Heterocyklické sloučeniny -...

Heterocyklické sloučeniny POŽADOVANÉ VSTUPNÍ ZNALOSTI :

� základní znalosti z koordinační chemie v rozsahu přednášeném v předmětu Anorganická chemie

poznatky o reakcích organických sloučenin v rozsahu nutném � poznatky o reakcích organických sloučenin v rozsahu nutném pro splnění zápočtu ze semináře Organická chemie I

PÍSEMKA K ZÁPO ČTU:

� Předpokladem je splnění nejméně na 65 % z maxima dosažitelných bodů.

� 2 možnosti opravy

� splnění nejpozději do konce zimního semestru

Heterocyklické sloučeniny

LITERATURA:

Vystrčil A.: Heterocyklické sloučeniny. SPN, Praha 1988.1. Vystrčil A.: Heterocyklické sloučeniny. SPN, Praha 1988.2. Murphyy.: Organická chemie. VUTIUM, Brno 2008.3. Dvořák D.: Chemie organokovových sloučenin přechodných

kovů. VŠCHT Praha, 1994, nebo novější vydání.4. Greenwood N.N., Earnshaw A.: Chemie prvků I, II.

Informatorium, Praha, 1993.5. Elschenbroich C., Salzer A.: Organometallics. A concise

introduction. VCH, Weinheim, 1992, nebo novější vydání.

� Úvod� Názvosloví


� Názvosloví� Nasycené tříčlenné heterocykly

� Aziridiny, Oxirany, Thiirany, Diaziridiny, Oxaziridiny� Metody přípravy� Reakce� Využití

ÚvodTéměř dvě třetiny organických sloučenin

lze klasifikovat jako heterocyklické látky:

sacharidy: furanosy, pyranosy,

N

NNH

N

H2NOCCONH2

CH3

H2NOC

CH3

CH3

CONH2

CH3

CONH2CH3CH3

NH

O

CH3

CH3

H2NOC

Co+

CN

sacharidy: furanosy, pyranosy,

nukleové kyseliny: DNA, RNA,

některé aminokyseliny: tryptofan, histidin,

důležitá barviva: porfyrin, hemoglobin, chlorofyly, indigo

alkaloid ů: atropin, kokain, papaverin,morfin, kodein, kofein, nikotin, theobromin.

Vitamin B12

totální syntéza 1973

Robert B. Woodward (USA) a Albert Eschenmoser (Švýcarsko):

NH

CH3

OO-

OO

P

N

N

O

OH

OH

CH3

CH3

� Nahrada v uhlovodících jednoho nebo více uhlíkatých atomů jedním nebo více atomy jiných prvků - heteroatomy nepůsobí vážnější

Úvod

jiných prvků - heteroatomy nepůsobí vážnější geometrické změny původního skeletu

C

CC 109,5

0,154O

CC 111

0,143 N

CC 108

0,147 S

CC 105

0,181

Heterocyklické sloučeniny můžeme dělit z různých hledisek, např.:

a) podle počtů clánků v cyklu (petičlenné, šestičlenné),

Úvod

b) podle heteroatomu (O, S, N)

c) podle počtu heteroatomů (azoly, diaziny, triaziny, tetraziny),

d) podle stupně nenasycenosti (pyrrol, pyrrolin, pyrrolidin),

e) podle počtu cyklů (pyridin, chinolin, akridin).

Systematická nomenklatura heterocykl ů s jedním cyklem vypracovaná Hantzschem a Widmanem

Názvosloví

� Nomenklaturní princip: záměnný

� Strukturní složky a název: předpon-kmen

� předpon určuje kvalitu heteroatomu v nejnižší neutrální vaznosti

� kmen specifikuje počet článků v kruhu a stupeň nasycení

Předpony pro nejběžnější heteroatomyHeteroatom předpona Heteroatom předpona

-O- oxa -P- fosfa-S- thia -As- arsa

Názvosloví

-S- thia -As- arsa-Se- selena -B- bora-Hg- merkura -Si- sila-N- aza -Pb- plumba

Při číslování poloh v heterocyklu má heteroatomy vždy č. 1z téže skupina periodického systému, má č. 1 heteroatom s nižším atomovým

číslem, tj. O před Sjsou-li heteroatomy z různých skupin periodického systému, má heteroatom z

vyšší skupiny přednost, tj. S před N.

Názvy kmenů jednotlivých heterocyklů jsou rozlišeny pro heterocykly s dusíkem a bez dusíku, v obou podskupinách se dále rozlišují podle počtu článků v cyklu a podle stupně nasycení.

Počet Dusíkaté heterocykly Heterocykly bez dusíku

Názvosloví

Počet Dusíkaté heterocykly Heterocykly bez dusíkučlánků nenasycené nasycené nenasycené nasycené

3 -irin -iridin -iren -iran4 -et -etidin -et -etan5 -ol -olidin -ol -olan6 -in perhydro- -in -an7 -epin perhydro- -epin -epan8 -ocin perhydro- -ocin -okan

Nasycené tříčlenné heterocykly

NH

CH2CH2

O

CH2CH2

S

CHCHCH2CH2 CH2CH2 CH2CH2

NH

NHCH2

O

NHCH2

aziridin

ethylenimin

oxiran

ethylenoxid

epoxid

thiiran

ethylensulfid

diaziridin oxaziridin

Nasycené tříčlenné heterocyklyObecné metody p řípravy

Obecné metody p řípravy: intramolekulární nukleofilní substituce vicinálně substituovaných aminů, alkoholů nebo thiolů, jejichž substituent

• je snadno odstupující skupina

• může zaujmout k heteroatomové skupině antiperiplanární konformaci.

R

R R

RNH2

X

R

R R

RNH

BázeR

R R

ROH

X

R

R R

RSH

X

Přípravy oxiran ů speciálními reakcemi:

• Reakce alkenů s perkyselinami kys. perbenzoová, m-chlorperbezoová

Nasycené tříčlenné heterocyklyOxirany - Speciální metody p řípravy

CH CHR R

HO

O

O

R´

O

R R

H

O

O

R´

++



• Přímá oxidace alkenů kyslíkem na stříbrném katalyzátoru

CH2 CH2O

+ (O)250°C

Kat.


• Termický rozklad cyklických karbonátů vicinálních diolů


O O

CH3 CH3

O

O

CH3 CH3

+ CO2


• Adice karbenu na ketony


O

R

R

O

CH2

R

R+ CH2N2

+ N2

Přípravy thiiran ů speciálními reakcemi:

• Bazicky katalyzovaná eliminace O-acetylderivátu nebo S-acetylderivátu 2-merkaptoethanolu

Nasycené tříčlenné heterocyklyThiirany - Speciální metody p řípravy

acetylderivátu 2-merkaptoethanolu

SSOH Ac SHAcO

báze báze

Přípravy thiiran ů speciálními reakcemi:

• Reakce oxiranů s kyselinou thiokyanatou nebo thiomočovinou

Nasycené tříčlenné heterocyklyThiirany - Speciální metody p řípravy

thiomočovinou

HCH3

OH CH3

HCH3

H CH3

Snebo NH2CSNH2

HSCN

Přípravy diaziridin ů: reakcí ketonů s amoniakem a chloraminem

Nasycené tříčlenné heterocyklyDiaziridiny - Obecné metody p řípravy

O

R

R

NH

NH

R

R+ NH3 + NH2X

Přípravy oxaziridin ů: reakcí Schiffových bází s perkyselinami

R R

Nasycené tříčlenné heterocyklyOxaziridiny - Obecné metody p řípravy

CH NR R

HO

O

O

R´

N

O

R R

H

O

O

R´

++

Obecnou reakcí oxiranů, thiiranů a aziridinů je nukleofilní adice

Nasycené tříčlenné heterocyklyObecné reakce

H+

R

R R

RZH

Nu

R

R R

RZ

Nu

H+

nebo Lewisova kyselina

H+

Z = -O-, -S-, -NH-, -NR-

Reakce s vodou

Nasycené tříčlenné heterocyklyReakce oxiranu

Reakce s alkoholy a fenolyReakce s karboxylovými kyselinamiReakce s aminyIntramolekulární přesmyk epoxidu

Nasycené tříčlenné heterocyklyVyužití oxiranu (ethylenoxidu)

CH2 CH2O

H+

H2O

O

H+

OOHOH

OH OHH+ H+ OHOH

OHO

OOH O

OHOHn

diethylenglykol

triethylenglykol polyethylenglykol

nemrznoucí náplně chladicích kapalin


- H2O

O

OH OH

H2SO4

O

OH O SO3H+

O

O1,4-dioxan

diethylenglykol H+ 1,4-dioxan

2. (CH3)2SO4

O

OH OH

diethylenglykol

1. NaHO

O O

CH3CH3

O

O O

CH3

O

CH3

DIGLYM TRIGLYM

rozpouštědlo

rozpouštědla


O

H+

OOO

RH

ROH + n

n - 1O

neiontové tenzidy

n - 1

O

H+

OOOR

O

HRCOOH + n

n - 1

Tyto tenzidy mají použití zejména v textilním průmyslu


HO

ClH

O

OH

O

OCl

KOH

C6H6

O

O

O

O OH

O

O O

Cl

O

O

O

"crown-ethery"18-crown-6

Přítomnost iontů kovů ovlivňuje počet monomerních jednotek - templátový efekt.

Komplexací se alkalické báze stávají rozpustné v organických rozpouštědlech, zvyšuje se účinná koncentrace nukleofilu – fázová katalýza

Strukturu polyetherů mají rovněž některá antibiotika . Jejich účinnost se vysvětluje tím, že specifickou komplexací draselných iontů usnadňují jejich transport buněčnými membránami a tím porušují přirozenou rovnováhu iontů Na+ a K+.

Epoxidové pryskyřice a lepidla:

CH3

OHOH +O

Cl


CH3

+ Cl

CH3

CH3

OO CH2CH CH2 O

OH

CH3

CH3

O CH2 CH

O

CH2CH CH2CH2

O

n

CH2

CH

CH2

OH OCH CH2CH2

O

+CH2

CH

CH2

O OCH CH2CH2

OH

bisfenol A3-chlor-1,2-epoxypropan

(epichlorhydrin)

"prepolymer"

tužidlo

střed řetězce 1

konec řetězce 2Zesíťovaný polymer

Nasycené tříčlenné heterocyklyThiirany – Specifické reakce

Oxidace hydroperoxidem vznikají 2-hydroxyalkansulfonové kyseliny

H2O2S

CH3 CH3S

OH

O

OHO

Nasycené tříčlenné heterocyklyThiirany – Specifické reakce

Působením jodu probíhá stereospecificky eliminace síry za vzniku alkenů

CH CHS CH CHCH3

H H

CH3S CH3

H H

CH3I2

CH3

H CH3

HS CH3

H CH3

HI2

Nasycené tříčlenné heterocyklyAziridiny – Specifické reakce

Aziridiny nesubstituované na dusíku lze substituovat do této polohy bez rozevření heterocyklu

NH RX+ N R + HX

NH +O

N

OHNH

OHOHH3O

+


Adicí aziridinu na aromatické aldehydy vznikají geminální aminoalkoholy, které varem v etheru přesmykují na 2-aryloxazolidiny.

NH

H

O+ N

OH

H

O

N

+ H2O


V pufrovaném prostředí lze aziridin kopulovat s benzendiazoniovou solí za vzniku 1-fenylazoaziridinu. Ten katalytickým účinkem NaI izomerizuje na 1-fenyl-1,2,3-triazolin.

NH N+N

+ NNN

N

NN

- H+

Nasycené čtyřčlenné heterocykly� Oxetany


� Oxetany� Oxetan-2-ony� Thietany� Azetidiny� Azetidin-2-ony

Nasycené čtyřčlenné heterocykly

NH

CH2 O CH2 S CH2

CH2 CH2

2

CH2 CH2

2

CH2 CH2

CH2

oxetan thietanazetidin

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetan - obecné metody p řípravy

Příprava SNi 3-halogenalkoholů účinkem bází

BázeOHX

O+ HX

Příprava termickým rozkladem cyklických karbonátů 1,3-diolů

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetany - Speciální metody p řípravy

OO

O

O+ CO2

Reakce oxetanů probíhají podobně jako tomu bylo u oxiranů, za otevření kruhu. Ve srovnání s tříčlenným kruhem je však čtyřčlenný kruh méně reaktivní.

Adice účinných nukleofilů

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetany - Obecné reakce

O 1. RMgBr

2. H2OR OH

OCH3

OHLiAlH4

OR-S OH

R-SH

Polymerace účinnými Lewisovými kyselinami


O OBF3 O

n

Izomerace méně účinnými Lewisovými kyselinami

OCH2

CHC

O

H

ZnCl2

polypropylenoxid

propenal (akrolein)

Termické štěpení


O ∆CH2 CH2 C

OH

H

+

Mnohem významnější než oxetany jsou oxetan-2-ony, tj. β-laktony.

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetan-2-ony ( ββββ-laktony)

R

C

O

O

R

R

Příprava SNi β-halogenkyselin účinkem bází.

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetan-2-ony ( ββββ-laktony) - metody p řípravy

C

O

OCH3CH3CH C

OHBr

O

Na2CO3

(40%)

+ HBr

Příprava cykloadicí karbonylových sloučenin na keteny

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetan-2-ony ( ββββ-laktony) - metody p řípravy

C

O

OCH2 C O

ZnCl2CH2 O

Vysoká reaktivita = vysoká kancerogenní účinnost

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetan-2-ony ( ββββ-laktony) - Vlastnosti

Adice nukleofilu do polohy β nebo na karbonylový uhlík:

CO

OCH3OH

OCH3

OOHCH3O

-

CO

-

OOCH3

NuNu

Friedelova-Craftsova reakce:


O

CO

OC

OHO

+AlCl3

C

O

Reakce s konjugovanými dieny: oxetan-2-ony reagují jako filodieny.


C

O

O CCH2CH

CH2CH

OH

O

CH2

CH2

CH

CH+

Příprava nukleofilní substitucí vhodně substituovaných uhlovodíků:

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyThietan – metody p řípravy

S

O

O

CH3

CH3

O

O

BrBr

CH3

CH3 Na2S S

O

H3O+

Příprava termickým rozkladem cyklických karbonátů 1,3-diolů

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyThietany - Speciální metody p řípravy

OO

O

SKCNS

Adice účinných nukleofilů

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyThietany - reakce

S 1. C6H5Li

2. H2OH5C6 SH

Oxidace chlorem:

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyThietany - reakce

SCl S ClS

Cl2/CCl4 Cl S ClS

Oxidace hydroperoxidem

S S O

O

H2O2

thietan-1,1-dioxid

bis-3-chlorpropyldisulfid

Azetidinový systém byl nalezen v některých metabolitech.

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin

azetidin-2-karboxylová kyselina byla izolována z cibulek konvalinky vonné

NH

O1

23

4

Azetidinový cyklus je součástí skeletu některých antibiotik.

OH

azetidin-2-karboxylová kyselina

S

N

NHR

O

O

CH3

CH3

OOH

HH

N

N

O

O

OHpeniciliny nokardamin

Příprava kontaktní deaminací 1,3-diaminopropanu:

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin – metody p řípravy

CH2CH2

NH2CH2

NH2

NH+ NH3

Raney-Ni

100 °C58%


Příprava intramolekulární nukleofilní substitucí 1-halogen-3-aminoalkanů:

CH3

NHCl

CH3

CH3

CH3

OH

O

Cl + NH2 CH3

CH3

N

OH

CH3

CH3

CH3

KOH


Příprava nukleofilní substitucí 1,3-dihalogenalkanů arensulfonamidy:

Br OSO2Ar

Br

Br

+ ArNH2 S

O

OKOH

+N

N

SO2Ar

N SO2Ar

N SO2ArNa + ROH

NH + ArSO2H

Chránící skupinu lze odštěpit redukční reakcí.

Reakce na dusíku:

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin - Vlastnosti

NH CH2=CH2-CN N N

NH CH2=C=O NCH3

O

NH NN

ONaNO2, AcOH

Reakce na dusíku:

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin - Vlastnosti

NN

+

O

O-

RCOOOH

NH NN

ONaNO2, AcOH

NNH2

LiAlH4

redukce

RCOOOH

oxidace

Azetidin-2-onový cyklus je součástí skeletu antibiotik penicilinů a cefalosporinů.

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin-2-ony

S

N

NH2

O

CH3

CH3

OOH

HH

kyselina (3S,6R,7R)-6-aminopenicilanová

N

NH2

O

HHS

CH3

O OH

kyselina (7R,8R)-7-aminocefalosporanová

1

23

456 7

12

34

567 8

Příprava přímou cyklizací β-amonokyseliny:

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin-2-ony - metody p řípravy

NH

OR'

RR'

R

NH2

O

OHSOCl2

Příprava intramolekulární nukleofilní substitucí vhodně substituovaných halogenkarboxamidů:


C6H5Br C6H5N

O

6 5

O

NHBr C6H5

Báze

CH N

O

C6H5

O

H5C6CH2

O

NC6H5

Cl

O

H5C6Báze

3-brom-N-phenylpropanamid

CH-

O

NC6H5

Cl

O

H5C6

2-chloro-N-(2-oxo-2-phenylethyl)-N-phenylacetamide

1-phenylazetidin-2-on

4-benzoyl-1-phenylazetidin-2-on

Příprava dipolární (2+2) cykloadicí ketenů na aldiminy:


N

O

CH3H5C6

R

R'

OR

R'

N

CH3H5C6

Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin-2-ony - Vlastnosti

NH N NCH2=CH2-CN

Reakce na dusíku:

NH

O

NN

O

O

NaNO2, AcOH

O O

adice na aktivovanou dvojnou vazbu

Substituce na dusíku:


NH NR

RX

O OAlkylace

NH

O

NR

O

O

RCOX

acylace

Hydrolytické štěpení cyklu:


NH

ONH2 O

OHH2O

� Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem


� Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem

Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem

NH

O SN

CH CH

CHCH

O

CH CH

CHCH

S

CH CH

CHCH

furan thiofenpyrrol


ZCH

-Z

Z

CH-

Z

Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomemAromaticita

SNH

O

vazba [pm]

2 - 3

l ∆l l ∆l l ∆l l ∆l

2

3 4

5

1

136 2 137 3 137 3 139 5

3 - 4 143 -11 143 -11 142 -12 139 -15

µ [1030Cm] 2,25 3,04 1,78 0

dipolový momenttetrahydroderivátu 5,64 5,30 6,27

NMR δ[ppm] 13C 1H 13C 1H 13C 1H 13C 1H

poloha 2

poloha 3

144 7,6 117 6,8 126 7,1 129 7,8

110 6,6 108 6,1 127 7,2 129 7,8

O NH

S

Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomemAromaticita

Charakteristiky aromaticity

�Cyklické, rovinné, s konjugovanými dvojnými vazbami.

�Mají 4n + 2 elektronů π, které jsou delokalizovány v kruhu.�Mají 4n + 2 elektronů π, které jsou delokalizovány v kruhu.

�Jsou neobyčejně stálé. Reagují s elektrofily a poskytují produkty substituce.

�Produkty elektrofilní adice na dvojné vazby nevznikají.


Chemické vlastnosti

Aromatické sloučeniny: dávají produkty SE

Konjugovaný dien: Dielsova-Alderova cykloadiční reakce

Funkční skupina: u furanu je nenasycený etherFunkční skupina: u furanu je nenasycený ether

u pyrrolu je enamin


Reakce s kyselinami

Lewisovy kyseliny vyvolávají polymeraci všech uvedených heterocyklů.

NH

NH

NH

NH

Lewisova kyselina

AlCl3


Reakce s kyselinami

Vůči protickým kyselinám je jejich chování rozdílné:

Furan účinkem minerálních kyselin přechází z velké části na pryskyřičné zplodiny, jen malý podíl se štěpí na sukcindialdehyd.pryskyřičné zplodiny, jen malý podíl se štěpí na sukcindialdehyd.

O

O O O OH+

OO

HH


Reakce s kyselinami

Pyrrol účinkem minerálních kyselin při nízké teplotě protonizuje.

N+

HH

N

H

N+

HH

H

N+

H

H

H

H+


Reakce s kyselinami

Thiofen je v prostředí minerálních kyselin relativně stálý.

S


Příprava

Cyklizace 1,4-dikarbonylových sloučenin:

R

O

R´

O

R R´

NH

SO

P2O5

NH3

P2S5


Příprava

Si 1,4-disubstituovaných derivátů uhlovodíků:

CH2

OH

CH2

OHO

- H2O CH2

OH

CH2

OH

- H2OO

CH2

CH2

Br

CH2

CH2

BrN

R

CH2

C

OH

CH2

C

OHN

C6H5

R-NH2 C6H5NH2

Al2O3, 300 °C

CH2

CH2

Br

CH2

CH2

BrSNa2S

CH2

CH2

CH2

CH2

2 2

CH

2

CH

2


Příprava – Speciální metody

Zpracovávání odpadních polysacharidů bohatých na aldopentosy: arabany, xylany jako dřevo lisnatých stromů, sláma

OO

O

H

O

ROH

OHOH

OHOH

O

R

R = H furan-2-karbaldehyd (furfuran)

R = CH3 5-methyl furan-2-karbaldehyd

H+

aldopentosy


Průmyslová výrobaFuran se připravuje katalytickou dekarboxylací furfuralu. Pyrrol se získává průmyslově buď z černouhelného dehetu, nebo reakcí furanu s amoniakem:

OO

O NH

NH , H ONi-katalyzátorO

H

O NNH3, H2O

Al2O3, 400 °C

Ni-katalyzátor

280 °C

SCH2 CH2 S

600 °C+ H2S

Thiofen se v malém množství nachází v černouhelném dehetu a průmyslově se vyrábí cyklizační reakcí butanu nebo butadienu se sírou při 600°C.

Elektrofilní substituce furanuFuran nestálý v kyselém prostředí ⇒ omezené možnosti elektrofilní substituce, nízké výtěžky.

Acylace pomocí anhydridů karboxylových kyselin Sulfonace pomocí komplexu oxidu sírového s pyridinem

OPy-SO3(RCO)2O

OO

R

OS OH

O

O

Sulfonace pomocí komplexu oxidu sírového s pyridinemprobíhají bez katalýzy Lewisových kyselin

Elektrofilní substituce furanu

O

Nitrace pomocí acetylnitrátu probíhá adičně-eliminačním mechanismem

OO

O

CH3 N+

O-

OH H

Báze

CH3COONO2

O O N+

O-

O

H2O

O O

H H

Elektrofilní substituce furanuElektronegativní substituenty zvýší stabilitu furanového kruhu v kyselém prostředí.

R R OO N

+

O-

OO

O

R

OS H

O

ON

+

O-

O

OO

R

N+

O-

O

+HNO3

H2SO4

OS H

O

OHNO3

H2SO4

O N+

O-

O

+


Přímá halogenace furanu vede k produktům vícenásobné substituce a adice.

O OBr BrO

BrBr2

dioxan+

Elektrofilní substituce furanuMerkurace furanu:za laboratorní teploty vede k substituci do polohy 2; ve vroucí kyselině octové vede k substituci do všech poloh.

OHgOAc

O

OAcOHg HgOAc

AcOHg HgOAc

Hg(OAc)2

20 °C

Hg(OAc)2

AcOH, var

OI

O

AcOHg HgOAc

I2

HClO

Br Br

Br2


O

Gattermannova a Hoeschova reakce furanu

O O

H

O

O O

R

O

HCN

HCl

RCN

HCl


Reakce s protonizovaným karbonylem: dává makrocyklický produkt kalix[4]furan a další makromolekulární polykondenzační produkty.

O (CH3)2C=O

H+

CH3

CH3 OO

H+

O

O

OO

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

(CH3)2C=O

Adiční reakce furanu

Katalytická hydrogenace : - typická reakce pro konjugované dieny.

O OKatalytická hydrogence

Adiční reakce furanu

Dielsova-Alderova reakce : - typická reakce pro konjugované dieny

O + O

O

O

O

O

O

O

H

H

O

O

O

O

H

H

+ O

O

O

Reakce substituovaných furanů

Elektrofilní substituce furanu vždy probíhá v poloze 2 (5), takže daný substituent ji může jen urychlit nebo zpomalit.

OCH3O

CH3H

O

Zn(CN)2

HCl

O

CH3

O

H

O

CH3

Zn(CN)2

HCl

ON+

O-

O

ON

+

O-

O

N+

O-

OHNO3

Ac2O

OH

O

ON

+

O-

OH

OHNO3

Ac2O

Reakce substituovaných furanů

Nukleofilní substituce halogenfuranů probíhá jen obtížně, pokud jeho reaktivita není zvýšena jiným substituentem.

OBr COOCH3O

O COOCH3

CH3

CH3ONa/CH3OH

100 °C

Furan-2-karbaldehyd (furfural)Furan-2-karbaldehyd se průmyslově vyrábí z různých zemědělských surovin, jako jsou vřetena kukuřičného klasu, sláma a piliny. Tyto rostlinné materiály obsahují polysacharid - hemicelulózu , bohatou na pentosy. Zahříváním s minerálními kyselinami vzniká furan-2-karbaldehyd asi z 10% rostliných mas.

O

O

furan-2-karbaldehydxylosa

OH OH

H

OH

OH

HH

CHO

H

H

CH2OH

OH

H OHOH HH OH

Pentosy se dehydratují minerálními kyselinami na furan-2-karbaldehyd

Furan-2-karbaldehyd (furfural)Chemie Furan-2-karbaldehydu je velmi podobná chemie benzaldehydu

O

O

O

OH

O

O

OH

+OH-

2Cannizzarova reakce O

OO

O

OH

CN-

OH O+

O

O

OO

OH

O

OAc2O

AcONa

2

2

Cannizzarova reakce

Acyloinová kondenzace

Perkinova reakce

furoin

Benzo[b]furan

Benzo[b]furan a jeho homology jsou obsaženy ve středních destilačních frakcích černouhelného dehtu, z nichž se oddělují po polymeraci jako tzv. kumaronové pryskyřice.

O1

2

34

5

6

7

abc

de

O O O O

Br

Br

O-

COO-

Br

Br

O

COO-

Br

OH-Br2

O

COO-

OOH-

eliminace HBr

-CO2

dekarboxylace

kumaronové pryskyřice. Pro laboratorní přípravu se používá komerční produkt kumarin, odtud je triviální název „kumaron“

kumaron

kumarin

Benzo[b]furan

Anelací benzenového cyklu se do značné míry mění vlastnosti matečného heterocyklu – furanu. Zvýší se oddolnodt vůči kyselinám, tj. sníží se tendence k polymeracím a hydrolytickému štěpení cyklu; zcela zanikají možnost 1,4-adicí.

O1

2

34

5

6

7Elektrofilní substituce:probíhají přednostně do polohy 2 a jen je-li tato poloha obsažena, dochází k substituci polohy 3. Jsou-li obě tyto polohy obsaženy, dojde k elektrofilní substituci benzenového cyklu v poloze 5.

Benzo[c]furan

O

1

26

7

abc

e

Benzo[c]furan není známý, a jeho substituované deriváty jsou nestálé a snadno podléhají adicím do poloh 1 a 3 účinkem různých dienofilů apod.

O

34

5

cd e

DibenzofuranO

12

345

6

78

Číslování poloh tohoto heterocyklu výjimečně nezačíná na heteroatomu.

Dibenzofuran se vyskytuje v černouhelném dehtu. Vzniká dehydrogenací difenyletheru.

O O

dehydrogenace

Dibenzofuran je velmi stabilní. Elektrofilní substituce probíhají jen za katalýzy nejúčinnějších Lewisových kyselin a jsou řízeny do polohy 3(6).

Elektrofilní substituce pyrrolu

NH

NHH

NH O

Py-SON

O CH3

Formylace

NN

O

NS OH

O

Py-SO3

80%

H CH3

POCl3, 83%

NH

O

OH

(NH4)CO3

120 °C

Sulfonace

Karboxylace


Nitrace

NH

NH

N+

O-

ONH

N+

O-

O

+51%

CH3COONO2


NH

Přímá halogenace pyrrolu nelze řídit.

H HN

NH

NH

I I

II

Cl2

do -20 °C

I2 + KI

AcOH

NH

NH

NH

Cl Cl

ClCl

NH

Cl1 mol SO2Cl2

Et2O, 0 °C

4 mol SO2Cl2

Et2O, 0 °C

Směs produktům vícenásobné substituce

+ polychlorované produkty


Kopulace :

H HN2

+Cl

-

NH

NH

N

N+AcONa

Elektrofilní substituce pyrroluGattermannova a Hoeschova reakce a acylace pomocí anhydridů u pyrrolu neprobíhají na rozdíl od furanu.

NH

NH O

N N

H

NH

NH

R

O

HCN

HCl

RCN

HCl

NH

(RCO)2O NH

R

O

Reakce pyrrolu na dusíkupKa = 15, nízká nukleofilita dusíku:

NH

N

CH3

NH

CH IN N

N-

N

CH3

N CH3+

NaNH2 / NH3

Na+

CH3I CH3I

CH3I

100 °C

Reakce pyrrolu na dusíkuReakce N-pyrrolylmagnesiumjodidu:

NH

N

MgI

CH3MgI+CH4

AcCl N

COCH3

+NH

CH3

O

Reakce dvojných vazeb pyrrolu

NH

O OHO

O

NH

Pyrrol reaguje s typickými dienofily jako C-kyselina.

N

+ AcCl

OH

OH

O OH

ON

Oxidací pyrrolu

NH

NH

OOCrO3

maleinimid

Reakce substituovaných pyrrolů

HNH

NH

Elektronické efekty substituentů na pyrrolovém cyklu se projevují obdobně jako u benzenu. 2-Hydroxypyrrol

NH

CH3 CH3

OHN

CH3CH3

O

H

N

CH3CH3

OH

H

NH

CH3 CH3

O S Ar

O

O

NH

CH3CH3

O

H

OH

ArSO2Cl, Py HCOOEt/Báze

Reakce substituovaných pyrrolů

Pyrrol-2-karbaldehyd a acylpyrrolové deriváty

NH

O

R

NH+

O-

R

Účinkem kyselin nepolymerují, protonizuje se karbonylový kyslík.

Nepodlehají Cannizzarově a Perkinově reakci, tj. reakcím na karbonylu

Reakce pyrrol-2-karbaldehydu

NH OH

NH O

NH

CH3

H+

Polymerace

redukce redukce

Kižněr a Wolff (Huang-Minlon)

NN NCH3

NH

R

O

NH

R

NaBH4 LiAlH4

1. NH2NH2

2. Báze

Porfinové deriváty

NH

NH

NH

NH

bilan

NH

+H H

O

4 3H+

NH

NH

NH

NHN

H

+H H

O

4H+

4 N

NH

N

NH

porfyrinogen porfin

1 4 5

6

9

10111415

16

19

20

O2

porfyrinogen a porfin jsou základem biologicky významných hemových barviv, chlorofylů a korinů.

Heminová barviva

NNH

CH3

CH2CH3

CH2

NNH

CH3

CH3S

R

SR

N NH

CH3

OOHO OH

CH3

N NH

CH3

OOHO OH

CH3

protoporfyrin IX cytochrom C

Protoporfyrin IX je základem krevního barviva hemoglobinu

Cytochrom C je součástí systému oxidoreduktas tzv. dýchacího řetězce

N N NH

NOH

CH3

H2C=HC

CH3

HOOCH4C2 CH3 CH3 CH=CH2

OH

HOOCH4C2

biliverdin

OH

CH3

H2C=HC

CH3

HOOCH4C2 CH3 CH3 CH=CH2

OH

HOOCH4C2

bilirubin

+ H2

V metabolismu dochází ke stálé výměně krevního barviva. Odbourávání probíhá v játrech, metabolity se hromadí a vylučují žlučí.

N NH

NH

NOH OH

NH

NH

NH

NH

OH

CH3

H3C-H2C

CH3

HOOCH4C2 CH3 CH3 CH2-CH3

OH

HOOCH4C2

urobilinogen

NH

NH

N NH

OH

CH3

H3C-H2C

CH3

HOOCH4C2 CH3 CH3 CH2-CH3

OH

HOOCH4C2

urobilin

+ 4 H2

- H2

ChlorofylyChlorofyly zprostředkují fotosyntézu v rostlinách a fototropních bakteriích.

CH3CH3

N

N N

N

CH3

CH2

RCH2

HO

O

H

O

O

CH3

CH3H

CH3

CH3 CH3H

CH3H

CH3

Mgchlorofyl a: R = -CH3

chlorofyl b: R = -CHO

KorinyZákladní skelet korinů je

20-nor-dekahydroporfin.

N

NNH

N

H2NOCCONH2

CH3

H2NOC

CH3

CH3

CONH2

CH3O

CH3

CH3

H2NOC

Co+

R

CONH2CH3CH3

NH

O

CH3

OO-

OO

P

N

N

O

OH

OH

CH3

CH3

N

NNH

NH

H

Nejvýznamnějším korinovým derivátem je vitamin B12

Indol, isoindol, indolizinNH1

2

34

5

6

7

abc

de

N

H

H

NH

1

2

34

5

6

7

N

HH

345

indol 3H-indol isoindol 1H-isoindol

N34

6

71

2

8

indolizin

N+

CH-

N+ CH

-

NH1

2

34

5

6

7

abc

de

NH+

CH-

NH

1

2

34

5

6

7CH

-

NH+

N34

5

6

71

2

8

indol isoindol

indolizin

IndolIndol je skeletální základ esenciální aminokyseliny L-tryptofanu a řady významných metabolitů. Indolový skelet je také součástí struktury významného barviva rostlinného původu – indiga.

Jeho homology jsou identifikovány v černouhelném dehetu, v Jeho homology jsou identifikovány v černouhelném dehetu, v některých silicích.

O

NH2NH

OH

Tryptofan (Trp)

N

N

O

O

H

HIndigo

Reakce indoluIndol je velmi slabá báze, nestálá v kyselém prostředí.

Elektrofilní substituce probíhají snadno a přednostně do polohy 3, a pouze je-li tato obsazena, pak proběhne substituce do polohy 2.

OH

NH

NH

S

OHO

ONH

ONH

N

CH3

CH3

Py-SO3

CH2O/(CH3)2NH

gramin

NH

N N

Ar

ArN2X

HCON(CH3)2

POCl3

Reakce indolu na dusíku

NH

N-

BuLi

Li+

RXN

R

NH

∆

R

N

CH3

O

NH

NH

CH3

O

Ac2O

AcOH

Ac2O

AcONa

V bazickém prostředí V kyselém prostředí

Reakce tautomerní formy 3H-indolové

N N NN N

HH

N

N

C6H5CHO C6H5-NO

Karbazol (dibenzopyrrol)Číslování poloh tohoto heterocyklu výjimečně nezačíná na heteroatomu. Karbazol je dlouho známý jako součást černouhelného dehtu.

NH

1

2

3

45

6

7

8 9

Obecná metoda syntézy karbazolu a jeho derivátů je založena na reakci o-aminodifenylaminu s kyselinou dusitou a tepelném rozkladu vzniklého 1-fenylbenzotriazolu: .

Nízká bazicita dusíku je podobná pyrrolu nebo difenylaminu.Elektrofilní substituce: probíhají snadno do poloh 1, 3, 6, 8, tj. o-, resp. p- vzhledem k iminoskupině.

fenylbenzotriazolu: . NH

NH2

NH

N

N

N

HNO2 ∆

- N2

1-fenylbenzotriazol

Karbazol nalezl praktické využití při výrobě některých barviv, polymer polyvinylkarbazol je termoplast.

IndolizinN

345

6

71

2

8Matečný indolizin je nestálý na vzduchu a na světle.

Deriváty substituované arylem anebo acylem v polohách 1,3 resp. v obou současně, jsou stálejší než matečný indolizin.v obou současně, jsou stálejší než matečný indolizin.

Elektrofilní substituce probíhají do poloh 1 a 3 bez katalýzy Lewisových kyselin.

NN

N+ O

-O

N+

O- O

N

RO

OR

HNO3 RCOCl

Isoindol NH

1

2

34

5

6

7

Nesubstituovaný isoindol není známý, snadno podlehá polymeraci resp. autooxydaci. a jeho substituované deriváty jsou nestálé a snadno podléhají adicím do poloh 1 a 3 účinkem různých dienofilů apod.

Nejdůležitější derivát isoindolu jsou zřejmě ftalocyaninové komplexy , patří k Nejdůležitější derivát isoindolu jsou zřejmě ftalocyaninové komplexy , patří k nejstálejším organickým barvivům, slouží k výrobě malířských barev, dále jako přísada do omítek atd.

N

N

N

N

N

N

N

N

M


Průmyslová vyroba

Thiofen se v malém množství nachází v černouhelném dehetu a průmyslově se vyrábí cyklizační reakcí butanu nebo butadienu se sírou při 600°C.

SCH2 CH2 S

600 °C+ H2S

Thiofen

Thiofen je v prostředí minerálních kyselin relativně stálý a je v kyselém prostředí nejstabilnější ze všech pětičlenných heterocyklů s jedním heteroatomem.

S

s jedním heteroatomem.

Aromatický systém thiofenu je velmi blízký benzenu. Při elektrofilních substitucích je sice preferována poloha 2, ale ne tak výhradně jako v případě pyrrolu.

Elektrofilní substituce thiofenuSulfonace thiofenu probíhá již účinkem 85%-ní kyseliny sírové, tedy za podmínek, kdy se benzen nesulfonuje. Toho se užívá k odstranění thiofenu z benzenu vyráběného z černouhelného dehtu.

SPy-SO3

SS OH

O

O

dehtu.Preparativně výhodná je sulfonace pomocí komplexu oxidu sírového s pyridinem.

Elektrofilní substituce thiofenu

O

Nitrace:

S S N+

O-

O

S

N+

O-

O

+C6H5COCl, AgNO3

CH3CN

14% 86%


S SBr BrSBrBr2

AcOH

2 Br2

AcOH

SZn

AcOH

Bromace:

Br

AcOH AcOH

Br

AcOH

Chlorace:

S SCl Cl

ClCl

SCl S ClClSO2Cl2 Cl2S

Cl Cl

+ +

70%

78%


SHgOAcHg(OAc)2

Merkurace:

SII2

S

SClHg HgCl

Hg(OAc)2

AcOH

HgCl2

AcONa

S

R

OO

RRCOCl

2-acetoxymerkurithiofen

bis(chlormerkuri)thiofen


S SO

C H COClSO

Friedelova-Craftsova reakce

S S

C6H5

S S

H

O

C6H5COCl

AlCl3

S

CH3

AcCl

SnCl470% 90%

HCON(CH3)2

POCl3


SCH3

SCH3BrBr2

Řídící vliv substituentů při elektrofilních substitucích derivátů thiofenu:

SCH3

CH3

Br

CH3Br

+2

AcOH

HNO3

H2SO4

SCH3

N+

O-

O

SCH3N

+

O-

O+

30% 70%


SBrBr


S

CH3

Br

CH3

Br2

AcOH

S

CH3

CH3

OS

O

CH3

CH3

+

AcCl

SnCl4

80% 20%


S S+

O-

S


S RS RN

+

O

S R

N+O

-

O

+HNO3

AcOH

R = COOH 49% 31% CN 57 43 COCH3 48 52 CHO 25 75 NO2 20 80

Nukleofilní substituce thiofenůHalogen v poloze 2 i 3 je pro nukleofilní substituce velmi málo reaktivní. Vlivem nitroskupiny stoupá jeho reaktivita v pořadí:

S Br S BrN+

O-

S Br

N+O

-

O

O

N+

O-

O

< <

S Br

N+

O-

O

S

N+

O-

O

Npiperidin

EtOH

Reakce substituovaných thiofenůZ halogenderivát ů thiofenu lze připravit organokovové deriváty a to homolytickým štěpením vazby halogenů účinkem kovů.

S Br

CH3

S

CH3

MgBrMg

Et2O

S

CH3

COOH1. CO2

2. H+

Reakce substituovaných thiofenů

S OH S OS O

H

2-Hydroxythiofen je v rovnováze s tautomerními formami thiolaktony, v níž převládají konjugovaný systém thiolakton, což vysvětluje jejich snadné hydrolytické štěpení.

OH

H

O

H

OH

4-thiolen-2-on 3-thiolen-2-on

3-Hydroxythiofen převažuje v rovnováze s tautomerní formou 4-thiolen-3-onem.

S

OH

S

O

H

H

4-thiolen-3-on

Reakce substituovaných thiofenů

SNH2

SN2

+Cl

- S N

OH

2-Aminothiofen lze za obvyklých podmínek diazotovat a vzniklou diazoniovou sůl kopulovat s reaktivními aromáty.

2 N2 ClN

NaNO2 / HCl 2-naftol

Thiofenové deriváty mohou reagovat i jako pasivní komponenta při kopulaci

+N

+

O-

O

Cl-N2

+

N+

O-

O

NN

SAcHN

SAcHN

Reakce thiofenu na síře

SCH3 CH3S

OO

CH3 CH3

RCOOOH2,5-dimethylthiofen-1,1-dioxid

S S

OO

RCOOOH

SO2

H

H

SO2

SO2

H

H

SO2

Oxidací thiofenu perkyselinami vzniká benzo[b]thiofen-1,1-dioxid. Jeho vznik lze vysvětlit Dielsovou-Alderovou adicí intermediátů a následnou eliminací síry.

benzo[b]thiofen-1,1-dioxid

Adiční reakce dvojných vazeb thiofenu

Adice na formální dvojné vazby thiofenu jsou spojeny se zánikem aromatického vazebného stavu, a tudíž je lze realizovat jen účinnými reagenty. Adukty s karbeny se snadno isomerují na thiofenové deriváty

S

+S

CHCOOR

H

H

N2CHCOORS

CH2COOR

hν

Adukty s karbeny se snadno isomerují na thiofenové deriváty substituované v poloze 3.


CH CH3 CH

Reakce s dienofily je známá jen v ojedinělých případech, snadno isomerují na thiofenové deriváty substituované v poloze 3.

S

CH3

CH3

+

CN

CNCN

CN

CH3

CH3

S

CN

CN

CH3

CH3


Katalytická hydrogenace je ztížena tím, že všechny hydrogenační katalyzátory se přitom rychle inaktivují. Použijí-li se ve velkém nadbytku, dochází k hydrogenolýze vazeb C-S. Uplné redukční odštěpení síry lze dosáhnout působením

SHOOC CH3

N+

O-

O

NH

O

CH3

HOOC CH3

NH2

- H2OH2/Raney-Ni

Uplné redukční odštěpení síry lze dosáhnout působením Raneyova niklu.

Dihydroderiváty thiofenuS S S

2-thiolen 3-thiolen thiolan3-thiolen

3-Thiolen se vlastnostmi podobají alylsuldidům. Za zmínku stojí využití reverzibilní reakce vzniku 3-thiolen-1,1-dioxidu při výrobě 1,3-butadienu.

CH2 CH2

S

OOSO2

+

Dihydroderiváty thiofenuS S S

2-thiolen 3-thiolen thiolan3-thiolen

Podobně reaktivita thiolanu je v mnohém podobá chování nasycených sulfidů.

S

NH NH

OH

O

Obiotin

Jeho významným derivátem je (+)-biotin, který je koenzym karboxyláz.

Benzoderiváty thiofenu

S1

2

34

5

6

7

abc

de

S

S1

2

34

5

6

7

abc

d e

1

2

3

45

6

7

8

4 4 45Benzo[b]thiofen Benzo[c]thiofen Dibenzothiofen

Elektrofilní substituce benzo[b]thiofenu probíhají snadno:

Nitrace, bromace, merkurace pouze do polohy 3,

Frielelovy-Craftsovy reakce do obou poloh 2 i 3.

S

OR

S

O

RSRCOCl

AlCl3+

S S S

HNO3, AcOH

SnCl2 Ac2O

Elektrofilní substituce benzo[b]thiofenu:

S

OH

S

N+

O- O

S

NH2

S

NH

O

R

S

O

H

H

SnCl2

HCl

Ac2O

NaNO2, AcOH

� Šestičlenné heterocykly s jedním heteroatomem


� Šestičlenné heterocykly s jedním heteroatomem

Šestičlenné heterocykly s jedním heteroatomem

N O HH

S HH

O S

2H-pyranpyridin H H H H4H-pyran 4H-thiapyran

2H-thiapyran

N+

H

O+

S+

pyryliový kation thiapyryliový kationpyridiniový kation

pyridinium

Pyridin a jeho deriváty

Směs tzv. pyridinových bází byly nejprve izolována z kostního oleje (kapalný podíl vzniklý pyrolýzou kostí), později byl nalezen jejich bohatý zdroj v černouhelném dehtu.

N

pyridin

N CH3

α-pikolin

N

CH3β-pikolin

N

CH3

γ-pikolin

NCH3 CH3

2,6-lutidin

Průmyslová výroba pyridinu a jeho derivátů

NNH3

+ (O)400 °C

CH

OCH2

O

aluminosilikátový kontaktní kat.

CH3

CH2

O N

CH3CH2

O400 °C

NH3

+

70%

β-pikolin

Syntéza pyridinů a jeho derivátů

NH

RR

NH3O O

R R

+N RR(O)R R

O+

RR

O O

R R

NH3NH3

H+

H2O

- H2O

Syntéza pyridinů a jeho derivátů

N COOHN

OH

NN COOH

COOH

(O)N N

COOH

- CO2

8-hydroxychinolin kys. chinolinová kys. nikotinová

Vlastnosti pyridinu

1. Pyridin je řádově silnější báze (pKB = 8,7) než pyrrol (pKB = 17,8) a protonací se aromatický stav v pyridiniovém iontu neporuší.

2. Pyridin má výrazný dipolový moment, opačně orientovaný než v pyrrolu.

3. Geometrie molekuly pyridinu je planární nepravidelný šestiúhelník.

N116,7

124

118,6

118

0,134

0,139

0,140

poloha 2 3 4

1H-NMR 8,6 7,0 7,8

13C-NMR 149,9 123,7 135,9

3. Geometrie molekuly pyridinu je planární nepravidelný šestiúhelník.

4. Vazebný stav pyridinu můžeme znázornit jako hybrid kanonických mesomerních forem.

NCH

+N-

N-

CH+

N-

CH+

Chemické vlastnosti pyridinu

Bazicita: V silných kyselinách se protonizuje.

Mezomerie pyridiniového iontu

H H H H

N+

H

CH+N

H

N

CH+

H

NCH

+

H

Chemické vlastnosti pyridinu

Bazicita substituovaných pyridinových derivátu

N CH3 N N NCH3 CH3N N CH3 N

CH3

N

CH3

NCH3 CH3N

pKB 8,7 8,03 8,32 7,98 7,25

Nukleofilita - Reakce pyridinu s elektrofily

N+

S OO-

O

Adukt oxidu sírového slouží jako neprotické sulfonační činidlo. N

+

Br.Br-

N-Brompyridiniumbromid je relativně stálý, ale komplex „pyridinhydrobromidperbromid“

N+

H.Br3-

N+

CH3

N+ O

-O

BF4- 1-Nitro-2-methylpyridiniumfluoroborát snadno generuje nitroniový kation.

N+

Cr OO-

O

Komplex oxidu chromového slouží jako selektivní oxidační činidlo.

N+

AlCl3-

N+

HgOAc.OAc-

„pyridinhydrobromidperbromid“ slouží k bromaci

Stabilní komplex chloridu hlinitého vysvětluje, proč u pyridinu selhává Friedelova-Craftsova reakce.

N-Acetoxymerkuripyridinniumacetát přesmykuje při vyšší teplotě na 3-acetoxymerkuripyridin

Nukleofilita - N-alkylace

Působením alkylhalogenidů, dialkylsulfátů, alkylsulfonátů a jiných alkylačních činidel vznikají stálé N-alkylpyridiniové soli.

N-alkylpyridiniové soli jsou snadno napadnutelné nukleofilem.

N+

CH3

N

CH3

OHH

+ OH-

N

CH3

O

K3[Fe(CN)6]

báze pseudobáze 1-methyl-2(1H)-pyridinon

Nukleofilita - N-acylace

N-acylpyridiniové komplexy, patří mezi tzv. aktivované karboxyly: reakcí s alkoholy vznikají estery, s aminy amidy atd.

RO

N N+

RO

RCOClCl

- RCOOR'

RCONH2

RCONHR'

R'OH

NH3

R'NH2

Elektrofilní a Nukleofilní substituce pyridinu

Nu

NCH

+N-

N-

CH+

N-

CH+

N

E+

E+

NuNu

Nu

Elektrofilní a Nukleofilní substituce pyridinu

N

N+ O

-

NN+

O-

O

+

4,5%0,5%

KNO3

H2SO4, 300 °C

N NH2

NaNH2

C6H5N(CH3)2, 100 °C

+N

NH2

N

ON

Br86%

N

SO

OH

O

70%

N

AcOHg 50%

H2SO4, HgSO4, 220 °C

Hg(OAc)2, 130 °C

Br2

H2SO4-70%SO3, 130 °C N

N C6H5

N

CH2C6H5

NH2

C6H5Li + (O)

+ LiOH

C6H5CH2Li + (O)+ LiOH

(C6H5)2CHNa

Redukce pyridinu

N

AlH3-.Li+

H

NH

LiAlH4

H2O

N

N

NH

LiAlH4 + AlCl3

H2/Pt, AcOH

Zn, AcOH N N

CH3

OO

CH3

Oxidace pyridinu

N CH3 N CHON NKMnO4

SeO2

CH3 COOH

KMnO4

N N

COOH

COOHKMnO4

N N+

O-

RCOOOH

Dehydrogenace pyridinu

N N

N

FeCl3

N N

CH3 CH3

Raney-Ni

N CH3

Na

komplexaèní èinidlo pro železité ionty

úèinné herbicidum

Pyridin-N-oxidN

N+

OCH3

N+

O-

CH3I.I- N

+

OH

. HSO4-

PCl3

N-methylpyridiniumjodid N-hydroxypyridiniumhydrogensulfát

Pyridin-N-oxid

O-

CH+N

O-

N

O-

NCH

+

O-

N+

O-

CH+

CH-N

+

O

N+

CH-

O

N+

CH-

O

Nukleofilní substituce pyridin-N-oxidu

KCN

N+

OCH3

C+N

OCH3

H N

OCH3

N

OCH3H

CNN

OCH3

KCNC

C+

H

.I-

CN

H CN

+

N CN N

CN

+ + CH3OH

Elektrofilní substituce pyridin-N-oxidu

+

OH+

OH

+OH

--N

+

Br

N+

N+

S

O

O-

O

.HSO4-

.Br-

SO3

Br2

SO3 (HgSO4)

250 °C

Nevysvětlitelné reakce pyridin-N-oxidu

N+

O-

N+

O-

HNO N+

O-

N+

O-

N N

N+

O-

O

HNO3

H2SO4

N

OCH3

N

Cl

CH3ONaCH3ONa

70%

Vlastnosti substituentů pyridinu

Substituenty v polohách 3 a 5 se chováním podobají substituentům benzenového cyklu.

Substituenty v polohách 2 (6) a 4 jsou obdobou skupin sousedících s karbonylem nebo jejich vinylogy.

N

R R

N R N R

R1

R1

O R O R

R1

Efekty v polohách 2 (6) a 4 se mnohonásobně zvýší v pyridinovém iontu, v N-alkylpyridiniovém iontu a v pyridin-N-oxidu.

Vlastnosti substituentů pyridinu: -CH3

N N CH3 N CH=O

α-pikolin

C6H5-CHO

N COOH

SeO2

CrO3N

báze

H 5N=O

N CH2CH2

CH3 N CH3 N CH2COOH1. NaNH2

2. C2H5I

1. C6H5Li

2. CO2

N COOHCrO3N

NC 6

H 5N=O

N

CH3

N

COOHβ-pikolin

CrO3

kyselina α-pikolinová

kyselina nikotonová

Vlastnosti substituentů pyridinu: -Cl

N+

CH3

NCH3ONa / CH3OH

OCH3

N

Cl

N+

O-

. Cl-

N+

CH3

N+

O-

. Cl-

Cl Cl OCH3 OCH3

Relativní rychlostní konstanty chlorderivát pyridinu pyridin-N-oxidu N-methylpyridinium chloridu

2-Cl 3,31.10-8 6,40.10-41,53.105

3-Cl 1,09.10-11 1,16.10-6 3,14.10-3

4-Cl 8,91.10-7 1,00.10-35,08.103

Vlastnosti substituentů pyridinu: -OH

N

OH

NH

+

O-

N OH NH

ON N

H

OH O-

OH O

λmax(nm) 243 227 256

270 227 218 260

N O

CH3

N O

CH3 N

OCH3

N

O

CH3

Vlastnosti substituentů pyridinu: -OH

Elektrofilní substituce 3-hydroxypyridinu

N N EE

+N EE

E+

N EEE

+

N OH N OH

E

E+

N OH

E E

E+

Elektrofilní substituce 2(4)-hydroxypyridinu

OH OH OH OH

E

Vlastnosti substituentů pyridinu: 3-OH

N

OH

N

OH

EE

+N

OH

EEE

+

Elektrofilní substituce 3-hydroxypyridinu

OH OH OH

E+ = Cl+(Cl2/FeCl3), NO2+ (HNO3/H2SO4), SO3H+ (konc. H2SO4)

E+ = Hg+OAc (Hg(OAc)2), C6H5N2+ (C6H5NH2 + HNO2) jen do polohy 2

Podobně Mannichova reakce a reakce karbokyseliny probíhá jen v poloze 2

N

OH

COOH N

OH

N

OH

NCH3

CH3

1. RONa2. CO2

CHO + NH(CH3)2

Mannichova reakce

Vlastnosti substituentů pyridinu: 2(4)-OH

NH

O NH

O

E

E+

NH

O

E E

E+

N O-

N O-

N OH

N OH

N

HOOC

RONa CO2

N O

CH3

N OCH3CH2N2 +

CH3I

N ClPOCl3 CH 3

ONa

N OAc

AcCl

H2O

Vlastnosti substituentů pyridinu: -NH2

N NH2 N NHCH3

N

CH3

NHNH

NH

λmax(nm) 290 300 265

νmax(cm-1) 3478, 3404 (-NH2) 3325(NH), 1652(C=N)

Protonizace isomerních aminopyridinů probíhá přednostně na heterocyklickém dusíku; pouze 3-aminopyridin je dvojsytná báze.

N NH2N

NH2

N

NH2

N

pKB1 8,7 7,4 6,8 4,9pKB2 - 15,5 - -

Vlastnosti substituentů pyridinu: -NH2

RX

N+

R

NH2

.X-

Stejné reakce s elektrofily: Rozdílné reakce s elektr ofily:

N NHNO2

N N

N

NH2

RX NH2

RCOX NHCOR

RSO2XNHSO2R

NH2

NH

O

N Br

N2+

N NH2

NaNO2, HCl

+ H2O, -N2

NaNO2, HBr

-N2

Významné deriváty pyridinu

N CH3 N N NHS

O

OH

OHOH

NHONH2

O

NH2

hydrazid pyridin-4-karboxylové

proti tuberkulóze

sulfapyridin

proti kokovým infekcím

pyridoxin (vitamin B6)

Významné deriváty pyridinu

N+

NH2

O

OHH

H

OO-

O

PN

+

NH2

O

OHH

H

OO-

O

P

O

N

H

OH

H

OHH

O

O

O-

O

P

OHOH

H

N

N N

NH2

O

N

H

O

H

OHH

O

O

O-

O

P

OHOH

N

N N

NH2

O-

O-

O

P

nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP+)

NAD+ a NADP+ jsou součástí nikotinamidové dehydrogensy

Heterocyklické sloučeniny -...

Documents

Transcript of Heterocyklické sloučeniny -...