Heterocyclische Verbindungen

Heterocyclische Verbindungen

2

HETEROCYCLISCHE VERBINDUNGEN

Nach der Art und Anzahlder Heteroatome

O, S, N

Ringgröße3-, 4-, 5-, 6-, 7-Ringe

Nomenklatur: Trivalnamen

N O N

Pyridin Furan Isochinolin

Einteilung

3

X

R

1

2

34

5

6X

R

α

βγ

α'

β'

N CH3

Nomenklatur

S

O1

2

3

4

5

6

O S N1 2 3 N

N

H1

3

Numerierung: beginnt stets am Heteroatom,weitere Heteroatome müssen am möglichstniedrigste Nummern bekommen

O 1

3

2

4

5Oa

bc

d

O

Benzo[2,3]furanBenzo[b]furan

- Prefix bezeichnet den aromatischen Ring- Bindung der Anellierung- Name des Heteroringes

Benzoanellierte heterocyclische Verbindungen

4

AzepanAzepinThiepanThiepinOxepanOxepin7

AzinanAzinThianTthiinOxanOxin6AzolidinAzolThiolanThiolOxolanOxol5AzetidinAzetThietanThietOxetanOxet4AziridinAzirinThiiranThiirenOxiranOxiren3

gesättigtungesättigt



NSORinggröße

Systematische Namen nach der IUPAC Nomenklatur

5

Allgemeine Eigenschaften der Heterocyclen

Aromatischer Charakter

Fünfringe

Furan Thiophen Pyrrol

NO SH

- planare Molekülstruktur- reaktive Verbindungen in electrophilen Substitutionen

Eigenschaft von Aromaten

6

NO SH

NO SH

Einsames Elektronenpaar des Heteroatoms ist am delokalisierten π-System beteiligt

Kriterien der Aromatizität: - Anzahl der π-Elektronen: 4n+2- kontinuierliche Delokalisierung- planare Ringstruktur

Verteilung der π-Elektronen- Deformierung des π-Elektronesextetts- π-elektronenreiche Heterocyclen NO S

H+0,10

-0,03

-0,02-0,02

-0,03

+0,20

-0,06

-0,04

-0,06

-0,04

+0,24

-0,07

-0,05 -0,05

-0,07

Elektronenstruktur

Fünfrnge

7

- Das einsame Elektronenpaar ist am π-Elektronensextett nicht beteiligt.- kontinuieliche Delokaliserung von 6 p-Orbitalen- π-elektronenarme Heteroaromaten

Sechsringe

Pyridin- schwache Base- geringe Reaktivitätin SE-Reaktionen

N N-0,39

+0,13 +0,13

+0,13

O O

α-Pyran γ-Pyran4H-Pyran Pyrilium-Kation

O R

R

R

X

Elektronenstruktur

8

Gesättigte Heterocyclen:Heteroalkane- chemische Eigenschaften sindgleich wie bei den offenkettigenAnaloga

N NH H

H2

PyrrolPyrrolidin

starke Base, sekundäres Amin

O O

H2

Furan Tetrahydrofurancyclisches Ether

H2

N NH

Pyridin Piperidinstarke Base, sekundäres Amin

Heteroalkene

HN

2 5 2,5-Dihydropyrrol

Heteroalkene und Heteroalkane

9

FÜNFRINGE

Fünfgliedrige Heterocyclen mit einem Heteroatom

Säuerstoff: Furan-Gruppe

O O

FuranSdp.: 32 oC

Tetrahydrofuran Sdp.: 66 oCcyclisches Ether

H2/Kat.

Thiolanalog (-SH):Aromastoff im Röstkaffee

O CHOO COOH

FurfuralSdp.: 162 oC

Furan-2-carbonsaure

O CH2OH

Red. Ox.

Furfurylalkohol

10

Muscarin: Vorkommen: in giftigenPilzen (z.B. Fliegenpilz)

O CH3

OH

CH2N

H3C

H3C

H3C

Cl

Benzofurane:

O

Coumaron

Griseofulvin

OCH3

O

OCH3

Cl

CH3O O

O

CH3

antimycotische Wirkung

FÜNFRINGE

11

Thiophen

S SO2OH S S

H2SO4 H2

ThiophenSdp.: 84oC

TetrahydrothiophenSdp.: 121 oC

PyrrolidinpKB = 3,2

fastslowH2

HHH

H2

NNN

Pyrrol, Sdp.: 131 oC

Pyrrol-Gruppe

N

K+ 0,5H2

KKaliumpyrrolid

Prolin 4-Hydroxyprolin

HN COOH

HO

HN COOH

N-Methyl-2-pyrrolidon

NO

CH3

Eigenschaften von Pyrrol: - Siedepunkt: 131 ºC (polare Moleküle)- schwache Säure, pKB = 13,6, pKS ~ 15- Reaktivität in SE Reaktionen

FÜNFRINGE

12

NN

NNH

H

A B

CD

1

2 3

4

5

67

8

α

β

γ

δ

PorphinSchmp.: > 360 oC

Porphin-Farbstoffe

- 18 π-Elektronen,(4n+2) n = 4

- kontinuierliche Delokalisierung

Stabile verbindungmit aromatischem Charakter,(löslich in Salzsäure, bildetSalze mit Metallionen)

FÜNFRINGE

13

Hämoglobin Hämin

HämoglobinO2

-O2

Oxyhämoglobin Methämoglobin

Fe(II)-Komplex Fe(III)-Komplex

Hämoglobin

FÜNFRINGE

14

N

N

N

N Fe

O2

N

N

2

Koordinationszahl: 6 5

Fe

O2

N

N

2

Fe

N

N

2

Koordination im Hämoglobin

FÜNFRINGE

15

- 7,8-Dihydroporphin- Zentralkation: Mg2+

-Phytolrest, C20 - ungesättigter Alkohol

Chlorophyll-a: bläulich grün (3)Chlorophyll-b: gelblich grün (1)

grüner Pflanzenfarbstoff, biochemische Funktion bei der Photosynthese

Chlorophyll

FÜNFRINGE

16

Vitamin B12 : Corrin-Gerüst: teilweise gesättigtes, modifiziertes Porphin mit Co3+

Verwendung: bei der Behandlung der perniciösen Anämie

FÜNFRINGE

17

Gallenfarbsoffe- Abbauprodukt von Häm

NCHNCHN CH2 N

H H H H

CH3 CH3CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

COOH

CH3 CH3 CH CH2

O O

COOH

Bilirubin

FÜNFRINGE

18

N

CH3

H

Skatol(3-Methylindol)

N

CH2 NCH3

CH3

H

Gramin3-Dimethylaminoindol

N

CH2 CH COOH

NH2

HN

CH2 CH2 NH2

H

-CO2

HO

TryptophanTryptamin

5-Hydroxytryptamin = SerotoninVorkommen: in Blutserum, - reguliert den Blutkreislauf- Neurotransmitter

Benzopyrrole

N 1

2

34

5

6

7

b

H

IndolBenzo[b]pyrrolVorkommen: -Jasminöl- Steinkohlenteer

N

CH2COOH

H

3-Indolylessigsäure

N

CH2CH2CH2COOH

H

3-Indolylbuttersäurepflanzliche Wuchsstoffe, Phytohormone, oder Auxine)

FÜNFRINGE

19Leukoindigo (farblos)Indigo (blau)

N

N

O

OH

H

Ox.Red.

H

H

N

N

OH

OH

Färberwaid (Deutsche Indigo)

Isatis tinctoria Der Waidstein in Sömmerda, mit ihm wurde im MittelalterFärberwaid zerkleinert

Adolf v. Baeyer1835-1917

20

21

Fünfringe mit zwei Hetertoatomen

ON

IsoxazolS

N

IzothiazolN

N

HPyrazol

N

O

Oxazol

N

S

Thiazol

N

NH

Imidazol

- Verbindungen mit aromatischem Charakter- geringe Reaktivität in elektrophilen Substitutionen- schwache Basen

Imidazol N

N

H

N NHH+

-H+

HN NH0,5 0,5

N N0,5 0,5

-H+

H+

ImidazolImidazol-Kation Imidazol-Anion

N NH HN N

22

Oxazol- und Thiazol-Derivate

HN

O CH

NH2

COOHONO

HO

CH

NH2

COOH NO

HO

CH2

NH2

-CO2

Ibotensäure Muscimol Muscazon

Vorkommen: in giftigen Pilzen

N

S

H3C

NH SO2 NH2

UltraseptylSulfonamid mit antibakteriellerWirkung

ONH

ONH2

Cycloserin(Antibiotikum)


23

- Entdeckung: Fleming, 1928- Struktur: 1943-45- erzeugt von Schimmelpilzgattungen

z.B. Penicillium notatum,Penicillium chrysogenum

Penicillin

CH2R =

H2N CH CH NH2

CH2 CH2

Ph Ph

Salz mit Dibenzyl-ethylendiamin

N

SNH

COOHO

H3C

H3C C

O

R**

*

Penicillin G R = C6H5CH2-

6N

SNH2

COOHO

H3C

H3C

6-Aminopenicillansäure

(Thiazolidin, β-Lactam-Ring)

Antibiotika sind chemisch definierte, ursprünglich von Pilzen oder Mikroorganismenproduzierte Wirkstoffe, die das wachstum oder die Vemehrung bestimmter Bakterienoder Mikroorganismen hemmen.


24

NN CH3

CH3CH

O

H3C

H3C

Propyphenazon

NN

ONaH9C4

O

Phenylbutazon(antirheumatische

Wirkung )

Pyrazol-Gruppe

Aminophenazon(1-phenyl-2,3-dimethyl-4-dimethylamino-5-pyrazolon)

NN CH3

CH3N

O

H3C

H3C

antipyretische und analgetische Wirkung


25

Imidazol-Gruppe

N

N

CH2 CH

NH2

COOH

H

HistidinBaustein der Proteine

-CO2

N

N

CH2 CH2

NH2

H

Histaminbiogenes Amin

S

NHHN

O

(CH2)4 COOH

BiotinBiowuchsstoff (Biosfaktor): unentbehrlich für die Vermehrungvon Hefezellen und anderen MicroorganismenIn Menschen: notwendig zur normalen Funktion der Haut

N

N N

N

HO

OH

OH

H

NH

N

O

O

H

Harnsäure Allantoin Hydantoin

uricaseNH

NNH

CO

NH2

O

OH


26

N

N

C PhPh

Cl

ClotrimazolAntimykotikum

N NN

N Cardiazol(Pentamethylentetrazol)- stimuliert den Blutkreislauf unddie Herztätigkeit,

- regt das Atmungszentrum an

Arzneimittel mit Imidazol-Gerüst

HN NH

N

ClCl

Clonidinantihypertensiv

HN

NCH2

CH3

S CH2CH2 NH CNH

N

CN

CH3

Anw.: Ulcus-TherapieCimetidin


27

SECHSRINGE

Pyran-Gruppe

O O O

O

O

O

a-Pyron g-Pyron

O

OC2H5

OH O

OC2H5

OH

+

O O

O O

Dehydracetsäurefungizid,

Verwendung:- Lebensmittelindustrie- Bierindustrie

28

O

O

O

Chromon Chroman

O

O

O

Flavon Flavan

Benzoanellierte g-Pyron-Derivate

SECHSRINGE

29

Flavonoide

OH

OH

OH

HO

OH O

O

Quercetingelber Farbstoff

Vorkommen: in verschiedenen Pflanzen,meistens in Form von Glycosiden,z.B. in der Rinde der amerikanischen Eiche Quercus velutina)(Apfel, Wein, Zwiebel, Bohnen, Brokkoli)

SECHSRINGE

30

OOH

OH

OH

OH

HOCl

O

O

O

OH

OH

HO

OH-

H+

Flavylium-KationCyanidinchloridpH = 3, rot

Cyanidin phenolatpH = 11, blau

AnthocyaneHCl Anthocyanidine + Kohlenhydrat (Zucker)

pH abhängige Farbe

Hydrolyse

Anthocyane

SECHSRINGE

31

O

CH3

HO

H3C

CH3

CH3

(CH2)3 CH (CH2)3 CH (CH2)3

CH3 CH3

CH

CH3

CH3

- beeinflußt die Fruchtbarkeit- Antioxidant in der Lebensmittelchemie

Vitamin E(α-Tocopherol)

Besonders reiche Vitamin-E-Quellensind:Weizenkeimöl (174–176 mg/100 g) Sonnenblumenöl (60 mg/100 g) Leinsamen (57 mg/100 g) Walnussöl (39 mg/100 g) Maiskeimöl (31–34 mg/100 g) Distelöl (29–45 mg/100 g) Sesamöl (28 mg/100 g) Haselnüsse (27 mg/ 100 g) Erdnussöl (25 mg/100 g) Rapskernöl 25 mg/100 g) Mandeln (25 mg/100 g) Palmöl (25 mg/100 g) Rapsöl (20 mg/100 g) Sojaöl (17–25 mg/100 g) Olivenöl (12–40 mg/100 g) Schwarzwurzeln (6 mg/100 g) Leinöl (5,8 mg/100 g)

SECHSRINGE

32

Pyridinderivate

- Alkylierte PyridinderivateN

C16H33

Br

Cetylpyridinium bromide- löslich in Wasser, - kationaktives Detergens

Invertseife

Pyridingruppe

N

=

N

- farblose Flüssigkeitmit unangehmem Geruch

- elektrophile Substitutionam C-3 unterextremen Bedingungen

- schwache Base, pKB = 8,8

Pyridin

ParaquatTotalherbizid LD50 = 35 mg/kg (geschätzt)

1,1’-Dimethyl-4,4’-bipyridyliumdichlorid

2ClN NH3C CH3

SECHSRINGE

33

N CH3 N

CH3

N

CH3

α-Picolin β-Picolin γ-Picolin

Hydroxypyridine

N OH N O

H

2-Hydroxy-pyridin 2-(1H)-pyridon

N

OH

N

H

O

3-Hydroxypyridin(zwitterionische Form)

SECHSRINGE

34

Vitamin B6Pyridoxin

N

OH

CH3

CH2OH

HOH2CMangel in Vitamin B6: - Nervosität

- Schlaflosigkeit- Schwäche

Säuren

N COOH N

COOH

N

COOH

Picolinsäure Nicotinsäure Isonicotinsäure

N

CONH2Nicotinamid

- Bestandteil des Enzyms NAD

N

CON(C2H5)2NicotinsäurediethylamidAnaleptikum

N

CONHNH2

Isonicotinsäurehydrazidwichtiges Chemotherapeutikumgegen alle Formen der Tuberculose

SECHSRINGE

35

N

H2/kat.

NH

Pyridin PiperidinN

CH3

COOC2H5

Dolantinsehr starke analgetische Wirkung

Benzoanellierte Pyridinderivate

NN

Chinolin Isochinolin

- Heteroaromaten- schwache Basen- Vorkommen: in vielen Naturstoffen

SECHSRINGE

36

Chinolin-Derivate

8-Hydroxychinolin- stabile Innerkomplexemit Metall-Kationen

N

OH

Metal-ion

N

OH

SO2OH

8-Hydroxychinolin-5-sulfonsäureAntipyretikum

N

NH R

4-AlkylaminochinolineAntimalaria-Arznei

N

OCOOH

C2H5

N

HN

F

NorfloxacinDNA-Gyrasehemmer

sehr wirksames Bakterizid

SECHSRINGE

37

Sechsringe mit zwei Heteroatomen

Pyridazin Pyrimidin Pyrazin1,2-Diazin 1,3-Diazin 1,4-Diazin

NN

N

N

N

N

Cytosin Uracil Thymin

Pyrimidin-Basen aus Nucleinsäuren

HN

NH

O

OH3C

HN

NH

O

O

HN

N

O

NH2

Pyrimidinderivate

38

Barbitursäure (tautomere Forme)

N

NH

O

O

OH

N

N

OH

HO OHHN

NH

OH

OO

5,5-Disubstituierte Derivate der Barbitursäure

wichtige Sedativa und Schlafmittel

NH

N O

O

O

R2

H

R1 R1 R2

C2H5 C2H5

C2H5C2H5

Barbital (Veronal)Phenobarbital (Luminal)Cyclobarbital (Phenodorm)

C6H5

C6H9

Thiamin (Vitamin B1)

N

N

NH2

H3C

N

S

CH3

CH2 CH2OH Cl

- Wuchsstoff für viele Mikroorganismen- therapeutisch: bei Neuritiden und

Neuralgien


39

Trimethoprimverwendet in Kombination mit Sulfon-Amiden, das den bakteriellen Stoffwechselhemmt

N

N

CH2H2N

NH2 OCH3

OCH3

OCH3SulphamerazinN

N

NH

CH3

O2S NH2

- wichtiger Vertreter der Sulfonamid-Chemotherapeutika

N

NH2

N

NH

H

PyrazinpKB = 13,4

PiperazinpKB = 4,05

Anthelmintikum (Wurmmittel),wirksam gegen Oxyuriasis, Ascaridiasis

Pyrazingruppe


40

S

NH

Phenothiazine

Phenothiazin

MethylenblauVerwendung: Farbstoff in der Pathologie und Bakteriologie

reduzierte Formfarblos

Cl

S

N

N

CH3

N

CH3

CH3H3C S

N

N

CH3

H3CN

CH3

CH3

H

+ HCl+ 2H

- 2H


41

Purine N

N N

N

H

Purin-Basen aus DNS

N

N N

N

NH2

H

N

N N

N

OH

H2N H

Adenin Guanin

Harnsäure

N

N N

N

OH

HO

OH

H

N

N N

N

OH

HO

OHHN

N N

NO

O

O

H

HH


42

Pterine N

N N

N

Pteridin

- Biosfactor für die Leukocyten,- beeinflußt die Blutbildung- medizinische Anwendung: bei der Behandlung der perniciösenAnämie

COOHCH2

COOH

CH2

CHNHCONHO

H2N

CH2N

NN

HN

Pterin p-Aminobenzoesäure L-Glutaminsäure

Folsäure


43

ON

N N

HN

OH3C

H3C

CH2OH

HO-C-H

HO-C-H

HO-C-H

CH2

1

35

10

Riboflavin (Vitamin B2)

- isoliert aus Eiweiß and Wolke(70 mg aus 1000 L Milch (!))

- Wachstumsfaktor für Tiere und Mikroorganismen- beteiligt an biologischen Redoxvorgängen


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