1

H E T E R O C Y K L I C Z N E

Z W I Ą Z K I A R O M A T Y C Z N E

Aleksander Kołodziejczyk styczeń 2007

Cykliczne związki zawierające heteroatom (tzn. atom inny niż atom węgla, najczęściej N, O lub
S) oraz odpowiednią liczbę podwójnych wiązań, tak żeby razem z wolną parą heteroatomu
spełniać regułę Hückla wykazują właściwości aromatyczne.

Należą do nich heterocykle

pięciocio- lub sześcioczłonowe

.

Pięcioczłonowe heterocykle aromatyczne

Przykłady pięcioczłonowych heterocykli aromatycznych.

N

O

S

H

..

..

..

..

C

-

..

..

pirol furan tiofen

anion cyklopendienowy

Warto zwrócić uwagę, że podobną, spełniającą regułę Hückla strukturę elektronową ma anion
cyklopentadienowy. Oczywiście wszystkie przedstawione pierścienie są płaskie.

Heterocykle aromatyczne mogą zawierać więcej heteroatomów.

N

N

O

N

S

N

H

N

N

H

N

N

N

H

..

..

..

..

..

..

..

oksazol

tiazol

imidazol pirazol triazol

[

(1,3,5)triazol

]

Znane są też heterocykle pięcioczłonowe skondensowane z innymi pierścieniami homo- lub
heterocyklicznymi.

N

H

N

H

N

N

N

H

N

indol karbazol puryna

Występowanie
Pięcioczłonowe, heterocykliczne pierścienie znajdują się w wielu związkach naturalnych.
Przykładem mogą być aminokwasy –

tryptofan

i

histydyna

, aminy biogenne, np.

tryptamina

,

histamina

czy

skatol

, alkaloidy, np. alkaloidy sporyszu (pochodne

kwasu lizerginowego

), LSD-

25 (pochodna

kwasu lizerginowego

),

johimbina

,

strychnina

(układ indolowy), alkaloidy

purynowe (

kofeina

i analogi), aminy wchodzące w skład kwasów nukleinowych, np.

guanina

,

związki zawierające

hem

, np.

hemoglobina

,

chlorofil

,

tiamina

(witamina B

1

) i wiele innych.

aminokwasy:

N

H

N CH

2

CHCOOH

NH

2

N

H

CH

2

CHCOOH

NH

2

tryptofan

histydyna

2

aminy biogenne:

N

H

CH

2

CH

2

NH

2

N

H

N CH

2

CH

2

NH

2

N

H

CH

3

N

H

CH

2

N(CH

3

)

2

N

H

CH

2

CH

2

NH

2

O

H

tryptamina

histamina

skatol

gramina

serotonina

Histamina

powstaje z

histydyny

w trakcie

dekarboksylacji

białek. Należy do hormonów

tkankowych, pojawia się w skórze, płucach i komórkach tucznych. Jest składnikiem wielu
toksyn, np. os, pszczół, niektórych toksycznych ryb. Wywołuje reakcje alergiczne, oraz obniża
ciśnienie krwi. Tego rodzaju objawy wymagają podania leków antyhistaminowych.

Skatol

tworzy się z

tryptofanu

z procesach gnilnych. Występuje w kale. Ma niezwykle

nieprzyjemny zapach. Jego zapach wyczuwalny jest przy stężeniu 10 ppb, w roztworze wodnym.
Znajduje się także w aromacie niektórych serów.

Tryptamina

należy do produktów degradacji biologicznej

tryptofanu

, powstaje również ze

strychniny

pod wpływem silnych zasad. Jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie.

Znaleziono ją w grzybach, wyższych roślina i u zwierząt. Znajduje się w owocach jadalnych, np.
ananasach, pomarańczach, śliwkach czy pomidorach.

Gramina

należy do alkaloidów grupy indoliloalkiloamin. Została wyodrębniona ze zbóż (z

jęczmienia). Powstaje w wyniku biodegradacji

tryptofanu

. Jest toksyczna.

Serotonina

jest aminą biogenną szeroko rozpowszechnioną zarówno w roślinach, jak i u

zwierząt. Znajduje się w owocach jadalnych, np. bananach, ananasach, a także w groźnych
toksynach. U saków w tym u ludzi pełni rolę

neuroprzekaźnika

działającego w ośrodkowym

układzie nerwowym i układzie pokarmowym, występuje też w trombocytach.

Niektóre czynności związane z odczuwaniem przyjemnych, np. jedzenie czekolady wywołują
zwiększone wydzielanie

serotoniny

.

Serotonina

bierze aktywny udział w procesie zasypiania - u

zwierząt doświadczalnych blokowanie jej syntezy wywoływało bezsenność. Wpływa na popęd
seksualny, zachowania impulsywne i apetyt. Niektóre narkotyki, w tym opioidy, meskalina i
LSD zwiększają syntezę i uwalnianie

serotoniny

w mózgu lub ją zastępują w roli

neuroprzekaźnika.

alkaloidy sporyszu:

N

N

H

COOH

CH

3

N

N

H

CO

CH

3

NH CH CH

2

OH

CH

3

H

H

kwas
lizerginowy

ergometryna

3

LSD-25 i

strychnina

N

N

H

CON(Et)

2

CH

3

N

N

O

O

H

H

H

H

H

LSD-25

strychnina

alkaloidy purynowe

N

N

N

N

N

N

N

N

OH

OH

O

H

N

N

N

N

O

O

O

N

N

N

N

O

O

O

CH

3

C

H

3

CH

3

H

H

H

puryna

H

H

H

H

kwas moczowy

kofeina

hem

i

chlorofil

:

N

N

N

N

N

N

N

N

COOH

COOH

..

..

H

H

tetrapirol

Fe

hem

chlorofil

i

tiamina

:

..

..

N

N

N

N

O

OC

CO

O

C

20

H

39

O

N

S

N

N

NH

3

OH

Mg

CH

3

+

-

Cl

chlorofil a

tiamina

Zadanie: wskaż i nazwij heterocykliczne ugrupowania w związków naturalnych, podanych powyżej.

Otrzymywanie
Ogólna metoda tworzenia heterocyklicznych, pięcioczłonowych pierścieni zarówno

pirolu

,

furanu

,

tiofenu

, jak i ich analogów polega na ogrzewaniu związków 1,4-dikarbonylowych

odpowiednimi reagentami.

Furan

i jego homologi powstają pod wpływem odwodnienia, np. za

pomocą P

2

O

5

. Do otrzymania pierścienia pirolowego potrzebny jest amoniak lub jego sole, a

tiofen

i jego analogi tworzą się w obecności siarczków fosforu, np. pentasiarczku fosforu –

P

4

S

10

.

R

R

z

O

R

R

O

∆

Z

związki
1.4-dikarbonylowe

związki
heterocykliczne

4

Z

acetonyloacetonu

(

heksa-2,5-dionu

) można w ten sposób otrzymać 2,5-dimetylowe pochodne

pięcioczłonowych heterocykli.

O

CH

3

C

H

3

O

CH

3

C

H

3

O

N

H

CH

3

C

H

3

S

CH

3

C

H

3

acetonyloaceton

P

2

O

5

,

∆

(NH

4

)

2

CO

3

∆

100

o

C

P

4

S

10

2,4-dimetylofuran

2,4-dimetylopirol

2,4-dimetylotiofen

Pirol

występuje w smole węglowej i z niej jest wyodrębniany. Powstaje także w trakcie

pirolizy

produktów naturalnych zawierających białko. Można go otrzymać z

furanu

w reakcji z

amoniakiem w temp. 400

o

C, wobec katalizatora jakim jest tlenek glinu.

O

N

H

NH

3

.

aq

Al

2

O

3

, 400

o

C

furan

pirol

Polecaną metodą otrzymywania

pirolu

jest

piroliza

galaktaronianu amonu

(soli amonowej

kwasu

galaktarowego

, zwanego inaczej

kwasem śluzowym

).

N

H

CH(OH)

CH

(OH)HC

CH(OH)

NH

4

OOC

O

O

pirol

(OH)

C

H

4

N

∆

- 2 CO

2

, - NH

3

, - HOH

37%

+

-

galaktoronianu amonu

N-metylowane pochodne pirolu powstają w podobnej jak wyżej reakcji z

soli metyloamoniowej

kwasu arowego

.

C-Alkilowe pochodne pirolu tworzą się w reakcji kondensacji

αααα

-aminoketonów (aldehydów) ze

związkami karbonylowymi.

CH

O

NH

2

H

H

O

N

H

C

C

+

C

- 2 HOH

pirol

αααα

-aminoketon keton

Furan

powstaje w reakcji

dekarbonylowania

(

eliminacji

CO)

furfuralu

.

Furfural

natomiast jest

produktem

pirolizy

pentoz.

O

CHOH

CH

HOC

CHOH

O

O

CHO

furan

HO

CH

∆

,

kat.

- CO

H

2

- HOH

+

H,

∆

furfural

pentoza

5

Z

furfuralu

można otrzymać

kwas pirośluzowy

, z niego zaś w reakcji

dekarboksylacji

tworzy się

furan

.

O

O

CHO

O

COOH

furan

∆

,

kat.

- CO

2

[O]

furfural kwas pirośluzowy

Tiofen

także występuje w smole węglowej, towarzyszy surowemu benzenowi z uwagi na

zbliżone temperatury wrzenia tych cieczy. Oczyszczenie benzenu poprzez usunięcie tiofenu
wymaga metod opartych na reakcjach chemicznych – podczas

sulfonowania

tej mieszaniny w

łagodnych łagodnego powstaje jedynie

kwas tiofenosulfonowy

, który jest łatwo usuwalny

poprzez przemycie wodą.

Tiofen

syntezuje się poprzez ogrzewanie

1,3-butadien

u z siarką.

S

S, 600

o

C

1,3-butadien

tiofen

- H

2

S

Do otrzymywania

tiofenu

można również wykorzystać

etyn

.

S

S, 300

o

C

tiofen

+

etyn

Przemysłowa metoda otrzymywania

tiofenu

polega ogrzewaniu

n-butanu

z siarką.

S

S

n-butan

tiofen

560

o

C

Także z

kwasu bursztynowego

powstaje

tiofen

.

S

O

OH

O

H

O

∆

P

4

S

10

kwas
bursztynowy

tiofen

Skatol

otrzymuje się syntetycznie z fenylohydrazonu propanalu.

NH N

CH

CH

2

CH

3

N

H

CH

3

∆

- NH

3

skatol

fenylohydrazon
propanalu

Właściwości fizyczne i fizjologiczne

Pirol

,

furan

i

tiofen

są bezbarwnymi, hydrofobowymi (trudno rozpuszczalnymi w wodzie)

cieczami, o temperaturach wrzenia odpowiednio: 130, 31 i 84

o

C. Temperatura wrzenia furanu

odpowiada tw. wrzenia

eteru dietylowego

(34,5

o

C). Wysoka tw.

pirolu

jest rezultatem jego

zdolności do tworzenia wiązań wodorowych, podobnie jak i innych amin 1

o

i 2

o

; wrze wyżej niż

dietyloamina (56

o

C). Wyższa tw.

tiofenu

w porównaniu z

furanem

wynika z jego wyższej masy

cząsteczkowej (tw.

sulfidu dietylowego

wynosi 92

o

C).

Wszystkie trzy omawiane związki i ich homologi mieszają się z większością popularnych
rozpuszczalników organicznych.

Pirol

pod wpływem światła i powietrza szybko ciemnie. Jest bardzo słabą zasadą, pod wpływem

mocnych kwasów polimeryzuje.

6

Zapach

tiofenu

jest słaby, mało charakterystyczny. Zapach

furanu

jest również słaby, przypomina

chloroform

. Charakterystyczny zapach ma

pirol

.

Skatol

należy do związków o bardzo

nieprzyjemnym zapachu, jest głównym składnikiem zapachowym kału.

Właściwości chemiczne
Pomimo istnienia układu dwóch sprzężonych podwójnych wiązań w pięcioczłonowych
związkach heterocyklicznych, nie wykazują one charakterystycznych właściwości dla
sprzężonych dienów, tzn.

nie polimeryzują

i nie wchodzą w reakcję dienofilami. Jedynie

pirol

w

ś

rodowisku mocnych kwasów szybko polimeryzuje, jakby pod ich wpływem tracił jakąś osłonę

zabezpieczającą go przez polimeryzacją. Te nadzwyczajne właściwości heterocykli wynikają z
ich charakteru aromatycznego. Dwa sprzężone wiązania

ππππ

z wolną parą elektronową na

heteroatomie tworzą sekstet elektronowy. Jest to jak wiadomo warunkiem zaistnienia
aromatyczności. Również drugi warunek reguły Hückla jest spełniony, ponieważ te hetrocykle
są płaskie.

Wolna para elektronowa na heteroatomie zajmuje tak jak elektrony na atomach węgla orbital p,
prostopadły do płaszczyzny pierścienia. Jest to możliwe dzięki hybrydyzacji sp

2

heteroatomu.

N

H

H

H

H

H

N

H

H

H

H

H

.

.

.

.

..

Rys. Aromatyczne sprzężenie elektronów

π

i wolnej pary elektronowej w

pirolu

Podobnie jest w

furanie

i

tiofenie

. Druga wolna para elektronów nie przeszkadza w sprzężeniu.

O

H

H

H

H

S

H

H

H

H

.

.

.

.

..

.

.

.

.

..

:

:

furan

tiofen

Wzory mezomeryczne, wynikające ze sprzężenia elektronów

π

i wolnej pary elektronów

przypominają wzory mezomeryczne

benzenu

; nie są one jednak równocenne.

z

z

z

z

z

..

..

+

-

..

+

-

..

+

-

..

+

-

Z powyższej przedstawionych wzorów mezomerycznych wynika, że cząsteczki heterocykli, w
przeciwieństwie do cząsteczki

benzenu

, powinny wykazywać moment dipolowy, ponieważ w

położeniach

αααα

i

ββββ

zgromadzony jest ładunek ujemny, a na heteroatomie dodatni. Faktycznie

furan

, np. wykazuje moment dipolowy równy 0,7D, skierowany zgodnie z oczekiwaniem, tzn. z

biegunem dodatnim na atomie tlenu.

O

O

..

..

µ

= 0,7D 1,7D

furan

..

..

tetrahydrofuran

Warto zwrócić uwagę, że

tetrahydrofuran

, uwodorniony analog

furanu

, ma biegun ujemny

zlokalizowany na atomie tlenu, jako że atom tlenu jest w tej cząsteczce najbardziej
elektroujemny, a żadne efekty nie zakłócają rozmieszczenia elektronów.

7

O

O

..

furan

..

..

tetrahydrofuran

+

δδδδ

+

δδδδ

+

δδδδ

-

δδδδ

-

δδδδ

-

δδδδ

-

δδδδ

-

δδδδ

1. Właściwości kwasowo-zasadowe

1.1. Zasadowość

Pirol

z uwagi na wolna parę elektronową przy atomie azotu powinien, jak wszystkie aminy,

wykazywać właściwości zasadowe, tzn. powinien być akceptorem protonów. Elektrony te jednak
wchodzą w skład aromatycznego sekstetu, są więc mocna zaangażowane i nie przejawiają
powinowactwa do protonów. Utworzenie przez nie wiązania z protonem wiąże się z utratą
energii rezonansu, która dla układów aromatycznych jest rzędu wartości energii wiązania
kowalencyjnego. Pod wpływem silnych kwasów

pirol

ulega jednak protonowaniu, tracąc przy

tym aromatyczność odzyskuje właściwości sprzężonego dienu i szybko polimeryzuje.

N

H

N

H

H

..

polimeryzacja

polimer

+

H

+

Z silnymi kwasami etery też tworzą sole (oksoniowe), dlatego

furan

pod ich wpływem również

polimeryzuje

.

O

O

H

..

polimeryzacja

polimer

+

H

+

..

..

furan

1.2 Kwasowość
Atom wodoru związany z atomem azotu

pirolu

jest znacznie bardziej kwaśny niż w amoniaku,

czy aminach. pK

a

Pirolu

wynosi 17,5; dla porównania pK

a

amoniaku dochodzi do 36.

Pirol

tworzy sole z wodorotlenkami metali alkalicznych, a ze związkami Grignarda reaguje, tak jak
kwasy czy związki o właściwościach kwasowych.

N

H

N

N

..

..

KOH

CH

3

MgBr

..

-

K

+

+ HOH

..

..

-

MgBr

+

+ CH

4

pirol

metan

pK

a

= 17,5

Jak wynika ze struktur mezomerycznych anion powstały z

pirolu

jest ambidentnym nukleofilem.

N

N

N

N

N

..

..

-

..

..

-

..

..

-

.. ..

-

..

..

-

struktury mezomeryczne anionu

pirolu

Ambidentny

charakter anionu

pirolu

przejawia się w tym, że ulega on zarówno N, jak i C

alkilowaniu

. Kierunek reakcji zależy głównie od właściwości odczynnika alkilującego, a także

od rodzaju rozpuszczalnika oraz towarzyszącego kationu.

Acylowanie

anionu

pirolu

prowadzi

do pochodnej zawierającej resztę acylową w pozycji 2.

8

N

N

Me

N

H

Me

N

H

Me

N

Me

N
H

C-CH

3

O

..

..

-

MgBr

+

TosOMe

MeI

AcCl

..

..

..

..

..

N-metylopirol

2-metylopirol

3-metylopirol

2-acetylopirol

N-metylopirol

Silne zasady (BuLi, PhNa itp.) są w stanie oderwać protony z pierścienia N-alkilopirolu,

furanu

i

tiofenu

. Oderwaniu (deprotonacji) w pierwszej kolejności ulega proton w pozycji 2, a następnie

4. Deprotonowane heterocykle (aniony) wchodzą w typowe reakcje, np.

acylowania

czy

alkilowania

.

O

O

O

COOH

..
..

+ PhNa

..
..

:

Na

+

-

- C

6

H

6

1.

CO

2

2.

H

+

..
..

furan fenylosód kwas furano-2-karboksylowy

S

CH

3

S

CH

3

Li

S

CH

3

HOOC

..
..

BuLi

..
..

..
..

1.

CO

2

2.

H

+

3-metylotiofen 3-metylotiofenylo-5-lit kwas 3-metylotiofeno-5-karboksylowy

2. Polimeryzacja
Pod wpływem silnych kwasów

pirol

i

furan

tracą właściwości aromatyczne i szybko

polimeryzują

, czyli ulegają reakcji charakterystycznej dla sprzężonych dienów.

N

H

N

H

H

..

polimeryzacja

polimer

+

H

+

Mechanizm polimeryzacji
Protonowany

pirol

staje się elektrofilem i reaguje z drugą cząsteczką

pirolu

wg typowego

mechanizmu reakcji S

E

.

N

H

N

H

H

N

H
H

N

H

N

H
H

N

H

N

H

H

H

H

..

+ H

+

+

+

H

..

+

+

H

+

H

tautomeria

Zadanie: przedstaw mechanizm

polimeryzacji

furanu

.

9

3. Substytucja elektrofilowa S

E

Właściwości aromatyczne heterocykli pięcioczłonowych przejawiają się w ich podatności na
substytucję elektrofilową.

Pirol

,

furan

i

tiofen

ulegają reakcją S

E

znacznie łatwiej niż

benzen

.

Obecność heteroatomu w pierścieniu aktywuje te związki w reakcjach S

E

podobnie jak

przyłączona do pierścienia benzenowego grupa aminowa czy fenolowa.

Halogenowanie

,

nitrowanie

,

sulfonowanie

czy

acylowanie

heterocykli pięcioczłonowych prowadzi się w niskich

temperaturach, po to żeby zapewnić selektywność reakcji (ograniczyć podstawienie kolejnych
atomów wodoru). Monopodstawienie następuje w pozycji 2, pod warunkiem, że nie jest ona
zajęta. Reaktywność heterocykli pięcioczłonowych zmienia się wg następującego szeregu:

tiofen

>

pirol

>

furan

.

3.1 Halogenowanie

Halogenowanie

, podobnie jak w przypadku

aniliny

i

fenolu

nie wymaga stosowania katalizatora.

O

O

Br

+ Br

2

dioksan

0

o

C

+ HBr

furan 2-bromofuran

(90%)

3.2 Sulfonowanie
Najdogodniejszym czynnikiem sulfonującym jest tritlenek siarki. Kwas siarkowy powoduje
polimeryzację

pirolu

i

furanu

.

O

O

SO

3

H

+ SO

3

pirydyna

0

o

C

furan

kwas furano-2-
-karboksylowy

3.3 Nitrowanie
W mieszaninie nitrującej zamiast kwasu siarkowego stosuje się

bezwodnik octowy

, którego

głównym zadaniem jest wiązanie wydzielającej się wody.

N

H

N

H

NO

2

+ HNO

3

Ac

2

O

0

o

C

pirol

2-nitropirol

(83%)

Można również do tego celu wykorzystać

octan nitrozylu

.

N

H

N

H

NO

2

N

H

NO

2

+ AcONO

2

-10

o

C

pirol

(61%)

(13%)

+

2-nitropirol 3-nitropirol

Nitrowanie

tiofenu

daje jeden izomer.

S

S

NO

2

+ AcONO

2

0

o

C

tiofen

2-nitrotiofen

3.4 Acylowanie

Acylowanie

heterocykli pięcioczłonowych prowadzi się typowymi odczynnikami acylującymi, a

więc chlorkami kwasowymi i bezwodnikami, można jednak stosować inne niż chlorek glinu
katalizatory.

10

O

O

C-CH

3

O

Ac

2

O

BF

3

furan

2-acetylofuran

S

S

O

PhCOCl

SnCl

4

tiofen

2-benzoilotiofen

C

3.5 Sprzęganie
Sole diazoniowe łatwo

sprzęgają

się z pięcioczłonowymi heterocyklami. Podstawienie grupą

azową następuje w najbardziej reaktywnym miejscu, czyli w pozycji 2.

N

H

N

H

N N

N N

SnCl

4

pirol

2-(fenyloazo)pirol

+

-

Cl

Analiza stanów granicznych adduktu po przyłączeniu elektrofila do pięcioczłonowego związku z
jednym heteroatomem wyjaśnia dlaczego do substytucji dochodzi w pozycji 2.

z

z

Y

H

z

Y

H

z

Y

H

z

Y

H

z

Y

H

N

N

Y

H

N

H Y

N

H Y

N

Y

H

N

Y

H

N

Y

H

Z: O; S lub NH

atak na
pozycję 2

atak na
pozycję 3

..

Y

+

+

+

+

+

+

..

..

..

atak na
pozycję 2

atak na
pozycję 3

Y

+

+

.. H

.. H

..

H

+

H

+

+

.. H

+

.. H

+

.. H

Dla adduktu w pozycji 3 można napisać tylko 2 wzory mezomeryczne, przy czym drugi jest
niekorzystny energetycznie, ponieważ ładunek dodatni jest zlokalizowany na heteroatomie, czyli
bardziej elektroujemnym atomie niż atom węgla.

W

indolu

, analogu

pirolu

sybstytucja S

E

dokonuje się w pozycji 3 pierścienia heterocyklicznego,

ponieważ addukt w tej pozycji zapewnia pełny sekstet eletronów

π

w pierścieniu benzenowym.

11

4. Barwnik pirolowe

4.1 Barwniki dipirylometenowe
Reakcja

metanalu

z

pirolem

(podobnie jak z

fenolem

) prowadzi do produktów kondensacji.

Kondensaty liniowe są wykorzystywane jako barwniki, tzw.

pirometany

(inaczej

barwniki

dipirylometenowe

); mają one zabarwienie żółte lub pomarańczowe. W środowisku zasadowym

z

pirolu

i jego pochodnych powstają alkohole 1

o

.

N

H

N

H

CH

2

OH

+ CHO

-

OH

pirol

2-hydroksy-
metylopirol

W środowisku kwaśnym powstały alkohol 1

o

reaguje z drugą cząsteczką

pirolu

lub jego

homologiem tworząc odpowiedni dipirylometan.

N

H

CH

2

OH

C

H

3

CH

3

N

H

CH

3

C

H

3

N

H

CH

2

C

H

3

CH

3

N

H

CH

3

H

+

+

CH3

2,5-dimetylopirol 2-hydroksy-3,5-dimetylopirol 2,5,2

’,5’-tetrametylopirylometan

Dipirylometany łatwo ulegają odwodornieniu do dipirylometenów. Siłą napędową tej reakcji
odwodornienia jest rozszerzenie układu sprzężenia.

N

H

CH

2

C

H

3

CH

3

N

H

CH

3

N

H

CH

C

H

3

CH

3

N

CH

3

[O]

CH

3

CH

3

2,5,2

’,5’-tetrametylopirylomet

an

2,5,2

’,5’-tetrametylopirylomet

en

Inny kolor końcówek nazw pokazuje różnice w budowie tych związków.

Dipirylometeny są silnymi zasadami; z kwasami dają łatwo krystalizujące sole. Kation tych soli
jest stabilizowany mezomerycznie.

N

H

CH

R

R

N

R

N

CH

R

R

N

H

R

N

H

CH

R

R

N

R

-

..

HBr

H

H

..

+

+

Br

dipirylometen

R

R

R

bromek dipirylometeniowy

4.2 Barwniki porfirynowe

Pirol

i jego pochodne tworzą makrocykliczne pierścienie składające się z czterech reszt

pirolowych. Noszą one nazwę

porfiryn

. Najprostszą

porfirynę

można otrzymać w wyniku

kondensacji

pirolo-2-karboaldehydu

.

12

N

CH

N

H

CHO

N

CH

N

H

OHC

O

O

N

N

H

N

H

N

- 4 HOH

porfiryna

H

H

+

pirolo-2-
-karboaldehyd

:

:

:

:

Porfiryna jest związkiem krystalicznym, który nie topnieje lecz rozkłada się w temperaturze
360

o

C. Ma zabarwienie ciemnoczerwone. Jest cząsteczką płaską, w której 11 wiązań podwójnych

C=C lub C=N i 4 wolne pary elektronów atomu azotu tworzą nieprzerwaną sieć układu
sprzężonego, składającą się w sumie z 30 elektronów. Liczba ta spełnia regułę aromatyczności
Hückla (n = 7). Sprzężenie elektronów w

porfirynie

daje energię rezonansu równą 250 kcal.

Cztery pierścienie pirolowe są równocenne

, a atomy wodoru przy atomach azotu zajmują

miejsce nieokreślone. Można napisać szereg struktur mezomerycznych, przy czym dwie są
najważniejsze, wykazują bowiem równocenność pierścieni pirolowych i nieokreśloną pozycję
atomów wodoru.

N

N

H

N

H

N

N

N

N

N

:

:

:

:

:

:

:

:

H

H

Układ porfiryny znajduje się w wielu związkach biologicznie czynnych, takich jak hemoglobina
(w części zwanej hemem), chlorofil, witaminia B

12

i inne.

Hemoglobina

jest białkiem złożonym. W jej skład wchodzą cztery elementy zbudowane jedynie z

aminokwasów, zwane globulinami i

hem

, – pochodna

porfiryny

zawierająca dodatkowo

podstawniki i grupy funkcyjne oraz skoordynowany kation Fe

+2

.

N

N

N

N

COOH

COOH

:

Fe

:

hem

Cztery atomy azotu

hemu

są równocenne. Rola hemoglobiny polega na przenoszeniu tlenu z

płuc, gdzie jego stężenie jest wysokie do komórek, gdzie jego stężenie jest niższe. Tlen z

hemoglobiny

przekazywany jest do

mioglobiny

, która stanowi magazyn tlenu w komórkach i w

miarę potrzeby przekazuje go do reakcji utleniania.

Hemoglobina

odbiera z komórki CO

2

i w

płucach wymienia go na tlen. śelazo w trakcie tych procesów nie zmienia stopnia utlenienia; tlen
i CO

2

łączy się koordynacyjnie z atomem żelazem

hemu

.

Hemoglobina

zawierająca cząsteczkę

tlenu nazywa się

hemoglobiną utlenowaną

lub

oksyhemoglobiną

(

nie utlenioną

).

13

Hem

można wyizolować, tworzy on brunatne krystaliczne igły. Łatwo ulega utlenieniu. Po

utlenieniu jonu żelaza do Fe

+3

produkt nosi nazwę

met

hemoglobiny

lub

ferri

hemoglobiny

, w

odróżnieniu od

hemu

nazywanego również

ferro

hemiglobiną

.

Methemoglobina

jest nieczynna w

procesie przenoszenia tlenu.

Hem

w zależności od otaczających go białek może pełnić różne funkcje, oprócz przenoszenia

tlenu i ditlenku węgla (w

hemoglobinie

), magazynowaniu tlenu (w

mioglobinie

), jest także

przenośnikiem elektronów (w

cytrochromie c

), bierze też udział w rozkładzie nadtlenku wodoru

(w

katalazie

). W

chlorofilu

znajduje się

magnezoporfiryna

, która bierze udział w procesach

fotosyntezy

(jest fotoakceptorem).

O

N

N

N

N

C=O

O

O=C

Mg

chlorofil a

OCH

3

Syntetyczne analogi porfiryn znalazły zastosowanie jako barwniki. Należą do nich ftalocyjaniny.
Niebieski barwnik z tej grupy powstaje w reakcji ogrzewania

dinitrylu kwasy ftalowego

z solami

miedzi. Można je otrzymać także z

bezwodnika ftalowego

pod wpływem mocznika.

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

O

O

O

O

NH

2

NH

2

C

C

4

Cu

2

Cl

2

lub Cu

Cu

Cu

2

Cl

2

H

3

BO

3

+ 8

C

dinitryl kwasu ftalowego

ftalocyjanina

bezwodnik ftalowy

Ftalocyjaniny są stosowane jako pigmenty do wyrobu farb poligraficznych, olejnych, do
barwienia

kauczuku

i tworzyw syntetycznych.

Indygo

należy do naturalnych barwników. Było stosowane w starożytnym Egipcie i w dawnych

Indiach. Do Europy zaczęto je sprowadzać w XVI wieku. Wydobywało się je z roślin gatunku
Indigofera. Od XIX w.

indygo

stało się popularnym barwnikiem, ponieważ opracowano

syntetyczne metody jego otrzymywania. Służy między innymi do barwienia niebieskich dżinsów.

W stanie naturalnym występuje w postaci glukozydu, który jest enzymatycznie rozkładany do

indoksylu

.

Indoksyl

pod wpływem powietrza łatwo

utlenia się

do rodnika, po czym jego

następuje

dimeryzacja

i tworzy się bezbarwny

indoksyl

, a z niego w dalszym procesie

utleniania

powstaje barwne

indygo

.

14

O

O

H

O

H

OH

O

N

H

N

H

OH

N

H

O

N

H

O

H

N

H

O

H

N

H

O

H

N

H

O

H

H

N

H

O

N

H

O

H

H

N

H

O

N

H

O

indykan

hydroliza
enzymatyczna

lub kwa

ś

na

O

2

.

.

rodnik

indoksyl

O

2

dimeryzacja

0,5 O

2

- HOH

odwodornienie

indygo

(glukozyd indoksylu)

OH

Rys. Przekształcanie surowca roślinnego zawierającego surowiec indygo w barwnik

Opracowano wiele metod syntezy

indygo

. W jednej z nich surowcem jest

kwas antranilowy

,

który w reakcji

N-alkilowania

solą

kwasu chlorooctowego

zostaje przekształcony w

o-

karboksyfenyloglicynę

.

Z niej z kolei po

cyklizacji

i

dekarboksylacji

tworzy się

indoksyl

, który

po utlenieniu przechodzi

indygo

.

N

H

OH

N

H

O

N

H

O

N

H

O

NH

2

COOH

N

COOH

CH

2

COOH

N

H

OH

COOK

O

2

indoksyl

indygo

+ ClCH

2

COOH

1.

Na

2

CO

3

KOH

260

o

C

H

2.

H

+

- CO

2

o-karboksy-N-fenyloglicyna

kwas antranilowy

(39%)

(55%)

Barwienie za pomocą

indygo

dokonuje się

technika kadziową

. Najpierw nierozpuszczalne w

wodzie

indygo

redukuje się za pomocą ditionianu sodu do rozpuszczalnej formy, która nosi

nazwę

leukoindygo

. Klarownym roztworem

leukoindygo

(

kadź

) nasącza się tkaniny, które

schnąc na powietrzu zabarwiaja się w wyniku utleniania

leukoindygo

do

indygo

.

15

N

H

O

N

H

O

N

H

O

N

H

O

indygo

-

-

leukoindygo

Na

2

S

2

O

4

[H]

powietrze [O]

Zanik barwy w

leukoindygo

jest skutkiem zmiany układu sprzężonych wiązań podwójnych.

Nasycone, pięcioczłonowe związki heterocykliczne

Pirol

redukowany wodorem na Ni traci aromatyczność i przekształca się w cykliczną aminę

alifatyczną –

pirolidynę

. Widoczna jest ogromna różnica w zasadowości obu związków.

N

H

N

H

H

2

/Ni

pirol

pirolidyna

pK

a

~14 ~ 3

Podobnie z

furanu

powstaje

tetrahydrofuran

(THF), popularny rozpuszczalnik eterowy.

O

O

H

2

/Ni

furan

tetrahydrofuran

Tetrahydrotiofen

najłatwiej otrzymać w reakcji

1,4-dibromobutanu

z siarczkiem sodu.

Tetrahydrotiofen

ma typowe właściwości jak inne sulfidy.

Br

Br

S

Na

2

S

1,4-dibromo-
butan

tetrahydrotiofen

Sześcioczłonowe heterocykle aromatyczne

Głównym przedstawicielem tej grupy związków jest

pirydyna

. Jej analog tlenowy –

piran

– jest

nietrwały, nie ma właściwości aromatycznych – szybko polimeryzuje.

N

O

O

pirydyna

α

αα

α

-piran

γγγγ

-piran

..

..

..

..

..

Znane są dialkilowe pochodne piranów i

kation piryliowy

, który ma właściwości aromatyczne.

O

R

R

O

R

R

O

..

..

..

..

..

+

X

-

dialkilowe pochodne piranów kation piryliowy

Sole kationu pirylowego powstają w wyniku

odwodnienia

odpowiednich 1,5-dialdehydów lub

1,5-diketonów.

O

CHO

O

H

..

+

Cl

-

POCl

3

- 2 HOH

aldehyd glutakonowy chlorek piryliowy

(

penta-2,4-dien-1,5-dial

)

16

Występowanie

Pirydyna

znajduje się w smole pogazowej, natomiast wiele jej analogów i pochodnych występuje

w naturze. Pierścień pirydynowy wchodzi skład wielu alkaloidów, np.

rycyniny

(w nasionach

olejodajnej rośliny – rącznika) czy w

nikotynie

. Uwodorniony pierścień odnajdujemy w

koniinie

,

lobelinie

(w stroiczce rozdętej) czy w alkaloidach palmy areki (np.

arekaidyna

).

N

O

CH

3

CN

N

N

H

CH

3

N

H

CH

2

CH

2

CH

3

OCH

3

rycynina

(-)-(S)-nikotyna

(+)-(S)-koniina

N

OH

O

CH

3

N

COOH

CH

3

lobelina arekaidyna

Pierścień pirydynowy znajduje się w

chinolinie

i

izochinolinie

. Pochodnymi tych związków są

między innymi takie alkaloidy jak

chinina

i

papaweryna

.

N

N

O

H

CH

2

CH

3

O

N

CH

3

O

CH

3

O

CH

3

O

OCH

3

chinina

papaweryna

Kwas nikotynowy

i jego

amid

należą do grupy witaminy B.

N

COOH

kwas nikotynowy

Nazwa powyższego kwasu wywodzi się od jednego ze sposobu jego otrzymywania.

Kwas

nikotynowy

powstaje w reakcji utlenienia

nikotyny

.

Nikotynamid

wchodzi w skład dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD

+

), koenzymu

ATP. NAD

+

jest ważnym biochemicznym utleniaczem. W trakcie utlenienia przekształca się w

zredukowany dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NADH).

N

O

CH

2

-O-P-O-P-O-CH

2

NH

2

O

O

O

O

O

O

N

N

N

N

NH

2

+

-

-

nikotynamid

adenina

17

Otrzymywanie pirydyny
Głównym, a właściwie jedynym źródłem

pirydyny

jest smoła pogazowa, w której jej zawartość

dochodzi do 0,1%. Wyodrębnia się ją za pomocą destylacji. We frakcji zwanej olejem lekkim

pirydynie

towarzyszą jej homologi: trzy metylopirydyny, zwane pikolinami, dimetylopirydyny,

tzw. lutydyny i kolidyny, czyli trimetylopirydyny.

Zadanie: narysuj wzory i nazwij homologi pirydyny.

Nie ma prostej syntezy

pirydyny

.

3-Pikolina

powstaje w reakcji

akroleiny

z amoniakiem w

temperaturze 350

o

C w obecności katalizatorów.

CH

CH

CH

2

O

CH

CH

CH

2

O

N

CH

3

NH

3

+

350

o

C, kat.

- 2 HOH

3-pikolina

akroleina

Właściwości fizyczne pirydyny
Pirydyna jest cieczą wrzącą w temperaturze 115

o

C, topnieje przy -41

o

C. Miesza się całkowicie z

wodą. Ma nieprzyjemny zapach, trochę przypominający tytoń.

Właściwości chemiczne pirydyny

Pirydyna

ma właściwości związków aromatycznych. Pięć atomów węgla i atom azotu w

pierścieniu

pirydyny

mają hybrydyzację sp

2

. Aromatyczność

pirydyny

wynikają z planarnej

budowy cząsteczki i sprzężenia 6 elektronów

ππππ.

Wolna para elektronów atomu azotu znajduje się

na orbitalu sp

2

, a więc inaczej niż w

pirolu

i nie bierze udziału w sprzężeniu.

N

H

H

N

H

H

H

.

.

.

.

.

.

:

wolna para
na orbitalu sp

2

pirydyna

Kąty pomiędzy wiązaniami C-C i C-N wynoszą po 120

o

, wiązania tworzące pierścień są

jednakowej długości – 1,39 Å.

Pirydynę

można przedstawić za pomocą wzorów

mezomerycznych.

N

N

Reakcje substytucji elektrofilowej, S

E

Pirydyna

jest znacznie mniej aktywna w reakcjach

substytucji elektrofilowej

, nie tylko w

porównaniu z aromatycznymi heterocyklami pięcioczłonowymi, ale również w porównaniu z

benzenem

. Reakcje S

E

pirydyny

wymagają drastycznych warunków (wysokiej temperatury). W

reakcjach Friedel-Craftsa

pirydyna

jest nieaktywna.

18

N

N

Br

N

SO

3

H

N

NO

2

Br

2

300

o

C

+ HBr

SO

3

, HgSO

4

H

2

SO

4

,220

o

C

HNO

3

NaNO

3

, 370

o

C

RX lub RCOX

AlCl

3

brak reakcji

+ HOH

3-bromopirydyna

30%

kwas
3-pirydynosulfonowy

70%

3-nitropirydyna

5%

pirydyna

Substytucja elektrofilowa

w

pirydynie

zachodzi w pozycji 3, ponieważ pozycja 2 jest

dezaktywowana. We wzorach mezomerycznych po ataku odczynnika elektrofilowego w pozycji
2 i 4 obserwuje się ładunek dodatni na atomie azotu, co jest niekorzystne, z uwagi na to, że atom
azotu jest bardziej elektroujemny od atomu węgla.

N

N

Y

H

N

Y

H

N

H

Y

N

Y

H

N

H

Y

N

Y

H

N

Y

H

N

Y

H

N

H

Y

Y

+

2

3

4

+

+

..

..

..

..

+

..

+

+

..

..

+

+

..

..

+

+

..

Obniżona reaktywność

pirydyny

spowodowana jest również wyciąganiem elektronów z

pierścienia i skupienie się ładunku ujemnego na atomie azotu, co dezaktywuje pierścień na atak
nukleofilowy. Stosunkowo do najmniejszej utraty elektronów dochodzi w położeniu 3 oraz 5 i w
tych miejscach następuje substytucja. Duża wartość momentu dipolowego, z ujemnym biegunem
na atomie azotu, świadczy o przesunięciu elektronów w stronę atomu azotu.

N

N

H

µµµµ

= 2,26D

δ

-

δ

+

δ

+

δ

+

δ

+

δ

+

..

+

pirydyna
protonowana

Ponadto reakcje S

E

biegną często w środowisku kwaśnym, co powoduje

protonowanie

atomu

azotu i utworzenie ładunku dodatniego, a więc jeszcze silniejsza dezaktywację.

19

Reakcje substytucji nukleofilowej
Częściowy ładunek dodatni w cząsteczce

pirydyny

w położeniach 2, 4 i 6 czyni te miejsca

podatne na atak silnych nukleofili. Odpowiednie pochodne reagują z nukleofilami.

N

Cl

N

OC

2

H

5

Na

+

OEt

-

EtOH

4-chloropirydyna

4-etoksypirydyna

(75%)

N

Br

N

NH

2

NaNH

2

NH

3

2-bromopirydyna

2-aminopirydyna

(67%)

W podwyższonej temperaturze nawet sam amoniak jest zdolny wymieć atom halogenu.

N

Cl

N

NH

2

NH

3

180

o

C

4-chloropirydyna

4-aminopirydyna

N

Cl

N

NH

2

NH

3

2-chloropirydyna

2-aminopirydyna

180

o

C

Mechanizm reakcji
Powyższe reakcje biegną wg typowego mechanizmu

aromatycznej substytucji nukleofilowej

–

addycja-eliminacja. Obecność atomu azotu w pierścieniu

pirydyny

aktywuje położenie 2 na atak

nukleofilowy. Po

addycji

nukleofila następuje

eliminacja

halogenu.

N

Cl

N

Cl

NH

2

N

NH

2

+ NH

2

:

..

..

-

..

-

..

..

- Cl

-

2-chloropirydyna 2-aminopirydyna

Warto zwrócić uwagę na to, że powyższy mechanizm przypomina mechanizm reakcji substytucji
w grupie karbonylowej pochodnych kwasów karboksylowych, np.

amonolizę

chlorków

kwasowych do amidów.

R

Cl

O

R

Cl

O

NH

2

R

NH

2

O

C

+ NH

2

:

..

..

-

..

..

- Cl

-

C

:

:

-

C

..

:

chlorek kwasowy amid

Oczywiście chlorki kwasowe są znacznie aktywniejsze niż

2-chloropirydyna

i dla ich

amonolizy

wystarczy amoniak; nie trzeba tak silnych nukleofili jak amidki.

Substytucji nukleofilowej

nie ulegają pochodne

pirydyny

zawierające grupę odchodząca w

położeniu 3.

Reakcja Cziczibabina
Pod wpływem silnych nukleofili dochodzi do podstawienia atomu wodoru w samej

pirydynie

.

20

N

N

NH

2

..

1.

NaNH

2

2.

HOH

+ H

2

N

N

..

1.

PhLi

100

o

C

pirydyna

2-fenylopirydyna

Mechanizm reakcji
Reakcja polega na

addycji

nukleofila w pozycji 2

pirydyny

, odszczepienie jonu wodorkowego,

utworzenie cząsteczki H

2

z protonem oderwanym z grupy aminowej i przekształcenie adduktu w

stabilizowany mezomerycznie anion aminopirydyniowy. Pod wpływem wody z anionu powstaje

2-aminopirydyna

.

N

N

NH

2

H

N

NH

H

N

NH

N

NH

N

NH

2

..

- H

2

..

+ NH

2

: ..

-

..

..

..

..

+ H

-

:

..

..

..

-

..

..

..

-

-

..

pirydyna

HOH

2-aminopirydyna

Reakcja 2-pikoliny z aldehydami
Atomy

α

-wodoru w alkilopirydynach mają właściwości kwasowe i pod wpływem zasad ulegają

odszczepieniu. Powstały w ten sposób karboanion reaguje ze związkami karbonylowymi jako
donor elektronów. Produkty addycji – hydroksypochodne – łatwo tracą cząsteczkę wody tworząc
nowe wiązanie C=C, sprzężone z aromatycznymi elektronami

ππππ

.

N

CH

3

HC

O

N

CH CH

N

CH

2

N

CH

2

HC

O

N

CH CH

H

OH

NaOH

..

..

..

-

OH

..

-

..

..

-

..

- HOH

2-pikolina

1-fenylo-2-(2-pirydylo)eten

1-fenylo-1-hydroksy-2(2-pirydylo)etan

21

Hydroksypirydyny
Znane są trzy hydroksypirydyny –

2-hydroksypirydyna

,

3-hydroksypirydyna

i

4-

hydroksypirydyna

. Izomery 2- i 3- można otrzymać podobnie jak

fenol

poprzez

diazowanie

aminopirydyn i

reakcję

zagotowania

lub w wyniku

stapiania

kwasów pirydynosulfonowych z

wodorotlenkiem sodu.

Zadanie: napisz schematy reakcji otrzymywania hydroksypirydyn za pomocą

reakcji zagotowania

i

reakcji

stapiania

.

Hydroksypirydyny powstają również w wyniku bezpośredniego

hydroksylowania

pirydyny

wodorotlenkiem sodu w podwyższonej temperaturze. Jest to reakcja zbliżona do reakcji
Cziczibabina.

N

N

OH

NaOH

..

pirydyna

..

∆

2-hydroksypirydyna

Synteza izomeru 3 jest bardziej skomplikowana.

Wszystkie hydroksypirydyny mają właściwości zbliżone do

fenolu

. Łatwiej ulegają reakcjom

substytucji elektrofilowej niż sama

pirydyna

.

2-

i

4-Hydroksypirydyny

są w równowadze

tautomerycznej z odpowiednimi pirydonami.

N

O

N

OH

H

piryd-2-on

..

2-hydroksypirydyna

(pirydyn-2-ol)

N

O

N

OH

H

(pirydyn-4-ol)

piryd-4-on

..

4-hydroksypirydyna

Z

hydroksypirydyny

można otrzymać pochodne obu tautomerów.

Diazometan

przekształca

2-

hydroksypirydynę

w

2-metoksypirydynę

, a alkilowanie

jodkiem metylu

prowadzi do

N-

metylopiryd-2-onu

.

N

OH

N

N

O

CH

2

N

2

OCH

3

OCH

3

2-metoksypirydyna

2-hydroksypirydyna

N-metylo-
piryd-2-on

CH

3

I

Znane są również tiolowe pochodne

pirydyny

. One również są w stanie równowagi z formą

tautomeryczną.

Zadanie: narysuj wzór tiolowej pochodnej

pirydyny

i przedstaw przemianę tautomeryczną.

N

SH

..

2-merkaptopirydyna

(pirydyno-2-tiol)

Utlenianie pirydyny i jej pochodnych

Pirydyna

jest odporna na działanie wielu utleniaczy. Podobnie jak w arenach homocyklicznych

łatwo daje się utlenić jej łańcuch boczny.

22

N

CH

3

N

COOH

KMnO

4

1-pikolona

kwas 1-pikolinowy

Kwas 3-pikolinowy

znany pod nazwą

kwasu nikotynowego

, ponieważ powstaje w wyniku

utlenienia nie tylko

3-pikoliny

, ale i z

nikotyny

, z której zresztą został otrzymany po raz

pierwszy.

N

CH

3

N

COOH

N

N

CH

3

H

KMnO

4

KMnO

4

4-pikolina kwas nikotynowy

(

kwas 3-pikolinowy

)

nikotyna

Pirydyna

jest bardziej odporna na utlenienie niż

benzen

, dlatego z chinoliny pod wpływem

działania nadmanganianu potasu powstaje

kwas chinolinowy

, w którym zostaje zachowany

pierścień heterocykliczny.

N

N

COOH

COOH

KMnO

4

chinolina

kwas
chinolinowy

Pirydyna

w obecności nadkwasów ulega utlenieniu i zostaje przekształcona w

1-tlenek pirydyny

(

N-tlenek pirydyny

).

N

N

O

CH

3

COOOH

-

+

- CH

3

COOH

pirydyna

1-tlenek pirydyny

1-Tlenek pirydyny

zachowuje właściwości aromatyczne, z tym że rozkład ładunków w

pierścieniu jest inny niż w

pirydynie

. Z poniżej przedstawionych wzorów mezomerycznych

wynika, że reakcje

substytucji elektrofilowej

1-tlenku pirydyny

powinny zachodzić w

pozycjach 2 i 4 (inaczej niż w

pirydynie

).

N

O

N

O

N

O

N

O

-

+

-

+

:

:

..

..

-

+

..

: :

:

:

-

+

..

: :

1-tlenek pirydyny

Z innych wzorów mezomerycznych wynika, że

1-tlenek pirydyny

powinien być aktywniejszy niż

pirydyny

w reakcjach

substytucji nukleofilowej

.

N

O

N

O

N

O

N

O

-

+

-

+

:

:

..

..

:

:

..

+

..

:

:

..

+

..

:

:

..

-

-

1-tlenek pirydyny

Poprzez utlenienie

pirydyny

do jej N-tlenku można zsyntezować wiele pochodnych

niemożliwych do otrzymania bezpośrednio z

pirydyny

. Powrót z

tlenku pirydyny

(lub tlenku jej

pochodnych) do

pirydyny

(jej pochodnych) dokonuje się w reakcji z PCl

3

.

23

N

N

O

N

NO

2

O

O

N

O

CH

3

N

N

NO

2

: :

..

+

-

[O]

HNO

3

/

H

2

SO

4

100

o

C

PhMgBr

CH

3

I

: :

..

+

-

: :

..

+

-

: :

+

-

I

PCl

3

1-tlenek
4-nitropirydyny

pirydyna

1-tlenek pirydyny

1-tlenek
2-fenylopirydyny

jodek
1-metoksy-
pirydyniowy

4-nitropirydyna

Sole pirydyniowe stosunkowo łatwo

redukują

się do pochodnych 1,2-dihydropirydyny.

N

R

N

R

H

H

+

X

-

NaBH

4

- HX

..

N-alkilo-1,2-di-
hydropirydyna

kation
N-alkilo-
pirydyniowy

Reakcje

utleniania

kationu N-alkilopirydyniowego do

N-alkilo-1,2-dihydropirydyny

i odwrotnej

redukcji

są wykorzystywane w procesach biochemicznych. Bierze w nich udział koenzym

zwany

dinukleotydem nikotynoamidoadeninowym

(NAD

+

) i jego zredukowana forma –

zredukowany dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy

(NADH). NAD

+

utlenia alkohole do

aldehydów lub ketonów, a także uczestniczy w „spalaniu” (w metabolizmie) kwasów
tłuszczowych.

N

O

OH

O

H

CH

2

O P O P O

O

O

H

OH

CH

2

N

N

N

N

NH

2

O

NH

2

O

O

O

O

C

+

-

-

nikotynoamid

dinukleotyd nikotynoamidoedeniny (NAD

+

)

adenina

24

N

O

OH

O

H

CH

2

H H

O P O P O

O

O

H

OH

CH

2

N

N

N

N

NH

2

O

NH

2

O

O

O

O

[H]

[O]

C

-

-

dihydronikotynoamid

zredukowany dinukleotyd nikotynoamidoedeniny (NADH)

H

+

+

Zmiany zachodzą na reszcie

amidu kwasu nikotynowego

.

N

R

O

NH

2

N

H

H

R

O

NH

2

..

+

C

+ 2 H

+

C

+ H

NAD

+

+ 2 H

NADH + H

+

Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy

(NAD

+

) jest głównym akceptorem elektronów

(utleniaczem) w procesach utleniania substratów oddechowych.

Na podobnej zasadzie co NAD

+

działa regent nazwany

estrem Bartona

.

Sir Derek H. R. Barton (ur. w 1918 r. w Gravelsend, Anglia); doktorat i habilitacja w Londynie; prof. w Birkbeck
College, Harvard, Glasgow, Imperial College, Institut de Chimie des Substances Naturelles, Texas A&M,; Nagroda
Nobla (1969).

Estrem Bartona nazywany jest

O-acetylo 1-tlenek 2-pirydynotiolu

.

N

SH

O

N

S

O

H

N

S

O

N

S

O

O

Cl

N

S

O

O

R

+

-

: :

..

-

: :

..

..

..

..

:

NaH

+

-

: :

..

..

..

:

: :

..:

..

-

R

C

: :

..:

C

ester Bartona

1-tlenek
pirydyno-2-tiolu

Ester Bartona służy między innymi do otrzymywania pochodnych cynoorganicznych.
Trialkilocyna pod wpływem czynników rodnikotwórczych zostaje przekształcona w rodnik,
który z kolei ulega addycji do estru Bartona. Stabilizacja adduktu następuje poprzez eliminację
rodnika acyliowego i jego rozkład na CO

2

i rodnik alkilowy.

25

N

S

O

O

R

CN

CN

CH

3

CH

3

CN

C

H

3

CH

3

H

CN

C

H

3

CH

3

N

S Sn

..

..

:

:

..:

C

CH

3

-C-N=N-C-CH

3

80

o

C

2

C

+ N

2

.

Sn

+

C.

Sn. + (CH

3

)

2

CHCN

Sn.

..

..

..

+ CO

2

+

.

R

Chinolina

Chinolina

jest syropowatą, trudno rozpuszczalną w wodzie cieczą, wrząca w temperaturze 238

o

C,

ma żółtawe zabarwienie. Pod wpływem światła i powietrza brunatnieje. Z silnymi kwasami
tworzy sole; jest słabszą zasadą niż

anilina

.

Chinolinę

otrzymuje się za pomocą syntezy Skraupa. Powstaje ona w reakcji Michaela

aniliny

z

akroleiną

.

Akroleina

tworzy się in situ z

glicerolu

pod wpływem kwasu siarkowego i

podwyższonej temperatury. Produkt addycji

akroleiny

do

aniliny

ulega

cyklizacji

, a potem

dehydratacji

do

1,2-dihydrochinoliny

, którą

nitrobenzen

utlenia (reakcja

odwodornienia

) do

chinoliny

. Mogą być stosowane inne utleniacze, np. kwas azotowy.

OH OH OH

CH

2

-CH-CH

2

H

2

SO

4

∆

CH

2

=CH-CHO + 2 HOH

glicerol akroleina

NH

2

CH

CH

2

O

H

N

H

O

N

H

O

H

H

N

H

NO

2

NH

2

N

+

C

H

+

∆

CH

..

∆

∆

- HOH

anilina

akrolein

4-hydroksy-1,2,3,4-
tetrahydrochinolina

-

- HOH,

chinolina

(88%)

1,2-dihydrochinolina

Zadanie: napisz stechiometrycznie równanie przekształcenia 1,2-dihydrochinoliny w chinolinę.

Substytucja elektrofilowa chinoliny
Pierścień benzenowy jest bardziej podatny na reakcje S

E

niż pirydynowy, dlatego też do

podstawienia atomów wodoru elektrofilami w

chinolinie

dochodzi w części homocyklicznej.

Chinolina

w reakcjach S

E

jest mniej aktywna niż

benzen

.

26

N

N

Br

N

Br

chinolina

Br

2

H

2

SO

4

+

5-bromochinolina

8-bromo-
chinolina

Oba izomery bromochinoliny powstają prawie w jednakowych ilościach.

N

N

NO

2

N

NO

2

chinolina

HNO

3

H

2

SO

4

+

5-nitrochinolina

8-nitro-
chinolina

10 : 1

5-Nitrochinolina

powstaje ze znacznie większą wydajnością niż izomer 8.