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

KEMIJA HETEROCIKLA

akad. god. 2013/2014

Doc. dr. sc. Tatjana Gazivoda Kraljević

FAKULTET KEMIJSKOG INŽENJERSTVA I TEHNOLOGIJE

SVEUČILIŠTE 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, March’s Advanced Organic Chemistry,

Wiley-VCH, 6th Ed, 2007.

UVOD

NOMENKLATURA HETEROCIKLIČKIH SPOJEVA

MONOCIKLIČKI HETEROCIKLI

• TROČLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

• ČETVEROČLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

• PETEROČLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

• ŠESTEROČLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

• SEDMEROČLANI HETEROCIKLI-struktura i reakcije

FUZIJSKI HETEROCIKLIČKI SUSTAVI

MAKROCIKLIČKI SUSTAVI

SEMINARSKI RADOVI (PREZENTACIJE)

SADRŽAJ KOLEGIJA

UVOD

HETEROCIKLI (grč. héteros=drugi i kýklos= krug) – spojevi koji imaju prsten

načinjen od raznolikih atoma, a ne samo atoma iste vrste

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

(heteroatom)

uz ugljikov atom se nalaze i drugi atomi, od kojih su najčešći: dušik, kisik i sumpor

HETEROCIKLIČKI SPOJEVI – najbrojnija skupina organskih spojeva, oko 50% svih

organskih spojeva ima u svojoj strukturi ugrađen barem jedan heterociklički 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 optička bjelila, u

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

elektroničkoj industriji

u organskoj sintezi kao vrlo učinkoviti međuprodukti i prekursori

velika mogućnost u variranju različitih struktura a time i fizikalno-kemijskih

svojstava heterocikličkih derivata

strukturne varijacije uključuju zamjenu heteroatoma u prstenu i pozicioniranje na

različitim mjestima unutar istog prstena, mogućnost ugrađivanja različitih

funkcionalnih skupina kao supstituenata ili kao dio samog prstena

UVOD PRIMJERI PETEROČLANIH HETEROCIKLA

PRIMJERI ŠESTEROČLANIH HETEROCIKLA

PRIMJERI BICIKLIČKIH HETEROCIKLA

UVOD • HETEROCIKLIČKI 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 2 2

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 heterocikličkih spojeva

• važne strukturne podjedinice u organskoj sintezi – ligandi za metalne komplekse – organometalna kemija

• farmaceutska industrija – biološki aktivne molekule

folna kiselina

NAD+

ATP

glivec

PODJELA HETEROCIKLA • ZASIĆENI (heterocikloalkani)–reagiraju slično kao njihovi alifatski analozi

• DJELOMIČNO NEZASIĆENI (heterocikloalkeni)–ako je nezasićena veza između 2 C atoma, reagiraju slično kao alkeni ili alkini

NEZASIĆENI

heteroanuleni – s maksimalnim brojem nekumuliranih dvostrukih veza

heteroaromatski spojevi – heteroanuleni koji zadovoljavaju Hückelovo pravilo aromatičnosti (4n + 2p)

NOMENKLATURA HETEROCIKLA

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

specifičnim karakteristikama ili načinu na koji je neki spoj prvi put

priređen

2. HANTZCSH-WIDMANOVA NOMENKLATURA – sistemska nomenklatura za monocikličke strukture s najviše 10 atoma u prstenu; ime heterocikla

uvijek sadrži prefiks koji ukazuje na vrstu heteroatoma u prstenu i

osnovnu komponentu koja ukazuje na veličinu prstena i prisutnost ili

izostanak dvostrukih veza

3. ZAMJENSKA NOMENKLATURA – zamjena jednog ili više ugljikovih atoma

heteroatomom; heteroatomi se označavaju prefiksima

TRIVIJALNA NOMENKLATURA HETEROCIKLA

pirol grčki plameno-crven

oboji se u nekim okolnostima

furfurol ulje od posija

izoliran destilacijom

pikolin lat. picatust-smolast



Imena ovih zasićenih heterocikla ne koriste se u fuzijskim imenima

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

(NE “benzomorfolin”)



Monociklički spojevi koji imaju deset ili manje članova u prstenu, a

sadrže jedan ili više heteroatoma mogu se imenovati prema

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

označavanje heteroatoma i nastavka koji pokazuje veličinu prstena i

da li je zasićen ili nezasićen. Prefiksi koji označuju heteroatome navode se redoslijedom kao u tablici, a heteroatomi u strukturi

numeriraju se prema načelima dalje opisanim

prefiks za

označavanje

heteroatoma

+ nastavak za

veličinu 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 opadajućem prioritetnom redoslijedu)

Tablica 1: PREFIKSI ZA HETEROATOME

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

su navedeni u tablici

dva ili više heteroatoma iste vrste označavaju se sa di, tri, tetra…

numeriranje počinje s najvišim heteroatomom u tablici

Broj članova u

prstenu Prsteni s dušikom Prsteni bez dušika

Nezasićeni (a) Zasićeni Nezasićeni (a) Zasićeni

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) Označava se stavljanjem prefiksa “PERHIDRO” ispred imena odgovarajućeg

nezasićenog spoja

(e) Veličina prstena koji je sastavljen od 3,4 ili 7-10 članova označava se slogovima, koji

se izvode na sljedeći način: “ir” od tri “et” od tetra, “ep” od hepta, “ok” od okta, “on”

od nona i “ek” od deka.

Hantzsch-Widmanov sustav SUFIKSA

Nezasićene osnove – za prstenove s maksimalnim brojem dvostrukih veza

Zasićene osnove – za prstenove bez dvostrukih veza

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

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 monocikličkom prstenu samo jedan heteroatom, njegov položaj određuje

numeriranje

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

da heteroatomi dobiju najniže lokante

kad su heteroatomi različiti lokant “1” dobiva heteroatom koji je naveden bliže početku

u Tablici 1.

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

vrstu, a postoje li i tada različite mogućnosti prednost ima heteroatom koji se pojavljuje

najbliže početku 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 više heteroatoma iste vrste označavaju se sa di, tri, tetra…

dva ili više različitih heteroatoma - prefiksi se navode slijedom kojim su

navedeni u tablici 1; numeriranje počinje s najvišim heteroatomom u tablici


ako prsten koji ima maksimalan broj dvostrukih veza ima i zasićeni

atom u prstenu, mjesto tog atoma označava se najnižim mogućim

brojem s prefiksom H u imenu (lokant)


odgovarajući ugljikovodik se imenuje u onom obliku koji sadrži najveći

mogući broj nekumuliranih dvostrukih veza.

višak vodika u odnosu na onaj već prisutan u matičnom heterocikličkom

spoju iskazuje se s pomoću prefiksa hidro odnosno uporabom H ispred

imena spoja

tzv. INDICIRANI VODIK

S

S

CH2

S

CH2

S

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


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 započeti od S

taj uvjet isključuje ime 2,1,4-

tiadiazin, a skup lokanata 1,2,5 ima

prednost pred skupom 1,3,6

numeriranje mora započeti od S atoma

zatim se određuje niži skup lokanata

za preostale heteroatome bez obzira na

njihovu vrstu


NOMENKLATURA HETEROCIKLA Šesteročlani aromatski monociklički dušikovi heterocikli

Šesteročlani aromatski biciklički dušikovi heterocikli



Šesteročlani monociklički heterocikli s N, O i S heteroatomima

NOMENKLATURA HETEROCIKLA biciklički sustavi – kondenzirani ili fuzijski prstenovi s jednim benzenskim prstenom

Fuzijski sustavi – barem dva susjedna atoma su zajednička za dva ili više 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

biciklički sustavi – kondenzirani ili fuzijski prstenovi s jednim benzenskim prstenom

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


biciklički sustavi – kondenzirani ili fuzijski prstenovi s dva ili više heterocikla


Temeljna komponenta je: - dušikov heterocikl - prsten s heteroatomom koji je najviši u tablici s prefiksima - komponenta s najvećim prstenom - komponenta s najviše heteroatoma - komponenta s najvećim brojem heteroatoma različite vrste - komponenta s najvećim brojem heteroatoma koji su najviše u tablici

biciklički sustavi – kondenzirani ili fuzijski prstenovi s dva ili više heterocikla

NOMENKLATURA HETEROCIKLA ZAMJENSKA NOMENKLATURA – zamjena jednog ili više ugljikovih atoma

heteroatomom; heteroatomi se označavaju prefiksima

STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

AROMATIČNOST

Hückelovo pravilo – planarni ciklički polieni sa (4n+2)p elektrona

aromatska rezonancijska energija – dodatna stabilnost aromatskih spojeva u odnosu na cikličke spojeve s alterirajućim dvostrukim i jednostrukim vezama


AROMATIČNOST

Piridin – jedna CH skupina u benzenu zamijenjena s N atomom

Razlike u odnosu na benzen:

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

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

jaki permanentni dipol – elektronegativniji N atom koji uzrokuje induktivnu polarizaciju


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)


Piridinijev kation

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

Pirilijev kation


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


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 veće elektronegativnosti O i S, mezomerne forme kod kojih je pozitivan naboj na heteroatomu manje doprinose stabilizaciji


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 povećavaju kiselost - tetrazol


Biciklički sustavi


Primjeri aromatskih heterocikla:


Primjeri heterocikla koji nisu aromatski:

STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA TAUTOMERIJA U HETEROCIKLIČKIM SUSTAVIMA

Prototropna tautomerija

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

transfer protona na C atom u prstenu (gubitak aromatičnosti)

oksi-hidroksi tautomerija kod azina:

STRUKTURA I KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA TAUTOMERIJA U HETEROCIKLIČKIM SUSTAVIMA Tautomerne ravnoteže monofunkcionalnih azina i benzazina


Prototropna tautomerija benzenski prsten kondenziran na heterocikličku jezgru koji sudjeluje u

tautomeriji pomiče ravnotežu u smjeru tautomera u kojem je očuvana aromatičnost benzenske jezgre

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


Prototropna tautomerija tieno-merkapto i amino-imino tautomerija:

Valentna tautomerija interkonverzija izomera bez transfera protona ili bilo kakve

pregradnje

SPEKTROSKOPSKE KARAKTERISTIKE HETEROCIKLA

UV spektroskopija – monociklički heterocikli

UV spektroskopija – biciklički heterocikli


NMR spektroskopija


IR spektroskopija


Documents

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