Heterocykly – maturitní otázka z chemie

 

   Otázka: Heterocykly

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): Mlok

 

CHARAKTERISTIKA (HC)

  • Přírodní sloučeniny, které v cyklickém řetězci obsahují kromě C i jeden nebo více atomů jiných prvků tzv. heteroatom (O, S, N)  = vícevazné atomy prvků s volnými  páry
  • nejstabilnější jsou s 5-ti či 6-ti četným kruhem
  • velmi často aromatický charakter
  • dusíkaté heterocykly

 

VÝSKYT

  • Součástí přírodních sloučenin, samotné se nevyskytují
  • Některé jsou základem složitých struktur
    jak v živočišných tak v rostlinných organismech
  • Tvoří 2/3 všech organických látek
    Sachridy, aminokyseliny, barviva, alkaloidy, vitamíny
  • Významným zdrojem je ropa

 

Názvosloví

  • Hantzsch-Widmanovo názvosloví, 2.substituční názvosloví
  • triviální názvy:
  • číslicí se udává poloha substituentů a charakt. skupin. číslování začíná vždy o heteroatomů.
  • Má-li HS dva nebo více heteroatomů, číslujeme tak, aby atomy měly nejnižší čísla. Jsou-li zastoupeny různé heteroatomy, nejnižší číslo má ten,který má vyšší číslo sk. a vyšší elektroneg v PS = pravidlo O,S,N

 

Triviální názvosloví přehled

furan; tetrahydrofuran; thiofen; thiazol

pyrrol; pyrazol; imidazol; pyrrolidin

pyran; pyridin; piperidin; pyridazin; pyrazin; pyrimidin

chinolin; izochinolin; indol; purin

 

Chemické vlastnosti

  • Afinita k elektrofilním činidlům(mají
  • Stálost vůči oxidaci
  • Splňují podmínky aromatického systému
  • Se zvětšující se elektronegativitou heteroatomu klesá aromatický charakter
  • Mají aromatický charakter – velmi stálé
  • Podobné vlastnosti jako areny – heteroareny
  • Hlavní reakcí je elektrofilní substituce,
  • Může probíhat (za přít. katal.) i adice

 

Rozdělení HS

  • Pětičetné hetrocykly s jedním heteroatomem
  • Pětičetné hetrocykly s více heteroatomy
  • Šestičetné hetrocykly s jedním heteroatomem
  • Šestitičetné hetrocykly s více heteroatomy
  • Kondenzované heterocykly

 

Aromatický charakter furanu, thiofenu a pyrrolu:

  • Atomy  jsou uspoř. v rovině pětičlenného kruhu.
  • Do konjugace s elektrony vazeb π  je zapojen
  • i volný el. pár heteroatomu.  (4n+2 – Huckelovo pravidlo)
  • Vytvoří se π elektronový sextet (podobně jako u benzenu), který stabilizuje HC
  • Nejvýraznější aromatické vlastnosti má thiofen, který se nejvíce podobá benzenu (nejm.elneg.- nejsnadněji zapojuje el.pár) elektronegativita je schopnost přitahovat elektrony

 

  • Srovnání aromaticity:

thiofen  (nejstálejší)  ˃   pyrrol ˃   furan

  • Srovnání snadnosti elektrofilní substituce:

furan˃   pyrrol ˃   thiofen

( furan má nejvíce posun elektronů do polohy 2,5 v důsledku vys. elneg. O)

  • Nejsnadněji substituce do polohy 2,5

 

Reakce

  • ADICE jen pomocí katalyzátoru
    (ruší se stab. arom. systém), nejsnadněji probíhá u furanu (nejméně stabilní) př. Hydrogenace furanu 
  • Hydrogenace pyrrolu
  • Elektrofilní substituce
  • Nitrace
  • Sulfonace 2H2SO4

 

Zástupci

  • Pyrrol
  • bezbarvá kapalina, nepříjemně páchne (po chloroformu), ve vodě málo rozpustná, toxická, na vzduchu hnědne, tv = 130°C
  • vyskytuje se v černouhelném dehtu, ropě, v produktech suché destilace kostí a rohoviny
  • zákl. stavební jednotka tetrapyrrolových barviv, jejichž základem je porfin (zbystřete pozornost – pz)
  • hemoglobin, chlorofyl, myoglobin (červené barvivo svalů), bilirubin, vitamin B12

 

  • porfin je tvořen čtyřmi pyrrolovými kruhy spojenými methynovými skupinami
    • -cyklický = chlorofyl (Mg2+), hemoglobin ( Fe2+)
    • Kov je uprostřed cyklu – vziká koordinačně kovalentní vazba mezi kovem a dusíky (2 kovalentní, 2 kk vazby)
    • -lineární =  bilirubin a biliverdin    (žlučová barviva

 

Cyklická tetrapyrrolová barviva:

Obsahují uprostřed kovalentně vázaný kation kovu:

  • Železnatý kation – červená barviva hemoglobiny a myoglobiny (zajišťují transport kyslíku v těle, krevní barviva), cytochromy (účastní se transportu elektronů v dýchacím řetezci)
  • Měďnatý kation – modré barvivo hemocyanin (krevní barvivo měkkýšů, transportuje kyslík)
  • Hořečnatý kation – zelené barvivo chlorofyl (zajišťuje průběh fotosyntézy)
  • Kobaltnatý kation – růžový kobalamin – vitamin B12

 

Acyklická tetrapyrrolová barviva

  • Vznikají rozpadem porfinového jádra a přechodem na lineární tetrapyrrol. Dobře demonstrovatelný je tento jev na rozpadu molekul hemoglobinu v odumřelých červených krvinkách. Bílkovina globin spolu s železem je použita pro stavbu nového hemoglobinu a zbytek otevřeného porfinového jádra je vyloučen jako žlučové barvivo bilirubin.
  • Další deriváty pyrolu – prolin (AK)

 

  • Furan
    • bezbarvá, těkavá ve vodě nerozpustná kapalina, zapáchá podobně jako chloroform, teplota varu 32°C
    • je základem cyklických forem sacharidů nazývaných furanózy
    • významná je katalytická hydrogenace furanu za vzniku tetrahydrofuranu, který se používá jako rozpouštědlo a k výrobě kyseliny adipové

 

  • THIOFEN
    • bezbarvá, ve vodě nerozpustná kapalina, slabý bezenový zápach, teplota varu 84°C, podobná benzenu
    • ve formě tetrahydrothiofenu je stavební jednotkou biotinu (vitaminu H, B7, ovlivňuje kůži a její deriváty)
    • používá se k výrobě léčiv a polymerů

 

  • Pyrazol – součástí struktury léčiv, jako např. acilpyrinu, který se užívá na snižování horečky

 

  • Imidazol – (důležitější), je polohový izomer pyrazolu. Jeho derivátem je histamin, který rozšiřuje cévy a tím snižuje krevní tlak. Má podíl na vzniku alergických reakcí, nachází se v kůži a plicích. Imidazol je bílá, krystalická látka. Je součástí purinu

 

  • Thiazol – je páchnoucí kapalina, která je součástí léčiv (např. penicilinu) nebo vitamínů (jeho derivátem je thiamin neboli vitamín B1, aneurin). Derivátem thiazolu je luciferin, který oxidací světélkuje, nachází se v tělech světlušek, medúz či plžů.

 

Šestičetné HC s jedním HA

Základními zástupci této skupiny látek jsou pyridin a vzájemně izomerní  2H-pyran a 4H-pyran.

  • Velmi stálé, mají aromatický charakter
  • Do konjugace se nezapojuje volný el. pár
  • Nestabilnější pyridin
  • Reakce:
    • a,   adice ( pomocí katal.)
    • b,   elektrofilní substituce do polohy  3,3´
    • c,  rekce s kyselinami, mají zásaditý
      • charakter→ obdoba amonných solí protože volný e pár není součástí konjugovaného systému
  • Hydrogenace
  • Elektrofilní substituce na pyridinu – probíhá obtížně do polohy 3, 3´
  • Volný elektronový pár na N => Bazický charakter (zásaditost) => * tzv. pyridiniové soli (obdoba amoniových solí)

 

Pyridin

  • struktura podobná benzenu, velmi stabilní
  • volný pár na N není v konjugaci s π-elektrony v kruhu → může být poskytován k reakcím → dobře reaguje
  • chová se jako zásada (viz reakce s HCl)
  • bezbarvá, zásaditá jedovatá kapalina, rozpustná ve vodě, s charakteristickým zápachem, teplota varu 115°C
  • vyskytuje se v černouhelném dehtu
  • využívá se jako rozpouštědlo, denaturační přísada k ethanolu

 

  • Deriváty pyridinu

kyselina nikotinová – vitamin B3 (niacin, vitamin PP = antipelagrický vitamin), vzniká biochemickými procesy v organismu, využívá se při výrobě léků

nikotinamid (amid kyseliny nikotinové) – součást koenzymů NAD a NADP, které se účastní oxidačně-redukčních pochodů v živých organismech

Pyran

  • může tvořit dva velmi nestálé izomery: 2H-pyran, 4H-pyran (viz. výše)
  • deriváty pyranu: tetrahydropyran
  • podstata cyklických forem sacharidů nazývaných pyranózy
  • od jeho benzoderivátu odvozujeme vitamin E (tokoferol) a přírodní barviva anthokyany

 

Šestičetné se 2 heteroatomy

Pyrimidin

  • od jeho struktury se odvozují dusíkaté báze, které se podílejí na stavbě nukleových
  • kyselin (DNA, RNA), pyrimidinové báze: cytosin, thymin (pouze DNA), uracil (pouze v RNA)
  • cytosin; uracil; thymin

 

Kondenzované HC

  • Purin
  • je tvořen pyrimidinovým a imidazolovým cyklem
  • pevná krystalická látka zásaditého charakteru
  • od jeho struktury se odvozují dusíkaté báze, které se podílejí na stavbě DNA a RNA, purinové báze: adenin a guanin

 

  • Deriváty purinu – kyselina močová
    • vzniká v organismu odbouráváním purinových bází, v nízké koncentraci je obsažena v krvi a moči savců; u ptáků a plazů se jedná o konečný produkt metabolismu
    • při poruchách metabolismu v lidském organismu dochází k jejímu ukládání ve svalech a kloubech, jedná se o onemocnění zvané dna
    • může se vylučovat ve formě krystalů → podílí se na vzniku ledvinových kamenů

 

  • deriváty purinu kofein – alkaloid obsažený v kávě, čaji, který stimuluje CNS a povzbuzuje srdeční činnost

 

  • deriváty purinu – theobromin –alkaloid s podobnými stimulačními účinky jako kofein, obsahují jej kakaové boby, a tedy i čokoláda






—————————————————————————

 Stáhnout práci v PDF  Upozornit na chybu

 Učebnice k maturitě  Maturitní kurzy

 Učebnice k VŠ přijímačkám  Kurzy na přijímačky

—————————————————————————

Další podobné materiály na webu: