Heterocyklické sloučeniny

1. Obecná charakteristika heterocyklických sloučenin

Cyklické sloučeniny (sloučeniny s uzavřeným řetězcem) mající ve svém cyklu (kruhu) vázaný jeden nebo více atomů jiných než uhlík (heteroatomů) se nazývají heterocyklické sloučeniny. Nejběžněji jsou navázanými prvky dusík N, kyslík O či síra S.

 

Heterocyklické sloučeniny jsou rozsáhlou a strukturně velmi pestrou skupinou organických sloučenin. Odvozují se od nich mnohé přírodní látky, jako například alkaloidy, léčiva či barviva. Kromě toho se podílí i na stavbě nukleových kyselin.

(nahoru)

2. Názvosloví heterocyklických sloučenin

Pro heterocyklické sloučeniny se běžně využívají názvy triviální anebo polotriviální. Cyklus se čísluje tak, aby heteroatom(y) měl(y) co nejnižší číslo. Jestliže je v cyklu více heteroatomů, má přednost ten, který se nachází ve vyšší skupině periodické soustavy prvků (čísluje se tedy v pořadí O » S » N).

Pyrrol  Imidazol  1,3-thiazol
     

(nahoru)

3. Klasifikace heterocyklických sloučenin

Heterocyklické sloučeniny se rozdělují podle typu heterocyklu (počtu atomů v cyklu) a počtu heteroatomů v molekule:

▪ Pětičlenné heterocyklické sloučeniny (s jedním nebo více heteroatomy)

▪ Šestičlenné heterocyklické sloučeniny (s jedním nebo více heteroatomy)

▪ Kondenzované heterocyklické sloučeniny

(nahoru)

3.1 Pětičlenné heterocyklické sloučeniny - s jedním heteroatomem

 

Nejdůležitějšími heterocyklickými sloučeninami této skupiny jsou furan, thiofen a pyrrol.

Furan  Thiofen  Pyrrol
     

Všechnytytosloučeninyjsouaromatické, neboťjejichatomyleží v jednérovině, do konjugacejsouzapojenyelektrony z π vazeb atomůuhlíku i volnýelektronovýpárheteroatomu. Aromatickýcharakterklesáspolečně s elektronegativitouheteroatomu. Nejaromatičtější je tedythiofen, nejméněfuran. Stejnějako pro areny, tak i pro tytoheterocyklickésloučeniny jsounejtypičtějšímireakcemielektrofilní substituce (halogenace, nitracečisulfonace). V důsledkunerovnoměrnéhorozloženíelektronovéhustoty v cyklu se substituentváže do polohy 2 či 5:

- Rovnice substituce -

Kromě toho můžou na zmíněných heterocyklických sloučeninách probíhat i adiční reakce. Katalytickou hydrogenací (adicí vodíku) zanikne jejich aromatický charakter, neboť původní π elektrony se začnou podílet na tvorbě vazby mezi atomy uhlíku a vodíku, a tak se nebudou moci dále účastnit konjugace. Hydrogenace probíhá nejsnadněji u furanu. Pro thiofen jsou adiční reakce netypické.

- Rovnice adice -

Furan C4H4O je bezbarvá, těkavá a hořlavá kapalina (t.v. 31,4°C), která je obsažena v dehtu z jedlového dřeva. Patří mezi látky toxické a karcinogenní (rakovinotvorné). Hydrogenací poskytuje tetrahydrofuran, důležité organické rozpouštědlo.

Thiofen C4H4S se nachází v černouhelném dehtu. Svými vlastnostmi se podobá benzenu, od kterého ho nelze fyzikálními metodami oddělit.

Pyrrol C4H5N je bezbarvá, nepříjemně páchnoucí kapalina. Patří mezi toxické látky. Pyrrolové jádro je součástí porfyrinového kruhu, který obsahují mnohé biologicky významné látky, jako jsou například chlorofyl (zelené rostlinné barvivo), hemoglobin (červené krevní barvivo), myoglobin (červené barvivo svalů), vitamín B12 či bilirubin (žlučové barvivo). Některé z nich (jako například hemoglobin či chlorofyl) mají ve své struktuře porfyrin C20H16N4, tj. kruhový systém ze čtyř pyrrolových jader spojených pomocí methinových můstků.

Porfyrin     

Hemoglobin obsahuje v molekule porfyrinu komplexně vázaný kation železnatý Fe2+, zatímco chlorofyl kation hořečnatý Mg2+.

Jiným významným derivátem pyrrolu je indol C8H7N (benzopyrrol), což je krystalická látka, příjemné vůně, která se vyskytuje v květech jasmínu či citrusech. Pro svoji příjemnou vůni se využívá pro výrobu parfémů, je součástí struktury aminokyseliny tryptofanu, některých hormonů, alkaloidů či barviva indiga.

Indol 

(nahoru)

3.2 Pětičlenné heterocyklické sloučeniny - s dvěma heteroatomy

Nejdůležitějšími zástupci této skupiny jsou pyrazol, imidazol a thiazol.

Pyrazol  Imidazol  Thiazol 
     

 

Pyrazol C3H4N2 je součástí struktury léčiv, jako například antipyrinu, který se využívá pro snižování horečky.

Imidazol C3H4N2 je polohový izomer pyrazolu. Jeho derivátem je histamin, který rozšiřuje cévy a tím snižuje krevní tlak. Má podíl na vzniku alergických reakcí, nachází se v kůži a plicích. Imidazol je bílá, krystalická látka.

1,3-thiazol C3H3SN je odporně páchnoucí kapalina, je součástí léčiv (např. penicilinu) či vitamínů (jeho derivátem je thiamin neboli vitamín B1). Derivátem thiazolu je luciferin, který oxidací světélkuje, nachází se v tělech světlušek, medúz či plžů. Tento proces světélkování se nazývá bioluminiscence.

- Molekula thiazolu a ukázka bioluminiscence -

(nahoru)

3.3 Šestičlenné heterocyklické sloučeniny - s jedním heteroatomem

Základními zástupci této skupiny látek jsou pyridin a izomerní pyrany – 2H-pyran a 4H-pyran.

Pyridin  2H-pyran  4H-pyran
 
     

Pyridin C5H5N je nepříjemněpáchnoucíkapalina, používá se jakorozpouštědloorganickýchsloučenin. Máaromatickýcharakter. Volnýelektronovýpárnaatomudusíku se nezapojuje do konjugace s π elektronyatomůuhlíku, ale způsobujezásaditévlastnostipyridinu.

"Do zkumavky nalijeme 5 ml vody, kterou obohatíme 5 kapkami pyridinu C5H5N. Opatrně přičichneme ke vzniklé směsi. Následně do zkumavky přilijeme 3 ml 10% vodného roztoku kyseliny chlorovodíkové HCl. Opět ke vzniklé směsi opatrně přičichneme. Nakonec do roztoku přilijeme ještě 3 ml 10% vodného roztoku hydroxidu sodného NaOH a zkoušku na zápach zopakujeme. " Reakcí pyridinu s kyselinou chlorovodíkovou vzniká pyridiniová sůl, a sice pyridiniumchlorid:

- Rovnice vzniku soli -
 

Pyridin podléhá i některým adičním reakcím. Jeho katalytickou hydrogenací vzniká piperidin:

- Hydrogenace piperidinu -

Piperidin C5H11N je součástí některých alkaloidů (piperinu z plodu pepře, atropinu, kokainu a chininu). Dalšími významnými deriváty pyridinu jsou kyselina nikotinová C5H5O2N a nikotinamid C6H6ON2, které jsou součástí vitamínu PP.

Kyselina nikotinová  Nikotinamid 
   
   

(nahoru)

3.4 Šestičlenné heterocyklické sloučeniny - se dvěma heteroatomy

Nejdůležitějším zástupcem této skupiny látek je pyrimidin. Od něj jsou odvozené 3 důležité deriváty – uracil, cytosin a thymin, které se podílí na vzniku nukleových kyselin.

Pyrimidin Uracil
   
 
 Cytosin Thymin
   
   

Pyrimidiové jádro je obsaženo ve vitamínu B1 či kyselině barbiturové, jejíž deriváty (barbituráty) jsou součástí mnoha léků, konkrétně hypnotik a sedativ.

Kyselina barbiturová  

(nahoru)

3.5 Kondenzované heterocyklické sloučeniny

Nejdůležitějšími kondenzovanými heterocyklickými sloučeninami jsou deriváty purinu, adenin a guanin, které jsou základním stavebním kamenem RNA a DNA.

Purin  Adenin  Guanin 
   
     

Derivátem purinu je i kyselina močová, která je konečným produktem látkové přeměny purinových látek. U plazů a ptáků je kyselina močová konečným produktem látkové přeměny všech dusíkatých látek.

Kyselina močová C5H4O3N4 je bezbarvá krystalická látka, omezeně rozpustná ve vodě. V malém množství se nachází v krvi, vylučuje se močí. Je součástí močových kamenů. V ledvinách z ní a jejich kyselých solí vznikají ledvinové kameny.

Kyselina močová  

(nahoru)