Blog

De fleste indflydelsesrige heterocykler i verden

De fleste indflydelsesrige heterocykler i verden

Heterocykliske forbindelser

En heterocyklisk forbindelse, også kendt som en ringstruktur, er i grunden en forbindelse, som indeholder atomer af to forskellige elementer som medlemmer af sin ring / ringe. Heterocykliske forbindelser udgør sandsynligvis det mest varierede og mest betydelige antal af organiske forbindelser.

Uanset funktionalitet og struktur kan hver carbocyklisk forbindelse omdannes til forskellige heterocykliske analoger ved blot at erstatte et eller flere carbonringatomer med et andet element. Som et resultat har heterocykler tilbudt en platform til udveksling af forskning på forskellige områder, herunder men ikke begrænset til farmaceutisk, medicinsk, analytisk og organisk kemi af heterocykliske forbindelser.

De vigtigste eksempler på heterocykliske forbindelser er de fleste stoffer, nukleinsyrer, størstedelen af ​​syntetiske og naturlige farvestoffer og et flertal af biomasse, såsom cellulose og beslægtede materialer.

Klassifikation

Selvom heterocykliske forbindelser kan være organiske eller uorganiske forbindelser, har de fleste mindst ét ​​carbon. Disse forbindelser kan klassificeres efter deres elektroniske struktur. Mættede heterocykliske forbindelser opfører sig på samme måde som acycliske derivater. Som et resultat er tetrahydrofuran og piperidin konventionelle ethere og aminer med modificerede steriske profiler.

Undersøgelsen af ​​heterocyklisk kemi fokuserer derfor primært på umættede derivater, og applikationer involverer ustrakte fem såvel som seksledede ringe. Dette omfatter furan, pyrrol, thiophen og pyridin. Den næste store klasse af heterocykliske forbindelser er fusioneret til benzenringe, som for furan, pyrrol, thiophen og pyridin er henholdsvis benzofuran, indol, benzothiophen og quinolin. Hvis to benzenringe smeltes, resulterer dette i en anden stor familie af forbindelser, som er dibenzofuran, carbazol, dibenzothiophen og aridin. Umættede ringe kan klassificeres baseret på deltagelse af et heteroatom i pi-systemet, konjugeret system.

Forberedelse og reaktioner

3-ledede ringe

Heterocykliske forbindelser med tre atomer i en ring er langt mere reaktive med hensyn til ringstammen. Heterocykler indeholdende et heteroatom er generelt stabile. Dem der indeholder to heteroatomer forekommer generelt som reaktive mellemprodukter.

Oxiraner, også kendt som epoxider, er de mest almindelige 3-ledede heterocykler. Oxiraner fremstilles ved omsætning af peryrer med alkener med god stereospecificitet. Oxiraner er mere reaktive end umættede ethere høflighed af højvinkelstammen af ​​den 3-ledede ring. Additionsreaktioner, der går videre med en nukleofil og elektrofil åbning af ringen, er den mest generelle reaktionsklasse.

En reaktion af denne art er involveret i kvægstarkers farmakologiske virkning, der var blandt de allerførste anticancer-lægemidler, der blev udviklet. Lukning af intramolekylær ring, som i tilfælde af anticancermiddel, mechlorethamin danner en mellemliggende aziridiumion. Det dannede biologisk aktive middel angriber prolifererende celler, herunder cancerceller gennem inhibering af deres DNA-replikation. Nitrogen sennep er også blevet anvendt som anticancer midler.

Kommercielt aziridin og oxiran er væsentlige bulkindustrielle kemikalier. Ved massiv skala produktion af oxiran omsættes ethylen direkte med oxygen. Den kemiske reaktion, som er den mest karakteristiske for disse 3-ledede ringe, er, at de er modtagelige for angreb af nukleofile reagenser for at åbne ringen som vist nedenfor:

Den mest almindelige tre-ledede heterocykliske forbindelser med et heteroatom indbefatter:

Mættet umættede
Thiiran (episulfider) Thiirene
Phosphirane Phosphirene
Epoxider (oxiran, ethylenoxid) oxiren
aziridin azirin
Borirane Borirene

De mest almindelige treledige heterocykliske forbindelser med to heteroatomer indbefatter Diaziridin som en mættet derivat og Diazirin som et umættet derivat såvel som Dioxiran og Oxaziridin.

Fire-medlems ringe

Forskellige fremgangsmåder til fremstilling af 4-leddede heterocykler er vist i diagrammet nedenfor. Fremgangsmåden til omsætning af en amin, thiol eller 3-halo med en base er typisk effektiv, men med middelmådige udbytter. Dimerisering og eliminering er typiske bivirkninger. Andre funktioner kan også konkurrere i reaktionen.

I det første eksempel konkurrerer cyklisering til en oxiran altid med dannelsen af ​​thietan, men den højere nukleofilicitet dominerer især hvis man bruger en svag base.

I det andet eksempel er dannelsen af ​​både azetidin og aziridin muligt, men kun sidstnævnte ses. Eksempel nummer fire viser, at denne tilgang til dannelsen af ​​azetidin fungerer godt, hvis der ikke er konkurrence.

I det tredje eksempel favoriserer den stive konfiguration af substratet dannelsen af ​​oxetan og forhindrer cyclisering af oxiran. I eksempler 5 og 6 er Paterno-Buchi-fotocykliseringerne særligt egnede til dannelsen af ​​oxetan.

Fremgangsmåder til fremstilling af 4-leddede heterocykler

Reaktioner

Reaktioner af 4-ledede heterocykliske forbindelser også demonstrere ring belastning indflydelse. Nedenstående diagram viser nogle eksempler. Syrekatalyse er et typisk træk ved forskellige ringåbningsreaktioner, der er demonstreret i eksempler 1,2 og 3a. I reaktion 2 af thietan undergår svovl elektrofil chlorering, der fører til dannelsen af ​​chlorsulfoniummellemprodukt og substitution af ringåbningskloridion. I reaktion 3b ses også stærke nukleofiler at åbne den anstrengte ether. Beta-lactonernes spaltningsreaktioner kan ske enten ved syrekatalyseret acyludveksling som set i 4a. Det kan også ske ved alkyl-O-ruptur ved nukleofiler som i 4b.

Eksempel nummer 6 viser et interessant fænomen af ​​intramolekylær omlejring af orthoesteren. Reaktion 6 viser Beta-lactam spaltning af penicillin G, der forklarer den forøgede acyleringsreaktion af det kondenserede ringsystem.

Eksempler på reaktioner af 4-ledede heterocykliske forbindelser

Den mest nyttige heterocykliske forbindelser med 4-ledede ringe er to serier antibiotika, cefalosporinerne og penicilliner. De to serier indeholder azetidinonring, som også er kendt som Beta-lactam-ring.
Mange oxetaner undersøges som antivirale, anticancer, antiinflammatoriske og antisvampemidler. Oxetanoner anvendes derimod hovedsagelig i landbruget som baktericider, fungicider og herbicider og i fremstillingen af ​​polymer.
Forældre thietane blev fundet i skiferolie, mens dens lugtderivater virker som duftmarkører til europæiske polecats, fritter og minke. Thietanes anvendes som fungicider og baktericider i malingen som jernkorrosionsinhibitorer og i fremstillingen af ​​polymerer.

Fireledede ringe forbindelser med et enkelt heteroatom

Heteroatom mættet umættet

heteroatom Mættet umættede
Svovl thietan Azete
Oxygen oxetan Oxete
Nitrogen azetidin Azete

Fireleddet ringer forbindelser med to heteroatomer

heteroatom Mættet umættede
Svovl dithietanen Dithiete
Oxygen dioxetan Dioxete
Nitrogen diazetidin Diazete

5-leddet ringe med et enkelt heteroatom

Thiophen, furan og pyrrol er de forælder aromatiske forbindelser af heterocykler med 5-leddringe. Her er deres strukturer:

De mættede derivater af thiophen, furan og pyrrol er henholdsvis thiophen, tetrahydrofuran og pyrrolidin. Bicykliske forbindelser fremstillet af thiophen, furan eller pyrrolring fusioneret til en benzenring er kendt som henholdsvis benzothiophen, benzofuran, isoindol (eller indol).
Nitrogenheterocykel pyrrol forekommer typisk i knogleolie, som dannes ved nedbrydning af proteiner gennem stærk opvarmning. Pyrrolringerne findes i aminosyrerne, såsom hydroxyprolin og prolin, som er bestanddele af forskellige proteiner, der er til stede i høje koncentrationer i strukturelle proteiner af ledbånd, sener, hud og knogler og kollagen.
Pyrrolederivater findes i alkaloiderne. Nikotin er den mest kendte pyrrol, der indeholder alkaloid. Hemoglobin, myoglobin, vitamin B12 og chlorofyler, er alle dannet ved at forbinde fire pyrrol-enheder i et stort ringsystem kaldet porfyrin, som det for klorofyl B demonstreret nedenfor.

Galdepigmenter dannes ved nedbrydning af porfyrinring og har en kæde af 4 pyrrolringe.
Fremstilling af 5-leddede heterocykler
Industrielt præparat af furan fortsætter som vist nedenfor ved hjælp af aldehyd, furfural, der er dannet af pentose, der indeholder råmaterialer som mavekål. Lignende præparater af thiophen og pyrrol er vist i anden række af ligninger.
Den tredje række af ligning 1 demonstrerer den generelle fremstilling af substituerede thiophener, pyrroler, furaner fra 1,4-dicarbonylforbindelser. Mange andre reaktioner, som fører til dannelse af substituerede heterocykler af denne type, er blevet startet. To af disse procedurer er blevet vist i anden og tredje reaktion. Furan reduceres ved palladiumkatalyseret hydrogenering til tetrahydrofuran. Denne cykliske ether er et værdifuldt opløsningsmiddel, som ikke kun kan omdannes til 4-haloalkylsulfonater, men også 1,4-dihalobutaner, der kan anvendes til fremstilling af thiolan og pyrrolidin.

Femleddet ringer forbindelser med et enkelt heteroatom

heteroatom umættede Mættet
Antimon Stibole Stibolane
Arsen Arsole Arsolane
bismuth Bismole Bismolane
Boron Borole Borolane
Nitrogen pyrrol pyrrolidin
Oxygen Furan tetrahydrofuran

5-ledede ringe med 2 heteroatomer

De femledige ringforbindelser indeholdende 2-heteroatomer og mindst et af heteroatomerne er nitrogen, er kendt som azoler. Isothiazoler og thiazoler har et nitrogen og svovlatom i ringen. Forbindelser med to svovlatomer er kendt som dithiolaner.

heteroatom Umættede (og delvis umættede) Mættet
Nitrogen

/ nitrogen

Pyrazol (pyrazolin)

Imidazol (imidazolin)

pyrazolidin

imidazolidin-

Nitrogen / oxygen isoxazol

Oxazolin (oxazol)

isoxazolidin

oxazolidin

Nitrogen / svovl isothiazol

Thiazolin (thiazol)

isothiazolidin

thiazolidin

Oxygen / ilt dioxolan
Svovl / svovl dithiolane

Nogle pyrazoler forekommer naturligt. Forbindelser fra denne klasse fremstilles ved at omsætte 1,3-diketoner med hydraziner. De fleste syntetiske pyrazolforbindelser anvendes som medicin og farvestoffer. De omfatter feberreducerende analgetisk aminopyrin, phenybutazon, der anvendes til behandling af arthritis, fiberfarvestoffet og gul madfarvestartrazin og størstedelen af ​​farvestoffer, der anvendes i farvefotografering som sensibiliserende midler.

5-ledede ringe med 3 heteroatomer

Der findes også en stor gruppe af femledede ringforbindelser med mindst 3 heteroatomer. Et eksempel på sådanne forbindelser er dithiazoler, der indeholder et nitrogenatom og to svovl.

6-ledede ringe med 1 heteroatom

Nomenklaturen, der anvendes i monocykliske nitrogenholdige 6-ledede ringforbindelser, er nedenfor. Positioner på ringen for pyridin er vist, arabiske tal er mere foretrukket for græske bogstaver, selvom begge systemer anvendes. Pyridoner er aromatiske forbindelser høflighed af bidrag til resonanshybrid fra ladede resonansformer som vist for 4-pyridon.

To store coenzymer involveret i forskellige vigtige metaboliske reaktioner i celler, NAD (også kendt som coenzym1) og NADP (også kendt som coenyme II), er afledt af nikotinamid.
Størstedelen af ​​alkaloider indeholder en piperidin- eller pyridinringstruktur, blandt dem piperin (udgør et af de skarpe smagsstoffer i sort og hvid peber) og nikotin. Deres strukturer er vist nedenfor.

Pyridin, der engang blev ekstraheret fra stenkulstjære, men nu er fremstillet katalytisk fra ammoniak og tetrahydrofurfurylalkohol, er et afgørende mellemprodukt og opløsningsmiddel anvendt til fremstilling af andre forbindelser. Vinylpyridiner er afgørende monomer byggesten af ​​plast, og fuldt mættet piperidin, pyridin anvendes som kemisk råmateriale og gummiforarbejdning.

Farmaceutisk anvendelige pyridiner

Farmaceutisk anvendelige pyridiner indbefatter isonicotinsyrehydrazidet (tuberculostatisoniazid), anti-AIDS-viruslægemidlet kendt som nevirapin, nicorandilavasodilator anvendt til at kontrollere angina, phenazopyridin-analgetika i urinvejen samt det antiinflammatoriske sulfa-lægemiddel. Diflufenican, clopyralid, paraquat og diquat er populære pyridinderivater, der anvendes som herbicider.

6-ledede ringe med 2 eller flere heteroatomer

De 3-monocykliske 6-leddede heterocykler med 2-nitrogenheteroatomer (diaziner) er nummereret og navngivet som vist nedenfor.

Maleinsyrehydrazid er et pyridazinderivat anvendt som et herbicid. Nogle pyraziner såsom aspergillinsyre forekommer naturligt. Her er strukturerne af de førnævnte forbindelser:

Pyrazinring er en bestanddel af forskellige polycykliske forbindelser af industriel og biologisk betydning. Vigtige medlemmer af pyrazinfamilien er phenaziner, alloxaziner og pteridiner. Farmakologisk og biologisk er de mest afgørende diaziner pyrimidiner. Cytosin, thymin og uracil er 3 af 5 nukleotidbaser, som udgør den genetiske kode i RNA og DNA. Nedenfor er deres strukturer:

Vitaminthiamin har en pyrimidinring, og i tillæg til syntetiske barbiturater, herunder amobarbital, er almindeligt anvendte lægemidler. Morpholin (parent tetrahydro-1,4-oxazin) fremstilles i stor skala til anvendelse som et fungicid, en korrosionsinhibitor og et opløsningsmiddel. Morpholin ring findes også i det beroligende-hypnotiske lægemiddel trimetozin og nogle fungicider som fenpropimorph og tridemorph. Her er strukturformlen for morpholin:

7-ledede ringe

Efterhånden som ringestørrelsen øges, forøges variationen af ​​forbindelserne, som kan opnås ved at variere placeringen, typen og antallet af heteroatomer enormt. Kemien af ​​heterocykler med 7-ledede ringe eller mere er imidlertid mindre udviklet end den for 6- og 5-leddede heterocykliske forbindelser.
Oxepin og Azepin ringe er afgørende bestanddele af forskellige naturligt forekommende metaboliske produkter af marine organismer og alkaloider. Azepinderivatet kendt som caprolactam fremstilles kommercielt i bulk til anvendelse ved fremstilling af nylon-6 som et mellemprodukt og i produktion af syntetisk læder, belægninger og film.
7-ledede heterocykliske forbindelser med to eller et nitrogenatom i deres ring er strukturelle enheder af bredt anvendte psykofarmaka Prazepin (tricyklisk antidepressiv) og tranquilizer diazepam, også kendt som valium.

8-ledede ringe

Eksempler på heterocykliske forbindelser i denne klasse indbefatter azocan, oxocan og thiocan med nitrogen, oxygen og svovl er de respektive heteroatomer. Deres respektive umættede derivater er henholdsvis azocin, oxocin og thiocin.

9-ledede ringe

Eksempler på heterocykliske forbindelser i denne klasse indbefatter azonan, oxonan og thionan med nitrogen, oxygen og svovl er de respektive heteroatomer. Deres respektive umættede derivater er henholdsvis azonin, oxonin og thionin.

Anvendelser af heterocykliske forbindelser

Heterocykler er nyttige på flere områder inden for biovidenskab og teknologi. Som vi allerede har set i vores diskussion, er mange lægemidler heterocykliske forbindelser.

Referencer

IUPAC Gold Book, heterocykliske forbindelser. Link:

WH Powell: Revision af det udvidede Hantzsch-Widman-system af nomenklaturen for heteromonocykler, I: Ren appl. Chem.1983, 55, 409-416;

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

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