Heterociklični spoj
Heterociklički spoj je prstenasta struktura, ciklični spoj koji, kao članove prstena, ima atome najmanje dva različita elementa.[1]Hemija heterocikličnih spojeva je grana organske hemije koja se bavi sintezom, svojstvima i primenom ovog tipa cikličnih spojeva.
Primjeri heterocikličkih spojeva uključuju sve nukleinske kiseline, većinu lijekova, većinu biomase (celuloza i srodni materijali) i mnoštvo prirodnih i sintetskih boja. Oko 59% američkih odobrenih lijekova sadrži dušikove heteroprstenove,[2] zbog njihove sposobnosti da poboljšavaju topljivost i selektivnost molekule lijeka.
Klasifikacija
Iako heterociklični hemijski spojevi mogu biti anorganski ili organski, većina sadrži najmanje jedan ugljik. Dok se atomi koji nisu ni ugljik ni vodik u organskoj hemiji obično nazivaju heteroatomima, to je uobičajeno u poređenju sa skeletom svih ugljika. Ali to ne sprečava da spoj kao što je borazin (koji nema atome ugljika) bude označen kao "heterociklički". IUPAC, za imenovanje heterocikličkih spojeva preporučuje Hantzsch-Widmanovu nomenklaturu.[3]
Heterociklički spojevi se mogu korisno klasificirati na osnovu njihove elektronske strukture. Zasićeni ponašaju se poput acikličkih derivata. Prema tome, piperidin i tetrahidrofuran su konvencijski amini i eteri, sa modifikovanim sternim profilima. Stoga se proučavanje hemije heterocikličnih spojeva posebno fokusira na nezasićene derivate, a prednost rada i primjena uključuje nenapete peto– i šestočlane prstenove. Uključeni su piridin, tiofen, pirol i furan. Druga velika klasa heteroprstenova odnosi se na one kondenzirane, s benzenskim prstenovima. Naprimjer, fuzionirani analozi benzena piridina, tiofena, pirola i furana su kinolin, benzotiofen, indol, odnosno benzofuran. Fuzija dva benzenska prstena daje treću veliku porodicu spojeva. Analozi prethodno spomenutih heteroprstenastih spojeva ove treće porodice su akridin, dibenzotiofen, karbazol i dibenzofuran. Nezasićeni prstenovi mogu se klasificirati prema sudjelovanju heteroatoma u konjugiranom pi-sistemu.
Tročlani prstenovi
Heterociklični spojevi s tri atoma u prstenu imaju veću energiju i reaktivniji su zbog prstenaste deformacije. Oni koji sadrže jedan heteroatom su, općenito, stabilni. Sa dva heteroatoma imaju veću vjerovatnoću da se pojave kao reaktivni međuprodukti. Uglovi veze C-X-C (gdje je X heteroatom) u oksiranima i aziridinima spojevima, vrlo su blizu 60 °, a periferni uglovi veze H-C-H blizu 180 °.
Troprstenasti sa jednim heteroatomom
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Bor | Boriran | Boriren |
| Dušik | Aziridin | Azirin |
| Kisik | Oksiran (etilen-oksid, epoksidi) | Oksiren |
| Fosfor | Fosfiran | Fosfiren |
| Sumpor | Tiiran (episulfidi) | Tiiren |
Troprstenasti sa dva heteroatoma
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Dušik | Diaziridin | Diazirin |
| Dušik/kisik | Oksaziridin | |
| Kisik | Dioksiran |
Četveročlani prstenovi
Četveročlani prstenovi s jednim heteroatomom
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Dušik | Azetidin | Azet |
| Kisik | Oksetan | Okset |
| Sumpor | Tietan | Tiet |
Četveročlani prstenovi s dva heteroatoma
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Dušik | Diazetidin | Diazet |
| Kisik | Dioksetan | Diokset |
| Sumpor | Ditietan | Ditiet |
Petočlani prstenovi
Petočlani prstenovi s jednim heteroatomom
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Antimon | Stibolan | Stibol |
| Arsen | Arsolan | Arsol |
| Bizmut | Bizmolane | Bizmol |
| Bor | Borolan | Borol |
| Dušik | Pirolidin ("Azolidin" se ne koristi) | Pirol ("Azol" se ne koristi) |
| Kisik | Tetrahidrofuran | Furan |
| Fosfor | Fosfolan | Fosfol |
| Selen | Selenolan | Selenofen |
| Silicij | Silaciklopentan | Silol |
| Sumpor | Tetrahidrotiofen | Tiofen |
| Telur | Telurofen | |
| Kositar | Stanolan | Stannol |
Petočlani prstenovi s dva heteroatoma
Petočlani prstenasti spojevi koji sadrže dva heteroatoma, od kojih je najmanje jedan dušik, zajednički se nazivaju azoli. Tiazoli i izotiazoli u prstenu sadrže sumpor i atom dušika . Ditiolani imaju dva atoma sumpora.
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni (i djelimično nezasićeni) |
|---|---|---|
| Dušik/dušik | Imidazolidin Pirazolidin | Imidazol (Imidazolin) Pirazol (Pirazolin) |
| Dušik/kisik | Oksazolidin Izoksazolidin | Oksazol (Oksazolin) Izoksazol |
| Dušik/sumpor | Tiazolidin Izotiazolidin | Tiazol (Tiazolin) Izotiazol |
| Kisik/kisik | Dioksolan | |
| Sumpor/sumpor | Ditiolan |
Petočlani prstenovi s najmanje tri heteroatoma
Postoji i velika skupina peetočlanih prstenastih spojeva s tri ili više heteroatoma. Jedan od primjera je klasa ditiazola, koji sadrže dva atoma sumpora i jedan atom dušika.
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| 3 × Dušik | Triazol | |
| 2 × Dušik / 1 × kisik | Furazan Oksadiazol | |
| 2 × Dušik/ 1 × sumpor | Tiadiazol | |
| 1 × Dušik / 2 × kisik | Dioksazol | |
| 1 × Dušik / 2 × sumpor | Ditiazol | |
| 4 × Dušik | Tetrazol | |
| 4 × Došik/1 × kisik | Oksatetrazol | |
| 4 × Dušik/1 × sumpor | Tiatetrazol | |
| 5 × Dušik | Pentazol |
Šestočlani prstenovi
Šesteročlani prstenovi s jednim heteroatomom
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni | Ioni |
|---|---|---|---|
| Antimon | Stibinin[4] | ||
| Arsen | Arsinan | Arsinin | |
| Bizmut | Bizmin[5] | ||
| Bor | Borinan | Borinin | Boratabenzenski anion |
| Germanij | Germinan | Germin | |
| Dušik | Piperidin (Azinane nije u upotrebi) | Piridin (Azin nije u upotrebi) | Piridinski kation |
| Kisik | Tetrahidropiran | Piran (2H-Oksin nije u upotrebi) | Pirilijski kation |
| Fosfor | Fosfinan | Fosfinin | |
| Selen | Selenopirilijski kation | ||
| Silicij | Silinan | Silin | |
| Sumpor | Tian | Tiopiran (2H-Tiin nije u upotrebi) | Tiopirilijski kation |
| Kalaj | Staninan | Stanin |
Šesteročlani prstenovi s dva heteroatoma
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Dušik / dušik | Diazinan | Diazin |
| Kisik/ dušik | Morfolin | Oxazine |
| Sumpor / dušik | Tiomorfolin | Tiazin |
| Kisik /kisik | Dioksan | Dioksin |
| Sumpor / sumpor | Ditian | Ditiin |
| Bor/ | 1,2-Dihidro-1,2-azaborin |
Šesteročlani prstenovi s tri heteroatoma
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Dušik | Triazinan | Triazin |
| Kisik | Trioksan | |
| Sumpor | Tritian |
Šesteročlani prstenovi s četiri heteroatoma
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Dušik | Tetrazin |
Šesteročlani prstenovi s pet heteroatoma
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Dušik | Pentazin |
Šesteročlani prstenovi sa šest heteroatoma
Hipotetski spoj sa šest dušikovih heteroatoma bio bi heksazin.
Borazin je šesteročlani prsten s tri dušikova heteroatoma i tri borna heteroatoma.
Sedmeročlani prstenovi
Sa sedmeročlanim prstenovima, heteroatom mora biti u mogućnosti pružiti praznu pi-orbitalu (npr. bor), kako bi bila dostupna "normalna" aromatska stabilizacija; u suprotnom, homoaromatičnost može biti moguća. Spojevi s jednim heteroatomom uključuju:
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Bor | Borepin | |
| Dušik | Azepan | Azepin |
| Kisik | Oksepan | Oksepin |
| Sumpor | Tiepan | Tiepin |
Oni sa dva heteroatoma obuhvataju:
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasičeni |
|---|---|---|
| Nitrogen | Diazepan | Diazepin |
| Dušik/sumpor | Tiazepin |
Osmočlani prstenovi
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Dušik | Azokan | Azokin |
| Kisik | Oksokan | Oksocin |
| Sumpor | Tiokan | Tiokin |
Borazokin je s osmeročlanim prstenom s četiri heteroatoma dušika i četiri borna heteroatoma.
Devetočlani prstenovi
| Heteroatom | Zasićeni | Nezasićeni |
|---|---|---|
| Dušik | Azonan | Azonin |
| Kisik | Oksonan | Oksonin |
| Sumpor | Tionan | Tionin |
Slike
- Imena u kurzivu/italiku su prema IUPAC-u i ne slijede Hantzsch-Widmanovu nomenklaturu.
| Zasićeni | Nezasićeni | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Heteroatom | Dušik | Kisik | Sumpor | Dušik | Kisik | Sumpor | |
| 3-atomski prsten | Aziridin | Oksiran | Tiiran | Azirin | Oksiren | Tiiren | |
 |  |  |  |  |  | ||
| 4-Atomski prsten | Azetidin | Oksetan | Tietan | Azet | Okset | Tiet | |
 |  |  |  |  |  | ||
| 5-Atomomski prsten | Pirolidin | Oksolan | Tiolan | Pirol | Furan | Tiofen | |
 |  |  |  |  |  | ||
| 6-Atomski prsten | Piperidin | Oksan | Tian | Piridin | Piran | Tiopiran | |
 | .svg) |  |  |  |  | ||
| 7-Atomski prsten | Azepan | Oksepan | Tiepan | Azepin | Oksepin | Tiepin | |
 |  |  |  |  |  | ||
| 8-Atomski prsten | Azokan | Oksokan | Tiokan | Azokin | Oksokin | Tiokin | |
 |  |  |  |  |  | ||
| 9-Atomski prsten | Azonan | Oksonan | Tionan | Azonin | Oksonin | Tionin | |
 |  |  |  |  |  | ||
Spojeni prstenovi
Sistemi heterocikličkih prstenova koji su formalno izvedeni fuzijom s drugim prstenovima, bilo karbociklički ili heterociklički, imaju niz zajedničkih i sistemskih naziva. Naprimjer, s benzo-spojenom nezasićenom heterociklčkim spojevima dušika, pirola daje se naziv indol ili izoindol, ovisno o orijentaciji. Analog piridina je kinolin ili izokinolin. Za azepin je preferirani naziv benzazepin. Isto tako, spojevi s dva benzenska prstena spojena sa središnjim heteroprstenom su karbazol, akridin i dibenzoazepin. Tienotiofeni su spoj dvaju tiofenskih prstenova. Fosfafenaleni su triciklični heterociklički sistemi koji sadrže fosfor, izveden iz karboprstena fenalena.
Historija hemije heterocikličnih spojeva
Historijat hemije heterociklinih spojeva počinje 1800-ih, ukorak s razvojem organske hemije. Neki važni događaji:[6];
- 1818: Brugnatelli izolira aloksan iz mokraćne kiseline;
- 1832: Dobereiner proizvodi furfural (furan) obrađivanjem škroba sa sumpornom kiselinom;
- 1834: Runge dobija pirol ("vatreno ulje") suhom destilacijom kostiju;
- 1906: Friedlander sintetizira indigo-boju, dopuštajući sintetskoj hemiji da istisne veliku poljoprivrednu industriju;
- 1936: Treibs izolira derivate hlorofila iz sirove nafte, objašnjavajući njeno biološko podrijeklo;
- 1951: Opisana su Chargaffova pravila, ističući ulogu heterocikličkih spojeva (purina i pirimidina u formiranju genetičkog koda.
Upotreba
Heterociklički spojevi su široko rasprostranjeni u mnogim područjima nauka o životu i tehnologije.[7] Mnogi lijekovi su heterociklična jedinjenja.[8]
Reference
Vanjski linkovi
- Hantzsch-Widman nomenclature, IUPAC
- Heterocyclic amines in cooked meat, US CDC
- List of known and probable carcinogens, American Cancer Society Arhivirano 13. 12. 2003. na Wayback Machine
- List of known carcinogens by the State of California Arhivirano 8. 9. 2020. na Wayback Machine, Proposition 65 (more comprehensive)