Streszczenie
Związki heterocykliczne to związki organiczne obudowie pierścieniowej, wktórych jeden bądź więcej atomów pierścienia stanowi heteroatom. Cząsteczki heterocykli składają się zjednego pierścienia aromatycznego bądź skondensowanych pierścieni aromatycznych, połączonych jedną lub kilkoma ścianami. Układy te mogą być całkowicie bądź częściowo uwodornione. Związki heterocykliczne występują zarówno worganizmach zwierzęcych jak iroślinnych, gdzie spełniają istotne funkcje fizjologiczne. Otrzymywane są także syntetycznie wprzemyśle farmaceutycznym oraz przemyśle barwnikarskim.
Słowa kluczowe: związki heterocykliczne, chemia organiczna
Wstęp
Heterocykliczne związki organiczne to związki, wktórych co najmniej jeden atom wpierścieniu musi być heteroatomem, czyli atomem innego niż węgiel pierwiastka. Najczęściej spotykanymi heteroatomami są azot, tlen isiarka, chociaż znane są również pierścienie heterocykliczne zawierające atomy pierwiastków takich jak bromu, fosforu, krzemu, arsenu, cyny itelluru [3]. Pierścienie heterocykliczne są bardzo zróżnicowane pod względem budowy. Mogą mieć różne wielkości, posiadać wiązania wielokrotne, mogą być połączone łańcuchami bądź pierścieniami [2].
Podział związków heterocyklicznych opiera się na kształcie pierścienia oraz ilości heteroatomów.
W związku ztym wyróżniamy:
• Pięcioczłonowe układy pierścienie heterocykliczne
- z jednym heteroatomem;
- z dwoma lub większa liczbą heteroatomów;
• Sześcioczłonowe układy pierścieniowe heterocykliczne
- z jednym heteroatomem;
- z dwoma lub większa liczbą heteroatomów;
• Skondensowane pierścienie heterocykliczne
Wśród związków heterocyklicznych na szczególną uwagę zasługują heterocykliczne związki azotu itlenu.
Pięcioczłonowe układy pierścienie heterocykliczne zjednym heteroatomem
Do najważniejszych pięcioczłonowych związków heterocyklicznych zjednym heteroatomem należą:
Aromatyczny charakter furanu ipirolu jest wynikiem delokalizacji czterech elektronów π atomów węgla, jak również niewiążącej pary elektronowej heteroatomu. Powstaje sekstet zdelokalizowanych elektronów, który jest charakterystyczny dla układów aromatycznych. Za pomocą orbitali atomowych strukturę omawianych heterocykli można przedstawić wpostaci płaskiego pięciokątnego szkieletu, który zbudowany jest związań σ C – H, C – C i C – Z(Z to heteroatom), utworzonych przez atomy węgla ohybrodyzacji sp2. Cztery orbitale p atomów węgla, które obsadzone są przez cztery elektrony π, jak również orbital p heteroatomu, obsadzony przez niewiążącą parę elektronową, nakładają się tworząc zdelokalizowany orbital molekularny [3].
Furan ma płaską, pentagonalną strukturę. Każdy atom, który wchodzi wskład pierścienia jest wstanie hybrydyzacji sp2 iangażuje dwa ztych orbitali do utworzenia wiązań σ ze swoimi sąsiadami. Ponadto każdy atom węgla angażuje również jedną orbitę sp2 by utworzyć wiązanie zatomem wodoru zpłaszczyźnie pierścienia. Wten sposób jeden elektron znajduje się na orbitalu p prostopadłym do płaszczyzny. Zkolei atom tlenu ma niewiążąca parę elektronową na orbitalu sp2 wpłaszczyźnie pierścienia, atakże dwa elektrony na orbitalu p prostopadłym do płaszczyzny Charakter aromatyczny pierścienia. Oba elektrony nakładają się zorbitalami p atomów węgla, wwyniku czego tworzy się chmura sekstetu elektronów π, która usytuowana jest na ipod płaszczyzną pierścienia. Wiązania wpirolu są podobne do tych wfuranie [2].
Pirol wykazuje słabe właściwości kwasowe, tworząc sole zmetalami alkalicznymi. Stałą dysocjacji kwasowej pirolu określa się szacunkowo na 10-15. Furan pod wpływem bardzo mocnych zasad, takich jak między innymi fenylosód, tworzy związki metaloorganiczne. Powstają one poprzez podstawianie atomów wodoru związanych zwęglem wpozycji 2 pierścienia heterocyklicznego.
Właściwości zasadowe furanu ipirolu są trudne do określenia, ze względu na fakt, iż oba te związki ulegają polimeryzacji pod wpływem kwasów. Zarówno furan jaki ipirol ulegają reakcjom substytucji elektrofilowej [3]. Ze względu na fakt, iż układy te są wrażliwe na działanie silnych kwasów (pod ich wpływem układy ulegają rozpadowi zotwarciem pierścienia lub wykazują tendencję do polimeryzacji) unika się stosowania silnych kwasów. Nitrowanie prowadzone jest więc wobecności bezwodnika octowego, sulfonowanie zazwyczaj używając trójtlenku siarki wpirydynie (warunki zasadowe), natomiast do reakcji acylowania Friedela-Craftsa nie stosuje się katalizatora, który jest silnym kwasem Lewisa. Pięcioczłonowe heterocykle charakteryzują się również bardzo dużą wrażliwością na działanie środków utleniających. Utleniają się już ztlenem zpowietrza, wwyniku czego powstają ciemnozabarwione, polimeryczne pochodne. Redukcja możliwa jest na drodze katalitycznej (do układów nasyconych) lub do dihydropochodnych [1].
Pierścienie pirolu to ważne elementy struktury wielu istotnych zbiologicznego punktu widzenia barwników. Przykładem jest porfiryna – makrocykliczny związek, zawierający cztery pierścienie pirolu połączonych jednowęglowym mostkiem. Są to płaskie cząsteczki, wktórych występuje sprzężony układ 18 elektronów π. Porfiny są bardzo trwałe, silnie zabarwione oraz tworzą kompleksy zjonami metali. Wtego typu kompleksach nie ma już atomów wodoru, które wporfinie były związane zdwoma atomami azotu, zkolei każdy zczterech atomów azotu oddaje swoją parę elektronowa do metalu, umiejscowionego wśrodku struktury cząsteczki. Porfina nie występuje wprzyrodzie wstanie wolnym, jednakże jej analogi zpodstawionymi pierścieniami pirolowymi zalicza się do jednych najważniejszych dla procesów życiowych związków występujących wnaturze. Przykładem jest hem – porfirynowy kompleks zżelazem, który odpowiedzialny jest za czerwony kolor krwi tętniczej. Hem znajduje się werytrocytach wpostaci kompleksu zbiałkiem – globiną. Kompleks ten nazywa się hemoglobiną iodpowiada za wiązanie cząsteczkowego tlenu przez krew oraz transportowanie go do miejsc worganizmie, gdzie jest potrzebny [2].
Pięcioczłonowe pierścienie heterocykliczne zdwoma lub większą liczbą heteroatomów
W przypadku pięcioczłonowych związków heterocyklicznych istnieje możliwość wprowadzanie większej liczby (dwóch, trzech anawet czterech) heteroatomów do pierścienia. Do najczęściej spotykanych tego typu układów, występujących wwielu produktach naturalnych isyntetycznych należą:
W zawiązku ztym, iż wcząsteczce pirazolu, imidazolu oraz triazolu, jeden zatomów azotu jest połączony zatomem wodoru, można oczekiwać dwóch izomerycznych jednopodstawionych pochodnych każdego ztych związków.
W cząsteczce imidazolu wolna para elektronowa azotu wpozycji 3 nie wchodzi do aromatycznego układu sekstetu elektronów π. Wzwiązku ztym, atom azotu N3 wykazuje charakter zasadowy imoże być protonowany. Jon imidazoliowy jest bardzo stabilny, ponieważ ładunek dodatni może zostać równomiernie rozłożony na dwa atomy azotu. Układ ten występuje powszechnie wprzyrodzie. Szkielet imidazolowy występuje waminokwasie histydynie, gdzie odgrywa istotną rolę wreakcjach wielu enzymów. Dekarboksylacja histydyny powoduje powstanie histaminy – toksycznej substancji występującej wpołączeniu zbiałkami wtkankach organizmu [2].
Sześcioczłonowe pierścienie heterocykliczne zjednym heteroatomem
Wśród sześcioczłonowych układów heterocyklicznych zjednym heteroatomem wpierścieniu do najważniejszych zalicza się pirydyna zatomem azotu, jak również pochodne α- iγ-piranu zatomami tlenu jako heteroatomami:
Pirydyna posiada właściwości aromatyczne wzwiązku zdelokalizacją sześciu elektronów π, po jednym zkażdego zpięciu atomów węgla oraz jednego pochodzącego zatomu azotu [3]. Atom azotu jest wstanie hybrydyzacji sp2 iposiada jedne elektron na orbitalu p prostopadłym do płaszczyzny pierścienia. Elektron ten uzupełnia układ elektronów pochodzących od atomu węgla do sześciu wwyniku czego tworzą razem aromatyczna chmurę elektronów π nad ipod płaszczyzną pierścienia. Natomiast niezaangażowana wwiązania wolna para elektronów azotu znajdująca się na orbitalu sp2 leży wpłaszczyźnie pierścienia.
Cząsteczka pirydyny jest płaska, oniemal idealnej heksagonalnej geometrii. Ze względu, iż jest to związek aromatyczny, jest on bardziej podatny na reakcje podstawiania niż addycji. Pirydyna jest słabo zasadowa. Związek ten jest dużo słabszą zasadą niż aminy alifatyczne. Wynika to zróżnicy hybrydyzacji atomu azotu: sp2 wpirydynie natomiast sp3 waminach alifatycznych. Ze względu na silniejszy charakter typu s orbitalu zawierającego wolną parę elektronową, wpirydynie para ta znajduje się bliżej jądra atomu azotu, co przyczynia się do obniżenia jej zasadowości. Ponadto pirydyna reaguje zmocnymi kwasami, wwyniku czego powstają sole pirydynowe. Właściwość ta pozwoliła na zastosowanie jej jako czynnika wiążącego kwas wtych reakcjach, wktórych wktórych kwas wydziela się jako produkt uboczny.
Atom azotu przyciąga elektrony silniej niż węgiel, przez co następuje przesunięcie elektronów od atomów węgla pierścienia wkierunku azotu. Atom azotu posiada więc cząsteczkowy ładunek ujemny, natomiast atomy węgla pierścienia – cząsteczkowy ładunek dodatni. Taka polarność zwiększa rozpuszczalność pirydyny wrozpuszczalnikach polarnych, takich jak woda. [2].
Pirydyna występuje wsmole pogazowej, zkolei wiele jej analogów ipochodnych znajduje się wprzyrodzie. Pierścień pirydynowy wchodzi wskład alkaloidów takich jak nikotyny czy ryciny (w nasionach rącznika). Uwodorowany pierścień możemy znaleźć walkaloidach palmy areki (np. arekaidyna), wkoniinie czy też lobelinie. Pirydyna może również zostać zostać zredykowana do nasyconej drugorzędowej aminy – piperydyny:
Układy pirydynowe ipiperydynowe występują wwielu produktach pochodzenia naturalnego. Przykładem może być nikotyna (główny alkaloid znajdujący się wtytoniu, bardzo toksyczny dla człowieka, wrolnictwie stosowany jako insektycyd), koniina (główny, toksyczny składnik trucizny cykuty) itydoksyna (koenzym, witamina B6).
Sześcioczłonowe pierścienie heterocykliczne zdwoma lub większą liczbą heteroatomów
Znane są liczne sześcioczłonowe układy heterocykliczne zawierające więcej niż jedne heteroatom wpierścieniu. Przykładem są trzy diazyny:
Wśród tych związków najważniejszą grupę stanowi pirymidyny. Ich pochodne: cytozyna, tymina iuracyl są ważnymi zasadami wkwasach nukleinowych (DNA iRNA).
Pirymidyna jest zasadą jeszcze słabszą niż pirydyna, ajej atomy węgla wpierścieniu są owiele mniej podatne na atak elektrofilowy niż atomy węgla występujące wcząsteczce pirydyny.
Znane są również triazyny oraz tetrazyny, natomiast nie spotyka się pentazyn, ani heksazyn [3].
Związki zawierające skondensowane pierścienie heterocykliczne
Skondensowane heterocykliczne układy pierścieniowe najczęściej zawierają wswoich cząsteczkach atomy azotu. Do najważniejszych tego typu układów zalicza się: indol, chinolina, izochinolina, puryna, ipterydyna. Każdy ztych związków wyodrębnia się ze smoły pogazowej. Znalazły one zastosowanie jako substraty do produkcji barwników, aniektóre znich do produkcji leków [3].
Pierścień pirydynowy może zostać połączony zpierścieniem benzenowym, wwyniku czego powstają aromatyczne policykliczne heterocykle. Do najważniejszych przedstawicieli tej grupy związków zalicza się chinolina iizochinolina. Związki te są analogami naftalenu, gdyż atom azotu zastępuje grupę CH wpozycji C1 bądź C2:
Pierścienie chinolinowe iizochinolinowe występują wwielu produktach pochodzenia naturalnego. Przykładem jest chinina (znajduje się wkorze chinowej, stosowana wleczeniu malariii) ipepaweryna (obecna wopium, stosowana jako środek rozluźniający mięśnie) [2].
Do podwójnego wiązania związków heterocyklicznych mogą zostać dołączone inne pierścienie aromatyczne lub heteroaromatyczne. Przykładem może być indol – związek, wktórym do wiązania C2 – C3 pirolu dołączony jest benzen:
Pierścieniowy układ indolu można spotkać wwielu produktach naturalnych. Powstaje on wbiosyntezie tryptofanu, który wchodzi wskład białek. Indol, jak również jego pochodna skatol, tworzą się podczas rozkładu białek.
W wyniku dekarbksylacji tryptofanu powstaje tryptamina. Wiele związków, wktórych występuje jej szkielet spełnia bardzo istotne znaczenia dla funkcjonowania systemu nerwowego imózgu. Jednym zprzykładów jest serotonina (5-hydroksytryptamina), która działa jako aktywny przekaźnik oraz czynnik wiążący naczynia wcentralnym ośrodku nerwowym.
Kolejną ważną biologicznie klasą związków ze skondensowanymi pierścieniami heterocyklicznymi stanowią puryny. Zawierają one szkielet, wskład którego wchodzi pierścień pirymidynowy skondensowany zpierścieniem imidazolowym:
W pięcioczłonowym heterocyklicznym pierścieniu imidazolowym, znajdują się dwa atomy azotu, zktórych jeden wpozycji 7 (N7) jest zasadowy, ze względu na występowanie wolnej pary elektronowej, niewchodzącej do aromatycznego sekstetu elektronów π, ten atom azotu może być uprotonowany. Zkolei drugi atom azotu pierścienia imidazolowego N9 nie jest zasadowy, gdyż jego wolna para elektronowa wchodzi wskład sekstetu elektronów π, analogicznie jak atom azotu wpierścieniu pirolowym [4].
Najważniejszymi purynami występującymi wprzyrodzie jest adenina iguanina. Są to zasady, które wchodzą wskład kwasów nukleinowych (DNA iRNA):
Wiele azotowych związków heterocyklicznych odgrywa istotną rolę wmedycynie. Jednym ztakich związków jest morfina (główny alkaliod występujący wopium). Morfina jest środkiem przeciwbólowym, który łagodzi ból, przy czym nie powoduje utraty przytomności [3].
Znane są również analogi naftalenu zwięcej niż jednym atomem azotu. Związkiem takim jest pterydyna:
Pierścień pterydynowy, zatomami azotu, które zastąpiły CH naftalenu wpozycjach C1, C3, C5 iC8, występują wwielu produktach pochodzenia naturalnego, takich jak kwas foliowy (witamina, której niedobór powoduje niedokrwistość) lub ksantopteryna (barwnik skrzydeł motyli) [3].
Podsumowanie
Związki heterocykliczne to największa klasa związków organicznych. Wiele produktów naturalnych oraz większość leków posiada pierścienie heterocykliczne. Antybiotyki, barwniki kwiatów iinnych roślin, związki transportujące tlen do różnych narządów naszego organizmu, jak również składniki DNA to związki heterocykliczne.
Podział heterocykli opiera się na kształcie pierścienia oraz ilości heteroatomów. Wzwiązku ztym wyróżniamy pięcioczłonowe układy heterocykliczne, sześcioczłonowe układy heterocykliczne oraz skondensowane pierścienie heterocykliczne. Typowymi heteroatomami są azot itlen.
Główną różnica pomiędzy piecioczłonowymi isześcioczłonowymi heterocyklami aromatycznymi jest to, że wpięcioczłonowych heterocyklach heteroatom angażuje dwa elektrony do aromatycznego sekstetu elektronów π, natomiast wsześcioczłonowych heterocyklach heteroatom angażuje tylko jeden elektron do takiego układu. Ma to istotne znaczenia dla chemicznych właściwości tych dwóch typów heterocykli.
Autor: Monika Duszyńska
Literatura:
1. Eicher, T.; Hauptmann, S. 2003. The Chemistry of Heterocycles: Structure, Reactions, Syntheses, and Applications.
2. Hart h., Craine L.E., Hart D., Hadad C.M. 2008. Chemia organiczna. Krótki kurs. Wyd. PZWL, 403-421.
3. Kupryszewski G., 1988. Wstęp do chemii organicznej. Wyd. PWN, 425-442.
4. Żak I, Balcerzyk A. 2001. Chemia medyczna. Śląska Akademia Medyczna, 307-324
