe są prawie dowolne kombinacje heteroatomów w cząsteczce, np.:
Poza nomenklaturą zwyczajową, przy tworzeniu nazw związków
heterocyklicznych używamy następujących przedrostków: aza
(N), oksa (O), tia (S), np.:
2-oksabicyklo[3.3.0]oktan
Heteroatom zastępuje atom węgla!!!
Związki heterocykliczne
X X
X X
Układy naprężone, reaktywne – po
otwarciu pierścienia otrzymywane są 1,2
lub 1,3-dipodstawione związki.
Typowy charakter amin drugorzędowych
czy (tio)eterów.
Para elektronowa jest jednak znacznie bardziej „eksponowana”, w
związku z tym zmieniają się właściwości fizykochemiczne.
Np.: THF miesza się z wodą w dowolnych proporcjach, natomiast eter
dietylowy rozpuszcza się w wodzie jedynie w ~ 10 %.
Tlenowe zw. heterocyklicze (THF, dioksan) są świetnymi
rozpuszczalnikami – mieszają się zarówno z organicznymi jak i
wodnymi roztworami.
Układy aromatyczne
NHN
Układy
aromatyczne z 6
elektronami p:
Podobnie ze związkami zawierającymi
heteroatomy (sprzężenie z elektronem
lub parą elektorów orbitalu p):
pirol pirydyna
Związki heteroaromatyczne
YX
YX
Y
X
Y
X
Y
X
XX
...itd.
Możliwe prawie dowolne kombinacje, także skoniugowanie z innymi
układami aromatycznymi i heteroaromatycznymi.
Ale po kolei ...
monopodstawione
5-cioczłonowe, dipodstawione
6-cioczłonowe,
dipodstawione
5-cioczłonowe układy heteroaromatyczne
pirol furan tiofen
Hybrydyzacja heteroatomu sp2 (para elektronowa na orbitalu p),
budowa cząsteczki płaska (lub prawie płaska, stabilizacja
mezomeryczna.
5-cioczłonowe układy heteroaromatyczne
OHN S
-H
Energia
rezonansu
(kJ/mol): 10 70 90 122 151
Podobne do anionu
cyklopentadienowego
O O O O O
Para elektronowa heteroatomu „rozpraszana” jest na cały układ:
Właściwości fizykochemiczne
Skutek: znaczne osłabienie elektroujemnego charakteru heteroatomów,
np.: moment dipolowy (porównanie do heterocyklicznych analogów)
O
O
HN
HN
1,7 D
0,7 D
2,0 D
1,8 D
Odwrócenie polaryzacji cząsteczki pirolu !!!
Właściwości kwasowo-zasadowe
Pirol jest też bardzo słabą zasadą (znacznie słabszą niż aminy, ~
10 rzędów). Protonowanie zmienia hybrydyzację i niszczy efekt
mezomeryczny.
Substytucja elektrofilowa w 5-członowych związkach
heteroaromatycznych
Oczywiście jest ułatwiona - w porównaniu do benzenu pierścień jest
znacznie bardziej aktywny poprzez efekt mezomeryczny z udziałem pary
elektronowej heteroatomu.
Względna reaktywność: pirol > furan > tiofen >> benzen
Np.:
S+ CH3C(O)ONO2
Ac2O
-10 C
S NO2+
S
NO270% 15%
Inne:
acylowanie (bezwodnik octowy / BF3)
sulfonowanie (H2SO4)
bromowanie (Br2)
itd...
Wpływ skierowujący heteroatomu
Struktury rezonansowe kompleksu s:
X E
H
X
H
E
Pozycja 2:
(3 struktury)
Pozycja 3:
(2 struktury)
Inne (5-cioczłonowe)
Jeden atom tlenu, jeden azotu: oksazole
Dwa atomy azotu (azole):
Skoniugowane z pierścieniem benzenowym:
Pirydyna
N
Hybrydyzacja sp2, ale (inaczej niż w pirolu) 1 elektron na orbitalu p do
sekstetu aromatycznego.
Wolna para elektronowa na sp2, zatem pirydyna nie traci charakteru
zasadowego, podobnie jak w przypadku amin.
Właściwości fizykochemiczne
Nie zachodzi wzbogacenie pierścienia w ładunek ujemny. Przeciwnie,
elektroujemność atomu azotu powoduje polaryzację cząsteczki, zgodnie
ze strukturami rezonansowymi:
2,2 D 1,2 D
NHN
N N N N
Moment dipolowy jest zwiększony w porównaniu do analogicznego
związku heterocyklicznego:
Pirydyna dobrze rozpuszcza się w wodzie.
Właściwości kwasowo-zasadowe
Pirydyna zachowuję się jak typowa zasada. Może być protonowana.
Podobnie jak aminy może być alkilowana tworząc sole pirydyniowe.
Nie traci przy tym charakteru aromatycznego!
Zasadowość: pirol
Substytucja elektrofilowa w pirydynie
Zachodzi wyjątkowo trudno, w bardzo ostrych warunkach i z niską
wydajnością, np.:
H2SO4 / SO3N
230oC, 24 h
N
SO3H
Wpływ skierowujący – oczywiście w pozycję 3 !
Co zrobić aby ułatwić substytucję? Utlenić pirydynę...
Substytucja elektrofilowa w pirydynie
H2O2N
70oC, AcOH
N
O
Utlenienie osłabia
elektroujemny wpływ atomu
azotu na pierścień
aromatyczny pirydyny:
N-tlenek pirydyny
N N
O O
itd...
N
O
itd...
Odwraca się również wpływ skierowujący.
Substytucja nukleofilowa
NaNH2 / NH3N NCl NH2
Halogenopochodne związków heteroaromatycznych są reaktywne w
substytucji nukleofilowej pierścienia.
Konieczna obecność bardzo mocnej zasady / nukleofila.
Zachodzi także dla pochodnych aromatycznych np. dla
halogenopochodnych benzenu. Proponowany mechanizm przebiega
na drodze eliminacji-addycji przez produkt przejściowy – benzyn.
Reakcja Cziczibabina.
Inne (6-cioczłonowe)
pirymidynapirydazyna
N
N N
HN
puryna
NN
N
N
pirazyna
N
N
NN
chinolina izochinolina
Dwa atomy azotu (diazyny):
Pirydyna skoniugowana z pierścieniem benzenowym:
... lub inne „dowolne” kombinacje, np.:
Tautomeria pochodnych pirydyny
NHNOH O
Hydroksylowe pochodne heteroaromatycznych związków azotu
istnieją w przewadze tautomeru „keto”.
Uwidacznia się to w strukturach zasad nukleinowych: guaniny,
cytozyny, tyminy i uracylu !
Zasady nukleinowe
puryny pirymidyny
guanina (G) cytozyna (C)
adenina (A) tymina (T) uracyl (U)
Rybonukleotyd
zasada nukleinowaryboza (cukier)
fosforan
Deoksyrybonukleotyd – H w pozycji 2’
Wiązanie fosforodiestrowe
koniec 5’
koniec 3’
Watson Crick, pary zasad
Nagroda Nobla, 1953
Podwójna helisa
Występowanie w przyrodzie
nikotyna
Związki zasadowe, fizjologicznie
aktywne – alkaloidy, np.:
otrzymywane z roślin.
ALKALOIDY KORY CHINOWEJ – chinina
Chlorowodorek chininy znajduje zastosowanie jako lek
przeciwmalaryczny, przeciwbólowy i przeciwgorączkowy.
Chinina jest także powszechnie stosowanym pomocnikiem chiralnym, a
także strukturalną podstawą do konstrukcji chiralnych katalizatorów.
Alkaloidy i aminokwasy
Alkaloidy: pochodne pirydyny (np. nikotyna), tropanu (atropina,
kokaina), chinoliny (chinina), izochinoliny (alkaloidy opium i kurary),
indolu (strychnina), puryny (np. kofeina, teobromina, teofilina),
alkaloidy terpenoidowe i steroidowe (tomatyna).
kofeina teobromina
Aminokwasy: histydyna oraz tryptofanSkatol - silny zapach fekaliów
(w małych stężeniach ma
raczej przyjemny, kwiatowy
zapach). Wykorzystywany w
przemyśle perfumeryjnym
oraz jako dodatek smakowy
do papierosów.
Histamina
Powstaje w organizmie w wyniku dekarboksylacji histydyny,
mediator procesów zapalnych i neuroprzekaźnik.
Leki przeciwhistaminowe – blokujące lub odwracające oddziaływanie
histaminy z receptorem, do łagodzenia reakcji alergicznych.
emedastyna desloratadyna
Top Related