Związki heterocykliczne - Polski Serwis Naukowy

Związki heterocykliczne: pirydyna, puryna, furan

Związki heterocykliczne – szeroka klasa pierścieniowych związków chemicznych, w których co najmniej jeden układ cykliczny zawiera jeden lub więcej atomów pierwiastków innych niż węgiel. Najczęściej spotykanymi pierwiastkami wchodzącymi w skład pierścieni są tlen, azot i siarka. Struktury te mogą obejmować zarówno układy aromatyczne jak i alicykliczne. Prostymi związkami heterocyklicznymi są pirydyna (C5H5N), pirymidyna (C4H4N2) oraz dioksan (C4H8O2).

Puryna (imidazolopirymidyna) jest heterocyklicznym, aromatycznym związkiem organicznym składającym się z cząsteczek pirymidyny i imidazolu. W przyrodzie występuje dosyć rzadko, natomiast jej pochodne pełnią ważną rolę jako alkaloidy, metabolity oraz nukleotydy.

Pirol – organiczny związek chemiczny z grupy heterocyklicznych związków aromatycznych. Zbudowany jest z pięcioczłonowego pierścienia zawierającego jeden atom azotu.

Zazwyczaj w chemii organicznej za związek hetorocykliczny uważa się każdy związek cykliczny, który zawiera w części cyklicznej inny pierwiastek niż węgiel. Jednakże istnieje kilka wyjątków od tej reguły: niektóre klasy związków organicznych, takie jak węglowodany, zazwyczaj nie są nazywane związkami heterocyklicznymi, mimo, że z formalnego punktu widzenia nimi są. Ponadto wiele związków makrocyklicznych zwyczajowo nie jest nazywanych związkami heterocyklicznymi.

Pirydyna (C5H5N) – organiczny związek heterocykliczny, jedna z amin aromatycznych. Jest to bezbarwna ciecz, o charakterystycznym zapachu, mieszająca się z wodą w każdym stosunku. Jest silnie higroskopijna. Z wodą tworzy monohydrat, różniący się właściwościami od czystej pirydyny. Ma właściwości słabo zasadowe, z mocnymi kwasami tworzy krystaliczne sole pirydyniowe. W reakcji pirydyny z halogenoalkanami powstają czwartorzędowe sole amoniowe. Produktem całkowitego uwodornienia pirydyny jest piperydyna. Pirydyna jest otrzymywana ze smoły pogazowej lub na drodze syntetycznej z acetylenu i kwasu cyjanowodorowego. Pierścień pirydynowy obecny jest w wielu istotnych związkach organicznych, takich jak atropina, kokaina, Witamina PP i B6.

Dioksan (dwutlenek dwuetylenu) - organiczny związek chemiczny z grupy cyklicznych eterów. Występuje w formie trzech izomerów o różnym ułożeniu atomów tlenu w pierścieniu: 1,2-dioksanu, 1,3-dioksanu i 1,4-dioksanu.

W przypadku wielu związków chemicznych, które są "standardowo" zbudowane z regularnie występujących dwóch rodzajów atomów (np. tlenu i węgla (eter koronowy) lub z krzemu i tlenu (cyklosiloksany), lub azotu i fosforu (fosfazen) terminu "związek heterocykliczny" używa się dopiero wtedy, gdy w cyklu pojawiają się jeszcze jakieś inne atomy, np. azotu lub w przypadku cyklosiloksanów i fosfazenów – paradoksalnie – węgla.

Etery koronowe - makrocykliczne etery, o bardzo regularnej budowie. Wynalazcami eterów koronowych byli Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn i Charles J. Pedersen, którzy w 1987 roku otrzymali za to Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

Związki nienasycone to związki organiczne, których cząsteczki zawierają między parami atomów węgla lub atomami węgla i innego pierwiastka jedno lub więcej wiązań wielokrotnych: podwójnych (np. =C=C=, -HC=CH-) lub potrójnych (-C≡C-). Przykładem związków nienasyconych są np. alkeny, alkiny, aldehydy, kwasy tłuszczowe i ich pochodne nitryle, ketony, związki diazowe, dieny. Charakterystyczną cechą związków nienasyconych jest zdolność do reakcji przyłączania atomów wodoru lub fluorowców i przechodzenia w związki nasycone. Związki nienasycone łatwo polimeryzują przez co są stosowane w przemyśle chemicznym do otrzymywania tworzyw sztucznych.

Przegląd związków heterocyklicznych

Pierścienie trójczłonowe

Heterocykle zbudowane z trzech atomów węgla są bardzo reaktywne z uwagi na występowanie znacznych naprężeń w obrębie pierścienia. Jeżeli obecny jest tylko jeden heteroatom, to związek taki jest zasadniczo stabilny w warunkach standardowych, jednakże związki zawierające dwa heteroatomy są bardzo nietrwałe, występują raczej jako reaktywne intermediaty. Do pospolitych związków z pierścieniem trójczłonowym należą:

Krzem (Si, łac. silicium) – pierwiastek chemiczny, z grupy półmetali w układzie okresowym. Izotopy stabilne krzemu to 28Si, 29Si i 30Si. Wartościowość: 4 (w większości związków), 5 i 6. Krzem (monokryształy krzemu) jest wykorzystywany powszechnie w przemyśle elektronicznym.

Aromatyczność zjawisko występowania sprzężonych wiązań podwójnych w pierścieniach węglowych powodujące odmienne właściwości. Związki aromatyczne nie są podatne np. na reakcję addycji tak jak związki nienasycone. To, czy związek jest aromatyczny pozwala w przybliżeniu opisać reguła Hückla, choć są związki aromatyczne niepodlegające tej regule, np. koronen.

Do związków z dwoma heteroatomami należą:

Pierścienie czteroczłonowe

Związki z jednym heteroatomem:

Związki z dwoma heteroatomami:

Pierścienie pięcioczłonowe

W przypadku tej grupy heterocykli związki nienasycone są bardziej rozpowszechnione ze względu na dodatkową stabilizację wynikającą z charakteru aromatycznego.

Pierścienie pięcioczłonowe z jednym heteroatomem:

Węglowodany (cukrowce, sacharydy) – organiczne związki chemiczne składające się z atomów węgla, wodoru i tlenu. Są to związki zawierające jednocześnie liczne grupy hydroksylowe, karbonylowe oraz czasami mostki półacetalowe. Ogólnym wzorem sumarycznym węglowodanów jest CxH2yOy lub Cx(H2O)y (znane są jednak węglowodany niespełniające tego wzoru, np. deoksyryboza). Ze względu na liczbę jednostek cukrowych w cząsteczce, węglowodany dzielą się na:

Węgiel (łac. carboneum) – pierwiastek chemiczny o symbolu C o liczbie atomowej 6. Należy do grupy 14 układu okresowego, jest niemetalem. Posiada cztery elektrony walencyjne. Istnieją trzy naturalnie występujące izotopy węgla, 12C oraz 13C są stabilne, natomiast izotop 14C jest promieniotwórczy o czasie połowicznego rozpadu równym około 5700 lat. Węgiel jest jednym z niewielu pierwiastków znanych w starożytności. Jako pierwszy polską nazwę – węgiel – zaproponował Filip Walter.

Pierścienie pięcioczłonowe zawierające dwa heteroatomy, z których przynajmniej jeden jest azotem, zbiorczo nazywa się azolami. Tiazole i izotiazole zawierają w cząsteczce atom azotu i siarki. Ditiolany zawierają dwa atomy siarki.

Ponadto istnieje duża pierścieni pięcioczłonowych z trzema atomami heterocyklicznymi. Przykładem może być ditiazol, posiadający dwa atomy siarki i jeden azotu.

Pierścienie pięcioczłonowe zbudowane z czterech heteroatomów:

Furan C4H4O – organiczny związek chemiczny, cykliczny eter. Jest związkiem aromatycznym znacznie bardziej reaktywnym w substytucji elektrofilowej niż benzen. Podstawienie elektrofilowe zachodzi głównie w pozycję 2 w stosunku do atomu tlenu. W środowisku kwaśnym polimeryzuje.

Pierścienie sześcioczłonowe

Związki z jednym heteroatomem:

Związki z dwoma heteroatomami:

Związki z trzema heteroatomami:

Związki z czterema heteroatomami:

Pierścienie siedmioczłonowe

Do tych związków zalicza się jedynie układy alicykliczne, pozbawione charakteru aromatycznego:

Związki z dwoma heteroatomami:

Wzory strukturalne

Przypisy

Eicher, T.; Hauptmann, S.: The Chemistry of Heterocycles: Structure, Reactions, Syntheses, and Applications. 2nd ed. 2003. ISBN 3527307206.

Zobacz też

związki homocykliczne