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Eterocicli più influenti nel mondo

Eterocicli più influenti nel mondo

Composti eterociclici

Un composto eterociclico, noto anche come struttura ad anello, è fondamentalmente un composto che contiene atomi di due elementi distinti come membri del suo anello / anelli. I composti eterociclici costituiscono probabilmente il numero più vario e più consistente della famiglia di composti organici.

Indipendentemente dalla funzionalità e dalla struttura, ogni composto carbociclico può essere convertito in vari analoghi eterociclici semplicemente sostituendo uno o più atomi di anelli di carbonio con un elemento diverso. Di conseguenza, gli eterocicli hanno offerto una piattaforma per lo scambio di ricerche in varie aree tra cui, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, la chimica farmaceutica, medicinale, analitica e organica dei composti eterociclici.

I principali esempi di composti eterociclici sono la maggior parte dei farmaci, gli acidi nucleici, la maggior parte dei coloranti sintetici e naturali e la maggior parte delle biomasse come la cellulosa e i materiali correlati.

Classificazione

Anche se i composti eterociclici possono essere composti organici o inorganici, la maggior parte ha almeno un carbonio. Questi composti possono essere classificati in base alla loro struttura elettronica. I composti eterociclici saturi si comportano allo stesso modo dei derivati ​​aciclici. Di conseguenza, tetraidrofurano e piperidina sono eteri e ammine convenzionali con profili sterici modificati.

Lo studio della chimica eterociclica, pertanto, si concentra principalmente sui derivati ​​insaturi e le applicazioni coinvolgono cinque anelli non vincolati e anelli a sei membri. Questo include furano, pirrolo, tiofene e piridina. La prossima grande classe di composti eterociclici è fusa con anelli benzenici, che per furano, pirrolo, tiofene e piridina sono rispettivamente benzofurano, indolo, benzotiofene e chinolina. Se due anelli di benzene sono fusi, questo si traduce in un'altra grande famiglia di composti, che sono dibenzofurano, carbazolo, dibenzothiofene e aridina. Gli anelli insaturi possono essere classificati in base alla partecipazione di un eteroatomo nel sistema pi, sistema coniugato.

Preparazione e reazioni

Anelli con 3

Composti eterociclici con tre atomi in un anello sono molto più reattivi per gentile concessione dell'anello. Gli eterocicli contenenti un eteroatomo sono generalmente stabili. Quelli che contengono due eteroatomi si verificano, in generale, come intermedi reattivi.

Gli ossirani, noti anche come epossidi, sono i più comuni eterocicli associati a 3. Gli oxirani vengono preparati facendo reagire i peracidi con alcheni, con buona stereospecificità. Gli ossirani sono più reattivi degli eteri insaturi, grazie al ceppo ad alto angolo dell'anello con 3. Le reazioni di addizione che procedono mediante un'apertura nucleofila ed elettrofila dell'anello rappresentano la classe di reazione più generale.

Una reazione di questo tipo è coinvolta nell'azione farmacologica delle mostarde azotate, che è stato tra i primissimi farmaci antitumorali sviluppati. La chiusura dell'anello intramolecolare come nel caso dell'agente antitumorale, la mechloretamina, forma uno ione intermedio di aziridio. L'agente biologicamente attivo attacca le cellule proliferanti, comprese le cellule cancerose, attraverso l'inibizione della loro replicazione del DNA. Anche le mostarde di azoto sono state utilizzate come agenti antitumorali.

Commercialmente l'aziridina e l'ossirano sono sostanze chimiche industriali alla rinfusa essenziali. Sulla produzione su scala massiva di ossirano, l'etilene viene direttamente reagito con l'ossigeno. La reazione chimica, che è la più caratteristica di questi anelli con 3, è che sono suscettibili all'attacco di reagenti nucleofili per aprire l'anello come mostrato di seguito:

Il più comune tre membri composti eterociclici con un eteroatomo includono:

Saturato insaturi
Thiirane (episulfides) Thiirene
Phosphirane Phosphirene
Epossidi (ossirano, ossido di etilene) Oxirene
aziridina Azirine
Borirane Borirene

I composti eterociclici a tre membri più comuni con due eteroatomi includono Diaziridina come derivato saturo e Diazirina come derivato insaturo nonché Dioxirane e Oxaziridina.

Anelli a quattro membri

I vari metodi di preparazione degli eterocicli degli anelli con 4 sono mostrati nello schema seguente. Il processo di reazione di un ammino, tiolo o 3-alone con una base è in genere efficace ma con rese mediocri. La dimerizzazione e l'eliminazione sono tipiche reazioni collaterali. Altre funzioni possono anche competere nella reazione.

Nel primo esempio, la ciclizzazione di un ossirano compete sempre con la formazione di thietane, ma la nucleofilicità più alta domina soprattutto se si usa una base debole.

Nel secondo esempio, è possibile la formazione sia di azetidina che di aziridina, ma solo quest'ultima è visibile. L'esempio numero quattro mostra che questo approccio alla formazione di azetidina funziona bene se non c'è competizione.

Nel terzo esempio, la configurazione rigida del substrato favorisce la formazione di ossetano e impedisce la ciclizzazione dell'ossirano. Negli esempi 5 e 6, le fotocatetizzazioni Paterno-Buchi sono particolarmente adatte alla formazione di ossetano.

Metodi di preparazione degli eterocicli degli anelli con 4

Reazioni

Reazioni di membri 4 composti eterociclici Dimostrare anche l'influenza sullo sforzo di ring. Il seguente diagramma mostra alcuni esempi. La catalisi dell'acido è una caratteristica tipica di varie reazioni di apertura dell'anello dimostrate negli esempi 1,2 e 3a. Nella reazione 2 di tetane, lo zolfo subisce una clorurazione elettrofila che porta alla formazione di intermedio di clorosolfonio e sostituzione dello ione cloruro con apertura dell'anello. Nella reazione 3b, si osservano anche forti nucleofili per aprire l'etere teso. Le reazioni di clivaggio dei beta-lattoni possono verificarsi sia mediante scambio acilico catalizzato da acido, come osservato in 4a. Può anche avvenire per rottura di alchile-O da nucleofili come in 4b.

Il numero di esempio 6 mostra un interessante fenomeno di riarrangiamento intramolecolare dell'ortoreattore. Reazione 6 mostra la scissione del lattice beta-lattamico della penicillina G che spiega la reazione di acilazione potenziata del sistema ad anello fuso.

Esempi di reazioni di composti eterociclici con componente 4

Il più utile composti eterociclici con anelli con 4 sono presenti due serie di antibiotici, le cefalosporine e le penicilline. Le due serie contengono l'anello azetidinone, noto anche come anello beta-lattamico.
Molti ossetani sono sotto indagine come agenti antivirali, antitumorali, antinfiammatori e antifungini. Gli ossetano, d'altra parte, sono per lo più applicati in agricoltura come battericidi, fungicidi ed erbicidi e nella produzione di polimeri.
Il thietane padre è stato trovato nell'olio di scisto mentre i suoi derivati ​​odoriferi funzionano come marcatori di profumo per le puzzole, i furetti ei visoni europei. I tietani vengono applicati come fungicidi e battericidi nella vernice, come inibitori della corrosione del ferro e nella produzione di polimeri.

Composti di anelli a quattro membri con un singolo eteroatomo

Eteroatomo saturo insaturo

eteroatomo Saturato insaturi
Zolfo tietano azete
Ossigeno -ossetano Oxete
Azoto azetidina azete

Composti di anelli a quattro membri con due eteroatomi

eteroatomo Saturato insaturi
Zolfo Dithietane Dithiete
Ossigeno Dioxetane Dioxete
Azoto Diazetidine Diazete

Anelli con 5 con un singolo eteroatomo

Tiofene, furano e pirrolo sono i composti aromatici principali degli eterocicli degli anelli con 5. Ecco le loro strutture:

I derivati ​​saturi di tiofene, furano e pirrolo sono tiofano, tetraidrofurano e pirrolidina rispettivamente. Composti biciclici fatti di tiofene, furano o anello pirrolico fuso ad un anello benzenico sono noti rispettivamente come benzotiofene, benzofurano, isoindolo (o indolo).
Il pirrolo eterociclo dell'azoto si presenta tipicamente nell'olio osseo che si forma dalla decomposizione delle proteine ​​attraverso un forte riscaldamento. Gli anelli pirrolici si trovano negli amminoacidi come idrossiprolina e prolina che sono componenti di varie proteine ​​presenti in alte concentrazioni nelle proteine ​​strutturali di legamenti, tendini, pelle, ossa e collagene.
Derivati ​​pirrolici si trovano negli alcaloidi. La nicotina è il pirrolo più comunemente conosciuto che contiene alcaloide. L'emoglobina, la mioglobina, la vitamina B12 e le clorofille sono tutte formate unendo quattro unità pirroliche in un grande sistema ad anello chiamato porfirina, come quello della clorofilla B illustrato di seguito.

I pigmenti biliari si formano attraverso la decomposizione dell'anello di porfirina e hanno una catena di anelli pirrolici 4.
Preparazione di eterocicli anulari con 5
La preparazione industriale del furano procede come mostrato di seguito per via dell'aldeide, furfurolo, che viene generato dal pentoso che contiene materie prime come pannocchie di granturco. Preparazioni simili di tiofene e pirrolo sono mostrate nella seconda fila di equazioni.
La terza riga dell'equazione mostra la preparazione generale di tiofeni, pirroli, furani sostituiti dai composti 1,4-dicarbonilici. Sono state avviate molte altre reazioni che portano alla formazione di eterocicli sostituiti di questo tipo. Due di queste procedure sono state mostrate nella seconda e terza reazione. Furan è ridotto dall'idrogenazione catalizzata da palladio a tetraidrofurano. Questo etere ciclico è un solvente prezioso che non può essere convertito solo in 4-aloalchilsolfonati ma anche 1,4-dihalobutani che possono essere utilizzati per preparare tiolano e pirrolidina.

Composti di anelli a cinque membri con un singolo eteroatomo

eteroatomo insaturi Saturato
Antimonio Stibole Stibolane
Arsenico arsolo Arsolane
bismuto Bismole Bismolane
Boro Borole Borolane
Azoto pirrolo pyrrolidine
Ossigeno Furan tetraidrofurano

Anelli con 5 con eteroatomi 2

I composti ad anello a cinque membri contenenti eteroatomi 2 e almeno uno degli eteroatomi è azoto, sono noti come azoli. Gli isotiazoli e i tiazoli hanno un atomo di azoto e zolfo nell'anello. I composti con due atomi di zolfo sono noti come Ditiolani.

eteroatomo Insaturo (e parzialmente insaturo) Saturato
Azoto

/azoto

Pirazolo (pirazolina)

Imidazolo (imidazolina)

pirazolidina

imidazolidine

Azoto / ossigeno isossazolo

Oxazoline (ossazolo)

Isoxazolidine

ossazolidina

Azoto / zolfo isotiazolo

Thiazoline (Thiazole)

Isothiazolidine

tiazolidina

Ossigeno / ossigeno diossolano
Zolfo / zolfo Dithiolane

Alcuni pirazoli si presentano naturalmente. I composti di questa classe vengono preparati facendo reagire 1,3-dichetoni con idrazine. La maggior parte dei composti pirazolici sintetici sono usati come medicine e coloranti. Includono l'amminopirina analgesica che riduce la febbre, il fenibutazone utilizzato nel trattamento dell'artrite, la tintura della fibra e la colorazione gialla del colorante alimentare, e la maggior parte dei coloranti utilizzati nella fotografia a colori come agenti sensibilizzanti.

Anelli con 5 con eteroatomi 3

Esiste anche un ampio gruppo di composti ad anello a cinque membri con almeno eteroatomi 3. Un esempio di tali composti è dithiazoles che contengono un atomo di azoto e due zolfo.

Anelli con 6 con eteroatomo 1

La nomenclatura utilizzata nei composti ad anello con membro 6 contenenti azoto monociclici è qui di seguito. Sono mostrate le posizioni sull'anello per piridina, i numeri arabi sono più preferiti alle lettere greche, anche se entrambi i sistemi sono usati. I piridoni sono composti aromatici per gentile concessione di contributi all'ibrido di risonanza da forme di risonanza caricate come dimostrato per 4-piridone.

Due principali coenzimi coinvolti in varie reazioni metaboliche cruciali nelle cellule, NAD (noto anche come coenzima1) e NADP (noto anche come cenalima II), sono derivati ​​dalla nicotinamide.
La maggior parte degli alcaloidi contiene una struttura ad anelli piperidina o piridina, tra cui la piperina (che costituisce uno dei contenuti di sapore forte del pepe bianco e nero) e la nicotina. Le loro strutture sono mostrate sotto.

La piridina che una volta era estratta dal catrame di carbone ma ora è preparata cataliticamente dall'ammoniaca e l'alcool tetraidrofurfurilico è un intermedio cruciale e solvente usato per fabbricare altri composti. Le vinilpiridine sono componenti fondamentali della plastica di monomero e la piperidina completamente satura, la piridina è utilizzata come materia prima chimica e lavorazione della gomma.

Piridine farmaceuticamente utili

Le piridine farmaceuticamente utili includono l'idrazide dell'acido isonicotinico (tuberculostat isoniazide), il farmaco anti-AIDS noto come nevirapina, nicorandil-avasodilator utilizzato per controllare l'angina, la fenazopiridina, l'analgesico del tratto urinario e il farmaco antinfiammatorio sulfa. Diflufenican, clopyralid, paraquat e diquat sono derivati ​​popolari della piridina che sono usati come diserbanti.

Anelli con 6 con 2 o più eteroatomi

Gli eterocicli ad anello monociclico 3 a sei membri con eteroatomi di azoto 2 (diazines) sono numerati e denominati come mostrato di seguito.

L'idrazide maleica è un derivato della piridazina usato come erbicida. Alcune pirazine come l'acido aspergillico si presentano naturalmente. Qui ci sono le strutture dei composti di cui sopra:

L'anello pirazinico è un componente di vari composti policiclici di importanza industriale e biologica. Membri importanti della famiglia pirazina sono fenazine, alloxazine e pteridine. Farmacologicamente e biologicamente, le diazine più importanti sono le pirimidine. Citosina, timina e uracile sono le 3 delle basi nucleotidiche 5 che costituiscono il codice genetico in RNA e DNA. Di seguito sono le loro strutture:

La vitamina tiamina ha un anello pirimidinico e oltre ai barbiturici sintetici incluso l'amobarbital sono farmaci comunemente usati. La morfolina (madre tetraidro-1,4-ossazina) viene prodotta su larga scala per l'uso come fungicida, inibitore di corrosione e solvente. L'anello di morfolina si trova anche nel trimetozine sedativo-ipnotico della droga e alcuni fungicidi come il fenpropimorfo e il tridemorfo. Ecco la formula strutturale per la morfolina:

Anelli con 7

All'aumentare della dimensione dell'anello, la varietà dei composti che possono essere ottenuti variando la posizione, il tipo e il numero di eteroatomi aumenta enormemente. Tuttavia, la chimica degli eterocicli con anelli con 7 o più è meno sviluppata di quella dei composti eterociclici dell'anello 6 e 5.
Gli anelli di Oxepine e Azepine sono costituenti cruciali di vari prodotti metabolici naturali di organismi marini e alcaloidi. Il derivato dell'azepina noto come caprolattame viene commercialmente prodotto sfuso per la produzione di nylon-6 come intermedio e nella produzione di pelle sintetica, rivestimenti e pellicole.
Composti eterociclici con componente 7 con due o un atomo di azoto nel loro anello sono unità strutturali di psicofarmaci largamente usati Prazepine (antidepressivo triciclico) e tranquillante diazepam noto anche come valium.

Anelli con 8

Esempi di composti eterociclici in questa classe includono azocano, oxocano e tiocano con azoto, ossigeno e zolfo essendo i rispettivi eteroatomi. I loro rispettivi derivati ​​insaturi sono rispettivamente azocina, oxocina e tiocina.

Anelli con 9

Esempi di composti eterociclici in questa classe includono azonano, ossonano e tionano con azoto, ossigeno e zolfo essendo i rispettivi eteroatomi. I loro rispettivi derivati ​​insaturi sono rispettivamente l'azonina, l'ossonina e la tionina.

Usi di composti eterociclici

Gli eterocicli sono utili in diverse aree delle scienze della vita e della tecnologia. Come abbiamo già visto nella nostra discussione, molti farmaci sono composti eterociclici.

Referenze

Libro d'oro IUPAC, composti eterociclici. link:

WH Powell: Revisione del sistema esteso di nomenclatura Hantzsch-Widman per gli eteromonocicli, nel: Appl puro Chem.1983, 55, 409-416;

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

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