Blog

Heterocycles có ảnh hưởng nhất trên thế giới

Heterocycles có ảnh hưởng nhất trên thế giới

Các hợp chất dị vòng

Một hợp chất dị vòng, còn được gọi là một cấu trúc vòng về cơ bản là một hợp chất có chứa các nguyên tử của hai yếu tố riêng biệt như các thành viên của vòng / vòng của nó. Các hợp chất dị vòng có thể tạo thành số lượng đa dạng và đáng kể nhất trong gia đình các hợp chất hữu cơ.

Bất kể chức năng và cấu trúc, mọi hợp chất cacbocyclic có thể được chuyển đổi thành các chất tương tự dị vòng khác nhau bằng cách thay thế một hay nhiều nguyên tử vòng cacbon với một nguyên tố khác. Kết quả là, heterocycles đã cung cấp một nền tảng cho việc trao đổi nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau bao gồm nhưng không giới hạn trong hóa học dược phẩm, dược phẩm, phân tích và hữu cơ của các hợp chất dị vòng.

Các ví dụ chính của các hợp chất dị vòng là hầu hết các loại thuốc, axit nucleic, phần lớn các thuốc nhuộm tổng hợp và tự nhiên, và phần lớn sinh khối như cellulose và các vật liệu liên quan.

phân loại

Mặc dù các hợp chất dị vòng có thể là các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ, hầu hết có ít nhất một carbon. Các hợp chất này có thể được phân loại theo cấu trúc điện tử của chúng. Các hợp chất dị vòng được bão hòa hoạt động theo cách tương tự như các dẫn xuất tuần hoàn. Kết quả là, tetrahydrofuran và piperidine là các ete thông thường và các amin với các cấu hình steric đã được sửa đổi.

Nghiên cứu về hóa học dị vòng, do đó, tập trung chủ yếu vào các dẫn xuất và ứng dụng không bão hòa liên quan đến vòng năm không bị giới hạn cũng như sáu thành viên. Điều này bao gồm furan, pyrrole, thiophene và pyridine. Loại hợp chất dị vòng lớn tiếp theo được hợp nhất thành các vòng benzen, trong đó furan, pyrrole, thiophene và pyridine là benzofuran, indole, benzothiophene và quinoline. Nếu hai vòng benzen được hợp nhất, điều này dẫn đến một nhóm hợp chất lớn khác, đó là dibenzofuran, carbazole, dibenzothiophene và aridine. Các vòng không bão hòa có thể được phân loại dựa trên sự tham gia của một dị heteroatom trong hệ pi, hệ liên hợp.

Chuẩn bị và phản ứng

Nhẫn thành viên 3

Các hợp chất dị vòng với ba nguyên tử trong một vòng là cách phản ứng lịch sự hơn của biến dạng vòng. Heterocycles có chứa một heteroatom nói chung là ổn định. Những cái có chứa hai dị thể xảy ra, nói chung là trung gian phản ứng.

Oxiranes, còn được gọi là epoxit là các dị vòng được thành lập 3 phổ biến nhất. Oxiranes được điều chế bằng cách phản ứng các peracid với các alken, với tính ổn định lập thể tốt. Oxiranes có nhiều phản ứng hơn các ete không bão hòa do sự căng thẳng góc cao của vòng thành viên 3. Các phản ứng phụ do tiến trình mở vòng của hạt nhân và electrophilic của vòng là lớp phản ứng chung nhất.

Một phản ứng thuộc loại này liên quan đến hành động dược lý của những người mù tạc mà là một trong những loại thuốc chống ung thư đầu tiên được phát triển. Đóng vòng phân tử như trong trường hợp tác nhân chống ung thư mechlorethamine tạo thành một ion aziridium trung gian. Các tác nhân hoạt hóa sinh học được hình thành tấn công các tế bào tăng sinh bao gồm các tế bào ung thư thông qua sự ức chế sự sao chép DNA của chúng. Nitơ mustards cũng đã được sử dụng như các tác nhân chống ung thư.

Aziridine và oxirane thương mại là các hóa chất công nghiệp hàng loạt thiết yếu. Về sản xuất oxirane quy mô lớn, ethylene được phản ứng trực tiếp với oxy. Phản ứng hóa học, đó là đặc tính nhất của các vòng thành viên 3 này, là chúng dễ bị tấn công bởi các thuốc thử nucleophilic để mở vòng như hình dưới đây:

Ba thành viên phổ biến nhất -hợp chất dị vòng với một heteroatom bao gồm:

Bão hòa Không bão hòa
Thiirane (episulfides) Thiirene
Phosphirane Phosphirene
Epoxit (oxit, oxit etylen) Oxirene
Aziridine Azirine
Borirane Borirene

Các hợp chất dị vòng ba thành phần phổ biến nhất với hai dị thể bao gồm Diaziridine như một dẫn xuất bão hòa và Diazirine như một dẫn xuất không bão hòa cũng như Dioxirane và Oxaziridine.

Nhẫn bốn thành viên

Các phương pháp khác nhau của việc chuẩn bị chu trình vòng của các thành viên 4 được trình bày trong sơ đồ dưới đây. Quá trình phản ứng một amin, thiol hoặc 3-quầng với một cơ sở thường có hiệu quả nhưng với sản lượng tầm thường. Dimerization và loại bỏ là phản ứng phụ điển hình. Các chức năng khác cũng có thể cạnh tranh trong phản ứng.

Trong ví dụ đầu tiên, việc chu kỳ hóa với một oxirane luôn cạnh tranh với sự hình thành của thietan, nhưng tính đa nhân cao hơn chiếm ưu thế đặc biệt nếu người ta sử dụng một cơ sở yếu.

Trong ví dụ thứ hai, sự hình thành của cả hai azetidine và aziridine là có thể, nhưng chỉ có thể thấy được sau này. Ví dụ số 4 cho thấy phương pháp này để hình thành các chức năng azetidine tốt nếu không có sự cạnh tranh.

Trong ví dụ thứ ba, cấu hình cứng nhắc của chất nền tạo thuận lợi cho sự hình thành oxetane và ngăn ngừa sự oxi hóa của oxirane. Trong các ví dụ 5 và 6, việc tái tạo Paterno-Buchi đặc biệt phù hợp với sự hình thành oxetane.

Phương pháp chuẩn bị vòng đệm thành viên 4

Phản ứng

Phản ứng của 4-membered -hợp chất dị vòng cũng chứng minh ảnh hưởng của biến dạng vòng. Sơ đồ sau đây cho thấy một số ví dụ. Acid-xúc tác là một tính năng tiêu biểu của các phản ứng mở vòng khác nhau được trình bày trong các ví dụ 1,2 và 3a. Trong phản ứng 2 của thietan, lưu huỳnh trải qua quá trình clo hóa điện dẫn đến sự hình thành của chlorosulfonium trung gian và thay thế ion clorua mở vòng. Trong phản ứng 3b, các nucleophile mạnh cũng được nhìn thấy để mở ether căng thẳng. Phản ứng phân tách beta-lactones có thể xảy ra do trao đổi acyl axit xúc tác như trong 4a. Nó cũng có thể xảy ra do vỡ alkyl-O bởi các nucleophiles như trong 4b.

Số ví dụ 6 cho thấy một hiện tượng thú vị về sắp xếp lại phân tử của ortho-ester. Phản ứng 6 cho thấy sự phân tách beta-lactam của penicillin G, giải thích phản ứng acyl hóa tăng cường của hệ thống vòng hợp nhất.

Ví dụ về phản ứng của các hợp chất dị vòng có thành phần 4

Hữu ích nhất -hợp chất dị vòng với các vòng thành viên của 4 là hai loại thuốc kháng sinh, cephalosporin và penicilin. Hai dòng này chứa vòng azetidinone còn được gọi là vòng beta-lactam.
Nhiều oxetanes đang được điều tra như thuốc kháng vi-rút, thuốc chống ung thư, chống viêm và thuốc kháng nấm. Oxetanones, mặt khác, chủ yếu được áp dụng trong nông nghiệp như thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm và thuốc diệt cỏ và trong sản xuất polymer.
Thietane mẹ được tìm thấy trong dầu đá phiến trong khi các dẫn xuất có mùi thơm của nó hoạt động như các dấu hiệu mùi hương cho các chính trị châu Âu, chồn và thợ mỏ. Thiết bị được áp dụng như thuốc diệt nấm và thuốc diệt khuẩn trong sơn, như chất ức chế ăn mòn sắt, và trong sản xuất polyme.

Nhẫn bốn thành viên kết hợp với một dị vòng đơn

Heteroatom bão hòa không bão hòa

Heteroatom Bão hòa Không bão hòa
Lưu huỳnh Thietane Azete
Ôxy Oxetane Oxete
nitơ Azetidine Azete

Nhẫn bốn thành viên hợp chất với hai dị thể

Heteroatom Bão hòa Không bão hòa
Lưu huỳnh Dithietane Dithiete
Ôxy Dioxetane Dioxete
nitơ Diazetidine Diazete

Nhẫn thành viên 5 với một dị vòng đơn

Thiophene, furan, và pyrrole là các hợp chất thơm của cha mẹ của các vòng kim loại. Đây là cấu trúc của chúng:

Các dẫn xuất bão hòa của thiophene, furan, và pyrrole là thiophane, tetrahydrofuran và pyrrolidine tương ứng. Hợp chất bicyclic làm bằng thiophene, furan, hoặc vòng pyrrole hợp nhất với một vòng benzen được gọi là benzothiophene, benzofuran, isoindole (hoặc indole) tương ứng.
Nitro heterocycle pyrrole thường xảy ra trong dầu xương được hình thành bởi sự phân hủy của protein thông qua việc làm nóng mạnh. Các vòng pyrrole được tìm thấy trong các axit amin như hydroxyproline và proline là thành phần của các protein khác nhau có hàm lượng cao trong cấu trúc protein của dây chằng, gân, da, xương và collagen.
Pyrrole dẫn xuất được tìm thấy trong các alkaloids. Nicotin là loại pyrrole thông dụng nhất có chứa alkaloid. Hemoglobin, myoglobin, Vitamin B12, và chất diệp lục, tất cả đều được hình thành bằng cách ghép bốn đơn vị pyrrole vào một hệ thống vòng lớn gọi là porphyrin, giống như chất diệp lục B được trình bày dưới đây.

Các sắc tố mật được hình thành thông qua sự phân hủy của vòng porphyrine và có một chuỗi các vòng pyrrole 4.
Chuẩn bị chu kỳ vòng của thành viên 5
Chuẩn bị công nghiệp của furan tiền thu được như hình dưới đây bằng cách của aldehyd, furfural, được tạo ra từ pentose có chứa nguyên liệu thô như corncobs. Các chế phẩm tương tự của thiophene và pyrrole được thể hiện trong hàng thứ hai của phương trình.
Hàng thứ ba của phương trình một minh họa sự chuẩn bị chung của thiophenes thay thế, pyrroles, furan từ hợp chất 1,4-dicarbonyl. Nhiều phản ứng khác dẫn đến sự hình thành các dị vòng thay thế loại này đã được bắt đầu. Hai trong số các thủ tục này đã được thể hiện trong phản ứng thứ hai và thứ ba. Furan được giảm bằng hydro hóa palladium xúc tác thành tetrahydrofuran. Cyclic ether này là một dung môi có giá trị mà không chỉ có thể được chuyển đổi thành 4-haloalkylsulfonates mà còn 1,4-dihalobutanes có thể được sử dụng để chuẩn bị thiolane và pyrrolidine.

Vòng 5 thành viên kết hợp với một dị vòng đơn

Heteroatom Không bão hòa Bão hòa
antimon Stibole Stibolane
Asen Arsole Arsolane
thanh diên Bismole Bismolane
Boron Borole Borolane
nitơ Pyrrole Pyrrolidine
Ôxy Furan Tetrahydrofuran

Nhẫn thành viên 5 với kim loại giả 2

Các hợp chất vòng năm thành viên có chứa dị thường 2 và ít nhất một trong các dị tố là Nitơ, được gọi là azoles. Isothiazoles và thiazoles có một nguyên tử nitơ và lưu huỳnh trong vòng. Các hợp chất với hai nguyên tử lưu huỳnh được gọi là Dithiolanes.

Heteroatom Không bão hòa (và không bão hòa một phần) Bão hòa
nitơ

/ nitơ

Pyrazole (Pyrazoline)

Imidazole (Imidazoline)

Pyrazolidine

Imidazolidine

Nitơ / oxy Isoxazole

Oxazoline (oxazole)

Isoxazolidine

oxazolidine

Nitơ / lưu huỳnh Isothiazole

Thiazoline (Thiazole)

Isothiazolidine

Thiazolidine

Oxy / oxy Dioxolane
Lưu huỳnh / lưu huỳnh Dithiolane

Một số pyrazol xuất hiện tự nhiên. Các hợp chất của lớp này được chuẩn bị bằng cách phản ứng với 1,3-diketones với hydrazin. Hầu hết các hợp chất pyrazole tổng hợp được sử dụng làm thuốc và thuốc nhuộm. Chúng bao gồm aminopyrine giảm đau giảm sốt, phenybutazone được sử dụng trong điều trị viêm khớp, thuốc nhuộm sợi và tartrazine màu thực phẩm màu vàng, và phần lớn thuốc nhuộm được sử dụng trong chụp ảnh màu làm chất nhạy cảm.

Nhẫn thành viên 5 với kim loại giả 3

Ngoài ra còn có một nhóm lớn các hợp chất vòng năm thành viên với ít nhất 3 heteroatoms. Một ví dụ về các hợp chất như vậy là dithiazoles chứa một nguyên tử nitơ và hai lưu huỳnh.

Nhẫn thành viên 6 với hệ thống phân tử 1

Danh pháp được sử dụng trong các hợp chất vòng chứa thành phần có chứa 6 chứa nitơ đơn là dưới đây. Vị trí trên vòng cho pyridin được hiển thị, chữ số Ả Rập được ưa thích hơn cho chữ cái Hy Lạp, mặc dù cả hai hệ thống được sử dụng. Pyridones là các hợp chất thơm có nguồn gốc từ sự đóng góp cho cộng hưởng lai từ các hình thức cộng hưởng được tính như đã chứng minh cho 4-pyridone.

Hai coenzym chính tham gia vào các phản ứng trao đổi chất quan trọng khác nhau trong tế bào, NAD (còn gọi là coenzyme1) và NADP (còn được gọi là coenyme II), có nguồn gốc từ nicotinamide.
Phần lớn các ancaloit chứa cấu trúc vòng piperidin hoặc pyridin, trong số đó có piperine (cấu thành một trong những nội dung có độ sắc nét của tiêu đen và trắng) và nicotin. Cấu trúc của chúng được hiển thị bên dưới.

Pyridine đã từng được chiết xuất từ ​​than hắc ín nhưng hiện nay được chuẩn bị xúc tác từ amoniac và rượu tetrahydrofurfuryl là một chất trung gian và dung môi quan trọng được sử dụng để sản xuất các hợp chất khác. Vinylpyridines là các khối xây dựng monome quan trọng của chất dẻo, và piperidine bão hòa hoàn toàn, pyridin được sử dụng làm nguyên liệu hóa chất và chế biến cao su.

Pyridin hữu dụng dược phẩm

Pyridin hữu ích trong dược phẩm bao gồm hydrazide axit isonicotinic (tuberculostat isoniazid), thuốc chống virus được gọi là nevirapine, nicorandil - avasodilator dùng để kiểm soát đau thắt ngực, phenazopyridine - thuốc giảm đau đường tiết niệu cũng như thuốc chống viêm nhiễm sulfa. Diflufenican, clopyralid, paraquat và diquat là các dẫn xuất pyridin phổ biến được sử dụng làm chất diệt cỏ.

Nhẫn thành viên 6 với 2 hoặc nhiều loại dị thể

Chu trình vòng sáu vòng đơn chủng 3 sáu vòng với các phân tử nitơ 2 (diazines) được đánh số và đặt tên như hình dưới đây.

Hydrazide maleic là dẫn chất pyridazin được sử dụng làm chất diệt cỏ. Một số pyrazin như axit aspergillic xuất hiện tự nhiên. Dưới đây là các cấu trúc của các hợp chất nói trên:

Pyrazin ring là một thành phần của các hợp chất đa vòng có tầm quan trọng công nghiệp và sinh học. Các thành viên quan trọng trong gia đình pyrazine là tạp chí, tạp chí và pteridines. Về mặt dược lý và sinh học, diazines quan trọng nhất là pyrimidin. Cytosine, thymine và uracil là 3 của các cơ sở nucleotide 5 cấu thành mã di truyền trong RNA và DNA. Dưới đây là cấu trúc của chúng:

Vitamin thiamin có một vòng pyrimidin và ngoài các thuốc an thần tổng hợp bao gồm amobarbital là các loại thuốc thường được sử dụng. Morpholine (cha mẹ tetrahydro-1,4-oxazine) được sản xuất trên quy mô lớn để sử dụng như một loại thuốc diệt nấm, chất ức chế ăn mòn, và một dung môi. Vòng Morpholine cũng được tìm thấy trong thuốc trimetozine thuốc an thần thôi miên và một số thuốc diệt nấm như fenpropimorph và tridemorph. Đây là công thức cấu trúc cho morpholine:

Nhẫn thành viên 7

Khi kích thước vòng tăng, sự đa dạng của các hợp chất có thể thu được bằng cách thay đổi vị trí, loại và số lượng dị thể tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, hóa học của heterocycles với nhẫn 7-thành viên hoặc nhiều hơn là kém phát triển hơn so với các hợp chất vòng dị phân và 6 thành viên.
Vòng Oxepine và Azepine là thành phần quan trọng của các sản phẩm chuyển hóa tự nhiên khác nhau của sinh vật biển và alkaloids. Các dẫn xuất azepine được gọi là caprolactam được sản xuất thương mại với số lượng lớn để sử dụng trong sản xuất nylon-6 như một trung gian và trong sản xuất da tổng hợp, lớp phủ và màng.
Các hợp chất dị vòng của 7 với hai hoặc một nguyên tử nitơ trong vòng của chúng là các đơn vị cấu trúc của các dược phẩm tâm thần được sử dụng rộng rãi Prazepine (thuốc chống trầm cảm ba vòng) và diazepam thuốc an thần còn được gọi là valium.

Nhẫn thành viên 8

Ví dụ về các hợp chất dị vòng trong lớp này bao gồm azocane, oxocane và thiocane với nitơ, oxy và lưu huỳnh là các dị thể tương ứng. Các dẫn xuất chưa bão hòa tương ứng của chúng tương ứng là azocine, oxocine và thiocine.

Nhẫn thành viên 9

Ví dụ về các hợp chất dị vòng trong lớp này bao gồm azonane, oxonane và thionan với nitơ, oxy và lưu huỳnh là các dị thể tương ứng. Các dẫn xuất chưa bão hòa tương ứng của chúng tương ứng là azonine, oxonine và thionine.

Sử dụng các hợp chất dị vòng

Heterocycles hữu ích trong một số lĩnh vực khoa học và công nghệ đời sống. Như chúng ta đã thấy trong cuộc thảo luận của chúng tôi, nhiều loại thuốc là các hợp chất dị vòng.

dự án

Sách vàng IUPAC, các hợp chất dị vòng. Liên kết:

WH Powell: Sửa đổi Hệ thống Danh mục Hantzsch-Widman mở rộng cho Heteromonocycles, trong: Pure Appl. Chem.1983, 55, 409 – 416;

A. Hantzsch, JH Weber: Ueber Verbindungen des Thiazols (Pyridins der Thiophenreihe), trong: Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1887, 20, 3118-3132

O. Widman: Zur Nomenclatur der Verbindungen, welche Stickstoffkerne enthalten, trong: J. Prakt. Chem. 1888, 38, 185 – 201;