24. Heterocykliczne zwiazki aromatyczne.pdf

H E T E R O C Y K L I C Z N E

Z W I Ą Z K I A R O M A T Y C Z N E

Aleksander Kołodziejczyk styczeń 2007

Cykliczne związki zawierające heteroatom (tzn. atom inny niż atom węgla, najczęściej N , O lub

S ) oraz odpowiednią liczbę podwójnych wiązań, tak żeby razem z wolną parą heteroatomu

spełniać regułę Hückla wykazują właściwości aromatyczne. Należą do nich heterocykle

pięciocio- lub sześcioczłonowe .

Pięcioczłonowe heterocykle aromatyczne

Przykłady pięcioczłonowych heterocykli aromatycznych.

C -

pirol furan tiofen anion cyklopendienowy

Warto zwrócić uwagę, że podobną, spełniającą regułę Hückla strukturę elektronową ma anion

cyklopentadienowy . Oczywiście wszystkie przedstawione pierścienie są płaskie.

Heterocykle aromatyczne mogą zawierać więcej heteroatomów.

oksazol tiazol

imidazol pirazol triazol [ (1,3,5)triazol ]

Znane są też heterocykle pięcioczłonowe skondensowane z innymi pierścieniami homo- lub

heterocyklicznymi.

N H

indol karbazol puryna

Występowanie

Pięcioczłonowe, heterocykliczne pierścienie znajdują się w wielu związkach naturalnych.

Przykładem mogą być aminokwasy – tryptofan i histydyna , aminy biogenne , np. tryptamina ,

histamina czy skatol , alkaloidy , np. alkaloidy sporyszu (pochodne kwasu lizerginowego ), LSD-

25 (pochodna kwasu lizerginowego ), johimbina , strychnina (układ indolowy), alkaloidy

purynowe ( kofeina i analogi), aminy wchodzące w skład kwasów nukleinowych , np. guanina ,

związki zawierające hem , np. hemoglobina , chlorofil , tiamina ( witamina B 1 ) i wiele innych.

aminokwasy :

CH 2 CHCOOH

NH 2

CH 2 CHCOOH

NH 2

tryptofan

histydyna

aminy biogenne :

CH 2 CH 2

NH 2

CH 3

CH 2 CH 2 NH 2

CH 2 N(CH 3 ) 2

CH 2 CH 2 NH 2

gramina

serotonina

histamina

skatol

tryptamina

Histamina powstaje z histydyny w trakcie dekarboksylacji białek . Należy do hormonów

tkankowych, pojawia się w skórze, płucach i komórkach tucznych. Jest składnikiem wielu

toksyn, np. os, pszczół, niektórych toksycznych ryb. Wywołuje reakcje alergiczne, oraz obniża

ciśnienie krwi. Tego rodzaju objawy wymagają podania leków antyhistaminowych.

Skatol tworzy się z tryptofanu z procesach gnilnych. Występuje w kale. Ma niezwykle

nieprzyjemny zapach. Jego zapach w roztworze wodnym wyczuwalny jest przy stężeniu 10 ppb .

Znajduje się także w aromacie niektórych serów.

Tryptamina należy do produktów degradacji biologicznej tryptofanu , powstaje również ze

strychniny pod wpływem silnych zasad. Jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie.

Znaleziono ją w grzybach, wyższych roślina i u zwierząt. Znajduje się w owocach jadalnych, np.

ananasach, pomarańczach, śliwkach i pomidorach.

Gramina należy do alkaloidów grupy indoliloalkiloamin . Została wyodrębniona ze zbóż (z

jęczmienia). Powstaje w wyniku biodegradacji tryptofanu . Jest toksyczna.

Serotonina jest aminą biogenną szeroko rozpowszechnioną zarówno w roślinach, jak i u

zwierząt. Znajduje się w owocach jadalnych, np. bananach, ananasach, a także w groźnych

toksynach. U saków, w tym u ludzi pełni rolę neuroprzekaźnika działającego w ośrodkowym

układzie nerwowym i układzie pokarmowym, występuje też w trombocytach.

Niektóre czynności związane z odczuwaniem przyjemności, np. jedzenie czekolady wywołują

zwiększone wydzielanie serotoniny . Serotonina bierze aktywny udział w procesie zasypiania - u

zwierząt doświadczalnych blokowanie jej syntezy wywoływało bezsenność. Wpływa na popęd

seksualny, zachowania impulsywne i apetyt. Niektóre narkotyki, w tym opioidy , meskalina i

LSD zwiększają syntezę i uwalnianie serotoniny w mózgu lub ją zastępują w roli

neuroprzekaźnika.

alkaloidy sporyszu LSD-25 i strychnina

COOH

NH CH CH 2 OH

CH 3

CON(Et) 2

CH 3

kwas

lizerginowy

strychnina

ergometryna

LSD-25

alkaloidy purynowe

H 3

CH 3

puryna

kofeina

kwas moczowy

CH 3

hem chlorofil i tiamina

N NH 3

. .

N N

tiamina

tetrapirol

hem

chlorofil a

C 20 H 39 O

COOH

CH 3

Zadanie : wskaż i nazwij heterocykliczne ugrupowania w związkach naturalnych prezentowanych powyżej.

Otrzymywanie

Ogólna metoda tworzenia heterocyklicznych, pięcioczłonowych pierścieni zarówno pirolu ,

furanu , tiofenu , jak i ich analogów polega na ogrzewaniu związków 1,4-dikarbonylowych

odpowiednimi reagentami. Furan i jego homologi powstają pod wpływem odwodnienia, np. za

pomocą P 2 O 5 . Do otrzymania pierścienia pirolowego potrzebny jest amoniak lub jego sole, a

tiofen i jego analogi tworzą się w obecności siarczków fosforu, np. pentasiarczku fosforu –

P 4 S 10 .

związki

1.4-dikarbonylowe

związki

heterocykliczne

∆

R z

O R

Z acetonyloacetonu ( heksa-2,5-dionu ) można w ten sposób otrzymać 2,5-dimetylowe pochodne

pięcioczłonowych heterocykli .

P 2 O 5

(NH 4 ) 2 CO 3

H 3

O CH 3

∆

H 3

O CH 3

100 o C

H 3

CH 3

2,4-dimetylofuran

acetonyloaceton

2,4-dimetylopirol

P 4 S 10

∆

H 3

S CH 3

2,4-dimetylotiofen

Pirol występuje w smole węglowej i z niej jest wyodrębniany. Powstaje także w trakcie pirolizy

produktów naturalnych zawierających białko . Można go otrzymać z furanu w reakcji z

amoniakiem w temp. 400 o C, wobec katalizatora, jakim jest tlenek glinu.

furan

NH 3 . aq

pirol

Al 2 O 3 , 400 o C

Polecaną metodą otrzymywania pirolu jest piroliza galaktaronianu amonu (soli amonowej kwasu

galaktarowego , zwanego inaczej kwasem śluzowym ).

(OH)

CH(OH)

(OH)HC

CH(OH)

∆

pirol

NH 4 OOC

H 4 N

- 2 CO 2 , - NH 3 , - HOH

37%

galaktaronianu amonu

. .

N-metylowane pochodne pirolu powstają w podobnej jak wyżej reakcji z soli metyloamoniowej

kwasu arowego .

C-Alkilowe pochodne pirolu tworzą się w reakcji kondensacji α- aminoketonów ( aldehydów ) ze

związkami karbonylowymi .

homologi

pirolu

- 2 HOH

NH 2

α -aminoketon keton

Furan powstaje w reakcji dekarbonylowania ( eliminacji CO ) furfuralu . Furfural natomiast jest

produktem pirolizy pentoz .

HOC

CHOH

+ H, ∆

∆, kat.

H 2

CHOH

- HOH

CHO

- CO

furan

pentoza

furfural

Z furfuralu można otrzymać kwas furano-2-karboksylowy , z niego w reakcji dekarboksylacji

tworzy się furan .

[O]

∆, kat.

CHO

COOH

- CO 2

furan

furfural kwas furano-2-karboksylowy

Tiofen także występuje w smole węglowej, towarzyszy surowemu benzenowi z uwagi na

zbliżone temperatury wrzenia tych cieczy. Oczyszczenie benzenu poprzez usunięcie tiofenu

wymaga metod opartych na reakcjach chemicznych – podczas sulfonowania tej mieszaniny w

łagodnych warunkach powstaje jedynie kwas tiofenosulfonowy , który jest łatwo usuwalny

poprzez wymycie wodą.

Tiofen jest produktem reakcji 1,3-butadienu z siarką w wysokiej temperaturze.

1,3-butadien

S, 600 o C

tiofen

- H 2 S

Do otrzymywania tiofenu można również wykorzystać etyn .

etyn

S, 300 o C

tiofen

Przemysłowa metoda otrzymywania tiofenu polega ogrzewani u n -butanu z siarką.

n -butan

tiofen

560 o C

Także z kwasu bursztynowego powstaje tiofen .

kwas

bursztynowy

P 4 S 10

tiofen

∆

O OH

Skatol otrzymuje się syntetycznie z fenylohydrazonu propanalu .

CH 2 CH 3

CH 3

∆

fenylohydrazon

propanalu

NH N

- NH 3

skatol

Właściwości fizyczne i fizjologiczne

Pirol , furan i tiofen są bezbarwnymi, hydrofobowymi (trudno rozpuszczalnymi w wodzie)

cieczami, o temperaturach wrzenia odpowiednio: 130 , 31 i 84 o C . Temperatura wrzenia furanu

jest zbliżona do tw. wrzenia eteru dietylowego ( 34,5 o C ). Wysoka tw. pirolu jest rezultatem jego

zdolności do tworzenia wiązań wodorowych, podobnie jak i innych amin 1 o i 2 o ; wrze wyżej niż

dietyloamina ( 56 o C ). Natomiast wyższa tw. tiofenu w porównaniu z furanem wynika z jego

wyższej masy cząsteczkowej (tw. sulfidu dietylowego wynosi 92 o C ).

Wszystkie trzy omawiane związki i ich homologi mieszają się z większością popularnych

rozpuszczalników organicznych.

Pirol pod wpływem światła i powietrza szybko ciemnie. Jest bardzo słabą zasadą, pod wpływem

mocnych kwasów polimeryzuje.

Zapach tiofenu jest słaby, mało charakterystyczny. Zapach furanu jest również słaby, przypomina

chloroform . Charakterystyczny zapach ma pirol . Skatol należy do związków o bardzo

nieprzyjemnym zapachu, jest głównym składnikiem zapachowym kału.

Właściwości chemiczne

Pomimo istnienia układu dwóch sprzężonych podwójnych wiązań w pięcioczłonowych

związkach heterocyklicznych , nie wykazują one charakterystycznych właściwości dla

sprzężonych dienów , tzn. nie polimeryzują i nie wchodzą w reakcję dienofilami . Jedynie pirol w

środowisku mocnych kwasów szybko polimeryzuje, jakby pod ich wpływem tracił jakąś osłonę

zabezpieczającą go przez polimeryzacją. Te nadzwyczajne właściwości heterocykli wynikają z

ich charakteru aromatycznego. Dwa sprzężone wiązania π z wolną parą elektronową na

heteroatomie tworzą sekstet elektronowy. Jest to jak wiadomo warunkiem zaistnienia

aromatyczności. Również drugi warunek reguły Hückla jest spełniony, ponieważ te hetrocykle

są płaskie.

Wolna para elektronowa na heteroatomie tak jak elektrony na atomach węgla sp 2 zajmuje orbital

p , prostopadły do płaszczyzny pierścienia. Jest to możliwe dzięki hybrydyzacji sp 2 heteroatomu.

. .

Rys. 23.1 Aromatyczne sprzężenie elektronów π i wolnej pary elektronowej w pirolu

Podobnie jest w furanie i tiofenie . Druga wolna para elektronów nie przeszkadza w sprzężeniu.

furan

tiofen

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: