Методичка по органической химии Часть 2

118

Теория

Пятичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом

Все эти соединения являются ароматическими, так как отвечают критериям

ароматичности:

1)S2 – гибридизованные атомы пиррола, фурана, тиофена образуют плоскийскелет;

2)количество р- электронов удовлетворяет формуле Хюккеля 4n+2=N, где n-целое натуральное число.

4р Электрона поставляют атомы углерода и 2рэлектрона – гетероатомы N, O

или S. Образуется - электронный секстет;

3)6рэлектронов образуют единое сопряженное облако, делокализованное по всему кольцу.

Общей чертой ароматических гетероциклов и производных бензола является высокая термодинамическая устойчивость.

Отличие от бензола.

1)6р Электронов распределяются по пятицентровой системе, поэтому такие системы называются суперароматическими, или -избыточными; их реакции электрофильного замещения идут легче, чем в бензоле.

2)Из-за влияния гетероатома электронная плотность увеличена в -положениях кольца (2 и 5), поэтому атака электрофильного реагента происходит предпочтительно в эти положения.

3)Энергия сопряжения у пятичленных гетероциклических соединений меньше, чем у бензола (22-28 ккал/моль, а у бензола– 36 ккал/моль).

Поэтому легче идут реакции с раскрытием кольца. Например, реакции восстановления.

Электронное строение «пиррольного» атома азота

Химические свойства пятичленных гетероциклических соединений на примере пиррола.

119

1.Ароматические свойства. Реакция SЕ протекает легче, в более мягких условиях.

SO2Cl2

-хлорпиррол

NSO3H H

- сульфопиррол

2. Основные свойства почти отсутствуют, так как электронная пара втянута в сопряжение: Коснпиррола=10-14; Косн анилина =10-10. При насильственном протонировании сильными минеральными кислотами ароматическая система нарушается, пиррол превращается в неустойчивый дивиниламин, который быстро полимеризуется с образованием смолы:

H H

неустойчивый

дивинилимин Это свойство осмоляться под действием кислот называется «ацидофобностью», и

его надо учитывать при выборе реагентов в реакциях электрофильного замещения (см.

п.1)

3. Кислотные свойства – тоже слабые. Взаимодействие со щелочными металлами идет с образованием неустойчивых солей.

К/t

+ Н2

Н2О

N N

H

K

неустойчивая соль пирролят калия

4. Восстановление (HI, t=30°). Протекает легче из-за меньшей энергии сопряжения по сравнению с бензолом.

120

По мере восстановления основность повышается. Восстановленное пиррольное кольцо входит в состав алкалоидов, аминокислот (пролин, оксипролин). Его производное

– N-винилпирролидон применяется в медицине в качестве заменителя плазмы крови и клеящего, связующего материала.

O N

CH=CH2

В природных соединениях ароматический пиррольный цикл часто встречается в различных многоядерных системах, из которых особенно важно ароматическое порфириновое ядро, входящее в состав гемоглобина и хлорофилла. Порфирин имеет единое - электронное облако, содержащее 26 - электронов; 22 электрона одиннадцати сопряженных двойных связей и 2 неподеленные пары электронов атома азота. Этот цикл отличается также высокой термодинамической устойчивостью.

Шестичленные гетероциклические системы с одним гетероатомом

Пиридин

С точки зрения электронного строения это аналог бензола, а точнее – нитробензола. Азот, как электроноакцептор, стягивает к себе - электронное облако, в целом понижая электронную плотность ароматического кольца.

Такая ароматическая система рассматривается как - недостаточная.

Электронное строение «пиридинового» атома азота

.

. .

..

Химические свойства

1.Ароматические свойства. Пиридин вступает в реакции электрофильного замещения (SE), но из-за -недостаточности легче протекают реакции нуклеофильного замещения (SN).

H2SO4, t=300° SO3H

SE

N

(в 3 или 5 положения)

N

(в 2,4,6–положения)

121

2. Основные и нуклеофильные свойства – за счет неподеленной электронной пары пиридинового атома азота. Водный раствор пиридина имеет основную реакцию на индикатор. Косн =1,7. 10-9; Косн анилина = 4 . 10-10.

3. Восстановление. В отличие от бензола пиридин восстанавливается водородом в момент выделения (Na + C2H5OH) с образованием пиперидина (Косн = 1,33 . 10-3):

6[Н]

N N H

В катионе пиридиния - недостаточность выражена еще сильнее, вследствие чего он еще легче вступает во взаимодействие с нуклеофильными реагентами, например с гидрид-иоH ном ( )

В результате этой реакции алкилпиридиний – катион восстанавливается (принимает электронную пару гидрид-иона). При этом кольцо теряет ароматичность, т.е. переходит от термодинамически более устойчивого состояния к менее устойчивому. В результате обратной реакции происходит окисление и возвращение к более устойчивой структуре.

Пиридиновый цикл входит в состав многих лекарственных средств. Наиболее известным из них является производное никотиновой и изоникотиновой кислот:

123

3. Восстановление осуществляется водородом в момент выделения:

Основность по мере восстановления возрастает, так как увеличивается электронная плотность на основных центрах вследствие ликвидации ароматичности.

Пиразолин легко окисляется. Одним из производных является пиразолон-3.

H

На его основе создана целая группа лекарственных препаратов – антипирин, амидопирин, анальгин и др.

Они широко применяются в медицине как жаропонижающие, болеутоляющие и успокаивающие средства.

Шестичленные гетероциклические соединения с двумя гетероатомами

Пиримидин

N

N

Химические свойства. 1. Пиримидин сходен с пиридином, но еще больше, чем пиридин, отличается от бензола. Он проявляет ароматические свойства, но так же, как в пиридине, лучше идут реакции нуклеофильного замещения (SN) – в 2,4 и 6 положения:

124

2.Основные свойства. Пиримидин – более слабое основание, чем пиридин, так как 2 электроотрицательных атома азота взаимно понижают электронную плотность, оттягивая ее каждый на себя. Так, он не дает щелочной реакции в Н2О и дает соли с 1 эквивалентом сильной кислоты.

Производные пиримидина

Особенно важны гидрокси- и аминопроизводные пиримидина – урацил, тимин, цитозин – компоненты нуклеиновых кислот. Для них характерна лактим – лактамная таутомерия:

Способность к таутомерным превращениям играет большую роль в формировании пространственной структуры нуклеиновых кислот. В лактимной форме оксипроизводные пиримидина проявляют кислотные свойства. Особенно сильные кислотные свойства проявляет 2,4,6–тригидроксипиримидин – барбитуровая кислота:

барбитуровая кислота

В качестве снотворных и противосудорожных средств используются 5,5– дизамещенные производные барбитуровой кислоты, барбитураты:

126

вступает предпочтительно в положение 3 (в отличие от пиррола). Восстанавливается в 2,3– дигидроиндол, мягкое окисление дает индиго.

Хинолин и изохинолин

Хинолин и изохинолин подобны пиридину как по физическим, так и по многим химическим свойствам. Они вступают в хорошо известные для бензола и пиридина реакции, модифицированные только присутствием второго кольца в качестве заместителя.

Биологическое значение: 1) входит в состав большой группы алкалоидов, главные из которых относятся к группе хинина – алкалоиды опия (морфин, героин, папаверин); 2) входят в состав противомалярийных препаратов.

Акридин

N

Акридин обладает характерным запахом, вызывает раздражение дыхательных путей, раздражает кожу («acer» – едкий). Акридин флюоресцирует (светится).

Биологическое значение: акридиновое ядро составляет основу некоторых алкалоидов, многие синтетические производные акридина являются ценными лекарственными препаратами (противомалярийные препараты, риванол – антисептик) и красителями.

Пурин Это гетероциклическая конденсированная система, состоящая из пиримидинового

и имидазольного кольца.

N N

NN H

пурин

По свойствам он подобен пиримидину и имидазолу. Для него характерны: 1) ароматические свойства; 2) реакции нуклеофильного замещения (SN) - направляются в 2,6,8-положения; 3) амфотерность, образует соли и с кислотами (за счет «пиридинового» атома азота), и со щелочами (за счет «пиррольного» атома азота); 4) устойчив к действию окислителей; 5) хорошо растворим в воде.

Производные пурина Важными производными пурина являются окси- и аминопроизводные пурина –

компоненты нуклеиновых кислот. Для оксипроизводных пурина, так же как пиримидина, характерны лактим – лактамная таутомерия и миграция атома водорода между положениями 7 и 9 имидазольного кольца.

В состав нуклеиновых кислот входит лактамная форма, как более устойчивая:

Важным продуктом азотистого обмена в организме человека и животных является триоксипурин - мочевая кислота.

Мочевая кислота

Это кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде, хорошо – в щелочах. Дает средние и кислые соли – ураты. Средние соли калия, натрия, лития хорошо растворимы в воде. Кислые соли (кроме солей лития) трудно растворимы в воде, особенно ураты аммония. Они входят в состав почечных камней, откладываются в суставах при подагре.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) играют главную роль в передаче наследственной (генетической) информации и в управлении процессом биосинтеза белка. Это биополимеры, мономерами которых являются мононуклеотиды.

Мононуклеотиды состоят из гетероциклического основания, связанного с углеводным остатком, этерифицированным, в свою очередь, фосфорной кислотой.

Вкачестве гетероциклического основания используются пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин) основания (в лактамной форме).

Вкачестве углеводного компонента – пентозы: D- рибоза и 2-дезокси D – рибоза.

Обе пентозы находятся в -фуранозной форме.

Общая схема построения нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты

Нуклеотиды