De piperidine is een organische verbinding die is gecondenseerd met formule (CH 2 ) 5 NH. Het bestaat uit een cyclisch secundair amine, waarbij de aminogroep, NH, deel uitmaakt van een hexagonale ring, die heterocyclisch is vanwege de aanwezigheid van het stikstofatoom.
Piperidine is de stikstofhoudende versie van cyclohexaan. Let bijvoorbeeld eens op de structuurformule van piperidine in onderstaande afbeelding: het lijkt erg op die van cyclohexaan, met als enige verschil dat een van de methyleengroepen, CH 2 , is vervangen door een NH.
Structuurformule van piperidine. Bron: NEUROtiker / publiek domein
De merkwaardige naam van dit amine komt van het Latijnse woord 'piper', wat peper betekent, aangezien het in zwarte peper was dat het voor het eerst werd gevonden en gesynthetiseerd. In feite wordt de geur van piperidine verward met die van een mengsel van peper en vis.
De hexagonale en heterocyclische ring is ook aanwezig in veel alkaloïden en geneesmiddelen, dus piperidine wordt gebruikt voor de organische synthese van dergelijke producten; zoals morfine, minoxidil en resperidon.
Structuur
Moleculaire structuur van piperidine. Bron: Benjah-bmm27 / Openbaar domein
In de bovenste afbeelding hebben we de moleculaire structuur van piperidine, weergegeven door een model van bollen en staven. De zwarte bollen, die overeenkomen met de koolstofatomen, vormen het skelet dat hetzelfde zou zijn als cyclohexaan als het stikstofatoom er niet was, dat van de blauwachtige bol.
Hier zie je de vijf methyleeneenheden, CH 2 , en de manier waarop hun waterstofatomen zijn gerangschikt. Evenzo wordt duidelijk de secundaire aminogroep, NH, waargenomen, waarvan de elektronegatieve stikstof polariteit aan het molecuul geeft.
Daarom heeft piperidine een permanent dipoolmoment, waarbij de negatieve ladingsdichtheid geconcentreerd is rond NH.
Omdat piperidine een dipoolmoment heeft, zijn de intermoleculaire krachten of interacties voornamelijk van het dipool-dipooltype.
Onder de dipool-dipool-interacties zijn de waterstofbruggen die tot stand zijn gebracht door de NH-NH-groepen van aangrenzende piperidinemoleculen aanwezig. Het resultaat is dat de piperidinemoleculen samenvloeien in een vloeistof die kookt bij een temperatuur van 106ºC.
Conformaties
De hexagonale ring van piperidine is, net als die van cyclohexaan, niet vlak: de waterstofatomen wisselen elkaar af in axiale posities (boven of onder) en equatoriaal (zijwaarts gericht). Piperidine neemt dus verschillende ruimtelijke conformaties aan, waarbij de stoel de belangrijkste en meest stabiele is.
De vorige afbeelding toont een van de vier mogelijke confomeren waarin het waterstofatoom van de NH-groep zich op de equatoriale positie bevindt; terwijl het paar elektronen dat niet gedeeld wordt met de stikstof, bevinden ze zich in axiale positie (in dit geval naar boven).
Axiale conformatie van piperidine. Het waterstofatoom in de axiale positie verhoogt de sterische spanning op de ring door te dicht bij de andere axiale en aangrenzende waterstofatomen te zijn. Bron: Benjah-bmm27 / Openbaar domein
Nu wordt een andere conformer getoond (bovenste afbeelding), waarin dit keer het waterstofatoom van de NH-groep in een axiale positie (naar boven) staat; en het paar niet-gedeelde stikstofelektronen, in de equatoriale positie (naar links).
In totaal zijn er dus vier conformeren: twee met de waterstof van NH in axiale en equatoriale posities, en nog twee waarin de relatieve posities van het paar elektronen van stikstof ten opzichte van de stoel worden gevarieerd.
De conformeren waarin de waterstof van NH zich in de equatoriale positie bevindt, zijn het meest stabiel vanwege het feit dat ze lijden aan lagere sterische spanningen.
Synthese
De eerste syntheses van piperidine waren afkomstig van piperine, een van de natuurlijke derivaten ervan dat deel uitmaakt van zwarte peper en verantwoordelijk is voor verschillende organoleptische eigenschappen van deze smaakmaker. Piperine reageert met salpeterzuur, waardoor de heterocyclische eenheid vrijkomt waarvan de structuur al is herzien.
Op industriële schaal heeft de synthese van piperidine door katalytische hydrogenering van pyridine echter de voorkeur:
Hydrogenering van pyridine om piperidine te verkrijgen. Bron: Steffen 962 via Wikipedia.
De waterstofatomen, H 2 , binden aan de pyridinering, grenzen doorbreken aromatisch systeem, waarbij de hulp van metallische katalysatoren nodig.
Derivaten
Piperine
Veel belangrijker dan piperidine zelf is de structurele eenheid, herkenbaar in talloze alkaloïden en stoffen van plantaardige oorsprong. Hieronder staat bijvoorbeeld de moleculaire structuur van piperine:
Structuurformule van piperine. Bron: Neurotiker via Wikipedia.
Piperine heeft een sterk geconjugeerde structuur; dat wil zeggen, het heeft verschillende gecoördineerde dubbele bindingen die elektromagnetische straling absorberen en die het op de een of andere manier tot een niet-giftige verbinding maken voor menselijke consumptie. Zo niet, dan zou zwarte peper giftig zijn.
Coniína
De heterocyclische en hexagonale ring van piperidine wordt ook aangetroffen in conine, een neurotoxine dat wordt gewonnen uit hemlock, verantwoordelijk voor zijn onaangename geur en dat ook werd gebruikt om Socrates te vergiftigen. De structuur is:
Structuurformule van coniin. Bron: NEUROtiker / publiek domein
Merk op dat coniine nauwelijks verschilt van piperidine door de aanwezigheid van een propylsubstituent op het koolstofatoom naast de NH-groep.
Derhalve worden derivaten van piperidine verkregen door de waterstofatomen van de ring of de waterstof van de NH-groep zelf te substitueren door andere groepen of moleculaire fragmenten.
Morfine
Structurele formule van morfine. Bron: NEUROtiker / publiek domein
Morfine is een van de natuurlijke derivaten van piperidine. Dit keer is de piperidinering versmolten met andere ringen, en wijst uit het vlak, naar de waarnemer. Het wordt geïdentificeerd omdat het een band vormt met de CH 3- groep .
Verdovende middelen
Piperidine en zijn derivaten worden gebruikt voor het ontwerp en de synthese van verschillende soorten geneesmiddelen. Daarom zijn het synthetische derivaten van piperidine. Drie van hen worden hieronder vermeld, samen met hun respectieve structuurformules:
Risperidon, een atypisch antipsychoticum dat wordt voorgeschreven voor de behandeling van meerdere psychische stoornissen. Bron: Fvasconcellos (overleg • bijdragen) / Openbaar domein
Minoxidil, een vaatverwijdend middel dat gewoonlijk wordt gebruikt om alopecia te behandelen. Bron: vaccinateur / publiek domein
Icaridin of picaridin, een insectenverdrijvend middel dat de formulering van OFF-insectenwerende middelen vormt. Bron: Arrowsmaster / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)
Referenties
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. (10 e editie.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Organische chemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
- Morrison en Boyd. (1987). Organische chemie. (Vijfde editie). Addison-Wesley Iberoamericana.
- Wikipedia. (2020). Piperidine. Hersteld van: en.wikipedia.org
- Nationaal centrum voor informatie over biotechnologie. (2020). Piperidine. PubChem-database., CID = 8082. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
- Elsevier BV (2020). Piperidine. ScienceDirect. Hersteld van: sciencedirect.com
- Harold D. Banks. (1992). Piperidine-synthese. . Hersteld van: apps.dtic.mil