HETEROCYCLISCHE VERBINDUNGEN · 4 Ringgröße O S N ungesättigt gesättigt ungesättigt gesättigt...

HETEROCYCLISCHE VERBINDUNGEN

2

HETEROCYCLISCHE VERBINDUNGEN

Nach der Art und Anzahlder Heteroatome

O, S, N

Ringgröße3-, 4-, 5-, 6-, 7-Ringe

Nomenklatur: Trivalnamen

N O N

Pyridin Furan Isochinolin

Einteilung

3

X

R

1

2

34

5

6X

R

'

'

N CH3

Nomenklatur

S

O1

2

3

4

5

6

O S N1 2 3 N

N

H1

3

Numerierung: beginnt stets am Heteroatom,weitere Heteroatome müssen am möglichstniedrigste Nummern bekommen

O1

3

2

4

5Oa

bc

d

O

Benzo[2,3]furanBenzo[b]furan

- Prefix bezeichnet den aromatischen Ring- Bindung der Anellierung- Name des Heteroringes

Benzoanellierte heterocyclische Verbindungen

4

RinggrößeO S N

ungesättigt gesättigt ungesättigt gesättigt ungesättigt gesättigt

3 Oxiren Oxiran Thiiren Thiiran Azirin Aziridin

4 Oxet Oxetan Thiet Thietan Azet Azetidin

5 Oxol Oxolan Thiol Thiolan Azol Azolidin

6 Oxin Oxan Tthiin Thian Azin Azinan

7 Oxepin Oxepan Thiepin Thiepan Azepin Azepan

Systematische Namen nach der IUPAC Nomenklatur

5

Allgemeine Eigenschaften der Heterocyclen

Aromatischer Charakter

Fünfringe

Furan Thiophen Pyrrol

NO SH

- planare Molekülstruktur- reaktive Verbindungen in electrophilen Substitutionen

Eigenschaft von Aromaten

6

NO SH

NO SH

Einsames Elektronenpaar des Heteroatoms ist am delokalisierten -System beteiligt

Kriterien der Aromatizität: - Anzahl der -Elektronen: 4n+2- kontinuierliche Delokalisierung- planare Ringstruktur

Verteilung der -Elektronen- Deformierung des -Elektronesextetts- -elektronenreiche Heterocyclen NO S

H+0,10

-0,03

-0,02-0,02

-0,03

+0,20

-0,06

-0,04

-0,06

-0,04

+0,24

-0,07

-0,05 -0,05

-0,07

Elektronenstruktur

Fünfrnge

7

- Das einsame Elektronenpaar ist am -Elektronensextett nicht beteiligt.- kontinuieliche Delokaliserung von 6 -Orbitalen- -elektronenarme Heteroaromaten

Sechsringe

Pyridin- schwache Base- geringe Reaktivität

in SE-ReaktionenN N

-0,39

+0,13 +0,13

+0,13

O O

-Pyran -Pyran2H-Pyran 4H-Pyran Pyrilium-Kation

O R

R

R

X

Elektronenstruktur

8

Gesättigte Heterocyclen:Heteroalkane- chemische Eigenschaften sind

gleich wie bei den offenkettigenAnaloga

N NH H

H2

PyrrolPyrrolidin

starke Base, sekundäres Amin

O O

H2

Furan Tetrahydrofurancyclisches Ether

H2

N NH

Pyridin Piperidinstarke Base, sekundäres Amin

Heteroalkene

HN

2 5 2,5-Dihydropyrrol

Heteroalkene und Heteroalkane

9

FÜNFRINGE

Fünfgliedrige Heterocyclen mit einem Heteroatom

Sauerstoff: Furan-Gruppe

O O

FuranSdp.: 32 oC

Tetrahydrofuran Sdp.: 66 oCcyclisches Ether

H2/Kat.

Thiolanalog (-SH):Aromastoff im Röstkaffee

OCHO

OCOOH

FurfuralSdp.: 162 oC

Furan-2-carbonsäure

OCH2OH

Red. Ox.

Furfurylalkohol

10

Muscarin: Vorkommen: in giftigenPilzen (z.B. Fliegenpilz)

O CH3

OH

CH2N

H3C

H3C

H3C

Cl

Benzofurane:

O

Coumaron

Griseofulvin

OCH3

O

OCH3

Cl

CH3O O

O

CH3

antimycotische Wirkung

FÜNFRINGE

11

Thiophen

S SO2OH S S

H2SO4 H2

ThiophenSdp.: 84oC

TetrahydrothiophenSdp.: 121 oC

PyrrolidinpKB = 3,2

fastslowH2

HHH

H2

NNN

Pyrrol, Sdp.: 131 oC

Pyrrol-Gruppe

N

K+ 0,5H2

KKaliumpyrrolid

FÜNFRINGE

Prolin 4-Hydroxyprolin

HN COOH

HO

HN COOH

Eigenschaften von Pyrrol: - Siedepunkt: 131 ºC (polare Moleküle)- schwache Säure, pKB = 13,6, pKS ~ 15- Reaktivität in SE Reaktionen

Fichtenspan Reaktion

12

NN

NNH

H

A B

CD

1

2 3

4

5

67

8

PorphinSchmp.: > 360 oC

Porphin-Farbstoffe

- 18 -Elektronen,(4n+2) n = 4

- kontinuierliche Delokalisierung

Stabile verbindungmit aromatischem Charakter,(löslich in Salzsäure, bildetSalze mit Metallionen)

FÜNFRINGE

13

Hämoglobin Hämin

HämoglobinO2

-O2Oxyhämoglobin Methämoglobin

Fe(II)-Komplex Fe(III)-Komplex

Hämoglobin

FÜNFRINGE

14

Häm

15

N

N

N

N Fe

O2

N

N

2

Koordinationszahl: 6 5

Fe

O2

N

N

2

Fe

N

N

2

Koordination im Hämoglobin

FÜNFRINGE

18

- 7,8-Dihydroporphin - Zentralkation: Mg2+

-Phytolrest, C20 - ungesättigter Alkohol

Chlorophyll-a: bläulich grün (3)Chlorophyll-b: gelblich grün (1)

grüner Pflanzenfarbstoff, biochemische Funktion bei der PhotosyntheseLichtsammelkomplexe

FÜNFRINGE

19

Vitamin B12 : Corrin-Gerüst: teilweise gesättigtes, modifiziertes Porphin mit Co3+

Verwendung: bei der Behandlung der perniciösen AnämieProduziert von Mikroorganismen, Bakterien

FÜNFRINGE

Coenzym B12 (=AdoCbl): R = 5′-DesoxyadenosylCyanocobalamin (=Vitamin B12): R = –C≡NAquocobalamin (=Vitamin B12a): R = –OH2Hydroxycobalamin (=Vitamin B12b): R = –OHMethylcobalamin (=MeCbl oder MeB12): R = –CH3

als Kofaktor (Coenzym) ist B12Teil mehrerer Enzyme

20

Gallenfarbsoffe- Abbauprodukt von Häm (in Leber und Milz)

NCHNCHN CH2 N

H H H H

CH3 CH3CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

COOH

CH3 CH3 CH CH2

O O

COOH

Bilirubin

FÜNFRINGE

Rote Blutkörperchen leben etwa 120 Tage, danach werden sie in Leber und Milz abgebaut

21

N

CH2 CH COOH

NH2

HN

CH2 CH2 NH2

H

-CO2

HO

Tryptophan Tryptamin5-Hydroxytryptamin = SerotoninVorkommen: in Blutserum, - reguliert den Blutkreislauf- Neurotransmitter- Gewebshormon

Benzopyrrole

N 1

2

34

5

6

7

b

H

IndolBenzo[b]pyrrolVorkommen: -Jasminöl- Steinkohlenteer

FÜNFRINGE

22Leukoindigo (farblos)

Ox.Red.

H

H

N

N

OH

OH

Färberwaid (Deutsche Indigo)

Isatis tinctoria Der Waidstein in Sömmerda, mit ihm wurde im MittelalterFärberwaid zerkleinert

Adolf v. Baeyer1835-1917

Indigo (blau)

N

N

O

OH

H

Küpenfärberei

23

Im Mittelalter kannte man in Europa keinen anderen blauen Farbstoff als Indigo.Vom 12. bis zum 17. Jahrhundert wurde Färberwaid in Thüringen angebaut,wobei nach Schätzungen ungefähr 3750 ha mit der Pflanze bestellt waren.

24

- Verbindungen mit aromatischem Charakter- geringe Reaktivität in elektrophilen Substitutionen- schwache Basen

Imidazol N

N

H

N NHH+

-H+

HN NH0,5 0,5

N N0,5 0,5

-H+

H+

ImidazolImidazol-Kation Imidazol-Anion

N NH HN N

Fünfringe mit zwei Hetertoatomen

ON

IsoxazolS

N

IzothiazolN

N

HPyrazol

N

O

Oxazol

N

S

Thiazol

N

NH

Imidazol

25

Oxazol- und Thiazol-Derivate

HN

O CH

NH2

COOHONO

HO

CH

NH2

COOH NO

HO

CH2

NH2

-CO2

Ibotensäurepsychoaktiv

MuscimolHalluzinogene Wirkung

Muscazon

Vorkommen: in giftigen Pilzen


27

- Entdeckung: Fleming, 1928- Struktur: 1943-45- erzeugt von Schimmelpilzgattungen

z.B. Penicillium notatum,Penicillium chrysogenum

Penicillin

CH2R =

H2N CH CH NH2

CH2 CH2

Ph Ph

Salz mit Dibenzyl-ethylendiamin

N

SNH

COOHO

H3C

H3C C

O

R**

*

Penicillin G R = C6H5CH2-

N

SNH2

COOHO

H3C

H3C

6-Aminopenicillansäure

(Thiazolidin, -Lactam-Ring)

Antibiotika sind chemisch definierte, ursprünglich von Pilzen oder Mikroorganismenproduzierte Wirkstoffe, die das wachstum oder die Vemehrung bestimmter Bakterienoder Mikroorganismen hemmen.


28

Imidazol-Gruppe

N

N

CH2 CH

NH2

COOH

H

HistidinBaustein der Proteine

-CO2

N

N

CH2 CH2

NH2

H

Histaminbiogenes AminHistamin spielt eine zentrale Rollebei allergischen Reaktionen

S

NHHN

O

(CH2)4 COOH

BiotinBiowuchsstoff (Biosfaktor): unentbehrlich für die Vermehrungvon Hefezellen und anderen Microorganismen

In Menschen: notwendig zur normalen Funktion der Haut


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SECHSRINGE

Pyran-Gruppe

O O O

O

O

O

-Pyron -Pyron

O

OC2H5

OH O

OC2H5

OH

+

O O

O O

Dehydracetsäurefungizid,

Verwendung:- Lebensmittelindustrie- Bierindustrie

30

O

O

O

Chromon Chroman

O

O

O

Flavon Flavan

Benzoanellierte -Pyron-Derivate

SECHSRINGE

31

Flavonoide

OH

OH

OH

HO

OH O

O

Quercetingelber Farbstoff

Vorkommen: in verschiedenen Pflanzen,meistens in Form von Glycosiden (Rutin),

z.B. in der Rinde der amerikanischen Eiche Quercus velutina)(Apfel, Wein, Zwiebel, Bohnen, Brokkoli)Antipermeabilitätsfaktor oder Vitamin P , RadikalfängerBehandlung von Venenerkrankungen

SECHSRINGE

32

OOH

OH

OH

OH

HOCl

O

O

O

OH

OH

HO

OH-

H+

Flavylium-KationCyanidinchloridpH = 3, rot

Cyanidin phenolatpH = 11, blau

AnthocyaneHCl Anthocyanidine + Kohlenhydrat (Zucker)

pH abhängige Farbe

Hydrolyse

Anthocyane

SECHSRINGE

Lebensmittelzusatzstoff zur Färbung zum Beispiel Fruchtgelees, Süßwaren, Brausen, Marmelade, Konfitüren, Obstkonserven, Backmitteln

Anthocyanidin Grundstruktur (R3 = −OH, R6 = −H) R1, R2 - R5 R7

Pelargonidin(c) −H, −H −OH −OH

Cyanidin(c) −OH, −H −OH −OH

Peonidin(Paeonidin) −OCH3, −H −OH −OH

Rosinidin −OCH3, −H −OH −OCH3

Delphinidin(c) −OH, −OH −OH −OH

Petunidin −OCH3, −OH −OH −OH

Malvidin −OCH3, −OCH3

−OH −OH

34

O

CH3

HO

H3C

CH3

CH3

(CH2)3 CH (CH2)3 CH (CH2)3

CH3 CH3

CH

CH3

CH3

- beeinflußt die Fruchtbarkeit-Lipidlöslich-Antioxidant in der Lebensmittelchemie-Schützt gegen Lipidperoxidation

Vitamin E(-Tocopherol)

Besonders reiche Vitamin-E-Quellensind:

Weizenkeimöl (174–176 mg/100 g) Sonnenblumenöl (60 mg/100 g) Leinsamen (57 mg/100 g) Walnussöl (39 mg/100 g) Maiskeimöl (31–34 mg/100 g) Distelöl (29–45 mg/100 g) Sesamöl (28 mg/100 g) Haselnüsse (27 mg/ 100 g) Erdnussöl (25 mg/100 g) Rapskernöl 25 mg/100 g) Mandeln (25 mg/100 g) Palmöl (25 mg/100 g) Rapsöl (20 mg/100 g) Sojaöl (17–25 mg/100 g) Olivenöl (12–40 mg/100 g) Schwarzwurzeln (6 mg/100 g) Leinöl (5,8 mg/100 g)

SECHSRINGE

35

Pyridinderivate

- Alkylierte Pyridinderivate

N

C16H33

Br

Cetylpyridinium bromide- löslich in Wasser, - kationaktives Detergens

Invertseife

Pyridingruppe

N

=

N

- farblose Flüssigkeit mit unangehmem Geruch

- elektrophile Substitution am C-3 unter extremen Bedingungen

- schwache Base, pKB = 8,8

Pyridin

ParaquatTotalherbizid LD50 = 35 mg/kg (geschätzt)

1,1’-Dimethyl-4,4’-bipyridyliumdichlorid

2ClN NH3C CH3

SECHSRINGE

Erste Symptome einer Vergiftung mit Paraquat sind häufig ein starkes Brennen im Mund und Hals, Schmerzen im Unterleib, Appetitlosigkeit, Schwindel, Erbrechen und Durchfall. Daneben können Kurzatmigkeit, Herzrasen, Nierenversagen, Schmerzen in der Lunge und Schädigungen der Leber auftreten.

36

Vitamin B6Pyridoxin

N

OH

CH3

CH2OH

HOH2C

Mangel in Vitamin B6: - Nervosität- Schlaflosigkeit- Schwäche

Säuren

N COOH N

COOH

N

COOH

Picolinsäure Nicotinsäure Isonicotinsäure

N

CONH2

N

CON(C2H5)2NicotinsäurediethylamidAnaleptikum

N

CONHNH2

Isonicotinsäurehydrazidwichtiges Chemotherapeutikum gegen alle Formen der Tuberculose

SECHSRINGE

Vorkommen: in geringen Dosen in fast allen Lebensmittelnals Coenzym in etwa 100 enzymatischen Reaktionen

Nicotinamid- Bestandteil des Enzyms NAD

NAD

37

N

H2/kat.

NH

Pyridin PiperidinBenzoanellierte Pyridinderivate

NN

Chinolin Isochinolin

- Heteroaromaten- schwache Basen- Vorkommen: in vielen Naturstoffen

SECHSRINGE

N

OCOOH

C2H5

N

HN

F

NorfloxacinDNA-Gyrasehemmer

sehr wirksames Bakterizid

38

Sechsringe mit zwei Heteroatomen

Pyridazin Pyrimidin Pyrazin1,2-Diazin 1,3-Diazin 1,4-Diazin

NN

N

N

N

N

Cytosin Uracil Thymin

Pyrimidin-Basen aus Nucleinsäuren

HN

NH

O

OH3C

HN

NH

O

O

HN

N

O

NH2

Pyrimidinderivate

39


Barbitursäure (tautomere Forme)

N

NH

O

O

OH

N

N

OH

HO OHHN

NH

OH

OO

5,5-Disubstituierte Derivate der Barbitursäure

wichtige Sedativa und Schlafmittel

NH

N O

O

O

R2

H

R1 R1 R2

C 2H 5 C 2H 5C 2H 5C 2H 5

Barbital (Veronal)Phenobarbital (Luminal )Cyclobarbital (Phenodorm)

C 6H5C 6H9

Thiamin (Vitamin B1, Aneurin )

N

N

NH2

H3C

N

S

CH3

CH2 CH2OH Cl

-im Glukosestoffwechsel und am Aufbauvon Nervenzellen beteiligt

-Wuchsstoff für viele Mikroorganismen- therapeutisch: bei Neuritiden und

Neuralgien-Beri-Beri (Vitaminmangelerkrankung)-Christiaan Eijkman (Nobelpreis 1929)


Vorkommen: WeizenkeimenSonnenblumenkernenBackhefeSojabohnen

Wasserlöslich, hitzempfindlich

Mangel: Beriberi

41

N

NH2

N

NH

H

PyrazinpKB = 13,4

PiperazinpKB = 4,05

Anthelmintikum (Wurmmittel),wirksam gegen Oxyuriasis, Ascaridiasis

Pyrazingruppe


42

S

NH

Phenothiazine

Phenothiazin

MethylenblauVerwendung: Farbstoff in der Pathologie und Bakteriologie

reduzierte Form farblos

Cl

S

N

N

CH3

N

CH3

CH3H3C S

N

N

CH3

H3CN

CH3

CH3

H

+ HCl+ 2H

- 2H


43

Purine N

N N

N

H

Purin-Basen aus DNS

N

N N

N

NH2

H

N

N N

N

OH

H2N H

Adenin Guanin

Harnsäure

N

N N

N

OH

HO

OH

H

N

N N

N

OH

HO

OHHN

N N

NO

O

O

H

HH


das Endprodukt des Nukleinsäureabbaus bei Reptilien, Vögeln, Affen und Menschen

44

Pterine N

N N

N

Pteridin

- Biosfactor für die Leukocyten,- beeinflußt die Blutbildung- medizinische Anwendung: bei der Behandlung der perniciösen Anämie

COOHCH2

COOH

CH2

CHNHCONHO

H2N

CH2N

NN

HN

Pterin p-Aminobenzoesäure L-Glutaminsäure

Folsäure


45

ON

N N

HN

OH3C

H3C

CH2OH

HO-C-H

HO-C-H

HO-C-H

CH2

1

35

10

Riboflavin (Vitamin B2)

- isoliert aus Eiweiß and Wolke(70 mg aus 1000 L Milch (!))

- Wachstumsfaktor für Tiere und Mikroorganismen- beteiligt an biologischen Redoxvorgängen


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