13.2 Шестичленные гетероциклические соединения

Пиридин

Пиридин – простейшее шестичленное азотсодержащее гетероцик-лическое соединение, обладающее ярко выраженным ароматическим характером.

Основным источником пиридина является каменноугольная смола (≤ 0,1 %). Пиридин извлекают из неё водными растворами кислот и выделяют затем обработкой щёлочью. Большие потребности в пиридине и его гомологах обусловили развитие синтетических методов их получения. Наиболее развитым из них является синтез пиколина (β-метилпиридина) из акролеина и аммиака.

Пиридин имеет сильный неприятный запах. t_кип.= 115 °С, t_пл.= –38 °С. Смешивается с водой в любых соотношениях.

Химические свойства

Измерения электронной дифракции показало, что молекула пиридина плоская и представляет собой почти правильный шестиугольник. Это явная аналогия с бензолом – пиридин является ароматическим соединением. Ниже указаны длины связей (в нм) и распределение электронной плотности по различным положениям цикла пиридина: на углеродах цикла эти плотности меньше единицы.

У бензола соответствующие плотности больше и равны единице. Поэтому пиридин менее реакционноспособен в реакциях электрофильного замещения (атакующая частица положительна), чем бензол, и легче бензола вступает в реакции нуклеофильного замещения. Из-за неравномерности распределения электронов положения 2,4,6 более удобны для атаки нуклеофильных, а положения 3 и 5 – электрофильных реагентов. Сильно повышенная эленктронная плотность на азоте свидетельствует об основных свойствах пиридина (способности его присоединять и удерживать протон).

Реакции электрофильного замещения

– При низких температурах галогены присоединяются к пиридину с образованием N-галогенидов, которые при нагревании превращаются в β-галогенпиридины.

– Сульфирование и нитрование кислотами требует жёстких условий. Так, пиридин-3-сульфокислота образуется при нагревании пиридина с дымящей H₂SO₄ до температуры 220 °С в течении суток и в присутствии, кроме того, катализатора – сульфата ртути.

– Нитрование идёт при температуре 300 °С раствором нитрата калия в смеси концентрированных азотной и серной кислот и в присутствии железного катализатора

Реакции нуклеофильного замещения

– При нагревании пиридина с амидом натрия образуется α-аминопиридин

– При контакте паров пиридина с сухим КОН получается α-гидроксипиридин

Реакции пиридина как третичного амина

Пиридин и его гомологи – слабые основания: константа основности пиридина k_{основн.}=1,7·10^-9 (у анилина k_{основн.} =4,0·10^-10)

Поэтому они легко дают соли с сильными кислотами.

С галоидными алкилами пиридин даёт галогеналкилаты, при нагревании которых происходит изомеризация с перемещением радикала в положения 2 или 4.

Отдельные представители

Пиридин используется в качестве растворителя и катализатора, как мягкое органическое основание.

α-Винилпиридин

используется как сополимер с дивинилом при производстве специальных видов каучуков.

Пиперидин может быть получен при каталитическом гидрировании пиридина.

По аналогии с циклогексаном кольцо пиперидина имеет креслообразную форму. В химическом отношении ведёт себя как вторичный амин. Кольцо пиперидина входит в состав многих алкалоидов.

Никотиновая кислота (β-пиридинкарбоновая кислота)

По химическим свойствам подобна кислотам бензольного ряда. Никотиновая кислота содержится в печени, молоке, экстракте дрожжей.

Никотиновая кислота и ее амид под названием витамина РР используется для витаминизации хлеба и других пищевых продуктов. Витамин РР предохраняют животных и человека от заболевания пеллагрой (сухость кожи, изъязвление языка, поражение центральной нервной системы). Потребность в ней человека – 20…30 мг в сутки.

Кониин, никотин, анабазин

Эти три соединения являются алкалоидами. Алкалоиды – это особая группа азотистых органических соединений основного характера и сложного состава. Алкалоиды содержатся в растениях и часто обладают сильным физиологическим и фармакологическим действием. Большинство алкалоидов обладает оптической активностью.

Кониин, или 2-пропилпиперидин, содержится в болиголове.

Маслообразная жидкость вращает плоскость поляризации влево.

Чрезвычайно ядовит, вызывает паралич двигательных нервных окончаний.

Никотин, или 3-[2-(N-метилпирролидин)] пиридин, находится в листьях и корнях табака. Окислением никотина получают никотиновую кислоту.

Небольшие количества никотина возбуждают нервную систему, большие – вызывают паралич дыхательных центров. Смертельная разовая доза для человека ~ 40 мг.

Никотин в больших количествах используется как инсектицид для борьбы с вредителями сельского хозяйства.

Анабазин, или 2-(3-пиридил)-пиперидин является изомером никотина. Очень ядовит и обладает высоким инсектицидным действием.

Хинолин

Хинолин, или бензопиридин, является аналогом нафталина, в котором одна группа –СН– в замещена атомом азота.

Хинолин впервые выделен из продуктов перегонки каменноугольной смолы.

Электрофильные заместители атакуют бензольную часть молекулы, нуклеофильные – пиридиновую. Это факт становится понятным в связи с тем, что электронная плотность на углеродах в бензоле выше, чем в пиридине. Хинолин, как и пиридин, слабое основание. Он вступает в соответствующие основаниям реакции.

Хинолин и его замещённые используются в производстве лекарственных препаратов и красителей.

Пиримидин

В химическом отношении сходен с пиридином. Имеет ароматический характер. Благодаря электронной плотности двух атомов азота является более сильным основанием по сравнению с пиридином.

Пурин

Пурин представляет собой конденсированную систему пиримидина имидазола. Обладает ароматическими свойствами, амфотерен.

Нуклеиновые гетероциклические основания (агликоны)

Известно, что главную роль в процессах синтеза белка и передачи наследственной информации играют нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев – нуклеотидов.

В состав нуклеотида – структурного звена нуклеиновых кислот – входят три составные части:

1. Азотистое основание – пиримидиновое или пуриновое. В нуклеиновых кислотах содержатся основания 4-х разных видов: два из них относятся к классу пуринов и два – к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в циклах, придает молекулам основные свойства.

2. Моносахарид – рибоза или 2-дезоксирибоза. В зависимости от вида моносахарида, присутствующего в нуклеотиде, различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат остатки рибозы, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие остатки дизоксирибозы.

3. Остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах содержится остаток фосфорной кислоты.

Молекула ДНК человека – носитель генетической информации, которая записана в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. В результате репликации ДНК происходит передача генов ДНК от поколения к поколению.

Пиримидиновые основания:

Пуриновые основания: