Senyawa Aromatik Heterosiklis. tim dosen. (021) uhamkaid

Senyawa Aromatik Heterosiklis

tim dosen

Definisi

• Seyawa Aromatik Heterosiklik atauheterolingkar adalah senyawa

kimia yang memiliki struktur cincin (siklik) dengan senyawa atom

selain atom karbon, yaitu O,S,N.

• Senyawa heterosiklik dapat berupa cincin aromatik sederhana atau

cincin non aromatik

Senyawa Heterosiklik Aromatik

Agar suatu sistem cincin bersifat aromatik, terdapat tiga kriteria yang harus dipenuhi :

1.

Sistem cincin mengandung elektron



(pi) yang terdelokalisasi (terkonyugasi).

2.

Sistem cincin harus datar (planar), berhibridisasi sp2.

3.

Harus terdapat (4n + 2) elektron



dalam sistem cincin (aturan Huckel).

Penomoran pada cincin heterosiklik ditetapkan berdasarkan perjanjian dan tidak berubah bagaimanapun

posisi substituennya. Penomoran beberapa senyawa heterosiklik adalah sbb :

Piridin

N

1 2 3 4 5 6 5 4 ₃ 2 1

S

Tiaz ol

N

N

N

H

Imidaz ol

1 2 3 4 5

N

Kuinolin

1 2 3 4 5 6 7 8

Isokuinolin

N

1 2 3 4 5 6 7 8

Piridin

N

1 2 3 4 5 6 5 4 ₃ 2 1

S

Tiaz ol

N

N

N

H

Imidaz ol

1 2 3 4 5

N

Kuinolin

1 2 3 4 5 6 7 8

Isokuinolin

N

1 2 3 4 5 6 7 8

Nomenclature

Replacement nomenclature (

IUPAC

recommended 1957)

Oxygen

oxa

Sulfur

thia

Nitrogen

aza

Lowest number assigned to the hetero atom with the highest precedence: O > S > N

S

thiacyclobutane

O

NH

Hantzsch-Widman

(1888)

Suffixes

ring with nitrogen

ring without nitrogen

Ring members

unsat’d

sat’d

unsat’d

sat’d

3

-irine

-iridine

irene

irine

4

ete

etidine

ete

etane

5 ole

olidine

ole olane

6 ine

perhydro__ine

in ane

7

epine

perhydro__epine

epin

epane

O

_S

N

H

*

oxirane

ethylene oxide

oxacyclopropane

*

thiirane

ethylene sulfide

thiacyclopropane

*

aziridine

ethylene imine

azacyclopropane

N

N

N

_O

N

H

diazirane

_1-azirine

oxaziridine

oxazacyclopropane

O

_S

_NH

N

N

oxetane

oxacyclobutane

thietane

_{thiacyclobutane}

azetidine

azacyclobutane

azete

azacyclobutadiene

1-azetine

1-azacyclobutene

O

O

N

H

O

O

_S

_N

H

*

furan

oxole

oxacyclopentandiene

*

thiophene

thiole

thiacyclopentandiene

*

pyrrole

1,3-dioxolane

1,3-dioxacyclopentane

*

tetrahydrofuran

*

pyrrolidine

azacyclopentane

N

O

N

S

O

N

N

H

N

N

N

H

N

N

H

N

pyrazole

imidazole

1,2,4-triazole

O

O

O

O

O

N

H

N

H

H

N

O

O

4-hydropyran

2-pyrone

4-pyrone

N

N

N

N

N

N

N

N

H

O

pyridazine

_pyrimidine

_pyrazine

Penjelasan Struktur berdasarkan Teori Ikatan Valensi

A. Senyawa Pirol

B. Senyawa Furan

C. Senyawa Tiofen

N H H H H H + + + + + _ _ _ _ _ dua elektron pi dari nitrogen satu elektron pi dari karbon H H H H + + + + + _ _ _ _ _ dua elektron pi dari oksigen satu elektron pi dari karbon O

dua elektron mandiri dari oksigen H H H H + + + + + _ _ _ _ _ dua elektron pi dari sulfur satu elektron pi dari karbon S

dua elektron mandiri dari sulfur

Sifat Karakteristik Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

A. Senyawa Pirol

B. Senyawa Furan

Karena atom oksigen dalam furan menyumbangkan

dua elektron (sepasang elektron) ke awan pi

aromatik, maka atom oksigen bersifat tuna elektron.

Karena atom nitrogen dalam pirol menyumbangkan

dua elektron ke awan pi aromatik, maka atom nitrogen

bersifat tuna elektron.

C. Senyawa Tiofen

Karena atom sulfur dalam tiofen menyumbangkan dua elektron

(sepasang elektron) ke awan pi aromatik, maka atom sulfur

bersifat tuna elektron.

_S

S





+

S





+

O

_O

_

+



O

_

₊



N

H

Pirol

H

N

_

₊



H

N

_

₊



N

H

Pirol

Reaksi-reaksi pada Senyawa Heterosiklik Lingkar Lima

Reaksi-reaksi pada pirol

Mengalami reaksi reduksi

Mengalami reaksi halogenasi

H H N _N H2 , Ni / Pt 200 - 250o pi rol i di n pi rol Kb = 2,5 x 10-14 Kb = 10-3 Zn , HCl 3-pi rol i n N H N N H _H Br2 C2H5OH Br Br Br Br 2,3,4,5-tetrabromopi rol N N H C CH3 ONO2 O O CH3 C O C CH3 O 5oC H NO2 + O CH3 C OH

Reaksi-reaksi Furan

Reaksi reduksi

Reaksi halogenasi

O _O

H2 , Ni / Pd

50oC 90 -93 %

furan tetra hi dro furan

td 31o td 65o asam furoat O O bromo furan C O OH Br2 OH O C O Br Br + CO2

Reaksi substitusi elektrofilik

NO 2 N H N H N H + NO 2 NO₂ H + + H NO₂ H N + H NO₂ H N -H+

Posisi 2 (disukai)

Posisi 3 (tidak disukai)

-H+ N H NO 2 H + + H NO 2 + NO 2 H N H N H N NO₂

Piridina

Piridin

N N

Piridin atau

Substitusi Nukleofilik pada Cincin Piridin

N Br NH3 -H+ NH2 Br N _ _ N Br NH2 _NH2 Br N _ N _NH2 - Br-penyumbang utama

struktur-struktur resonansi untuk zat antara

Posisi 2 (disukai)

Posisi 3 (tidak disukai)

struktur-struktur resonansi untuk zat antara

- Br-NH2 N _ N Br NH2 NH2 Br N _ _ N Br NH2 -H+ NH2 Br N

Kuinolin dan Isokuinolin

Kuinolin dan isokuinolin, keduanya menjalani substitusi elektrofilik dengan lebih mudah dari piridin, tetapi dalam

posisi 5 dan 8 (pada cincin benzenoid, bukan pada cincin nitrogen).

N Kuinolin HNO3 H2SO4 0o N N + NO2 NO2 5-nitrokuinolin 8-nitrokuinolin (52% ) (48% ) Isokuinolin N 0o H2SO4 HNO3 N 5-nitroisokuinolin N 8-nitroisokuinolin NO2 NO2 + (90% ) (10% )

Seperti piridin, cincin kuinolin dan isokuinolin yang mengandung nitrogen dapat menjalani substitusi

nukleofilik.

(1) NH2 -Kuinolin N (2) H2O _{N NH2} 2-aminokuinolin N Isokuinolin (2) H2O (1) CH3Li 1-metilisokuinolin N CH3

Porfirin

N N N N H H Porfirin

Sistem cincin porfirin terdiri dari empat cincin pirol yang dihubungkan oleh gugus =C-. Sistem cincin

keseluruhan bersifat aromatik.

Sistem cincin porfirin merupakan satuan yang secara biologis sangat penting khususnya dalam : heme,

komponen hemoglobin yang mengangkut oksigen.

N N N N Fe CH₂=CH CH=CH 2 CH 3 CH 3 CH₃ CH 3 HO₂CCH₂CH₂ HO₂CCH₂CH₂ Heme

Aromatic heterocycles

N

H

O

S

pyrrole

_furan

_thiophene

N

H

Aromatic! EAS very, very reactive

resonance stabilization energy ~ 22-28 Kcal/mole

sp

2

6 pi electrons

no unshared pair on Nitrogen

very weak base

Kb = 10

-14

N

H

N

H

strong acids

polymer!

CH

₃

CO

₂

-

NO

₂

+

(CH

₃

CO)

₂

O, 5

o

C

_N

H

NO

₂

SO

₃

pyridine, 90

o

N

H

SO

₃

H

C

₆

H

₅

-

N

₂

+

Cl

-N

H

N N

pyrrole

N

H

N

H

CH=O

N

H

C

N

H

Br

pyrrole

CHCl

₃

, KOH

HCN, HCl

H

₂

O

(CH

₃

CO)

₂

O

250

o

CH

₃

O

Br

₂

, EtOH

0

o

Br

Br

Br

O

furan

CH

₃

CO

₂

NO

₂

O

NO

2

pyridine:SO

₃

O

SO

3

H

C

₆

H

₅

N

₂

+

O

N

N

(CH

₃

CO)

₂

O, BF

₃

O

C

O

CH

₃

O

furan

O

CH=O

O

Br

O

HgCl

O

I

1. HCN, HCl

2. H

₂

O

Br

₂

dioxane

HgCl

₂

CH

₃

CO

₂

Na

I

₂

CH

₃

COCl

O

C

O

CH

₃

S

less reactive, can use acids

H

₂

SO

₄

S

SO

3

H

CH

₃

CO

₂

NO

₂

(CH

₃

CO)

₂

O

S

NO

2

Br

₂

, benzene

S

Br

Br

I

₂

, HgO

S

I

N

H

N

H

N

H

N

H

N

H

Y

H

Y

H

Y

H

Y

H

Y

H

Why EAS  2-position?

3-N

H

O

H

₂

, Ni

250

o

H

₂

, Ni

50

o

N

H

O

Kb = 10

-14

Kb = 10

-3

2

o

amine

THF

Pyridine

N

N

N

6 pi electrons,

sp

2

, flat

aromatic, resonance stabilization energy ~ 23 Kcal/mole

Kb = 2.3 X 10

-9

3

2

N

1

6

5

4

N







N

CH

₃

-picoline



Pyridine important solvent & base (~ 3

o

amine)

Reactions:

1) EAS (much less reactive than benzene ~ nitro)

N

KNO

₃

, H

₂

SO

₄

, 370

o

N

NO

₂

3% yield

H

₂

SO

₄

, SO

₃

, HgSO

₄

220

o

, 24 hours

N

SO

₃

H

Br

₂

, 300

o

N

N

Br

Br

Br

+

Friedel-Crafts

no reaction

N

N

N

H

_Y

Y

H

Y

H

N

Y

H

N

Y

H

N

Y

H

N

Y

H

N

H

_Y

N

H

_Y







Deactivated to EAS due to electronegativity of Nitrogen

Directs beta due to destabilization of alpha and gamma

Pyridine, reactions

2) Nucleophilic aromatic substitution

N

NaNH

₂

N

NH

₂

phenyl lithium

_H

2

O

N

N

N

N

N

Br

Cl

Br

NH

₃

, 200

o

NH

₃

, 200

o

NH

₃

, 200

o

NR

N

NH

₂

N

NH

₂

N

N

H

Z

Z

H

activated to nucl. arom. subts.

directs alpha & gamma

Pyridine, reactions

3) As base

Kb = 2.3 X 10

-9

N

N

HBr

CH

₃

I

N

H

Br

N

CH

₃

I

4

o

salt

Pyridine, reactions

4) reduction

N

H

₂

, Pt

HCl, 25

o

, 3 atm.

_N

H

piperidine

Kb = 2 X 10

-3

aliphatic 2

o

amine

Polynuclear Heteroaromatics

6

7

8

5

N

1

2

3

4

6

7

8

5

1

N

₂

3

4

quinoline

isoquinoline

EAS

_EAS

NAS

NAS

5

6

7

4

N

H

1

2

3

indole

EAS

Skraup synthesis of quinoline

NH

₂

H

₂

C

HC

H

₂

C

OH

OH

OH

+

aniline

glycerol

+

NO

₂

N

+ H

₂

O

nitrobenzene

H

₂

SO

₄

HC

H

₂

C

H

₂

C

OH

OH

OH

H

+

-H

₂

O

HC

CH

CH

₂

O

acrolein

NH

₂

+

N

H

CH

₂

CH

₂

C

O

H

H

+

N

H

CH

₂

CH

₂

C

OH

H

EAS

N

H

H

OH

N

H

NO

₂

N

NH

₂

+

-H

₂

O

Heterocycles as you would expect!

O

N

H

S

angle strain

O

O

_O

ethers

NH

N

H

N

H

amines

O

N

H

S

N

EAS

N

N

N

H

N

NH

₂

NH

N

N

H

N

O

NH

₂

N

N

H

NH

₂

O

NH

N

H

O

O

adenine

_guanine

cytosine

_thymine