Имидазол
Имидазол и пиразол, содержащие атомы азота пиридинового и пиррольного типов, одновременно проявляют как основные, так и кислотные свойства, т. е. являются амфотерными соединениями.
Имидазол и пиразол образуют соли с минеральными кислотами, благодаря пиридиновому атому азота.
Однако пиррольный атом азота в имидазоле и пиразоле не атакуется протоном кислоты. Это объясняется тем, что неподеленная пара электронов пиррольного атома азота находится на негибридной р-орбитали и участвует в сопряжении, поэтому пиррольный атом азота не склонен присоединять протон, т. е. не является центром основности.
Пиридин
Пиридин — шестичленный гетероцикл с одним атомом азота — по своему электронному строению напоминает бензол. Все атомы углерода и атом азота находятся в состоянии sр2-гибридизации, и все σ-связи (C–C C–N и С–H) лежат в одной плоскости. Остановимся подробнее на электронном строении атома азота. Из трех его гибридных орбиталей две вступают в образование σ-связей с двумя атомами углерода, а третья орбиталь содержит неподеленную пару электронов; За счет электрона, находящегося на негибридной р-орбитали, атом азота участвует в образовании единого электронного облака с р-электронами пяти атомов углерода. Атом азота с таким электронным строением называют пиридиновым.
Таким образом, пиридин удовлетворяет критериям ароматичности — имеет плоский цикл, сопряженную электронную систему, охватывающую все атомы цикла и содержащую 6 р-электронов согласно правилу Хюккеля (4n+ 2 при n=1).
Основные свойства гетероциклических соединений обусловлены наличием гетероатома с неподеленной парой электронов, способной присоединять протон. Таким свойством обладает пиридиновый атом азота, у которого неподеленная пара электронов находится на sp2-гибридной орбитали и не вступает в сопряжение. Поэтому пиридин является основанием и с сильными кислотами образует соли.
В сравнении с бензолом электронная плотность в кольце пиридина распределена менее равномерно из-за большей электроотрицательности атома азота, чем углерода. Пиридин является «π-недостаточной системой» и трудно вступает в реакции электрофильного замещения
Пурин
Важнейшая конденсированная гетероциклическая система пурин состоит из двух сочлененных колец — имидазола и пиримидина. Пурин относится к ароматическим соединениям, он имеет плоский σ-скелет, его сопряженная система состоит из 10 р-электронов, включая неподеленную пару электронов атома N-7, что соответствует формуле Хюккеля (4n+ 2 при п =2). Пурин амфотерен благодаря имидазольному циклу и образует соли с сильными кислотами —за счет пиридиновых атомов азота и с основаниями — за счет NH-кислотного центра.