Heterocyklické sloučeniny -...
Transcript of 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
Heterocyklické sloučeniny
� 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´
++
Nasycené tříčlenné heterocyklyOxirany - Speciální metody p řípravy
Přípravy oxiran ů speciálními reakcemi:
• Přímá oxidace alkenů kyslíkem na stříbrném katalyzátoru
CH2 CH2O
+ (O)250°C
Kat.
Přípravy oxiran ů speciálními reakcemi:
• Termický rozklad cyklických karbonátů vicinálních diolů
Nasycené tříčlenné heterocyklyOxirany - Speciální metody p řípravy
O O
CH3 CH3
O
O
CH3 CH3
+ CO2
Přípravy oxiran ů speciálními reakcemi:
• Adice karbenu na ketony
Nasycené tříčlenné heterocyklyOxirany - Speciální metody p řípravy
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
Nasycené tříčlenné heterocyklyVyužití oxiranu (ethylenoxidu)
- 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
Nasycené tříčlenné heterocyklyVyužití oxiranu (ethylenoxidu)
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
Nasycené tříčlenné heterocyklyVyužití oxiranu (ethylenoxidu)
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
Nasycené tříčlenné heterocyklyVyužití oxiranu (ethylenoxidu)
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 heterocyklyVyužití oxiranu (ethylenoxidu)
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
+
Nasycené tříčlenné heterocyklyAziridiny – Specifické reakce
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
Nasycené tříčlenné heterocyklyAziridiny – Specifické reakce
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
Heterocyklické sloučeniny
� 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
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetany - Obecné reakce
O OBF3 O
n
Izomerace méně účinnými Lewisovými kyselinami
OCH2
CHC
O
H
ZnCl2
polypropylenoxid
propenal (akrolein)
Termické štěpení
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetany - Obecné reakce
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:
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetan-2-ony ( ββββ-laktony) - Vlastnosti
O
CO
OC
OHO
+AlCl3
C
O
Reakce s konjugovanými dieny: oxetan-2-ony reagují jako filodieny.
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyOxetan-2-ony ( ββββ-laktony) - Vlastnosti
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%
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin – metody p řípravy
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
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin – metody p řípravy
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:
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin-2-ony - metody p řípravy
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:
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin-2-ony - metody p řípravy
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:
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin-2-ony - Vlastnosti
NH NR
RX
O OAlkylace
NH
O
NR
O
O
RCOX
acylace
Hydrolytické štěpení cyklu:
Nasycené čtyřčlenné heterocyklyAzetidin-2-ony - Vlastnosti
NH
ONH2 O
OHH2O
� Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
Heterocyklické sloučeniny
� 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
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
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.
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
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
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
Reakce s kyselinami
Lewisovy kyseliny vyvolávají polymeraci všech uvedených heterocyklů.
NH
NH
NH
NH
Lewisova kyselina
AlCl3
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
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
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
Reakce s kyselinami
Pyrrol účinkem minerálních kyselin při nízké teplotě protonizuje.
N+
HH
N
H
N+
HH
H
N+
H
H
H
H+
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
Reakce s kyselinami
Thiofen je v prostředí minerálních kyselin relativně stálý.
S
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
Příprava
Cyklizace 1,4-dikarbonylových sloučenin:
R
O
R´
O
R R´
NH
SO
P2O5
NH3
P2S5
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
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
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
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
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
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
+
Elektrofilní substituce furanu
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
Elektrofilní substituce furanu
O
Gattermannova a Hoeschova reakce furanu
O O
H
O
O O
R
O
HCN
HCl
RCN
HCl
Elektrofilní substituce furanu
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
Elektrofilní substituce pyrrolu
Nitrace
NH
NH
N+
O-
ONH
N+
O-
O
+51%
CH3COONO2
Elektrofilní substituce pyrrolu
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
Elektrofilní substituce pyrrolu
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
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
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%
Elektrofilní substituce thiofenu
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%
Elektrofilní substituce thiofenu
SHgOAcHg(OAc)2
Merkurace:
SII2
S
SClHg HgCl
Hg(OAc)2
AcOH
HgCl2
AcONa
S
R
OO
RRCOCl
2-acetoxymerkurithiofen
bis(chlormerkuri)thiofen
Elektrofilní substituce thiofenu
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
Elektrofilní substituce thiofenu
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%
Elektrofilní substituce thiofenu
SBrBr
Řídící vliv substituentů při elektrofilních substitucích derivátů thiofenu:
S
CH3
Br
CH3
Br2
AcOH
S
CH3
CH3
OS
O
CH3
CH3
+
AcCl
SnCl4
80% 20%
Elektrofilní substituce thiofenu
S S+
O-
S
Řídící vliv substituentů při elektrofilních substitucích derivátů thiofenu:
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.
Adiční reakce dvojných vazeb thiofenu
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
Adiční reakce dvojných vazeb thiofenu
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
Heterocyklické sloučeniny
� 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