Sildtsüklilised ühendid

Sildtsüklilised ühendid kuuluvad polütsükliliste ühendite hulka, mis sisaldavad kahest või enamast tsüklist koosnevat süsteemi. Tavaliselt on tegu orgaaniliste ühenditega, kuid leidub ka anorgaanilisi ühendeid. Lihtsamatel juhtudel on tsüklid ühendites teineteise kõrval, nagu naftaleenis. Sildtsükliliste ühendite korral on tsüklis sillapea aatomid ühendatud sillaga. Sillaks võib olla kas üksik aatom või pikem ahel. Sillapea aatomiteks võivad olla kõik skelettahelasse kuuluvad aatomid, peale vesiniku. Orgaanilised sildtsüklilised ühendid võivad olla nii karbotsüklilised, mille alla kuuluvad alkaanid ja alkeenid, kui ka heterotsüklilised. Heterotsüklilistes ühendites on peale süsiniku ka teisi aatomeid, näiteks lämmastik, hapnik, väävel. Sildtsükliliste ühendite laboratoorseks saamiseks on lihtsaim viis Dielsi-Alderi süntees. Selleks reaktsiooniks on vaja dieeni ja dienofiili. Sildtsükliliste ühendite saamiseks peab dieeniks olema monotsükliline aine, millel on kaksiksidemed konjugeerunud, ja dienofiiliks aine, millel on vähemalt üks kaksikside. Reaktsiooni käigus liiguvad π-sideme elektronid dieenil vastavalt nii, et tekivad karbokatioon ja karbanioon. Dienofiil annab oma π-sideme elektronid sideme moodustamiseks karbokatioonile ja dieeni karbanioon oma elektronid dieenofiilile sideme tekkimiseks. Reaktsiooni tulemusena saadakse küllastumata sildtsükliline süsivesinik. Saadud produktile saab tänu kaksiksidemele lihtsalt lisada külgahelaid. Lisaks on võimalik saada küllastatud süsivesinikku hüdrogeenimise teel. Sünteesiks kasutatakse ka teisi mehhanisme, kuid nende käigus on vaja lähteainetel kindlaid funktsionaalrühmi, mis reaktsiooni käigus suudaksid tsükleid moodustada. Looduses leidub palju sildtsüklilisi ühendeid. Suur osa neist on taimede koostises ja neid osatakse sealt ka eraldada. Loodusest pärit sildtsüklilised ühendid on tihti meditsiinis kasutusel. Üldjuhul saadakse ühendid taimemahlade ekstraheerimise teel ja edasi puhastatakse ainet. Üheks tuntuimaks sildtsükliliseks aineks on kokaiin, mida saadakse kokapõõsa lehtedest. Kokaiini sildtsükliliseks osaks on tropaan, mida taimed sünteesivad, et end loomade eest kaitsta. Teada on seitset taimeliiki, mis toodavad tropaani alkaloide. Kokapõõsa on teistest erinev selle poolest, et tavaliselt toodetakse lämmastikurikkaid ühendeid taime juurtes ja transporditakse sealt lehtedesse, kuid kokaiini sünteesitakse kohe lehtedes. Huvitav on ka see, et kokaiini sünteesi viib läbi ensüüm, mis on taimedes ja loomades seotud hormoonide sünteesiga. Loodusliku päritoluga on ka morfiin, mida saadakse unimagunast. Selleks lõigatakse unimaguna valmimata kupardele madalad sälgud, sellest saadud piimamahl kuivatatakse ja saadud ainest ekstraheeritakse morfiin. Saagised tavaliselt 8–14%, kuid morfiini tootmiseks aretatud sortidel kuni 26%. Morfiini võib sünteesida ka inimene ise. Inimese kehas sünteesitakse morfiini kodeiinist ja seda vabastavad valged verelibled. Tänapäevani saadakse paljud sildtsüklilised ühendid taimedest. Saadud ühendeid muudetakse sünteesi käigus tihti, et nende mõju parandada. Sildtsüklilisi looduslikke ühendeid sünteesitakse ka laborites. Tänu sellele on võimalik aineid kiiremini, efektiivsemalt ja suuremates kogustes toota ning see omakorda vähendab aine hinda. Kõiki looduslikke ühendeid ei osata veel sünteesida. Sildtsükliliste ühendite nomenklatuuriks kasutatakse IUPACi reegleid, mille algse süsteemi mõtles välja Adolf von Baeyer 1900. aastal kahetsükliliste ühendite jaoks. Hiljem laiendasid Eduard Buchner ja Wilhelm Weigand kolmetsükliliste ühendite jaoks. Seda süsteemi on tänapäevaks veel edasi arendatud ja kasutatakse ka rohkemate tsüklite korral. Süsinike nummerdamisel IUPACi reeglite järgi loetakse esimeseks süsinikuks ühte sillapea süsinikku. Edasi nummerdatakse süsinikke, liikudes edasi mööda suurimat tsüklit. Kõige viimasena nummerdatakse silla süsinikud. Kaksiksideme esinemisel on kaksiksidemega süsinik võimalikult väikse numbriga. Kui tegu on süsivesinikahelaga, loetakse kokku kõik süsinikud, mis on tsükleid moodustavates ahelates. Ühendit nimetatakse vastavaks alkaaniks või alkeeniks, kui tsüklis on kaksikside. Nimetus sõltub ka funktsionaalrühmast, mis muudab aineklassi. Nimetuse algusesse lisatakse eesliide bitsüklo. Eesliite järele märgitakse nurksulgudesse, mitu süsiniku on kahe sillapea süsiniku vahel, alustades kõige suuremast süsiniku arvust. Juhtudel kus sillaks on kovalentne side märgitakse nurksulgudesse null. Bitsüklo[a.b.c]alkaan a ≥ b ≥ c Kui tsükli küljes on veel ahelaid, nimetatakse need enne eesliidet ja märgitakse vastavalt, millise süsiniku küljes ahel asub. Lisaks IUPACi süsteemile kasutatakse sildtsükliliste ühendite nimetamisel ka triviaalnimesid, aga need ei näita ühendi struktuuri. Väiksematel ühenditel on sidemetevahelised nurgad väiksemad kui 109 °C, mis olek tetraeedrilisel süsinikul ideaalselt. Lisaks on väikestel tsüklitel konformatsiooni muutmine piiratud. Sellest tingituna on tsüklite pingestatus suur ja ühendid on väga reaktsioonivõimelised, et pinget vähendada. Nende põlemisel vabanev soojushulk on suurem kui sama süsiniku arvuga monotsüklilistel ühenditel. Mida pikemaks muutuvad tsükli ahelad, seda väiksemaks muutub pingestatus, kuna ahelatel on suurem liikumis vabadus. Sellise pingestatuse tõttu ei saa väiksemate tsüklite korral Bredti reegli järgi sillapea süsinikul kaksiksidet olla. Julius Bredt tegi selle tähelepaneku looduslikke ühendeid uurides. Kaksiksidemega sillapea süsinik on võimalik juhul, kui tsüklis on kaheksa või rohkem süsinikku. Väiksemates tsüklites tekib olukord, kus tsüklisiseselt peaks tekkima transkonformatsioon, kuid see muudaks tsükli veel rohkem pingestatuks. Suuremate tsüklite korral, kui ahelad on liikuvamad, võib sildtsüklilistel ühenditel tekkida ka konformatsioon, kus funktsionaalrühm või külgharu paikneb tsükli sees. Seda kutsutakse in-out-konformatsiooniks. Väikeste ühendite korral on tsükli pingestatuse tõttu suunatud kõik külgharud väljapoole. Kui tsüklid on piisavalt suured, et ahelad saavad liikuda, on võimalik rotatsioon ümber sideme. Lisaks peab olema ahelate sees piisavalt ruumi, et ahelad või funktsionaalrühmad sinna mahuksid, siis on võimalik konformatsioonid, kus üks või kõik on suunatud tsükli sisse. Peamiselt kasutatakse sildtsükleid sisaldavaid aineid meditsiinis. Need ained on suure bioaktiivsusega ja efektiivse ravitoimega. On leitud, et tsüklilised ained on antibakteriaalse, viirus-, seene- ja põletikuvastase toimega. Lisaks on tsüklilised ühendid kasutusel südamehaiguste ja vähi ravis. Näiteks kasutatakse merehaiguse ravimis skopolamiini. Sama ainet kasutatakse ka operatsioonijärgse iivelduse vähendamiseks. Skopolamiini kõrvaltoime on uimasus ning seda ei ole soovitatav kasutada raseduse ajal. Kuigi põhjalikke uuringuid pole tehtud, on leitud, et skopolamiin võib põhjustada vastsündinutel hingamisraskusi ja veritsust. Farmaatsias kasutatakse palju atropiini. Enim on kasutusel atropiinsulfaat monohüdraat. Seda ainet kasutatakse silmade ravis. Sellega on võimalik parandada amblüoopiat, muutes paremini nägeva silma esile uduseks, mille tulemusena peab halvemini nägev silm rohkem pingutama. Samuti on leitud, et atropiiniga saab lastel lühinägelikkust ravida, aga pole kõrvalnähtude tõttu kasutust leidnud. Peale silmade on atropiin kasutusel ka südamehaiguste ravis. See on osutunud tõhusaks esimest tüüpi teise astme südameblokaadi ja kolmanda astme blokaadi ravis. Lisaks pärsib atropiin sülje- ja higinäärmete tööd. Seetõttu kasutatakse seda operatsioonidel, et sülge tekiks vähem. Samuti kasutatakse seda higistamise vähendamiseks. Peale farmaatsia on atropiin kasutusel ka sõjanduses, kus seda kasutatakse närvigaaside vastumürgina. See toimib kuna atropiin konkureerib muskariin atsetüülkoliini retseptoritele. Piisavalt suures koguses atropiini süstimine tõrjub seega närvigaasi molekulid retseptoritelt. March, J. Advanced Organic Chemistry (4th ed.). A Wiley-Interscience Publication: 1992, p 132–133, 160–161, 839–852. How plants make cocaine Vincent P.G. Bare C.E. Gentner W.A. "Thebaine content of selections of Papaver bracteatum Lindl. at different ages". J Pharm Sci. 66 (12): 1716–9. doi:10.1002/jps.2600661215. PMID 925935. Baeyer, A. "Systematik und Nomenclatur bicyclischer Kohlenwasserstoffe" EurJIC. 33–3, 1900, p 3771–3775. Fused and bridged bicycloalkanes Basic IUPAC Organic Nomenclature Bridged Bicyclic Rings (And How To Name Them) "TRANSDERM SCOP (scopalamine) patch, extended release [Baxter Healthcare Corporation]". DailyMed. Baxter Healthcare Corporation. April 2013. "DBL™ HYOSCINE INJECTION BP". TGA eBusiness Services. Hospira Australia Pty Ltd. 30 January 2012. de Caen, A.R. Berg, .MD. Chameides, L. Gooden, C.K. Hickey, R.W. Scott, H.F. Sutton, R.M. Tijssen, J.A. Topjian, A. van der Jagt, É.W. Schexnayder, S.M. Samson, R.A. "Part 12: Pediatric Advanced Life Support: 2015 American Heart Association Guidelines Update for Cardiopulmonary Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care.". Circulation. 132 (18 Suppl 2): S526–42. doi:10.1161/cir.0000000000000266. PMID 26473000.