Heterociklična jedinjenja. Homociklična (karbociklična) jedinjenja

Transcript

1 eterociklična jedinjenja omociklična (karbociklična) jedinjenja

2 eterociklična jedinjenja sadrže pored C-atoma i druge najčešće,, S poznata heterociklična jedinjenja: ciklični anhidridi, ciklični imidi, laktoni, laktami, ciklični acetali, ciklični etri Primeri anhidrid ftalne k. ftalimid γ-lakton γ-laktam etilen-oksid dioksan

3 Podela nearomatična aromatična earomatična heterociklična jed. ajjednostavnija nomenklatura: Zasićena heterociklična j. (nearomatična) se tretiraju kao derivati odgovarajućih karbocikličnih jedinjenja i koristi se prefiks za označavanje prisustva i vrste heteroatoma: aza za oksa za tia za S Mesto supstituenta je naznačeno numerisanjem atoma u prstenu, polazeći od heteroatoma.

4 Tročlani prstenovi naročito reaktivni usled napona dolazi do nukleofilnog otvaranja prstena S oksaciklopropan azaciklopropan tiaciklopropan (oksiran, etilen-oksid) (aziridin, etilenimin) (tiiran) Četvoročlani prstenovi kao i kod tročlanih prstenova, u reakcijama se obično otvara prsten neophodni su oštriji uslovi C 3 C 2 S 3 C C 3 oksaciklobutan (oksetan) 3-etilazaciklobutan (3-etilazetidin) 2,2-dimetiltiaciklobutan (2,2-dimetiltietan)

5 Peto- i šestočlani prstenovi gotovo bez napona u prstenu relativno su inertni u odnosu na tro- i četvoročlane u odnosu na nukleofilno otvaranje prstena oksaciklopentan (tetrahidrofuran) azaciklopentan (pirolidin) S tiaciklopentan (tetrahidrotiofen) oksacikloheksan (tetrahidropiran) azacikloheksan (piperidin) S tiacikloheksan (tetrahidrotiopiran) Zasićeni petočlani prstenovi Zn 2 /i C 3 C o C 3,4-pirolin pirol pirolidin furan 2, i, 50 o C tetrahidrofuran (TF) BrC 2 C 2 C 2 C 2 Br as S tetrahidrotiofen

6 Aromatična heterociklična jed. S furan pirol tiofen Aromatična heterociklična jed S S pirazol imidazol izoksazol oksazol izotiazol tiazol kod obeležavanja prstena sa više heteroatoma redosled je: pa S pa

7 Aromatična heterociklična jed. piridin pirimidin hinolin karbazol purin Aromatična heterociklična jed. hlorofil a Mg CC 3 3 C S 2 C 3 _ 2 Cl C vitamin B 1 R C S C penicilin C 3 nikotin

8 Petočlana arom. heterociklična jedinjenja S furan pirol tiofen podležu reakcijama EAS energija rezonancije od 90 do 122 kj/mol manja od benzena, a veća od diena aromatična jedinjenja Struktura pirola 1e 1e 1e 2e 1e sp

9 Struktura pirola, furana i tiofena rezonancione strukture _.. _.. _. _ z z z z z rezonancione strukture pirol (Z = ) furan (Z = ) tiofen (Z = S) a heteroatomu je smanjena el. gustina a C-atomima je povecana el. gustina Postoje 4 dipolarne strukture sa razdvojenim šaržama: "" šaržom na heteroatomu i " " šaržom, sukcesivno, na C atomima prstena. Prikazivanje pirola, furana i tiofena ili _ ili _ ili _ S S

10 Dobijanje pirola, furana i tiofena Pirol i tiofen se nalaze u malim količinama u katranu kamenog uglja izdvajanje frakcionom destilacijom Industrijski se tiofen dobija reakcijom butana i sumpora C 3 C 2 C 2 C 3 S, 560 o C S Dobijanje pirola, furana i tiofena C C razb. kis. Ca C 2 C destilacija C C pentoza furfural furan 2 C C 2 C C C C 3 C C 3 C 3 acetonilaceton 2,5-heksandion C C C 3 P 2 S 5 2,5-dimetiltiofen 3 C S C 3 P 2 5 2,5-dimetilfuran C 3 3 C 3 2,5-dimetilpirol 3 C C 3

11 Reakcije pirola, furana i tiofena Baznost i kiselost EAS Baznost i kiselost Pirol je izrazito nebazan u poreñenju sa alifatičnim aminima. Kod pirola je slob. el. par sa uključen u aromatični sekstet, pa je manje dostupan za vezivanje sa protonom manje je bazan. Pirol Pirolidin µ = 1,8 D µ = 1,6 D pk b = 14 pk b = 3

12 Baznost i kiselost Potrebna je veoma jaka kiselina da bi se izvršilo protonovanje pirola do protonovanja dolazi na C2 - - katjon stabilizovan rezonancijom amonijum-jon: bez rezonancione stabilizacije Baznost i kiselost piroli su slabo kiseli uzrok povecanja kiselosti pirola u odnosu na pirolidin: 1 promena hibridizacije (kod pirola sp 2 ; kod pirolidina sp 3 ) 2 anjon stabilizovan rezonancijom sp 3 pk a = 35 (tipicno za amine) pk a = 16,5 sp 2 baza.. _. _ - anjon stabilizovan rezonancijom ARMATICA

13 EAS kod pirola, furana i tiofena Zbog delokalizacije elektrona pirol, furan i tiofen poseduju tipična svojstva aromatičnih jedinjenja: neobična stabilnost sposobnost stupanja u reakcije EAS Furan, pirol, tiofen: Imaju manju rezonancionu energiju od benzena (utrošak energije za razdvajanje naelektrisanja). Prstenovi su manje stabilni od benzena i reaktivniji su u reakcijama EAS po reaktivnosti su slični fenolima i arom. aminima. Reakcije EAS se često izvode u benzenu kao rastvaraču jer on ne podleže reakcijama EAS pod tako blagim uslovima. EAS kod pirola, furana i tiofena Podležu reakcijama nitrovanja halogenovanja sulfonovanja Friedel Crafts-ovog acilovanja Friedel Crafts-ovog alkilovanja kuplovanja

14 EAS kod furana S 3 _ S 3 2-furansulfonska k. (C 3 C) 2 (C 2 5 ) 2 :BF 3 CC 3 boron-trifluorid 2-acetilfuran etarat Br 2 dioksan Br 2-bromfuran EAS kod tiofena S C 6 5 CCl SnCl 4 S CC benzoiltiofen 75 % 2 S 4 C 2 =C(C 3 ) S o C S C(C 3 ) 3 2-terc-butiltiofen C(C 3 ) 3 S 3-terc-butiltiofen

15 EAS kod tiofena 2 S 3 (C 3 C) 2 S 2 (70%) 2-nitrotiofen S (5%) 3-nitrotiofen 2 S 4 S S 3 2-tiofensulfonska k. EAS kod pirola 2 3 (C 3 C) 2 2 (50%) (13%) 2-nitropirol 3-nitropirol (C 3 C) 2 CC 3 2-acetilpirol C 6 5 Cl - C (fenilazo)pirol

16 EAS kod pirola, furana i tiofena Regioselektivnost ili orijentacija ovih reakcija se može objasniti posmatrajući stabilnost katjonskog intermedijera (σ-kompleksa) nastalog napadom elektrofilne čestice (E ) na C2 ili C3 EAS kod pirola, furana i tiofena z E napad na C2 Glavni proizvod reakcije nastaje iz stabilnijeg intermedijera z napad na C3 E stabilniji - brže i lakše nastaje z z E katjonski intermedijer E z katjonski intermedijer E Katjonski intermedijer koji nastaje napadom na C2 je stabilniji: u dve od tri granične rezonancione strukture "" šarža je na 2 alilnom C-atomu. z E

17 EAS kod pirola, furana i tiofena Relativna reaktivnost prema E opada u nizu > > > > S pirol furan tiofen benzen Pirol, furan i tiofen su reaktivniji u odnosu na benzen s obzirom da bolje mogu stabilizovati "" šaržu intermedijarnog katjona heteroatom može da u prsten donira slob. el. par rezonancijom. EAS kod pirola, furana i tiofena Što je intermedijarni karbokatjon jače stabilizovan rezonancijom, heterociklični sistem je reaktivniji! eteroatomi, i S razlikuju se po relativnoj elektronegativnosti (koef. el. negativnosti su = 3,0; = 3,4; S = 2,6) i veličini: PIRL > FURA je elektronegativniji od, lakše otpušta e (i bolje podnosi "" šaržu) je efikasniji od u stabilizaciji karbokatjonskog intermedijera. FURA > TIFE kod S, valentni e su u 3p A.. (veća, difuznija, polarizabilnija od 2p A.. kod C, i ), manje je efikasno preklapanje 3p orbitale sa 2p orbitalom C (nego kod ili ) S je manje efikasan od i u stabilizaciji karbokatjonskog intermedijera.

18 Šestočlana arom. heterociklična jedinjenja - piridin Može se smatrati derivatom benzena: AZABEZE Struktura piridina 1e 1e 1e nesparen par u sp 2 orbitali 1e 1e 1e : nesparen par u sp 2 orbitali : nesparen par u sp 2 orbitali :

19 Struktura piridina Slobodan el. par sa se nalazi u sp 2 hibridnoj orbitali i nalazi se u ravni molekula i nije uključen u tzv. aromatični sekstet. Stoga kod piridina heteroatom ne prouzrokuje povećanje el. gustine na ostatku molekula! Sasvim je suprotno: kako je elektronegativniji od C, on privlači elektrone iz prstena svojim " I" i " R" efektom. Struktura piridina _ rezonancione strukture a je povecana el. gustina a C-atomima je smanjena el. gustina piridin µ = 2,26 D µ = 1,17 D piperidin

20 Dobijanje piridina nalazi se u katranu kamenog uglja zajedno sa metilpiridinima -pikolinima C 3 KMn 4 C pikolin piridinkarboksilna k. (2-, 3-, 4-pikolin) (2-, 3-, 4-) (α-, β-, γ-pikolin) (2-, 3-, 4-metilpiridin) Piridinkarboksilne kiseline C C C pikolinska nikotinska izonikotinska kiselina kiselina kiselina piridin-2-karboksilna k. piridin-3-karboksilna k. piridin-4-karboksilna k. i njen amid=iacin vitamin B 5

21 Dobijanje C C C C C C 3 C 2 C 2 =C-C 3 akrolein 3-metilpiridin β-pikolin Reakcije piridina Baznost EAS AS idrogenovanje

22 Baznost piridina Piridin je slaba baza (pkb = 8,6) ima slob. el. par u sp 2 hibridnoj orbitali pa reguje sa kiselinama Piridin je: znatno slabija baza od alifatičnih amina jača baza od anilina Cl : Cl - piridinijum-hlorid (so rastvorna u vodi) Baznost piridina R 2 R alkilamonijum-jon sp 3 sp 2 pk b = 8,6 pk piridinijum-jon b ~ 4 Zbog veceg s-karaktera sp 2.. elektroni sa su manje dostupni za reakciju sa 2 3 pk b = 9,4 - anilinijum-jon Slob. par sa je delokalizovan preko benzenovog prstena (manje je dostupan za reakciju sa )

23 Baznost piridina Piridin je, poput amina, nukleofilan. Reaguje sa halogenalkanima gradeći amonijum-soli C 3 I : - I C 3 1-metilpiridinijum-jodid (-metilpiridinijum-jodid) EAS i AS Piridin stupa u reakcije elektrofilne i nukleofilne aromatične supstitucije! Kako je piridinovo jezgro relativno el. deficitarno (rezonancione strukture): EAS je jako otežana npr. kao kod nitrobenzena, AS se odigrava lako daleko lakše nego kod benzena

24 EAS itrovanje i sulfonovanje je dodatno otežano s obzirom da se izvode u kiseloj sredini nastaje piridinijumjon još više dezaktiviran prsten RX ili RCX, AlCl 3 K 3 2 S 4 nema reakcije 300 o C S 3, 2 S 4 gs 4, 350 o C 2 3-nitropiridin S 3 3-piridinsulfonska k. Br o C Br Br Br 3-brompiridin 3,5-dibrompiridin EAS Regioselektivnost ili orijentacija EAS se može objasniti posmatrajući stabilnost katjonskog intermedijera (σ-kompleksa) nastalog napadom elektrofilne čestice (E ) na C2, C3 ili C4 napad na C2 E E E E narocito nepovoljno katjonski intermedijer

25 EAS E napad na C3 napad na C4 E E E katjonski intermedijer E E E narocito nepovoljno katjonski intermedijer EAS se odigrava isključivo u položaju 3! Do EAS ne dolazi u položajima 2 i 4 napadom E na C2 i C4 bi nastao jako destabilizovan katjon!!! EAS Za razliku od piridina, piridin--oksid se veoma lako nitruje i to u položaju 4! 2 : : - piridin--oksid 3 2 S 4 ~ 100 o C : : - (90%) p-nitropiridin--oksid

26 EAS C 3 C 2 2 : : - - : : - : :. : : - piridin--oksid C-atomi su obogaćeni elektronima AS Adiciono eliminacioni mehanizam. alogeni u položaju 2 i 4 se naročito lako zamenjuju nukleofilnom česticom poput:, C, 2. 3, o C Br 2 2-brompiridin 2-aminopiridin Cl 2 3, o C 4-hlorpiridin 4-aminopiridin

27 AS Cl C 3 a - C 3, C 3 ; 4-hlorpiridin - acl 4-metoksipiridin Cl Cl 2-hlorpiridin 2-hidroksipiridin AS Cl : Cl Cl.. - Cl narocito povoljno anjonski intermedijer (σ kompleks) - Cl - - Cl

28 2-piridon/2-hidroksipiridin tautomerija 2-idroksipiridin (enolni-oblik) se nalazi u ravnoteži sa svojim tautomerom 2- piridonom (keto-oblik): 2-hidroksipiridin (enol-oblik) 2-piridon (keto-oblik) Chichibabin ova reakcija 1) a 2, tecni 3 2), 2 2 piridin 2-aminopiridin - : anjonski intermedijer (σ kompleks) : - hidridni jon - 2 a 2

29 idrogenovanje piridina 2, Pt, Cl, 25 o C, 3 Bar piperidin pk b = 8,6 pk b = 2,89 oba se koriste kao bazni katalizatori! inolin Ṇ azanaftalen (hinolin) 2

30 Sinteza po Skraupu S 4, FeS Izohinolin

31 EAS na hinolinu i izohinolinu EAS na hinolinu se vrši na benzenovom prstenu (piridin je siromašan elektronima u poreñenju sa benzenom). Preovlañuje supstitucija u susedstvu piridinskog prstena (položaji 5 i 8) analogija sa supstituisanim naftalenom kada je prisutna dezaktivirajuća grupa. itrovanje hinolina i izohinolina 2 2 S 4, S 3, pusljiva o C, 5h 2 35% 43% 5-nitrohinolin 8-nitrohinolin

32 itrovanje hinolina i izohinolina 2 2 S 4, 3 0 o C, 0.5h 2 72% 8% 5-nitroizohinolin 8-nitroizohinolin Diazini šestočlani sistemi sa 2 atoma : : piridazin pirimidin pirazin 1,2-diazin 1,3-diazin 1,4-diazin

33 Purinske i pirimidinske baze 2 guanin (G) purin 2 adenin (A) 2 citozin (C) pirimidin 3 C uracil (U) (kod RK) timin (T) (kod DK) ukleinske kiseline 5' kraj baza P baza _ P _ baza nukleotid P _ Primarna struktura DK 3' kraj Prostorni model B-DK

34 Alkaloidi grupa složenih organskih jedinjenja baznog karaktera (sadrže azot) stvaraju se u biljnom svetu. poseduju izuzetnu farmakološku aktivnost brojne alkaloidne droge se koriste kao lekovi, ali isto tako su uzrok otrovnosti nekih biljaka Alkaloidi kofein teobromin teofilin CC 3 C 3 CC 3 heroin nikotin