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世界で最も影響力のあるヘテロサイクル

世界で最も影響力のあるヘテロサイクル

複素環化合物

環構造としても知られている複素環式化合物は、基本的に、その環/環のメンバーとして2つの異なる元素の原子を含む化合物である。 複素環式化合物はおそらく有機化合物のファミリーの最も多様で最も実質的な数を構成する。

官能性および構造にかかわらず、すべての炭素環化合物は、1つ以上の炭素環原子を異なる元素で置換するだけで、様々な複素環類似体に変換することができる。 結果として、ヘテロ環は、複素環式化合物の薬学的、薬学的、分析的および有機化学を含むが、これに限定されない様々な分野における研究の交換のためのプラットフォームを提供した。

複素環式化合物の主な例は、ほとんどの薬物、核酸、合成染料および天然染料の大部分、およびセルロースおよび関連物質などの大部分のバイオマスである。

分類

複素環式化合物は、有機または無機化合物であっても、ほとんどが少なくとも1つの炭素を有する。 これらの化合物は、その電子構造によって分類することができる。 飽和複素環式化合物は、非環式誘導体と同じように挙動する。 その結果、テトラヒドロフランおよびピペリジンは、立体異性体が改質された慣用のエーテルおよびアミンである。

したがって、複素環化学の研究は、主として不飽和誘導体に焦点を当てており、用途には、拘束されていない5員環および6員環が含まれる。 これには、フラン、ピロール、チオフェン、およびピリジンが含まれる。 複素環式化合物の次の大きなクラスは、フラン、ピロール、チオフェンおよびピリジンについて、それぞれベンゾフラン、インドール、ベンゾチオフェンおよびキノリンであるベンゼン環に縮合される。 2つのベンゼン環が融合すると、ジベンゾフラン、カルバゾール、ジベンゾチオフェン、およびアリジンである別の大きなファミリーの化合物が得られる。 不飽和環は、π系、共役系におけるヘテロ原子の関与に基づいて分類することができる。

準備と反応

3員環

環内に3個の原子を有する複素環式化合物は、環系のより反応の良い礼儀である。 1つのヘテロ原子を含む複素環は、一般に安定である。 2つのヘテロ原子を含むものが、一般に反応中間体として生じる。

エポキシドとしても知られているオキシランは、最も一般的な3員複素環である。 オキシランは、過酸とアルケンとを良好な立体特異性で反応させることによって製造される。 オキシランは、3-員環の高角度歪の不利なエーテルよりも反応性が高い。 環の求核および求電子開環によって進行する付加反応は、最も一般的な反応クラスである。

この種の反応は、開発された最初の抗癌剤の中にあったナイトロジェンマスタードの薬理作用に関与しています。 抗癌剤メクロレタミンの場合のような分子内環の閉鎖は、中間アジリジウムイオンを形成する。 形成された生物学的に活性な薬剤は、それらのDNA複製の阻害を介して癌細胞を含む増殖細胞を攻撃する。 窒素マスタードも抗癌剤として使用されている。

市販のアジリジンおよびオキシランは、必須の大量の工業用化学物質である。 オキシランの大量生産において、エチレンは酸素と直接反応する。 これらの3員環の最も特徴的な化学反応は、以下に示すように求核性試薬による環を開く攻撃の影響を受けやすいことである。

最も一般的な3員環 複素環化合物 1つのヘテロ原子を有するものには、

飽和 不飽和
チオラン(エピスルフィド) サイレン
ホスフィラン ホスフィレン
エポキシド(オキシラン、エチレンオキシド) オキシレン
アジリジン アジリン
ボリラン ボリレン

2つのヘテロ原子を有する最も一般的な3員複素環式化合物には、飽和誘導体としてのジアジリジンおよび不飽和誘導体としてのジアジリンならびにジオキシランおよびオキサジリジンが含まれる。

4本のリング

4-員環複素環の種々の調製方法を以下の図に示す。 アミン、チオールまたは3-ハロを塩基と反応させるプロセスは、典型的には有効であるが、通常の収率である。 二量化および脱離は典型的な副反応である。 他の機能もまた反応において競合し得る。

第1の例では、オキシランへの環化は常にチエタンの形成と競合するが、特に弱い塩基を使用すると、より高い求核性が支配的である。

第2の例では、アゼチジンとアジリジンの両方の形成が可能であるが、後者のみが見られる。 例4は、競合がなければ、アゼチジンの形成に対するこのアプローチがうまく機能することを示している。

第3の例では、基質の剛直な立体配置は、オキセタンの形成を助け、オキシランの環化を防止する。 実施例5および6において、Paterno-Buchi光環化は、オキセタンの形成に特に適している。

4-員環複素環の調製方法

反応

4の反応 複素環化合物 リングひずみの影響を示す。 次の図は、いくつかの例を示しています。 酸触媒は、実施例1,2および3aに示されている様々な開環反応の典型的な特徴である。 チエタンの反応2において、硫黄は求電子性塩素化を受け、クロロスルホニウム中間体の形成および開環塩化物イオンの置換に導く。 反応3bにおいて、強い求核試薬もまた、歪みエーテルを開くことが見られる。 ベータ - ラクトンの開裂反応は、4aに見られる酸触媒アシル交換のいずれかによって起こり得る。 4bのような求核試薬によるアルキル-O破裂によっても起こり得る。

実施例番号6は、オルトエステルの分子内転位の興味深い現象を示す。 反応6は、縮合環系の増強されたアシル化反応を説明するペニシリンGのベータ - ラクタム開裂を示す。

4員複素環化合物の反応の例

最も有用な 複素環化合物 4員環は、抗生物質、セファロスポリンおよびペニシリンの2つのシリーズである。 2つのシリーズは、ベータラクタム環としても知られているアゼチジノン環を含む。
多くのオキセタンは抗ウィルス剤、抗ガン剤、抗炎症剤、抗真菌剤として研究中です。 一方、オキセタノン類は、主に殺菌剤、殺菌剤および除草剤として、またポリマーの製造において農業に適用されている。
親チエタンは頁岩油中に見出され、その香気性誘導体はヨーロッパのポレア、フェレット、およびミンクの香りマーカーとして働く。 チエタンは、塗料中の殺菌剤および殺菌剤として、鉄腐食防止剤として、およびポリマーの製造において適用される。

単一のヘテロ原子を有する4員環化合物

ヘテロ原子飽和不飽和

ヘテロ原子 飽和 不飽和
硫黄 チエタン Azete
酸素 オキセタン オセテテ
窒素 アゼチジン Azete

2つのヘテロ原子を有する4員環化合物

ヘテロ原子 飽和 不飽和
硫黄 ジチエタン Dithiete
酸素 ジオキセタン ダイオキシン
窒素 ジアゼチジン ジアゼット

単一のヘテロ原子を有する5員環

チオフェン、フラン、およびピロールは、5員環複素環の親芳香族化合物である。 その構造は次のとおりです。

チオフェン、フラン、およびピロールの飽和誘導体は、それぞれチオファン、テトラヒドロフランおよびピロリジンである。 ベンゼン環に縮合したチオフェン環、フラン環またはピロール環からなる二環式化合物はベンゾチオフェン、ベンゾフラン、イソインドール(またはインドール)としてそれぞれ知られている。
窒素複素環ピロールは、典型的には、強い加熱によるタンパク質の分解によって形成される骨の油に存在する。 ピロール環は、靭帯、腱、皮膚、および骨およびコラーゲンの構造タンパク質中に高濃度で存在する種々のタンパク質の成分であるヒドロキシプロリンおよびプロリンなどのアミノ酸に見出される。
ピロール誘導体はアルカロイド中に見出される。 ニコチンは、アルカロイドを含む最も一般的に知られているピロールである。 ヘモグロビン、ミオグロビン、ビタミンB12、およびクロロフィルはすべて、以下に示すクロロフィルBのようなポルフィリンと呼ばれる大きな環系で4つのピロール単位を結合することによって形成される。

胆汁色素はポルフィリン環の分解により形成され、4ピロール環の鎖を有する。
5員環複素環の調製
フランの工業的調製は、コーンコブなどの原材料を含むペントースから生成されるアルデヒド、フルフラールの方法によって、以下に示すように進行する。 同様のチオフェンとピロールの調製物が第2の式の方程式に示されている。
式1の第3列は、1,4-ジカルボニル化合物からの置換チオフェン、ピロール、フランの一般的調製を示す。 このタイプの置換複素環の形成を導く多くの他の反応が開始されている。 これらの手順のうちの2つは、第2および第3の反応で示されている。 テトラヒドロフランへのパラジウム触媒水素添加によりフランを還元する。 この環状エーテルは、4-ハロアルキルスルホネートに変換することができるだけでなく、チオランおよびピロリジンを製造するために使用することができる1,4-ジハロブタンに変換することができる有益な溶媒である。

単一のヘテロ原子を有する5員環化合物

ヘテロ原子 不飽和 飽和
アンチモン 刺し傷 Stibolane
砒素 Arsole アルソルン
ビスマス ビスマル ビスホラン
ボロン ボール ボロラン
窒素 ピロール ピロリジン
酸素 フラン テトラヒドロフラン

5ヘテロ原子を有する2員環

2ヘテロ原子および少なくとも1つのヘテロ原子が窒素である5員環化合物は、アゾールとして知られている。 イソチアゾール類およびチアゾール類は、環内に窒素および硫黄原子を有する。 2つの硫黄原子を有する化合物はジチオランとして知られている。

ヘテロ原子 不飽和(および部分的に不飽和) 飽和
窒素

/窒素

ピラゾール(ピラゾリン)

イミダゾール(イミダゾリン)

ピラゾリジン

イミダゾリジン

窒素/酸素 イソキサゾール

オキサゾリン(オキサゾール)

イソキサゾリジン

オキサゾリジン

窒素/硫黄 イソチアゾール

チアゾリン(チアゾール)

イソチアゾリジン

チアゾリジン

酸素/酸素 ジオキソラン
硫黄/硫黄 ジチオラン

一部のピラゾールは自然発生する。 このクラスの化合物は、1,3-ジケトンをヒドラジンと反応させることによって調製される。 ほとんどの合成ピラゾール化合物は、医薬品や染料として使用されています。 発熱低下型鎮痛薬アミノピリン、関節炎治療に使用されるフェニルブタゾン、繊維色素および黄色食品着色タートラジン、および増感剤としてカラー写真に使用される色素の大部分が含まれる。

5ヘテロ原子を有する3員環

少なくとも3ヘテロ原子を有する5員環化合物の大きな群も存在する。 そのような化合物の一例は、窒素原子および2つの硫黄を含むジチアゾールである。

6ヘテロ原子を有する1員環

単環式窒素含有6員環化合物で使用される命名法は以下の通りである。 ピリジンのリング上の位置が示されていますが、両方のシステムが使用されていても、アラビア数字がギリシャ文字よりも好まれます。 ピリドン類は、4-ピリドンについて実証されたように、荷電共鳴型からの共鳴ハイブリッドへの寄与による芳香族化合物である。

NAD(コエンザイム1としても知られる)およびNADP(コエンネイムIIとしても知られている)は、ニコチンアミドに由来する、細胞における様々な重要な代謝反応に関与する2つの主要な補酵素である。
アルカロイドの大部分は、ピペリジンまたはピリジン環構造を含み、ピペリン(黒白唐辛子の鮮明な内容の1つを構成する)およびニコチンの中に含まれる。 それらの構造を以下に示す。

かつてはコールタールから抽出されたが、アンモニアおよびテトラヒドロフルフリルアルコールから触媒的に調製されたピリジンは、他の化合物の製造に使用される重要な中間体および溶媒である。 ビニルピリジンは、プラスチックの重要なモノマービルディングブロックであり、完全に飽和したピペリジン、ピリジンは、化学原料およびゴム加工として使用される。

薬学的に有用なピリジン

薬理学的に有用なピリジンには、ネビラピンとして知られる抗AIDSウイルス薬、狭心症、フェナゾピリジン、尿路鎮痛薬および抗炎症性スルファ薬物を制御するために使用されるニコランジル - 血管拡張薬、イソニコチン酸ヒドラジド(結核菌イソニアジド)が含まれる。 ジフルフェニカン、クロピラリド、パラコート、およびジクワットは、除草剤として使用される一般的なピリジン誘導体である。

6以上のヘテロ原子を有する2員環

3窒素ヘテロ原子(ジアジン)を有する2単環式6員環複素環に番号を付け、以下に示すように命名する。

マレイン酸ヒドラジドは、除草剤として使用されるピリダジン誘導体である。 アスペルギル酸のようなピラジン類は自然発生する。 上記の化合物の構造を以下に示す。

ピラジン環は、工業的および生物学的に重要な種々の多環式化合物の成分である。 ピラジンファミリーの重要なメンバーは、フェナジン、アロキサジン、およびプテリジンである。 薬理学的および生物学的に、最も重要なジアジンはピリミジンである。 シトシン、チミンおよびウラシルは、RNAおよびDNA中の遺伝子コードを構成する3ヌクレオチド塩基の5である。 以下はその構造です:

ビタミンチアミンはピリミジン環を有し、アモバルビタールを含む合成バルビツール酸に加えて、一般的に使用される薬物である。 モルホリン(親テトラヒドロ-1,4-オキサジン)は、殺菌剤、腐食防止剤、および溶媒として使用するために大規模に製造される。 モルホリン環は、催眠催眠薬のトリメトジンやフェンプロピモルフやトリデモルフのような殺菌剤にも見られます。 モルフォリンの構造式は次のとおりです。

7員環

環のサイズが増加するにつれて、ヘテロ原子の位置、種類、および数を変化させることによって得られ得る化合物の多様性は非常に増大する。 しかしながら、7員環以上の複素環の化学は、6および5員環複素環化合物のそれよりも発達しにくい。
オキセピンおよびアゼピン環は、海洋生物およびアルカロイドの様々な天然代謝産物の重要な構成要素である。 カプロラクタムとして知られているアゼピン誘導体は、合成皮革、コーティングおよびフィルムの製造において、中間体としてのナイロン-6の製造に使用するためにバルクで商業的に製造されている。
それらの環に2個または1個の窒素原子を有する7員複素環式化合物は、広く使用されている精神薬品のプラセフェイン(三環系抗うつ薬)およびバリンとしても知られる精神安定薬ジアゼパムの構造単位である。

8員環

このクラスの複素環化合物の例には、アゾカン、オキソカン、およびチオシアンが含まれ、窒素、酸素および硫黄がそれぞれのヘテロ原子である。 それらのそれぞれの不飽和誘導体は、それぞれアゾシン、オキソシン、およびチオシンである。

9員環

このクラスの複素環式化合物の例には、窒素、酸素、および硫黄がそれぞれのヘテロ原子であるアゾナン、オキソナン、およびチオナンが含まれる。 それらのそれぞれの不飽和誘導体は、それぞれアゾニン、オキソニンおよびチオニンである。

複素環式化合物の使用

ヘテロ環は、生命科学および技術のいくつかの分野で有用である。 すでに議論しているように、多くの薬剤は複素環式化合物です。

リファレンス

IUPACゴールドブック、複素環化合物。 リンク:

WHパウエル: Heteromonocyclesのための命名法の拡張されたHantzsch-Widmanシステムの改訂、で: Pure Appl。 Chem。1983, 55、409-416;

A.Hantzsch、JH Weber: チアゾール(Verdindungen des Thiazols、Pyridins der Thiophenreihe)、で: Ber。 Dtsch。 Chem。 Ges。 1887, 20、3118-3132

O.ウィドマン: Zur Nomenclatur der Verbindungen、シュトゥットガルトの森、で: J. Prakt。 Chem。 1888, 38、185-201;