Heterocyklické sloučeniny Heterocyklické sloučeniny jsou cyklické sloučeniny, které mají v uzavřeném uhlíkovém řetězci atom uhlíku nahrazen jiným atomem - heteroatomem. Nejčastějšími heteroatomy jsou atomy vícevazných prvků s volnými elektronovými páry, dusík, kyslík, síra.

Mezi heterocyklické sloučeniny řadíme velké množství organických sloučenin, z nichž mnohé mají vztah k fyziologicky důležitým přírodním látkám. Jsou to např. cukry, dusíkaté báze nukleových kyselin, některé aminokyseliny, barviva, vitaminy.

Názvosloví heterocyklických sloučenin U heterocyklických sloučenin používáme nejčastěji triviální názvy. Systematické názvosloví je dosti komplikované, proto se používá méně často. Poloha atomů tvořících cyklus se vyjadřuje čísly. Číslování atomů začíná zpravidla od heteroatomu - s číslem 1.

Jsou-li v cyklu dva nebo více různých heteroatomů, přednost se dává prvkům vyšší skupiny periodické soustavy, u prvků z téže skupiny prvku lehčímu. U běžných heteroatomů se tedy dává přednost kyslíku před sírou, atomu síry před dusíkem.

pyrrol thiofen furan thiazol oxazol 1,3-oxathiolan imidazol

pyrimidin indol purin

Názvy jednovazných zbytků, které získáme myšleným odtržením vodíkového atomu, odvozujeme až na několik vžitých výjimek složením jména matečného heterocyklu se zakončením -yl. Číslo před názvem značí atom , ze kterého vychází volná vazba.

2-pyrrolyl 5-imidazolyl 3-indolyl

Vlastnosti heterocyklických sloučenin aromatický charakter Podmínky: l. všechny atomy vázané v cyklu leží v jedné rovině (jsou v hybridizaci sp2), 2. dvojné vazby jsou konjugované (je možná delokalizace  vazebných elektronů po celém kruhovém systému), 3. vzniká společný  molekulový orbital obsahující (4n+2)  vazebných elektronů.

Atomy uhlíku i atom dusíku jsou v hybridním stavu sp2, tomu odpovídá rovinné uspořádání molekuly.

Každý z atomů uhlíku i atom dusíku v hybridním stavu sp2 má nehybridizovaný orbital p, umístěný kolmo na rovinu molekuly.

Vzájemným překryvem nehybridizovaných p orbitalů atomů uhlíku ( v každém je jeden elektron ) s p orbitalem atomu dusíku ( ve kterém je volný elektronový pár ) vznikne molekulový  vazebný orbital. Je to možné proto, že volný elektronový pár na atomu dusíku je v konjugaci s vazebnými elektrony dvojných vazeb mezi atomy uhlíku. Vytvoří se konjugovaný mezomerní systém ( delokalizace elektronů ).

Spočítáme - li vazebné elektrony atomů uhlíku ( jsou celkem 4 ) a dva volné elektrony atomu dusíku, které vstoupily do konjugace, dostaneme 6 elektronů , což odpovídá obecnému vzorci, který udává počet elektronů v aromatickém systému. Z uvedeného textu plyne, že pyrrol má aromatický charakter.

U heterocyklů se dvěma a více heteroatomy nebo u šesti- a vícečlenných heterocyklů nemusí být vždy volný elektronový pár heteroatomu zapojen do konjugace. Pak se jeho přítomnost projevuje schopností heteroatomu vázat koordinačně vodíkový iont za vzniku oniových kationtů (podobných amoniu nebo iontu oxonia). Takové heterocyklické sloučeniny jsou zřetelně bazické (zásadité).

Např. na rozdíl od pyrrolu volný elektronový pár atomu dusíku v molekule pyridinu není zapojen do konjugace (v systému je již 6 vazebných elektronů tří dvojných vazeb). Je schopen na sebe vázat proton za vzniku pyridiniové soli : pyridin pyridiniumchlorid

Pětičlenné heterocyklické sloučeniny s jedním heteroatomem Mezi nejvýznamnější pětičlenné heterocykly patří furan, thiofen a pyrrol. Furan je kapalina, kterou lze získat při suché destilaci dřeva. Jeho úplnou hydrogenací vzniká cyklický ether tetrahydrofuran, vynikající rozpouštědlo, dokonale mísitelné s vodou. Tetrahydrofuranový kruh vzniká i v cyklických formách cukrů- furanosy. základ vitamínu C – kys. askorbové

Thiofen je kapalina získávaná při destilaci černouhelného dehtu Thiofen je kapalina získávaná při destilaci černouhelného dehtu. Plně hydrogenovaný (thiofan) kruh je obsažen v biotinu (vitamin H – správná fce kůže, vlasy).

Pyrrol je kapalina chloroformového zápachu Pyrrol je kapalina chloroformového zápachu. Získává se z černouhelného dehtu. Od pyrrolu odvozujeme celou řadu derivátů – pyrrolidin( hydrogenovaný kruh), pyrrolová barviva a kyanokobalamin (vitamín B12). Dále aminokyselinu prolin a hydroxyprolin.

kapalina, b.v. 86°C vyskytuje v listech tabáku, mrkve, v pepři. Od pyrrolidinu odvozujeme aminokyselinu prolin.

Deriváty pyrrolu - pyrrolová barviva Pyrrolová barviva jsou přírodní látky, obsahují v molekule několik pyrrolových cyklů, které jsou spojeny nejčastěji methinovými nebo methylenovými skupinami. Jejich struktura je cyklická nebo lineární. Mezi cyklická pyrrolová barviva se čtyřmi pyrrolovými cykly, tzv. tetrapyrroly, patří červené krevní barvivo hemoglobin, zelené asimilační barvivo rostlin - chlorofyl. Lineární tetrapyrroly jsou žlučová barviva - bilirubin a produkty jeho přeměny ve střevech.

Hemoglobin se skládá ze čtyř podjednotek, z nichž každou tvoří bílkovina globin a její barevná složka hem. Hem je složen ze čtyř pyrrolových jader, která jsou spojena methinovými skupinami. Uvedená základní struktura je porfin.

hem

hemoglobin

Žlučová barviva Při rozpadu hemoglobinu vznikají žlučová barviva, v nichž je porfyrinový kruh otevřen: čtyři pyrrolová jádra jsou spojena jen třemi methinovými nebo methylenovými skupinami. Označují se proto nepřesně jako lineární tetrapyrroly. Hlavním barvivem žluče je oranžově žlutý bilirubin, u ptáků zelený biliverdin. Ve střevech se dále přeměňují na urobilinogeny (bezbarvé), urobiliny a jiné intenzivně zbarvené produkty.

Chlorofyl je asimilační barvivo zelených rostlin Chlorofyl je asimilační barvivo zelených rostlin. Struktura je podobná hemu, místo železa je zde obsažen hořčík. Chlorofyl slouží při fotosyntéze jako látka zachycující energii slunečního záření, pomáhá ji přeměňovat na energii vazeb organických sloučenin

Indol je základem esenciální aminokyseliny tryptofanu. Nedostatek Trp – avitaminosa - pelagra Při metabolismu tryptofanu vzniká skatol, je ve výkalech (způsobuje jejich nepříjemný zápach) a v moči. Od indolu je odvozeno modré barvivo indigo. Čistý je ve v květech jasmínu, je v pomeranči, citronech – užití ve voňavkářství Základ struktury námelových alkaloidů – strichnin. Významným derivátem indolu je růstový faktor rostlin- heteroauxin