heterocyclische verbindungen
TRANSCRIPT
Heterocyclische Verbindungen
2
HETEROCYCLISCHE VERBINDUNGEN
Nach der Art und Anzahlder Heteroatome
O, S, N
Ringgröße3-, 4-, 5-, 6-, 7-Ringe
Nomenklatur: Trivalnamen
N O N
Pyridin Furan Isochinolin
Einteilung
3
X
R
1
2
34
5
6X
R
α
βγ
α'
β'
N CH3
Nomenklatur
S
O1
2
3
4
5
6
O S N1 2 3 N
N
H1
3
Numerierung: beginnt stets am Heteroatom,weitere Heteroatome müssen am möglichstniedrigste Nummern bekommen
O 1
3
2
4
5Oa
bc
d
O
Benzo[2,3]furanBenzo[b]furan
- Prefix bezeichnet den aromatischen Ring- Bindung der Anellierung- Name des Heteroringes
Benzoanellierte heterocyclische Verbindungen
4
AzepanAzepinThiepanThiepinOxepanOxepin7
AzinanAzinThianTthiinOxanOxin6AzolidinAzolThiolanThiolOxolanOxol5AzetidinAzetThietanThietOxetanOxet4AziridinAzirinThiiranThiirenOxiranOxiren3
gesättigtungesättigt
gesättigtungesättigt
gesättigtungesättigt
NSORinggröße
Systematische Namen nach der IUPAC Nomenklatur
5
Allgemeine Eigenschaften der Heterocyclen
Aromatischer Charakter
Fünfringe
Furan Thiophen Pyrrol
NO SH
- planare Molekülstruktur- reaktive Verbindungen in electrophilen Substitutionen
Eigenschaft von Aromaten
6
NO SH
NO SH
Einsames Elektronenpaar des Heteroatoms ist am delokalisierten π-System beteiligt
Kriterien der Aromatizität: - Anzahl der π-Elektronen: 4n+2- kontinuierliche Delokalisierung- planare Ringstruktur
Verteilung der π-Elektronen- Deformierung des π-Elektronesextetts- π-elektronenreiche Heterocyclen NO S
H+0,10
-0,03
-0,02-0,02
-0,03
+0,20
-0,06
-0,04
-0,06
-0,04
+0,24
-0,07
-0,05 -0,05
-0,07
Elektronenstruktur
Fünfrnge
7
- Das einsame Elektronenpaar ist am π-Elektronensextett nicht beteiligt.- kontinuieliche Delokaliserung von 6 p-Orbitalen- π-elektronenarme Heteroaromaten
Sechsringe
Pyridin- schwache Base- geringe Reaktivitätin SE-Reaktionen
N N-0,39
+0,13 +0,13
+0,13
O O
α-Pyran γ-Pyran4H-Pyran Pyrilium-Kation
O R
R
R
X
Elektronenstruktur
8
Gesättigte Heterocyclen:Heteroalkane- chemische Eigenschaften sindgleich wie bei den offenkettigenAnaloga
N NH H
H2
PyrrolPyrrolidin
starke Base, sekundäres Amin
O O
H2
Furan Tetrahydrofurancyclisches Ether
H2
N NH
Pyridin Piperidinstarke Base, sekundäres Amin
Heteroalkene
HN
2 5 2,5-Dihydropyrrol
Heteroalkene und Heteroalkane
9
FÜNFRINGE
Fünfgliedrige Heterocyclen mit einem Heteroatom
Säuerstoff: Furan-Gruppe
O O
FuranSdp.: 32 oC
Tetrahydrofuran Sdp.: 66 oCcyclisches Ether
H2/Kat.
Thiolanalog (-SH):Aromastoff im Röstkaffee
O CHOO COOH
FurfuralSdp.: 162 oC
Furan-2-carbonsaure
O CH2OH
Red. Ox.
Furfurylalkohol
10
Muscarin: Vorkommen: in giftigenPilzen (z.B. Fliegenpilz)
O CH3
OH
CH2N
H3C
H3C
H3C
Cl
Benzofurane:
O
Coumaron
Griseofulvin
OCH3
O
OCH3
Cl
CH3O O
O
CH3
antimycotische Wirkung
FÜNFRINGE
11
Thiophen
S SO2OH S S
H2SO4 H2
ThiophenSdp.: 84oC
TetrahydrothiophenSdp.: 121 oC
PyrrolidinpKB = 3,2
fastslowH2
HHH
H2
NNN
Pyrrol, Sdp.: 131 oC
Pyrrol-Gruppe
N
K+ 0,5H2
KKaliumpyrrolid
Prolin 4-Hydroxyprolin
HN COOH
HO
HN COOH
N-Methyl-2-pyrrolidon
NO
CH3
Eigenschaften von Pyrrol: - Siedepunkt: 131 ºC (polare Moleküle)- schwache Säure, pKB = 13,6, pKS ~ 15- Reaktivität in SE Reaktionen
FÜNFRINGE
12
NN
NNH
H
A B
CD
1
2 3
4
5
67
8
α
β
γ
δ
PorphinSchmp.: > 360 oC
Porphin-Farbstoffe
- 18 π-Elektronen,(4n+2) n = 4
- kontinuierliche Delokalisierung
Stabile verbindungmit aromatischem Charakter,(löslich in Salzsäure, bildetSalze mit Metallionen)
FÜNFRINGE
13
Hämoglobin Hämin
HämoglobinO2
-O2
Oxyhämoglobin Methämoglobin
Fe(II)-Komplex Fe(III)-Komplex
Hämoglobin
FÜNFRINGE
14
N
N
N
N Fe
O2
N
N
2
Koordinationszahl: 6 5
Fe
O2
N
N
2
Fe
N
N
2
Koordination im Hämoglobin
FÜNFRINGE
15
- 7,8-Dihydroporphin- Zentralkation: Mg2+
-Phytolrest, C20 - ungesättigter Alkohol
Chlorophyll-a: bläulich grün (3)Chlorophyll-b: gelblich grün (1)
grüner Pflanzenfarbstoff, biochemische Funktion bei der Photosynthese
Chlorophyll
FÜNFRINGE
16
Vitamin B12 : Corrin-Gerüst: teilweise gesättigtes, modifiziertes Porphin mit Co3+
Verwendung: bei der Behandlung der perniciösen Anämie
FÜNFRINGE
17
Gallenfarbsoffe- Abbauprodukt von Häm
NCHNCHN CH2 N
H H H H
CH3 CH3CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
CH3 CH3 CH CH2
O O
COOH
Bilirubin
FÜNFRINGE
18
N
CH3
H
Skatol(3-Methylindol)
N
CH2 NCH3
CH3
H
Gramin3-Dimethylaminoindol
N
CH2 CH COOH
NH2
HN
CH2 CH2 NH2
H
-CO2
HO
TryptophanTryptamin
5-Hydroxytryptamin = SerotoninVorkommen: in Blutserum, - reguliert den Blutkreislauf- Neurotransmitter
Benzopyrrole
N 1
2
34
5
6
7
b
H
IndolBenzo[b]pyrrolVorkommen: -Jasminöl- Steinkohlenteer
N
CH2COOH
H
3-Indolylessigsäure
N
CH2CH2CH2COOH
H
3-Indolylbuttersäurepflanzliche Wuchsstoffe, Phytohormone, oder Auxine)
FÜNFRINGE
19Leukoindigo (farblos)Indigo (blau)
N
N
O
OH
H
Ox.Red.
H
H
N
N
OH
OH
Färberwaid (Deutsche Indigo)
Isatis tinctoria Der Waidstein in Sömmerda, mit ihm wurde im MittelalterFärberwaid zerkleinert
Adolf v. Baeyer1835-1917
20
21
Fünfringe mit zwei Hetertoatomen
ON
IsoxazolS
N
IzothiazolN
N
HPyrazol
N
O
Oxazol
N
S
Thiazol
N
NH
Imidazol
- Verbindungen mit aromatischem Charakter- geringe Reaktivität in elektrophilen Substitutionen- schwache Basen
Imidazol N
N
H
N NHH+
-H+
HN NH0,5 0,5
N N0,5 0,5
-H+
H+
ImidazolImidazol-Kation Imidazol-Anion
N NH HN N
22
Oxazol- und Thiazol-Derivate
HN
O CH
NH2
COOHONO
HO
CH
NH2
COOH NO
HO
CH2
NH2
-CO2
Ibotensäure Muscimol Muscazon
Vorkommen: in giftigen Pilzen
N
S
H3C
NH SO2 NH2
UltraseptylSulfonamid mit antibakteriellerWirkung
ONH
ONH2
Cycloserin(Antibiotikum)
Fünfringe mit zwei Hetertoatomen
23
- Entdeckung: Fleming, 1928- Struktur: 1943-45- erzeugt von Schimmelpilzgattungen
z.B. Penicillium notatum,Penicillium chrysogenum
Penicillin
CH2R =
H2N CH CH NH2
CH2 CH2
Ph Ph
Salz mit Dibenzyl-ethylendiamin
N
SNH
COOHO
H3C
H3C C
O
R**
*
Penicillin G R = C6H5CH2-
6N
SNH2
COOHO
H3C
H3C
6-Aminopenicillansäure
(Thiazolidin, β-Lactam-Ring)
Antibiotika sind chemisch definierte, ursprünglich von Pilzen oder Mikroorganismenproduzierte Wirkstoffe, die das wachstum oder die Vemehrung bestimmter Bakterienoder Mikroorganismen hemmen.
Fünfringe mit zwei Hetertoatomen
24
NN CH3
CH3CH
O
H3C
H3C
Propyphenazon
NN
ONaH9C4
O
Phenylbutazon(antirheumatische
Wirkung )
Pyrazol-Gruppe
Aminophenazon(1-phenyl-2,3-dimethyl-4-dimethylamino-5-pyrazolon)
NN CH3
CH3N
O
H3C
H3C
antipyretische und analgetische Wirkung
Fünfringe mit zwei Hetertoatomen
25
Imidazol-Gruppe
N
N
CH2 CH
NH2
COOH
H
HistidinBaustein der Proteine
-CO2
N
N
CH2 CH2
NH2
H
Histaminbiogenes Amin
S
NHHN
O
(CH2)4 COOH
BiotinBiowuchsstoff (Biosfaktor): unentbehrlich für die Vermehrungvon Hefezellen und anderen MicroorganismenIn Menschen: notwendig zur normalen Funktion der Haut
N
N N
N
HO
OH
OH
H
NH
N
O
O
H
Harnsäure Allantoin Hydantoin
uricaseNH
NNH
CO
NH2
O
OH
Fünfringe mit zwei Hetertoatomen
26
N
N
C PhPh
Cl
ClotrimazolAntimykotikum
N NN
N Cardiazol(Pentamethylentetrazol)- stimuliert den Blutkreislauf unddie Herztätigkeit,
- regt das Atmungszentrum an
Arzneimittel mit Imidazol-Gerüst
HN NH
N
ClCl
Clonidinantihypertensiv
HN
NCH2
CH3
S CH2CH2 NH CNH
N
CN
CH3
Anw.: Ulcus-TherapieCimetidin
Fünfringe mit zwei Hetertoatomen
27
SECHSRINGE
Pyran-Gruppe
O O O
O
O
O
a-Pyron g-Pyron
O
OC2H5
OH O
OC2H5
OH
+
O O
O O
Dehydracetsäurefungizid,
Verwendung:- Lebensmittelindustrie- Bierindustrie
28
O
O
O
Chromon Chroman
O
O
O
Flavon Flavan
Benzoanellierte g-Pyron-Derivate
SECHSRINGE
29
Flavonoide
OH
OH
OH
HO
OH O
O
Quercetingelber Farbstoff
Vorkommen: in verschiedenen Pflanzen,meistens in Form von Glycosiden,z.B. in der Rinde der amerikanischen Eiche Quercus velutina)(Apfel, Wein, Zwiebel, Bohnen, Brokkoli)
SECHSRINGE
30
OOH
OH
OH
OH
HOCl
O
O
O
OH
OH
HO
OH-
H+
Flavylium-KationCyanidinchloridpH = 3, rot
Cyanidin phenolatpH = 11, blau
AnthocyaneHCl Anthocyanidine + Kohlenhydrat (Zucker)
pH abhängige Farbe
Hydrolyse
Anthocyane
SECHSRINGE
31
O
CH3
HO
H3C
CH3
CH3
(CH2)3 CH (CH2)3 CH (CH2)3
CH3 CH3
CH
CH3
CH3
- beeinflußt die Fruchtbarkeit- Antioxidant in der Lebensmittelchemie
Vitamin E(α-Tocopherol)
Besonders reiche Vitamin-E-Quellensind:Weizenkeimöl (174–176 mg/100 g) Sonnenblumenöl (60 mg/100 g) Leinsamen (57 mg/100 g) Walnussöl (39 mg/100 g) Maiskeimöl (31–34 mg/100 g) Distelöl (29–45 mg/100 g) Sesamöl (28 mg/100 g) Haselnüsse (27 mg/ 100 g) Erdnussöl (25 mg/100 g) Rapskernöl 25 mg/100 g) Mandeln (25 mg/100 g) Palmöl (25 mg/100 g) Rapsöl (20 mg/100 g) Sojaöl (17–25 mg/100 g) Olivenöl (12–40 mg/100 g) Schwarzwurzeln (6 mg/100 g) Leinöl (5,8 mg/100 g)
SECHSRINGE
32
Pyridinderivate
- Alkylierte PyridinderivateN
C16H33
Br
Cetylpyridinium bromide- löslich in Wasser, - kationaktives Detergens
Invertseife
Pyridingruppe
N
=
N
- farblose Flüssigkeitmit unangehmem Geruch
- elektrophile Substitutionam C-3 unterextremen Bedingungen
- schwache Base, pKB = 8,8
Pyridin
ParaquatTotalherbizid LD50 = 35 mg/kg (geschätzt)
1,1’-Dimethyl-4,4’-bipyridyliumdichlorid
2ClN NH3C CH3
SECHSRINGE
33
N CH3 N
CH3
N
CH3
α-Picolin β-Picolin γ-Picolin
Hydroxypyridine
N OH N O
H
2-Hydroxy-pyridin 2-(1H)-pyridon
N
OH
N
H
O
3-Hydroxypyridin(zwitterionische Form)
SECHSRINGE
34
Vitamin B6Pyridoxin
N
OH
CH3
CH2OH
HOH2CMangel in Vitamin B6: - Nervosität
- Schlaflosigkeit- Schwäche
Säuren
N COOH N
COOH
N
COOH
Picolinsäure Nicotinsäure Isonicotinsäure
N
CONH2Nicotinamid
- Bestandteil des Enzyms NAD
N
CON(C2H5)2NicotinsäurediethylamidAnaleptikum
N
CONHNH2
Isonicotinsäurehydrazidwichtiges Chemotherapeutikumgegen alle Formen der Tuberculose
SECHSRINGE
35
N
H2/kat.
NH
Pyridin PiperidinN
CH3
COOC2H5
Dolantinsehr starke analgetische Wirkung
Benzoanellierte Pyridinderivate
NN
Chinolin Isochinolin
- Heteroaromaten- schwache Basen- Vorkommen: in vielen Naturstoffen
SECHSRINGE
36
Chinolin-Derivate
8-Hydroxychinolin- stabile Innerkomplexemit Metall-Kationen
N
OH
Metal-ion
N
OH
SO2OH
8-Hydroxychinolin-5-sulfonsäureAntipyretikum
N
NH R
4-AlkylaminochinolineAntimalaria-Arznei
N
OCOOH
C2H5
N
HN
F
NorfloxacinDNA-Gyrasehemmer
sehr wirksames Bakterizid
SECHSRINGE
37
Sechsringe mit zwei Heteroatomen
Pyridazin Pyrimidin Pyrazin1,2-Diazin 1,3-Diazin 1,4-Diazin
NN
N
N
N
N
Cytosin Uracil Thymin
Pyrimidin-Basen aus Nucleinsäuren
HN
NH
O
OH3C
HN
NH
O
O
HN
N
O
NH2
Pyrimidinderivate
38
Barbitursäure (tautomere Forme)
N
NH
O
O
OH
N
N
OH
HO OHHN
NH
OH
OO
5,5-Disubstituierte Derivate der Barbitursäure
wichtige Sedativa und Schlafmittel
NH
N O
O
O
R2
H
R1 R1 R2
C2H5 C2H5
C2H5C2H5
Barbital (Veronal)Phenobarbital (Luminal)Cyclobarbital (Phenodorm)
C6H5
C6H9
Thiamin (Vitamin B1)
N
N
NH2
H3C
N
S
CH3
CH2 CH2OH Cl
- Wuchsstoff für viele Mikroorganismen- therapeutisch: bei Neuritiden und
Neuralgien
Sechsringe mit zwei Heteroatomen
39
Trimethoprimverwendet in Kombination mit Sulfon-Amiden, das den bakteriellen Stoffwechselhemmt
N
N
CH2H2N
NH2 OCH3
OCH3
OCH3SulphamerazinN
N
NH
CH3
O2S NH2
- wichtiger Vertreter der Sulfonamid-Chemotherapeutika
N
NH2
N
NH
H
PyrazinpKB = 13,4
PiperazinpKB = 4,05
Anthelmintikum (Wurmmittel),wirksam gegen Oxyuriasis, Ascaridiasis
Pyrazingruppe
Sechsringe mit zwei Heteroatomen
40
S
NH
Phenothiazine
Phenothiazin
MethylenblauVerwendung: Farbstoff in der Pathologie und Bakteriologie
reduzierte Formfarblos
Cl
S
N
N
CH3
N
CH3
CH3H3C S
N
N
CH3
H3CN
CH3
CH3
H
+ HCl+ 2H
- 2H
Sechsringe mit zwei Heteroatomen
41
Purine N
N N
N
H
Purin-Basen aus DNS
N
N N
N
NH2
H
N
N N
N
OH
H2N H
Adenin Guanin
Harnsäure
N
N N
N
OH
HO
OH
H
N
N N
N
OH
HO
OHHN
N N
NO
O
O
H
HH
Sechsringe mit zwei Heteroatomen
42
Pterine N
N N
N
Pteridin
- Biosfactor für die Leukocyten,- beeinflußt die Blutbildung- medizinische Anwendung: bei der Behandlung der perniciösenAnämie
COOHCH2
COOH
CH2
CHNHCONHO
H2N
CH2N
NN
HN
Pterin p-Aminobenzoesäure L-Glutaminsäure
Folsäure
Sechsringe mit zwei Heteroatomen
43
ON
N N
HN
OH3C
H3C
CH2OH
HO-C-H
HO-C-H
HO-C-H
CH2
1
35
10
Riboflavin (Vitamin B2)
- isoliert aus Eiweiß and Wolke(70 mg aus 1000 L Milch (!))
- Wachstumsfaktor für Tiere und Mikroorganismen- beteiligt an biologischen Redoxvorgängen
Sechsringe mit zwei Heteroatomen