Blog

Cele mai influente Heterocycles din lume

Cele mai influente Heterocycles din lume

Compuși heterociclici

Un compus heterociclic, de asemenea cunoscut ca o structură inelară, este în esență un compus care conține atomi de două elemente distincte ca membri ai ciclului său / ciclurilor. Compușii heterociclici constituie probabil cel mai variat și cel mai important număr din familia de compuși organici.

Indiferent de funcționalitate și structură, fiecare compus carbociclic poate fi transformat în diferiți analogi heterociclici prin înlocuirea unuia sau mai multor atomi de carbon cu un element diferit. Ca rezultat, heterociclurile au oferit o platformă pentru schimbul de cercetări în diverse domenii, incluzând, dar fără a se limita la chimia farmaceutică, medicală, analitică și organică a compușilor heterociclici.

Exemplele majore de compuși heterociclici sunt cele mai multe medicamente, acizi nucleici, majoritatea coloranților sintetici și naturali și majoritatea biomasei, cum ar fi celuloza și materialele asociate.

Clasificare

Chiar dacă compușii heterociclici pot fi compuși organici sau anorganici, majoritatea au cel puțin un atom de carbon. Acești compuși pot fi clasificați în funcție de structura lor electronică. Compușii heterociclici saturați se comportă în același mod ca și derivații aciclici. Ca rezultat, tetrahidrofuranul și piperidina sunt eteri și amine convenționale cu profil steric modificat.

Studiul chimiei heterociclice, prin urmare, se concentrează în principal pe derivați nesaturați și aplicațiile implică inele neîngrădite de cinci și șase membri. Aceasta include furan, pirol, tiofen și piridină. Următoarea clasă mare de compuși heterociclici este fuzionată cu inele de benzen, care pentru furan, pirol, tiofen și piridină sunt benzofuran, indol, benzotiofen și respectiv chinolină. Dacă două nuclee benzenice sunt fuzionate, aceasta duce la o altă familie mare de compuși, care sunt dibenzofuran, carbazol, dibenzotiofen și aridină. Inelele nesaturate pot fi clasificate pe baza participării unui heteroatom la sistemul pi, sistem conjugat.

Pregătirea și reacțiile

Inele cu membrană 3

Compușii heterociclici cu trei atomi într-un inel sunt mult mai reactivi față de tulpina inelului. Heterociclurile care conțin un heteroatom sunt în general stabile. Acelea care conțin doi heteroatomi apar, în general, ca intermediari reactivi.

Oxiranii, cunoscuți și sub denumirea de epoxizi, sunt cei mai obișnuiți heterocicli membri cu 3. Oxiranii sunt preparați prin reacția peracidelor cu alchenă, cu o bună stereospecificitate. Oxiranii sunt mai reactivi decât eterii nesaturați datorită tulpinii cu unghi mare al inelului membru 3. Reacțiile de adiție care se desfășoară printr-o deschidere nucleofilă și electrofilă a inelului sunt cea mai generală clasă de reacție.

O reacție de acest tip este implicată în acțiunea farmacologică a muștarului azotat, care a fost printre primele medicamente anticanceroase dezvoltate. Închiderea inelului intramolecular ca în cazul agentului anticancer mechloretamina formează un ion intermediar de aziridiu. Agentul biologic activat format atacă celulele proliferative incluzând celulele canceroase prin inhibarea replicării ADN-ului lor. Amestecurile de azot au fost, de asemenea, utilizate ca agenți anticanceroși.

Aziridina comercială și oxiranul sunt produse chimice industriale esențiale în vrac. La producția masivă de oxiran, etilenă reacționează direct cu oxigenul. Reacția chimică, care este cea mai caracteristică a acestor inele cu membrii 3, este că ele sunt susceptibile de a ataca reactivii nucleofili pentru a deschide inelul așa cum se arată mai jos:

Cea mai comună cu trei membri compuși heterociclici cu un heteroatom includ:

Saturate Nesaturat
Thiiran (episulfuri) Thiirene
Phosphirane Phosphirene
Epoxizi (oxiran, oxid de etilenă) Oxirene
aziridină Azirine
Borirane Borirene

Compușii heterociclici cu trei membri cei mai obișnuiți cu doi heteroatomi includ Diaziridina ca derivat saturat și Diazirina ca derivat nesaturat, precum și Dioxiran și Oxaziridină.

Inele cu patru membri

Diferite metode de preparare a heterociclilor cu inele 4 sunt prezentate în diagrama de mai jos. Procesul de reacție a halogenului cu amină, tiol sau 3 cu o bază este de obicei eficient, dar cu randamente mediocre. Dimerizarea și eliminarea sunt reacții secundare tipice. Alte funcții pot, de asemenea, concura în reacție.

În primul exemplu, ciclizarea la un oxiran intră întotdeauna în competiție cu formarea de tietan, dar nucleofilitatea mai mare domină mai ales dacă se folosește o bază slabă.

În cel de-al doilea exemplu, formarea azetidinei și aziridinei este posibilă, dar numai cea din urmă este văzută. Exemplul numărul patru arată că această abordare a formării azetidinei funcționează bine dacă nu există concurență.

În al treilea exemplu, configurația rigidă a substratului favorizează formarea oxetanului și previne ciclizarea oxiranului. În exemplele 5 și 6, fotociclizările Paterno-Buchi sunt potrivite în special pentru formarea oxetanului.

Metode de preparare a heterociclilor cu inele 4

Reacții

Reacțiile membrilor 4 compuși heterociclici demonstrează de asemenea influența tulpinii inelului. Următoarea diagramă prezintă câteva exemple. Acid-cataliza este o caracteristică tipică a diferitelor reacții de deschidere a inelului demonstrată în exemplele 1,2 și 3a. În reacția 2 a thietanului, sulful trece prin clorurare electrofilă, conducând la formarea intermediarului clorosulfonic și înlocuirea ionului de clor care deschide inelul. În reacția 3b, de asemenea, se observă că nucleofilii puternici deschid eterul stratificat. Reacțiile de clivaj ale beta-lactonelor se pot produce fie prin schimb de acil catalizat de acid, așa cum se vede în 4a. De asemenea, poate avea loc prin ruperea alchil-O de către nucleofilii ca în 4b.

Numărul de exemplu 6 prezintă un fenomen interesant de rearanjare intramoleculară a orto-esterului. Reacția 6 prezintă scindarea beta-lactamică a penicilinei G care explică reacția de acilare îmbunătățită a sistemului inelar condensat.

Exemple de reacții ale compușilor heterociclici cu membrii 4

Cel mai util compuși heterociclici cu inele cu membrană 4 sunt două serii de antibiotice, cefalosporine și peniciline. Cele două serii conțin inel de azetidinonă, cunoscut și ca inel beta-lactam.
Multe oxetani sunt investigate ca agenți antivirali, anticanceri, antiinflamatori și antifungici. Oxetanonele, pe de altă parte, sunt aplicate în cea mai mare parte în agricultură ca bactericide, fungicide și erbicide și în fabricarea polimerului.
Tietanul parenteral a fost găsit în uleiul de șist, în timp ce derivații săi odoriferali funcționează ca markeri parfumați pentru copacii europeni, dihorii și nurcile. Tietanii sunt aplicați ca fungicide și bactericide în vopsea, ca inhibitori ai coroziunii de fier și în fabricarea polimerilor.

Inel cu patru membri compusi cu un singur heteroatom

Heteroatom Saturați nesaturați

heteroatom Saturate Nesaturat
Sulf tietan Azete
Oxigen oxetan Oxete
Azot azetidină Azete

Inel cu patru membri compusi cu doi heteroatomi

heteroatom Saturate Nesaturat
Sulf Dithietane Dithiete
Oxigen compusului dioxetan Dioxete
Azot Diazetidine Diazete

Inele cu membrană 5 cu un singur heteroatom

Tiofenul, furanul și pirolul sunt compușii aromatici de bază ai heterociclilor cu inele 5. Iată structurile lor:

Derivații saturați ai tiofenului, furanului și pirolului sunt tiofan, tetrahidrofuran și, respectiv, pirolidină. Compușii biciclici fabricați din inelul tiofen, furan sau pirol condensat cu un inel benzenic sunt cunoscuți ca benzotiofen, benzofuran, izoindol (sau indol) respectiv.
Pirolul heterociclu de azot apare în mod obișnuit în uleiurile osoase care se formează prin descompunerea proteinelor prin încălzire puternică. Inelele de pirol se găsesc în aminoacizii cum ar fi hidroxiprolina și prolină, care sunt componente ale diferitelor proteine ​​prezente în concentrații ridicate în proteinele structurale ale ligamentelor, tendoanelor, pielii și oaselor și colagenului.
Derivații de pirol se găsesc în alcaloizi. Nicotina este pirolul cel mai cunoscut, care conține alcaloid. Hemoglobina, mioglobina, vitamina B12 și clorofilele sunt toate formate prin îmbinarea a patru unități de pirol într-un sistem inelar numit porfirin, cum ar fi cel al clorofilei B demonstrat mai jos.

Pigmenții biliari se formează prin descompunerea inelului porfirinic și au un lanț de inele de pirol 4.
Prepararea heterociclilor cu inel cu 5
Prelucrarea industrială a furanului, așa cum se arată mai jos, prin aldehidă, furfural, care este generată din pentoză care conține materii prime cum ar fi corncobs. Preparate similare ale tiofenului și pirolului sunt prezentate în al doilea rând de ecuații.
Al treilea rând de ecuație demonstrează prepararea generală a tiofenelor substituite, a pirolilor, a furanilor din compușii 1,4-dicarbonil. Au început multe alte reacții care conduc la formarea de heterocicluri substituite de acest tip. Două dintre aceste proceduri au fost demonstrate în a doua și a treia reacție. Furanul este redus prin hidrogenarea catalizată de paladiu până la tetrahidrofuran. Acest eter ciclic este un solvent valoros care nu poate fi transformat numai în 4-haloalchilsulfonați, ci și 1,4-dihalobutani care pot fi utilizați pentru a prepara tiolan și pirolidină.

Inel cu cinci membri compusi cu un singur heteroatom

heteroatom Nesaturat Saturate
Antimoniu Stibole Stibolane
Arsenic Arsole Arsolane
Bismut Bismole Bismolane
Bor Borole Borolane
Azot pirol pirolidină
Oxigen Furan tetrahidrofuranul

Inele cu membrii 5 cu heteroatomi 2

Compușii de inel cu cinci membri care conțin heteroatomi 2 și cel puțin unul dintre heteroatomi sunt azot, sunt cunoscuți sub numele de azoli. Izotiazolii și tiazolii au un atom de azot și sulf în inel. Compușii cu doi atomi de sulf sunt cunoscuți sub numele de Ditiolani.

heteroatom Nesaturate (și parțial nesaturate) Saturate
Azot

/azot

Pirazolul (pirazolinei)

Imidazolului (imidazolina)

pirazolidină

imidazolidin

Azot / oxigen izoxazolul

Oxazolină (oxazolul)

izoxazolidină

oxazolidină

Azot / sulf izotiazol

Tiazolină (tiazol)

izotiazolidină

tiazolidina

Oxigen / oxigen dioxolanul
Sulf / sulf ditiolan

Unele pirazoli apar în mod natural. Compușii din această clasă sunt preparați prin reacția 1,3-dicetonilor cu hidrazine. Majoritatea compușilor pirazolici sintetici sunt utilizați ca medicamente și coloranți. Acestea includ aminopirina analgezică cu reducere a febrei, fenbutazona utilizată în tratamentul artritei, vopseaua de fibre și culoarea galbenă a culorii tartrazinei, precum și majoritatea coloranților utilizați în fotografia color ca agenți de sensibilizare.

Inele cu membrii 5 cu heteroatomi 3

Există, de asemenea, un grup mare de compuși cu ciclu de cinci membri cu cel puțin heteroatomi 3. Un exemplu de astfel de compuși este ditiazoli care conțin un atom de azot și doi sulfuri.

Inele cu membrană 6 cu heteroatom 1

Nomenclatura utilizată în compușii cu inel monociclic cu azot conținând 6 este prezentată mai jos. Pozițiile pe inel pentru piridină sunt arătate, cifrele arabe sunt mai preferate față de literele grecești, chiar dacă ambele sisteme sunt folosite. Pyridonele sunt compuși aromatici datorită contribuțiilor la hibridul de rezonanță din formele de rezonanță încărcate, așa cum sa demonstrat pentru 4-piridona.

Două coenzime principale implicate în diferite reacții metabolice esențiale în celule, NAD (cunoscută și sub numele de coenzima 1) și NADP (cunoscute și ca coenyme II), sunt derivate din nicotinamidă.
Majoritatea alcaloizilor conțin o structură inelară piperidină sau piridină, printre care piperină (constituind unul din conținutul de degustare de piper negru și alb) și nicotină. Structurile lor sunt prezentate mai jos.

Piridina, care a fost extrasă odată din gudron de cărbune, dar care este acum preparată catalitic din amoniac și alcool tetrahidrofurfurilic, este un intermediar crucial și solvent utilizat pentru fabricarea altor compuși. Vinilpiridinele sunt blocuri de construcție monomerice esențiale ale materialelor plastice, iar piperidina pe deplin saturată, piridina sunt folosiți ca materii prime chimice și prelucrarea cauciucului.

Psihinele utile din punct de vedere farmaceutic

Psihinele utile farmaceutic includ hidrazida acidului izonicotinic (tuberculostat izoniazid), medicamentul anti-SIDA cunoscut ca nevirapină, nicarandil - avasodilator utilizat pentru controlul anginei, fenazopiridină - analgezic al tractului urinar, precum și medicamentul anti-inflamator sulfat. Diflufenicanul, clopiralidul, paraquatul și diquatul sunt derivați de piridină care sunt utilizați ca erbicide.

Inele 6 cu 2 sau mai multe heteroatomi

Heterociclurile cu ciclu monociclic 3 cu șase membri cu heteroatomi de azot 2 (diazine) sunt numerotate și denumite după cum se arată mai jos.

Maleat hidrazid este un derivat de piridazină utilizat ca erbicid. Unele pirazine, cum ar fi acidul aspergilic, apar în mod natural. Iată structurile compușilor menționați mai sus:

Inelul de pirazină este o componentă a diferiților compuși policiclici de importanță industrială și biologică. Membrii importanți ai familiei de pirazină sunt fenazine, alloxazine și pteridine. Din punct de vedere farmacologic și biologic, diazinele cele mai importante sunt pirimidinele. Citozina, timina și uracilul sunt 3 al bazelor nucleotidice 5 care constituie codul genetic în ARN și ADN. Mai jos sunt structurile lor:

Vitamina tiamină are un inel de pirimidină și pe lângă barbituricele sintetice, inclusiv amobarbitalul, sunt medicamente utilizate în mod obișnuit. Morfolina (baza tetrahidro-1,4-oxazină) este produsă pe scară largă pentru utilizare ca fungicid, inhibitor de coroziune și solvent. Inelul de morfolină se regăsește și în trimetozina sedativă-hipnotică și în unele fungicide precum fenpropimorful și tridemorful. Iată formula structurală pentru morfolină:

Inele cu membrană 7

Deoarece mărimea inelului crește, varietatea compușilor care pot fi obținute prin variația locului, tipului și numărului de heteroatomi crește enorm. Cu toate acestea, chimia heterociclicilor cu inele 7 sau mai mult este mai puțin dezvoltată decât cea a compușilor heterociclici din inele 6 și 5.
Inelele oxepine și azepine sunt constituenți esențiali ai diferitelor produse metabolice ale organismelor și alcaloizilor marine. Derivatul de azepină cunoscut sub numele de caprolactam este produs în comerț în vrac pentru utilizare în fabricarea nylon-6 ca intermediar și în producția de piele sintetică, acoperiri și filme.
Compuși heterociclici cu membrii 7 cu doi sau un atom de azot în inelul lor sunt unități structurale ale psihofarmaceuticelor utilizate în general, Prazepine (antidepresiv triciclic) și diazepam tranchilizant, de asemenea cunoscut ca valium.

Inele cu membrană 8

Exemple de compuși heterociclici din această clasă includ azocanul, oxocanul și tiocanul cu azot, oxigen și sulf care sunt heteroatomii respectivi. Derivații lor nesaturați respectiv sunt azocin, oxocină și, respectiv, tiocină.

Inele cu membrană 9

Exemple de compuși heterociclici din această clasă includ azonan, oxonan și tionan cu azot, oxigen și sulf care sunt heteroatomii respectivi. Derivații lor nesaturați respectiv sunt azonină, oxonină și, respectiv, tionină.

Utilizări ale compușilor heterociclici

Heterociclurile sunt utile în mai multe domenii ale științelor vieții și ale tehnologiei. După cum am văzut deja în discuția noastră, multe medicamente sunt compuși heterociclici.

Referinte

Cartea IUPAC Gold, compuși heterociclici. Legătură:

WH Powell: Revizuirea sistemului extins de nomenclatură Hantzsch-Widman pentru heteromonciclii, în: Pure Appl. Chem.1983, 55, 409-416;

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

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