Heterocyklické sloučeniny

Transkript

1 eterocyklické sloučeniny PŽADVAÉ VTUPÍ ZALTI: základní znalosti z koordinační chemie v rozsahu přednášeném v předmětu Anorganická chemie poznatky o reakcích organických sloučenin v rozsahu nutném pro splnění zápočtu ze semináře rganická chemie I PÍEMKA K ZÁPČTU: Předpokladem je splnění nejméně na 65 % z maxima dosažitelných bodů. 2 možnosti opravy splnění nejpozději do konce zimního semestru

2 eterocyklické sloučeniny LITEATUA: 1. Vystrčil A.: eterocyklické sloučeniny. P, Praha Murphyy.: rganická chemie. VUTIUM, Brno Dvořák D.: Chemie organokovových sloučenin přechodných kovů. VŠCT Praha, 1994, nebo novější vydání. 4. Greenwood.., Earnshaw A.: Chemie prvků I, II. Informatorium, Praha, Elschenbroich C., alzer A.: rganometallics. A concise introduction. VC, Weinheim, 1992, nebo novější vydání.

3 eterocyklické sloučeniny Úvod ázvosloví asycené tříčlenné heterocykly Aziridiny, xirany, Thiirany, Diaziridiny, xaziridiny Metody přípravy eakce Využití

4 2C 3C C2 Úvod 2C C3 Téměř dvě třetiny organických sloučenin lze klasifikovat jako heterocyklické látky: sacharidy: furanosy, pyranosy, nukleové kyseliny: DA, A, některé aminokyseliny: tryptofan, histidin, důležitá barviva: porfyrin, hemoglobin, chlorofyly, indigo alkaloidů: atropin, kokain, papaverin,morfin, kodein, kofein, nikotin, theobromin. 3C 2C 3C 3C - P 3C totální syntéza 1973 C Co + C3 Vitamin B 12 C3 C3 C2 C2 obert B. Woodward (UA) a Albert Eschenmoser (Švýcarsko): C3 C3

5 Úvod ahrada v uhlovodících jednoho nebo více uhlíkatých atomů jedním nebo více atomy jiných prvků - heteroatomy nepůsobí vážnější geometrické změny původního skeletu C 109,5 C C 0,154 C 111 C 0,143 C 108 C 0,147 C 105 C 0,181

6 Úvod eterocyklické sloučeniny můžeme dělit z různých hledisek, např.: a) podle počtů clánků v cyklu (petičlenné, šestičlenné), b) podle heteroatomu (,, ) c) podle počtu heteroatomů (azoly, diaziny, triaziny, tetraziny), d) podle stupně nenasycenosti (pyrrol, pyrrolin, pyrrolidin), e) podle počtu cyklů (pyridin, chinolin, akridin).

7 ázvosloví ystematická nomenklatura heterocyklů s jedním cyklem vypracovaná antzschem a Widmanem omenklaturní princip: záměnný trukturní složky a název: předpon-kmen předpon určuje kvalitu heteroatomu v nejnižší neutrální vaznosti kmen specifikuje počet článků v kruhu a stupeň nasycení

8 ázvosloví Předpony pro nejběžnější heteroatomy eteroatom předpona eteroatom předpona -- oxa -P- fosfa -- thia -As- arsa -e- selena -B- bora -g- merkura -i- sila -- aza -Pb- plumba Při číslování poloh v heterocyklu má heteroatomy vždy č. 1 z téže skupina periodického systému, má č. 1 heteroatom s nižším atomovým číslem, tj. před jsou-li heteroatomy z různých skupin periodického systému, má heteroatom z vyšší skupiny přednost, tj. před.

9 ázvosloví ázvy 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 eterocykly bez dusíku článků nenasycené nasycené nenasycené nasycené 3 -irin -iridin -iren -iran 4 -et -etidin -et -etan 5 -ol -olidin -ol -olan 6 -in perhydro- -in -an 7 -epin perhydro- -epin -epan 8 -ocin perhydro- -ocin -okan

10 asycené tříčlenné heterocykly 2 C C2 2 C C2 2C C2 aziridin oxiran thiiran ethylenimin ethylenoxid ethylensulfid epoxid 2C 2C diaziridin oxaziridin

11 asycené tříčlenné heterocykly becné metody přípravy becné metody přípravy: intramolekulární nukleofilní substituce vicinálně substituovaných aminů, alkoholů nebo thiolů, jejichž substituent je snadno odstupující skupina může zaujmout k heteroatomové skupině antiperiplanární konformaci. 2 Báze X X X

12 asycené tříčlenné heterocykly xirany - peciální metody přípravy Přípravy oxiranů speciálními reakcemi: eakce alkenů s perkyselinami kys. perbenzoová, m-chlorperbezoová C C + +

13 asycené tříčlenné heterocykly xirany - peciální metody přípravy Přípravy oxiranů speciálními reakcemi: Přímá oxidace alkenů kyslíkem na stříbrném katalyzátoru C 2 C2 + () 250 C Kat.

14 asycené tříčlenné heterocykly xirany - peciální metody přípravy Přípravy oxiranů speciálními reakcemi: Termický rozklad cyklických karbonátů vicinálních diolů + C 2 C 3 C3 C 3 C3

15 asycené tříčlenné heterocykly xirany - peciální metody přípravy Přípravy oxiranů speciálními reakcemi: Adice karbenu na ketony + C C2

16 asycené tříčlenné heterocykly Thiirany - peciální metody přípravy Přípravy thiiranů speciálními reakcemi: Bazicky katalyzovaná eliminace -acetylderivátu nebo - acetylderivátu 2-merkaptoethanolu báze báze Ac Ac

17 asycené tříčlenné heterocykly Thiirany - peciální metody přípravy Přípravy thiiranů speciálními reakcemi: eakce oxiranů s kyselinou thiokyanatou nebo thiomočovinou C3 C C3 3C nebo 2 C 2 3C

18 asycené tříčlenné heterocykly Diaziridiny - becné metody přípravy Přípravy diaziridinů: reakcí ketonů s amoniakem a chloraminem X

19 asycené tříčlenné heterocykly xaziridiny - becné metody přípravy Přípravy oxaziridinů: reakcí chiffových bází s perkyselinami C + +

20 asycené tříčlenné heterocykly becné reakce becnou reakcí oxiranů, thiiranů a aziridinů je nukleofilní adice + Z u + nebo Lewisova kyselina Z u Z = --, --, --, --

21 asycené tříčlenné heterocykly eakce oxiranu eakce s vodou eakce s alkoholy a fenoly eakce s karboxylovými kyselinami eakce s aminy Intramolekulární přesmyk epoxidu

22 asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu) 2 2C C2 + + diethylenglykol triethylenglykol n polyethylenglykol nemrznoucí náplně chladicích kapalin

23 asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu) diethylenglykol + 1,4-dioxan rozpouštědlo 1. a C3 diethylenglykol 2. (C 3 ) 2 4 C3 C3 C3 DIGLYM TIGLYM rozpouštědla

24 asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu) + n + n - 1 C + n + neiontové tenzidy n - 1 Tyto tenzidy mají použití zejména v textilním průmyslu

25 asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu) Cl Cl K C 6 6 Cl "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 trukturu 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 a + a K +.

26 asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu) Epoxidové pryskyřice a lepidla: C 3 + Cl C 3 3-chlor-1,2-epoxypropan bisfenol A (epichlorhydrin) C 2 C C 2 C 3 C 2 C C 2 n C 3 "prepolymer" C2 C C 3 C 3 C 2 C 2 C C 2 + C 2 C C 2 konec řetězce 2 tužidlo C 2 C C 2 C 2 C C 2 Zesíťovaný polymer střed řetězce 1

27 asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu)

28 asycené tříčlenné heterocykly Thiirany pecifické reakce xidace hydroperoxidem vznikají 2-hydroxyalkansulfonové kyseliny C C 3

29 asycené tříčlenné heterocykly Thiirany pecifické reakce Působením jodu probíhá stereospecificky eliminace síry za vzniku alkenů 3C C3 I 2 C 3 C3 3C I 2 C 3 C3 C3

30 asycené tříčlenné heterocykly Aziridiny pecifické reakce Aziridiny nesubstituované na dusíku lze substituovat do této polohy bez rozevření heterocyklu + X + X + 3 +

31 asycené tříčlenné heterocykly Aziridiny pecifické reakce Adicí aziridinu na aromatické aldehydy vznikají geminální aminoalkoholy, které varem v etheru přesmykují na 2-aryloxazolidiny

32 asycené tříčlenné heterocykly Aziridiny pecifické reakce V pufrovaném prostředí lze aziridin kopulovat s benzendiazoniovou solí za vzniku 1-fenylazoaziridinu. Ten katalytickým účinkem ai izomerizuje na 1- fenyl-1,2,3-triazolin

33 eterocyklické sloučeniny asycené čtyřčlenné heterocykly xetany xetan-2-ony Thietany Azetidiny Azetidin-2-ony

34 asycené čtyřčlenné heterocykly C2 C2 C2 2C azetidin C2 2C oxetan C2 2C thietan C2

35 asycené čtyřčlenné heterocykly xetan - obecné metody přípravy Příprava i 3-halogenalkoholů účinkem bází X Báze + X

36 asycené čtyřčlenné heterocykly xetany - peciální metody přípravy Příprava termickým rozkladem cyklických karbonátů 1,3-diolů + C2

37 asycené čtyřčlenné heterocykly xetany - becné reakce eakce 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 1. MgBr 2. 2 LiAl 4 3C - -

38 asycené čtyřčlenné heterocykly xetany - becné reakce Polymerace účinnými Lewisovými kyselinami BF 3 n polypropylenoxid Izomerace méně účinnými Lewisovými kyselinami ZnCl 2 2C C C propenal (akrolein)

39 asycené čtyřčlenné heterocykly xetany - becné reakce Termické štěpení C 2 C2 + C

40 asycené čtyřčlenné heterocykly xetan-2-ony (β-laktony) Mnohem významnější než oxetany jsou oxetan-2-ony, tj. β-laktony. C

41 asycené čtyřčlenné heterocykly xetan-2-ony (β-laktony) - metody přípravy Příprava i β-halogenkyselin účinkem bází. 3C Br C C a 2 C 3 3C C (40%) + Br

42 asycené čtyřčlenné heterocykly xetan-2-ony (β-laktony) - metody přípravy Příprava cykloadicí karbonylových sloučenin na keteny C 2 ZnCl 2 2C C C

43 asycené čtyřčlenné heterocykly xetan-2-ony (β-laktony) - Vlastnosti Vysoká reaktivita = vysoká kancerogenní účinnost Adice nukleofilu do polohy β nebo na karbonylový uhlík: 3C C 3 - C C3 C - u u C3

44 asycené čtyřčlenné heterocykly xetan-2-ony (β-laktony) - Vlastnosti Friedelova-Craftsova reakce: + C AlCl 3 C C

45 asycené čtyřčlenné heterocykly xetan-2-ony (β-laktony) - Vlastnosti eakce s konjugovanými dieny: oxetan-2-ony reagují jako filodieny. C C C2 C2 + C C C C2 C2 C

46 asycené čtyřčlenné heterocykly Thietan metody přípravy Příprava nukleofilní substitucí vhodně substituovaných uhlovodíků: Br C Br 3C 3 + 3C 3C

47 asycené čtyřčlenné heterocykly Thietany - peciální metody přípravy Příprava termickým rozkladem cyklických karbonátů 1,3-diolů KC

48 asycené čtyřčlenné heterocykly Thietany - reakce Adice účinných nukleofilů 1. C 6 5 Li C6

49 asycené čtyřčlenné heterocykly Thietany - reakce xidace chlorem: Cl 2 /CCl 4 Cl Cl bis-3-chlorpropyldisulfid xidace hydroperoxidem 2 2 thietan-1,1-dioxid

50 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin Azetidinový systém byl nalezen v některých metabolitech azetidin-2-karboxylová kyselina byla izolována z cibulek konvalinky vonné azetidin-2-karboxylová kyselina Azetidinový cyklus je součástí skeletu některých antibiotik. peniciliny C3 C3 nokardamin

51 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin metody přípravy Příprava kontaktní deaminací 1,3-diaminopropanu: C2 2 aney - i + 3 2C C C 58%

52 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin metody přípravy Příprava intramolekulární nukleofilní substitucí 1-halogen-3- aminoalkanů: C3 Cl + 2 C3 C3 3C 3C Cl K 3C C3 C3 C3

53 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin metody přípravy Příprava nukleofilní substitucí 1,3-dihalogenalkanů arensulfonamidy: Br Br + 2 Ar K 2Ar + 2Ar 2Ar 2Ar a + + Ar2 Chránící skupinu lze odštěpit redukční reakcí.

54 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin - Vlastnosti eakce na dusíku: C2 =C 2 -C C 2 =C= C3 a 2, Ac

55 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin - Vlastnosti eakce na dusíku: - + a 2, Ac C oxidace LiAl 4 redukce 2

56 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony Azetidin-2-onový cyklus je součástí skeletu antibiotik penicilinů a cefalosporinů C3 C3 kyselina (3,6,7)-6-aminopenicilanová C3 kyselina (7,8)-7-aminocefalosporanová

57 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - metody přípravy Příprava přímou cyklizací β-amonokyseliny: 2 Cl2 ' '

58 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - metody přípravy Příprava intramolekulární nukleofilní substitucí vhodně substituovaných halogenkarboxamidů: Br C65 Báze C65 3-brom--phenylpropanamid 1-phenylazetidin-2-on 5C6 C2 C65 Báze 5C6 C - C65 5C6 C C65 Cl 2-chloro--(2-oxo-2-phenylethyl)--phenylacetamide Cl 4-benzoyl-1-phenylazetidin-2-on

59 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - metody přípravy Příprava dipolární (2+2) cykloadicí ketenů na aldiminy: 5C6 C3 5C6 C3 ' '

60 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - Vlastnosti eakce na dusíku: C 2 =C 2 -C adice na aktivovanou dvojnou vazbu a 2, Ac

61 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - Vlastnosti ubstituce na dusíku: X Alkylace CX acylace

62 asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - Vlastnosti ydrolytické štěpení cyklu: 2 2

63 eterocyklické sloučeniny Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem

64 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem C C C C C C C C C C C C pyrrol furan thiofen

65 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Z C - Z Z Z C -

66 vazba [pm] 2-3 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Aromaticita l l l l l l l l µ [10 30 Cm] 2,25 3,04 1,78 0 dipolový moment tetrahydroderivátu 5,64 5,30 6,27 M δ[ppm] 13 C 1 13 C 1 13 C 1 13 C 1 poloha 2 poloha , , , , , , , ,8

67 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Aromaticita Charakteristiky aromaticity Cyklické, rovinné, s konjugovanými dvojnými vazbami. Mají 4n + 2 elektronů π, které jsou delokalizovány v kruhu. Jsou neobyčejně stálé. eagují s elektrofily a poskytují produkty substituce. Produkty elektrofilní adice na dvojné vazby nevznikají.

68 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Chemické vlastnosti Aromatické sloučeniny: dávají produkty E Konjugovaný dien: Dielsova-Alderova cykloadiční reakce Funkční skupina: u furanu je nenasycený ether u pyrrolu je enamin

69 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem eakce s kyselinami Lewisovy kyseliny vyvolávají polymeraci všech uvedených heterocyklů. Lewisova kyselina AlCl 3

70 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem eakce 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. +

71 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem eakce s kyselinami Pyrrol účinkem minerálních kyselin při nízké teplotě protonizuje

72 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem eakce s kyselinami Thiofen je v prostředí minerálních kyselin relativně stálý.

73 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Příprava Cyklizace 1,4-dikarbonylových sloučenin: P P 2 5

74 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Příprava i 1,4-disubstituovaných derivátů uhlovodíků: C2 C C2 C2 2C C2 C C Br Br C2 C2 2C C2 C65-2 C Al 2 3, 300 C C2 C2 C C Br Br C2 C2 a 2 2C C2

75 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Příprava peciální metody Zpracovávání odpadních polysacharidů bohatých na aldopentosy: arabany, xylany jako dřevo lisnatých stromů, sláma + aldopentosy = furan-2-karbaldehyd (furfuran) = C 3 5-methyl furan-2-karbaldehyd

76 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Průmyslová výroba Furan se připravuje katalytickou dekarboxylací furfuralu. Pyrrol se získává průmyslově buď z černouhelného dehetu, nebo reakcí furanu s amoniakem: i-katalyzátor 3, C Al 2 3, 400 C Thiofen se v malém množství nachází v černouhelném dehetu a průmyslově se vyrábí cyklizační reakcí butanu nebo butadienu se sírou při 600 C. 2C C2 600 C + 2

77 Elektrofilní substituce furanu Furan nestálý v kyselém prostředí omezené možnosti elektrofilní substituce, nízké výtěžky. Acylace pomocí anhydridů karboxylových kyselin ulfonace pomocí komplexu oxidu sírového s pyridinem probíhají bez katalýzy Lewisových kyselin (C) 2 Py- 3

78 Elektrofilní substituce furanu itrace pomocí acetylnitrátu probíhá adičně-eliminačním mechanismem 3 C + - Báze + - C 3 C 2 2

79 Elektrofilní substituce furanu Elektronegativní substituenty zvýší stabilitu furanového kruhu v kyselém prostředí

80 Elektrofilní substituce furanu Přímá halogenace furanu vede k produktům vícenásobné substituce a adice. Br 2 dioxan Br + Br Br

81 Elektrofilní substituce furanu Merkurace furanu: za laboratorní teploty vede k substituci do polohy 2; ve vroucí kyselině octové vede k substituci do všech poloh. g(ac) 2 gac I 2 I 20 C g(ac) 2 Acg gac Cl Br 2 Ac, var Acg gac Acg gac Br Br

82 Elektrofilní substituce furanu Gattermannova a oeschova reakce furanu C Cl C Cl

83 Elektrofilní substituce furanu eakce s protonizovaným karbonylem: dává makrocyklický produkt kalix[4]furan a další makromolekulární polykondenzační produkty. C 3 C 3 (C 3 ) 2 C= C 3 + C 3 (C 3 ) 2 C= + 3 C C 3 C 3 C 3 C3 C 3

84 Adiční reakce furanu Katalytická hydrogenace: - typická reakce pro konjugované dieny. Katalytická hydrogence

85 Adiční reakce furanu Dielsova-Alderova reakce: - typická reakce pro konjugované dieny + +

86 eakce substituovaných furanů Elektrofilní substituce furanu vždy probíhá v poloze 2 (5), takže daný substituent ji může jen urychlit nebo zpomalit. C 3 Zn(C) 2 Cl C 3 3 Ac Zn(C) 2 Cl Ac C 3 C 3

87 eakce substituovaných furanů ukleofilní substituce halogenfuranů probíhá jen obtížně, pokud jeho reaktivita není zvýšena jiným substituentem. 3 C Br CC 3 C 3 a/c 3 CC C

88 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. C2 xylosa C furan-2-karbaldehyd Pentosy se dehydratují minerálními kyselinami na furan-2-karbaldehyd

89 Furan-2-karbaldehyd (furfural) Chemie Furan-2-karbaldehydu je velmi podobná chemie benzaldehydu Cannizzarova reakce Acyloinová kondenzace 2 C - furoin Perkinova reakce Ac 2 Aca

90 Benzo[b]furan 1 e d 2 Benzo[b]furan a jeho homology jsou obsaženy ve středních destilačních frakcích černouhelného dehtu, z nichž se oddělují po polymeraci jako tzv. kumaronové pryskyřice. Pro laboratorní přípravu se používá komerční produkt kumarin, odtud je triviální název kumaron a b c 3 Br C - C - kumarin Br Br Br Br Br - eliminace Br C - -C 2 dekarboxylace kumaron

91 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. Elektrofilní 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

92 Benzo[c]furan b a c d e 3 2 Benzo[c]furan není známý, a jeho substituované deriváty jsou nestálé a snadno podléhají adicím do poloh 1 a 3 účinkem různých dienofilů apod.

93 Dibenzofuran Číslování poloh tohoto heterocyklu výjimečně nezačíná na heteroatomu. Dibenzofuran se vyskytuje v černouhelném dehtu. Vzniká dehydrogenací difenyletheru. dehydrogenace Dibenzofuran je velmi stabilní. Elektrofilní substituce probíhají jen za katalýzy nejúčinnějších Lewisových kyselin a jsou řízeny do polohy 3(6).

94 Elektrofilní substituce pyrrolu Formylace C 3 C 3 PCl 3, 83% ( 4 )C C Py- 3 80% ulfonace Karboxylace

95 Elektrofilní substituce pyrrolu itrace C 3 C 2 51%

96 Elektrofilní substituce pyrrolu Přímá halogenace pyrrolu nelze řídit. Cl 2 do -20 C měs produktům vícenásobné substituce 1 mol 2 Cl 2 Et 2, 0 C Cl I 2 + KI I I Cl 4 mol 2 Cl 2 Cl Ac I I Et 2, 0 C Cl Cl + polychlorované produkty

97 Elektrofilní substituce pyrrolu Kopulace: Cl - Aca

98 Elektrofilní substituce pyrrolu Gattermannova a oeschova reakce a acylace pomocí anhydridů u pyrrolu neprobíhají na rozdíl od furanu. C Cl C Cl (C) 2

99 eakce pyrrolu na dusíku pk a = 15, nízká nukleofilita dusíku: C 3 I 100 C C 3 + C 3 a 2 / 3 - C 3 a + C 3 I C 3 I

100 eakce pyrrolu na dusíku eakce -pyrrolylmagnesiumjodidu: C 3 MgI C 4 + MgI AcCl CC 3 + C 3

101 eakce dvojných vazeb pyrrolu Pyrrol reaguje s typickými dienofily jako C-kyselina. AcCl + xidací pyrrolu Cr 3 maleinimid

102 eakce substituovaných pyrrolů Elektronické efekty substituentů na pyrrolovém cyklu se projevují obdobně jako u benzenu. 2-ydroxypyrrol C 3 C3 3C C3 3C C 3 Ar 2 Cl, Py CEt/Báze Ar C 3 C3 3C C 3

103 eakce substituovaných pyrrolů Pyrrol-2-karbaldehyd a acylpyrrolové deriváty + - Účinkem kyselin nepolymerují, protonizuje se karbonylový kyslík. epodlehají Cannizzarově a Perkinově reakci, tj. reakcím na karbonylu

104 eakce pyrrol-2-karbaldehydu Polymerace + ab 4 LiAl 4 C3 redukce redukce Báze Kižněr a Wolff (uang-minlon)

105 Porfinové deriváty bilan porfyrinogen porfin porfyrinogen a porfin jsou základem biologicky významných hemových barviv, chlorofylů a korinů.

106 eminová barviva C2 C3 C2 C3 3C 3C 3C C3 3C C3 protoporfyrin IX cytochrom C Protoporfyrin IX je základem krevního barviva hemoglobinu Cytochrom C je součástí systému oxidoreduktas tzv. dýchacího řetězce

107 V metabolismu dochází ke stálé výměně krevního barviva. dbourávání probíhá v játrech, metabolity se hromadí a vylučují žlučí. 2C=C C4C2 C4C2 C3 3C C=C2 3C 3C biliverdin + 2 2C=C C4C2 C4C2 C3 3C C=C2 3C 3C bilirubin C-2C C4C2 C4C2 C3 3C C2-C3 3C 3C urobilinogen - 2 3C-2C C4C2 C4C2 C3 3C C2-C3 3C 3C urobilin

108 Chlorofyly Chlorofyly zprostředkují fotosyntézu v rostlinách a fototropních bakteriích. C3 C3 C2 2C Mg C3 chlorofyl a: = -C 3 chlorofyl b: = -C 3C C3 C3 C3 C3 C3 C3

109 2C 3C C2 Koriny 2C C3 Základní skelet korinů je 20-nor-dekahydroporfin. 3C 3C 2C 3C 3C Co + C3 C2 C3 C3 C2 C3 - P C3 ejvýznamnějším korinovým derivátem je vitamin B 12

110 Indol, isoindol, indolizin a b c 1 e d 3 2 indol 3-indol isoindol 1-isoindol a b c indol 1 e d C indolizin isoindol 3 2 C C indolizin C -

111 Indol Indol 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 některých silicích. Tryptofan (Trp) 2 Indigo

112 eakce indolu Indol je velmi slabá báze, nestálá v kyselém prostředí. Elektrofilní substituce probíhají snadno a přednostně do polohy 3, a pouze jeli tato obsazena, pak proběhne substituce do polohy 2. Py- 3 C(C 3 ) 2 Ar 2 X PCl 3 C 2 /(C 3 ) 2 gramin C3 Ar C3

113 eakce indolu na dusíku BuLi Li + - X C 3 Ac 2 Ac 2 Aca Ac V bazickém prostředí V kyselém prostředí 3 C

114 eakce tautomerní formy 3-indolové C 6 5 C C 6 5 -

115 Karbazol (dibenzopyrrol) Číslování poloh tohoto heterocyklu výjimečně nezačíná na heteroatomu. Karbazol je dlouho známý jako součást černouhelného dehtu. becná metoda syntézy karbazolu a jeho derivátů je založena na reakci o- aminodifenylaminu s kyselinou dusitou a tepelném rozkladu vzniklého 1- fenylbenzotriazolu:. 2 2 ízká bazicita dusíku je podobná pyrrolu nebo difenylaminu. Elektrofilní substituce: probíhají snadno do poloh 1, 3, 6, 8, tj. o-, resp. 1-fenylbenzotriazol p- vzhledem k iminoskupině. Karbazol nalezl praktické využití při výrobě některých barviv, polymer polyvinylkarbazol je termoplast. - 2

116 Indolizin 8 Matečný 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. Elektrofilní substituce probíhají do poloh 1 a 3 bez katalýzy Lewisových kyselin CCl - +

117 7 1 Isoindol esubstituovaný 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. ejdůležitější derivát isoindolu jsou zřejmě ftalocyaninové komplexy, patří k nejstálejším organickým barvivům, slouží k výrobě malířských barev, dále jako přísada do omítek atd. M

118 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. 2C C2 600 C + 2

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

120 Elektrofilní substituce thiofenu ulfonace 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. Preparativně výhodná je sulfonace pomocí komplexu oxidu sírového s pyridinem. Py- 3

121 Elektrofilní substituce thiofenu itrace: C 6 5 CCl, Ag 3 C 3 C % + 86% -

122 Elektrofilní substituce thiofenu Bromace: Br 2 Br 2 Br 2 Ac Ac 78% Br Br Br Zn Ac Br Chlorace: Cl 2 Cl 2 Cl 2 Cl Cl Cl Cl Cl + + Cl 70% Cl Cl

123 Elektrofilní substituce thiofenu Merkurace: g(ac) 2 gac I 2 I Ac gcl 2 Aca 2-acetoxymerkurithiofen Clg gcl CCl bis(chlormerkuri)thiofen

124 Elektrofilní substituce thiofenu Friedelova-Craftsova reakce C 3 AcCl C 6 5 CCl ncl 4 AlCl 3 70% 90% C 6 5 C(C 3 ) 2 PCl 3

125 Elektrofilní substituce thiofenu Řídící vliv substituentů při elektrofilních substitucích derivátů thiofenu: C 3 Br 2 Ac Br C 3 C Br - + C 3 C 3 30% 70% - +

126 Elektrofilní substituce thiofenu Řídící vliv substituentů při elektrofilních substitucích derivátů thiofenu: Br 2 Br Ac C 3 C 3 AcCl ncl 4 C C 80% C 3 20% C 3

127 Elektrofilní substituce thiofenu Řídící vliv substituentů při elektrofilních substitucích derivátů thiofenu: 3 Ac - + = C 49% 31% C CC C

128 ukleofilní substituce thiofenů alogen v poloze 2 i 3 je pro nukleofilní substituce velmi málo reaktivní. Vlivem nitroskupiny stoupá jeho reaktivita v pořadí: - Br + Br Br < < Br piperidin - + Et - +

129 eakce substituovaných thiofenů Z halogenderivátů thiofenu lze připravit organokovové deriváty a to homolytickým štěpením vazby halogenů účinkem kovů. Br Mg MgBr 1. C 2 C C 3 Et 2 C C 3

130 eakce substituovaných thiofenů 2-ydroxythiofen je v rovnováze s tautomerními formami thiolaktony, v níž převládají konjugovaný systém thiolakton, což vysvětluje jejich snadné hydrolytické štěpení. 4-thiolen-2-on 3-thiolen-2-on 3-ydroxythiofen převažuje v rovnováze s tautomerní formou 4-thiolen-3- onem. 4-thiolen-3-on

131 eakce substituovaných thiofenů 2-Aminothiofen lze za obvyklých podmínek diazotovat a vzniklou diazoniovou sůl kopulovat s reaktivními aromáty Cl a 2 / Cl 2-naftol Thiofenové deriváty mohou reagovat i jako pasivní komponenta při kopulaci Ac Cl Ac + -

132 eakce thiofenu na síře C 3 C 3 3 C C 3 C 2,5-dimethylthiofen-1,1-dioxid xidací thiofenu perkyselinami vzniká benzo[b]thiofen-1,1-dioxid. Jeho vznik lze vysvětlit Dielsovou-Alderovou adicí intermediátů a následnou eliminací síry. C benzo[b]thiofen-1,1-dioxid

133 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 substituované v poloze CC hν CC C 2 C

134 Adiční reakce dvojných vazeb thiofenu eakce s dienofily je známá jen v ojedinělých případech, snadno isomerují na thiofenové deriváty substituované v poloze 3. C 3 + C 3 C C C 3 C 3 C C C 3 C 3 C C

135 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-. Uplné redukční odštěpení síry lze dosáhnout působením aneyova niklu. C C /aney-i C C C 3

136 Dihydroderiváty thiofenu 2-thiolen 3-thiolen thiolan 3-thiolen 3-Thiolen se vlastnostmi podobají alylsuldidům. Za zmínku stojí využití reverzibilní reakce vzniku 3-thiolen-1,1-dioxidu při výrobě 1,3-butadienu C C 2

137 Dihydroderiváty thiofenu 2-thiolen 3-thiolen thiolan 3-thiolen Podobně reaktivita thiolanu je v mnohém podobá chování nasycených sulfidů. Jeho významným derivátem je (+)-biotin, který je koenzym karboxyláz. biotin

138 Benzoderiváty thiofenu a b c d e a b c d e Benzo[b]thiofen Benzo[c]thiofen Dibenzothiofen Elektrofilní substituce benzo[b]thiofenu probíhají snadno: itrace, bromace, merkurace pouze do polohy 3, Frielelovy-Craftsovy reakce do obou poloh 2 i 3.

139 Elektrofilní substituce benzo[b]thiofenu: CCl AlCl 3 + 3, Ac ncl 2 Ac 2 Cl a 2, Ac

140 eterocyklické sloučeniny Šestičlenné heterocykly s jedním heteroatomem

141 Šestičlenné heterocykly s jedním heteroatomem pyridin 2-pyran 2-thiapyran 4-pyran 4-thiapyran pyridiniový kation pyridinium pyryliový kation thiapyryliový kation

142 Pyridin a jeho deriváty měs tzv. pyridinových bází byly nejprve izolována z kostního oleje (kapalný podíl vzniklý pyrolýzou kostí), později byl nalezen jejich bohatý zdroj v černouhelném dehtu. C 3 3 C C 3 pyridin α-pikolin β-pikolin C 3 C 3 2,6-lutidin γ-pikolin

143 Průmyslová výroba pyridinu a jeho derivátů 3 C 2 + () 400 C aluminosilikátový kontaktní kat. C 3 70% C + C 2 C 2 β-pikolin C 3

144 yntéza pyridinů a jeho derivátů ()

145 yntéza pyridinů a jeho derivátů () C - C 2 C C 8-hydroxychinolin kys. chinolinová kys. nikotinová

146 Vlastnosti pyridinu 0, , , , ,140 poloha M 8,6 7,0 7,8 13 C-M 149,9 123,7 135,9 1. Pyridin je řádově silnější báze (pk B = 8,7) než pyrrol (pk B = 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. 4. Vazebný stav pyridinu můžeme znázornit jako hybrid kanonických mesomerních forem. - C + - C + - C +

147 Chemické vlastnosti pyridinu Bazicita: V silných kyselinách se protonizuje. Mezomerie pyridiniového iontu + C + C + C +

148 Chemické vlastnosti pyridinu Bazicita substituovaných pyridinových derivátu C3 3 C C3 C3 C3 pk B 8,7 8,03 8,32 7,98 7,25

149 ukleofilita - eakce pyridinu s elektrofily - + Br.Br- Adukt oxidu sírového slouží jako neprotické sulfonační činidlo. +.Br3- + -Brompyridiniumbromid je relativně stálý, ale komplex pyridinhydrobromidperbromid slouží k bromaci + - BF4- + C3 1-itro-2-methylpyridiniumfluoroborát snadno generuje nitroniový kation. AlCl3- + tabilní komplex chloridu hlinitého vysvětluje, proč u pyridinu selhává Friedelova-Craftsova reakce. - Cr + Komplex oxidu chromového slouží jako selektivní oxidační činidlo. gac.ac- + -Acetoxymerkuripyridinniumacetát přesmykuje při vyšší teplotě na 3- acetoxymerkuripyridin

150 ukleofilita - -alkylace Působením alkylhalogenidů, dialkylsulfátů, alkylsulfonátů a jiných alkylačních činidel vznikají stálé -alkylpyridiniové soli. -alkylpyridiniové soli jsou snadno napadnutelné nukleofilem. C3 + C3 C3 + - K 3 [Fe(C) 6 ] báze pseudobáze 1-methyl-2(1)-pyridinon

151 ukleofilita - -acylace -acylpyridiniové komplexy, patří mezi tzv. aktivované karboxyly: reakcí s alkoholy vznikají estery, s aminy amidy atd. + Cl - CCl ' 3 C' C2 ' 2 C'

152 Elektrofilní a ukleofilní substituce pyridinu - C + - C + - C + u u E + u E +

153 Elektrofilní a ukleofilní substituce pyridinu - + 0,5% + Br 4,5% 86% + - K 3 2 4, 300 C Br % 3, 130 C 2 4, g 4, 220 C a 2 C 6 5 (C 3 ) 2, 100 C C 6 5 Li + () C 6 5 C 2 Li + () 2 + C65 + Li + Li 2 70% g(ac) 2, 130 C (C 6 5 ) 2 Ca C2C65 Acg 50%

154 edukce pyridinu Al3-.Li + LiAl 4 2 LiAl 4 + AlCl 3 2 /Pt, Ac Zn, Ac 3C C3

155 xidace pyridinu KMn 4 C3 C C3 e2 C - C KMn 4 C + C

156 Dehydrogenace pyridinu FeCl 3 aney-i komplexaèní èinidlo pro železité ionty C3 C 3 C3 a úèinné herbicidum

157 Pyridin--oxid PCl C3-3 +.I C 3 I. 4- -methylpyridiniumjodid -hydroxypyridiniumhydrogensulfát

158 Pyridin--oxid C C + C + + C - + C - + C -

159 ukleofilní substituce pyridin--oxidu C 3 C 3 C 3 C 3 + C + C + C 3 KC C.I - + C C + + C 3 C

160 Elektrofilní substituce pyridin--oxidu +.Br (g 4 ) + Br Br C -

161 evysvětlitelné reakce pyridin--oxidu C 3 a - + C 3 a % - + C 3 Cl

162 Vlastnosti substituentů pyridinu ubstituenty v polohách 3 a 5 se chováním podobají substituentům benzenového cyklu. ubstituenty v polohách 2 (6) a 4 jsou obdobou skupin sousedících s karbonylem nebo jejich vinylogy Efekty v polohách 2 (6) a 4 se mnohonásobně zvýší v pyridinovém iontu, v - alkylpyridiniovém iontu a v pyridin--oxidu.

163 Vlastnosti substituentů pyridinu: -C 3 C 3 C= C 6 5 -C e 2 báze C 6 5 = α-pikolin Cr 3 C kyselina α-pikolinová Cr 3 β-pikolin C 3 C kyselina nikotonová C 2C2 C 3 C3 C 2C 1. a 2 1. C 6 5 Li 2. C 2 5 I 2. C 2

164 Vlastnosti substituentů pyridinu: -Cl - C 3 - C Cl Cl - C 3 a / C 3 Cl C 3 Cl Cl C 3 C 3 elativní rychlostní konstanty chlorderivát pyridinu pyridin--oxidu -methylpyridinium chloridu 2-Cl 3, , , Cl 1, , , Cl 8, , ,08.103

165 Vlastnosti substituentů pyridinu: λ max (nm) C 3 C 3 C 3 3 C

166 Vlastnosti substituentů pyridinu: - Elektrofilní substituce 3-hydroxypyridinu E E + E E E + E E E + Elektrofilní substituce 2(4)-hydroxypyridinu E E + E + E E E

167 Vlastnosti substituentů pyridinu: 3- Elektrofilní substituce 3-hydroxypyridinu E E + E E E + E+ = Cl+(Cl 2 /FeCl 3 ), 2 + ( 3 / 2 4 ), 3 + (konc. 2 4 ) E+ = g+ac (g(ac) 2 ), C (C ) jen do polohy 2 Podobně Mannichova reakce a reakce karbokyseliny probíhá jen v poloze 2 C 1. a C + (C 3 ) 2 2. C 2 Mannichova reakce C 3 C 3

168 Vlastnosti substituentů pyridinu: 2(4)- E + E + E E E - - a C 2 Ac AcCl C C 3 C 3 I C C 3 2 PCl 3 Cl C 3 a

169 Vlastnosti substituentů pyridinu: C3 C 3 λ max (nm) ν max (cm-1) 3478, 3404 (- 2 ) 3325(), 1652(C=) Protonizace isomerních aminopyridinů probíhá přednostně na heterocyklickém dusíku; pouze 3-aminopyridin je dvojsytná báze. 2 2 pk B1 8,7 7,4 6,8 4,9 pk B2-15,

170 Vlastnosti substituentů pyridinu: - 2 tejné reakce s elektrofily: ozdílné reakce s elektrofily: +.X - 2 X CX 2 C 2 2 a 2, Cl , X 2 a 2, Br Br - 2

171 Významné deriváty pyridinu C3 2 sulfapyridin proti kokovým infekcím 2 pyridoxin (vitamin B 6 ) hydrazid pyridin-4-karboxylové proti tuberkulóze

172 Významné deriváty pyridinu - P P P - P nikotinamidadenindinukleotid (AD+) nikotinamidadenindinukleotidfosfát (ADP+) AD+ a ADP+ jsou součástí nikotinamidové dehydrogensy P - -