Лекция № 17. Гетероциклические соединения

План

1. Классификация.

2. Пятичленные гетероциклы.

3. Шестичленные азотсодержащие гетероциклы.

Гетероциклическими называют соединения, молекулы которых содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько гетероатомов. Гетероциклы – самый многочисленный класс органических соединений, на долю которого приходится около 2/3 всех известных природных и синтетических органических веществ. К гетероциклам относятся многие алкалоиды, витамины, природные пигменты. Они являются структурными фрагментами молекул нуклеиновых кислот и белков. Более 60% наиболее известных и широко употребляемых лекарственных препаратов являются гетероциклическими соединениями.

Классификация.

Гетероциклы классифицируют по следующим основным признакам:

а) по природе и числу гетероатомов;

б) по размеру цикла;

в) по степени ненасыщенности.

Наибольшее распространение в природе имеют пяти- и шестичленные гетероциклы, содержащие в качестве гетероатомов азот, кислород и серу.

По степени ненасыщенности различают насыщенные, ненасыщенные и ароматические гетероциклы. Гетероциклы неароматического характера по своим свойствам сходны с соответствующими ациклическими соединениями (аминами, амидами, простыми и сложными эфирами и т.д.). 5- и 6-членные гетероциклы, замкнутая сопряженная система которых включает (4n + 2) электронов, обладают ароматическим характером. Такие соединения по свойствам родственны бензолу и относятся к ароматическим гетероциклическим соединениям. Для них, как и для бензоидных систем, наиболее характерны реакции электрофильного замещения. Именно ароматические гетероциклические соединения широко распространены в природе.

Номенклатура. Присутствие гетероатома в цикле указывается специальными префиксами: О-оксо, S-тиа, N-аза. Согласно номенклатуре ИЮПАК величину цикла обозначают суффиксами: 5-членный - ол, 6-членный -ин. Для многих гетероциклических соединений сохраняются тривиальные названия.

Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом:

тиофен фуран пиррол (тиол) (оксол) (азол)

Положения 2,5 в названиях замещенных гетероциклов указывают буквой α; 3,4 - β.

Получение. а) Пиррол, фуран, тиофен и их производные получают синтетически, при переработке некоторых природных продуктов,например белков, углеводов, а также выделяют из каменноугольной смолы.

б) Взаимные каталитические превращения. Над катализатором Al₂О₃ при нагревании до 400-500⁰С возможны превращения (цикл Юрьева):

Реакцию открыл в 1936 году Ю.К. Юрьев.

Строение. Молекулы пиррола, фурана и тиофена плоские, содержат систему сопряженных связей и гетероатом с неподеленной электронной парой. Общее количество электронов в кольце равно 6 (4 π-электрона от двух двойных связей и 2р от гетероатома), что соответствует правилу Хюккеля. Таким образом, эти соединения имеют ароматические характер. Неподеленная электронная пара на гетероатоме действует как электронодонор, поэтому на углеродных атомах цикла электронная плотность увеличивается, а на гетероатоме - уменьшается. Делокализация электронов в гетероциклах по сравнению с бензолом меньше и уменьшается в следующем направлении: бензол > тиофен > пиррол > фуран.

Физические и химические свойства. Пиррол, фуран и тиофен - бесцветные жидкости с приятным запахом.

Общие химические свойства.

а) Реакции электрофильного замещения. Реакционная активность уменьшается в следующем направлении – пиррол > фуран > тиофен ≈ бензол. Реакции электрофильного замещения (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование и ацилирование - см. «Арены») осуществляются в положении 2 (α), протекают в отсутствии ионов водорода Н⁺ и действия очень слабых электрофилов.

Нитрование:

б) Каталитическое гидрирование. Водород присоединяется в присутствии катализаторов (Ni,Pt,Pd) при нагревании, при этом образуются тетрагидропроизводные (тетрафуран, тетрапиррол, тетратиофен):

Природные соединения гетероциклов. Пиррол образует порфирины (содержат 4 молекулы пиррола), которые входят в состав природных соединений, например гема - небелковой части гемоглобина, хлорофилла, витамина В₁₂. Группировка пиррола с бензолом (индол) содержится в триптофане, серотонине, некоторых алкалоидах (резерпин, лизергиновая кислота и т.д.).

Наиболее важные пятичленные гетероциклы с двумя атомами азота:

пиразол имидазол

Соединения проявляют амфотерные свойства.

Имидазол (1,3-диазол) входит в состав пуриновых оснований, из него получают лекарственные препараты - антипирин, амидопирин, анальгин и т.д.

Знаете ли вы, что

-Красное вещество крови гемоглобин . Переносящий кислород из легких в каждую клетку тела, является хромопротеидом, состоящим из белка глобина и окрашенной в красный цвет небелковой части — гема. Гем является порфирином, содержащим Fe (III). Строение гемв выяснил и осуществил синтез Г.Фишер в 1927 году.

-Хлорофиллы в процессе фотсинтеза трансформируют световую энергию в химическую. Его структуру установили в 1913-1938 годах; полный синтез осуществлен Р.Вудвордом в 1956 году.

-Строение витамина В₁₂ — темно-красного кристаллического вещества, установлено Д.Кроуфтом в 1950 году, полный синтез витамина осуществлен Р.Вудвордом в 60-десятых годах 20 века. Это одно из выдающихся достижений органического синтеза.