Heterociklični spoj

Heterociklički spoj je prstenasta struktura, ciklični spoj koji, kao članove prstena, ima atome najmanje dva različita elementa.^[1]Hemija heterocikličnih spojeva je grana organske hemije koja se bavi sintezom, svojstvima i primenom ovog tipa cikličnih spojeva.

Piridin je jedan od heterocikličnih spojeva

Primjeri heterocikličkih spojeva uključuju sve nukleinske kiseline, većinu lijekova, većinu biomase (celuloza i srodni materijali) i mnoštvo prirodnih i sintetskih boja. Oko 59% američkih odobrenih lijekova sadrži dušikove heteroprstenove,^[2] zbog njihove sposobnosti da poboljšavaju topljivost i selektivnost molekule lijeka.

Klasifikacija

Iako heterociklični hemijski spojevi mogu biti anorganski ili organski, većina sadrži najmanje jedan ugljik. Dok se atomi koji nisu ni ugljik ni vodik u organskoj hemiji obično nazivaju heteroatomima, to je uobičajeno u poređenju sa skeletom svih ugljika. Ali to ne sprečava da spoj kao što je borazin (koji nema atome ugljika) bude označen kao "heterociklički". IUPAC, za imenovanje heterocikličkih spojeva preporučuje Hantzsch-Widmanovu nomenklaturu.^[3]

Heterociklički spojevi se mogu korisno klasificirati na osnovu njihove elektronske strukture. Zasićeni ponašaju se poput acikličkih derivata. Prema tome, piperidin i tetrahidrofuran su konvencijski amini i eteri, sa modifikovanim sternim profilima. Stoga se proučavanje hemije heterocikličnih spojeva posebno fokusira na nezasićene derivate, a prednost rada i primjena uključuje nenapete peto– i šestočlane prstenove. Uključeni su piridin, tiofen, pirol i furan. Druga velika klasa heteroprstenova odnosi se na one kondenzirane, s benzenskim prstenovima. Naprimjer, fuzionirani analozi benzena piridina, tiofena, pirola i furana su kinolin, benzotiofen, indol, odnosno benzofuran. Fuzija dva benzenska prstena daje treću veliku porodicu spojeva. Analozi prethodno spomenutih heteroprstenastih spojeva ove treće porodice su akridin, dibenzotiofen, karbazol i dibenzofuran. Nezasićeni prstenovi mogu se klasificirati prema sudjelovanju heteroatoma u konjugiranom pi-sistemu.

Tročlani prstenovi

Heterociklični spojevi s tri atoma u prstenu imaju veću energiju i reaktivniji su zbog prstenaste deformacije. Oni koji sadrže jedan heteroatom su, općenito, stabilni. Sa dva heteroatoma imaju veću vjerovatnoću da se pojave kao reaktivni međuprodukti. Uglovi veze C-X-C (gdje je X heteroatom) u oksiranima i aziridinima spojevima, vrlo su blizu 60 °, a periferni uglovi veze H-C-H blizu 180 °.

Troprstenasti sa jednim heteroatomom

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Bor	Boriran	Boriren
Dušik	Aziridin	Azirin
Kisik	Oksiran (etilen-oksid, epoksidi)	Oksiren
Fosfor	Fosfiran	Fosfiren
Sumpor	Tiiran (episulfidi)	Tiiren

Troprstenasti sa dva heteroatoma

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Dušik	Diaziridin	Diazirin
Dušik/kisik	Oksaziridin
Kisik	Dioksiran

Četveročlani prstenovi

Četveročlani prstenovi s jednim heteroatomom

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Dušik	Azetidin	Azet
Kisik	Oksetan	Okset
Sumpor	Tietan	Tiet

Četveročlani prstenovi s dva heteroatoma

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Dušik	Diazetidin	Diazet
Kisik	Dioksetan	Diokset
Sumpor	Ditietan	Ditiet

Petočlani prstenovi

Petočlani prstenovi s jednim heteroatomom

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Antimon	Stibolan	Stibol
Arsen	Arsolan	Arsol
Bizmut	Bizmolane	Bizmol
Bor	Borolan	Borol
Dušik	Pirolidin ("Azolidin" se ne koristi)	Pirol ("Azol" se ne koristi)
Kisik	Tetrahidrofuran	Furan
Fosfor	Fosfolan	Fosfol
Selen	Selenolan	Selenofen
Silicij	Silaciklopentan	Silol
Sumpor	Tetrahidrotiofen	Tiofen
Telur		Telurofen
Kositar	Stanolan	Stannol

Petočlani prstenovi s dva heteroatoma

Petočlani prstenasti spojevi koji sadrže dva heteroatoma, od kojih je najmanje jedan dušik, zajednički se nazivaju azoli. Tiazoli i izotiazoli u prstenu sadrže sumpor i atom dušika . Ditiolani imaju dva atoma sumpora.

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni (i djelimično nezasićeni)
Dušik/dušik	Imidazolidin Pirazolidin	Imidazol (Imidazolin) Pirazol (Pirazolin)
Dušik/kisik	Oksazolidin Izoksazolidin	Oksazol (Oksazolin) Izoksazol
Dušik/sumpor	Tiazolidin Izotiazolidin	Tiazol (Tiazolin) Izotiazol
Kisik/kisik	Dioksolan
Sumpor/sumpor	Ditiolan

Petočlani prstenovi s najmanje tri heteroatoma

Postoji i velika skupina peetočlanih prstenastih spojeva s tri ili više heteroatoma. Jedan od primjera je klasa ditiazola, koji sadrže dva atoma sumpora i jedan atom dušika.

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
3 × Dušik		Triazol
2 × Dušik / 1 × kisik		Furazan Oksadiazol
2 × Dušik/ 1 × sumpor		Tiadiazol
1 × Dušik / 2 × kisik		Dioksazol
1 × Dušik / 2 × sumpor		Ditiazol
4 × Dušik		Tetrazol
4 × Došik/1 × kisik		Oksatetrazol
4 × Dušik/1 × sumpor		Tiatetrazol
5 × Dušik		Pentazol

Šestočlani prstenovi

Šesteročlani prstenovi s jednim heteroatomom

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni	Ioni
Antimon		Stibinin^[4]
Arsen	Arsinan	Arsinin
Bizmut		Bizmin^[5]
Bor	Borinan	Borinin	Boratabenzenski anion
Germanij	Germinan	Germin
Dušik	Piperidin (Azinane nije u upotrebi)	Piridin (Azin nije u upotrebi)	Piridinski kation
Kisik	Tetrahidropiran	Piran (2H-Oksin nije u upotrebi)	Pirilijski kation
Fosfor	Fosfinan	Fosfinin
Selen			Selenopirilijski kation
Silicij	Silinan	Silin
Sumpor	Tian	Tiopiran (2H-Tiin nije u upotrebi)	Tiopirilijski kation
Kalaj	Staninan	Stanin

Šesteročlani prstenovi s dva heteroatoma

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Dušik / dušik	Diazinan	Diazin
Kisik/ dušik	Morfolin	Oxazine
Sumpor / dušik	Tiomorfolin	Tiazin
Kisik /kisik	Dioksan	Dioksin
Sumpor / sumpor	Ditian	Ditiin
Bor/		1,2-Dihidro-1,2-azaborin

Šesteročlani prstenovi s tri heteroatoma

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Dušik	Triazinan	Triazin
Kisik	Trioksan
Sumpor	Tritian

Šesteročlani prstenovi s četiri heteroatoma

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Dušik		Tetrazin

Šesteročlani prstenovi s pet heteroatoma

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Dušik		Pentazin

Šesteročlani prstenovi sa šest heteroatoma

Hipotetski spoj sa šest dušikovih heteroatoma bio bi heksazin.

Borazin je šesteročlani prsten s tri dušikova heteroatoma i tri borna heteroatoma.

Sedmeročlani prstenovi

Sa sedmeročlanim prstenovima, heteroatom mora biti u mogućnosti pružiti praznu pi-orbitalu (npr. bor), kako bi bila dostupna "normalna" aromatska stabilizacija; u suprotnom, homoaromatičnost može biti moguća. Spojevi s jednim heteroatomom uključuju:

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Bor		Borepin
Dušik	Azepan	Azepin
Kisik	Oksepan	Oksepin
Sumpor	Tiepan	Tiepin

Oni sa dva heteroatoma obuhvataju:

Heteroatom	Zasićeni	Nezasičeni
Nitrogen	Diazepan	Diazepin
Dušik/sumpor		Tiazepin

Osmočlani prstenovi

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Dušik	Azokan	Azokin
Kisik	Oksokan	Oksocin
Sumpor	Tiokan	Tiokin

Borazokin je s osmeročlanim prstenom s četiri heteroatoma dušika i četiri borna heteroatoma.

Devetočlani prstenovi

Heteroatom	Zasićeni	Nezasićeni
Dušik	Azonan	Azonin
Kisik	Oksonan	Oksonin
Sumpor	Tionan	Tionin

Slike

Imena u kurzivu/italiku su prema IUPAC-u i ne slijede Hantzsch-Widmanovu nomenklaturu.

	Zasićeni			Nezasićeni
Heteroatom	Dušik	Kisik	Sumpor	Dušik	Kisik	Sumpor
3-atomski prsten	Aziridin	Oksiran	Tiiran	Azirin	Oksiren	Tiiren
3-atomski prsten
4-Atomski prsten	Azetidin	Oksetan	Tietan	Azet	Okset	Tiet
4-Atomski prsten
5-Atomomski prsten	Pirolidin	Oksolan	Tiolan	Pirol	Furan	Tiofen
5-Atomomski prsten
6-Atomski prsten	Piperidin	Oksan	Tian	Piridin	Piran	Tiopiran
6-Atomski prsten
7-Atomski prsten	Azepan	Oksepan	Tiepan	Azepin	Oksepin	Tiepin
7-Atomski prsten
8-Atomski prsten	Azokan	Oksokan	Tiokan	Azokin	Oksokin	Tiokin
8-Atomski prsten
9-Atomski prsten	Azonan	Oksonan	Tionan	Azonin	Oksonin	Tionin
9-Atomski prsten

Spojeni prstenovi

Sistemi heterocikličkih prstenova koji su formalno izvedeni fuzijom s drugim prstenovima, bilo karbociklički ili heterociklički, imaju niz zajedničkih i sistemskih naziva. Naprimjer, s benzo-spojenom nezasićenom heterociklčkim spojevima dušika, pirola daje se naziv indol ili izoindol, ovisno o orijentaciji. Analog piridina je kinolin ili izokinolin. Za azepin je preferirani naziv benzazepin. Isto tako, spojevi s dva benzenska prstena spojena sa središnjim heteroprstenom su karbazol, akridin i dibenzoazepin. Tienotiofeni su spoj dvaju tiofenskih prstenova. Fosfafenaleni su triciklični heterociklički sistemi koji sadrže fosfor, izveden iz karboprstena fenalena.

Historija hemije heterocikličnih spojeva

Historijat hemije heterociklinih spojeva počinje 1800-ih, ukorak s razvojem organske hemije. Neki važni događaji:^[6];

1818: Brugnatelli izolira aloksan iz mokraćne kiseline;
1832: Dobereiner proizvodi furfural (furan) obrađivanjem škroba sa sumpornom kiselinom;
1834: Runge dobija pirol ("vatreno ulje") suhom destilacijom kostiju;
1906: Friedlander sintetizira indigo-boju, dopuštajući sintetskoj hemiji da istisne veliku poljoprivrednu industriju;
1936: Treibs izolira derivate hlorofila iz sirove nafte, objašnjavajući njeno biološko podrijeklo;
1951: Opisana su Chargaffova pravila, ističući ulogu heterocikličkih spojeva (purina i pirimidina u formiranju genetičkog koda.

Upotreba

Heterociklički spojevi su široko rasprostranjeni u mnogim područjima nauka o životu i tehnologije.^[7] Mnogi lijekovi su heterociklična jedinjenja.^[8]

Reference

^ IUPAC Gold Book heterocyclic compounds
^ Edon Vitaku, David T. Smith, Jon T. Njardarson (2014). "Analysis of the Structural Diversity, Substitution Patterns, and Frequency of Nitrogen Heterocycles among U.S. FDA Approved Pharmaceuticals". J. Med. Chem. 57: 10257-10274. doi:10.1021/jm501100b. PMID 25255204.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Hantzsch–Widman name". doi:10.1351/goldbook.H02737
^ "Stibinin". chemspider. Royal Society of Chemistry. Pristupljeno 11. 6. 2018.
^ "Bismin". ChemSpider. Royal Society of Chemistry. Pristupljeno 11. 6. 2018.
^ Campaigne, E. (1986). "Adrien Albert and the rationalization of heterocyclic chemistry". Journal of Chemical Education. 63 (10): 860. doi:10.1021/ed063p860.
^ Thomas L. Gilchrist "Heterocyclic Chemistry" 3rd ed. Addison Wesley: Essex, England, 1997. 414 pp. ISBN 0-582-27843-0.
^ "IPEXL.com Multilingual Patent Search, Patent Ranking". www.ipexl.com. Arhivirano s originala, 24. 9. 2015. Pristupljeno 19. 10. 2020.

Vanjski linkovi

Commons logo

Commons ima datoteke na temu: Heterociklični spoj

Hantzsch-Widman nomenclature, IUPAC
Heterocyclic amines in cooked meat, US CDC
List of known and probable carcinogens, American Cancer Society Arhivirano 13. 12. 2003. na Wayback Machine
List of known carcinogens by the State of California Arhivirano 8. 9. 2020. na Wayback Machine, Proposition 65 (more comprehensive)

[1] IUPAC Gold Book heterocyclic compounds

[2] Edon Vitaku, David T. Smith, Jon T. Njardarson (2014). "Analysis of the Structural Diversity, Substitution Patterns, and Frequency of Nitrogen Heterocycles among U.S. FDA Approved Pharmaceuticals". J. Med. Chem. 57: 10257-10274. doi:10.1021/jm501100b. PMID 25255204.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[3] IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Hantzsch–Widman name". doi:10.1351/goldbook.H02737

[C5H5Sb-4] "Stibinin". chemspider. Royal Society of Chemistry. Pristupljeno 11. 6. 2018.

[C5H5Bi-5] "Bismin". ChemSpider. Royal Society of Chemistry. Pristupljeno 11. 6. 2018.

[6] Campaigne, E. (1986). "Adrien Albert and the rationalization of heterocyclic chemistry". Journal of Chemical Education. 63 (10): 860. doi:10.1021/ed063p860.

[Gilchrist-7] Thomas L. Gilchrist "Heterocyclic Chemistry" 3rd ed. Addison Wesley: Essex, England, 1997. 414 pp. ISBN 0-582-27843-0.

[8] "IPEXL.com Multilingual Patent Search, Patent Ranking". www.ipexl.com. Arhivirano s originala, 24. 9. 2015. Pristupljeno 19. 10. 2020.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]