H E T E R O C Y K L I C Z N E
Z W I 
Z K I A R O M A T Y C Z N E
Aleksander Kołodziejczyk styczeń 2007
Cykliczne zwiÄ…zki zawierajÄ…ce heteroatom (tzn. atom inny ni\
atom węgla, najczęściej N, O lub
S) oraz odpowiednią liczbę podwójnych wiązań, tak \
eby razem z wolnÄ… parÄ… heteroatomu
speÅ‚niać reguÅ‚Ä™ Hückla wykazujÄ… wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci aromatyczne. Nale\
Ä… do nich heterocykle
pięciocio- lub sześcioczłonowe.
Pięcioczłonowe heterocykle aromatyczne
Przykłady pięcioczłonowych heterocykli aromatycznych.
.. ..
..
..
C
S
N O
-
.. ..
H
pirol furan tiofen anion cyklopendienowy
Warto zwrócić uwagę, \
e podobnÄ…, speÅ‚niajÄ…cÄ… reguÅ‚Ä™ Hückla strukturÄ™ elektronowÄ… ma anion
cyklopentadienowy. Oczywiście wszystkie przedstawione pierścienie są płaskie.
Heterocykle aromatyczne mogą zawierać więcej heteroatomów.
N
N N N
..
.. .. ..
.. N
N
N
N N O S
..
..
H
H H
oksazol tiazol
imidazol pirazol triazol [(1,3,5)triazol]
Znane sÄ… te\
heterocykle pięcioczłonowe skondensowane z innymi pierścieniami homo- lub
heterocyklicznymi.
H
N
N
N
N
N N
H
H
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,
zwiÄ…zki zawierajÄ…ce hem, np. hemoglobina, chlorofil , tiamina (witamina B1) i wiele innych.
aminokwasy:
CH2CHCOOH N
CH2CHCOOH
NH2 N
NH2
H
N
H tryptofan histydyna
1
aminy biogenne:
CH3 CH2CH2NH2
N
CH2CH2
N
NH2 N
N
H
H
H
tryptamina
histamina
skatol
CH2CH2NH2
CH2N(CH3)2
HO
N
N serotonina
gramina
H
H
Histamina powstaje z histydyny w trakcie dekarboksylacji białek. Nale\
y 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 obni\
a
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 stÄ™\
eniu 10 ppb, w roztworze wodnym.
Znajduje siÄ™ tak\
e w aromacie niektórych serów.
Tryptamina nale\
y do produktów degradacji biologicznej tryptofanu, powstaje równie\
ze
strychniny pod wpływem silnych zasad. Jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie.
Znaleziono jÄ… w grzybach, wy\
szych roślina i u zwierząt. Znajduje się w owocach jadalnych, np.
ananasach, pomarańczach, śliwkach czy pomidorach.
Gramina nale\
y do alkaloidów grupy indoliloalkiloamin. Została wyodrębniona ze zbó\
(z
jęczmienia). Powstaje w wyniku biodegradacji tryptofanu. Jest toksyczna.
Serotonina jest aminą biogenną szeroko rozpowszechnioną zarówno w roślinach, jak i u
zwierzÄ…t. Znajduje siÄ™ w owocach jadalnych, np. bananach, ananasach, a tak\
e w groz
nych
toksynach. U saków w tym u ludzi pełni rolę neuroprzekaz
nika działającego w ośrodkowym
układzie nerwowym i układzie pokarmowym, występuje te\
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
neuroprzekaz
nika.
alkaloidy sporyszu:
COOH CO NH CH CH2OH
CH3
N N
CH3 CH3
H H
kwas
ergometryna
N N
H lizerginowy H
2
LSD-25 i strychnina
CON(Et)2
N
H
N
CH3
H N H
H
O
LSD-25 strychnina
H
O
N
H
alkaloidy purynowe
O CH3
N O
OH
N
H3C
NH N
N
N
HN
NH N
N
O
O
OH
NH
NH
puryna NH O N
O N
HO N
H
CH3
kwas moczowy
kofeina
hem i chlorofil:
N HN
N. N
.
Fe
.
hem
.N
NH N
N
tetrapirol
COOH COOH
chlorofil i tiamina:
+ -
N NH3 Cl
N. N
S
.
N N
Mg
..
OH
N
N
tiamina
CO
chlorofil a
OC O
C20H39O
OCH3
Zadanie: wska\
i nazwij heterocykliczne ugrupowania w związków naturalnych, podanych powy\
ej.
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 P2O5. Do otrzymania pierścienia pirolowego potrzebny jest amoniak lub jego sole, a
tiofen i jego analogi tworzą się w obecności siarczków fosforu, np. pentasiarczku fosforu 
P4S10.
zwiÄ…zki
zwiÄ…zki
Z
1.4-dikarbonylowe
heterocykliczne
"
R
R
z
R
R
O O
3
Z acetonyloacetonu (heksa-2,5-dionu) mo\
na w ten sposób otrzymać 2,5-dimetylowe pochodne
pięcioczłonowych heterocykli.
P2O5,
"
CH3
H3C
O
2,4-dimetylofuran
(NH4)2CO3
CH3
H3C
N
H
H3C
CH3 100oC
O O
2,4-dimetylopirol
acetonyloaceton
P4S10
CH3
H3C
S
"
2,4-dimetylotiofen
Pirol występuje w smole węglowej i z niej jest wyodrębniany. Powstaje tak\
e w trakcie pirolizy
produktów naturalnych zawierających białko. Mo\
na go otrzymać z furanu w reakcji z
amoniakiem w temp. 400oC, wobec katalizatora jakim jest tlenek glinu.
NH3.aq
pirol
furan
Al2O3, 400oC
O N
H
PolecanÄ… metodÄ… otrzymywania pirolu jest piroliza galaktaronianu amonu (soli amonowej kwasu
galaktarowego, zwanego inaczej kwasem śluzowym).
(OH)
CH CH(OH)
"
pirol
(OH)HC CH(OH)
+
N 37%
- 2 CO2, - NH3, - HOH
H4N
NH4OOC
C
H
O O
-
galaktoronianu amonu
N-metylowane pochodne pirolu powstajÄ… w podobnej jak wy\
ej reakcji z soli metyloamoniowej
kwasu arowego.
C-Alkilowe pochodne pirolu tworzą się w reakcji kondensacji ą-aminoketonów (aldehydów) ze
Ä…
Ä…
Ä…
zwiÄ…zkami karbonylowymi.
H
O
C
C
H
+
pirol
N
CH
C - 2 HOH
H
NH2
O
Ä…-aminoketon keton
Ä…
Ä…
Ä…
Furan powstaje w reakcji dekarbonylowania (eliminacji CO) furfuralu. Furfural natomiast jest
produktem pirolizy pentoz.
HO CH CHOH
+
H, " ", kat.
CHO
HOCH2 CHOH - HOH
- CO furan
O O
O
furfural
CH
pentoza
4
Z furfuralu mo\
na otrzymać kwas pirośluzowy, z niego zaś w reakcji dekarboksylacji tworzy się
furan.
[O] ", kat.
COOH - CO2 furan
CHO
O O
O
furfural kwas pirośluzowy
Tiofen tak\
e występuje w smole węglowej, towarzyszy surowemu benzenowi z uwagi na
zbli\
one 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 wodÄ….
Tiofen syntezuje siÄ™ poprzez ogrzewanie 1,3-butadienu z siarkÄ….
S, 600oC
tiofen
1,3-butadien
- H2S
S
Do otrzymywania tiofenu mo\
na równie\
wykorzystać etyn.
S, 300oC
etyn
tiofen
+
S
Przemysłowa metoda otrzymywania tiofenu polega ogrzewaniu n-butanu z siarką.
S
tiofen
n-butan
560oC
S
Tak\
e z kwasu bursztynowego powstaje tiofen.
tiofen
kwas
P4S10
bursztynowy
"
S
HO
OH
O O
Skatol otrzymuje siÄ™ syntetycznie z fenylohydrazonu propanalu.
CH3
CH2CH3 "
fenylohydrazon
CH
propanalu
- NH3
N
NH N
H
skatol
Właściwości fizyczne i fizjologiczne
Pirol, furan i tiofen sÄ… bezbarwnymi, hydrofobowymi (trudno rozpuszczalnymi w wodzie)
cieczami, o temperaturach wrzenia odpowiednio: 130, 31 i 84 oC. Temperatura wrzenia furanu
odpowiada tw. wrzenia eteru dietylowego (34,5oC). Wysoka tw. pirolu jest rezultatem jego
zdolności do tworzenia wiązań wodorowych, podobnie jak i innych amin 1o i 2o; wrze wy\
ej ni\

dietyloamina (56oC). Wy\
sza tw. tiofenu w porównaniu z furanem wynika z jego wy\
szej masy
czÄ…steczkowej (tw. sulfidu dietylowego wynosi 92oC).
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.
5
Zapach tiofenu jest słaby, mało charakterystyczny. Zapach furanu jest równie\
słaby, przypomina
chloroform. Charakterystyczny zapach ma pirol. Skatol nale\
y do związków o bardzo
nieprzyjemnym zapachu, jest głównym składnikiem zapachowym kału.
Właściwości chemiczne
Pomimo istnienia układu dwóch sprzę\
onych podwójnych wiązań w pięcioczłonowych
związkach heterocyklicznych, nie wykazują one charakterystycznych właściwości dla
sprzÄ™\
onych dienów, tzn. nie polimeryzują i nie wchodzą w reakcję dienofilami. Jedynie pirol w
środowisku 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 sprzÄ™\
one wiÄ…zania Ä„ z wolnÄ… parÄ… elektronowÄ… na
Ä„
Ä„
Ä„
heteroatomie tworzÄ… sekstet elektronowy. Jest to jak wiadomo warunkiem zaistnienia
aromatyczności. Równie\
drugi warunek reguÅ‚y Hückla jest speÅ‚niony, poniewa\
te hetrocykle
są płaskie.
Wolna para elektronowa na heteroatomie zajmuje tak jak elektrony na atomach węgla orbital p,
prostopadły do płaszczyzny pierścienia. Jest to mo\
liwe dzięki hybrydyzacji sp2 heteroatomu.
. .
H H H H
.
.
..
H H H H
N N
H H
Rys. Aromatyczne sprzÄ™\
enie elektronów Ą i wolnej pary elektronowej w pirolu
Podobnie jest w furanie i tiofenie. Druga wolna para elektronów nie przeszkadza w sprzę\
eniu.
. .
H H . .
H H
.
. .
.
furan
tiofen
..
..
H H H H
O
S
: :
Wzory mezomeryczne, wynikajÄ…ce ze sprzÄ™\
enia elektronów Ą i wolnej pary elektronów
przypominają wzory mezomeryczne benzenu; nie są one jednak równocenne.
..
..
-
-
..
.. - -
z+
z+ z+
z z+
..
Z powy\
szej przedstawionych wzorów mezomerycznych wynika, \
e czÄ…steczki heterocykli, w
przeciwieństwie do cząsteczki benzenu, powinny wykazywać moment dipolowy, poniewa\
w
poło\
eniach Ä… i ² zgromadzony jest Å‚adunek ujemny, a na heteroatomie dodatni. Faktycznie
Ä… ²
Ä… ²
Ä… ²
furan, np. wykazuje moment dipolowy równy 0,7D, skierowany zgodnie z oczekiwaniem, tzn. z
biegunem dodatnim na atomie tlenu.
..
..
furan
tetrahydrofuran
O
O
..
..
µ = 0,7D 1,7D
Warto zwrócić uwagę, \
e tetrahydrofuran, uwodorniony analog furanu, ma biegun ujemny
zlokalizowany na atomie tlenu, jako \
e atom tlenu jest w tej czÄ…steczce najbardziej
elektroujemny, a \
adne efekty nie zakłócają rozmieszczenia elektronów.
6
-´ -´
´ ´
´ ´
´ ´
..
´ ´ +´
´ ´ ´
´ ´ ´ ´
´ ´
furan -´ -´ +´
´
tetrahydrofuran
O
O
..
..
+´
´
´
´
-´
´
´
´
1. Właściwości kwasowo-zasadowe
1.1. Zasadowość
Pirol z uwagi na wolna parÄ™ elektronowÄ… 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 zaanga\
owane i nie przejawiajÄ…
powinowactwa do protonów. Utworzenie przez nie wiązania z protonem wią\
e siÄ™ z utratÄ…
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 sprzę\
onego dienu i szybko polimeryzuje.
+
H
polimeryzacja
..
polimer
N +
N
H
H
H
Z silnymi kwasami etery te\
tworzą sole (oksoniowe), dlatego furan pod ich wpływem równie\

polimeryzuje.
+
H
polimeryzacja
..
..
polimer
O
O +
..
furan
H
1.2 Kwasowość
Atom wodoru związany z atomem azotu pirolu jest znacznie bardziej kwaśny ni\
w amoniaku,
czy aminach. pKa Pirolu wynosi 17,5; dla porównania pKa amoniaku dochodzi do 36. Pirol
tworzy sole z wodorotlenkami metali alkalicznych, a ze zwiÄ…zkami Grignarda reaguje, tak jak
kwasy czy związki o właściwościach kwasowych.
KOH
..
K+ + HOH
- N
..
..
N
CH3MgBr
H
+
.. + CH4
pirol
MgBr metan
- N
..
pKa = 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 siÄ™ w tym, \
e ulega on zarówno N, jak i C
alkilowaniu. Kierunek reakcji zale\
y głównie od właściwości odczynnika alkilującego, a tak\
e
od rodzaju rozpuszczalnika oraz towarzyszÄ…cego kationu. Acylowanie anionu pirolu prowadzi
do pochodnej zawierajÄ…cej resztÄ™ acylowÄ… w pozycji 2.
7
..
+
-
N
MgBr
..
TosOMe
AcCl
Me
.. ..
..
..
Me
N N C-CH3
N
N
Me H
H
O
H
MeI
N-metylopirol
2-acetylopirol
2-metylopirol
..
3-metylopirol
N
N-metylopirol
Me
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) wchodzÄ… w typowe reakcje, np. acylowania czy
alkilowania.
1. CO2
+
- ..
.. ..
+ PhNa :
Na
COOH
O
2. H+
O - C6H6 O
..
.. ..
furan fenylosód kwas furano-2-karboksylowy
CH3
CH3
CH3
1. CO2
BuLi
..
..
..
HOOC
Li
2. H+
S
S
..
S ..
..
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
polimeryzujÄ…, czyli ulegajÄ… reakcji charakterystycznej dla sprzÄ™\
onych dienów.
+
H
polimeryzacja
..
polimer
N +
N
H
H
H
Mechanizm polimeryzacji
Protonowany pirol staje siÄ™ elektrofilem i reaguje z drugÄ… czÄ…steczkÄ… pirolu wg typowego
mechanizmu reakcji SE.
H
..
+ H+
N
H
N
N
+
H
H
+
H H
tautomeria
H
H
..
+
H
N N +N H
+
H H
H N
H
HH
Zadanie: przedstaw mechanizm polimeryzacji furanu.
8
3. Substytucja elektrofilowa SE
Właściwości aromatyczne heterocykli pięcioczłonowych przejawiają się w ich podatności na
substytucjÄ™ elektrofilowÄ…. Pirol, furan i tiofen ulegajÄ… reakcjÄ… SE znacznie Å‚atwiej ni\
benzen.
Obecność heteroatomu w pierścieniu aktywuje te związki w reakcjach SE podobnie jak
przyłączona do pierścienia benzenowego grupa aminowa czy fenolowa. Halogenowanie,
nitrowanie, sulfonowanie czy acylowanie heterocykli pięcioczłonowych prowadzi się w niskich
temperaturach, po to \
eby zapewnić selektywność reakcji (ograniczyć podstawienie kolejnych
atomów wodoru). Monopodstawienie następuje w pozycji 2, pod warunkiem, \
e 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.
dioksan
+ Br2 + HBr
0oC Br
O O
furan 2-bromofuran (90%)
3.2 Sulfonowanie
Najdogodniejszym czynnikiem sulfonujÄ…cym jest tritlenek siarki. Kwas siarkowy powoduje
polimeryzacjÄ™ pirolu i furanu.
kwas furano-2-
pirydyna
furan
+ SO3
-karboksylowy
SO3H
0oC
O
O
3.3 Nitrowanie
W mieszaninie nitrującej zamiast kwasu siarkowego stosuje się bezwodnik octowy, którego
głównym zadaniem jest wiązanie wydzielającej się wody.
Ac2O
pirol
+ HNO3 2-nitropirol
NO2
0oC
N
N
(83%)
H
H
Mo\
na równie\
do tego celu wykorzystać octan nitrozylu.
NO2
+ AcONO2
NO2 + N
-10oC
N
N
pirol
H
H
H
(13%)
(61%)
2-nitropirol 3-nitropirol
Nitrowanie tiofenu daje jeden izomer.
+ AcONO2
tiofen
NO2 2-nitrotiofen
0oC
S
S
3.4 Acylowanie
Acylowanie heterocykli pięcioczłonowych prowadzi się typowymi odczynnikami acylującymi, a
więc chlorkami kwasowymi i bezwodnikami, mo\
na jednak stosować inne ni\
chlorek glinu
katalizatory.
9
Ac2O
2-acetylofuran
furan
C-CH3
BF3
O
O
O
PhCOCl
C
S
S SnCl4
tiofen
2-benzoilotiofen
O
3.5 Sprzęganie
Sole diazoniowe łatwo sprzęgają się z pięcioczłonowymi heterocyklami. Podstawienie grupą
azową następuje w najbardziej reaktywnym miejscu, czyli w pozycji 2.
+ -
N N Cl
N N
N
N
pirol
SnCl4
H
H
2-(fenyloazo)pirol
Analiza stanów granicznych adduktu po przyłączeniu elektrofila do pięcioczłonowego związku z
jednym heteroatomem wyjaśnia dlaczego do substytucji dochodzi w pozycji 2.
Z: O; S lub NH
z
..
N
..H
Y+
Y+
atak na
atak na
atak na
atak na
pozycjÄ™ 2
pozycjÄ™ 3
pozycjÄ™ 2
pozycjÄ™ 3
Y
+
+ H
H
H Y
Y
+
Y
z z H +
..
.. .. N
..H
N H
Y
H
H
H
Y
Y
+
+
z Y
z
NHH
..
..
+
NH
+
H
Y
+
z Y
+ NHH
..
Y
+
H
N
..H
Dla adduktu w pozycji 3 mo\
na napisać tylko 2 wzory mezomeryczne, przy czym drugi jest
niekorzystny energetycznie, poniewa\
Å‚adunek dodatni jest zlokalizowany na heteroatomie, czyli
bardziej elektroujemnym atomie ni\
atom węgla.
W indolu, analogu pirolu sybstytucja SE dokonuje się w pozycji 3 pierścienia heterocyklicznego,
poniewa\
addukt w tej pozycji zapewnia pełny sekstet eletronów Ą w pierścieniu benzenowym.
10
4. Barwnik pirolowe
4.1 Barwniki dipirylometenowe
Reakcja metanalu z pirolem (podobnie jak z fenolem) prowadzi do produktów kondensacji.
Kondensaty liniowe sÄ… wykorzystywane jako barwniki, tzw. pirometany (inaczej barwniki
dipirylometenowe); majÄ… one zabarwienie \
ółte lub pomarańczowe. W środowisku zasadowym
z pirolu i jego pochodnych powstajÄ… alkohole 1o.
-
OH
+ CHO
2-hydroksy-
CH2OH
N
pirol N
metylopirol
H H
W środowisku kwaśnym powstały alkohol 1o reaguje z drugą cząsteczką pirolu lub jego
homologiem tworzÄ…c odpowiedni dipirylometan.
H+
CH3 CH3
H3C
CH3
+
H3C CH2 N CH3
CH3
H3C CH2OH N
N
N
H H
H
H
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 sprzę\
enia.
CH3 CH3
CH3 CH3
[O]
H3C CH2 N CH3 H3C CH CH3
N
N N
H H
H
2,5,2 ,5 -tetrametylopirylometan 2,5,2 ,5 -tetrametylopirylometen
Inny kolor końcówek nazw pokazuje ró\
nice w budowie tych związków.
Dipirylometeny sÄ… silnymi zasadami; z kwasami dajÄ… Å‚atwo krystalizujÄ…ce sole. Kation tych soli
jest stabilizowany mezomerycznie.
R
R
R CH R
N N
H
dipirylometen
HBr
R R R R
-
..
Br
..
R CH R R CH
N N N N+ R
+
H
H H H
bromek dipirylometeniowy
4.2 Barwniki porfirynowe
Pirol i jego pochodne tworzą makrocykliczne pierścienie składające się z czterech reszt
pirolowych. NoszÄ… one nazwÄ™ porfiryn. NajprostszÄ… porfirynÄ™ mo\
na otrzymać w wyniku
kondensacji pirolo-2-karboaldehydu.
11
O
CH
NH N
- 4 HOH
:
: N
N
H
CHO
OHC + H
H
H
N
HN
:
N: N
CH
pirolo-2-
O -karboaldehyd
porfiryna
Porfiryna jest związkiem krystalicznym, który nie topnieje lecz rozkłada się w temperaturze
360oC. 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
sprzÄ™\
onego, składającą się w sumie z 30 elektronów. Liczba ta spełnia regułę aromatyczności
Hückla (n = 7). SprzÄ™\
enie elektronów w porfirynie daje energię rezonansu równą 250 kcal.
Cztery pierścienie pirolowe są równocenne, a atomy wodoru przy atomach azotu zajmują
miejsce nieokreślone. Mo\
na napisać szereg struktur mezomerycznych, przy czym dwie są
najwa\
niejsze, wykazują bowiem równocenność pierścieni pirolowych i nieokreśloną pozycję
atomów wodoru.
:
N :
: N
N :
N
H
H
H H
:
N: N :
N: N
Układ porfiryny znajduje się w wielu związkach biologicznie czynnych, takich jak hemoglobina
(w części zwanej hemem), chlorofil, witaminia B12 i inne.
Hemoglobina jest białkiem zło\
onym. 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
Fe
hem
:
N N
COOH COOH
Cztery atomy azotu hemu są równocenne. Rola hemoglobiny polega na przenoszeniu tlenu z
płuc, gdzie jego stę\
enie jest wysokie do komórek, gdzie jego stę\
enie jest ni\
sze. 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 CO2 i w
płucach wymienia go na tlen. śelazo w trakcie tych procesów nie zmienia stopnia utlenienia; tlen
i CO2 Å‚Ä…czy siÄ™ koordynacyjnie z atomem \
elazem hemu. Hemoglobina zawierajÄ…ca czÄ…steczkÄ™
tlenu nazywa siÄ™ hemoglobinÄ… utlenowanÄ… lub oksyhemoglobinÄ… (nie utlenionÄ…).
12
Hem mo\
na wyizolować, tworzy on brunatne krystaliczne igły. A
atwo ulega utlenieniu. Po
utlenieniu jonu \
elaza do Fe+3 produkt nosi nazwÄ™ methemoglobiny lub ferrihemoglobiny, w
odró\
nieniu od hemu nazywanego równie\
ferrohemiglobinÄ…. Methemoglobina jest nieczynna w
procesie przenoszenia tlenu.
Hem w zale\
ności od otaczających go białek mo\
e pełnić ró\
ne funkcje, oprócz przenoszenia
tlenu i ditlenku węgla (w hemoglobinie), magazynowaniu tlenu (w mioglobinie), jest tak\
e
przenośnikiem elektronów (w cytrochromie c), bierze te\
udział w rozkładzie nadtlenku wodoru
(w katalazie). W chlorofilu znajduje się magnezoporfiryna, która bierze udział w procesach
fotosyntezy (jest fotoakceptorem).
N
N
Mg
N N
chlorofil a
O
O=C
C=O
OCH3
O
Syntetyczne analogi porfiryn znalazły zastosowanie jako barwniki. Nale\
Ä… do nich ftalocyjaniny.
Niebieski barwnik z tej grupy powstaje w reakcji ogrzewania dinitrylu kwasy ftalowego z solami
miedzi. Mo\
na je otrzymać tak\
e z bezwodnika ftalowego pod wpływem mocznika.
Cu2Cl2
O
Cu2Cl2 N
C N H3BO3
NH2
lub Cu
N
N
O
4 + 8 O
C
N Cu N
C N
NH2
N N
O
N
dinitryl kwasu ftalowego ftalocyjanina bezwodnik ftalowy
Ftalocyjaniny sÄ… stosowane jako pigmenty do wyrobu farb poligraficznych, olejnych, do
barwienia kauczuku i tworzyw syntetycznych.
Indygo nale\
y do naturalnych barwników. Było stosowane w staro\
ytnym 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, poniewa\
opracowano
syntetyczne metody jego otrzymywania. SÅ‚u\
y między innymi do barwienia niebieskich d\
insów.
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.
13
OH
O
indykan
O
HO
HO
OH (glukozyd indoksylu)
N
H
hydroliza
enzymatyczna
lub kwaśna
.
OH
O O
O2
H
N
N N
H
H H
indoksyl
rodnik
O
O
H
H
N
. H
N
N
H
dimeryzacja
H
H
HO
O2
O
O H
H
0,5 O2 N
H N
- HOH
N
N
H
H
H O
indygo
O
odwodornienie
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.
COOH COOH
1. Na2CO3
+ ClCH2COOH
CH2COOH
2. H+
NH2 N
H
(39%)
kwas antranilowy
o-karboksy-N-fenyloglicyna
KOH
260oC
OH
O
OH
- CO2
COOK
N
N
N
H
H
H
indoksyl
O2
O
H
N
N
H
O
indygo
(55%)
Barwienie za pomocÄ… indygo dokonuje siÄ™ technika kadziowÄ…. Najpierw nierozpuszczalne w
wodzie indygo redukuje się za pomocą ditionianu sodu do rozpuszczalnej formy, która nosi
nazwÄ™ leukoindygo. Klarownym roztworem leukoindygo (kadz
) nasącza się tkaniny, które
schnÄ…c na powietrzu zabarwiaja siÄ™ w wyniku utleniania leukoindygo do indygo.
14
-
O
H
O
H
Na2S2O4 [H]
N
N
N
N
powietrze [O]
H
O-
H
O
leukoindygo
indygo
Zanik barwy w leukoindygo jest skutkiem zmiany układu sprzę\
onych wiązań podwójnych.
Nasycone, pięcioczłonowe związki heterocykliczne
Pirol redukowany wodorem na Ni traci aromatyczność i przekształca się w cykliczną aminę
alifatyczną  pirolidynę. Widoczna jest ogromna ró\
nica w zasadowości obu związków.
H2/Ni
pirol pirolidyna
N
N
H
H
pKa ~14 ~ 3
Podobnie z furanu powstaje tetrahydrofuran (THF), popularny rozpuszczalnik eterowy.
H2/Ni
furan tetrahydrofuran
O
O
Tetrahydrotiofen najłatwiej otrzymać w reakcji 1,4-dibromobutanu z siarczkiem sodu.
Tetrahydrotiofen ma typowe właściwości jak inne sulfidy.
Na2S
Br
1,4-dibromo-
tetrahydrotiofen
Br
butan
S
Sześcioczłonowe heterocykle aromatyczne
Głównym przedstawicielem tej grupy związków jest pirydyna. Jej analog tlenowy  piran  jest
nietrwały, nie ma właściwości aromatycznych  szybko polimeryzuje.
Ä…-piran Å‚
Ä… Å‚
Ä… Å‚
pirydyna Ä… Å‚-piran
..
.. ..
N
O O
.. ..
Znane są dialkilowe pochodne piranów i kation piryliowy, który ma właściwości aromatyczne.
R
R
R -
..
..
O X
+
O ..
..
R O
..
dialkilowe pochodne piranów kation piryliowy
Sole kationu pirylowego powstają w wyniku odwodnienia odpowiednich 1,5-dialdehydów lub
1,5-diketonów.
POCl3
-
CHO
- 2 HOH
O Cl
+
..
HO
aldehyd glutakonowy chlorek piryliowy(penta-2,4-dien-1,5-dial)
15
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).
OCH3 CH3
H
CN
N
N CH2CH2CH3
H
N O
N
(-)-(S)-nikotyna (+)-(S)-koniina
CH3 rycynina
COOH
OH O
N
N
CH3
CH3
lobelina arekaidyna
Pierścień pirydynowy znajduje się w chinolinie i izochinolinie. Pochodnymi tych związków są
między innymi takie alkaloidy jak chinina i papaweryna.
CH3O
N
N
CH3O
HO
CH2
CH3O
chinina papaweryna
N
CH3O
OCH3
Kwas nikotynowy i jego amid nale\
Ä… do grupy witaminy B.
COOH
kwas nikotynowy
N
Nazwa powy\
szego kwasu wywodzi siÄ™ od jednego ze sposobu jego otrzymywania. Kwas
nikotynowy powstaje w reakcji utlenienia nikotyny.
Nikotynamid wchodzi w skład dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD+), koenzymu
ATP. NAD+ jest wa\
nym biochemicznym utleniaczem. W trakcie utlenienia przekształca się w
zredukowany dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NADH).
NH2
O O
N
N
O CH2-O-P-O-P-O-CH2 N
N
N
O
-
+
O O-
adenina
NH2
nikotynamid
O
16
Otrzymywanie pirydyny
Głównym, a właściwie jedynym z
ródłem pirydyny jest smoła pogazowa, w której jej zawartość
dochodzi do 0,1%. Wyodrębnia się ją za pomocą destylacji. We frakcji zwanej olejem lekkim
pirydynie towarzyszÄ… 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 350oC w obecności katalizatorów.
CH2
CH2
CH3
350oC, kat.
CH CH
+
- 2 HOH
CH
CH
N
3-pikolina
O
NH3 O akroleina
Właściwości fizyczne pirydyny
Pirydyna jest cieczą wrzącą w temperaturze 115oC, topnieje przy -41oC. 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 sp2. Aromatyczność pirydyny wynikają z planarnej
budowy czÄ…steczki i sprzÄ™\
enia 6 elektronów Ą. Wolna para elektronów atomu azotu znajduje się
Ä„
Ä„
Ä„
na orbitalu sp2, a więc inaczej ni\
w pirolu i nie bierze udziału w sprzę\
eniu.
. .
wolna para
H.
.H
na orbitalu sp2
H
:
. . N
N
pirydyna
H H
Kąty pomiędzy wiązaniami C-C i C-N wynoszą po 120o, wiązania tworzące pierścień są
jednakowej dÅ‚ugoÅ›ci  1,39 Å. PirydynÄ™ mo\
na przedstawić za pomocą wzorów
mezomerycznych.
N
N
Reakcje substytucji elektrofilowej, SE
Pirydyna jest znacznie mniej aktywna w reakcjach substytucji elektrofilowej, nie tylko w
porównaniu z aromatycznymi heterocyklami pięcioczłonowymi, ale równie\
w porównaniu z
benzenem. Reakcje SE pirydyny wymagają drastycznych warunków (wysokiej temperatury). W
reakcjach Friedel-Craftsa pirydyna jest nieaktywna.
17
Br
Br2
+ HBr
300oC
3-bromopirydyna 30%
N
SO3, HgSO4
SO3H
H2SO4,220oC
70%
kwas
N
3-pirydynosulfonowy
N
NO2
HNO3
+ HOH
pirydyna
NaNO3, 370oC
N
3-nitropirydyna 5%
RX lub RCOX
brak reakcji
AlCl3
Substytucja elektrofilowa w pirydynie zachodzi w pozycji 3, poniewa\
pozycja 2 jest
dezaktywowana. We wzorach mezomerycznych po ataku odczynnika elektrofilowego w pozycji
2 i 4 obserwuje siÄ™ Å‚adunek dodatni na atomie azotu, co jest niekorzystne, z uwagi na to, \
e atom
azotu jest bardziej elektroujemny od atomu węgla.
N
..
+
Y
4
3
2
Y Y H
H +
+
+
Y
N
N N
..
.. ..
H
Y
Y H
+ H
+
Y
+
N
N
N
H ..
..
..
Y Y H
+
H +
+ Y
N
N
N
H
.. ..
..
Obni\
ona reaktywność pirydyny spowodowana jest równie\
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 poło\
eniu 3 oraz 5 i w
tych miejscach następuje substytucja. Du\
a wartość momentu dipolowego, z ujemnym biegunem
na atomie azotu, świadczy o przesunięciu elektronów w stronę atomu azotu.
´+
´+ ´+
pirydyna
protonowana
N
´+ ´+ µ = 2,26D
µ
µ
µ
+
N
..
´- H
Ponadto reakcje SE biegną często w środowisku kwaśnym, co powoduje protonowanie atomu
azotu i utworzenie ładunku dodatniego, a więc jeszcze silniejsza dezaktywację.
18
Reakcje substytucji nukleofilowej
Częściowy ładunek dodatni w cząsteczce pirydyny w poło\
eniach 2, 4 i 6 czyni te miejsca
podatne na atak silnych nukleofili. Odpowiednie pochodne reagujÄ… z nukleofilami.
OC2H5
Cl
Na+OEt-
(75%)
EtOH
4-etoksypirydyna
4-chloropirydyna N
N
NaNH2
2-aminopirydyna
2-bromopirydyna N Br
NH3
N NH2 (67%)
W podwy\
szonej temperaturze nawet sam amoniak jest zdolny wymieć atom halogenu.
NH2
Cl
NH3
4-chloropirydyna 4-aminopirydyna
180oC
N
N
NH3
2-chloropirydyna 2-aminopirydyna
N Cl 180oC
N NH2
Mechanizm reakcji
Powy\
sze reakcje biegnÄ… wg typowego mechanizmu aromatycznej substytucji nukleofilowej 
addycja-eliminacja. Obecność atomu azotu w pierścieniu pirydyny aktywuje poło\
enie 2 na atak
nukleofilowy. Po addycji nukleofila następuje eliminacja halogenu.
-
:
+ NH2 .. NH2
..
N
N Cl - .. Cl - Cl- N NH2
..
..
2-chloropirydyna 2-aminopirydyna
Warto zwrócić uwagę na to, \
e powy\
szy mechanizm przypomina mechanizm reakcji substytucji
w grupie karbonylowej pochodnych kwasów karboksylowych, np. amonolizę chlorków
kwasowych do amidów.
R R
R
-
NH2
:
+ NH2 .. C
C
C ..
:O-
:O NH2
:O Cl - Cl-
.. ..
..
Cl
chlorek kwasowy amid
Oczywiście chlorki kwasowe są znacznie aktywniejsze ni\
2-chloropirydyna i dla ich amonolizy
wystarczy amoniak; nie trzeba tak silnych nukleofili jak amidki.
Substytucji nukleofilowej nie ulegajÄ… pochodne pirydyny zawierajÄ…ce grupÄ™ odchodzÄ…ca w
poło\
eniu 3.
Reakcja Cziczibabina
Pod wpływem silnych nukleofili dochodzi do podstawienia atomu wodoru w samej pirydynie.
19
1. NaNH2
+ H2
N 2. HOH
N NH2
..
2-fenylopirydyna
pirydyna 1. PhLi
N
..
N 100oC
Mechanizm reakcji
Reakcja polega na addycji nukleofila w pozycji 2 pirydyny, odszczepienie jonu wodorkowego,
utworzenie cząsteczki H2 z protonem oderwanym z grupy aminowej i przekształcenie adduktu w
stabilizowany mezomerycznie anion aminopirydyniowy. Pod wpływem wody z anionu powstaje
2-aminopirydyna.
..
-
-
NH2
: ..
+ NH2 .. :
+ H
..
N N NH
N
- ..
.. ..
H
H
pirydyna
- H2
HOH
..
..
..
N NH2 N NH
N NH
.. - ..
.. - ..
2-aminopirydyna
Reakcja 2-pikoliny z aldehydami
Atomy ą-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 wiÄ…zanie C=C, sprzÄ™\
one z aromatycznymi elektronami Ä„.
Ä„
Ä„
Ä„
O
HC
N CH3 NaOH .. CH CH
N
..
2-pikolina
1-fenylo-2-(2-pirydylo)eten
-
OH
..
- HOH
O
N CH2 HC
..
-
N CH CH
..
H OH
..
N CH2 1-fenylo-1-hydroksy-2(2-pirydylo)etan
- ..
20
Hydroksypirydyny
Znane sÄ… trzy hydroksypirydyny  2-hydroksypirydyna, 3-hydroksypirydyna i 4-
hydroksypirydyna. Izomery 2- i 3- mo\
na 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 pomocÄ… reakcji zagotowania i reakcji
stapiania.
Hydroksypirydyny powstają równie\
w wyniku bezpośredniego hydroksylowania pirydyny
wodorotlenkiem sodu w podwy\
szonej temperaturze. Jest to reakcja zbli\
ona do reakcji
Cziczibabina.
NaOH
pirydyna
2-hydroksypirydyna
"
N
N OH
.. ..
Synteza izomeru 3 jest bardziej skomplikowana.
Wszystkie hydroksypirydyny mają właściwości zbli\
one do fenolu. A
atwiej ulegajÄ… reakcjom
substytucji elektrofilowej ni\
sama pirydyna. 2- i 4-Hydroksypirydyny są w równowadze
tautomerycznej z odpowiednimi pirydonami.
2-hydroksypirydyna piryd-2-on
(pirydyn-2-ol)
N OH N O
..
H
OH O
piryd-4-on
4-hydroksypirydyna
(pirydyn-4-ol)
N N
..
H
Z hydroksypirydyny mo\
na otrzymać pochodne obu tautomerów. Diazometan przekształca 2-
hydroksypirydynÄ™ w 2-metoksypirydynÄ™, a alkilowanie jodkiem metylu prowadzi do N-
metylopiryd-2-onu.
CH3I
CH2N2
N O
N OH
N
OCH3
N-metylo-
2-hydroksypirydyna OCH3 piryd-2-on
2-metoksypirydyna
Znane są równie\
tiolowe pochodne pirydyny. One równie\
są w stanie równowagi z formą
tautomerycznÄ….
Zadanie: narysuj wzór tiolowej pochodnej pirydyny i przedstaw przemianę tautomeryczną.
2-merkaptopirydyna
(pirydyno-2-tiol)
N SH
..
Utlenianie pirydyny i jej pochodnych
Pirydyna jest odporna na działanie wielu utleniaczy. Podobnie jak w arenach homocyklicznych
łatwo daje się utlenić jej łańcuch boczny.
21
KMnO4
1-pikolona kwas 1-pikolinowy
N CH3 N COOH
Kwas 3-pikolinowy znany pod nazwÄ… kwasu nikotynowego, poniewa\
powstaje w wyniku
utlenienia nie tylko 3-pikoliny, ale i z nikotyny, z której zresztą został otrzymany po raz
pierwszy.
H
CH3
COOH
N
KMnO4 KMnO4
N CH3
N
N
4-pikolina kwas nikotynowy (kwas 3-pikolinowy) nikotyna
Pirydyna jest bardziej odporna na utlenienie ni\
benzen, dlatego z chinoliny pod wpływem
działania nadmanganianu potasu powstaje kwas chinolinowy, w którym zostaje zachowany
pierścień heterocykliczny.
COOH
KMnO4 kwas
chinolina
chinolinowy
N N COOH
Pirydyna w obecności nadkwasów ulega utlenieniu i zostaje przekształcona w 1-tlenek pirydyny
(N-tlenek pirydyny).
CH3COOOH
1-tlenek pirydyny
pirydyna
+
N - CH3COOH
N
O-
1-Tlenek pirydyny zachowuje właściwości aromatyczne, z tym \
e rozkład ładunków w
pierścieniu jest inny ni\
w pirydynie. Z poni\
ej przedstawionych wzorów mezomerycznych
wynika, \
e reakcje substytucji elektrofilowej 1-tlenku pirydyny powinny zachodzić w
pozycjach 2 i 4 (inaczej ni\
w pirydynie).
..
-
+
.. - - ..
N
N
N N
+
+ +
:
O:
: : : : :
O : O
.. O
-
1-tlenek pirydyny
Z innych wzorów mezomerycznych wynika, \
e 1-tlenek pirydyny powinien być aktywniejszy ni\

pirydyny w reakcjach substytucji nukleofilowej.
+
+ .. ..
..
+
+
N N N
N
:
: :
O: O : :
: : O
O
.. .. .. -
.. -
- -
1-tlenek pirydyny
Poprzez utlenienie pirydyny do jej N-tlenku mo\
na zsyntezować wiele pochodnych
niemo\
liwych do otrzymania bezpośrednio z pirydyny. Powrót z tlenku pirydyny (lub tlenku jej
pochodnych) do pirydyny (jej pochodnych) dokonuje siÄ™ w reakcji z PCl3.
22
[O]
+
N
N
: :- 1-tlenek pirydyny
O
pirydyna
..
HNO3/
CH3I
100oC PhMgBr
H2SO4
NO2
+ + +
N N N
-
I
: :- : :- : :
O O O
.. ..
1-tlenek
CH3
1-tlenek
4-nitropirydyny
2-fenylopirydyny
jodek
1-metoksy-
PCl3
pirydyniowy
NO2
4-nitropirydyna
N
Sole pirydyniowe stosunkowo Å‚atwo redukujÄ… siÄ™ do pochodnych 1,2-dihydropirydyny.
NaBH4
H
kation ..
N-alkilo-1,2-di-
N-alkilo- N N
+ - H
hydropirydyna
- HX
pirydyniowy X
R
R
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 tak\
e uczestniczy w  spalaniu (w metabolizmie) kwasów
tłuszczowych.
adenina
NH2
HO OH
N
O O
N
+N O
CH2 O P O P O CH2 O N
N
O- O-
NH2
C
HO OH
O
nikotynoamid
dinukleotyd nikotynoamidoedeniny (NAD+)
23
[O] [H]
NH2
HO OH
N
O O
N
O
CH2 N
N O P O P O CH2 O N
O- O-
NH2
C
HO OH
H H
O
+ H+
dihydronikotynoamid
zredukowany dinukleotyd nikotynoamidoedeniny (NADH)
Zmiany zachodzÄ… na reszcie amidu kwasu nikotynowego.
O
O
C H H
C
NH2
NH2
.. +
+ 2 H
N + H
+
N
R
R
+
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.
O
R C
NaH
Cl
..
+
.. ..
+
-
N SH N S N S
.. ..: ..: N S N S
..:
..:
-
-
: :- : : : : : :
O O O O
: :
.. .. O
R
..
C
H
1-tlenek
ester BartonaO
pirydyno-2-tiolu
Ester Bartona słu\
y 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 CO2 i rodnik alkilowy.
24
CN CN
CN
80oC
2
CH3-C-N=N-C-CH3 + N2
C
.
CH3
H3C
CH3 CH3
CN
Sn
+ Sn.
H C + (CH3)2CHCN
.
CH3
H3C
..
Sn.
N S
..:
.. + CO2 + .R
.. :
O
N S Sn
.. ..
R
:
C
O
Chinolina
Chinolina jest syropowatÄ…, trudno rozpuszczalnÄ… w wodzie cieczÄ…, wrzÄ…ca w temperaturze 238oC,
ma \
ółtawe zabarwienie. Pod wpływem światła i powietrza brunatnieje. Z silnymi kwasami
tworzy sole; jest słabszą zasadą ni\
anilina.
ChinolinÄ™ otrzymuje siÄ™ za pomocÄ… syntezy Skraupa. Powstaje ona w reakcji Michaela aniliny z
akroleiną. Akroleina tworzy się in situ z glicerolu pod wpływem kwasu siarkowego i
podwy\
szonej 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.
CH2-CH-CH2 H2SO4
CH2=CH-CHO + 2 HOH
"
OH OH
OH
glicerol akroleina
O
akrolein
O
anilina
C
HO H
H
CH
H+
CH
4-hydroksy-1,2,3,4-
+
"
CH2 "
tetrahydrochinolina
N N
NH2
..
H H
"
- HOH
NO2
chinolina 1,2-dihydrochinolina
NH2
N
(88%)
N
-
- HOH, H
Zadanie: napisz stechiometrycznie równanie przekształcenia 1,2-dihydrochinoliny w chinolinę.
Substytucja elektrofilowa chinoliny
Pierścień benzenowy jest bardziej podatny na reakcje SE ni\
pirydynowy, dlatego te\
do
podstawienia atomów wodoru elektrofilami w chinolinie dochodzi w części homocyklicznej.
Chinolina w reakcjach SE jest mniej aktywna ni\
benzen.
25
Br
Br2
8-bromo-
+
chinolina
H2SO4
N
N N
Br
chinolina
5-bromochinolina
Oba izomery bromochinoliny powstają prawie w jednakowych ilościach.
NO2
HNO3
+
H2SO4
N
N N
8-nitro-
NO2 chinolina
chinolina
5-nitrochinolina
10 : 1
5-Nitrochinolina powstaje ze znacznie większą wydajnością ni\
izomer 8.
26