Blog

Y rhan fwyaf o Heterocycles Dylanwadol Yn y Byd

Y rhan fwyaf o Heterocycles Dylanwadol Yn y Byd

Cyfansoddion heterocyclic

Yn y bôn, mae cyfansawdd heterocyclaidd, a elwir hefyd yn strwythur cylch, yn gyfansoddyn sy'n cynnwys atomau o ddwy elfen wahanol fel aelodau o'i ffonau / modrwyau. Mae'n debyg mai cyfansoddion heterocyclif yw'r nifer fwyaf amrywiol a mwyaf sylweddol o deulu cyfansoddion organig.

Beth bynnag fo'u swyddogaeth a'u strwythur, mae'n bosibl y bydd pob cyfansawdd carbocyclic yn cael ei drawsnewid yn wahanol gymharebau heterocyclaidd trwy ailosod un neu fwy o atomau cylch carbon gydag elfen wahanol. O ganlyniad, mae heterocyclau wedi cynnig llwyfan ar gyfer cyfnewid ymchwil mewn gwahanol feysydd, gan gynnwys cemeg fferyllol, meddyginiaethol, dadansoddol ac organig o gyfansoddion heterocyclaidd ond heb ei gyfyngu.

Y prif enghreifftiau o gyfansoddion heterocyclaidd yw'r rhan fwyaf o gyffuriau, asidau niwcleig, y mwyafrif o lliwiau synthetig a naturiol, a mwyafrif biomas fel seliwlos a deunyddiau cysylltiedig.

Dosbarthiad

Er y gall cyfansoddion heterocyclic fod yn gyfansoddion organig neu anorganig, mae gan y rhan fwyaf o leiaf un carbon. Gellir dosbarthu'r cyfansoddion hyn yn ôl eu strwythur electronig. Mae cyfansoddion heterocyclaidd dirlawn yn ymddwyn yn yr un ffordd â deilliadau acyclig. O ganlyniad, mae tetrahydrofuran a piperidine yn ether ac aminau confensiynol gyda phroffiliau esterig wedi'u haddasu.

Mae'r astudiaeth o gemeg heterocyclaidd, felly, yn canolbwyntio'n bennaf ar ddeilliadau annirlawn a cheisiadau yn cynnwys pum cylch heb ei wahanu'n ogystal â chylchoedd chwe-aelod. Mae hyn yn cynnwys furan, pyrrole, thiophene, a pyridin. Mae'r dosbarth mawr nesaf o gyfansoddion heterocyclaidd wedi'i ymuno â modrwyau bensen, sydd ar gyfer ffran, pyrrole, thiophene, a pyridin yn benzofuran, indole, benzothiophene, a quinoline, yn y drefn honno. Os yw dau ddarn o bensen yn cael eu cyfuno, mae hyn yn arwain at deulu mawr arall o gyfansoddion, sy'n dibenzofuran, carbazole, dibenzothiophene, ac aridine. Gellir dosbarthu cylchoedd annirlawn yn seiliedig ar gyfranogiad heteroatom yn y system pi, system gysyniadol.

Paratoi ac adweithiau

Cylchoedd 3-aelod

Mae cyfansoddion heterocyclic gyda thair atom mewn cylch yn ffordd fwy adweithiol trwy garedigrwydd y ffon cylch. Mae heterocylau sy'n cynnwys un heteroatom yn gyffredinol sefydlog. Mae'r rhai sy'n cynnwys dwy heteroatom yn digwydd, yn gyffredinol fel canolradd adweithiol.

Oxirannau, a elwir hefyd yn epoxidau yw'r heterocylau mwyaf cyffredin o 3. Paratoir ocsiriaid trwy adweithio perwidod gydag alkenau, gyda stereospecificity da. Mae oxiraniaid yn fwy adweithiol na ether annirlawn trwy garedigrwydd straen ongl uchel y cylch 3-aelod. Ychwanegiadau ychwanegol sy'n mynd rhagddynt gan agoriad cnewylloffilig ac electroffilig y cylch yw'r dosbarth ymateb mwyaf cyffredinol.

Mae adwaith o'r math hwn yn ymwneud â gweithredu fferyllol y mustards nitrogen a oedd ymhlith y cyffuriau gwrth-ganser cyntaf a ddatblygwyd. Mae cau ffoniwch intramoleciwlaidd yn achos mechlorethamine asiant gwrth-ganser yn ffurfio ïon aziridiwm canolraddol. Mae'r asiantau a ffurfiwyd yn asiantau sy'n weithgar yn fiolegol yn ymestyn celloedd sy'n cynyddol gan gynnwys celloedd canser trwy atal eu dyblygu DNA. Mae mustards nitrogen hefyd wedi cael eu defnyddio fel asiantau gwrth-ganser.

Yn fasnachol mae aziridin ac oxirane yn gryn dipyn o gemegolion diwydiannol. O ran cynhyrchu ar raddfa enfawr o oxiran, mae ethylene yn cael ei ymateb yn uniongyrchol ag ocsigen. Yr adwaith cemegol, sydd fwyaf nodweddiadol o'r modrwyau 3-aelod hyn, yw eu bod yn agored i ymosodiad gan adweithyddion cnewylloffilig i agor y cylch fel y dangosir isod:

Y tri aelod mwyaf cyffredin cyfansoddion heterocyclaidd gydag un heteroatom yn cynnwys:

Dirlawn Annirlawn
Thiirane (episulfides) Thiirene
Phosphirane Phosffirene
Pwycsidau (ocsigen, ocsid ethylen) Oxirene
Aziridine Azirine
Borirane Borirene

Mae'r cyfansoddion heterocyclic tri-blentyn mwyaf cyffredin â dau heteroatom yn cynnwys Diaziridine fel deilliad dirlawn a Diazirine fel deilliad annirlawn yn ogystal â Dioxirane ac Oxaziridine.

Ffeiliau Pedwar-Membered

Dangosir dulliau amrywiol o baratoi cylchoedd heterocylau modrwyau 4 yn y diagram isod. Mae'r broses o adweithio amine, thiol neu 3-halo gyda sylfaen fel rheol yn effeithiol ond gyda chynnyrch canolig. Mae adferiadau ochr nodweddiadol yn cael eu diystyru a'u dileu. Gall swyddogaethau eraill gystadlu hefyd yn yr ymateb.

Yn yr enghraifft gyntaf, mae beicio i oxirane bob amser yn cystadlu â ffurfio tietane, ond mae'r nucleophilicity uwch yn dominyddu yn enwedig os yw un yn defnyddio sylfaen wan.

Yn yr ail enghraifft, mae modd ffurfio'r ddau azetidin a'r aziridin, ond dim ond yr olaf sy'n cael ei weld. Mae enghraifft 4 yn dangos bod yr ymagwedd hon at ffurfio azetidine yn gweithio'n dda os nad oes cystadleuaeth.

Yn y drydedd enghraifft, mae cyfluniad anhyblyg yr is-haen yn ffafrio ffurfio oxetane ac yn atal seiclo oxirane. Mewn enghreifftiau 5 a 6, mae'r ffotocycliziadau Paterno-Buchi yn arbennig o addas i ffurfio oxetane.

Dulliau o baratoi heterocyclau cylchoedd 4-aelod

Adweithiau

Adweithiau o aelod 4 cyfansoddion heterocyclaidd hefyd yn dangos dylanwad o ran straen. Mae'r diagram canlynol yn dangos rhai enghreifftiau. Mae asid-catalysis yn nodwedd nodweddiadol o amrywiol adweithiau agoriadol a ddangosir mewn enghreifftiau 1,2, a 3a. Mewn adwaith 2 o thietane, sylffwr yn cael ei chlorinio electroffilig sy'n arwain at ffurfio clorosulfoniwm canolraddol ac amnewid ion ïon clorid sy'n agor cylch. Mewn adwaith 3b, gwelir cnewylloffiliau cryf hefyd i agor yr ether strained. Gall adweithiau cloddio Beta-lactones 'ddigwydd naill ai trwy gyfnewidiad asid catalledig asid fel y gwelir yn 4a. Gall hefyd ddigwydd trwy rupture alkyl-O gan niwcleoffiliau fel mewn 4b.

Mae nifer enghreifftiol 6 yn dangos ffenomen ddiddorol o aildrefniad intramolecwlaidd yr ortho-ester. Mae'r ymadrodd 6 yn dangos gwahaniad Beta-lactam o penicillin G sy'n esbonio adwaith acylation gwell y system ffoniwch wedi'i ymuno.

Enghreifftiau o adweithiau o gyfansoddion heterocycllic 4-aelod

Y mwyaf defnyddiol cyfansoddion heterocyclaidd gyda chylchoedd 4-aelod yn ddwy gyfres o wrthfiotigau, y cephalosporinau, a phenicilinau. Mae'r ddwy gyfres yn cynnwys ffon azetidinone, a elwir hefyd yn fain Beta-lactam.
Mae llawer o oxetanes yn cael eu harchwilio fel asiant gwrthfeirysol, gwrth-ganser, gwrthlidiol, ac asiantau gwrthffyngiol. Mae Oxetanones, ar y llaw arall, yn cael eu cymhwyso'n bennaf mewn amaethyddiaeth fel bactericides, ffwngladdiadau, a chwynladdwyr ac wrth weithgynhyrchu polymer.
Daethpwyd o hyd i'r rhiant thietane mewn olew siâl tra bod ei ddeilliadau odorifferaidd yn gweithio fel marciwr arogl ar gyfer polion, ferradau, a chwynion Ewropeaidd. Cymhwysir thietanau fel ffwngladdiadau a bactericides yn y paent, fel atalyddion corydiad haearn, ac wrth weithgynhyrchu polymerau.

Mae cylchoedd pedair aelod yn cyfansoddion ag un heteroatom

Heteroatom Wedi'i Saturadu Annirlawn

Heteroatom Dirlawn Annirlawn
Sylffwr Thietane Azete
Ocsigen Oxetane Oxete
Nitrogen Azetidine Azete

Mae cylchoedd pedair aelod yn cyfansoddion â dau heteroatom

Heteroatom Dirlawn Annirlawn
Sylffwr Dithietane Dithiete
Ocsigen Dioxetane Dioxete
Nitrogen Diazetidine Diazete

Modrwyau 5 gyda pherson heteroatom

Thiophene, furan, a pyrrole yw'r cyfansoddion aromatig rhiant o heterocycles cylchoedd 5-aelod. Dyma eu strwythurau:

Y deilliadau dirlawn o thiophene, furan, a pyrrole yw thiophane, tetrahydrofuran, a pyrrolidine yn y drefn honno. Gelwir y cyfansoddion bicyclic sy'n cael eu gwneud o thiophene, furan, neu ffoni pyrrole wedi'i ymuno â chylch bensen yn benzothiophene, benzofuran, isoindole (neu indole) yn y drefn honno.
Mae pyrrole heterocycle nitrogen fel arfer yn digwydd mewn olew esgyrn sy'n cael ei ffurfio trwy ddadelfennu proteinau trwy wresogi cryf. Mae'r modrwyau pyrrole i'w gweld yn yr asidau amino megis hydroxyproline a proline sy'n gydrannau o wahanol broteinau sydd mewn crynodiadau uchel mewn proteinau strwythurol o ligamentau, tendonau, croen ac esgyrn a cholagen.
Derbynnir deilliadau pyrrole yn y alcaloidau. Nicotin yw'r pyrrole mwyaf adnabyddus sy'n cynnwys alcaloid. Mae hemoglobin, myoglobin, Fitamin B12, a chloroffylliau, i gyd yn cael eu ffurfio trwy ymuno â phedair uned pyrrole mewn system ffoniwr fawr o'r enw porffyrin, fel cloroffyll B a ddangosir isod.

Mae pigmentau bile yn cael eu ffurfio trwy ddadelfennu cylch fforffyrin ac mae ganddynt gadwyn o gylchoedd pyrrole 4.
Paratoi heterocyclau cylch 5-aelod
Paratoad diwydiannol o enillion furan fel y dangosir isod trwy ffordd aldehyd, furfural, sy'n cael ei gynhyrchu o pentose sy'n cynnwys deunyddiau crai megis corncobs. Dangosir paratoadau tebyg o thiophene a pyrrole yn yr ail res o hafaliadau.
Mae'r trydydd rhes o hafaliad un yn dangos paratoi cyffredinol thiophenes, pyrroles, ffwrranau o gyfansoddion 1,4-dicarbonyl a amnewidiwyd. Mae llawer o adweithiau eraill sy'n arwain at ffurfio heterocyclau amnewid o'r math hwn wedi'u cychwyn. Dangoswyd dau o'r gweithdrefnau hyn yn yr ail a'r trydydd ymateb. Mae Furan yn cael ei leihau gan hydrogeniad palladiwm-catalïaidd i tetrahydrofuran. Mae'r ether cylchol hwn yn doddydd gwerthfawr y gellir ei drawsnewid i 4-haloalkylsulfonates ond hefyd 1,4-dihalobutanes y gellir eu defnyddio i baratoi thiolane a pyrrolidine.

Mae cylchoedd pum aelod yn cyfansoddion ag un heteroatom

Heteroatom Annirlawn Dirlawn
antimoni Stibole Stibolane
arsenig Arsolegol Arsolane
bismwth Bismole Bismolane
Boron Borole Borolane
Nitrogen Pyrrole Pyrrolidin
Ocsigen furan Tetrahydrofuran

Modrwyau 5-membered gyda heteroatomau 2

Gelwir y cyfansoddion cylch pum-bapur sy'n cynnwys heteroatomau 2 ac o leiaf un o'r heteroatomau yn Nitrogen. Mae gan isothiazoles a thiazoles atom nitrogen a sylffwr yn y cylch. Gelwir Dibrlanes yn cyfansoddion â dau atom sylffwr.

Heteroatom Annirlawn (ac yn rhannol annirlawn) Dirlawn
Nitrogen

/ nitrogen

Pyrazole (Pyrazolin)

Imidazole (Imidazoline)

Pyrazolidine

Imidazolidine

Nitrogen / ocsigen Isoxazole

Oxazoline (oxazole)

Isoxazolidine

oxazolidine

Nitrogen / sylffwr Isothiazole

Thiazoline (Thiazole)

Isothiazolidine

Thiazolidine

Ocsigen / ocsigen Dioxolane
Sylffwr / sylffwr Dithiolane

Mae rhai pyrazoles yn digwydd yn naturiol. Paratoir cyfansoddion o'r dosbarth hwn trwy adweithio 1,3-diketones gyda hydrazinau. Defnyddir y rhan fwyaf o gyfansoddion pyrazole synthetig fel meddygaeth a lliwiau. Maent yn cynnwys aminopyrin analgesig sy'n lleihau twymyn, phenybutazone a ddefnyddir mewn triniaeth arthritis, y lliw ffibr a thartrazin lliw bwyd melyn, a'r mwyafrif o lliwiau a ddefnyddir mewn ffotograffiaeth lliw fel asiantau sensitif.

Modrwyau 5-membered gyda heteroatomau 3

Mae yna grw p mawr o gyfansoddion cylch pum pennill hefyd gydag heteroatomau 3 o leiaf. Un enghraifft o gyfansoddion o'r fath yw dithiazoles sy'n cynnwys atom nitrogen a dwy sylffwr.

Cylchoedd 6-aelod â heteroatom 1

Mae'r enwebiad a ddefnyddir mewn cyfansoddion ffoniwch 6 sy'n cynnwys nitrogen monocyclig yma isod. Dangosir swyddi ar y cylch ar gyfer pyridin, mae llythrennau Groeg yn fwy ffafriol i rifolion Arabeg, er bod y ddwy system yn cael eu defnyddio. Mae pyridones yn gyfansoddion aromatig trwy garedigrwydd cyfraniadau i resonance hybrid o ffurfiau resonance a godir fel y dangosir ar gyfer y 4-pyridone.

Mae dau gydlynydd mawr sy'n ymwneud ag amrywiol adweithiau metabolaidd hanfodol mewn celloedd, yn deillio o nicotinamid. Mae NAD (a elwir hefyd yn coenzyme1) a NADP (a elwir hefyd yn coenyme II).
Mae'r mwyafrif o alcaloidau yn cynnwys strwythur cylch piperidine neu pyridin, yn eu plith piperine (mae'n cynnwys un o'r cynnwys blasu sydyn o pupur du a gwyn) a nicotin. Dangosir eu strwythurau isod.

Pyridin a gafodd ei dynnu o'r tar glo ond wedi ei baratoi yn catalytig yn awr o amonia ac mae tetrahydrofurfuryl alcohol yn elfen ganolraddol a thoddyddion hanfodol i gynhyrchu cyfansoddion eraill. Mae Vinylpyridines yn blociau adeiladu monomer hanfodol o blastig, a piperidine dirlawn llawn, a ddefnyddir pyridin fel deunydd crai cemegol a phrosesu rwber.

Pyridinau sy'n ddefnyddiol yn fferyllol

Mae pyridinau fferyllol ddefnyddiol yn cynnwys hydrazid asid isonicotinig (tuberculostat isoniazid), y cyffur firws gwrth-AIDS a elwir yn nevirapine, nicorandil-avasodilator a ddefnyddir ar gyfer rheoli angina, phenazopyridine-y analgesic llwybr wrinol yn ogystal â'r cyffur sulfa gwrthlidiol. Mae diflufenican, clopyralid, paraquat, a diquat yn ddeilliadau pyridin poblogaidd a ddefnyddir fel chwynladdwyr.

Modrwyau 6-aelod â 2 neu heteroatomau mwy

Mae'r heterocyclau cylch chwe-ball monocyclic 3 â heteroatomau 2 nitrogen (diazines) wedi'u rhifo a'u henwi fel y dangosir isod.

Mae hydrazid gwenig yn ddeilliad pyridazin a ddefnyddir fel chwynladdwr. Mae rhai pyrazinau fel asid aspergillig yn digwydd yn naturiol. Dyma strwythurau y cyfansoddion uchod:

Mae cylch pyrazin yn elfen o gyfansoddion polycyclic amrywiol o bwysigrwydd diwydiannol a biolegol. Mae aelodau pwysig o deulu pyrazin yn phenazines, alloxazines, a phteridinau. Yn fferyllol ac yn fiolegol, y diazinau mwyaf hanfodol yw pyrimidinau. Cytosine, tymine, a uracil yw'r 3 o'r canolfannau niwcleotid 5 sy'n gyfystyr â'r cod genetig yn RNA a DNA. Isod mae eu strwythurau:

Mae ffumamin thiamin â chylch pyrimidin ac yn ogystal â barbiteddau synthetig, gan gynnwys cyffuriau amobarbital yn cael eu defnyddio'n gyffredin. Cynhyrchir morffolin (rhiant tetrahydro-1,4-oxazine) ar raddfa fawr i'w ddefnyddio fel ffwngladdiad, atalydd corydiad, a thoddydd. Ceir ffon morffolin hefyd yn y trimetozine cyffuriau hypnotig sedative a rhai ffwngladdiadau fel ffenpropimorff a tridemorff. Dyma'r fformiwla strwythurol ar gyfer morffolin:

Cylchoedd 7-aelod

Wrth i faint y cylch fod yn cynyddu, mae amrywiaeth y cyfansoddion y gellir eu cael trwy amrywio'r lleoliad, y math, a'r nifer heteroatomau yn cynyddu'n fawr. Fodd bynnag, mae cemeg heterocyclau â chylchoedd 7-aelod neu fwy yn llai datblygedig na chyfansoddion heterocyclleg 6 a 5-aelod.
Mae cylchoedd Oxepine a Azepine yn elfennau hanfodol o gynhyrchion metabolig amrywiol sy'n digwydd o organebau morol ac alcaloidau. Mae'r deilliad azepin a elwir yn caprolactam yn cael ei gynhyrchu'n fasnachol yn swmp i'w ddefnyddio wrth gynhyrchu nylon-6 fel cynhyrchu lledr, cotio synthetig, a ffilmiau.
Cyfansoddion heterocyclaidd 7-aelod â dau neu un atom nitrogen yn eu cylch yw unedau strwythurol o seicoffarmannau a ddefnyddir yn fras Prazepine (gwrth-iselder tricyclic) a diazepam tranquilizer a elwir hefyd yn valium.

Cylchoedd 8-aelod

Mae enghreifftiau o gyfansoddion heterocyclaidd yn y dosbarth hwn yn cynnwys azocane, oxocane, a thiocane gyda Nitrogen, ocsigen, a sylffwr yn yr heteroatomau priodol. Eu deilliadau annirlawn priodol yw azocîn, ocsocin, a thiocine yn y drefn honno.

Cylchoedd 9-aelod

Mae enghreifftiau o gyfansoddion heterocyclaidd yn y dosbarth hwn yn cynnwys azonane, oxonane, a thionane gyda Nitrogen, ocsigen, a sylffwr yn yr heteroatomau priodol. Eu deilliadau annirlawn priodol yw azonine, oxonine, a thionine yn y drefn honno.

Defnydd o gyfansoddion heterocyclaidd

Mae heterocylau yn ddefnyddiol mewn sawl maes o wyddorau bywyd a thechnoleg. Fel y gwelsom eisoes yn ein trafodaeth, mae llawer o gyffuriau yn gyfansoddion heterocycllaidd.

cyfeiriadau

Llyfr Aur IUPAC, cyfansoddion heterocyclaidd. Cyswllt:

WH Powell: Adolygu'r system Hantzsch-Widman estynedig ar gyfer Heteromonocycles, yn: Pure Appl. Chem.1983, 55, 409-416;

A. Hantzsch, JH Weber: Ueber Verbindungen des Thiazols (Pyridins der Thiophenreihe), yn: Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1887, 20, 3118-3132

O. Widman: Zur Nomenclatur der Verbindungen, welche Stickstoffkerne enthalten, yn: J. Prakt. Chem. 1888, 38, 185-201;