IV.doc

IV

1) Ogólna charakterystyka, klasyfikacja i słownictwo związków heterocyklicznych. (Bobr.str.446)
 

Związki heterocykliczne to niezbyt jasne pojęcie, stosowane różnie w zależności od kontekstu. Ogólnie jest to taki rodzaj związków chemicznych, w których pierścienie są zbudowane z więcej niż jednego rodzaju atomu (np. siarki i węgla).

W "typowej" chemii organicznej, za związek hetorocykliczny uważa się każdy związek cykliczny, który zawiera w swojej strukturze inny, oprócz węgla, atom. Jednak nawet w obrębie chemii organicznej nie zawsze się rozumie ten termin w ten sposób, często wyłączając z niego związki cykliczne zawierające oprócz węgla także tlen jak np: cukry oraz etery cykliczne i koronowe.

W przypadku wielu związków chemicznych, które są "standardowo" zbudowane z regularnie występujących dwóch rodzajów atomów (np: tlenu i węgla patrz eter koronowy lub z krzemu i tlenu patrz cyklosiloksany, lub azotu i fosforu patrz fosfazen) terminu "związek heterocykliczny" używa się dopiero wtedy, gdy w cyklu pojawiają się jeszcze jakieś inne atomy, np: azotu lub w przypadku cyklosiloksanów i fosfazenów - paradoksalnie - węgla.

Ważniejsze związki heterocykliczne: pirydyna, puryna, furan

Nomenklatura:
Wg nomenklatury międzynarodowej nazwy jednopierścieniowych związków zawierających jeden lub więcej heteroatomów w pierścieniach  3- do 9-członowych tworzy się z przedrostków: oksa-, tia-, aza- odpowiednio dla związków z heteroatomami,  O, S, N oraz rdzeniami podanymi w tabeli:

Stan nasycenia podaje się albo w nazwie rdzenia (tabela), albo też stosuje się przedrostki dihydro-, tetrehydro- itd. Literę a na końcu przedrostka opuszcza się, jeśli po niej występuje samogłoska. Dwa lub więcej heteroatomów w pierścieniu wyraża się w przedrostku przez dodanie odpowiedniego liczebnika greckiego, np. dioksa, ditia, diaza itd. Jeśli w pierścieniu znajdują się dwa lub więcej atomów azotu, numerację zaczyna się od nasyconego atomu azotu. W związkach izomerycznych, w których wiązania, podwójne mogą zajmować różne położenia, podaje się, przy którym atomie węgla lub heteroatomie znajduje się wodór np. 1H, 2H, 4H itd. ( przykłady zastosowania nomenklatury na stronie 447 w Bobrzańskim).

2) Pięcioczłonowe układy heterocykliczne z jednym heteroatomem. (Bobr.str.447)

Najczęściej spotykane i najprościej zbudowane związki heterocykliczne zawierają jeden heteroatom w pierścieniu pięcioczłonowym:

Podobnie jak benzen, każdy z tych związków jest podstawą budowy szeregu pochodnych. Izomeria tych pochodnych występuje ( w przeciwieństwie do benzenu) już w związkach z jednym podstawnikiem. Zastępując w pirolu jeden atom wodoru grupą R możemy otrzymac 2 różne pochodne zależnie od tego, czy R podstawimy w położeniu 2 sąsiadujących z heteroatomem czy też w położeniu 3 (numeracje zaczynamy od heteroatomu).
 

Budowa i wspólne właściwości chemiczne:
Furan, tiofen i pirol właściwościami fizycznymi i chemicznymi przypominają benzen. Tak np. tiofen, podobnie jak benzen, łatwo ulega nitrowaniu i sulfonowaniu, trudno jednak reaguje z halogenkami, przy czym powstają produkty podstawienia, a nie przyłączenia. Wszystkie związki tiofenu, pirolu i furanu wykazują brak charakteru nienasyconego, jakkolwiek w mniejszym stopniu jak benzen. Redukują się łatwiej na odpowiednie dihydro- i tetrahydropochodne niż benzen. Właściwości te znajdują wyjaśnienie w strukturze elektronowej pochodnych furanu, tiofenu i pirolu. Obecność wolnych par elektronów przy atomie tlenu i sąsiadujący z tlenem sprzężony układ wiązań podwójnych, stanowiący doskonały przewodnik dla elektronów, stwarzają możliwości przemieszczania się elektronów, dzięki czemu możliwe są reakcje dające się wyjaśnić za pomocą struktur jonowych:

Udział struktur II-V wyjaśnia dlaczego furan reaguje łatwo z odczynnikami, dając produkty podstawienia.
W przypadku tiofenolu możliwości reagowania zgodnie ze strukturami jonowymi są większe, odpowiednio do większej tolerancji siarki do przechodzenia w stan elektrododatni. Dlatego tiofen jest jeszcze bardziej podobny do benzenu:
Właściwości pirolu można wyjaśnić za pomocą następujących struktur elektronowych:

Struktury jonowe II-V wskazują na to, że w wiązaniu N-H bierze udział zhybrydyzowany orbital sp2 azotu, wodór zatem znajduje się w płaszczyźnie pierścienia, który jest płaski. Równocześnie udział tych struktur powoduje, że elektrony znajdują się głównie przy atomach węgla pierścienia (cztery struktury na pięć możliwych), co wyjaśnia dużą tolerancję pirolu do reakcji podstawienia elektrofilowego. Odpływ elektronów od azotu do atomów węgla pierścienia powoduje, że atom azotu, mający duże powinowactwo elektronowe, stara się uzupełnić swój deficyt elektronowy, sięgając ku sobie elektrony trzech wiązań sigma (dwóch z alfa-atomów węgla i jednego z atomu azotu). Wiązanie N-H staje się w następstwie tego polarne, a wodór ulega łatwo odszczepieniu jako proton. Gruoa N-H przyjmuje więc charakter kwasowy. Stąd pochodzi zdolność pirolu do tworzenia soli z alkanami, w których to solach wodór grupy iminowej jest podstawiony metalem.

Sposoby otrzymywania:
Bezpośrednie syntezy pochodnych furanu, tiofenu i pirolu ze związków alifatycznych można przeprowadzić stosunkowo łatwiej i sposobami bardziej różnorodnymi niż pochodnych benzenu. Ogólnym materiałem wyjściowym do tych syntez są 1,4-diketony, 1,4-dioksokwasy, 1,4-diglikole( reakcje na stronie 449)

3) Pięcioczłonowe układy heterocykliczne z dwoma heteroatomami: Przykłady:

a) pirazol

- pirazolon: piramidon, antypiryna

- piazolin

- pirazolidyn

b) imidazo:l

- histydyna

- histamina

- Hydantoina

- alantoina

- Biotyna

4) Pirazol i Imidazol i ich pochodne. Występowanie, metody otrzymywania, właściwości(Bobr.str.477)

a) PIRAZOL:
Jeśli we wzorze pirolu zastąpimy atomem azotu jedną grupę CH sąsiadującą z grupą NH, otrzymamy wzór pirazolu:

Pirazol powstaje np. z acetylenu i diazometanu w zimnym roztworze eterowym:

Pochodne pirazolu powstają w wyniku kondensacji związków 1,3 – dikarbonylowych z hydrazyną lub jej pochodnymi:

                                                                 F

Pirazol jest substancją stałą, topniejącą w temperaturze 70oC. Jest słabą zasadą jednowartościową. W zachowaniu chemicznym pirazol i jego pochodne wykazują duże podobieństwo do związków aromatycznych. Pierścień heterocykliczny jest odporny na działanie odczynników utleniających. Pochodne pirazolu dają się nitrować, halogenować, sulfonować, nitropochodne można łatwo redukować na aminopochodne, które można diazować itd.
Pochodne pirazolu zawierające niepodstawioną grupę NH istnieją w dwóch odmianach tautomerycznych:

Hydropirazole:
Dihydropirazole nazywamy pirazolinami, tetrahydropochodne zaś pirozolidynami.

Pirazoliny są silniejszymi zasadami niż pirazol. Ich sole ulegają jednak hydrolizie podczas ogrzewania z wodą. Pirazolidyny są silniejszymi zasadami od pirazolin. Mają one silne redukujące właściwości i łatwo utleniają się na pirazoliny.

Oksopochodne pirazolin nazywamy pirazolonami:

„3” oznacza położenie wiązania podwójnego. Pirazolon reaguje tautomerycznie wg następujących wzorów:

Wzór I wyraża zasadowe właściwości pirazolonu, wzór III tłumaczy występowanie równocześnie właściwości fenolowe pirazolonu, m.in. występowanie czerwonego zabarwienia w reakcji z FeCl3 . Pirazolon reaguje z kwasem azotawym, dając zieloną izonitrozopochodną:

Pochodne pirazolonu odgrywają dużą rolę w lecznictwie jako środki przeciwgoraczkowe i przeciwbólowe. Należą tu m.in. antypiryna i piramidon:

b) IMIDAZOL:

Pierścień imidazolu jest zbudowany podobnie jak pirazolowy, z ta różnicą, że heteroatomy azotu występują w nim w położeniach 1,3:

Imidazol, zwany też glioksaliną, postaje w kondensacji glioksalu z amoniakiem i formaldehydem:

                           I                                                              II                                                      III

Imidazol reaguje tautomerycznie wg wzorów I-III. Zarówno imidazol , jak i jego pochodne stanowią mocne zasady, znajdujące się m.in. w produktach hydrolizy białek. Pierścień imidazolu jest nietrwały. Stanowi podstawę budowy wielu związków naturalnych, a zwłaszcza alkaloidów.
Histydyna jest kwasem 1-amino-2-(4-imidazolilo)propionowym. Histydyna powstaje jako jeden z produktów hydrolizy jedwabiu. Ogrzewana z kwasami mineralnymi, a także pod działaniem bakterii gnilnych, histysyna ulega dekarboksylacji na histaminę, substancję wywołującą skurcz mięśni gładkich oraz rozszerzenie naczyń krwionośnych, a zatem obniżenie ciśnienia krwi:

Hydantoina, czyli 2,4dioksoimidazolidyna, zwana także glikolilomocznikiem, stanowi podstawę budowy środków leczniczych o działaniu nasennym i przeciwdrgawkowym.

Alantoina, czyli 5-ureidohydantoina, występuje w moczu ssaków, m.in. także ludzi, jako produkt przemiany kwasu moczowego. Znajduje się ona także w niektórych nasionach, np. w nasionach tytoniu.
Biotyna, czyli witamina H, znajduje się w komórkach drożdżaków, w których odgrywa rolę hormonu pobudzającego podział komórek. Ponadto biotyna jest witaminą konieczną do utrzymania normalnych funkcji skóry i chroniącą od schorzeń skórnych. Biotyna stanowi ciało krystaliczne, topniejące w temp. 230-232oC, rozpuszczalne w wodzie i etanolu:

5) Metody syntezy pochodnych 5-pirazolonu – znaczenie dla lecznictwa:(str. 477)

Pirazolonami nazywamy oksopochodne pirazolin.

. Pirazolon reaguje tautomerycznie wg następujących wzorów:

Wzór I wyraża zasadowe właściwości pirazolonu, wzór III tłumaczy występowanie równocześnie właściwości fenolowe pirazolonu, m.in. występowanie czerwonego zabarwienia w reakcji z FeCl3 . Pirazolon reaguje z kwasem azotawym, dając zieloną izonitrozopochodną:

Pochodne pirazolonu odgrywają dużą rolę w lecznictwie jako środki przeciwgoraczkowe i przeciwbólowe. Należą tu m.in. antypiryna i piramidon:

Otrzymywanie:

a) antypiryna:

b) piramidon:

6) Furan i jego pochodne. Metody otrzymywania i właściwości fizykochemiczne.(Bobr. str. 449)

Działanie środków odwadniających np. P2O5 na 1,4-diketony można łatwo spowodować powstanie pierścienia furanowoego:

Reakcja ta jest odwracalna. Po ogrzaniu z kwasem solnym z dimetylofuranu powstaje wyjściowy acetonyloaceton.

Właściwości furanu:

Furan znajduje się w produktach destylacji drewna z niektórych drzew iglastych, np. Jodły. Jest to ciecz o charakterystycznym zapachu, przypominającym chloroform, o gestości 0,944g/cm3 , wrząca w temperaturze 32oC. Pod działaniem wodoru wobec Ni(reakcja Sabatiera) w tem. 170oC przechodzi w tetrahydrofuran. Wiórki sosnowe zwilżone kwasem solnym zabarwiają się od par furanu na zielono.

Łatwo ulega sulfonowaniu, nitrowaniu i halogenowaniu, a także alkilowaniu i acylowaniu (w reakcji Friedela-Craftsa). Wykonanie tych reakcji wymaga jednak zachowania specjalnych warunków ze względu na wrażliwość pierścienia furanowego na działanie odczyników kwasowych. Podstawienie przebiega w pozycje 2 i 3. Sam furan pod działaniem pod działaniem stężonych kwasów ulega rozkładowi z objawami eksplozji. Rozcieńczone kwasy rozkładają go mniej energicznie. Wrażliwość pochodnych furanu na działanie kwasów jest zależna od rodzaju podstawnika. Grupy elektrofilowe jak C6H5-, CO, COOH, podstawione do pierścienia furanowego zwiększają jego trwałość.
Pochodne furanu:

Najważniejszą pochodną jest fural (furfural, furfurol), czyli aldehyd furylowy. Powstaje on podczas ogrzewania pentoz do wrzenia z kwasami mineralnymi:

Fural daje z aniliną wobec HCl purpurowe zabarwienie. Na skalę przemysłową produkuje się fural przez ogrzewanie otrąb owsianych z rozcieńczonym siarkowym. Fural stanowi wygodny surowiec do otrzymywania wielu związków ważnych dla przemysłu organicznego. Pod działaniem KOH ulega on reakcji Cannizzaro, przechodząc w mieszaninę alkoholu furylowego oraz kwasu pirośluzowego:

Pod działaniem KCN fural daje furoinę (kondensacja benzoinowa):

Fural znajduje zastosowanie jako selektywny rozpuszczalnik w rafinacji olejów smarowych. Stanowi również surowiec do otrzymywania półproduktów do syntezy tworzyw sztucznych. Ogrzewany do temp. 400oC wobec katalizatora chromowo-cynkowego przechodzi on w furan, a następnie w tetrahydrofuran. Z tego ostatniego działaniem HCl otzymuje sie 1,4-dichlorobutan, z którego otrzymuje się kwas adypinowy i heksametylenodiamine, związki stanowiące materiały wyjściowe do produkcji włókien nylonowych.
...