Ориз. един. ПРОСТИ ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ

Класификация на хетероцикличните съединения.

В зависимост от естеството на хетероатома се разграничават кислород-, азот- и сяра-съдържащи съединения. Има и съединения, които съдържат едновременно няколко еднакви (фиг. 2, диоксан) или различни хетероатоми (фиг. 2, тиазол, оксазин). Освен това те се разделят на наситени съединения (фиг. 1, пиперидин) и ненаситени, т.е. съдържащи множество връзки (фиг. 1, фуран, пиридин, тиофен). В зависимост от броя на цикличните фрагменти в молекулата се разграничават едноядрени моноциклични съединения (фиг. 1) и полиядрени, съдържащи няколко цикъла, като циклите могат да бъдат кондензирани (съдържат два общи атома, фиг. 2, индол) или свързани чрез a единична връзка (фиг. 2, бипиридил). Макроциклични съединения, така наречените краун етери (краун Английскикорона), съдържаща повече от четири хетероатома и повече от десет връзки в пръстенната структура (връзката е фрагмент от два химически свързани атома (фиг. 2).

Ориз. 2. РАЗЛИЧНИ ВИДОВЕ ПО-КОМПЛЕКСНИ ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ: с два еднакви (диоксан) или различни (тиазол, оксазин) хетероатома. Биядрени съединения: с кондензирани (индол) или разделени цикли (бипиридил). Краун етери съединения с големи цикли (макроциклични).

Номенклатура на хетероцикличните съединения.

За голяма група хетероциклични съединения, използването на тривиални ( см. ТРИВИАЛНИ ИМЕНА НА ВЕЩЕСТВА) имена, които са се развили исторически (например, фиг. 1), има общо около 60 такива имена и се различават от системата, която е приета за повечето органични съединения от други класове. От специално предложените за целта корени и представки се образува наименование, като се спазва договореният ред. Основава се на корен, състоящ се от две срички. Първата сричка показва броя на връзките в цикъла, например сричката " ir“ (две пренаредени букви от латинския корен „t ри“) съответства на тричленен цикъл, сричката „ не“ (фрагмент от лат T etра) цикъл с четири връзки, сричка „ Добре“ (част от лат ок ta) се използва за осемчленни цикли. Произходът на някои други срички, обозначаващи размера на цикъла, не винаги е логически обоснован, например за шестчленни цикли, сричката " в”, взето от името на общия хетероцикъл „пирид в" (Фиг. 1).

Втората сричка показва дали хетероцикълът е наситен сричката " en' или ненаситената сричка ' en"(аналогия с имената на въглеводородите: et enтова en). Пред корена се поставя префикс, който показва естеството на хетероатома: O oxa, S tia, N aza. Тъй като коренът често започва с гласна, крайната "а" обикновено се пропуска от префикса. В резултат на това наситеният тричленен пръстен, съдържащ S, се нарича thiiran (фиг. 3A): " ти-" съкратен префикс "тио-", част от корена " ir” обозначава тричленен цикъл, а втората част от корена „ en» съответства на наситено съединение. По подобен начин, тричленен О-съдържащ ненаситен пръстен се нарича оксирен (фиг. 3B). Ако има няколко хетероатома в хетероцикъла, тогава тяхната позиция се обозначава с помощта на цифрови индекси, като предварително се номерират атомите в цикъла, а броят на тези атоми се обозначава с префиксите ди-, три- и т.н., например, 1,3,5-триазин (фиг. 3В). Ако има различни хетероатоми, те се споменават в следния ред: O > S > N (този установен ред е произволен и не е свързан с химичните свойства). В края на името се използва корен, за да се посочи размерът на пръстена и ненаситеността, например 1,2,6-оксадиазин (фиг. 3E). Начинът на писане на корени за N-съдържащи цикли е малко по-различен от описания по-горе, което също е специално посочено, например коренът " в» в името 1,2,6-оксадиазин (фиг. 3D) обозначава както шестчленен, така и ненаситен пръстен.

Правилата за съставяне на систематични имена са приложими за всички хетероциклични съединения, включително тези, за които има добре установени тривиални имена, например бицикличното съединение с тривиално име хинолин (фиг. 3F) има систематичното наименование бензазин. Вместо сложна система от систематични имена, химиците често използват по-проста система, базирана на тривиални имена: те "изолират" фрагмент от тривиално име в молекула и посочват позицията на заместителите, използвайки цифрови индекси. Името 8-хидроксихинолин е съставено по този начин (фиг. 3G).

Ориз. 3. СИСТЕМАТИЧНИ НАИМЕНОВАНИЯ НА ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ(АД). Сравнение на систематични и тривиални имена (E). Използването на тривиален термин в състава на името (G). В 8-хидроксихинолин (G) два въглеродни атома, принадлежащи едновременно към два цикъла, не са номерирани, т.к. те не могат да имат заместители.

Химични свойства на хетероцикличните съединения.

Три- и четиричленните хетероцикли са напрегнати системи; те се характеризират с реакции на отваряне на пръстена. Етиленовият оксид (при 150°C и налягане от 2 MPa) се хидролизира до образуване на етиленгликол (фиг. 4А). Реакцията на О-съдържащи напрегнати пръстени с алкохоли води до съединения с ОН група и етерна връзка (целозолви, фиг. 4В), а когато се третират с водородни халиди, се образуват съединения, съдържащи Hal и ОН група (халохидрини, Фиг. 4C). N-съдържащите напрегнати пръстени реагират с халогеноводороди, за да образуват халоалкиламини (фиг. 4d).

Ориз. четири. ПЕТ- И ШЕСТ-ЧЛЕННИ НЕНАСИТЕНИ ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ, както и техните производни, имат ароматност, следователно тяхното химично поведение прилича на свойствата на ароматни съединения (бензенови производни) по време на различни трансформации, цикличният фрагмент е относително стабилен и Н атомите при въглеродните атоми на пръстена, както в бензена, могат да бъдат заменени с различни групи ( см. ОРГАНИЧНА ХИМИЯ). При сулфониране (фиг. 5A), нитриране (фиг. 5B) и ацилиране (фиг. 5C, D), Н атомите се заместват със съответните групи, докато цикълът остава непроменен. Въпреки това, стабилността на цикличните фрагменти в такива съединения е по-ниска от тази на бензеновия пръстен, така че всички реакции на заместване се провеждат при по-меки условия.

Ориз. 5. РЕАКЦИИ НА ЗАМЕСТВАНЕв хетероциклени съединения: A сулфониране, B нитриране, C, D ацетилиране. Подобно на реакциите на заместване в бензеновия пръстен, цикличният фрагмент остава непроменен.

Отнема 6 Р-електрони ( см.АРОМАТНОСТ). Всяка двойна връзка е изградена от две връзки ( см. ОРБИТАЛНИ), първата е образувана от две с-електрон на два съседни атома, а вторият е образуван от двойка Р-електрони (означени с точки вътре в пиридиновия цикъл, фиг. 6А). Системата от шест електрона в пиридина се формира от пет Р-електрони, принадлежащи на въглеродни атоми (черни точки) и един Р-електрон от азот (синя точка). В резултат на това несподелената електронна двойка на азот (червени точки) не участва в образуването на ароматната система, следователно такъв азотен атом може да бъде донор (дарящ електрони) при образуването на донорно-акцепторна връзка (амини имат същото свойство). Често такъв донор се нарича база на Люис, тъй като проявява свойства, типични за основата: образува стабилни соли с минерални киселини (фиг. 6А), които са сложни съединения. Хинолинът се държи подобно (фиг. 6B), който може да се разглежда като производно на пиридин. Свойствата на основата са най-силно изразени в 8-хидроксихинолин (фиг. 3G). Това съединение силно свързва йони на повечето метали, образувайки две конвенционални химични връзки на метален атом с два атома O и две донорно-акцепторни връзки с атоми N. Такива комплекси се наричат ​​хелатни (от гръцки chele нокът) или нокът. Това свойство на 8-хидроксихинолина се използва широко в аналитичната химия за количествено определяне на метали.

Ориз. 6. ОБРАЗУВАНЕ НА КОМПЛЕКСНА СОЛс участието на шестчленни N-съдържащи хетероцикли (A, B). Хелатни комплекси на метални йони (В).

При преминаване от шестчленни към петчленни N-съдържащи ненаситени хетероцикли (пирол, фиг. 7) ситуацията се променя. В този случай несподелената електронна двойка на азот (фиг. 7, червени точки) участва в образуването на шестелектронна ароматна система и не може да участва в образуването на донорно-акцепторна връзка, в резултат на което киселинните свойства на връзката N-H се проявяват ясно: водородът може да бъде заменен с метал (фиг. 7) . Такива метални производни са удобни междинни продукти за добавяне на алкилови (фиг. 7A) или ацетилови групи (фиг. 7B) към азота.

Петчленният имидазолов хетероцикъл (фиг. 7C), съдържащ два N атома, също е ароматно съединение 6 Р- електрони. Интересното е, че има както киселинни, така и основни свойства. N атомът в N-H групата може да реагира като киселина, подобно на пирола (фиг. 7A, B), вторият N атом прилича на същия атом в пиридина по свойства, той се характеризира с реакциите, показани на фиг. 6А.

Ориз. 7. КИСЕЛНИ СВОЙСТВА НА ПЕТ-ЧЛЕННИЯ ПИРОЛОВ ХЕТЕРОЦИКЪЛ(А, Б). Комбинацията от киселинни и основни свойства в имидазол (В). Двата N атома в имидазола и техните електрони са маркирани с различни цветове.

Хетероцикличните съединения се получават чрез различни процеси на кондензация, които преминават през етапа на затваряне на пръстена (фиг. 8A-B). Потокът от такива реакции в желаната посока се стимулира от факта, че в резултат на това се образуват относително стабилни хетероароматни съединения. Някои хетероциклични съединения се получават на базата на съединения с подобен състав. Фурфуролът се получава чрез декарбонилиране (отстраняване на CO) на фурфурол (фиг. 8d, фурфурол е утвърдено тривиално наименование, което неточно отразява състава, по-правилно фурфурол). Хидрогенирането на фуран води до тетрахидрофуран (фиг. 8E).

Ориз. осем. МЕТОДИ ЗА ПОЛУЧАВАНЕ НА ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ

В ненаситените петчленни хетероцикли един хетероатом се заменя с друг, без да се променя цикличният фрагмент (фиг. 9).

Ориз. 9. ВЗАИМОДЕЙСТВУВАНИЯ НА ПЕТЧЛЕННИ ХЕТЕРОЦИКЛИ

Много хетероциклични съединения се получават чрез обработка на природни продукти. Пиролът и индолът (фиг. 2) се намират в каменовъглен катран, тиофенът се извлича от продуктите на коксуване на въглища и термичното разлагане на нефтени шисти, фуранът се изолира от продуктите на сухата дестилация на някои видове дървесина. Пиридинът (фиг. 1) се получава от въглищен катран, продукти от суха дестилация на дървесина и торф. Фурфурол (фиг. 8) се получава чрез хидролиза на растителни суровини (царевични кочани, овесени и оризови люспи) в присъствието на разредени минерални киселини.

Участие на хетероциклени съединения в биологични процеси.

Три съединения урацил, тимин и цитозин, които са производни на азотсъдържащия пиримидинов хетероцикъл (фиг. 10, в скоби), както и две производни на пуриновия хетероцикъл (фиг. 10, в скоби) гуанин и аденин, са част на нуклеинови киселини, редът на редуване на тези хетероцикли по полимерните вериги на ДНК и РНК определя цялата наследствена информация на живия организъм и метода на сглобяване на протеинови молекули.

Фиг.10. ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯкоито изграждат нуклеиновите киселини

Някои аминокиселини (фиг. 11), участващи в образуването на протеини, също съдържат хетероциклични фрагменти: триптофанът включва индолен фрагмент (фиг. 2), хистидинът има имидазолов цикъл (фиг. 7), пролинът е пиролидиново производно.

Фрагменти от хетероцикли се намират в структурата на много биологично активни вещества, сред най-използваните лекарства над 60% са хетероциклични съединения. Четиричленният цикъл азетидинон (фиг. 11) е част от антибиотиците пеницилин и цефалоспорин, аскорбиновата киселина (витамин С) съдържа фуранов хетероцикъл, друг витамин никотинамид включва пиридинов фрагмент, молекулата на кофеина е „изградена“ на базата на споменатият по-горе пурин (фиг. 10).

Ориз. единадесет. НАЛИЧИЕТО НА ФРАГМЕНТИ ОТ ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯв структурата на биологично важни молекули

За всички съединения (фиг. 10), с изключение на азетидинона, са дадени тривиални имена, които са били установени и влезли в употреба, преди да бъдат формулирани правилата на систематичната номенклатура.

Използването на хетероциклични съединения.

Диоксан (фиг. 2) и тетрахидрофуран (фиг. 8) са широко използвани като силно полярни разтворители в органичния синтез.

Фурфуролът (фиг. 8) е изходният продукт за получаване на фуран (фиг. 8), тетрахидрофуран, както и за синтеза на някои лекарства (фурацилин).

По време на кондензацията на фурфурол в кисела среда се образуват полимерни продукти (фуранови смоли), наподобяващи фенолни смоли в структурата, CH 2 метиленови групи, свързващи хетероцикли (фиг. 12А). Когато такива смоли се нагряват в присъствието на киселинни катализатори (например толуенсулфонова киселина), двойните връзки се отварят с образуването на напречни връзки, в резултат на което полимерът преминава в неразтворимо състояние, което му позволява да се използва като свързващо вещество при производството на различни напълнени пресови материали: стъкло и въглеродна пластмаса, плочи от дървесни влакна и др. В твърдо състояние фурановите полимери са химически устойчиви вещества (до 300°C), което им позволява да се използват като устойчиви на корозия и пожароустойчиви уплътнители и мастики.

При кондензация на ароматни тетрамини (4 аминогрупи) с естери на ароматни дикарбоксилни киселини ( см.ЕСТЕРИ), се образуват полимери, в структурата на които по време на синтеза се появяват бензимидазолови фрагменти (фиг. 12В). Такива полимери, наречени полибензимидазоли, имат висока якост и топлоустойчивост (до 500 ° C), те се използват за производство на филми, влакна (търговско наименование ARMOS и RUSAR), подсилени пластмаси.

Ориз. 12. ПОЛИМЕРИ, СЪДЪРЖАЩИ ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ ФРАГМЕНТИ ВЪВ ВЕРИГАТА: фуранов полимер (A), полибензимидазол (B).

Производните на бензимидазол са част от лекарства (дибазол).

Индолът (фиг. 2) се използва като фиксатор на миризмата в парфюмерийната индустрия и при производството на някои лекарства (индометацин).

Михаил Левицки

д-р елементи (хетероатоми). Наиб. т.е. цикълът to-rykh включва N, O, S. Те включват много, n. ; те се включват под формата на структурни фрагменти в нуклеинови киселини и др. Хетероцикличните съединения са най-многобройният клас на орг. връзка, включително прибл. 2/3 от цялата позната природа. и синтетичен. орг. .

Номенклатура.Според правилата на номенклатурата за най-важните хетероциклични съединения се запазват тривиалните им имена, например. (форма I), (II), (III). Систематичен име моноцикличен Тоест, съдържащи от 3 до 10 в цикъла, те се образуват чрез комбиниране на префикси, обозначаващи хетероатоми (N-аза, О-окса, S-тиа, Р-фосфа и т.н.), с корени, които са за основните хетероциклични съединения са посочени в таблицата. Степента на ненаситеност. хетероцикъл се отразява в името. с помощта на корени или префикси "дихидро" (два прикачени), "тетрахидро", "перхидро" и др. Примери за систематичност наименования: (IV), тиирен (V), стопи (VI), 1,3-диоксолан (VII), перхидропиримидин (VIII).

За хетероциклични съединения с 11 или повече членове в цикъла, мостови и някои кондензатори. системи се използва "а"-номенклатура, по правилата на която се използва първият компонент на името. означава хетероатом, а вторият се нарича. , която м. б. се образува, ако приемем, че във f-le на хетероциклично съединение всички хетероатоми са заместени с С, СН или СН2 групи, например. 1,5-диазабицикло (Xill). За наименованието на хетероциклични съединения от този тип се използват и традиционни имена, напр. пентадеканолид (XIV), 18-краун-6-етер (XV).

КОРЕНИ, ИЗПОЛЗВАНИ ПРИ СЪСТАВЯНЕ НА НАИМЕНОВАНИЯ НА ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ СЪГЛАСНО НОМЕНКЛАТУРАТА

Химични свойства.За 3- и 4-членните хетероциклични съединения напрегнатият пръстен се отваря лесно. 5- и 6-членни ненаситени. хетероцикли (най-многобройният тип хетероциклични съединения), затворена система от спрегнати връзки включва (4m + 2), имат аромат. характер (правило на Хюкел) и т.нар. хетероароматни съединения. За тях, както и за бензоидни ароматни. съедин., наиб. характерна р-ция заместване. В този случай хетероатомът играе ролята на "вътрешна" функция, която определя ориентацията, както и активиращ или дезактивиращ ефект върху пръстена към действието на разлагането. .

Хетероароматни конн. подразделени на i-прекомерни и недостатъчни. Първите включват 5-членни хетероциклични съединения с един хетероатом, в които секстетът е делокализиран между пет цикъла, което причинява тяхното нарастване. по отношение на електрическия агенти. 6-членните хетероцикли с шест се считат за оскъдни, за да се разпределят, както в случая, между шест пръстена, но един или няколко. от които са хетероатоми с повече от y , . Такива Comm. напомня чрез реакция. производни на способностите

Хетероциклични съединения

Хетероцикличните съединения са съединения, които имат в състава си пръстени (цикли), в образуването на които освен въглеродни атоми участват и атоми на други елементи.

Атомите на елементи, различни от въглеродните атоми, които са част от хетероциклите, се наричат ​​хетероатоми. Азотните (N), кислородните (O) и серните (S) хетероатоми най-често се срещат в хетероциклите.

Класификация на хетероциклите

1. по общия брой атоми в цикъла: три-, четири-, пет-, шестчленни цикли и др.

2. по естеството на хетероатома: кислород-, азот-, сяра-, фосфор-съдържащи

3. По броя на хетероатомите: 1,2 или повече в цикъла

4. По степента на наситеност на циклите

5. По броя на циклите

Най-важните са пет- и шестчленните хетероцикли, съдържащи азот, кислород и сяра. Тези цикли се образуват най-лесно и се характеризират с голяма здравина. Това се дължи на факта, че ъглите на връзката на редуцираните хетероатоми се различават леко от ъгъла на връзката на въглерода. Според степента на наситеност хетероцикличните съединения могат да бъдат наситени, ненаситени и ароматни. От особено значение са хетероцикличните съединения, които се различават по своите свойства от всички други циклични и ациклични съединения, наподобяващи бензена и неговите производни по своята стабилност и реакции. Това са ароматни хетероциклични съединения.

Хетероцикличните съединения са от голямо значение. Много от тях са в основата на важни лекарства, участват в изграждането на определени аминокиселини, които изграждат протеините. Хетероциклите са структурните компоненти на нуклеиновите киселини, те формират основата на естествено оцветени вещества като хлорофил, хемоглобин.

Ароматни хетероциклени съединения

В ароматните хетероциклени съединения се срещат само следните хетероатоми: азот, кислород и сяра. Те са единствените елементи, различни от въглерода, които могат да образуват π връзки и следователно участват в изграждането на ароматни ядра.

Петчленни хетероцикли с един хетероатом

Най-важните петчленни хетероцикли с един хетероатом са:

Индолът (бензпирол) е пример за кондензирано хетероциклично съединение, което се състои от бензенов и пиролевен пръстен, които имат обща връзка.

Производните на пирол са широко разпространени в природата. Самият пирол е рядък. Намира се в каменовъглен катран и костно масло. Редица производни на пирол и индол са получени изкуствено и заемат важно място в промишления органичен синтез: багрила, лекарства, пластмаси. Индолът е структурен компонент на незаменимата аминокиселина триптофан.

Шестчленни хетероцикли с един хетероатом

Най-важният шестчленен хетероцикъл с един азотен хетероатом е пиридинът. Наред с пиридина, кондензираните системи, в които пиридиновото ядро ​​е комбинирано с едно или две бензенови ядра, са от голямо значение. Например хинолин.

Петчленни и шестчленни хетероцикли с два хетероатома

В азотсъдържащите хетероцикли два азотни атома могат да бъдат разположени в непосредствена близост и могат да бъдат разделени от една или две СН групи (1,2-, 1,3- и 1,4- подреждане).

Пуринът е сложна хетероциклична система, състояща се от два кондензирани хетероцикла: пиримидин и имидазол.

Критерии за ароматност

1. Плоска циклична система

2. Затворена, спрегната система, обхващаща всички атоми на цикъла

3. Броят на електроните, участващи в конюгацията, е 4n+2, където n=0,1,2,3,… (n е броят на циклите)

В хетероцикличните съединения с един пръстен в конюгацията участват 6 електрона

Структурата на бензена според схемата

Пиридин. Както в случая с бензена, ароматният характер на пиридина се дължи на конюгацията на шест p-електрона (ароматен секстет), по един от всеки пръстенен атом. Азотният атом (пиридин) е свързан с два съседни въглеродни атома чрез sp 2 -хибридизирани орбитали, подобно на въглеродните атоми в бензена. Междуатомните C-C разстояния в пиридина са равни едно на друго и практически са равни на C-C разстоянията в бензеновия пръстен; C-N разстоянията са много по-малки от същите разстояния в неконюгираните молекули. Несподелената електронна двойка на sp 2 -AO на азота не участва в конюгацията. Именно тя определя основните свойства на пиридина.

Пирол. Ароматният секстет на пирола се образува от комбинацията от четири p-електрона на въглерода и два самотни електрона на азота на pz-AO, за да се образува единична π-електронна система. Азотният атом в този случай се нарича пирол.

Наличието на хетероатом води до неравномерно разпределение на електронната плътност. Влиянието на хетероатома варира в зависимост от това дали той допринася с един или два р-електрона към ароматния секстет. Разпределението на електронната плътност, дължините на връзките и ъглите на връзката в молекулите на пиридин и пирол са показани на фигурата. Тъй като електроотрицателността на азота е по-голяма от въглерода, в пиридина електронната плътност се увеличава при азотния атом и се понижава при останалите атоми на цикъла, главно при атомите в позиции 2, 4 и 6.

Поради участието на двойка самотни електрони на пироловия азотен атом в ароматно свързване, хетероатомът става по-беден на електрони. СН групите, съседни на хетероатома (α позиции), ще бъдат значително по-богати на електрони и следователно по-реактивни в реакции на електрофилно заместване, отколкото по-отдалечените СН групи (β позиции)

Пиримидинсъдържа два пиридинови азотни атома и имидазоли пуринса пиролни и пиридинови азотни атоми. Това определя киселинно-алкалните свойства на тези съединения.

Пирол. Безцветна течност, слабо разтворима във вода, бързо се окислява и потъмнява на въздух. Касова бележка:

1. Фуран, тиофен и пирол могат да се превърнат един в друг при нагряване до 400-450 в присъствието на Al 2 O 3 катализатор (цикъл на Юриев)

2. Пиролът се образува чрез преминаване на смес от C 2 H 2 и NH 3 през нагрят katFe 2 O 3

Химични свойства

1. Пиролът проявява леко киселинни свойства, реагирайки с алкален Me или с много силни основи при t.

2. По-лесно от бензена влиза в реакции на заместване. Разпределението на електронната плътност поради наличието на хетероатом е такова, че най-реактивни са алфа позициите по отношение на азотния атом.

3. Когато се редуцира при меки условия (Zn+HCl), пиролът се превръща в пиролин. Силна редукция (например хидрогениране в присъствието на никел при 200) води до образуването на тетрахидропирол (пиролидин).

Основните свойства на пирола практически не се проявяват поради участието на самотна електронна двойка в системата за свързване на пръстена (пиролов азот). В серията пирол - пиролин - пиролидин основността се увеличава.

Ядрото на пирола и някои от неговите производни са част от най-важните биологични и биохимични структури. Например. пироловите пръстени са част от порфин и гема. Когато се разрушат в организма, се образуват "линейни" тетрапироли, наречени жлъчни пигменти (биливердин, билирубин, стеркобилин и др.). Съотношението на пигментите определя вида на жълтеницата и причините за заболяването (обструктивна жълтеница, вирусен хепатит и др.)

Пиридин. Безцветна течност с характерен неприятен мирис, смесима с вода във всякакви съотношения. Касова бележка:

1. Добив от въглищен катран

2. Синтез от циановодородна киселина и ацетилен

Химични свойства

1. Пиридинът има основни свойства, т.к съдържа ПИРИДИНОВ азотен атом, до известна степен подобен на азотния атом на амините (електронната двойка не участва в образуването на ароматен секстет):

2. Водните разтвори на пиридин оцветяват син лакмус, под действието на минерални киселини се образуват кристални пиридиниеви соли

3. Пиридинът и неговите хомолози добавят халогенни алкили, давайки пиридиниеви соли

4. Пиридинът е по-труден за влизане в реакции на заместване от бензена поради по-голямата електроотрицателност на азотния атом от този на въглерода. В този случай заместването се извършва главно в β-позиция

5. Каталитичната редукция превръща пиридина в пиперидин

6. Пиридинът е устойчив на окислители. Неговите хомолози се окисляват до образуване на хетероциклени карбоксилни киселини

7. Изгаряне на пиридин

Пиридинът и неговите производни са в основата на много лекарства. Например, никотиновата киселина и нейният амид са витамини от групата РР.

Нуклеинови бази

От гореизложеното следва, че съединенията, съдържащи пиридинов азотен атом, имат основни свойства (азотни основи). Производни на пиримидин и пурин, които са част от нуклеиновите киселини. се наричат ​​нуклеинови бази.

M.I. Антонова, А.С. Берландия

БИООРГАНИЧНА химия

ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ

Москва 2010 г

Държавна образователна институция за висше професионално образование

"Московски държавен университет по медицина и стоматология"Федерална агенция за здравеопазване и социално развитие на Руската федерация

Катедра по обща и биоорганична химия

M.I. Антонова, А.С. Берландия

БИООРГАНИЧНА химия

ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ

Урок по биоорганична химия

за самостоятелна работа на учениците

дентални факултети на медицински университети

Препоръчва се от Учебно-методическата асоциация за медицинско и фармацевтично образование на руските университети като учебно помагало за студенти, обучаващи се по специалността 060105 (040400) - "Стоматология"

Москва 2010 г

BBC 24.1 и 73

UDC 546 (075.8)

Рецензенти:

глава Катедра по органична химия MMA им. И.В. Сеченов, д.х. н., професор Н.А. Тюкавкина,

глава Катедра по фармакология, MGMSU,

Доктор на медицинските науки, професор А.Г. Муляр

M.I. Антонова, А.С. Берландия. Биоорганична химия, част VI. Урок. М., MGMSU, 2010, 63s.

Под редакцията на професор A.S. Берландия

Това учебно помагало е посветено на съединенията, обединени под общото наименование "Хетероциклични съединения". Помагалото съдържа теоретичен материал, анализирани са редица справочни задачи, както и въпроси и задачи за самостоятелна работа на студентите. Ръководството се препоръчва за използване от студенти от стоматологични, медицински и педиатрични факултети на медицински университети на Руската федерация за подготовка за часове по биоорганична химия.

BBC 24.1 и 73

© MGMSU, 2010

© M.I. Антонова, А.С. Берландия. 2010 г.

Хетероциклични съединения

1. Обща характеристика.

Хетероцикличните съединения се наричат ​​съединения с циклична структура, съдържащи в цикъла не само въглеродни атоми, но и атоми на други елементи (хетероатоми).

Хетероцикличните съединения са най-често срещаната група органични съединения. Те са част от много вещества от естествен произход, като нуклеинови киселини, хлорофил, кръвен хем, алкалоиди, пеницилини и много витамини. Хетероцикличните съединения играят важна роля в метаболитните процеси и имат висока биологична активност. Значителна част от съвременните лекарствени вещества съдържат в структурата си хетероцикли.

2. Класификация и номенклатура на хетероцикличните съединения.

2.1. Класификация.

Следните характеристики се използват за класифициране на хетероцикличните съединения.

На размер на цикъла хетероцикличните съединения най-често са три-, четири-, пет-, шест- и седемчленни:

На тип елемент , включени в цикъла, това са главно съединения с азотни, кислородни или серни атоми:

На брой хетероатоми , включени в цикъла, най-често срещаните са хетероцикли с един и два хетероатома, но са известни и съединения с четири атома в един цикъл:

На природа и взаимно разположение на няколко хетероатома възможни са различни комбинации (например N и S, N и O и т.н.), а хетероатомите могат да заемат различни позиции един спрямо друг:

На степени на насищане хетероциклите могат да бъдат ароматни, ненаситени и наситени:

Най-подробно е проучена химията на ароматните хетероцикли. Напълно или частично наситени хетероцикли, поради особеностите на техните химични свойства, като правило не се разглеждат като хетероциклични съединения, а като циклични аналози на определени алифатни съединения (етери, сулфиди, вторични амини).

На брой цикли разграничават моноциклични, полициклични (главно кондензирани) системи. Броят на циклите и техните видове могат да бъдат много различни:

Хетероцикличните съединения се наричат ​​такива съединения с циклична структура, в чиито цикли, заедно с въглеродни атоми, има атоми на други елементи. Тези други атоми се наричат ​​хетероатоми. Най-често такива хетероатоми са кислородни, серни и азотни атоми. Хетероциклите могат да съдържат един, два, три или повече хетероатома. Въпреки това, според теорията за напрежението на цикъла, три- и четиричленните цикли са нестабилни. Най-силните и следователно по-често срещаните са пет- и шестчленните хетероцикли.

Класификацията на хетероциклите се извършва в зависимост от размера на цикъла. В съответствие с това се разграничават три-, четири-, пет-, шестчленни хетероцикли и хетероцикли с голям брой атоми.

Хетероцикличните съединения са многобройни, много разпространени в природата и от голямо практическо значение. Те включват вещества като хлорофил - зеленото вещество на растенията, хемоглобин - оцветяващото вещество на кръвта и много други природни оцветители, витамини, антибиотици (пеницилин), лечебни вещества, пестициди.

Номенклатура на хетероциклите

Хетероцикличните съединения се наименуват според тривиална, рационална и систематична номенклатура. Често се използват тривиални имена за добре известни хетероциклични съединения. Например, пирол, пиридин, фуран, индол, пурин и др. В рационалната номенклатура за основа се приема наименованието на определен хетероцикъл - фурани, тиофен, пирол, пиридин или друго, и се посочва позицията на заместителите в тях с цифри или букви от гръцката азбука. При хетероцикли с един хетероатом номерирането започва от този хетероатом.

Снимка 1.

Съвременната научна номенклатура на хетероцикличните системи включва размера на цикъла, неговата ненаситеност, броя на хетероатомите, техния тип и позиция. Името на хетероцикъла според тази номенклатура се състои от три части:

• корен - показва размера на цикъла,
• суфикс - показва степента на ненаситеност на хетероцикличната система
• и префикси - показва вида на хетероатомите и техния брой.

Тричленният пръстен има корен -ir, четиричленният пръстен има -et, петчленният пръстен има -ol, шестчленният пръстен има -in. Наситените хетероцикли с азотен атом имат наставката -идин, наситените хетероцикли без азотен атом имат наставката -an, наситените хетероциклични системи имат наставката -in.

Природата на хетероатома се обозначава с префиксите окса-, тиа- и аза-, съответно за кислород, сяра и азот, префиксите диокса-, дитиа-, диаза- означават съответно два атома кислород, сяра и азот . Ако има два или повече различни хетероатома в хетероцикъла, тогава те са изброени по реда на предшестване кислород преди сяра и сяра преди азот и са номерирани в следния ред: $O$, $S$, $N$.

Ако в хетероцикъла има един кислороден атом и един азотен атом, се използва префиксът - оксаза-, а при наличие на един серен атом и един азотен атом - тиаза-. Когато третичният азотен атом и групата $NH$ са в пръстена едновременно, числото 1 означава азотния атом от групата $NH$. В този случай номерирането се извършва в следния ред: $O$, $S$, $NH$, $N$.

Хетероциклите, които не съдържат екстремни връзки, като правило, са подобни по химични и физични свойства на съответните циклични съединения.

Ароматичност на хетероцикли

Има огромна група хетероцикли, които имат спрегната система от множество връзки. Такива хетероцикли приличат на бензен и неговите производни по своята стабилност и видове реакции и се наричат ​​ароматни хетероциклени съединения.

Според правилото на Хюкел пръстенната система има ароматни свойства, ако:

• съдържа $4n + 2$ обобщаващи електрони;
• има непрекъсната верига на конюгиране;
• е планарна.

Нека сравним две съединения - бензен и пиридин:

Фигура 2.

Фигура 3

В молекулата на бензена въглеродните атоми са в състояние на хибридизация $sp2$. Четвъртият електрон на всеки С атом не може да се хибридизира. В този случай се образува секстет от електрони, обобщен от всички атоми на цикъла (ароматен секстет).

Облаци от нехибридизирани $\pi$-електрони с формата на обемни осмици, припокриващи се един с друг, образуват единичен $\pi$-електронен облак:

Фигура 4

Ароматният характер на пиридина може да се обясни по подобен начин. Само 5$\pi$-електрона от въглеродните атоми и един електрон от азота участват в образуването на електронен секстет в природата:

Фигура 5

Азотният атом запазва несподелена двойка електрони. Тази двойка електрони не е част от ароматен секстет; равнинна система; съответства на правилото на Хюкел: $4n + 2$.

Електронна структура на петчленни хетероцикли

Помислете за електронната структура на петчленен хетероцикъл - пирол, образуван от четири въглеродни атома и азотен атом и съдържа две двойни връзки:

Фигура 6

В молекулата на пирола също се образува ароматен секстет, дължащ се на четири $\pi$-електрона на въглеродни атоми и два несподелени р-електрона на азотния атом. По този начин в ядрото се образува обща система от секстет от електрони и ядрото има ароматни свойства. Първото правило за ароматичност е в сила: има $4n + 2 = 4\cdot1 + 2 = 6$ обобщени електрони. Второто условие за ароматичност също е изпълнено - запазва се непрекъсната верига на конюгиране, която включва неразделена двойка електрони на азотния атом. Всички атоми лежат в една и съща равнина, системата е равнинна. Така в петчленните хетероцикли 6 електрона са делокализирани между 5 атома, които образуват този цикъл.

Фигура 7

От петчленните хетероциклени съединения с един хетероатом най-важни са: фуран, тиофен и пирол. За фуран, тиофен, пирол и техните производни са типични реакции на електрофилно заместване: нитриране, сулфониране, халогениране, ацилиране и др. Тази характеристика на свойствата на тези хетероциклични съединения е свързана с тяхната електронна структура. Циклите на тези вещества съдържат както въглеродни атоми, така и хетероатоми. Въглеродните атоми и хетероатомите са свързани със съседни въглеродни атоми чрез $\sigma$-връзки.

Други ароматни хетероциклени съединения

Тъй като въглеродните атоми от различни цикли и в различни комбинации могат да бъдат заменени с хетероатоми в полициклични съединения, броят на възможните ароматни хетероциклични съединения е изключително голям:

Фигура 8

В допълнение към хетероцикличните системи, които съдържат шест $\pi$-електрона във всеки пръстен, има множество примери за ароматни ($4n+2$) р-електронни хетероциклични съединения, в които $n >1$. Известни са хетероциклични аналози на ароматни анулени. Примерите включват окса-анулен, аза-анулен, аза-анулен, изоелектронен до ароматен -анулен:

Фигура 9

Фигура 10.

Друг добър пример за ароматен хетероанулен е мостовият хомохинолин, който е изоелектронен на 1,6-метано-анулен и съдържа 10 p-електрона:

Фигура 11.