Блог

Найбільш впливові гетероциклі у світі

Найбільш впливові гетероциклі у світі

Гетероциклічні сполуки

Гетероциклічна сполука, також відома як кільцева структура, в основному являє собою сполуку, яка містить атоми двох різних елементів як членів його кільця / кілець. Гетероциклічні сполуки, ймовірно, являють собою найбільш різноманітну і найбільш значну кількість сімейства органічних сполук.

Незалежно від функціональності та структури, кожна карбоциклічна сполука може бути перетворена в різні гетероциклічні аналоги, просто замінюючи один або декілька атомів вуглецю з іншим елементом. У результаті гетероцикли пропонують платформу для обміну дослідженнями в різних областях, включаючи, але не обмежуючись ними, фармацевтичну, лікарську, аналітичну та органічну хімію гетероциклічних сполук.

Основними прикладами гетероциклічних сполук є більшість лікарських засобів, нуклеїнові кислоти, більшість синтетичних та натуральних барвників, а також більшість біомаси, такі як целюлоза та суміжні матеріали.

Класифікація

Незважаючи на те, що гетероциклічні сполуки можуть бути органічними або неорганічними сполуками, більшість мають щонайменше один вуглець. Ці сполуки можна класифікувати відповідно до їх електронної структури. Насичені гетероциклічні сполуки поводяться так само, як і ациклічні похідні. Як наслідок, тетрагідрофуран та піперидин є звичайними ефірами та амінами з модифікованими стеричними профілями.

Тому вивчення гетероциклічної хімії зосереджується головним чином на ненасичених похідних і застосуваннях включає в себе п'ять п'яти, а також шестичленних кілець. Це включає фуран, пірол, тіофен та піридин. Наступний великий клас гетероциклічних сполук зливається з бензольними кільцями, які для фурану, піролу, тіофену та піридину - бензофуран, індол, бензтотіофен та хінолін відповідно. Якщо два бензольних кілець злиті, це призводить до ще однієї великої родини сполук, тобто дибензофурану, карбазолу, дибензотіофена та аридину. Не насичені кільця можуть бути класифіковані за участю гетероатома в системі pi, кон'югованій системі.

Підготовка та реакції

3-членні кільця

Гетероциклічні сполуки з трьома атомами в кільці є набагато більш реактивною люб'язністю кільцевої деформації. Гетероциклі, що містять один гетероатом, загалом стабільні. Ті, що містять два гетероатоми, зустрічаються взагалі як реактивні проміжні сполуки.

Оксирани, також відомі як епоксиди, є найпоширенішими 3-членними гетероциклами. Оксирани отримують шляхом реакції пероксидних груп з алкенами, що мають гарну стереоспецифічність. Оксирани більш реактивні, ніж ненасичені ефіри, завдяки високому кутовому штамові кільця 3. Реакції доповнення, що протікають за нуклеофільного та електрофільного отвору кільця, є найбільш загальним класом реакцій.

Реакція такого роду пов'язана з фармакологічною діяльністю азотних гірчиць, яка була однією з перших антиракових препаратів. Закриття внутрішньомолекулярного кільця, як у випадку протиракового агента, мехлоретамін утворює проміжний іон азиридию. Сформований біологічно активний агент нападає на проліферуючі клітини, включаючи ракові клітини, через гальмування їх реплікації ДНК. Азотні гірчиці також використовуються як протиракові засоби.

Комерційно азиридин і оксиран є важливими основними промисловими хімічними речовинами. При масивному виробництві оксирану етилен безпосередньо реагує з киснем. Хімічна реакція, найбільш характерна для цих кільцевих кільцях 3, полягає в тому, що вони схильні до атаки нуклеофільними реагентами, щоб відкрити кільце, як показано нижче:

Найпоширеніші тричлена гетероциклічні сполуки з одним гетероатомом включають:

Насичений Ненасичений
Thiirane (епісульфіди) Thiirene
Фосфіран Фосфірен
Епоксиди (оксиран, етиленоксид) Оксирени
Азиридин Азирин
Бориран Борирен

Найбільш поширені тричленні гетероциклічні сполуки з двома гетероатомами включають діазиридин як насичену похідну та діазірин як ненасичене похідне, а також діоксиран та оксазиридин.

Кільця з чотирма учасниками

Різні способи одержання гетероциклів 4-членних кілець показані на діаграмі нижче. Процес реакції аміну, тиолу або 3-гало з основою, як правило, є ефективним, але з посереднім виходом. Димеризація та елімінація є типовими побічними реакціями. Інші функції також можуть конкурувати в реакції.

У першому прикладі, циклізація до оксирану завжди конкурує з утворенням тиетану, але більша нуклеофільність домінує, особливо якщо вона використовує слабку основу.

На другому прикладі можливе утворення як азетидину, так і азиридину, але тільки останній видно. Приклад № 4 показує, що цей підхід до формування азетидину добре функціонує, якщо немає конкуренції.

У третьому прикладі жорстка конфігурація підкладки сприяє формуванню оксетану і запобігає циклізації оксирану. У прикладах 5 та 6 патронно-бутіскіе фотоциклізації особливо підходять для утворення оксетану.

Методи отримання гетероциклів 4-членних кілець

Реакції

Реакції учасників 4 гетероциклічні сполуки також демонструють вплив кільцевого деформації. Наступна схема показує кілька прикладів. Кислотний каталіз є типовою ознакою різних реакцій відкриття кільця, показаних у прикладах 1,2 та 3a. У результаті реакції 2 сітки, серу проходить електрофільне хлорування, що приводить до утворення проміжної сполуки хлорсульфонію та заміни іону хлориду, що відкриває кільце. У реакції 3b також з'являються сильні нуклеофіли, щоб відкрити напружений ефір. Реакції на розщеплення бета-лактонів можуть відбуватися або шляхом кислотно-каталізированного ацильного обміну, як це видно з 4a. Це також може відбутися шляхом розриву алкілу-О за допомогою нуклеофілів, як у 4b.

Приклад числа 6 показує цікаве явище внутрішньомолекулярного перегрупування ортоестера. Реакція 6 показує розщеплення бета-лактаму пеніциліну G, що пояснює посилену реакцію ацилювання конденсованої кільцевої системи.

Приклади реакцій 4-членних гетероциклічних сполук

Найбільш корисний гетероциклічні сполуки з 4-членними кільцями є дві серії антибіотиків, цефалоспоринів і пеніцилінів. У двох серіях міститься азетидиновое кільце, яке також відоме як кільце бета-лактам.
Багато оксистеанів досліджуються як противірусні, протиракові, протизапальні та протигрибкові засоби. З іншого боку, оксетанони застосовуються переважно в сільському господарстві як бактерициди, фунгіциди та гербіциди, а також у виробництві полімеру.
Батьківщина була виявлена ​​в сланцевому маслі, тоді як його запашні похідні працюють як маркери запаху для європейських польових, хороводців та міксів. Тієтани застосовуються як фунгіциди та бактерициди у фарбі, як інгібітори корозії заліза, а також у виготовленні полімерів.

Чотиричленние кільця з'єднуються з одним гетероатомом

Гетероатом насичений ненасичений

Гетероатом Насичений Ненасичений
Сірка Титан Азете
Кисень Оксетан Оксет
Азот Азетидин Азете

Четвертичні кільця з'єднуються з двома гетероатомами

Гетероатом Насичений Ненасичений
Сірка Дітієтане Дитсете
Кисень Діоксетан Діоксете
Азот Діазетидин Діазете

5-членні кільця з одним гетероатомом

Тіофен, фуран та пірол є основними ароматичними сполуками гетероциклів 5-членних кілець. Ось їх структури:

Насичені похідні тіофена, фурану та піролу є відповідно тіофаном, тетрагідрофураном та піролідином. Біциклічні сполуки, зроблені з тіофену, фурану або пірролевого кільця, сплавленого до бензольного кільця, називаються бензотіофеном, бензофураном, ізоіндолом (або індолом) відповідно.
Азот гетероцикл піррол зазвичай зустрічається в кістковій олії, яка утворюється шляхом розкладання білків через сильне нагрівання. Піррольні кілець зустрічаються в амінокислотах, таких як гідроксипролін та пролін, які є компонентами різних білків, присутніх у високих концентраціях у структурному білку зв'язок, сухожиль, шкіри, кісток та колагену.
Похідні піролу знаходяться в алкалоїдах. Нікотин є найпоширенішим піролом, що містить алкалоїд. Гемоглобін, міоглобін, вітамін B12 та хлорофіли утворюються шляхом з'єднання чотирьох піррольних одиниць у великій кільцевій системі, яка називається порфірин, подібно до того, що показаний нижче хлорофіл В.

Жовте пігменти утворюються через розкладання порфіринового кільця та ланцюга піррольних кілець 4.
Приготування кільцевих гетероциклів 5-членного кільця
Промислове приготування фурану протікає, як показано нижче, шляхом альдегіду, фурфуролу, який утворюється з пентози, що містить сировину, таку як кукурудзи. Подібні препарати тиофену та піролу показані у другому ряді рівнянь.
Третій рядок рівняння 1 демонструє загальну підготовку заміщених тіофенів, піролів, фуранів із 1,4-дикарбонільних сполук. Започатковано багато інших реакцій, що приводять до утворення заміщених гетероциклів цього типу. Дві з цих процедур були показані у другій та третьої реакції. Фуран зведено шляхом каталізу каталізатора паладію гідрування до тетрагідрофурану. Цей циклічний ефір є цінним розчинником, який не тільки може бути перетворено в 4-галогеналкілсульфонати, а також 1,4-дигалогенані, які можуть бути використані для отримання тіолану та піролідину.

П'ятичленние кільця сполучаються з одним гетероатомом

Гетероатом Ненасичений Насичений
сурма Stibole Стиболан
миш'як Асоляція Арсолане
Вісмут Бізмоле Бісмолан
Бор Бороле Боролан
Азот пиррола Піролідин
Кисень Фуран Тетрагідрофуран

5-членні кільця з гетероатомами 2

П'ятичленние кільцеві сполуки, що містять гетероатоми 2 і принаймні один із гетероатомів, являють собою азот, відомі як азоли. Ізотіазоли та тіазоли мають атом азоту та сірки в кільці. Сполуки з двома атомами сірки відомі як дітіолани.

Гетероатом Ненасичені (і частково ненасичені) Насичений
Азот

/ азот

Піразол (піразолін)

Імідазол (імідазолін)

Піразолідин

Імідазолідин

Азот / кисень Ізоксазол

Оксазолін (оксазол)

Ізоксазолідин

оксазолідин

Азот / сірка Ізотіазол

Тіазолін (тіазол)

Ізотіазолідин

Тіазолідин

Кисень / кисень Діоксалан
Сірка / сірка Дітіолана

Деякі піразоли зустрічаються природно. Сполуки цього класу отримують шляхом реакції 1,3-дікетонів на гідразини. Більшість синтетичних піразольних сполук використовуються як ліки та барвники. До них відносяться аналгетичний амінопірин, що зменшує кількість пірамінів, фенібутазону, що використовується при лікуванні артритом, волокнистим барвником та жовтим харчовим кольором тартразину, а також більшість барвників, що використовуються у кольорових фотографіях як сенсибілізуючі агенти.

5-членні кільця з гетероатомами 3

Існує також велика група п'ятичленних кільцевих сполук з принаймні 3 гетероатомами. Одним із прикладів таких сполук є дитіазоли, які містять атом азоту та дві сірки.

6-членні кільця з гетероатомом 1

Номенклатура, що використовується в моноциклічних азотсодержащих 6-членних кільцевих сполуках, наведена нижче. Показані позиції на кільці для піридину, арабські цифри є більш відданими грецьким літерами, навіть якщо використовуються обидві системи. Піридони є ароматичними сполуками, люб'язно наданими в резонансний гібрид із заряджених резонансних форм, як показано для 4-піридону.

Дві основні коферменти, що беруть участь у різних важливих метаболічних реакціях в клітинах, NAD (також відомі як коензими1) та NADP (також відомі як коенієми II), одержуються з нікотинаміду.
Більшість алкалоїдів містять кільцеву структуру піперидину або піридину, серед них піперин (являє собою одне з чітких смакових компонентів чорного та білого перцю) та нікотину. Їхні структури показані нижче.

Піридин, який колись був екстрагований з кам'яновугільної смоли, але тепер готується каталітично з аміаку та тетрагідрофурфурилового спирту, є найважливішим проміжним способом і розчинником, що використовується для виготовлення інших сполук. Вінілпіридини є вирішальними мономерними будівельними блоками з пластмас, і повністю насичений піперидин, піридин використовуються як хімічна сировина та обробка гуми.

Фармацевтично корисні піридини

Фармацевтично корисні піридини включають гідразид ізонікотинової кислоти (туберкулостат ізоніазид), препарат анти-СНІД-вірус, відомий як невірапін, нікоранділ-авазоділятор, що використовується для контролю ангіни, феназопіридин-анальгетик сечовивідних шляхів, а також протизапальний препарат сурфа. Діфлуфенікан, клопіралід, паракват і дикват - це популярні похідні піридину, які використовуються як гербіциди.

6-членні кільця з 2 або більше гетероатомами

Гетероцикли з 6-членним кільцем моноциклічних 3 з гетероатомами азоту 2 (діазини) пронумеровані та називаються як показано нижче.

Малеїновий гідразид - це похідне піридазину, що використовується як гербіцид. Деякі піразини, такі як аспергільна кислота, зустрічаються природно. Ось структури вищезазначених сполук:

Піразинове кільце є складовою частиною різних поліциклічних сполук промислового та біологічного значення. Важливими членами сімейства піразинів є феназини, аллооксазини та птеридини. Найбільш важливими діазинами в фармакологічному та біологічному відношенні є піримідини. Цитозин, тимін та урацил являють собою 3 з нуклеотидних основ 5, які є генетичним кодом у РНК та ДНК. Нижче наведені їх структури:

Вітамін тіамін має піримідинове кільце і, крім синтетичних барбітуратів, включаючи амобарбітал, є звичайними ліками. Морфолін (батьківський тетрагідро-1,4-оксазин) виробляється у великих масштабах для використання як фунгіцид, інгібітор корозії та розчинник. Морфолінове кільце також зустрічається в седативно-гіпнотичному лікуванні триметозину та деяких фунгіцидах, таких як фенпропіморф і тридеморф. Ось структурна формула для морфоліну:

7-членні кільця

Коли розмір кільця збільшується, різноманітність сполук, які можна отримати, змінюючи місце розташування, тип та кількість гетероатомів, надзвичайно зростає. Проте хімія гетероциклів з 7-членними кільцями або більше є менш розвиненою, ніж у 6 та 5-членних кільцевих гетероциклічних сполук.
Оцепін та азепінові кілець є найважливішими складовими різних природних продуктів обміну речовин морських організмів та алкалоїдів. Похідне азепіну, відоме як капролактам, комерційно виготовляється насипом для використання у виробництві нейлону-6 як проміжного продукту та у виробництві синтетичної шкіри, покриттів та плівок.
7-членні гетероциклічні сполуки з двома або одним атомом азоту в їхньому кільці є структурними одиницями широко використовуваних психофармацевтичних препаратів Празіпін (трициклічний антидепресант) і транквілізатор діазепам, також відомий як валюм.

8-членні кільця

Приклади гетероциклічних сполук цього класу включають азокан, оккокан і тіокана з азот, киснем і сіркою, що є відповідними гетероатомами. Їх відповідними ненасиченими похідними є азоцин, оксоцин та тіоцин відповідно.

9-членні кільця

Приклади гетероциклічних сполук цього класу включають азонан, оксонан і тионан з азот, киснем і сіркою, що є відповідними гетероатомами. Їх відповідними ненасиченими похідними є азонін, оксонін та тіонін відповідно.

Використання гетероциклічних сполук

Гетероцикли корисні в ряді напрямків наук про життя та техніки. Як ми вже бачили в нашій дискусії, багато препаратів - гетероциклічні сполуки.

посилання

Золота книга IUPAC, гетероциклічні сполуки. Посилання:

WH Пауелл: Перегляд розширеної системи Хаменса-Шиндмана для номенклатури для гетеромоноциклів, в: Чистий апп. Хімія1983, 55, 409-416;

А. Хантч, Дж. Х. Вебер: Uber Verbindungen des Thiazols (Pyridins der Thiophenreihe), в: Бер Dtsch. Хімія Гес. 1887, 20, 3118-3132

О. Видман: Знайдемо, що стосується Verbindungen, і це означає, що це означає, в: J. Prakt. Хімія 1888, 38, 185-201;