4.2.3. Функциональные производные углеводородов Гетероциклические соединения

Азины - шестичленные гетероциклические соединения, у которых в кольце содержится хотя бы один атом N. Азиновые циклы могут включать другие гетероатомы или быть конденсированы с другими циклами. Азины играют важную роль в процессах жизнедеятельности; синтетические азины широко используют в синтезе лекарственных препаратов и красителей. К азинам с одним атомом N в кольце (моноазинам) относятся, например, пиридин и хинолин.

К диазинам относятся пиридазин, пиримидин, пиразин, фталазин, феназин.

Циклы с кислородом (пиран) и серой (тиопиран) ароматических характер имеют только в виде катионов.

Пиридин впервые был выделен из пирролизата костей. Название «пиридин» составлено из греческого слова «пир», что означает огонь, и суффикса «идин», применяемого в то время в названиях ароматических оснований. Пиридин и простые алкилпиридины долгое время добывались из каменноугольной смолы, в которой они содержатся в большом количестве. В последние годы для получения пиридинов используются синтетические процессы.

Из многих важных производных пиридина следует выделить никотиновую (фермент, витамин) и изоникотиновую (туберкулостатические препараты) кислоты.

Пиридиновое кольцо играет ключевую роль в некоторых биологических процессах, наиболее важные из них - окислительно-восстановительные процессы с участием кофермента никотинамидадениндинуклеотида (NADP). Витамин ниацин (никотинамид) или соответствующая кислота необходима для биосинтеза NADP. Пиридоксин (витамин В6) играет важную роль как кофермент в трансаминировании. Высокотоксичный алкалоид никотин – основной активный компонент табака, наркотик, обладающий наибольшим из известных эффектов привыкания.

Многие синтетические производные пиридина применяются в качестве лекарственных средств. Например, изониазид – основное антитуберкулезное средство, сульфапиридин – один из сульфамидных антибактериальных препаратов.

Производные шестичленных азотсодержащих гетероароматических соединений играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Именно последовательность так называемых гетероциклических оснований (гетероциклов) в нуклеофиновых кислотах кодирует генетическую информацию.

В состав нуклеиновых кислот входят три производных пиримидина и два производных пирина.

Пиримидиновые основания:

Пуриновые основания:

Номенклатура

Величину цикла обозначают суффиксом (шестичленный цикл – ин).

Тип гетероатома: окс- (кислород), ти- (сера), аз- (азот) и др.

Число одинаковых гетероатомов: ди-, три-, тетра- и т.д.

Строение

Строение пиридина полностью аналогично строению бензола, с той лишь разницей, что одна группа СН бензола заменена в пиридине на атом азота. Такая замена приводит к следующим существенным изменениям: (а) нарушается геометрия правильного гексагона, поскольку связь углерод – азот короче, чем связь углерод — углерод; (б) в молекуле пиридина вместо одного атома водоро­да, расположеного в плоскости цикла, присутствует неподеленная пара элект­ронов, также расположенная в плоскости цикла, занимающая sp²-гибридную орбиталь и не принимающая участия в образовании ароматического секстета электронов (именно эта неподеленная пара электронов обусловливает основ­ные свойства пиридина); (в) молекула пиридина представляет собой постоян­ный диполь вследствие большей электроотрицательности атома азота по срав­нению с атомом углерода.

Электроотрицательный атом азота способствует индуктивной поляризации молекулы пиридина в результате смещения электронной плотности преимуще­ственно по σ-связям. Кроме того, атом азота определяет стабильность поляризо­ванных канонических структур, в которых он отрицательно заряжен — структу­ры 3, 4 и 5. Эти структуры вместе со структурами 1 и 2, которые полностью аналогичны формулам Кекуле бензола, вносят вклад в строение молекулы пири­дина. Поляризованные канонические структуры подразумевают также постоян­но присутствующую в молекуле пиридина поляризацию системы π-электронов (при рассмотрении с позиций более строгого метода молекулярных орбиталей это связано с относительным различием в орбитальных коэффициентах ВЗМО и НСМО).

Поскольку индуктивный и мезомерный эффекты имеют одну и ту же направ­ленность, молекула пиридина поляризована со смещением электронной плот­ности к атому азота. Это также означает, что на атомах углерода пиридинового цикла локализуется частичный положительный заряд, особенно на α- и γ-атомах углерода. Поскольку на атомах углерода молекулы пиридина наблюдается некий дефицит электронов, пиридин и аналогичные гетероароматические соединения принято относить к электронодефицитным гетероциклическим соединениям или, как иногда говорят, π-дефицитным.

Пиридин проявляет основные свойства. Он намного основнее пиррола. Основность пиридина несколько больше, чем у ароматических, но заметно меньше, чем у алифатических аминов. Избыток электронной плотности у гетероатома позволяет сделать вывод: пиридиновый атом азота – основный и нуклеофильный центр. Понятие «пиридиновый атома азота» применяется ко всем азотсодержащим гетероциклам, в которых атом азот обладает свойствами аналогичными атому азота пиридина.