3.3.1 Charakteristika heterocyklických zlúčenín Koksárenský plyn uhlie Čiernouhoľný decht „Suchá destilácia“ čierneho uhlia Koksárenský plyn Voda Amoniak 3.3.1 Charakteristika heterocyklických zlúčenín Heterocyklické zlúčeniny sú cyklické zlúčeniny, ktoré majú v kruhu (v cykle) okrem atómov uhlíka naviazané aj atómy iných prvkov – kyslíka, síry a dusíka. Tieto atómy sa nazývajú heteroatómy. Napríklad: furán tiofén pyridín purín -1- CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -2- 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK CH / III 3.3 HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY str. 64 – 74 HC CH O − heteroatómy S N HC CH C C CH H Heterocyklické zlúčeniny tvoria rozsiahlu a štruktúrne veľmi pestrú skupinu organických zlúčenín. Odvodzujú sa od nich mnohé prírodné látky, napr. alkaloidy, liečivá, farbivá. Niektoré sú stavebnými jednotkami nukleových kyselín. Heterocyklické zlúčeniny sa rozdeľujú podľa veľkosti heterocyklu a podľa počtu heteroatómov v molekule. Základné skupiny tvoria: a) päťčlánkové heterocyklické zlúčeniny (s jedným alebo viacerými heteroatómami); b) šesťčlánkové heterocyklické zlúčeniny (s jedným alebo viacerými heteroatómami); ROZDELENIE HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN 3.3.2 Päťčlánkové heterocyklické zlúčeniny s jedným heteroatómom c) kondenzované heterocyklické zlúčeniny (s viacerými kondenzačne spojenými heterocyklami). pyrol AROMATICKÝ CHARAKTER FURÁNU, TIOFÉNU A PYROLU 10. Usporiadanie orbitalov π päťčlánkových heterocyklov (furán, pyrol, tiofén) Kyslík ako prvok s najvyššou elektronegativitou (v porovnaní s dusíkom a sírou) najťažšie zapája svoj voľný elektrónový pár do konjugácie s elektrónmi väzieb π . N, O, S Preto furán má menej výrazný aromatický charakter. Naopak, najvýraznejšie aromatické vlastnosti má tiofén, ktorý sa najviac podobá benzénu. CHEMICKÉ VLASTNOSTI FURÁNU, TIOFÉNU A PYROLU Elektrofilná substitučná reakcia (SE ) najľahšie prebieha v polohách 2 a 5, kde je väčšia elektrónová hustota: ☺Adičná reakcia najľahšie prebieha na furáne. PYROL A JEHO DERIVÁTY ☺Tiofén je najstabilnejší, preto sú pre túto zlúčeninu netypické adičné reakcie. Cl2 1 2 3 4 5 Cl + HCl 2-chlórfurán chlorácia 2-nitropyrol NO2 HNO3 nitrácia + H2O SO3H kyselina 2-tiofén- sulfónová H2SO4 sulfonácia + 4 H H2C CH2 tetrahydrogenfurán pyrolidín Tieto látky majú vo svojej štruktúre konjugovaný systém štyroch pyrolových jadier (usporiadané cyklicky - porfín alebo lineárne). Chlorofyl obsahuje ... Mg Je stavebnou zložkou viacerých prírodných látok. Patria medzi ne najmä tetrapyrolové farbivá, Hemoglobín a myoglobín obsahuje ... Fe Pyrol sa nachádza v čiernouhoľnom dechte. Je to bezfarebná kvapalina s podobným zápachom ako chloroform (CHCl3). Je toxický a pôsobí narkoticky na ústrednú nervovú sústavu. • zelené listové farbivo – chlorofyl, • červené krvné farbivo – hemoglobín, • červené svalové farbivo – myoglobín, •ďalej žlčové farbivo - bilirubín. •ďalej vitamín B12 - kobalamín (... Co). porfín Z derivátov pyrolu je významný indol (benzopyrol), ktorý je súčasťou štruktúry aminokyseliny tryptofánu , niektorých hormónov, alkaloidov, farbiva indiga atď. indol (benzopyrol) indigo

ŠTRUKTÚRA A VLASTNOSTI PYRIDÍNU -3- -4- 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK CH / III N C Od pyrazolu a tiazolu sú odvodené niektoré liečivé, napr. antipyrín, amidopirín, sulfatiazol, penicilín a vitamín B1. Imidazol tvorí napr. súčasť molekuly aminokyseliny histidínu. 3.3.3 Päťčlánkové heterocyklické zlúčeniny s dvoma heteroatómami imidazol tiazol pyrazol S H 3.3.4 Šesťčlánkové heterocyklické zlúčeniny s jedným heteroatómom pyridín ŠTRUKTÚRA A VLASTNOSTI PYRIDÍNU Voľný elektrónový pár atómu dusíka sa nezapája do konjugácie s π-elektrónmi dvojitých väzieb (obr.11, str. 69). To sa prejavuje polárnosťou a zásaditými vlastnosťami pyridínu. Zásadité vlastnosti PYRIDÍNU PYRIDÍN je nepríjemne zapáchajúca kvapalina, ktorá sa získava z čiernouhoľného dechtu. Používa sa ako rozpúšťadlo organických zlúčenín. Katalytickou hydrogenáciou vzniká piperidín. pyridíniumchlorid piperidín HCl + Cl – + +6H DERIVÁTY PYRIDÍNU Významným derivátom pyridínu je: • kyselina nikotínová a jej amid- nikotínamid, ktoré sú súčasťou niacínu - vitamínu PP (v B- komplexe). Deriváty nikotínamidu sú niektoré liečivá. kyselina nikotínová (kyselina 3-pyridínkarboxylová) –C OH O NH2 nikotínamid 1 2 chinolín izochinolín •Chinolín a izochinolín (izomérne štruktúry pyridínu kondenzovaného s benzénom) – od nich sú odvodené niektoré alkaloidy, napr. chinín, morfín, kodeín, papaverín. Morfín a kodeín patria medzi ópiové alkaloidy (ópium-sušená šťava z nezrelých makovíc) Kodeín sa používa na tlmenie kašľa. Morfín je jedovatá látka, ktorá odstraňuje subjektívne bolesti. Chinín- najúčinnejší prostriedok proti malárii. -jej deriváty, barbituráty sú súčasťou mnohých liečiv (hypnotiká a sedatíva) 3.3.6 Heterocyklické zlúčeniny s dvoma kondenzovanými heterocyklami Významné sú najmä purínové zásady • adenín a guanín, ktoré tvoria stavebné zložky nukleových kyselín. Je súčasťou močových kameňov. • kyselina močová –u človeka konečný produkt premeny purínových látok. • kyselina barbiturová (jej štruktúra je odvodená od pyrimidínu) Do tejto skupiny patria biologicky významné zlúčeniny, odvodené od štruktúry purínu, ktorý sa v prírode nevyskytuje voľný. 3.3.5 Šesťčlánkové heterocyklické zlúčeniny s dvoma heteroatómami • pyrimidínové zásady, tvoria stavebné zložky nukleových kyselín Nikotín patrí medzi alkaloidy s cyklom pyridínu -má nepriaznivé účinky na srdcové cievy. Jeho spalné produkty pri fajčení podporujú vznik rakoviny pľúc. nikotín CH3 pyrimidín Konštitučné izoméry (tautoméry) kyseliny barbiturovej purín 3 4 5 6 7 8 9 NH H3C a) oxo-forma HC H2C b) enol-forma adenín guanín HN H2N Tautomérne formy kyseliny močovej HO uracil cytozín tymín V malom množstve sa nachádza v krvi a vylučuje sa močom. CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) chinín H3CO CH=CH2 morfín kodeín

Kofeín je alkaloid nachádzajúci sa v niektorých rastlinách. Od purínu sú odvodené niektoré alkaloidy tzv. analeptiká, ktoré pri vhodnom používaní stimulujú určité oblasti ústrednej nervovej sústavy, pričom výrazne neovplyvňujú psychické funkcie. Patrí sem napr. kofeín, teobromín a teofilín. Fyziologické účinky alkaloidov sú známe oddávna. Použitím niektorých alkaloidov (omamných drog) sa u človeka na začiatku prejavia zvláštne stavy (ľahostajnosť, bezstarostnosť, porušenie rovnováhy, znecitlivenie, halucinácia aj agresivita), neskôr alebo po použití väčšieho množstva (niekoľko mg) môže nastať celková otrava až smrť. Veľmi nebezpečná je závislosť od drog, ktoré ovplyvňujú ústrednú nervovú sústavu. Kofeín je alkaloid nachádzajúci sa v niektorých rastlinách. Kávové zrná obsahujú 2% a čajové listy 5% kofeínu. 8. Z derivátov pyrolu je významný indol (benzopyrol), ktorý je súčasťou štruktúry aminokyseliny tryptofánu, niektorých hormónov, alkaloidov, farbiva indiga atď.  Napíšte vzorec indolu. 9. Od pyrazolu a tiazolu sú odvodené niektoré liečivá, napr. antipyrín, amidopyrín, sulfatiazol, penicilín a vitamín B1. Imidazol tvorí súčasť molekuly mnohých prírodných látok, napr. aminokyseliny histidínu.  Do ktorej skupiny HCZ patria – pyrazol, imidazol a tiazol? 10. Voľný elektrónový pár atómu dusíka v molekule pyridínu sa nezapája do konjugácie s -elektrónmi dvojitých väzieb a orientuje sa kolmo na -väzbový orbital. To sa prejavuje polárnosťou a zásaditými vlastnosťami pyridínu.  Napíšte schému reakcie pyridínu s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku pyridíniumchloridu. 11. Derivátom pyridínu je kyselina nikotínová( kyselina 3-pyridínkarboxylová) a jej amid – nikotínamid., ktoré sú súčasťou niacínu-vitamínu PP (v B-komplexe). Deriváty nikotínamidu sú niektoré liečivá. Niektoré alkaloidy, napr. chinín, morfín, papaverín sú odvodené od chinolínu a izochinolínu. Tieto predstavujú izomérne štruktúry pyridínu kondenzovaného s benzénom.  Napíšte vzorec kyseliny nikotínovej. 12. Od pyrimidínu sa odvodzujú deriváty – pyrimidínové zásady, ktoré tvoria stavebné zložky nukleových kyselín (NK) .  Uveďte názvy pyrimidínových zásad. 13. V štruktúre purínových zásad je pyrimidínové a imidazolové jadro. Tieto zásady sú tiež zložky NK.  Uveďte názvy purínových zásad. Otázky a úlohy 1. Charakterizujte heterocyklické zlúčeniny. 2. Aké je rozdelenie HCZ ? 3. Prečo HCZ voláme aj heteroarény? 4. Prečo furán má menej výrazný aromatický charakter v porovnaní s pyrolom a tiofénom? 5. Napíšte schému nitrácie pyrolu. 6. Katalytickou hydrogenáciou furánu vzniká tetrahydrogen furán. Napíšte schému spomínanej adície. 7. Pyrol sa nachádza v čiernouhoľnom dechte. Je to bezfarebná kvapalina s podobným zápachom ako chloroform. Je toxický a pôsobí narkoticky. Je stavebnou zložkou viacerých prírodných, biologicky významných látok.  Uveďte, a charakterizujte jednotlivé tetrapyrolové farbivá. CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -5- CH / III -4- 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK kofeín N OC CH3 H3C C O CH 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK (HCZ) Alkaloidy rozdeľujeme podľa základného heterocyklu, ktorý tvorí súčasť ich molekuly, napr. alkaloidy s cyklom pyridínu (nikotín) , tropánu (kokaín), s cyklom chinolínu (chinín, kodeín, morfín), purínu (kofeín, teobromín,...) a pod. H 1 2 3 4 5 6 7 8 9 purín V pokožke juhoamerických žiab sa nachádzajú prudko toxické látky amínovej štruktúry (napr. epibatidín – obsahuje aj jadro pyridínu), ktorý amazónski indiáni používajú ako šípové jedy. ZHRNUTIE UČIVA Heterocyklické zlúčeniny (HCZ) – tvoria rozsiahlu a štruktúrne veľmi pestrú skupinu organických zlúčenín. Odvodzujú sa od nich mnohé prírodné látky, napr. alkaloidy, liečivá, farbivá. Niektoré sú stavebnými jednotkami nukleových kyselín. epibatidín Br dibrómindigo Dodatok Pridaním dvoch atómov brómu do molekuly indiga, vznikne zlúčenina dibrómindigo, ktorá má červenú farbu. Je známa pod menom tyrský purpur podľa starofénického prístavu Tyros, odkiaľ sa farbivo vyvážalo. Získavali ho z morských lastúrnikov. Z morských lastúrnikov rodu Murex sa získavalo farbivo tyrský purpur