Click here to load reader

Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilište ...20].pdf · Pirimidin - strukture diazina su analogne (2 N atoma i dva elektron. para) STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

  • View
    259

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilište ...20].pdf · Pirimidin - strukture...

  • KEMIJA HETEROCIKLA

    akad. god. 2013/2014

    Doc. dr. sc. Tatjana Gazivoda Kraljevi

    FAKULTET KEMIJSKOG INENJERSTVA I TEHNOLOGIJE

    SVEUILITE U ZAGREBU

  • LITERATURA

    J.A. Joule, K. Mills, Heterocyclic Chemistry, Wiley-VCH, 5th Ed,

    2010.

    T. Eicher, S. Hauptmann, The Chemistry of Heterocycles, Wiley-

    VCH, 2003.

    A.R. Katritzky, C.A. Ramsden, J.A. Joule, V.V. Zhdankin,

    Handbook of Heterocyclic Chemistry, Elsevier, 3rd Ed, 2010.

    M.B. Smith, J. March, Marchs Advanced Organic Chemistry,

    Wiley-VCH, 6th Ed, 2007.

  • UVOD

    NOMENKLATURA HETEROCIKLIKIH SPOJEVA

    MONOCIKLIKI HETEROCIKLI

    TROLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

    ETVEROLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

    PETEROLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

    ESTEROLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

    SEDMEROLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

    FUZIJSKI HETEROCIKLIKI SUSTAVI

    MAKROCIKLIKI SUSTAVI

    SEMINARSKI RADOVI (PREZENTACIJE)

    SADRAJ KOLEGIJA

  • UVOD

    HETEROCIKLI (gr. hteros=drugi i kklos= krug) spojevi koji imaju prsten

    nainjen od raznolikih atoma, a ne samo atoma iste vrste

    cikliki spojevi koji u prstenu imaju najmanje jedan atom koji nije ugljikov

    (heteroatom)

    uz ugljikov atom se nalaze i drugi atomi, od kojih su najei: duik, kisik i sumpor

    HETEROCIKLIKI SPOJEVI najbrojnija skupina organskih spojeva, oko 50% svih

    organskih spojeva ima u svojoj strukturi ugraen barem jedan heterocikliki prsten

    nukleinske kiseline, proteini, vitamini, ugljikohidrati, alkaloidi

    primjena u medicinskoj kemiji i farmaceutskoj industriji, u veterini, kao

    agrokemikalije, u tekstilnoj industriji kao bojila, pigmenti i optika bjelila, u

    prehrambenoj industriji kao aditivi i antioksidansi, inhibitori korozije, u optikoj i

    elektronikoj industriji

    u organskoj sintezi kao vrlo uinkoviti meuprodukti i prekursori

    velika mogunost u variranju razliitih struktura a time i fizikalno-kemijskih

    svojstava heterociklikih derivata

    strukturne varijacije ukljuuju zamjenu heteroatoma u prstenu i pozicioniranje na

    razliitim mjestima unutar istog prstena, mogunost ugraivanja razliitih

    funkcionalnih skupina kao supstituenata ili kao dio samog prstena

  • UVOD PRIMJERI PETEROLANIH HETEROCIKLA

    PRIMJERI ESTEROLANIH HETEROCIKLA

    PRIMJERI BICIKLIKIH HETEROCIKLA

  • UVOD HETEROCIKLIKI SPOJEVI rasprostranjeni u prirodi purinske i pirimidinske baze

    (DNA i RNA), sastojci hrane vitamini B1, B2, B3, B6, vitamin C (L-askorbinska kiselina), klorofil i hem (derivati porfirinskog prstena),

    N

    N NH

    N

    adenin

    NH2

    H

    H

    HN

    N NH

    N

    gvanin

    O

    H2N

    H6

    6

    2

    N

    NH

    citozin

    NH2

    O

    HN

    NH

    uracil

    O

    O

    HN

    NH

    timin

    O

    O

    CH3

    2 22

    44 4

    5

    vitamin B1-tiamin vitamin B2-riboflavin

    vitamin B3 nikotinamid

    vitamin B6-piridoksin vitamin C nikotinamid

  • UVOD

    vitamin B12

    hem

    klorofil

    indigo

    kokain

    morfin (O,O-diAc

    heroin)

  • UVOD N-HETEROCIKLI najzastupljenija skupina heterociklikih spojeva

    vane strukturne podjedinice u organskoj sintezi ligandi za metalne komplekse organometalna kemija

    farmaceutska industrija bioloki aktivne molekule

    folna kiselina

    NAD+

    ATP

    glivec

  • PODJELA HETEROCIKLA ZASIENI (heterocikloalkani)reagiraju slino kao njihovi alifatski analozi

    DJELOMINO NEZASIENI (heterocikloalkeni)ako je nezasiena veza izmeu 2 C atoma, reagiraju slino kao alkeni ili alkini

    NEZASIENI

    heteroanuleni s maksimalnim brojem nekumuliranih dvostrukih veza

    heteroaromatski spojevi heteroanuleni koji zadovoljavaju Hckelovo pravilo aromatinosti (4n + 2p)

  • NOMENKLATURA HETEROCIKLA

    1. TRIVIJALNA NOMENKLATURA - imena obino imaju veze s podrijetlom,

    specifinim karakteristikama ili nainu na koji je neki spoj prvi put

    prireen

    2. HANTZCSH-WIDMANOVA NOMENKLATURA sistemska nomenklatura za monociklike strukture s najvie 10 atoma u prstenu; ime heterocikla

    uvijek sadri prefiks koji ukazuje na vrstu heteroatoma u prstenu i

    osnovnu komponentu koja ukazuje na veliinu prstena i prisutnost ili

    izostanak dvostrukih veza

    3. ZAMJENSKA NOMENKLATURA zamjena jednog ili vie ugljikovih atoma

    heteroatomom; heteroatomi se oznaavaju prefiksima

  • TRIVIJALNA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

    pirol grki plameno-crven

    oboji se u nekim okolnostima

    furfurol ulje od posija

    izoliran destilacijom

    pikolin lat. picatust-smolast

  • TRIVIJALNA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

  • TRIVIJALNA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

  • Imena ovih zasienih heterocikla ne koriste se u fuzijskim imenima

    3,4-dihidro-2H-1,4-benzoksazin

    (NE benzomorfolin)

    TRIVIJALNA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

  • NOMENKLATURA HETEROCIKLA

    Monocikliki spojevi koji imaju deset ili manje lanova u prstenu, a

    sadre jedan ili vie heteroatoma mogu se imenovati prema

    proirenom Hantzsch-Widmanov sustavu. Ime se gradi iz prefiksa za

    oznaavanje heteroatoma i nastavka koji pokazuje veliinu prstena i

    da li je zasien ili nezasien. Prefiksi koji oznauju heteroatome navode se redoslijedom kao u tablici, a heteroatomi u strukturi

    numeriraju se prema naelima dalje opisanim

    prefiks za

    oznaavanje

    heteroatoma

    + nastavak za

    veliinu prstena

    Hantzsch-Widmanov sustav

  • Element Vezni broj

    valencija

    Prefiks Element Vezni broj

    valencija

    Prefiks

    O 2 (II) oksa Bi 3 (III) bizma

    S 2 (II) tia Si 4 (IV) sila

    Se 2 (II) selena Ge 4 (IV) germa

    Te 2 (II) telura Sn 4 (IV) stana

    N 3 (III) aza Pb 4 (IV) plumba

    P 3 (III) fosfa B 3 (III) bora

    As 3 (III) arsa Hg 2 (II) merkura

    Sb 3 (III) stiba

    Hantzsch-Widmanov sustav prefiksa

    (prema opadajuem prioritetnom redoslijedu)

    Tablica 1: PREFIKSI ZA HETEROATOME

    ako su u strukturi prisutna dva ili vie heteroatoma, prefiksi se navode slijedom kojim

    su navedeni u tablici

    dva ili vie heteroatoma iste vrste oznaavaju se sa di, tri, tetra

    numeriranje poinje s najviim heteroatomom u tablici

  • Broj lanova u

    prstenu Prsteni s duikom Prsteni bez duika

    Nezasieni (a) Zasieni Nezasieni (a) Zasieni

    3 - irin - iridin - iren - iran

    4 - et - etidin - et - etan

    5 - ol - olidin - ol - olan

    6 - in (c) - in - an

    7 - epin (c) - epin - epan

    8 - ocin (c) - ocin - okan

    9 - onin (c) - onin - onan

    10 - ecin (c) - ecin - ekan

    (a) U skladu s maksimalnim brojem nekumuliranih veza, hetero-elementi imaju valencije

    navedene u tablici 1

    (c) Oznaava se stavljanjem prefiksa PERHIDRO ispred imena odgovarajueg

    nezasienog spoja

    (e) Veliina prstena koji je sastavljen od 3,4 ili 7-10 lanova oznaava se slogovima, koji

    se izvode na sljedei nain: ir od tri et od tetra, ep od hepta, ok od okta, on

    od nona i ek od deka.

    Hantzsch-Widmanov sustav SUFIKSA

    Nezasiene osnove za prstenove s maksimalnim brojem dvostrukih veza

    Zasiene osnove za prstenove bez dvostrukih veza

  • Trivijalna imena dozvoljena su za neke sustave (pirol, piridin...).

    HANTZCSH-WIDMANOVA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

  • HANTZCSH-WIDMANOVA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

    N

    H

    S

    S

    HN

    NH

    N

    O

    S

    N

    1

    2 3

    1

    2

    34

    5

    1

    23

    4

    1

    2

    34

    5

    1

    4

    aziridin 1,3-ditiolan 1,3-diazetidin 1,3-oksazol 1,4-tiazepin

    ako je u monociklikom prstenu samo jedan heteroatom, njegov poloaj odreuje

    numeriranje

    kad se isti heteroatom nalazi u prstenu vie nego jedanput, numeriranje se izvodi tako

    da heteroatomi dobiju najnie lokante

    kad su heteroatomi razliiti lokant 1 dobiva heteroatom koji je naveden blie poetku

    u Tablici 1.

    numeriranje se tada provodi tako da heteroatomi dobiju najnie lokante, bez obzira na

    vrstu, a postoje li i tada razliite mogunosti prednost ima heteroatom koji se pojavljuje

    najblie poetku u Tablici 1.

    N1

    2

    3

    45

    6

    7

    8

    N

    CHN

    HC

    HCN1

    2

    3

    4

    5

    6

    4 3

    21

    O

    HC CH

    NH

    azocin aziridin 1,2-oksazet

  • dva ili vie heteroatoma iste vrste oznaavaju se sa di, tri, tetra

    dva ili vie razliitih heteroatoma - prefiksi se navode slijedom kojim su

    navedeni u tablici 1; numeriranje poinje s najviim heteroatomom u tablici

    HANTZCSH-WIDMANOVA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

  • ako prsten koji ima maksimalan broj dvostrukih veza ima i zasieni

    atom u prstenu, mjesto tog atoma oznaava se najniim moguim

    brojem s prefiksom H u imenu (lokant)

    HANTZCSH-WIDMANOVA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

  • odgovarajui ugljikovodik se imenuje u onom obliku koji sadri najvei

    mogui broj nekumuliranih dvostrukih veza.

    viak vodika u odnosu na onaj ve prisutan u matinom heterociklikom

    spoju iskazuje se s pomou prefiksa hidro odnosno uporabom H ispred

    imena spoja

    tzv. INDICIRANI VODIK

    S

    S

    CH2S

    CH2S

    1,4-ditianaftalen 4H-1,3-ditianaftalen

    HANTZCSH-WIDMANOVA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

  • 6

    5

    4

    3

    2

    1

    H2C

    NCH

    CH

    NS

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    H2C

    SCH

    CH

    NHS

    6H-1,2,5-tiadiazin 2H, 6H-1,5,2-ditiazin

    numeriranje mora zapoeti od S

    taj uvjet iskljuuje ime 2,1,4-

    tiadiazin, a skup lokanata 1,2,5 ima

    prednost pred skupom 1,3,6

    numeriranje mora zapoeti od S atoma

    zatim se odreuje nii skup lokanata

    za preostale heteroatome bez obzira na

    njihovu vrstu

    HANTZCSH-WIDMANOVA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

  • NOMENKLATURA HETEROCIKLA esterolani aromatski monocikliki duikovi heterocikli

  • esterolani aromatski bicikliki duikovi heterocikli

    NOMENKLATURA HETEROCIKLA

  • NOMENKLATURA HETEROCIKLA

    esterolani monocikliki heterocikli s N, O i S heteroatomima

  • NOMENKLATURA HETEROCIKLA bicikliki sustavi kondenzirani ili fuzijski prstenovi s jednim benzenskim prstenom

    Fuzijski sustavi barem dva susjedna atoma su zajednika za dva ili vie prstena; za neke su dozvoljena trivijalna imena

    ako samo heterocikl ima dozvoljeno trivijalno ime, sistemsko ime sastoji se od prefiksa benzo- i trivijalnog imena heterocikla

    bicikliki sustavi kondenzirani ili fuzijski prstenovi s jednim benzenskim prstenom

    Sustav se podijeli u komponente. Heterocikl je temeljna komponenta. Veze izmeu atoma se oznaavaju slovima a, b, c Slovo u uglatoj zagradi koje dolazi u imenu oznaava koji su atomi temeljne komponente (heterocikla) zajedniki za oba prstena a slovo mora biti ono koje dolazi alfabetski najranije.

  • NOMENKLATURA HETEROCIKLA

    bicikliki sustavi kondenzirani ili fuzijski prstenovi s dva ili vie heterocikla

  • NOMENKLATURA HETEROCIKLA

    Temeljna komponenta je: - duikov heterocikl - prsten s heteroatomom koji je najvii u tablici s prefiksima - komponenta s najveim prstenom - komponenta s najvie heteroatoma - komponenta s najveim brojem heteroatoma razliite vrste - komponenta s najveim brojem heteroatoma koji su najvie u tablici

    bicikliki sustavi kondenzirani ili fuzijski prstenovi s dva ili vie heterocikla

  • NOMENKLATURA HETEROCIKLA ZAMJENSKA NOMENKLATURA zamjena jednog ili vie ugljikovih atoma

    heteroatomom; heteroatomi se oznaavaju prefiksima

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    AROMATINOST

    Hckelovo pravilo planarni cikliki polieni sa (4n+2)p elektrona

    aromatska rezonancijska energija dodatna stabilnost aromatskih spojeva u odnosu na ciklike spojeve s alterirajuim dvostrukim i jednostrukim vezama

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    AROMATINOST

    Piridin jedna CH skupina u benzenu zamijenjena s N atomom

    Razlike u odnosu na benzen:

    odstupanje od pravilne heksagonalne geometrije uzrokovano prisustvom heteroatoma, odnosno kraom C-N vezom

    zamjena H u prstenu sa slobodnim elektronskim parom u sp2 hibridnoj orbitali koji nije ukljuen u aromatski sekstet elektrona a odgovoran je za bazinost piridina

    jaki permanentni dipol elektronegativniji N atom koji uzrokuje induktivnu polarizaciju

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    Piridin elektronegativan N atom uzrokuje induktivnu polarizaciju

    parcijalni negativni naboj je na N atomu a parcijalni pozitivni naboj je na C atomima

    Pirimidin - strukture diazina su analogne (2 N atoma i dva elektron. para)

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    Piridinijev kation

    elektrofilnom adicijom na N atom nastaje piridinijev kation izoelektronski sustav s benzenom, pozitivno nabijen N atom

    Pirilijev kation

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    Pirol, furan, tiofen

    elektroni su dio aromatskog sustava

    elektroni su dio aromatskog sustava

    elektroni su u sp2

    orbitali okomitoj na p orbitalu

    sp2

    orbitala

    2p 3p

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    Pirol

    ciklopentadienilni anion aromatski sustav sa 6 p elektrona rezonancijski stabilan anion

    isti broj elektrona kao ciklopentadienilni anion ali je neutralna molekula zbog N atoma se gubi radijalna simetrija pa nema 5 ekvivalentnih mezomernih oblika; parcijalni negativni naboj je na C atomima a parcijalni pozitivni naboj na N atomu

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA Tiofen i furan

    struktura analogna pirolu, drugi elektronski par se nalazi u sp2 orbitali zbog vee elektronegativnosti O i S, mezomerne forme kod kojih je pozitivan naboj na heteroatomu manje doprinose stabilizaciji

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    Pirilni anion

    uklanjanjem protona sa N atoma u molekuli azola aromatski sustavi s dodatnim ionskim parom elektrona na N atomu koji je u sp2 molekulskoj orbitali

    visoka kiselost jer naboj nije lokaliziran rezonancijske strukture

    dodatni heteroatomi poveavaju kiselost - tetrazol

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    Bicikliki sustavi

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    Primjeri aromatskih heterocikla:

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    Primjeri heterocikla koji nisu aromatski:

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA TAUTOMERIJA U HETEROCIKLIKIM SUSTAVIMA

    Prototropna tautomerija

    nastaje transferom protona te azin prelazi u izomer s egzociklikom konjugacijom (1)

    transfer protona na C atom u prstenu (gubitak aromatinosti)

    oksi-hidroksi tautomerija kod azina:

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA TAUTOMERIJA U HETEROCIKLIKIM SUSTAVIMA Tautomerne ravnotee monofunkcionalnih azina i benzazina

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA TAUTOMERIJA U HETEROCIKLIKIM SUSTAVIMA

    Prototropna tautomerija benzenski prsten kondenziran na heterocikliku jezgru koji sudjeluje u

    tautomeriji pomie ravnoteu u smjeru tautomera u kojem je ouvana aromatinost benzenske jezgre

    dodatni N atom u strukturi omoguava alternativna mjesta na kojima dolazi do tautomerije

  • STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA TAUTOMERIJA U HETEROCIKLIKIM SUSTAVIMA

    Prototropna tautomerija tieno-merkapto i amino-imino tautomerija:

    Valentna tautomerija interkonverzija izomera bez transfera protona ili bilo kakve

    pregradnje

  • SPEKTROSKOPSKE KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

    UV spektroskopija monocikliki heterocikli

  • UV spektroskopija bicikliki heterocikli

    SPEKTROSKOPSKE KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

  • NMR spektroskopija

    SPEKTROSKOPSKE KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

  • IR spektroskopija

    SPEKTROSKOPSKE KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA