Blog

Najbolj vplivni heterocikli v svetu

Najbolj vplivni heterocikli v svetu

Heterociklične spojine

Heterociklična spojina, znana tudi kot obročasta struktura, je v bistvu spojina, ki vsebuje atome dveh različnih elementov kot členi njenega obroča / obročev. Heterociklične spojine verjetno predstavljajo najrazličnejše in najznačajnejše število družine organskih spojin.

Ne glede na funkcionalnost in strukturo, se vsaka karbociklična spojina lahko pretvori v različne heterociklične analoge s samo zamenjavo enega ali več atomov ogljikovega atoma z drugačnim elementom. Zato so heterocikli ponudili platformo za izmenjavo raziskav na različnih področjih, med drugim tudi farmacevtske, medicinske, analitske in organske kemije heterocikličnih spojin.

Glavni primeri heterocikličnih spojin so večina zdravil, nukleinskih kislin, večina sintetičnih in naravnih barvil ter večina biomase, kot je celuloza in sorodni materiali.

Razvrstitev

Čeprav so heterociklične spojine lahko organske ali anorganske spojine, imajo večinoma vsaj en ogljik. Te spojine lahko razvrstimo glede na njihovo elektronsko strukturo. Nasičene heterociklične spojine obnašajo enako kot aciklične derivate. Kot rezultat, tetrahidrofuran in piperidin sta konvencionalni etri in amini s spremenjenimi steričnimi profili.

Študija heterociklične kemije se zato osredotoča predvsem na nenasičene derivate in aplikacije vključujejo pet nevtralnih in šestčlenskih obročev. To vključuje furan, pirol, tiofen in piridin. Naslednji veliki razred heterocikličnih spojin je kondenziran na benzenske obroče, ki so za furan, pirol, tiofen in piridin benzofuran, indol, benzotiofen in kinolin. Če sta dva benzenska obroča združena, to privede do druge velike družine spojin, ki so dibenzofuran, karbazol, dibenzotiofen in aridin. Nenasičeni obroči se lahko razvrstijo na podlagi sodelovanja heteroatomov v sistemu pi, konjugiranega sistema.

Priprava in reakcije

3-členski obroči

Heterociklične spojine s tremi atomi v obroču so bolj reaktivna vljudnost obročnega seva. Heterocikli, ki vsebujejo en heteroatom, so na splošno stabilni. Tisti, ki vsebujejo dva heteroatoma, na splošno nastanejo kot reaktivni vmesni produkti.

Oxiranes, znani tudi kot epoksidi, so najpogostejši heterocikli v 3-ju. Oxirane se pripravijo z reakcijo perkislin z alkeni, z dobro stereospecifičnostjo. Oxiranovi so bolj reaktivni kot nenasičeni etri, ki so prisotni v visokem kotu sevanja 3-členskega obroča. Dodatni reakciji, ki se nadaljujejo z nukleofilno in elektrofilno odprtino obroča, so najbolj splošni reakcijski razred.

Ta reakcija je vključena v farmakološko delovanje dušikovih gorčic, ki je bila med prvimi razvitimi zdravili proti raku. Zapiranje intramolekularnega obroča, kot v primeru zdravil proti raku, mehoretamina tvori vmesni aziridijev ion. Oblikovano biološko aktivno sredstvo napade proliferirajoče celice, vključno z rakavimi celicami, z zaviranjem njihove replikacije DNA. Dušikova gorčica so bila uporabljena tudi kot sredstva proti raku.

Komercialno aziridin in oksiran sta nujna industrijska kemikalija v razsutem stanju. V masivni proizvodnji oksiranega etilena neposredno reagiramo s kisikom. Kemična reakcija, ki je najbolj značilna za te 3-členjene obroče, je, da so dovzetni za napad z nukleofilnimi reagenti, da odpirajo obroč, kot je prikazano spodaj:

Najpogostejši tričlanski heterociklične spojine z enim heteroatomom spadajo:

Nasičenih Nenasičeno
Thiirane (episulfidi) Thiirene
Fosfirane Fosfiren
Epoksidi (oksiran, etilen oksid) Oxirene
Aziridin Azirina
Borirane Borirene

Najpogostejše tričlene heterociklične spojine z dvema heteroatomoma vključujejo Diaziridin kot nasičen derivat in Diazirin kot nenasičen derivat, kot tudi Dioxirane in Oksaziridin.

Štirje člani obroči

Različne metode priprave heterociklov, ki jih sestavljajo 4, so prikazane na spodnjem diagramu. Postopek reakcije amina, tiola ali 3-halo z bazo je običajno učinkovit, vendar s povprečnimi donosi. Dimerizacija in izločanje sta tipični stranski reakciji. Druge reakcije lahko tudi tekmujejo v reakciji.

V prvem primeru ciklizacija z oksiranom vedno tekmuje z nastankom thietana, vendar večja nukleofilnost prevladuje, če uporabljamo šibko bazo.

V drugem primeru sta možna tvorba azetidina in aziridina, toda vidimo le slednje. Primer št. 4 kaže, da ta pristop k nastanku azetidina dobro deluje, če ni konkurence.

V tretjem primeru je togost konfiguracije substrata naklonjen nastanku oksetana in preprečuje ciklizacijo oksiran. V primerih 5 in 6 so Photocyclizations Paterno-Buchi še posebej primerni za nastanek oksetana.

Metode priprave heterociklov prstanov 4

Odzivi

Reakcije članov 4-a heterociklične spojine prav tako dokazujejo vpliv obročnega sevanja. Naslednji diagram prikazuje nekaj primerov. Kislinska kataliza je tipična značilnost različnih reakcij odpiranja obroča, prikazanih v primerih 1,2 in 3a. Pri reakciji 2 tietana se žveplo podvrže elektrofilnemu kloriranju, kar vodi do tvorbe klorosulfonijevega intermediata in zamenjave kloridnega iona, ki se odpre. Pri reakciji 3b se pojavijo tudi močni nukleofili, ki odprejo napeti eter. Cepitvene reakcije beta-laktonov se lahko zgodi bodisi s kislinsko katalizirano izmenjavo acilov, kot je razvidno iz 4a. Lahko se zgodi tudi z raztapljanjem alkil-O z nukleofili, kot je 4b.

Številka primera 6 kaže zanimiv fenomen intramolekularne preureditve ortoestra. Reakcija 6 prikazuje beta-laktamsko cepitev penicilina G, ki pojasnjuje okrepljeno reakcijo aciliranja kondenziranega obročnega sistema.

Primeri reakcij z 4-člani heterocikličnimi spojinami

Najbolj uporaben heterociklične spojine z 4-članskimi obroči sta dve seriji antibiotikov, cefalosporini in penicilini. V obeh serijah je azetidinonski obroč, ki je znan tudi kot beta-laktamski obroč.
Veliko oksetanov se preiskuje kot protivirusno, antikancerozno, protivnetno in protiglivično zdravilo. Oksetanoni pa se v kmetijstvu večinoma uporabljajo kot baktericidi, fungicidi in herbicidi ter pri proizvodnji polimera.
Matični tietan je bil odkrit v olju iz skrilavca, medtem ko njegovi dišavni derivati ​​delujejo kot markerji za evropske polecate, dihurje in minke. Thietani se uporabljajo kot fungicidi in baktericidi v barvi kot inhibitorji korozije železa in pri proizvodnji polimerov.

Štiristopenjske obroče spojine z enim heteroatomom

Heteroatom Nasičeno Nenasičeno

Heteroatom Nasičenih Nenasičeno
Žveplo Thietane Azete
Kisik Oksetan Oxete
Dušik Azetidin Azete

Štiristopenjske obroče spojine z dvema heteroatomoma

Heteroatom Nasičenih Nenasičeno
Žveplo Ditietan Dithiete
Kisik Dioksetan Diokset
Dušik Diazetidin Diazete

5-členski obroči z enim heteroatomom

Tiofen, furan in pirol sta matična aromatska spojina heterociklov obročev 5. Tukaj so njihove strukture:

Nasićeni derivati ​​tiofena, furana in pirola so tiofan, tetrahidrofuran in pirolidin. Biciklične spojine, izdelane iz tiofenskega, furanskega ali pirolnega obroča, kondenziranega na benzenov obroč, so znane kot benzotiofen, benzofuran, izoindol (ali indol).
Dušikov heterocikel pirol tipično pride v kostnem olju, ki nastane z razgradnjo proteinov skozi močno segrevanje. Pirolske obroče najdemo v aminokislinah, kot so hidroksiprolin in prolin, ki so sestavine različnih proteinov, prisotnih v visokih koncentracijah v strukturnem proteinu veziv, kite, kože in kosti ter kolagena.
Derivati ​​pirola najdemo v alkaloidih. Nikotin je najpogosteje znan pirol, ki vsebuje alkaloid. Hemoglobin, mioglobin, vitamin B12 in klorofili so nastali z združitvijo štirih pirolnih enot v velikem obročnem sistemu, imenovanem porfirin, podobno kot pri klorofilu B, prikazanem spodaj.

Žvečilni pigmenti se tvorijo z razgradnjo porfirinskega obroča in imajo verigo pirsingnih obročev 4.
Priprava 5-členskih obročnih heterociklov
Industrijska priprava furana nadaljuje, kot je prikazano spodaj z aldehidom, furfuralom, ki nastane iz pentoze, ki vsebuje surovine, kot so koruzne mase. Podobne priprave tiofena in pirola so prikazane v drugi vrsti enačb.
Tretja vrstica enačbe 1 prikazuje splošno pripravo substituiranih tiofenov, pirolov, furanov iz 1,4-dikarbonilnih spojin. Začele so se mnoge druge reakcije, ki vodijo v nastanek substituiranih heterociklov te vrste. Dva od teh postopkov sta bila prikazana v drugi in tretji reakciji. Furan se reducira s hidrolacijo, katalizirano s paladijem, v tetrahidrofuran. Ta ciklični eter je dragoceno topilo, ki ga ni mogoče pretvoriti le v 4-haloalkilsulfonate, ampak tudi 1,4-dihalobutane, ki jih lahko uporabimo za pripravo tiolana in pirolidina.

Petčlanske obroče spojine z enim heteroatomom

Heteroatom Nenasičeno Nasičenih
antimon Stibole Stibolane
Arzen Arsole Arsolane
bizmutov Bismole Bismolane
Bor Borol Borolane
Dušik Pirol Pirolidin
Kisik Iuran Tetrahidrofuran

5-členski obroči s 2 heteroatomi

Petčlene obročne spojine, ki vsebujejo 2 heteroatome in vsaj enega od heteroatomov, so dušik, znani so kot azoli. Isotiazoli in tiazoli imajo v obroču atom dušika in žvepla. Spojine z dvema atomoma žvepla so znane kot ditiolani.

Heteroatom Nenasičeno (in delno nenasičeno) Nasičenih
Dušik

/ dušik

Pirazol (pirazolin)

Imidazol (imidazolin)

Pirazolidin

Imidazolidin

Dušik / kisik Izoksazol

Oksazolin (oksazol)

Izoksazolidin

oksazolidin

Dušik / žveplo Izotiazol

Tiazolin (tiazol)

Izotiazolidin

Tiazolidin

Kisik / kisik Dioksolan
Žveplo / žveplo Ditiolan

Nekateri pirazoli se pojavljajo naravno. Spojine tega razreda pripravimo z reakcijo 1,3-diketonov s hidrazini. Večina sintetičnih spojin pirazola se uporablja kot zdravilo in barvila. Vključujejo zdravilno učinkovino, ki zmanjšuje vročino, aminopirin, fenibutazon, ki se uporablja pri zdravljenju artritisa, barvilo iz vlaken in rumena barvila tartrazina ter večina barvil, ki se v barvni fotografiji uporabljajo kot senzibilizirna sredstva.

5-členski obroči s 3 heteroatomi

Obstaja tudi velika skupina petčlenih obročnih spojin z vsaj 3 heteroatomi. Primer takšnih spojin so ditiazoli, ki vsebujejo atom dušika in dva žvepla.

6-členski obroči z 1 heteroatomom

Nomenklatura, uporabljena v monocikličnih dušikovih spojinah, ki vsebujejo 6, so tukaj spodaj. Prikazane so pozicije na obroču za piridin, arabske številke so bolj prednostne grškim črkom, čeprav se uporabljata oba sistema. Pidridoni so aromatične spojine, ki so prispevali k prispevanju k resonančnemu hibridu iz napolnjenih resonančnih oblik, kot je bilo dokazano za 4-piridon.

Dve glavni koencimi, vključeni v različne ključne presnovne reakcije v celicah, NAD (znan tudi kot coenzyme1) in NADP (znan tudi kot coenyme II), izhajajo iz nikotinamida.
Večina alkaloidov vsebuje piperidinsko ali piridinsko obročasto strukturo, med njimi piperin (predstavlja eno od ostrih okusnih vsebin črnega in belega popra) in nikotina. Njihove strukture so prikazane spodaj.

Pirin, ki je bil nekoč ekstrahiran iz premogovega katrana, vendar je katalitično pripravljen iz amoniaka in tetrahidrofurfuril alkohola, je ključni intermediat in topilo, uporabljeno za proizvodnjo drugih spojin. Vinilpiridini so ključni monomerni gradbeni elementi iz plastičnih mas in popolnoma nasičeni piperidin, piridin se uporabljajo kot kemična surovina in predelava gume.

Farmacevtsko uporabni piridini

Farmacevtsko uporabni piridini vključujejo hidrazid izonikotinske kisline (tuberkulostat izoniazid), zdravilo proti virusu AIDS, znan kot nevirapin, nikorandil-avazodilator, ki se uporablja za zatiranje angine, fenazopiridin-analgetik za urinarni trakt in protivnetno zdravilo sulfa. Diflufenikan, klopiralid, parakvat in diquat so priljubljeni derivati ​​piridina, ki se uporabljajo kot herbicidi.

6-členski obroči z 2 ali več heteroatomov

Monociklični šestocenični obročni heterocikli 3 z heteroatomi dušika 2 (diazini) so oštevilčeni in poimenovani, kot je prikazano spodaj.

Malein hidrazid je derivat piridazina, ki se uporablja kot herbicid. Nekateri pirazini, kot je aspergilna kislina, nastanejo naravno. Tu so strukture omenjenih spojin:

Pirazinski obroč je sestavni del različnih policikličnih spojin industrijskega in biološkega pomena. Pomembni člani družine pirazina so fenazini, aloksazini in pteridini. Farmakološko in biološko so najpomembnejši diazini pirimidini. Citosin, timin in uracil so 3 5 nukleotidnih baz, ki predstavljajo genetsko kodo v RNA in DNA. Spodaj so njihove strukture:

Vitamin tiamin ima pirimidinski obroč in poleg sintetičnih barbituratov, vključno z amobarbitalom, pogosto uporabljamo zdravila. Morfolin (matični tetrahidro-1,4-oksazin) se proizvaja v velikem obsegu za uporabo kot fungicid, inhibitor korozije in topilo. Morfolinski obroč najdemo tudi v sedativno-hipnotičnem trimetozinu zdravila in nekaterih fungicidih, kot so fenpropimorf in tridemorf. Tukaj je strukturna formula za morfolin:

7-členski obroči

Ker se velikost obroča povečuje, lahko raznolikost spojin, ki jih lahko dobimo s spreminjanjem lokacije, tipa in števila heteroatomov, močno narašča. Vendar pa je kemija heterociklov z 7-členskimi obroči ali več manj razvita kot pri 6 in 5-členski obročni heterociklični spojini.
Oksepin in azepinski obroči sta ključna sestavina različnih naravno prisotnih metabolnih produktov morskih organizmov in alkaloidov. Azepinski derivat, znan kot kaprolaktam, se komercialno proizvaja v razsutem stanju, za uporabo pri proizvodnji najlon-6 kot intermediata in v proizvodnji sintetičnega usnja, premazov in filmov.
7-člane heterociklične spojine z dvema ali enim atomom dušika v obroču so strukturne enote široko uporabljenih psihofarmacevtskih sredstev Prazepin (triciklični antidepresivi) in pomirjevalo diazepama, znane tudi kot valium.

8-členski obroči

Primeri heterocikličnih spojin v tem razredu vključujejo azokan, oksokan in tiokan z dušikom, kisikom in žveplom, ki sta ustrezni heteroatomi. Njihovi nenasičeni derivati ​​so azocin, oksocin in tiocin.

9-členski obroči

Primeri heterocikličnih spojin v tem razredu vključujejo azonan, oksonan in tionan z dušikom, kisikom in žveplom, ki so ustrezni heteroatomi. Njihovi nenasičeni derivati ​​so azonin, oksonin in tionin.

Uporaba heterocikličnih spojin

Heterocikli so uporabni na več področjih znanosti o življenju in tehnologije. Kot smo že videli v naši razpravi, so mnoga zdravila heterociklične spojine.

Reference

Gold knjiga IUPAC, heterociklične spojine. Povezava:

WH Powell: Revizija podaljšanega sistema Hantzsch-Widman nomenklature za heteromonocikle, v: Pure Appl. Chem.1983, 55, 409-416;

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

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