Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

Молекулы простейших гетероциклических соединений представляют собой трехчленные циклы, например:

С этиленоксидом мы уже встречались ранее. Это циклический простой эфир, который может быть получен при окислении этилена кислородом воздуха в присутствии металлического серебра:

Наиболее хорошо изучены и широко распространены пяти- и шестичленные гетероциклические соединения, молекулы которых содержат в составе цикла один либо два атома азота, кислорода или серы.

344

§ 54. Общая характеристика гетероциклических соединений

Простейшими пятичленными гетероциклическими соединениями являются фуран, тиофен и пиррол. Если исходить из обычных классических структур пятичленных гетероциклов, можно предположить, что каждое из этих соединений должно обладать свойствами сопряженного диена, а также простого эфира (фуран), сульфида (тиофен) или амина (пиррол) соответственно. Однако в целом эти гетероциклические соединения не проявляют ожидаемых свойств: тиофен не вступает в обычных условиях в реакции окисления, типичные для сульфидов, а пиррол не обладает свойствами основания, характерными для аминов. Шесть р-электронов (четыре электрона двух π-связей и два электрона гетероатома) их молекул образуют общее электронное облако, подобно бензолу. Поэтому типичной для указанных гетероциклов и их производных является способность вступать в реакции электрофильного замещения: реакции нитрования, сульфирования, галогенирования, ацилирования. По убыванию ароматических свойств пятичленные гетероциклы составляют следующий ряд: бензол > тиофен > пиррол > фуран.

Азотсодержащие гетероциклические соединения

Важнейшими из азотистых гетероциклов являются пиррол и пиридин.

ПИРРОЛ

Молекулярная формула пиррола С4Н5N:

Впервые это соединение было выделено в 1834 году немецким химиком Ф. Ф. Рунге (Friedlieb Ferdinand Runge) из каменноугольной смолы. Пиррол (от греч. pyrrhos — огнецветный + лат. ol[eum] — масло: лучина, смоченная соляной кислотой и внесенная в пиррол, окрашивается в красный цвет) представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом и температурой кипения 130 °С, вследствие окисления быстро темнеющую на воздухе. Он плохо растворяется в воде, но достаточно хорошо — в органических растворителях.

345

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

346

§ 54. Общая характеристика гетероциклических соединений

При действии на данное соединение минеральных кислот происходит его осмоление, что следует учитывать при проведении реакций с участием пиррола.

Пиррольные кольца включены в так называемые порфириновые системы гемоглобина, хлорофилла, витамина В12.

Бензпиррол, или индол, был использован немецким химиком А. Байером в качестве исходного соединения для синтеза красителя индиго.

1.Получение пиррола

Пиррол в небольших количествах содержится в каменноугольной смоле. Одним из основных методов его синтеза является реакция ацетилена

с формальдегидом в присутствии диацетиленида меди и последующим взаимодействием образующихся паров бутиндиола-1,4 с аммиаком при 300 °С в присутствии оксида алюминия:

Пиррол можно получить взаимодействием фурана с аммиаком при температуре 400–500 °С:

2.Строение молекулы пиррола

Вмолекуле пиррола атомы углерода и азота находятся в состоянии sp2- гибридизации. Четыре атома углерода и один атом азота пиррольного кольца связаны σ-связями с соседними атомами с участием sp2-гибридных орбиталей. При этом у каждого углеродного атома остается по одному электрону, а у атома азота — два. Эти электроны занимают р-орбитали. Перекрывание р-орбиталей приводит к возникновению единого шестиэлектронного облака — ароматического секстета:

347

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

Однако если в случае бензола π-электронная плотность распределена равномерно (его дипольный момент равен нулю), то в молекуле пиррола π-ор- битали деформированы из-за смещения π-электронов в направлении кольца (дипольный момент составляет 1,8 D). Степень ароматичности пиррола ниже, чем у бензола. Электронная плотность на атомах углерода (особенно в положениях 2 и 5) несколько выше, чем в молекуле бензола. Пиррол легче, чем бензол, вступает в реакции электрофильного замещения. Свободная электронная пара атома азота, которая должна была бы обеспечить пирролу оснóвные свойства, вовлечена в образование ароматической системы пиррольного кольца. Атом азота с таким электронным строением называется пиррольным:

3.Химические свойства пиррола

Оснóвные свойства пиррола слабо выражены. Он не образует солей с кислотами и не дает четвертичных аммониевых солей при обработке алкилгалогенидами.

Реакция с основаниями. Пиррол проявляет свойства слабой кислоты (N–H-кислота), взаимодействуя при 130°С с КОН и образуя соли — пиррилаты:

Гидрирование пиррола. Гидрирование пиррола в присутствии катализаторов (Pt, Ni, Pd) до его насыщенного аналога — вторичного циклического амина пирролидина — приводит к потере ароматичности и увеличению оснóвных свойств в 1011 раз. Если использовать в качестве восстановителя цинк в соляной кислоте, происходит ступенчатое восстановление пиррола с образованием сначала 3-пирролина, а затем пирролидина:

348

§ 54. Общая характеристика гетероциклических соединений

Пирролидиновое кольцо входит в состав многих алкалоидов. Наличие его придает алкалоидам такое свойство, как основность. Отсюда и их название (англ. alkali-like — подобный щелочи).

Реакции электрофильного замещения. Пиррол проявляет свойства, характерные для ароматических соединений: вступает в реакции электрофильного замещения. Атака электрофильного агента происходит преимущественно по α-углеродным атомам, где электронная плотность выше. Реакции идут в более мягких условиях, чем для бензола. Например, нитрование пиррола обычно осуществляют азотной кислотой в уксусном ангидриде:

Ацилирование проводят ангидридами кислот при нагревании, но без катализатора.

ПИРИДИН

Молекулярная формула пиридина С5Н5N:

Пиридин — бесцветная жидкость с резким характерным неприятным запахом, растворимая в воде и кипящая при температуре 115 °С; пиридин ядовит; используется в качестве растворителя. Пиридиновый гетероцикл входит в состав молекул некоторых витаминов группы В (например, никотиновой кислоты), лекарств, красителей, алкалоидов, в частности никотина:

1.Получение пиридина

Впервые пиридин был выделен английским химиком Т. Андерсоном

(Thomas Anderson) в 1849 году из костного дегтя. В 1877 году английский химик Уильям Рамзай (William Ramsay) предложил способ получения пиридина

349

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

в лабораторных условиях путем пропускания ацетилена и циановодорода через нагретую графитовую трубку:

2НС≡СН + N≡СН С (графит),

2.Строение молекулы пиридина

Все атомы углерода и атом азота молекулы пиридина находятся в sp2-гиб-

ридном состоянии. Две гибридных орбитали атома азота участвуют в образовании σ-связей с соседними углеродными атомами, третья sp2-гибридная орбиталь содержит неподеленную электронную пару, которая, в отличие от пиррола, не вовлечена в π-систему пиридинового кольца.

Перекрывание пяти р-орбиталей атомов углерода и р-орбитали атома азота приводит к образованию единого шестиэлектронного облака:

Таким образом, молекула пиридина — плоская, циклическая, содержащая 4n+2 делокализованных π-электронов, — удовлетворяет критериям ароматичности Хюккеля. Атом азота оттягивает на себя общее электронное облако пиридинового цикла, нарушая, в сравнении с бензолом, его симметрию: электронная плотность смещена в направлении атома азота (дипольный момент молекулы пиридина равен 2,3 D). Атом азота, характеризующийся таким электронным строением, называется пиридиновым.

3.Химические свойства пиридина

Свойства пиридина можно прогнозировать исходя из строения его молекулы. Наличие делокализованной системы π-электронов в молекуле пиридина обеспечивает ему свойства ароматических соединений. Атом азота обладает большей электроотрицательностью, чем углеродные атомы. Это приводит к общему снижению активности пиридина в реакциях электрофильного замещения и возможности этого гетероцикла вступать в реакции нуклеофильного замещения.

350

§ 54. Общая характеристика гетероциклических соединений

Электрофильное замещение. В реакциях электрофильного замещения пиридин ведет себя подобно сильно дезактивированному производному бензола. В жестких условиях он вступает в реакции нитрования, сульфирования, галогенирования, в ходе которых электрофильная частица атакует положения 3 и 5 пиридинового кольца. Реакции алкилирования для пиридина не характерны.

Нитрование пиридина происходит в жестких условиях при температуре 300 °С с незначительным выходом:

Бромирование:

Сульфирование:

Нуклеофильное замещение. Нуклеофильное замещение в молекуле пиридина проходит преимущественно в положениях 2 и 4:

Реакционная способность пиридина в реакциях нуклеофильного замещения столь велика, что замещению может подвергаться даже сильно основный

351

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

гидрид-ион. Именно так идут реакции аминирования пиридина амидом натрия (реакция Чичибабина) и алкилирования с использованием литийорганических соединений:

Восстановление пиридина. Пиридин, в отличие от бензола, может быть восстановлен водородом в момент выделения (Na + C2H5OH) с образованием пиперидина — вторичного циклического амина:

Взаимодействие с кислотами. Пиридин, в отличие от пиррола, может проявлять свойства основания, образуя с кислотами соли пиридиния:

Однако включение атома азота в ароматическое кольцо заметно сказывается на проявлении этих свойств: пиридин — слабое основание в отличие от

352

§ 54. Общая характеристика гетероциклических соединений

Таблица 11.1. Значения констант основности некоторых оснований

его гидрированного аналога пиперидина. Константы основности обсуждаемых гетероциклов и аминов приведены в табл. 11.1:

Чем меньше значения рКв, тем более оснóвными свойствами обладает азотистое соединение.

ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ДВУМЯ АТОМАМИ АЗОТА: ИМИДАЗОЛ И ПИРАЗОЛ

Имидазол представляет собой кристаллическое вещество с температурой плавления 90 °С, хорошо растворимое в воде:

Имидазол

Имидазольный цикл входит в состав незаменимой для человеческого организма аминокислоты — гистидина. В молекуле имидазола в положениях 1 и 3 находятся два атома азота пиррольного и пиридинового типа соответственно.

Изомерная имидазолу молекула пиразола (кристаллическое вещество с температурой плавления 70 °С) также содержит в цикле (в положениях 1 и 2): два атома азота пиррольного и пиридинового типов соответственно. Поэтому имидазол и пиразол могут проявлять свойства амфотерных соединений

353

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

и реагировать с минеральными кислотами, образуя соли за счет пиридинового атома азота:

Производные пиразола широко используются в качестве лекарственных препаратов и красителей.

ПУРИНОВЫЕ И ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ

Кольцо пиримидина содержат молекулы многих природных веществ:

Среди соединений, содержащих неконденсированные пиримидиновые ядра и встречающихся в природе в свободном состоянии, можно назвать витамины В1 и В13, антибиотик амицетин. Однако наибольшее внимание привлекают производные пиримидина, входящие в состав нуклеиновых кислот: урацил, цитозин и тимин:

354

§ 54. Общая характеристика гетероциклических соединений

Производное пурина кофеин встречается в кофейных зернах и листьях чая, возбуждающе действует на центральную нервную систему и деятельность сердца.

Важной особенностью оксопроизводных пиримидина и пурина является возможность их таутомерных (лактам-лактимных) превращений, например:

Пуриновые и пиримидиновые основания являются структурными элементами нуклеиновых кислот. РНК (рибонуклеиновая кислота) отличается по составу азотистых оснований от ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). В молекулу РНК вместо тимина включен урацил.

355

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Пиррольный атом азота для образования сопряженной системы предоставляет два р-электрона, а пиридиновый атом — один р-электрон. Обсудите характер атомов азота в молекулах пиримидина, пурина, индола, имидазола.

2.Почему температура кипения пиррола, несмотря на его меньшую молекулярную массу по сравнению с пиридином, выше? (Температура кипения пиррола составляет 131 °С, а пиридина — 115,3 °С.)

3.Пиррол ведет себя как слабая кислота. Подтвердите это уравнениями химических реакций и дайте соответствующие объяснения.

4.Запишите реакцию имидазола с соляной кислотой. Какой атом азота в молекуле

имидазола определяет его оснóвные свойства?

5.Почему для гидрированных аналогов пиррола и пиридина не характерны реакции электрофильного замещения?

6.Почему у гидрированных аналогов пиррола и пиридина резко возрастают оснóвные свойства?

7.Запишите уравнения химических реакций нитрования, ацилирования и гидрирования пиррола и укажите условия, при которых они возможны.

8.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие цепочки превращений:

9.Некоторое гетероциклическое соединение A можно получить по следующей схеме:

Известно, что A проявляет оснóвные свойства, причем имеет две константы основности. В щелочной среде А легко может конденсироваться с формальдегидом

с образованием соединения В. При сжигании 1,08 г вещества А образуется 2,64 г оксида углерода(IV), 0,72 г воды и азот. Для сгорания этого вещества потребовалось 1,792 л (н. у.) кислорода. При окислении 1 моль вещества Z перманганатом калия в кислой среде образуется 1 моль оксида углерода(IV). Определите вещества A, B, X, Y, Z; напишите уравнения реакций, соответствующих приведенной выше схеме; предложите путь превращения пиррола в Y.

356