Heterocyklické sloučeniny – heterocykly

 

Charakteristika:

• Jsou to cyklické deriváty uhlovodíků, které obsahují tzv. heteroatomy – S, O, N nejčastěji.
• Názvy jsou nejčastěji triviální.
• Podle velikosti heterocyklu a počtu heteroatomů v molekule rozlišujeme:

• pětičetné heterocykly s jedním nebo více heteroatomy (pyrrol)
• šestičetné s jedním nebo více heteroatomy (pyrimidin)
• kondenzované heterocykly s více kondenzačně spojenými heterocykly (indol)

• V přírodě má heterocyklickou povahu např. kofein, heroin
• Získávají se z ropy a černouhelného dehtu.

Výskyt:

• V přírodě jsou běžné – odvozují se od nich např. barviva, nukleové kyseliny, alkaloidy…
• Jsou základem složitých struktur, které jsou součástí rostlinných i živ. organismů

 

Názvosloví:

• Především triviální názvy
• Existují určitá pravidla: číslujeme od heteroatomu

3 – methylpyrrol

 

• V případě že jsou 2 různé heteroatomy, pak záleží na jejich postavení v periodické soustavě prvků – jsou-li to prvky z různých skupin, pak menší číslo má prvek z vyšší skupiny. Jsou-li tam prvky ze stejné skupiny – nižší číslo má prvek s menším protonovým číslem.

->Přednost má: 1. kyslík, 2. síra, 3. dusík

Pětičetné heterocykly

• s 1 heteroatomem                                                            

 

furan                                      pyrrol                                      thiofen

• Na heteroatomech jsou volné elektronové páry – zapojují se do konjugace s π elektrony násobných vazeb -> vzniká delokalizovaný systém elektronů jako má benzen -> podobné chování jako benzen a jsou pro ně typické substituce elektrofilní
• Porovnání aromatického charakteru: x (N) = 3,1Z toho vyplývá, že nejvíce aromatický je thiofen
• x (S) = 2,4 – má tendenci nejvíce poskytovat elektrony
• x (O) = 3,5 – nejméně ochotně zapojuje volné elektrony do systému

 

Elektrofilní substituce:

• Chlorace furanu

 

 

furan                                       2 – chlorfuran                         2,5 – dichlorfuran

 

1. Nitrace pyrrolu – za pomocí nitrační směsi HNO + H

pyrrol                                     2,5 – dinitropyrrol

 

 

• Sulfonace thiofenu     thiofen                   2 – thiofensulfonová kyselina               2,5- thiofendisulfonová kyselina

 

1.  
2.  

 

Reakce adičního charakteru

• nejčastěji probíhá hydrogenace – v přítomnosti katalyzátorů (Pt)
• nejsnadněji probíhá ve sloučenině s nejméně aromatickým charakterem, proto snadno reaguje furan, nejméně ochotně thiofen – adici nepodléhá

 

furan                           tetrahydrofuran

 

pyrrol                          pyrolidin

 

Zástupci

1. Furan – bezbarvá kapalina, získává se z černouhelného dehtu; hydrogenací vzniká tetrahydrofuran – používá se jako rozpouštědlo
2. Pyrrol – zápachem připomíná chloroform, působí toxicky na CNS; odvozujeme od něj např. aminokyselinu prolin 
3.  
4.  

• Pyrrol je stavební jednotkou řady přírodních biologicky významných látek, především tzv. tetrapyrrolových barviv (např. chlorofyl, hemoglobin, myoglobin, bilirubin, urobilin), jejichž základem je porfinové jádro: 

 

•  

• Výroba pyrrolu:

 

furan

• Indol – krystalická látka příjemné vůně, je obsažen ve květech jasmínu a v citrusech -> výroba parfémů, barviv – indiga, je základem aminokyseliny tryptofan

• Thiofen – odvozujeme od něj tetrahydrothiofen – je stavební jednotkou biotinu (vitaminu H)

 

1. Výroba z butanu reakcí se sírou (butan+síra->thiofen+sulfan)

 

• se 2 heteroatomy pyrazol                                   imidazol                      thiazol

 

• deriváty pyrazolu se používají při výrobě léčiv (antipyretika – snižují teplotu
• derivátem imidazolu je aminokyselina histidin, jejíž dekarboxylací vzniká v organismu histamin (rozšiřuje cévy a snižuje krevní tlak, jeho zvýšené vylučování v organismu může vyvolat alergie

histidin                                                           histamin

 

• derivátem thiazolu je: vitamín B = thiamin, od thiazolu odvozujeme také peniciliny

  

Šestičetné heterocykly

• s 1 heteroatomem

 

 

• pyridin – považován za heterocykl, který má nejaromatičtější charakter (je podobný benzenu). Je to zapáchající kapalina v černouhelném dehtu. Organické rozpouštědlo; má zásadité vlastnosti; s kyselinami vytváří soli – pyridinové soli – např.:

pyridinium chlorid

 

Adiční reakce pyridinu:

• hydrogenace

• piperidin je součástí alkaloidů, např. piperin – v pepři, atropin – v durmanu; základem kokainu a chininu – likviduje malárii

 

Substituce nukleofilní

• nitrace

 

• od pyridinu odvozujeme:

• kyselina nikotinová = kys. 3-pyridinkarboxylová = niacin = vitamin PP

 

2. nikotinamid – součást látek NAD (nikotinamidadenindinukleotid), FAD (flavinadenindinukleotid), NADP (nikotinamidadenindinukleotidfosfát); látky které přenáší elektrony

 

 

• nikotin

 

1.  

• chinolin

 

 

Izochinolin

Chinolin a izochinolin jsou přítomny v alkaloidech i léčivech – např. morfin

 

• pyran – může tvořit dva velmi nestálé izomery: 2H-pyran nebo 4H-pyran, od jeho derivátů odvozujeme vitamin E a přírodní barviva – antokyany, tetrahydropyran, který je podstatou cyklických forem sacharidů nazývaných pyranózy

 

•  

                 

2H-pyran        4H-pyran        tetrahydropyran

 

• se 2 heteroatomy

 

1.  

• pyrimidin – odvozujeme od něj dusíkaté báze, které jsou součástí nukleových kyselin – uracil, cytosin, thymin = tzv. pyrimidinové báze a také od něj odvozujeme kyselinu barbiturovou – její soli jsou barbituráty

 

                         

pyrimidin        uracil                           thymin                                    cytosin

Kondenzované heterocykly

• purin – odvozují se od něj dusíkaté báze, které jsou součástí nukleových kyselin – tzv. purinové báze = adenin a guanin; v nukleových kyselinách se na sebe váží purinové báze s pyrimidinovými. Odvozuje se od něj také kyselina močová, což je krystalická bezbarvá látka, vzniká jako konečný produkt metabolismu bílkovin dusíkatých látek u plazů a ptáků (u savců je konečným produktem močovina); při poruchách metabolismu se kyselina močová ukládá na kloubech a vzniká dna – typická pro obézní muže. A v neposlední řadě je derivátem purinu také kofein.

 

                              

adenin                         guanin                                                kys. močová

Alkaloidy

Vlastnosti:

• mají slabě zásaditý charakter

• většinou jsou prudce jedovaté

 

• některé mají v malých množstvích povzbudivý účinek
• mnoho z nich má narkotické účinky a opakované užití může vést k závislosti, jde o návykové látky
• obsahují často pětičlenné (pyrrolové, pyrrolidinové) nebo šestičlenné cykly (piridinový, piperidinový)
• často vykazují fyziologické účinky na živočišné organismy, ovlivňují především činnost nervové soustavy, a proto se využívají často v lékařství (vyrábějí se i synteticky) nebo se zneužívají jako drogy či jedy

Opiové alkaloidy

Jejich směs se získává v surové formě jako opium, což je šťáva z nezralých makovic, z něj se izoluje např.:

• papaverin – se využívá v lékařství jako spasmolytikum (uvolňuje křeče)
• morfin – synonymum: morfium, slouží k tišení velkých bolestí, je návykový, způsobuje zúžení zornic, jeho derivátem je heroin se silnějšími účinky než morfin
• kodein – se používá k tlumení kašle, je návykový 
•  

morfin

 

Tropanové alkaloidy

• kokain – se získává z keře koky, má anestetický účinek, zvyšuje výkon
• atropin – je obsažen v rulíku zlomocném, užívá se k tišení bolesti a v očním lékařství (rozšiřuje zornice)
• skopolamin – podobné účinky jako atropin

 

Námelové alkaloidy

• námel – produkt parazitické houby paličkovice nachové, obsahuje množství alkaloidů, jejichž strukturním základem je kyselina lysergová:
• ergometrin – je amid kyseliny lysergové, používá se pro zastavení krvácení
• ergotamin – dyhydrogenderivát kyseliny lysergové, užívá se při léčbě migrény
• LSD – diethylamid kyseliny lysergové, patří mezi halucinogenní drogy, vyrábí se z lysohlávek

 

kyselina lysergová

 

Mezi alkaloidy patří také např.:

• nikotin – obsažený v listech tabáku, nejrozšířenější návyková droga, má negativní vliv na žaludeční sliznici, krevní oběh a jiné orgány
• kofein – obsažený v kávových bobech a čajových listech; při malých dávkách má stimulační efekt, ve větších dávkách poškozuje cévní systém – zvyšuje krevní tlak, vznik žaludečních vředů
• theobromin – zlepšuje soustředění, paměť; je v kakaových bobech
• chinin – obsažený v kůře chinovníku je velmi hořký, lék proti malárii
• reserpin – získává se z tropických rostlin, používá se v lékařství proti vysokému krevnímu tlaku