14.10: آمین های هتروسیکلیک
- Page ID
- 216822
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)همانطور که در بخش 15.5 در ارتباط با بحث آروماتیک اشاره شد، یک ترکیب آلی چرخه ای که حاوی اتم های دو یا چند عنصر در حلقه آن است، یک هتروسیکل نامیده می شود. آمین های هتروسیکلیک به ویژه رایج هستند و بسیاری از آنها دارای خواص بیولوژیکی مهمی هستند. پیریدوکسال فسفات، یک کوآنزیم؛ سیلدنافیل (ویاگرا)، یک داروی شناخته شده؛ و هم، حامل اکسیژن در خون، چند نمونه هستند.
بیشتر هتروسیکل ها شیمی مشابهی با همتایان زنجیره باز خود دارند. لاکتون ها و استرهای آسیکلیک به طور مشابه رفتار می کنند، لاکتام ها و آمیدهای آسیکلیک رفتار مشابهی دارند و اترهای چرخه ای و حلقوی رفتار مشابهی دارند. با این حال، در موارد خاص، به ویژه هنگامی که حلقه اشباع نشده است، هتروسیکل ها خواص منحصر به فرد و جالبی دارند.
پیرول و ایمیدازول
Pyrrole، ساده ترین آمین هتروسیکلیک غیر اشباع پنج عضو، به صورت تجاری با درمان فوران با آمونیاک بر روی کاتالیزور آلومینا در 400 درجه سانتیگراد به دست می آید. فوران، آنالوگ حاوی اکسیژن پیرول، توسط کم آبی اسید کاتالیز شده قندهای پنج کربن موجود در پوسته های جو دوسر و ذرت به دست می آید.
اگر چه پیرول به نظر می رسد هر دو آمین و یک دین مزدوج است، خواص شیمیایی آن با هیچ یک از این ویژگی های ساختاری سازگار نیست. بر خلاف بسیاری از آمین های دیگر، پیرول پایه نیست - p K a از یون پیرولینیوم 0.4 است. بر خلاف اکثر دینهای کونژوگه دیگر، پیرول به جای افزودن، تحت واکنش های جایگزینی الکتروفیلی قرار می گیرد. دلیل هر دو این خواص، همانطور که در بخش 15.5 اشاره شد، این است که پیرول دارای شش \(\pi\) الکترون و معطر است. هر یک از چهار کربن یک \(\pi\) الکترون را به خود اختصاص می دهد و نیتروژن هیبرید شده sp 2 از جفت تنها خود دو الکترون دیگر را به خود اختصاص می دهد.
از آنجا که جفت نیتروژن تنها بخشی از سکستت معطر است، پروتوناسیون روی نیتروژن باعث از بین رفتن آروماتیک حلقه می شود. بنابراین اتم نیتروژن موجود در پیرول نسبت به نیتروژن موجود در یک آمین آلیفاتیک کمتر غنی از الکترون، پایه کمتر و هسته دوست کمتری است. به همین ترتیب، اتم های کربن پیرول غنی از الکترون و هسته دوست تر از کربن های معمولی پیوند دوگانه هستند. بنابراین حلقه پیرول به همان روش enamines نسبت به الکتروفیل ها واکنش نشان می دهد (بخش 23.11). نقشه پتانسیل الکترواستاتیک نشان می دهد که چگونه نیتروژن پیرول در مقایسه با نیتروژن در همتای اشباع شده خود پیرولیدین الکترون ضعیف (قرمز کمتر) است، در حالی که اتم های کربن پیرول در مقایسه با کربن های 1،3-سیکلوپنتادین غنی از الکترون هستند (قرمز تر).
شیمی پیرول شبیه به حلقه های بنزن فعال است. با این حال، به طور کلی، هتروسیکل ها نسبت به الکتروفیل ها واکنش بیشتری نسبت به حلقه های بنزن دارند و اغلب برای کنترل واکنش ها دمای پایین لازم است. هالوژناسیون، نیتراسیون، سولفوناسیون و آسیلاسیون فریدل-صنایع دستی همه می توانند انجام شوند. به عنوان مثال:
جایگزینی الکتروفیلیک به طور معمول در C2، موقعیت کنار نیتروژن رخ می دهد، زیرا واکنش در این موقعیت منجر به یک کاتیون میانی پایدارتر می شود که دارای سه شکل رزونانس است، در حالی که واکنش در C3 کاتیون پایدار کمتری با تنها دو شکل رزونانس می دهد (شکل). \(\PageIndex{1}\)
سایر آمین های هتروسیکلیک پنج عضو مشترک شامل ایمیدازول و تیازول هستند. ایمیدازول، یکی از اجزای اسید آمینه هیستیدین، دارای دو نیتروژن است که تنها یکی از آنها اساسی است. تیازول، سیستم حلقه ای پنج عضوی که ساختار تیامین (ویتامین B 1) بر اساس آن است، همچنین حاوی نیتروژن پایه ای است که در تیامین آلکیل شده است تا یک یون آمونیوم کواترنر تشکیل شود.
یک تصویر مداری از تیازول را بکشید. فرض کنید که هر دو اتم نیتروژن و گوگرد sp 2 هیبرید شده اند و اوربیتال هایی را نشان می دهند که جفت های تنها اشغال می کنند.
- پاسخ
-
درصد پروتوناسیون اتم نیتروژن ایمیدازول در هیستیدین در pH فیزیولوژیکی 7.3 (بخش 24.5) چیست؟
- پاسخ
-
4.1٪ پروتون شده
پیریدین و پیریمیدین
پیریدین آنالوگ هتروسیکلیک حاوی نیتروژن بنزن است. مانند بنزن، پیریدین یک مولکول صاف و معطر است، با زاویه پیوند 120 درجه و طول پیوند C-C 139pm، متوسط بین پیوندهای معمولی تک و دوگانه است. پنج اتم کربن و اتم نیتروژن sp 2 هیبرید شده هر کدام یک \(\pi\) الکترون را به سکستت آروماتیک کمک می کنند و الکترون های جفت تنها یک اوربیتال sp 2 را در صفحه حلقه اشغال می کنند (بخش 15.5).
همانطور که قبلا در جدول 24.1 نشان داده شده است، پیریدین (pK a = 5.25) یک پایه قوی تر از پیرول است اما یک پایه ضعیف تر از آلکیلامین ها است. پایه کاهش یافته پیریدین در مقایسه با آلکیلامین ها به دلیل این واقعیت است که الکترون های جفت تنها در نیتروژن پیریدین در یک اوربیتال sp 2 هستند، در حالی که کسانی که در نیتروژن آلکیلامین در یک اوربیتال sp 3 هستند. از آنجا که اوربیتالهای s دارای حداکثر چگالی الکترونی خود در هسته هستند، اما اوربیتالهای p دارای یک گره در هسته هستند، الکترونها در اوربیتال با کاراکتر s بیشتر نزدیک به هسته با بار مثبت نگه داشته میشوند و برای پیوند کمتر در دسترس هستند. در نتیجه، اتم نیتروژن sp 2 هیبرید شده (33٪ s کاراکتر) در پیریدین کمتر از نیتروژن sp 3 هیبرید شده در یک آلکیلامین (25٪ s کاراکتر) است.
بر خلاف بنزن، پیریدین تحت واکنش های جایگزینی آروماتیک الکتروفیل با مشکل مواجه می شود. هالوژناسیون را می توان در شرایط شدید انجام داد، اما نیتراسیون در عملکرد بسیار کم رخ می دهد و واکنش های فریدل-کرفت موفق نیستند. واکنش ها معمولا محصول 3 جایگزین را ارائه می دهند.
واکنش پذیری کم پیریدین نسبت به جایگزینی آروماتیک الکتروفیل توسط ترکیبی از عوامل ایجاد می شود. یکی این است که پیچیدگی اسید — باز بین اتم نیتروژن حلقه پایه و الکتروفیل ورودی یک بار مثبت بر روی حلقه قرار می دهد، در نتیجه آن را غیرفعال می کند. به همان اندازه مهم است که چگالی الکترون حلقه توسط اثر القایی الکترون از اتم نیتروژن الکترونگاتیو کاهش می یابد. بنابراین، پیریدین دارای گشتاور دوقطبی قابل توجهی است (μ = 2.26 D)، با کربن های حلقه به عنوان انتهای مثبت دو قطبی عمل می کنند. بنابراین واکنش یک الکتروفیل با اتم های کربن قطبی شده مثبت دشوار است.
علاوه بر پیریدین، دی آمین پیریمیدین شش عضوی نیز به طور معمول در مولکول های بیولوژیکی، به ویژه به عنوان یک ماده تشکیل دهنده اسیدهای نوکلئیک یافت می شود. با pK a 1.3، پیریمیدین به دلیل اثر القایی نیتروژن دوم، به طور قابل توجهی کمتر از پیریدین است.
واکنش های جایگزینی آروماتیک الکتروفیل پیریدین به طور معمول در C3 رخ می دهد. واسطه های کربوکاتیونی حاصل از واکنش یک الکتروفیل را در C2، C3 و C4 بکشید و نتیجه مشاهده شده را توضیح دهید.
- پاسخ
-
هتروسیکل های چند حلقه ای
همانطور که در بخش 15.6 دیدیم، کینولین، ایزوکینولین، ایندول و پورین هتروسیکل های چند حلقه ای معمولی هستند. سه حلقه اول شامل هر دو حلقه بنزن و یک حلقه آروماتیک هتروسیکلیک است، در حالی که پورین حاوی دو حلقه هتروسیکلیک است که به هم متصل شده اند. هر چهار سیستم حلقه معمولا در طبیعت رخ می دهد و بسیاری از ترکیبات با این حلقه ها فعالیت فیزیولوژیکی را بیان می کنند. به عنوان مثال، کینین آلکالوئید کینین کینین به طور گسترده ای به عنوان یک داروی ضد مالاریا استفاده می شود. تریپتوفان یک اسید آمینه رایج است.
شیمی این هتروسیکل های چند حلقه ای فقط چیزی است که شما ممکن است از دانش هتروسیکل های ساده تر پیریدین و پیرول انتظار داشته باشید. کینولین و ایزوکینولین هر دو دارای اتم های نیتروژن پایه و پیریدین مانند هستند و هر دو تحت جایگزینی الکتروفیل قرار می گیرند. همانند پیریدین، هم کینولین و هم ایزوکینولین به دلیل اتم نیتروژن الکترونگاتیو که الکترونها را از حلقه خارج می کند، نسبت به بنزن واکنش کمتری نسبت به جایگزینی الکتروفیل دارند. واکنش بر روی حلقه بنزن به جای حلقه پیریدین حاوی نیتروژن رخ می دهد و مخلوطی از محصولات جایگزینی به دست می آید.
ایندول دارای نیتروژن غیر پایه و پیرول مانند است و راحت تر از بنزن تحت جایگزینی الکتروفیل قرار می گیرد. جایگزینی در C3 حلقه پیرول غنی از الکترون به جای حلقه بنزن رخ می دهد.
پورین دارای سه نیتروژن پایه، پیریدین مانند با الکترون های جفت تنها در اوربیتال sp 2 در صفحه حلقه است. نیتروژن پورین باقی مانده غیر پایه و پیرول است و الکترون های جفت تنها آن به عنوان بخشی از سیستم الکترون آروماتیک است. \(\pi\)
کدام اتم نیتروژن در آلکالوئید اندول توهم زا N، N-dimethyltryptamine اساسی تر است؟ توضیح بده
- پاسخ
-
نیتروژن زنجیره جانبی اساسی تر از نیتروژن حلقه است.
ایندول با الکتروفیل ها در C3 به جای C2 واکنش نشان می دهد. اشکال رزونانس کاتیونهای میانی حاصل از واکنش در C2 و C3 را رسم کنید و نتایج مشاهده شده را توضیح دهید.
- پاسخ
-
واکنش در C2 از بین می رود زیرا آروماتیک بودن حلقه بنزن از بین می رود.
