Блог

Най-влиятелните хетероцикли в света

Най-влиятелните хетероцикли в света

Хетероциклени съединения

Хетероциклено съединение, известно още като пръстенна структура, е основно съединение, което съдържа атоми от два отделни елемента като членове на неговия пръстен / пръстени. Хетероциклените съединения вероятно съставляват най-разнообразния и най-съществен брой семейства от органични съединения.

Независимо от функционалността и структурата, всяко карбоциклено съединение може да бъде превърнато в различни хетероциклични аналози само чрез заместване на един или повече въглеродни атоми в пръстена с различен елемент. В резултат на това хетероцикли предлагат платформа за обмен на изследвания в различни области, включващи, но без да се ограничават до фармацевтична, медицинска, аналитична и органична химия на хетероциклени съединения.

Основните примери за хетероциклични съединения са повечето лекарства, нуклеинови киселини, по-голямата част от синтетични и естествени багрила и по-голямата част от биомасата като целулоза и подобни материали.

Класификация

Въпреки че хетероцикличните съединения могат да бъдат органични или неорганични съединения, повечето имат най-малко един въглерод. Тези съединения могат да бъдат класифицирани според тяхната електронна структура. Наситените хетероциклични съединения се държат по същия начин като ацикличните производни. Като резултат тетрахидрофуранът и пиперидинът са конвенционални етери и амини с модифицирани стерични профили.

Изследването на хетероциклената химия, следователно, се фокусира главно върху ненаситени производни и приложенията включват несвързани пет, както и шестчленни пръстени. Това включва фуран, пирол, тиофен и пиридин. Следващият голям клас хетероциклични съединения се слива с бензенови пръстени, които за фуран, пирол, тиофен и пиридин са съответно бензофуран, индол, бензотиофен и хинолин. Ако два бензенови пръстена са слети, това води до друго голямо семейство съединения, които са дибензофуран, карбазол, дибензотиофен и аридин. Ненаситените пръстени могат да бъдат класифицирани въз основа на участието на хетероатом в пи система, конюгирана система.

Подготовка и реакции

3-членен пръстен

Хетероциклените съединения с три атома в пръстена са по-скоро реактивни от любезното съдействие на пръстеновидния щам. Хетероцикли, съдържащи един хетероатом, обикновено са стабилни. Онези, съдържащи два хетероатома, се срещат като реактивоспособни междинни съединения.

Оксирани, известни също като епоксиди, са най-често срещаните 3-членен хетероцикъл. Оксираните се получават чрез взаимодействие на перкиселини с алкени с добра стереоспецифичност. Оксираните са по-реактивни от ненаситените етери, благодарение на високия ъгъл щам на 3-членения пръстен. Реакциите на добавяне, които протичат чрез нуклеофилно и електрофилно отваряне на пръстена, са най-общия клас на реакция.

Една такава реакция е свързана с фармакологичното действие на азотните мустарди, което е сред първите антиракови лекарства, които се разработват. Затварянето на вътремолекулния пръстен, както в случая на противораковото средство мехлоретамин, образува междинен азиридиев йон. Образуваният биологично активен агент атакува пролифериращи клетки, включително ракови клетки чрез инхибиране на тяхната ДНК репликация. Азотни мустали също са използвани като противоракови средства.

Търговски азиридин и оксиран са важни промишлени химически вещества. При масивно производство на оксиран, етилен директно реагира с кислород. Химическата реакция, която е най-характерната за тези 3-членещи пръстени, е, че те са податливи на атака от нуклеофилни реагенти за отваряне на пръстена, както е показано по-долу:

Най-често срещаните трима възрастни хетероциклични съединения с един хетероатом включват:

Наситен Ненаситените
Тириран (еписулфиди) Thiirene
Phosphirane Phosphirene
Епоксиди (оксиран, етилен оксид) оксилен
азиридинова Azirine
Borirane Borirene

Най-често срещаните три-членен хетероциклични съединения с два хетероатома включват диазиридин като наситено производно и диазирин като ненаситено производно, както и диоксиран и оксазиридин.

Четиричленни пръстени

Различни методи за получаване на хетероцикли на 4-членен пръстен са показани на диаграмата по-долу. Процесът на реагиране на амин, тиол или 3-хало с основа е типично ефективен, но с посредствени добиви. Димеризацията и елиминирането са типични странични реакции. При реакцията могат да се конкурират и други функции.

В първия пример, циклизирането до оксиран винаги се конкурира с образуването на тиетан, но по-високата нуклеофилност доминира, особено ако се използва слаба база.

Във втория пример, образуването на азетидин и азиридин е възможно, но само последното се вижда. Пример номер четири показва, че този подход към образуването на азетидин функционира добре, ако няма конкуренция.

В третия пример, твърдата конфигурация на субстрата благоприятства образуването на оксетан и предотвратява циклизирането на оксиран. В примерите 5 и 6, фото-цицилизациите на Paterno-Buchi са особено подходящи за образуването на оксетан.

Методи за получаване на 4-членен пръстенен хетероцикъл

Реакциите

Реакции на 4-членен хетероциклични съединения също така демонстрират влияние на напрежението в пръстена. Следната диаграма показва някои примери. Киселинната катализа е типична характеристика на различните реакции за отваряне на пръстена, демонстрирани в примери 1,2 и 3a. В реакцията 2 на тиетана, сярата претърпява електрофилна хлоризация, водеща до образуване на хлоросулфониево междинно съединение и заместване на хлориден йон, който отваря пръстена. В реакцията 3b също се вижда, че силни нуклеофили отварят напрежения етер. Реакциите на разцепване на бета-лактоните могат да се случат или чрез киселинно-катализиран ацилен обмен, както се вижда в 4a. Тя може да се осъществи и чрез разкъсване на алкил-О с нуклеофили, като например 4b.

Примерният номер 6 показва интересен феномен на вътрешномолекулно прегрупиране на орто-естер. Реакция 6 показва бета-лактамово разцепване на пеницилин G, което обяснява засилената реакция на ацилиране на кондензираната пръстенна система.

Примери за реакции на 4-членен хетероциклични съединения

Най-полезно хетероциклични съединения с 4-членни пръстени са две серии антибиотици, цефалоспорини и пеницилини. Двете серии съдържат азетидинонов пръстен, който също е известен като бета-лактамен пръстен.
Много оксетани се изследват като антивирусни, противоракови, противовъзпалителни и противогъбични средства. Оксетаноните, от друга страна, се прилагат предимно в селското стопанство като бактерициди, фунгициди и хербициди и в производството на полимери.
Родителският тиетан е открит в шистовото масло, докато неговите ароматни деривати работят като маркер за аромати за европейски орехи, порове и норци. Тигените се прилагат като фунгициди и бактерициди в боята, като инхибитори на корозията на желязо, и в производството на полимери.

Четиричленни съединения с един хетероатом

Хетероатом Наситени Ненаситени

Хетероатомна Наситен Ненаситените
Сяра тиетанов Azete
Кислород оксетан Oxete
Азот азетидин Azete

Четири членни пръстени съединения с два хетероатома

Хетероатомна Наситен Ненаситените
Сяра Dithietane Dithiete
Кислород диоксетан Dioxete
Азот Diazetidine Diazete

5-членни пръстени с един хетероатом

Тиофенът, фуранът и пиролът са основните ароматни съединения на хетероцикли с 5-членен пръстен. Ето техните структури:

Наситените производни на тиофен, фуран и пирол са съответно тиофан, тетрахидрофуран и пиролидин. Бицикличните съединения, получени от тиофен, фуран или пиролов пръстен, кондензирани към бензенов пръстен, са известни като бензотиофен, бензофуран, изоиндол (или индол) съответно.
Азотният хетероцикличен пирол обикновено се среща в костното масло, което се образува чрез разлагане на протеините чрез силно нагряване. Пироловите пръстени се намират в аминокиселините като хидроксипролин и пролин, които са компоненти на различни белтъци, които присъстват във високи концентрации в структурния протеин на сухожилията, сухожилията, кожата и костите и колагена.
Пироловите производни се намират в алкалоидите. Никотинът е най-често познатият пирол, който съдържа алкалоид. Хемоглобинът, миоглобинът, витамин B12 и хлорофилите се образуват чрез свързване на четири пиролови единици в голяма пръстенна система, наречена порфирин, като тази на хлорофил В, показана по-долу.

Пигментите на жлъчката се образуват чрез разлагане на порфиринов пръстен и имат верига от 4 пиролови пръстени.
Получаване на 5-членен пръстенен хетероцикъл
Индустриалното приготвяне на фуран протича, както е показано по-долу, чрез алдехида, фурфурала, който се генерира от пентоза, която съдържа суровини като царевица. Подобни препарати на тиофен и пирол са показани на втория ред уравнения.
Третият ред от уравнение 1 показва общото получаване на заместени тиофени, пироли, фурани от 1,4-дикарбонилни съединения. Бяха стартирани много други реакции, водещи до образуване на заместени хетероцикли от този тип. Две от тези процедури са показани във втората и третата реакция. Фуранът се редуцира чрез катализирано от паладий хидрогениране до тетрахидрофуран. Този цикличен етер е ценен разтворител, който може не само да бъде превърнат в 4-халоалкилсулфонати, но и 1,4-дихалобутани, които могат да бъдат използвани за получаване на тиолан и пиролидин.

Пет-членен пръстен съединения с един хетероатом

Хетероатомна Ненаситените Наситен
Антимон Stibole Stibolane
арсен Arsole Arsolane
бисмут Bismole Bismolane
Бор Borole Borolane
Азот пирол Пиролидин
Кислород фуран тетрахидрофуран

5-членен пръстен с 2 хетероатоми

Петчленните пръстенни съединения, съдържащи хетероатоми 2 и поне един от хетероатомите са азот, са известни като азоли. Изотиазолите и тиазолите имат азотен и серен атом в пръстена. Съединения с два серни атома са известни като дитиолани.

Хетероатомна Ненаситени (и частично ненаситени) Наситен
Азот

/ азот

Пиразол (пиразолинов)

Имидазол (имидазолин)

Пиразолидин

Имидазолидин

Азот / кислород Амид

Оксазолин (оксазол)

изоксазолидин

оксизолидин

Азот / сяра изотиазоло

Тиазолин (тиазол)

изотиазолидин

тиазолидин

Кислород / кислород Диоксоланова
Сярата / сяра дитиоланов

Някои пиразоли се срещат естествено. Съединения от този клас се получават чрез взаимодействие на 1,3-дикетони с хидразини. Повечето синтетични пиразолови съединения се използват като лекарства и багрила. Те включват тренировъчен аналгетичен аминопирин, фенибутазон, използван при лечение на артрит, боя на влакна и жълт хранителен тартразин, както и повечето бои, използвани в цветната фотография като сенсибилизиращи агенти.

5-членен пръстен с 3 хетероатоми

Съществува и голяма група от петчленни пръстенни съединения с най-малко 3 хетероатоми. Един пример за такива съединения са дитиазоли, които съдържат азотен атом и две сяра.

6-членен пръстен с 1 хетероатом

Използваната номенклатура в моноцикличните азотсъдържащи 6-членни пръстенови съединения е по-долу. Позициите на пръстена за пиридин са показани, арабските цифри са по-предпочитани от гръцките букви, въпреки че се използват и двете системи. Пиридоните са ароматни съединения, благодарение на приноса към резонансния хибрид от заредените резонансни форми, както е демонстрирано за 4-пиридона.

Два основни коензими, участващи в различни важни метаболитни реакции в клетките, NAD (известен също като коензим 1) и NADP (известен също като coenyme II), са получени от никотинамид.
По-голямата част от алкалоидите съдържат пиперидинова или пиридинова пръстенна структура, сред които пиперин (представлява един от съдържанието на черни и бели пиперки с остра дегустация) и никотин. Техните структури са показани по-долу.

Пиридинът, който някога е извлечен от каменовъглен катран, но сега се приготвя катализаторно от амоняк и тетрахидрофурфурилов алкохол, е ключово междинно вещество и разтворител, използван за производството на други съединения. Винилпиридини са важни мономерни строителни блокове от пластмаси и напълно наситен пиперидин, пиридин се използва като химическа суровина и обработка на каучук.

Фармацевтично полезни пиридини

Фармацевтично приложимите пиридини включват хидразид на изоникотиновата киселина (туберкулостатичен изониазид), лекарството против СПИН-вирус, известно като невирапин, никорандил - апазодилатор, използван за контрол на ангина, феназопиридин - аналгетик на уринарния тракт, както и противовъзпалително лекарство сулфа. Дифлуфеникан, клопиралид, паракват и дикват са популярни пиридинови производни, които се използват като хербициди.

6-членен пръстен с 2 или повече хетероатоми

3 моноциклените шест-членен пръстен хетероцикли с 2 азотни хетероатоми (диазини) са номерирани и означени както е показано по-долу.

Малеиновият хидразид е пиридазиново производно, използвано като хербицид. Някои пиразини, като аспергиловата киселина, се срещат естествено. Тук са структурите на гореспоменатите съединения:

Пиразиновият пръстен е компонент на различни полициклични съединения с промишлено и биологично значение. Важни членове на семейството на пиразина са феназини, алоксазини и птеридини. Фармакологично и биологично най-важните диазини са пиримидини. Цитозин, тимин и урацил са 3 на 5 нуклеотидните бази, които съставляват генетичния код в РНК и ДНК. По-долу са техните структури:

Витамин тиаминът има пиримидинов пръстен и в допълнение към синтетичните барбитурати, включително амобарбиталът, са често използвани лекарства. Морфолин (основен тетрахидро-1,4-оксазин) се произвежда в голям мащаб за използване като фунгицид, инхибитор на корозията и разтворител. Морфолинов пръстен се намира също в седативно-хипнотичния лекарствен триметозин и някои фунгициди като фенпропиморф и тридеморф. Ето структурната формула за морфолин:

7-членен пръстен

Тъй като размерът на пръстена се увеличава, разнообразието на съединенията, които могат да бъдат получени чрез промяна на местоположението, типа и броя на хетероатомите, нараства значително. Въпреки това, химията на хетероцикли с 7-членен пръстен или повече е по-слабо развита от тази на 6 и 5-членен пръстенен хетероциклични съединения.
Оксипенови и азепинови пръстени са важни съставки на различни естествено срещащи се метаболитни продукти на морските организми и алкалоиди. Азепиновото производно, известно като капролактам, се произвежда в насипно състояние в насипно състояние за използване при производството на найлон-6 като междинен продукт и при производството на синтетична кожа, покрития и филми.
7-членните хетероциклени съединения с два или един азотен атом в пръстена са структурни единици на широко използваните психофармацевтици Prazepine (трицикличен антидепресант) и транквилизатор диазепам, познат също като валий.

8-членен пръстен

Примери за хетероциклени съединения в този клас включват азокан, оксокан и тиокан с азот, кислород и сяра, които са съответните хетероатоми. Техните съответни ненаситени производни са съответно азоцин, оксоцин и тиоцин.

9-членен пръстен

Примери за хетероциклени съединения в този клас включват азонан, оксонан и тионан с азот, кислород и сяра, които са съответните хетероатоми. Техните съответни ненаситени производни са съответно азонин, оксонин и тионин.

Използване на хетероциклични съединения

Хетероцикли са полезни в няколко области на науките за живота и технологиите. Както вече видяхме в нашата дискусия, много лекарства са хетероциклични съединения.

Препратки

IUPAC Gold Book, хетероциклични съединения. линк:

WH Powell: Преразглеждане на разширената Система за номенклатура на Хетероскон-Видман за хетеромоноцикли, в: Pure Appl. Chem.1983, 55, 409-416;

А. Hantzsch, JH Weber: Уибър Вербиндунг де Тиазоли (Пиридини на Тиофени), в: Бер. Dtsch. Chem. Ges. 1887, 20, 3118-3132

O. Widman: Zur Nomenclature der Verbindungen, който се намира в сърцевината, в: J. Prakt. Chem. 1888, 38, 185-201;