Kako definirati organsku kemiju? Nenad Raos
Kemija u industriji; časopis kemičara i tehnologa Jugoslavije,
07/2022, Letnik:
71, Številka:
7-8
Journal Article
Recenzirano
Odprti dostop
Svi organski spojevi su ugljikovi spojevi, ali svi ugljikovi spojevi nisu organski spojevi. Prema kojim kriterijima treba odvojiti područja organske i anorganske kemije? Odgovor nudi razlikovanje ...prema osnovnim fizikalnim i kemijskim svojstvima te prema oksidacijskom stanju ugljika. Mali oksidacijski broj ugljika (OB ≤ 0) u organskim spojevima, “reducirani ugljik”, čini ih zapaljivima i podložnima karbonizaciji. Na kraju se vidi da se razlikovanje organske i anorganske kemije temelji više na konvenciji i tradiciji negoli na suštinskoj razlici tih dviju grana kemije.
Od osnutka Zavoda za organsku kemiju Fakulteta kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilišta u Zagrebu, koji je 1922. god. osnovao prof. dr. Ivan Marek, te kasnije preko djelovanja nobelovca ...Vladimira Preloga i brojnih uspješnih generacija organskih kemičara, vidljiv je utjecaj ne samo na znanstvenu djelatnost Zavoda nego i na cjelokupnu hrvatsku kemijsku zajednicu, osobito u području organske sintetske i medicinske kemije. Preparativnu organsku kemiju profesor Prelog držao je nužnom odrednicom studija, koja je zahvaljujući njegovu djelovanju u Zavodu (1935. – 1941.) ostala glavna okosnica znanstveno-istraživačkog rada. Od samog osnivanja u laboratorijima Zavoda odvijaju se istraživanja iz područja sintetske organske i medicinske kemije i fotokemije, stječu se znanstveni stupnjevi i obrazuju brojni organski kemičari, među kojima su danas mnogi priznati znanstvenici u Hrvatskoj i svijetu.
Since its establishment in 1922 by Professor Ivan Marek and through the work of Nobel Prize winner Vladimir Prelog, the Department of Organic Chemistry, Faculty of Chemical Engineering and Technology, University of Zagreb, showed strong impact, not only on scientific activities of the Department, but on the entire Croatian scientific community, especially in the domain of organic synthetic and medicinal chemistry. Preparative organic chemistry, thanks to the work of Professor Prelog (1935–1941), has remained the main scientific research activity in the Department. Since the formation of the Department of Organic Chemistry, research work in the field of synthetic organic and medicinal chemistry, as well as photochemistry, is carried out in its laboratories, scientific degrees are achieved and numerous organic chemists have been educated, many of whom are now recognised scientists in Croatia and worldwide.
The domain of catalytic hydrogenation continues to grow fast, reflecting the wide range of chemical applications that can be enhanced by the easy use of molecular hydrogen. The advances in ...characterization techniques and their application have improved our understanding of the catalytic processes and mechanisms occurring in both homogeneous and heterogeneous catalysis. The aim of this volume, although not exhaustive, is to provide a general overview of new progress of the hydrogenation reactions. This volume comprises a series of various contributions, as reviews or original articles, treating heterogeneously and homogeneously catalyzed hydrogenation reactions. It is composed of three parts: hydrogenation reactions in fine organic chemistry, hydrogenation reactions in environmental chemistry and renewable energy, and special topics in hydrogenation.
Organska kemija doživjela je tijekom proteklog stoljeća duboke i korjenite promjene kojima je Vladimir Prelog bio svjedokom i aktivnim sudionikom. Sintetska kemija i istraživanja strukture prirodnih ...spojeva bile su u središtu interesa organskih kemičara. Preparativne metode omogućile su pripremu mnogih novih spojeva. Sveučilišni laboratoriji bili su u sprezi s industrijskim pogonima, gdje je prednjačila njemačka kemijska industrija. Sve se to do sredine 20. stoljeća zbivalo na empirijski stečenim saznanjima tako da je organska kemija bila praktički odvojena od drugih kemijskih područja.
U takvom se ozračju školovao Vlado Prelog u Pragu, kao učenik Emila Votočeka i svog neposrednog mentora Rudolfa Lukeša. Praksu u sintezi organskih spojeva stekao je pripravljajući naručene kemikalije u malom pogonu svog poslodavca i prvog doktoranda G. J. Drize. Kad je Lukeš intuitivno predložio strukturu adamantana, Prelogu je sinteza tog visokosimetričnog spoja predstavljala izazov koji je ostvario njegov doktorand Rativoj Seiwerth. Povezanost s tvornicom "Kaštel" potaknula je njegov interes za kemiju biološki aktivnih spojeva, a jedinstvena stereokemija adamantana usmjerila je njegova istraživanja na stereokemiju i klasifikaciju kiralnih spojeva poznatu kao CIP-sustav. Ta su mu istraživanja osigurala Nobelovu nagradu, koju je 1975. dijelio s Johnom Cornforthom. Kao nasljednik Ružičke na Katedri za organsku kemiju Savezne visoke tehničke škole u Zürichu (ETH) prepoznao je važnost povezivanja klasične, tradicionalne organske kemije, koja se temeljila na dobroj memoriji i napornom radu u laboratoriju i modernog pristupa koji su u nastavu i istraživanja uveli anglosaksonski kemičari. Novo razdoblje za organsku kemiju počinje sredinom 60-ih godina kad su Woodward i Hoffmann objavili pravila orbitalne simetrije. Primjena kvantno-mehaničkog pristupa i nagli procvat pouzdanih računalnih metoda kao i novih analitičkih tehnika, omogućili su rješavanje mnogih problema odnosa strukture i reaktivnosti kao i sinteze kompleksnih prirodnih spojeva, što je ranije bilo nedostupno primjenom klasičnih metoda. Prelog je premostio jaz koji je dijelio tradicionalnu i modernu školu organske kemije, što je dovelo do toga da su gotovo nestale bitne razlike između analitičke, fizikalne i organske kemije.
Istraživanje prirodnih spojeva i njihove uloge u biološkim procesima danas proučava molekularna biologija i Prelogovi su posljednji radovi bili posvećeni upravo bio-organskoj kemiji. I nakon odlaska u mirovinu 1975. god., Prelog je kao "izvanredni student" u svojoj grupi okupio nekoliko vrsnih zagrebačkih kemičara čiji je boravak u Zürichu pokrivao vlastitim sredstvima. Vladimir Prelog ući će u povijest kemije kao najveći organski kemičar 20. stoljeća.
Svi organski spojevi su ugljikovi spojevi, ali svi ugljikovi spojevi nisu organski spojevi. Prema kojim kriterijima treba odvojiti područja organske i anorganske kemije? Odgovor nudi razlikovanje ...prema osnovnim fizikalnim i kemijskim svojstvima te prema oksidacijskom stanju ugljika. Mali oksidacijski broj ugljika (OB ≤ 0) u organskim spojevima, “reducirani ugljik”, čini ih zapaljivima i podložnima karbonizaciji. Na kraju se vidi da se razlikovanje organske i anorganske kemije temelji više na konvenciji i tradiciji negoli na suštinskoj razlici tih dviju grana kemije.
Hantzschovom ciklizacijom pripravljen je niz 1,4-dihidropiridinskih spojeva (1,4-DHP) s različitim supstituentima na položajima 3, 4 i 5. Iz njih su sintetizirani određeni piridinski spojevi koji su ...korišteni kao standardi prilikom analize omjera dealkilnog i alkilnog produkta na položaju 4 visokodjelotvornom tekućinskom kromatografijom. Za reakciju aromatizacije 1,4-DHP ispitan je niz različitih reakcijskih uvjeta i oksidansa: metalni, tritilijev i tropilijev tetrafluoroborat, 2,3-diklor-5,6-dicijano-1,4-benzokinon i tetracijanoetilen. Primjenom različitih spektroskopskih metoda je dokazano nastajanje kompleksa s prijenosom naboja prilikom prvog kontakta između 1,4-dihidropiridina i oksidansa. Na temelju dobivenih rezultata analize i detektiranih radikala, pretpostavljen je mehanizam kojim nastaje 4-dealkilni produkt u nekoliko uzastopnih koraka: početni korak je prijenos elektrona, zatim slijedi otcjepljenje karbokationa s položaja 4 pri čemu nastaje dihidropiridilni radikal, a potom prijenosom drugog elektrona i uklanjanjem protona s dušika nastaje piridinski produkt. Istim mehanizmom nastaje i 4-alkilni produkt, ali je drugi korak uklanjanje protona umjesto karbokationa. Kod tropilijevog kationa 4-alkilni produkt nastaje jednostupanjskim prijenosom hidrida, dok se kod tritilijevog kationa ne može jednoznačno odrediti nastaje li 4-alkilni produkt jednostupanjskim ili sekvencijalnim prijenosom hidrida.
1,4-Dihydropyridines with different substituents on positions 3, 4 and 5 were prepared using Hantzsch cyclisation reaction and corresponding pyridines were prepaired from them. The obtained compounds were used as standards in high perfomance liquid chromatography when analysing the ratio of alkylated and dealkylated product on position 4 resulted during aromatization. Many reaction conditions and oxidants were examined for aromatization of 1,4-DHP: metal, tropylium and trityl tetrafluoroborate, 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone and tetracyanoethylene. Using different spectroscopic methods charge transfer complexes during the first contact of 1,4-dihydropyridine and oxidant were identified. Based on obtained results of aromatization product analysis and radicals detected, a mechanism was proposed which explains the appearance of 4-dealkylated product via few consecutive steps: initial step is electron transfer, then carbocation elimination from position 4 to give dihydropyridil radical, which is followed by second electron transfer and losing a proton from nitrogen atom results in pyridine product. The same mechanism explains the appearance of 4-nondealkylated product, but the second step involves proton elimination instead of carbocation. When using tropylium cation 4-alkylated product results by one step hydride transfer. It can not be uniquely determined whether the 4-alkylated product results by one step or sequential hydride transfer when using trityl cation.
Biginellijevom reakcijom, pripravljeni su razliĉito supstituirani derivati 3,4-dihidropirimidinona. Koristeći modelni derivat 124-I-b provedena su opsežna preliminarna ispitivanja u svrhu pronalaska ...odgovarajućih uvjeta aromatizacije sintetiziranih derivata. Opseg preliminarnih ispitivanja potkrepljuje literaturno poznatu ĉinjenicu kako se ovaj tip spojeva vrlo teško aromatizira. Rezultat istraţivanja u sklopu ove doktorske disertacije urodio je ĉetirima novim, do sad nepoznatim metodama aromatizacije 3,4-dihidropirimidinona. Efikasna, brza i selektivna metoda aromatizacije razvijena je uz molekularni jod i kalijev t-butoksid u suhom tetrahidrofuranu pri sobnoj temperaturi (konverzija 80 % - 100 %). Ispitan je i predloţen mehanizam aromatizacije koji upućuje na nastanak t-butilhipojodita kao aktivne vrste pri reakciji aromatizacije. Aromatizacija 3,4-dihidropirimidinona uz t-butilhidro-peroksid, molekularni jod i kalijev t-butoksid u t-butilacetatu, pri temperaturi povrata otapala, modificirana je, katalitiĉka verzija prethodno opisane metode ĉiji je mehanizam dehidrogenacije također predloţen. Zabilježena je konverzija reaktanata u produkte od vrlo visokih 98 % - 100 %. Niz supstituiranih derivata oksidiran je i efikasnom metodom uz t-butilhidroperoksid i kalijev hidroksid uz kalijev jodid kao katalizator. Reakcije su provedene u metanolu pri sobnoj temperaturi (konverzija 98 % - 100 %). Derivati 4-aril-pirimidin-2(1H)-ona dehidrogenirani su u odgovarajuće 4-aril-pirimidin-one metodom uz tetracijanoetilen u acetonitrilu pri povišenoj temperaturi. Aromatizacijom razliĉito supstituiranih derivata ovom metodom postignuta je maksimalna konverzija reaktanata u produkte (100 %). U završnoj fazi istraživanja provedena je i vezana sinteza prva tri koraka pri sintezi rosuvastatin kalcija na 17 razliĉito supstituiranih derivata 3,4-dihidropirimidinona. Ova sinteza ukljuĉuje aromatizaciju 3,4-dihidropirimidinona, aktivaciju dobivenog pirimidinona na položaju 2 azaheterocikliĉke jezgre te reakciju supstitucije tako pripremljenog produkta s odgovarajućim nukleofilom. Sva tri stupnja nadogradnje provedena su u jednoj reakcijskoj tikvici, bez izolacije međuprodukata, uz iskorištenje od 12 % - 71 %.
Differently substituted 3,4-dihydropyrimidinones were prepared using a three component Biginelli reaction. By using a model compound 124-I-b, extensive preliminary research was done in order to find a new appropriate 3,4-dihydropyrimidinone aromatization method. A wide range of reaction conditions, reagents, catalysts and solvents were examined. The scope of the preliminary examination supports the literature known fact that this kinds of compounds are very difficult to be aromatized. The research in the context of this PhD thesis has resulted in four new, so far unknown methods of 3,4-dihydropyrimidinone aromatization. Efficient, rapid and selective aromatization method was developed using molecular iodine and potassium t-butoxide in dry tetrahydrofuran at room temperature (conversion 80 % - 100 %). 3,4-Dihydropyrimidinone aromatization mechanism was proposed. It includes the formation of t-butil hypoiodite as an active species during aromatization. The second aromatization method is catalytic modification of the previously described method - aromatization of 3,4-dihydropyrimidinones using t-butyl hydroperoxide, molecular iodine and potassium t-butoxide in t-butyl acetate at reflux temperature (conversion 98 % - 100 %). The series of differently substituted derivatives were oxidized using on efficient method that includes t-butyl hydroperoxide as an oxidant, potassium hydroxide as a base and potassium iodide as a catalyst. Reactions were carried out in methanol at room temperature (conversion 98 % - 100 %). In the last aromatization method, the 4-aryl-pyrimidin-2(1H)-one derivatives were dehydrogenated to the corresponding 4-aryl-pyrimidine-ones using tetracyanoethylene in acetonitrile at elevated temperatures (conversion 100 %). The final stage was one pot synthesis of the first three steps in the synthesis of rosuvastatin calcium. This synthesis includes 3,4-dihydropyrimidinone aromatization, the activation of dehydrogenated product and a substitution reaction with an appropriate nucleophile. All three stages were carried out in a single reaction flask without isolation of intermediates. The corresponding products were obtained in a yield of 12 % - 71 %, depending on the derivative.
Korištenjem računalnih metoda molekulskog modeliranja proučavane su konformacijske
promjene u aktivnom mjestu acetilkolinesteraze (AChE; EC 3.1.1.7) nakon vezanja raznih
liganada te su definirane ...strukturne karakteristike učinkovitih oksimskih reaktivatora AChE
inhibirane živčanim bojnim otrovima kao i smjernice za njihovu sintezu. Pripravljena su četiri
nova kiralna oksima iz skupine N-supstituiranih 2-hidroksiiminoacetamida polazeći od
racemičnog 1-fenilprop-2-en-1-amina pripravljenog iz 3-fenilprop-2-en-1-ola. Enantiomeri
oksima odijeljeni su tekućinskom kromatografijom visoke djelotvornosti na polisaharidnim
kiralnim nepokretnim fazama. Novi oksimi ispitani su kao inhibitori AChE i
butirilkolinesteraze (BChE; EC 3.1.1.8) i kao reaktivatori kolinesteraza inhibiranih tabunom,
ciklosarinom, sarinom i VX-om. Svi oksimi reverzibilno inihibiraju oba enzima s konstantom
inhibicije (KI) u mikromolarnom području. Oba enzima pokazuju najveći afinitet prema N-(3-
(4-((2-metilimidazol-1-il)metil)-1,2,3-triazol-1-il)-1-fenilpropil)-2-hidroksiiminoacetamidu
prema kojem BChE pokazuje značajnu selektivnost i stereoselektivnost. Isti oksim jedini se
pokazao učinkovitijim od vodećih oksima opisanih u literaturi i to u slučaju BChE inhibirane
ciklosarinom. Molekulskim pristajanjem utvrđeno je da na razlike u smještavanju novih
oksima u AChE i BChE najviše utječu razlike u aminokiselinama na pozicijama Tyr72,
Tyr124, Phe297 i Tyr337 u aktivnom mjestu AChE.
Using computational methods of molecular modelling conformational changes in the active
site of acetylcholinesterase (AChE; EC 3.1.1.7) upon binding of various ligands were
investigated and structural characteristics of efficient oxime reactivators of AChE inhibited
with warfare nerve agents and gudelines for their synthesis were defined. Four new chiral
oxime reactivators from N-substituted 2-hydroxiiminoacetamide group were prepared starting
from racemic 1-phenyl-allylamine prepared from cinnamyl alcohol. Enantiomers of oximes
were separated using high performance liquid chromatography on polysaharidic chiral
stationary phases. New oximes were tested for inhibition of AChE and butyrylcholinesterase
(BChE; EC 3.1.1.8) and reactivation of cholinesterases inhibited with tabun, cyclosarin, sarin
and VX. New oximes reversibly inhibit both enzymes with inhibition constant (KI) in the
micromolar range. Both enzymes showe greatest affinity toward 2-hydroxyimino-N-(3-(4-((2-
methylimidazol-1-yl)methyl)-1,2,3-triazol-1-yl)-1-phenylpropyl)acetamide towards which
BChE displays significant selectivity and stereoselectivity. Only this oxime showed greater
reactivation efficiency than the reference oximes described in literature in the case of BChE
inhibited with cyclosarin. Molecular docking studies concluded that differences in binding of
new oximes in AChE and BChE largely result from differences in the amino acids at the
position of Tyr72, Tyr124, Phe297 and Tyr337 in the AChE active site.
PDF
