Heterociklična jedinjenja

Heterociklična jedinjenja su ona ciklična jedinjenja koja pored ugljenikovih atoma u strukturi prstena sadrže jedan ili više atoma nekih drugih elemenata - heteroatoma (kiseonik, azot, sumpor).

Nomenklatura
Znatan broj heterocikličnih sistema poznat je odavno; ti heteroprstenovi imaju svoja trivijalna imena (pirol, furan...) koja su se zadržala i još uvek se upotrebljavaju.
Po IUPAC-nomenklaturi imena prstenova se izvode kombinacijom prefiksa koji označava vrstu heteroatoma (oksa- za kiseonik, tia- za sumpor, aza- za azot) i sufiksa koji označava veličinu prstena (-ol za petočlani, -in za šestočlani prsten).
Ako prsten sadrži dva ista heteroatoma, prefiksi su dioksa, diaza itd. a ako su heteroatomi različiti, kiseonik ima preimućstvo nad azotom (oksaz-) odnosno sumpor nad azotom (tiaz-).
Obeležavanje pojedinih atoma u prstenu vrši se brojevima, a numerisanje počinje uvek od heteroatoma; ako ima dva heteroatoma obeležava se u smeru da drugi heteroatom nosi najmanji mogući broj.

Hidrogenizovani prstenovi imaju takođe svoja trivijalna imena; prema novom sistemu, petočlani prstenovi sa azotom dobijaju nastavak -olidin, a bez azota -olan; šestočlani prstenovi sa azotom označavaju se kao perhidro- , a bez azota dobijaju nastavak -an.

Heterociklični sistemi sa jednim heteroatomom

Imaju aromatična svojstva zbog delokalizacije slobodnog elektronskog para i podležu pre supsticionim nego adicionim reakcijama.

Petočlani heteroprstenovi

pirol

furan

Pirol i furan nemaju bazne osobine, tj. ne grade soli sa kiselinama već se polimerizuju u smolaste proizvode. Pirol pokazuje slabo kisele osobine: sa KOH nastaje piril-kalijum (dejstvom vode ovo jedinjenje (so) se hidrolizuje u pirol):

Aromatične (elektrofilne) supstitucije:
Furan se ne može direktno halogenovati.
Pirol se može halogenovati bez katalizatora i daje tetrahalogeni-derivat.
Tiofen se ponaša isto kao i benzen, sa sulfatnom kiselinom na običnoj temperaturi gradi tiofensulfonsku kiselinu.

tiofen

Derivati furana - furanozni oblici monosaharida (u glikozidima, polisaharidima).

Šestočlani heteroprstenovi

Piridin je analogan benzenu i veoma je postojan prema oksidacionim sredstvima i vrlo teško stupa u aromatične supstitucione reakcije.

Reakcije piridina:

1.Piridin je slaba baza (predstavlja tercijarni amin) i sa kiselinama gradi piridinijum soli:

2. Supstitucija se vrši u meta-položaju:

3. Hidrogenovanje - nastaje piperidin (jača baza od piridina):

Derivati piridina: alkaloidi (nikotin, kokain, atropin), nikotinska kiselina, nikotinamid, vitamin B6 (piridoksal, piridoksin, piridoksamin).

piridoksamin

piridoksal

Hidrogenizovani heteroprstenovi

pirolidin

piperidin

oksan

Kao i druga aromatična jedinjenja, petočlani i šestočlani aromatični heterosistemi (furan, pirol, piridin i piran) mogu da se u prisustvu katalizatora (Ni, Pt i Pb) redukuju u odgovarajuće hidrogenizovane sisteme.

Hidrogenizovani prstenovi se ponašaju kao odgovarajuća alifatična jedinjenja (tetrahidropiran i tetrahidrofuran se ponašaju kao etri, a oni koji sadrže azot se ponašaju kao sekundarni amini).

Heterociklični sistemi sa dva i više heteroatoma

imidazol

tiazol

pirimidin

purin

Imidazol
Pokazuje aromatičan karakter; jedan azot ima osobine pirola a drugi piridina, tako da imidazol pokazuje slabo bazne osobine.
Imidazolov prsten nalazi se u prirodnoj aminokiselini histidinu:

histidin

Tiazol
On je strukturno sličan tiofenu i piridinu. Vrlo je postojan prema oksidacionim i redukcionim sredstvima, relativno teško podleže aromatičnim supstitucijama i može se reći da je neaktivan.
Derivati: sulfatiazol, tiamin (vitamin B1) i penicilin.

sulfatiazol

vitamin B1

Pirimidin
On je heteroprsten od najveće važnosti. Ima aromatične osobine i slabo bazan karakter.
Derivati: citozin (C), uracil (U), timin (T), 5-metilcitozin, barbiturati (soli barbiturne kiseline).

barbiturna kiselina

Purin
Sastoji se iz jednog pirimidinskog prstena kondenzovanog sa imidazolovim.
Derivati: adenin (A), guanin (G), ksantin (i njegovi metilovani derivati - teofilin, kofein, teobromin), mokraćna kiselina.

adenin

ksantin

teofilin

teobromin

mokraćna kiselina

Organska azotna jedinjenja

U grupu organskih jedinjenja ubrajaju se sva ona jedinjenja kod kojih je azot direktno vezan za ugljnik (C-N).
Organska azotna jedinjenja su u prirodi veoma rasprostranjenja u obliku aminokiselina, proteina i enzima.

Nitro jedinjenja

To su jedinjenja koja sadrže nitro-grupu vezanu direktno za ugljenikov atom.

nitro-grupa

Alifatična nitro jedinjenja (nitroalkani):

Aromatična nitro jedinjenja: Ar-NO₂

Nitro jedinjenja mogu biti primarna, sekundarna i tercijarna.

Dobijanje - nitrovanjem metana ili benzena (ili njegovih derivata)

CH₄ + HONO₂ ---> HOH + CH3NO₂

Primeri:

Hloramfenikol - antibiotik

                              Nitrometan                                  2-nitropropan

                                 CH₃NO₂                                              (CH₃)₂CH-NO₂

Osobine - slabo kisela svojstva imaju primarna i sekundarna nitro jedinjenja.

Reakcije:
1) Redukcija do primarnih amina:

R-NO₂ + 3H₂ ---> 2HOH + RH₂

Nitrili i izonitrili

Nitrili (R-CN) i izonitrili (R-NC) koriste se za dobijanje kiselina i amina.

Dobijanje - iz alkilhalogenida i kalijumcijanida:

R-X + KCN ---> R-CN + KX

Benzil-nitril

Reakcije:
1. Hidroliza:
        a) u kiseloj sredini - nastaju kiseline:

R-CN + 2HOH ---> R-COOH + NH₃

        b) u baznoj sredini - nastaju soli kiselina:

R-CN + HOH + NaOH ---> R-COONa + NH₃

2. Katolitička hidrogenizacija - nastaju amini:

R-CN + 2H₂ ---> R-CH2NH₂

Amini

Amini su derivati amonijaka. Oni su najznačajnije organske baze.

Dobijanje:
1) Iz R-X i amonijaka - ako je R-X u višku nastaje smeša amina, a  ako je amonijak u višku nastaju primarni amini.

2) Nitrovanjem benzena i redukcijom nastalog jedinjenja:

Reakcije:
1) Sa jakim kiselinama - nastaju alkil-amonijum soli (jonske soli koje hidrolizuju kiselo):

R-NH₂ + HCl ---> R-NH3⁺Cl^-

R₂NH + HCl ---> R₂NH2⁺Cl^-

R₃N + HCl ---> R₃NH⁺Cl^-

2) Hidroliza - nastaje alkil-amonijumhidrokisd:

R-NH₂ + HOH ---> R-NH₃⁺OH^-

3) Sa HONO - reakcija služi za razlikovanje primarnih, sekundarnih i tercijarnih amina (vrši se na niskim temperaturama):
         a) primarni:
                 -alifatični:

R-NH₂ + HONO ---> R-OH + N₂ + HOH

                 -aromatični:

         b) sekundarni - nastaju nitrozoamini (kancerogeni su):

R₂NH + HONO ---> R₂HNO + HOH        

     
         c) tercijarni - oni ne reaguju sa HONO.

Primeri:

Anilin

Reakcije:
1)

2) Bromovanje

3) Sa anhidiridom sirćetne kiseline - nastaje n-fenilacetamid:

4) Sa azotastom kiselinom - nastaje benzendiazonijum-hlorid:

Aromatični amini

Reakcije:
1) Sa azotastom kiselinom:

2) Sa hloroformom:

Diamini - sadrže dve amino grupe. Nastaju raspadanjem proteina i organizma čoveka.

kadaverin

putrescin

Aminoalkoholi - sadrže amino i hidroksilnu grupu.

holin

Azidi - soli azione kiseline ( N₃H)