Blog

Die meeste invloedryke heterosiklusse in die wêreld

Die meeste invloedryke heterosiklusse in die wêreld

Heterosikliese verbindings

'N heterosikliese verbinding, ook bekend as 'n ringstruktuur, is basies 'n verbinding wat atome van twee afsonderlike elemente bevat as lede van sy ring / ringe. Heterosikliese verbindings vorm waarskynlik die mees gevarieerde en die belangrikste deel van die familie van organiese verbindings.

Ongeag van funksionaliteit en struktuur, kan elke karboksikliese verbinding omskep word in verskeie heterosikliese analoga deur net een of meer koolstofringatome met 'n ander element te vervang. As gevolg daarvan het heterosiklusse 'n platform aangebied vir die uitruil van navorsing op verskeie gebiede, insluitend maar nie beperk tot farmaseutiese, medisinale, analitiese en organiese chemie van heterosikliese verbindings nie.

Die belangrikste voorbeelde van heterosikliese verbindings is die meeste dwelms, nukleïensure, die meerderheid van sintetiese en natuurlike kleurstowwe, en 'n meerderheid biomassa soos sellulose en verwante materiale.

Klassifikasie

Alhoewel heterosikliese verbindings organiese of anorganiese verbindings mag wees, het die meeste die meeste van die koolstof. Hierdie verbindings kan volgens hul elektroniese struktuur geklassifiseer word. Versadigde heterosikliese verbindings tree op dieselfde manier as asikliese afgeleides. As gevolg daarvan is tetrahydrofuran en piperidien konvensionele eters en amiene met gewysigde steriese profiele.

Die studie van heterosikliese chemie fokus dus hoofsaaklik op onversadigde derivate en toepassings behels onbeheerde vyf sowel as sesledige ringe. Dit sluit furaan, pirrol, tiofeen en piridien in. Die volgende groot klas heterosikliese verbindings is saamgesmelt tot benseenringe, wat vir furaan, pirrol, tiofeen en piridien onderskeidelik benzofuraan, indool, bensotiofen en kinolien is. As twee benseenringe gefuseer word, lei dit tot 'n ander groot familie van verbindings, wat dibenzofuran, karbool, dibenzotiofen en aridien is. Onversadigde ringe kan geklassifiseer word op grond van die deelname van 'n heteroatom in die pi-stelsel, vervoegde stelsel.

Voorbereiding en reaksies

3-ledige ringe

Heterosikliese verbindings met drie atome in 'n ring is veel meer reaktief met vergunning van die ringspanning. Heterosiklusse wat een heteroatoom bevat, is oor die algemeen stabiel. Die een wat twee heteroatome bevat, kom in die algemeen voor as reaktiewe middel.

Oksirane, ook bekend as epoksiede, is die mees algemene 3-ledige heterosiklusse. Oksirane word voorberei deur persure met alkene te reageer, met goeie stereospesifisiteit. Oksirane is meer reaktief as onversadigde eters met vergunning van die hoëhoekspanning van die 3-ledige ring. Addisie reaksies wat voortgaan met 'n nukleofiele en elektrofiliese opening van die ring is die mees algemene reaksieklas.

'N Reaksie van hierdie aard is betrokke by die farmakologiese werking van stikstofmoestyne wat onder die heel eerste anticancer-middels ontwikkel is. Sluiting van intramolekulêre ring soos in die geval van antikankermiddel mechloretamien vorm 'n intermediêre aziridiumioon. Die gevormde biologies-aktiewe middel aanvalle prolifererende selle wat kankerselle insluit deur inhibisie van hul DNA-replisering. Stikstof-mosterds is ook gebruik as antikankermiddels.

Kommersieel aziridien en oksirane is noodsaaklike grootmaat industriële chemikalieë. Op grootskaalse produksie van oksirane word etile direk met suurstof gereageer. Die chemiese reaksie, wat die mees kenmerkende van hierdie 3-ledige ringe is, is dat hulle vatbaar is vir aanvalle deur nukleofiele reagense om die ring oop te maak soos hieronder aangedui:

Die mees algemene drie-ledige heterosikliese verbindings met een heteroatoom sluit in:

Versadigde onversadigde
Thiirane (episulfides) Thiirene
Phosphirane Phosphirene
Epoksiede (oksiraan, etileenoksied) Oxirene
Aziridine Azirine
Borirane Borirene

Die algemeenste drie-ledige heterosikliese verbindings met twee heteroatome sluit in Diaziridine as 'n versadigde afgeleide en Diazirien as 'n onversadigde afgeleide sowel as Dioxirane en Oxaziridine.

Vier-ledige ringe

Verskeie metodes vir die voorbereiding van 4-ledige heterosiklusse word in die diagram hieronder getoon. Die proses om 'n amien-, tiol- of 3-halo met 'n basis te reageer is tipies effektief, maar met middelmatige opbrengste. Dimerisering en eliminasie is tipiese newe-reaksies. Ander funksies kan ook in die reaksie meeding.

In die eerste voorbeeld kompeteer siklisasie na 'n oksiraan altyd met vorming van thietaan, maar die hoër nukleofilisiteit oorheers veral as 'n mens 'n swak basis gebruik.

In die tweede voorbeeld is die vorming van beide azetidien en aziridien moontlik, maar slegs laasgenoemde word gesien. Voorbeeld nommer vier toon dat hierdie benadering tot die vorming van azetidien goed funksioneer as daar geen mededinging is nie.

In die derde voorbeeld bevoordeel die rigiede konfigurasie van die substraat die vorming van oksetaan en voorkom die oksilering van oksiraan. In voorbeelde 5 en 6 is die Paterno-Buchi photocyclizations veral geskik vir die vorming van oksetaan.

Metodes om 4-ledige heterosiklusse te berei

Reaksies

Reaksies van 4-lede heterosikliese verbindings demonstreer ook ringspanning beïnvloed. Die volgende diagram toon enkele voorbeelde. Suurkatalise is 'n tipiese kenmerk van verskeie ringopeningreaksies wat in voorbeelde 1,2 en 3a aangetoon word. In reaksie 2 van thietaan ondergaan swael elektroliese chlorering wat lei tot die vorming van chlorosulfonium intermediêre en vervanging van ring-opening chloriedioon. In reaksie 3b word sterk nukleofiele ook gesien om die gespanne eter oop te maak. Beta-laktone se splytingsreaksies kan óf deur middel van suur gekataliseerde asieluitruiling gebeur, soos gesien in 4a. Dit kan ook deur middel van alkiel-O-ruptuur deur nukleofiele plaasvind, soos in 4b.

Voorbeeld nommer 6 toon 'n interessante verskynsel van intramolekulêre herrangskikking van die ortoester. Reaksie 6 toon Beta-laktam splyting van penisillien G wat die verbeterde asileringsreaksie van die gesmeltingsstelsel verduidelik.

Voorbeelde van reaksies van 4-ledige heterosikliese verbindings

Die nuttigste heterosikliese verbindings met 4-ledige ringe is twee reekse antibiotika, die kefalosporiene en penisilliene. Die twee reekse bevat azetidienoonring wat ook bekend staan ​​as Beta-laktamring.
Baie oksetane word ondersoek as antivirale, antikanker, anti-inflammatoriese en antifungale middels. Oksetanone, aan die ander kant, word meestal in die landbou as bakteriedoders, swamdoders en onkruiddoders en in die vervaardiging van polimeer gebruik.
Ouer thietane is in skalieolie aangetref terwyl sy reuk-afgeleides as geurmarkers vir Europese polecats, frette en minkies werk. Thietanes word as swamdoders en bakteriedoders in die verf, as ysterkorrosie-inhibeerders, en in die vervaardiging van polimere toegedien.

Vierledige ringe verbindings met 'n enkele heteroatom

Heteroatom Versadigde Onversadigde

hetero Versadigde onversadigde
Swael Thietane Azete
Suurstof Oxetane Oxete
Stikstof Azetidine Azete

Vierledige ringe verbindings met twee heteroatome

hetero Versadigde onversadigde
Swael Dithietane Dithiete
Suurstof Dioxetane Dioxete
Stikstof Diazetidine Diazete

5-ledige ringe met 'n enkele heteroatom

Thiofeen, furaan en pirrol is die ouer aromatiese verbindings van 5-ledige heterosiklusse. Hier is hulle strukture:

Die versadigde derivate van tiofeen, furaan en pirrol is onderskeidelik tiophaan, tetrahydrofuran en pirrolidien. Bikliese verbindings gemaak van tiofeen, furaan of pirrolring wat aan 'n benseenring gefuseer is, staan ​​bekend as bensotiofen, bensofuran, isoindool (of indool) onderskeidelik.
Stikstof heterosiklus-pirrol kom tipies voor in botolie wat gevorm word deur die ontbinding van proteïene deur sterk verhitting. Die pirrolringe word aangetref in die aminosure soos hidroksiprolien en proline wat komponente van verskillende proteïene teenwoordig is in hoë konsentrasies in strukturele proteïene van ligamente, tendons, vel en bene en kollageen.
Pyrrole-afgeleides word in die alkaloïede aangetref. Nikotien is die bekendste pirrol wat alkaloïed bevat. Hemoglobien, mioglobien, Vitamien B12 en chlorofille word almal gevorm deur vier pyrroleenhede in 'n groot ringstelsel genoem porfyrien, soos dié van chlorofil B, hieronder getoon.

Galpigmente word gevorm deur ontbinding van porfyrienring en het 'n ketting 4-pirrolringe.
Voorbereiding van 5-ledige heterosiklusse
Industriële voorbereiding van furan verloop soos hieronder getoon deur die manier van aldehid, furfuraal, wat gegenereer word uit pentose wat grondstowwe soos maalvleis bevat. Soortgelyke preparate van tiofeen en pirrol word in die tweede ry vergelykings getoon.
Die derde ry van vergelyking een toon die algemene voorbereiding van gesubstitueerde tiofiene, pirroles, furane uit 1,4-dikarbonielverbindings. Baie ander reaksies wat tot die vorming van gesubstitueerde heterosiklusse van hierdie tipe gelei het, is begin. Twee van hierdie prosedures is in die tweede en derde reaksie getoon. Furan word verminder deur palladium-gekataliseerde hydrogenering na tetrahydrofuran. Hierdie sikliese eter is 'n waardevolle oplosmiddel wat nie net omgeskakel kan word na 4-haloalkylsulfonate nie, maar ook 1,4-dihalobutane wat gebruik kan word om tiolaan en pirrolidien te berei.

Vyfledige ringe verbindings met 'n enkele heteroatom

hetero onversadigde Versadigde
antimoon Stibole Stibolane
arseen Arsole Arsolane
bismut Bismole Bismolane
Boor Borole Borolane
Stikstof Pyrrole Pyrrolidine
Suurstof Furan Tetrahydrofuran

5-ledige ringe met 2-heteroatome

Die vyfledige ringverbindings wat 2-heteroatome bevat en ten minste een van die heteroatome is stikstof, staan ​​bekend as azole. Isotiasole en tiasole het 'n stikstof- en swaelatoom in die ring. Verbindings met twee swaelatome staan ​​bekend as Dithiolane.

hetero Onversadigde (en gedeeltelik onversadigde) Versadigde
Stikstof

/ stikstof

Pyrazole (Pyrazoline)

Imidasool (Imidazoline)

Pyrazolidine

Imidazolidine

Stikstof / suurstof Isoxazole

Oxazoline (oxazole)

Isoxazolidine

oxazolidine

Stikstof / swael Isothiazole

Tiasolien (Tiasool)

Isothiazolidine

Thiazolidine

Suurstof / suurstof Dioxolane
Swael / swael Dithiolane

Sommige pyrazole kom natuurlik voor. Verbindings van hierdie klas word voorberei deur 1,3-diketone met hidrasiene te reageer. Die meeste sintetiese pyrazoolverbindings word as medisyne en kleurstowwe gebruik. Dit sluit in koorsverminderende pynstillende aminopirien, fenobutasoon wat gebruik word in artritisbehandeling, die veselverf en geelkleurtartrasien, en die meerderheid kleurstowwe wat in kleurfotografie gebruik word as sensibiliserende middels.

5-ledige ringe met 3-heteroatome

Daar bestaan ​​ook 'n groot groep vyfledige ringverbindings met ten minste 3-heteroatome. Een voorbeeld van sulke verbindings is diasiasole wat 'n stikstofatoom en twee swael bevat.

6-ledige ringe met 1 heteroatoom

Die nomenklatuur wat in monosikliese stikstofbevattende 6-ledige ringverbindings gebruik word, is hieronder. Posisies op die ring vir piridien word getoon, Arabiese syfers is meer verkies om Griekse letters, alhoewel beide stelsels gebruik word. Pyridone is aromatiese verbindings met vergunning van bydraes tot resonansiebaster vanaf opgelaaide resonansvorms soos aangetoon vir die 4-piridoon.

Twee belangrike koenzyme betrokke by verskeie belangrike metaboliese reaksies in selle, NAD (ook bekend as coenzyme1) en NADP (ook bekend as coenyme II), is afgelei van nikotinamied.
Die meerderheid alkaloïede bevat 'n piperidien- of piridienringstruktuur, onder andere piperine (vorm een ​​van die skerp-proe-inhoud van swart en witpeper) en nikotien. Hul strukture word hieronder getoon.

Pyridien wat een keer uit steenkool teer verkry is, maar nou katalities uit ammoniak en tetrahydrofurfurielalkohol voorberei word, is 'n belangrike middel en oplosmiddel wat gebruik word om ander verbindings te vervaardig. Vinylpyridiene is belangrike monomeer boublokke van plastiek, en ten volle versadigde piperidien, piridien word gebruik as chemiese rou materiaal en rubber verwerking.

Farmaseuties bruikbare piridiene

Farmaseuties bruikbare piridiene sluit in die isonikotiensuurhidrasied (tuberkulostaat-isoniazid), die anti-vigs-virusdwelm bekend as nevirapien, nikorandilavasodilator wat gebruik word vir die beheer van angina, fenasopiridien- die urienweg-analgetiese sowel as die anti-inflammatoriese sulfa-middel. Diflufenican, clopyralid, paraquat en diquat is gewilde piridienderivate wat as onkruiddoders gebruik word.

6-ledige ringe met 2 of meer heteroatome

Die 3-monosikliese ses-ledige heterosiklusse met 2-stikstof heteroatome (diaziene) word genommer en genoem soos hieronder aangedui.

Maleiese hidrasied is 'n piridasienderivaat wat as 'n onkruiddoder gebruik word. Sommige pyraziene soos aspergilliensuur kom natuurlik voor. Hier is die strukture van die bogenoemde verbindings:

Pyrazine ring is 'n komponent van verskeie polisikliese verbindings van industriële en biologiese belang. Belangrike lede van pyrazine familie is fenasiene, alloxasiene en pteridiene. Farmakologies en biologies is die mees belangrike diaziene pirimidiene. Sitositien, tymien en urasil is die 3 van die 5-nukleotiedbasisse wat die genetiese kode in RNA en DNA vorm. Hieronder is hul strukture:

Vitamienthiamine het 'n pyrimidienring en benewens sintetiese barbiturate insluitend amobarbital, word algemeen gebruikte middels gebruik. Morfolien (ouer tetrahydro-1,4-oksasien) word op groot skaal vervaardig vir gebruik as 'n swamdoder, korrosie-inhibeerder en 'n oplosmiddel. Morfolienring word ook aangetref in die sedatief-hipnotiese geneesmiddeltrimetosien en sommige swamdoders soos fenpropimorf en tridemorf. Hier is die struktuurformule vir morfolien:

7-ledige ringe

Namate die ringgrootte toeneem, kan die verskeidenheid van die verbindings wat verkry word deur die ligging, tipe en die aantal heteroatome te verander, enorm toeneem. Die chemie van heterosiklusse met 7-ledige ringe of meer is egter minder ontwikkel as dié van 6- en 5-ledige heterosikliese verbindings.
Oksepien- en Azepienringe is belangrike bestanddele van verskeie natuurlike metaboliese produkte van mariene organismes en alkaloïede. Die azepiene afgeleide, bekend as caprolactam, word in grootmaat vervaardig vir gebruik in die vervaardiging van nylon-6 as 'n intermediêre en in die vervaardiging van sintetiese leer, bedekkings en films.
7-ledige heterosikliese verbindings met twee of een stikstofatoom in hulle ring, is strukturele eenhede van algemeen gebruikte psigofarmatika Prazepine (trisikliese antidepressante) en kalmeringsdiazepam, ook bekend as valium.

8-ledige ringe

Voorbeelde van heterosikliese verbindings in hierdie klas sluit in azokaan, oksokaan en tiokaan met stikstof, suurstof en swael wat die onderskeie heteroatome is. Hul onderskeie onverzadigde derivate is onderskeidelik azokien-, oksosien- en tiokien.

9-ledige ringe

Voorbeelde van heterosikliese verbindings in hierdie klas sluit in azonaan, oksonaan en tionaan met stikstof, suurstof en swael wat die onderskeie heteroatome is. Hul onderskeie onverzadigde derivate is onderskeidelik azonien, oksonien en tioïen.

Gebruik van heterosikliese verbindings

Heterosiklusse is nuttig in verskeie areas van lewenswetenskappe en tegnologie. Soos ons reeds in ons bespreking gesien het, is baie dwelms heterosikliese verbindings.

Verwysings

IUPAC Gold Book, heterosikliese verbindings. Link:

WH Powell: Hersiening van die uitgebreide Hantzsch-Widman-stelsel van nomenklatuur vir heteromonosiele, in: Suiwer Appl. Chem.1983, 55, 409-416;

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

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