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
eterocyklické sloučeniny LITEATUA: 1. Vystrčil A.: eterocyklické sloučeniny. P, Praha 1988. 2. Murphyy.: rganická chemie. VUTIUM, Brno 2008. 3. Dvořák D.: Chemie organokovových sloučenin přechodných kovů. VŠCT Praha, 1994, nebo novější vydání. 4. Greenwood.., Earnshaw A.: Chemie prvků I, II. Informatorium, Praha, 1993. 5. Elschenbroich C., alzer A.: rganometallics. A concise introduction. VC, Weinheim, 1992, nebo novější vydání.
eterocyklické sloučeniny Úvod ázvosloví asycené tříčlenné heterocykly Aziridiny, xirany, Thiirany, Diaziridiny, xaziridiny Metody přípravy eakce Využití
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
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
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).
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
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.
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
asycené tříčlenné heterocykly 2 C C2 2 C C2 2C C2 aziridin oxiran thiiran ethylenimin ethylenoxid ethylensulfid epoxid 2C 2C diaziridin oxaziridin
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
asycené tříčlenné heterocykly xirany - peciální metody přípravy Přípravy oxiranů speciálními reakcemi: eakce alkenů s perkyselinami kys. perbenzoová, m-chlorperbezoová C C + +
asycené tříčlenné heterocykly xirany - peciální metody přípravy Přípravy oxiranů speciálními reakcemi: Přímá oxidace alkenů kyslíkem na stříbrném katalyzátoru C 2 C2 + () 250 C Kat.
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
asycené tříčlenné heterocykly xirany - peciální metody přípravy Přípravy oxiranů speciálními reakcemi: Adice karbenu na ketony + C 2 2 + 2 C2
asycené tříčlenné heterocykly Thiirany - peciální metody přípravy Přípravy thiiranů speciálními reakcemi: Bazicky katalyzovaná eliminace -acetylderivátu nebo - acetylderivátu 2-merkaptoethanolu báze báze Ac Ac
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
asycené tříčlenné heterocykly Diaziridiny - becné metody přípravy Přípravy diaziridinů: reakcí ketonů s amoniakem a chloraminem + 3 + 2 X
asycené tříčlenné heterocykly xaziridiny - becné metody přípravy Přípravy oxaziridinů: reakcí chiffových bází s perkyselinami C + +
asycené tříčlenné heterocykly becné reakce becnou reakcí oxiranů, thiiranů a aziridinů je nukleofilní adice + Z u + nebo Lewisova kyselina Z u Z = --, --, --, --
asycené tříčlenné heterocykly eakce oxiranu eakce s vodou eakce s alkoholy a fenoly eakce s karboxylovými kyselinami eakce s aminy Intramolekulární přesmyk epoxidu
asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu) 2 2C C2 + + diethylenglykol triethylenglykol n polyethylenglykol nemrznoucí náplně chladicích kapalin
asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu) 2 4-2 3 diethylenglykol + 1,4-dioxan rozpouštědlo 1. a C3 diethylenglykol 2. (C 3 ) 2 4 C3 C3 C3 DIGLYM TIGLYM rozpouštědla
asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu) + n + n - 1 C + n + neiontové tenzidy n - 1 Tyto tenzidy mají použití zejména v textilním průmyslu
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 +.
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
asycené tříčlenné heterocykly Využití oxiranu (ethylenoxidu)
asycené tříčlenné heterocykly Thiirany pecifické reakce xidace hydroperoxidem vznikají 2-hydroxyalkansulfonové kyseliny C 3 2 2 C 3
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
asycené tříčlenné heterocykly Aziridiny pecifické reakce Aziridiny nesubstituované na dusíku lze substituovat do této polohy bez rozevření heterocyklu + X + X + 3 +
asycené tříčlenné heterocykly Aziridiny pecifické reakce Adicí aziridinu na aromatické aldehydy vznikají geminální aminoalkoholy, které varem v etheru přesmykují na 2-aryloxazolidiny. + + 2
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. + + - +
eterocyklické sloučeniny asycené čtyřčlenné heterocykly xetany xetan-2-ony Thietany Azetidiny Azetidin-2-ony
asycené čtyřčlenné heterocykly C2 C2 C2 2C azetidin C2 2C oxetan C2 2C thietan C2
asycené čtyřčlenné heterocykly xetan - obecné metody přípravy Příprava i 3-halogenalkoholů účinkem bází X Báze + X
asycené čtyřčlenné heterocykly xetany - peciální metody přípravy Příprava termickým rozkladem cyklických karbonátů 1,3-diolů + C2
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 - -
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)
asycené čtyřčlenné heterocykly xetany - becné reakce Termické štěpení C 2 C2 + C
asycené čtyřčlenné heterocykly xetan-2-ony (β-laktony) Mnohem významnější než oxetany jsou oxetan-2-ony, tj. β-laktony. C
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
asycené čtyřčlenné heterocykly xetan-2-ony (β-laktony) - metody přípravy Příprava cykloadicí karbonylových sloučenin na keteny C 2 ZnCl 2 2C C C
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
asycené čtyřčlenné heterocykly xetan-2-ony (β-laktony) - Vlastnosti Friedelova-Craftsova reakce: + C AlCl 3 C C
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
asycené čtyřčlenné heterocykly Thietan metody přípravy Příprava nukleofilní substitucí vhodně substituovaných uhlovodíků: Br C Br 3C 3 + 3C 3C
asycené čtyřčlenné heterocykly Thietany - peciální metody přípravy Příprava termickým rozkladem cyklických karbonátů 1,3-diolů KC
asycené čtyřčlenné heterocykly Thietany - reakce Adice účinných nukleofilů 1. C 6 5 Li 2. 2 5C6
asycené čtyřčlenné heterocykly Thietany - reakce xidace chlorem: Cl 2 /CCl 4 Cl Cl bis-3-chlorpropyldisulfid xidace hydroperoxidem 2 2 thietan-1,1-dioxid
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin Azetidinový systém byl nalezen v některých metabolitech. 4 3 1 2 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
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin metody přípravy Příprava kontaktní deaminací 1,3-diaminopropanu: C2 2 aney - i + 3 2C C2 2 100 C 58%
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
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.
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin - Vlastnosti eakce na dusíku: C2 =C 2 -C C 2 =C= C3 a 2, Ac
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin - Vlastnosti eakce na dusíku: - + a 2, Ac C oxidace LiAl 4 redukce 2
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony Azetidin-2-onový cyklus je součástí skeletu antibiotik penicilinů a cefalosporinů. 2 6 7 5 4 C3 C3 kyselina (3,6,7)-6-aminopenicilanová 1 2 3 2 7 8 6 C3 kyselina (7,8)-7-aminocefalosporanová 5 1 4 2 3
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - metody přípravy Příprava přímou cyklizací β-amonokyseliny: 2 Cl2 ' '
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
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - metody přípravy Příprava dipolární (2+2) cykloadicí ketenů na aldiminy: 5C6 C3 5C6 C3 ' '
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - Vlastnosti eakce na dusíku: C 2 =C 2 -C adice na aktivovanou dvojnou vazbu a 2, Ac
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - Vlastnosti ubstituce na dusíku: X Alkylace CX acylace
asycené čtyřčlenné heterocykly Azetidin-2-ony - Vlastnosti ydrolytické štěpení cyklu: 2 2
eterocyklické sloučeniny Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem C C C C C C C C C C C C pyrrol furan thiofen
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Z C - Z Z Z C -
vazba [pm] 2-3 Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Aromaticita 2 1 3 4 5 l l l l l l l l 136 2 137 3 137 3 139 5 3-4 143-11 143-11 142-12 139-15 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 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
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.
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
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem eakce s kyselinami Lewisovy kyseliny vyvolávají polymeraci všech uvedených heterocyklů. Lewisova kyselina AlCl 3
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. +
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem eakce s kyselinami Pyrrol účinkem minerálních kyselin při nízké teplotě protonizuje. + + + +
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem eakce s kyselinami Thiofen je v prostředí minerálních kyselin relativně stálý.
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Příprava Cyklizace 1,4-dikarbonylových sloučenin: P 2 5 3 P 2 5
Pětičlenné heterocykly s jedním heteroatomem Příprava i 1,4-disubstituovaných derivátů uhlovodíků: C2 C2-2 - 2 C2 C2 2C C2 C C Br Br C2 C2 2C C2 C65-2 C 6 5 2 Al 2 3, 300 C C2 C2 C C Br Br C2 C2 a 2 2C C2
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
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, 2 280 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
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
Elektrofilní substituce furanu itrace pomocí acetylnitrátu probíhá adičně-eliminačním mechanismem 3 C + - Báze + - C 3 C 2 2
Elektrofilní substituce furanu Elektronegativní substituenty zvýší stabilitu furanového kruhu v kyselém prostředí. 3 + - + + - 2 4 3 2 4 - + + + -
Elektrofilní substituce furanu Přímá halogenace furanu vede k produktům vícenásobné substituce a adice. Br 2 dioxan Br + Br Br
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
Elektrofilní substituce furanu Gattermannova a oeschova reakce furanu C Cl C Cl
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
Adiční reakce furanu Katalytická hydrogenace: - typická reakce pro konjugované dieny. Katalytická hydrogence
Adiční reakce furanu Dielsova-Alderova reakce: - typická reakce pro konjugované dieny + +
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 2 + - Zn(C) 2 Cl - + 3 Ac 2 - + + - C 3 C 3
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 3 100 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. C2 xylosa C furan-2-karbaldehyd Pentosy se dehydratují minerálními kyselinami na furan-2-karbaldehyd
Furan-2-karbaldehyd (furfural) Chemie Furan-2-karbaldehydu je velmi podobná chemie benzaldehydu Cannizzarova reakce 2 - + Acyloinová kondenzace 2 C - furoin Perkinova reakce Ac 2 Aca
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 6 5 7 4 a b c 3 Br 2 - - C - C - kumarin Br Br Br Br Br - eliminace Br C - -C 2 dekarboxylace kumaron
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 5. 6 5 7 4 1 2 3
Benzo[c]furan 6 5 7 4 1 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.
7 8 1 2 Dibenzofuran 6 5 4 3 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).
Elektrofilní substituce pyrrolu Formylace C 3 C 3 PCl 3, 83% ( 4 )C 3 120 C Py- 3 80% ulfonace Karboxylace
Elektrofilní substituce pyrrolu itrace C 3 C 2 51% + - + - +
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
Elektrofilní substituce pyrrolu Kopulace: + 2 + Cl - Aca
Elektrofilní substituce pyrrolu Gattermannova a oeschova reakce a acylace pomocí anhydridů u pyrrolu neprobíhají na rozdíl od furanu. C Cl C Cl (C) 2
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
eakce pyrrolu na dusíku eakce -pyrrolylmagnesiumjodidu: C 3 MgI C 4 + MgI AcCl CC 3 + C 3
eakce dvojných vazeb pyrrolu Pyrrol reaguje s typickými dienofily jako C-kyselina. AcCl + xidací pyrrolu Cr 3 maleinimid
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
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
eakce pyrrol-2-karbaldehydu Polymerace + ab 4 LiAl 4 C3 redukce redukce 1. 2 2 2. Báze Kižněr a Wolff (uang-minlon)
Porfinové deriváty + 4 3 + bilan 20 1 4 5 4 + + 19 2 4 16 6 9 15 14 11 10 porfyrinogen porfin porfyrinogen a porfin jsou základem biologicky významných hemových barviv, chlorofylů a korinů.
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
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 + 4 2 3C-2C C4C2 C4C2 C3 3C C2-C3 3C 3C urobilinogen - 2 3C-2C C4C2 C4C2 C3 3C C2-C3 3C 3C urobilin
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
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
Indol, isoindol, indolizin 6 5 7 4 a b c 1 e d 3 2 indol 3-indol isoindol 1-isoindol 6 5 7 4 3 1 2 6 5 7 4 a b c indol 1 e d 3 2 + C - 6 7 5 4 8 indolizin 3 1 2 6 5 7 1 4 isoindol 3 2 C - + + C - 6 7 5 8 4 indolizin 3 1 2 + C -
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
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
eakce indolu na dusíku BuLi Li + - X C 3 Ac 2 Ac 2 Aca Ac V bazickém prostředí V kyselém prostředí 3 C
eakce tautomerní formy 3-indolové C 6 5 C C 6 5 -
7 8 9 1 2 Karbazol (dibenzopyrrol) 6 5 4 3 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
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. 6 7 5 4 3 1 2 + - 3 CCl - +
7 1 Isoindol 6 5 4 3 2 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
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
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.
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
Elektrofilní substituce thiofenu itrace: C 6 5 CCl, Ag 3 C 3 C + + - 14% + 86% -
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
Elektrofilní substituce thiofenu Merkurace: g(ac) 2 gac I 2 I Ac gcl 2 Aca 2-acetoxymerkurithiofen Clg gcl CCl bis(chlormerkuri)thiofen
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
Elektrofilní substituce thiofenu Řídící vliv substituentů při elektrofilních substitucích derivátů thiofenu: C 3 Br 2 Ac 3 2 4 Br C 3 C 3 + + Br - + C 3 C 3 30% 70% - +
Elektrofilní substituce thiofenu Řídící vliv substituentů při elektrofilních substitucích derivátů thiofenu: Br 2 Br Ac C 3 C 3 AcCl ncl 4 C 3 + 3 C 80% C 3 20% C 3
Elektrofilní substituce thiofenu Řídící vliv substituentů při elektrofilních substitucích derivátů thiofenu: 3 Ac - + = C 49% 31% C 57 43 CC 3 48 52 C 25 75 2 20 80 - + +
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 - +
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 3 2. + C 3
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
eakce substituovaných thiofenů 2-Aminothiofen lze za obvyklých podmínek diazotovat a vzniklou diazoniovou sůl kopulovat s reaktivními aromáty. 2 + - 2 Cl a 2 / Cl 2-naftol Thiofenové deriváty mohou reagovat i jako pasivní komponenta při kopulaci Ac Cl - 2 + + + - Ac + -
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 2 2 2 2 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 substituované v poloze 3. + 2 CC hν CC C 2 C
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
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 3 - + 2 /aney-i C C 3 2-2 C 3
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. 2 + 2 C C 2
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
Benzoderiváty thiofenu 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e 1 2 3 4 5 6 7 8 4 4 4 5 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.
Elektrofilní substituce benzo[b]thiofenu: CCl AlCl 3 + 3, Ac ncl 2 Ac 2 Cl - + 2 a 2, Ac
eterocyklické sloučeniny Šestičlenné heterocykly s jedním heteroatomem
Šestičlenné heterocykly s jedním heteroatomem pyridin 2-pyran 2-thiapyran 4-pyran 4-thiapyran + + + pyridiniový kation pyridinium pyryliový kation thiapyryliový kation
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
Průmyslová výroba pyridinu a jeho derivátů 3 C 2 + () 400 C aluminosilikátový kontaktní kat. C 3 70% 3 400 C + C 2 C 2 β-pikolin C 3
yntéza pyridinů a jeho derivátů 3 + - 2 () 3 3 + + 2
yntéza pyridinů a jeho derivátů () C - C 2 C C 8-hydroxychinolin kys. chinolinová kys. nikotinová
Vlastnosti pyridinu 0,134 116,7 124 0,139 118,6 118 0,140 poloha 2 3 4 1 -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 +
Chemické vlastnosti pyridinu Bazicita: V silných kyselinách se protonizuje. Mezomerie pyridiniového iontu + C + C + C +
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
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
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
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'
Elektrofilní a ukleofilní substituce pyridinu - C + - C + - C + u u E + u E +
Elektrofilní a ukleofilní substituce pyridinu - + 0,5% + Br 4,5% 86% + - K 3 2 4, 300 C Br 2 2 4-70% 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%
edukce pyridinu Al3-.Li + LiAl 4 2 LiAl 4 + AlCl 3 2 /Pt, Ac Zn, Ac 3C C3
xidace pyridinu KMn 4 C3 C C3 e2 C - C KMn 4 C + C
Dehydrogenace pyridinu FeCl 3 aney-i komplexaèní èinidlo pro železité ionty C3 C 3 C3 a úèinné herbicidum
Pyridin--oxid PCl C3-3 +.I - + + C 3 I. 4- -methylpyridiniumjodid -hydroxypyridiniumhydrogensulfát
Pyridin--oxid - - - C + - + C + C + + C - + C - + C -
ukleofilní substituce pyridin--oxidu C 3 C 3 C 3 C 3 + C + C + C 3 KC C.I - + C C + + C 3 C
Elektrofilní substituce pyridin--oxidu +.Br - 3 + -. 4 3 (g 4 ) + Br Br 2 250 C -
evysvětlitelné reakce pyridin--oxidu - + 3 - + C 3 a - + C 3 a - + 2 4 70% - + C 3 Cl
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. 1 1 1 Efekty v polohách 2 (6) a 4 se mnohonásobně zvýší v pyridinovém iontu, v - alkylpyridiniovém iontu a v pyridin--oxidu.
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
Vlastnosti substituentů pyridinu: -Cl - C 3 - C 3 + +. 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 3,31.10-8 6,40.10-4 1,53.105 3-Cl 1,09.10-11 1,16.10-6 3,14.10-3 4-Cl 8,91.10-7 1,00.10-3 5,08.103
Vlastnosti substituentů pyridinu: - + - - λ max (nm) 243 227 256 270 227 218 260 C 3 C 3 C 3 3 C
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
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 6 5 2 + (C 6 5 2 + 2 ) 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
Vlastnosti substituentů pyridinu: 2(4)- E + E + E E E - - a C 2 Ac AcCl C C 3 C 3 I C 2 2 + C 3 2 PCl 3 Cl C 3 a
Vlastnosti substituentů pyridinu: - 2 2 C3 C 3 λ max (nm) 290 300 265 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 B2-15,5 - - 2
Vlastnosti substituentů pyridinu: - 2 tejné reakce s elektrofily: ozdílné reakce s elektrofily: +.X - 2 X CX 2 C 2 2 a 2, Cl 2 + 2 + 2, - 2 2 X 2 a 2, Br Br - 2
Významné deriváty pyridinu C3 2 sulfapyridin proti kokovým infekcím 2 pyridoxin (vitamin B 6 ) hydrazid pyridin-4-karboxylové proti tuberkulóze
Významné deriváty pyridinu - P 2 + 2 - P 2 + 2 - P - P nikotinamidadenindinukleotid (AD+) nikotinamidadenindinukleotidfosfát (ADP+) AD+ a ADP+ jsou součástí nikotinamidové dehydrogensy P - -