Test

Związki heterocykliczne

Zawartość

• 3. Struktura heterocykli
• 5. Azole
• 6. Pirola
• 7. Indol
• 8. Furan
• 9. Tiofen
• 11. Pirydyna
• Literatura

1. Tło, dystrybucja i znaczenie

Heterocykle nazywane są związkami organicznymi, których cykl zbudowany jest nie tylko z atomów węgla, ale także z atomów innych pierwiastków organogennych (azotu, tlenu, siarki, fosforu itp.). Współczesna chemia umożliwia wprowadzenie atomu niemal każdego pierwiastka układu okresowego do cyklicznego szkieletu cząsteczki. Heterocykle mogą być nasycone i nienasycone, wśród tych ostatnich są aromatyczne i antyaromatyczne.

Niektóre nasycone związki heterocykliczne zostały wymienione w poprzednich rozdziałach - są to cykliczne aminy drugorzędowe (piperydyna, morfolina), laktony i laktamy - pochodne hydroksy i aminokwasów.

Znaczenie heterocykli we współczesnej chemii i biochemii, biologii molekularnej i medycynie można ocenić choćby z faktu, że około 50% publikacji w czasopismach naukowych poświęconych tym dziedzinom wiedzy jest w jakiś sposób związanych z heterocyklami.

Heterocykle aromatyczne, zwłaszcza te zawierające jeden lub więcej atomów azotu, są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie i stanowią część złożonych struktur chemicznych zawartych w każdej żywej komórce. Tak więc pochodne heterocyklicznego układu pirymidyny (uracyl, tymina, cytozyna) i imidazopirymidyna, zwane puryną (adenina, cytozyna) są częścią DNA - aparatu genetycznego wszystkich żywych istot.

Heterocykle są częścią cząsteczek a-aminokwasów, które tworzą makrocząsteczki białka

Heterocykliczny pięciojądrowy układ porfiryn jest głównym węzłem w biocząsteczce hemoglobiny, a pokrewna chloryna heterocykliczna, która ma jedno wiązanie uwodornione, jest podstawą chlorofilu.

Łatwo zauważyć, że te dwa systemy mają duże podobieństwo strukturalne (nawet podstawniki są podobne), co sugeruje ich wspólne ewolucyjne pochodzenie.

Aby wysycić liczbę koordynacyjną jonu żelaza w hemoglobinie równą sześć (zniekształcony ośmiościan), oprócz czterech atomów azotu porfiryny (patrz wzór hemu), heterocykliczne fragmenty części białkowej hemoglobiny lub cząsteczka tlenu działają jako ligandy. Oba ligandy znajdują się po przeciwnych stronach płaszczyzny makrocyklu.

Heterocykle są częścią cząsteczek witamin.

Makrocząsteczka witaminy B12 (cyjanokobalamina) to kompleks kobaltu bardzo stabilnego heterosystemu – corrin. W składzie cząsteczki witaminy B12 jest także obecny biologicznie czynny heterocykl benzimidazol.

Ogromna liczba leków to pochodne związków heterocyklicznych. Należą do nich np. liczne antybiotyki z serii penicylin, preparaty sulfonamidowe, podstawione 5-nitrofurfurale o działaniu antyseptycznym, przeciwbólowe, uspokajające, przeciwwirusowe itp.

Wiele związków heterocyklicznych to silne trucizny, takie jak nikotyna i LSD. W niewielkiej ilości (aktywna dawka 50 mikrogramów) LSD jest używane jako lek psychotropowy - silny halucynogen ( posługiwać się nie Zalecana !) .

Znana jest ogromna liczba naturalnych kolorowych związków heterocyklicznych, które określają kolor kwiatów, owoców, owadów itp. W oparciu o heterocykle zsyntetyzowano dużą liczbę barwników o znaczeniu przemysłowym. Przykładami barwników syntetycznych są błękit indygo (stosowany w szczególności do barwienia dżinsu) i błękit metylenowy (barwnik rozpuszczalny w wodzie), czerwień tioindygo, złożone nierozpuszczalne pigmenty fioletowe - ftalocyjaniny.

W świecie roślin bardzo powszechne są barwniki oparte na pochodnych benzopiranu: flawony, flawonole i antocyjanidyny. Kolor tych związków zmienia się w szerokim zakresie - od jasnożółtego do ciemnofioletowego.

Flawony i flawonole nadają kwiatom drzew owocowych różne odcienie kremu i żółci; solne formy antocyjanidyny decydują o kolorze jasnych kwiatów (róży, lilii) i owoców (wiśnie, jabłka, truskawki).

2. Klasyfikacja i nazewnictwo

Związki heterocykliczne są klasyfikowane według wielkości pierścienia, rodzaju heteroatomów i ich liczby. Najpowszechniejsze jednojądrzaste nienasycone heterocykle mają trywialne nazwy, które są używane jako podstawa nazewnictwa ich pochodnych i skondensowanych heterosystemów. Za podstawę przyjmuje się nazwę heterocyklu z największą liczbą wiązań wielokrotnych, często taki heterocykl jest aromatyczny.

Wiele całkowicie lub częściowo uwodornionych heterocykli ma również własne nazwy trywialne.

Aromatyczne sześcioczłonowe heterocykle zawierające co najmniej jeden atom azotu łączy się pod ogólną nazwą „azyny”; zgodnie z liczbą heteroatomów rozróżnia się mono-, di-, trzy-itp.

Pięcioczłonowe heterocykle azotowe z więcej niż jednym heteroatomem nazywane są azolami. Należą do nich następujące typy połączeń:

Numeracja atomów w jądrze heterocykli jest przeprowadzana z heteroatomu tak, że suma lokantów heteroatomu jest najmniejsza; jeśli istnieją warianty, to starszy heteroatom powinien mieć najniższy numer. Zasady pierwszeństwa heteroatomów: N > O > S, atom azotu typu „pirol” jest starszy niż typu „pirydyny”.

Ta ostatnia jest określona przez rodzaj wiązań, które atom tworzy ze swoimi sąsiadami: jeśli heteroatom tworzy tylko wiązania s w głównej strukturze granicznej, to jest to „pirol”, jeśli dwa s - i jedno wiązanie p, to jest to „pirydyna”.

Podobne wymagania dotyczą atomów innych pierwiastków.

Stosuje się również starszą nomenklaturę: atomy oznacza się literami alfabetu greckiego, zaczynając od litery znajdującej się obok heteroatomu. Ta metoda numeracji jest najczęściej stosowana dla heteropierścienia o symetrycznej strukturze z jednym heteroatomem iw obecności jednego podstawnika w pierścieniu.

Cząsteczka heterocykliczna może składać się z dwóch lub więcej pierścieni karbocyklicznych lub heterocyklicznych. Heterocykle wielopierścieniowe są nazywane w następujący sposób:

1. Za podstawę przyjmuje się nazwę starszego heterocyklu, nazwę młodszego dodaje się jako przedrostek kończący się na literę „o”.

2. Zasady pierwszeństwa: a) każdy heterocykl jest starszy niż benzen; b) im więcej heteroatomów, tym starszy heterocykl; c) przy tej samej liczbie heteroatomów, większy heterocykl jest najstarszy; d) jeśli heteroatomy są takie same, to cykl jest starszy, im bliżej są (pirydazyna jest starsza niż pirymidyna); e) przy tej samej liczbie heteroatomów o staż pracy decyduje staż heteroatomów.

3. Pozycję wiązania, przez które pierścienie są anulowane, wskazano w nawiasach kwadratowych przez myślnik. Połączenie cyklu starszego jest oznaczone literą alfabetu łacińskiego, połączenie cyklu młodszego jest oznaczone liczbą atomów oddzielonych przecinkiem, odpowiadającym numeracji w izolowanym jądrze. Ciąg liczb dobierany jest w taki sposób, aby kierunek liczenia wiązań w obu jądrach był taki sam:

4. Numerację atomów sprzężonego heterocyklu prowadzi się tak, aby suma liczb heteroatomów była jak najmniejsza, a w przypadku wariantów najmniejsze liczby powinny należeć do starszych heteroatomów.

Przykłady :

3. Struktura heterocykli

Pięcioczłonowe heterocykle z jednym heteroatomem

Pięcioczłonowe heterocykle z jednym heteroatomem i dwoma podwójnymi wiązaniami C-C spełniają wymagania aromatyczności. Jądra pirolu, furanu i tiofenu są cyklem planarnym ze sprzężonym układem orbitali elektronowych, który obejmuje 4n + 2 elektrony p, z których dwa są dostarczane przez heteroatom.

Rozważmy delokalizację p-elektronów w pirolu. Atom azotu typu „pirol” występuje w stanie hybrydowym sp 2 i formalnie tworzy trzy wiązania s: dwa z węglem, jedno z wodorem lub podstawnikiem. Wiązania s są tworzone przez orbitale hybrydowe, a samotna para elektronów zajmuje niehybrydowy orbital p. To sprawia, że ​​jest zdolny do koniugacji z wiązaniami C-C p_bond, tworząc w ten sposób aromatyczny sekstet. Strukturę elektronową pirolu można przedstawić za pomocą form rezonansowych, z których pięć ma największy udział w hybrydzie rezonansowej.

Zatem heteroatom typu „pirolu” zawsze dostarcza układowi p dwa elektrony.

Aby zrozumieć aromatyczność pirolu, można go porównać z izoelektronicznym anionem cyklopentadienowym.

Łatwo zauważyć, że wszystkie pięć atomów węgla jonu cyklopentadinenidowego są równoważne: samotna para elektronów, tak jak w pirolu, znajduje się na orbicie p i jest zdelokalizowana.

Różnica między pirolem a anionem cyklopentadienylowym polega na tym, że nie wszystkie struktury graniczne pirolu mają taki sam wkład w hybrydę rezonansową. Ich względny udział można oszacować następująco: 1>3, 5>2, 4.

Struktura elektronowa furanu i tiofenu jest jakościowo podobna do struktury pirolu, ale zamiast wiązania N-H s występuje tu druga samotna para elektronów heteroatomu. Ta para elektronów nie wchodzi w koniugację z układem p, ponieważ oś jego orbity leży w płaszczyźnie pierścienia, tj. prostopadłe do osi p-orbitali atomów węgla.

Istniejące znaczące różnice w rozkładzie gęstości elektronowej w cząsteczkach tych trzech heterocykli można określić ilościowo na podstawie danych doświadczalnych. Po przejściu z pirolu do furanu, mezomeryczny efekt donora heteroatomu słabnie, podczas gdy efekt indukcyjnego akceptora wzrasta, powodując zmianę kierunku momentu dipolowego.

Dlatego furan jest mniej p-nadmiarowy niż pirol i mniej aromatyczny i mniej stabilny. Tiofen jest znacznie bardziej stabilny niż furan i pirol, a chemicznie przypomina benzen. Co ciekawe, kąt wiązania C-S-C w cząsteczce tiofenu jest bliski 90°, co nie jest charakterystyczne dla atomu hybrydowego sp 2 w pięcioczłonowym pierścieniu (w pięciokącie foremnym kąt wynosi 108°).

Te cechy tiofenu doprowadziły do ​​powstania dwóch alternatywnych założeń dotyczących hybrydyzacji atomu siarki. Według pierwszego z nich atom siarki prawie nie jest zhybrydyzowany, wiązania s i p tworzą czyste orbitale p. Według alternatywnej wersji, d-orbitale siarki biorą udział w tworzeniu wiązań C-S, co można wyrazić poprzez dodatkowe struktury rezonansowe:

W rzeczywistości kwestia prawdziwej struktury elektronowej tiofenu i hybrydyzacji atomu siarki w jego cząsteczce pozostaje dyskusyjna.

Długości wiązań w cząsteczkach pirolu, furanu i tiofenu wynoszą

Układy takie jak pirol, furan i tiofen, w których liczba elektronów aromatycznych przewyższa liczbę atomów w pierścieniu, oraz ogólnie inne heterocykle z heteroatomami tylko typu „pirolu”, są p-nadmierne. Pomimo faktu, że p-nadmiar tych heterocykli jest mniejszy niż p-nadmiar anionu cyklopentadienylowego, determinuje to jednak główne aspekty ich reaktywności.

Ważnym czynnikiem charakteryzującym zachowanie chemiczne pięcioczłonowych heterocykli jest ich niższa aromatyczność w porównaniu z benzenem. Do oceny porównawczej aromatyczności tych związków w odniesieniu do benzenu wykorzystuje się charakterystyki uzyskane w wyniku obliczeń mechaniki kwantowej: aromatyczność względną, empiryczną energię rezonansu. W różnych źródłach można znaleźć różne wartości tych parametrów, ale w tej chwili akceptowane są:

Opierając się na idei p-nadmiaru pirolu i jego elektronicznych analogów, logiczne jest założenie, że związki te są szczególnie podatne na udział w reakcjach z elektrofilami. To jest obserwowane w rzeczywistości. Właściwości związku zawierającego w pierścieniu heteroatom pirolu można porównać z właściwościami aniliny, w której cząsteczce grupa aminowa aktywuje również jądro aromatyczne.

4. Sześcioczłonowe heterocykle - azyny i ich analogi

Pirydyna jest elektronicznym analogiem benzenu, w którym jedna grupa CH (grupa metinowa) jest zastąpiona atomem azotu. W przeciwieństwie do pirolu atom azotu w obojętnej cząsteczce pirydyny tworzy dwa wiązania s i jedno wiązanie p, tj. wnosi jeden elektron do sekstetu aromatycznego. Samotna para elektronów atomu azotu nie może wejść w koniugację, ponieważ oś jej orbitalu jest zorientowana w przestrzeni prostopadle do osi orbitali p-elektronów atomów węgla. Ten typ atomu nazywa się „pirydyną”. Będąc w składzie pierścienia, atom azotu typu pirydyny nie może być dawcą, jest akceptorem p-elektronów, ponieważ azot jest bardziej elektroujemny niż węgiel. Ilustrują to kanoniczne struktury pirydyny:

Efekty indukcyjne i mezomeryczne atomu azotu w pirydynie działają w tym samym kierunku (-I - i - M), przesuwając gęstość elektronów w kierunku atomu azotu. Z tego powodu na atomach węgla indukowany jest częściowy ładunek dodatni, a gęstość elektronowa w jądrze jest obniżona. Dlatego pirydyna jest klasyfikowana jako aromatyczny heterocykl z niedoborem p. Największy ładunek dodatni jest skoncentrowany w pozycjach a i g. Widać tu analogię do struktury elektronowej nitrobenzenu, który ma częściowe ładunki dodatnie w orto- oraz para-zaprowiantowanie.

Atomy tlenu i siarki mogą być również typu „pirydyny”. Obecność takiego atomu w pierścieniu determinuje istnienie kationowych izoelektronicznych analogów soli benzeno-piryliowych i tiopiryliowych. Dodatnio naładowane atomy tlenu i siarki, a także pirydynowy atom azotu, wnoszą jeden elektron do układu p pierścienia hetero i mają niedzielone pary elektronowe, które nie uczestniczą w sprzężeniu z układem p-elektronowym pierścienia. Ze względu na to, że właściwości elektroakceptorowe atomu o całkowitym ładunku dodatnim są większe niż w przypadku obojętnego, sole piryliowe i tiopiryliowe są znacznie bardziej ubogie w p niż pirydyna obojętna elektrycznie.

Sześcioczłonowe heterocykle z kilkoma heteroatomami mają również większy niedobór p niż pirydyna. Jest to szczególnie zauważalne, gdy atomy azotu znajdują się w pozycji b względem siebie, na przykład w pirymidynie i sim-triazyna. Powodem jest to, że w tych przypadkach każdy heteroatom, niezależnie od drugiego, indukuje ładunek dodatni na tych samych atomach węgla, jak w przypadku orientacji skoordynowanej, na przykład w meta _dinitrobenzen.

pięcioczłonowy heterocykliczny związek organiczny

Z powyższego jest oczywiste, że pirydyna, di- i triazyny, a zwłaszcza sole piryliowe, powinny łatwo reagować z odczynnikami nukleofilowymi i być pasywne w stosunku do elektrofili.

5. Azole

W cząsteczkach diazoli (pirazolu i imidazolu) występują heteroatomy zarówno typu „pirolu” jak i „pirydyny”, a więc związki tego typu, w ramach koncepcji heterocykli p-nadmiernych (pirol) i p-niedoboru (pirydyna), nazywane są p-amfoterycznymi. Wśród polarnych struktur granicznych opisujących stan cząsteczek imidazolu i pirazolu znajdują się struktury z ładunkami dodatnimi i ujemnymi na atomach węgla.

W rzeczywistości zachowanie chemiczne azoli ilustruje ich amfoteryczność - są one zdolne do reagowania zarówno z elektrofilami, jak i nukleofilami.

6. Pirola

Zasadowość

Samotna para elektronów azotu pirolowego jest w dużej mierze zaangażowana w cykliczną p-koniugację, jest niedostępna, a zatem pirol wykazuje bardzo niską zasadowość (pKa sprzężonego kwasu = - 3,8). Z obliczeń wynika, że ​​spośród możliwych kationów piroliowych najkorzystniejszy termodynamicznie jest kation stabilizowany rezonansowo. I- wynik protonowania atomu węgla w pozycjach a. N-kation III najmniej stabilny, ponieważ po pierwsze, ładunek w nim jest skoncentrowany na jednym atomie, a po drugie, aromatyczny układ koniugacji jest zepsuty: w rzeczywistości jest to dien. Kation II zajmuje pozycję pośrednią.

Jednak w środowisku kwaśnym możliwa jest protonacja wszystkich atomów jądra. Sole krystaliczne odpowiadające kationom typu I, można wyizolować przepuszczając suchy HCl przez roztwory polialkilopiroli w obojętnych rozpuszczalnikach. Dowód tworzenia kationów III jest łatwą wymianą deuteru protonu przy atomie azotu pirolu w środowisku kwaśnym. Chociaż kation III najmniej stabilny, tworzy się i niszczy szybciej niż kationy I oraz II, więc proton NH pirolu deuteruje szybciej niż protony CH. Zjawisko to nazywa się zasadowością kinetyczną. Kinetyczna zasadowość azotu jest zawsze wyższa niż węgla. C-kation II odpowiada za polimeryzację pirolu w środowisku kwaśnym, kiedy powstaje polimer o zmiennej budowie „pirolowo-czerwony”. Mechanizm pierwszych etapów tej reakcji potwierdza struktura wyizolowanego trimeru.

Tendencja piroli do polimeryzacji pod wpływem kwasów nakłada poważne ograniczenia na udział piroli w reakcjach z elektrofilami, ponieważ te przemiany często zachodzą w środowisku kwaśnym.

Reakcje na atomie azotu

Kwasowość pirolu (pKa 17,0) jest zbliżona do kwasowości etanolu (pKa 15,9), a silne zasady są w stanie przekształcić go w jon pirylowy, który jest heteroanalogiem cyklopentadienylu w wysokim nadmiarze. Sole sodowe i potasowe pirolu otrzymane przez działanie amidów metali lub metali alkalicznych łatwo oddziałują z elektrofilami - są alkilowane i acylowane na atomie azotu, natomiast mieszane halogenki N-pirylomagnezowe (wiązanie N-Mg jest mniej jonowe niż N- Na) reagują głównie w pozycji a jądra .

Kinetyczny produkt acylowania, N-acylopirol, pod nieobecność katalizatora, przegrupowuje się podczas ogrzewania do bardziej stabilnego produktu termodynamicznego, 2-acetylopirolu.

Reakcje na atomach węgla

W środowisku obojętnym i kwaśnym pirole prawie nigdy nie reagują z elektrofilami przy atomie azotu. Atak elektrofilowy skierowany jest głównie na a_pozycje jądra. Tłumaczy się to tym, że utworzone w tym przypadku s-kompleksy typu I, podobnie jak w przypadku protonowania, są najbardziej stabilne spośród wszystkich możliwych.

Nitrowanie

Mieszanina nitrująca powoduje szybki rozkład pirolu, dlatego do nitrowania stosuje się specjalne odczynniki: azotan acetylu przygotowany wcześniej z 70% HNO 3 i bezwodnika octowego lub krystaliczny tetrafluoroboran azotonu w rozpuszczalnikach niewodnych. W drugim przypadku (odczynnik bardziej miękki) wydajności są wyższe. Stosunek izomerów a i b wynosi około 4:1.

Sulfonacja

Sulfonowanie pirolu ze względu na jego charakter kwasofobowy z oleum jest niemożliwe; jednakże kwas pirolo-2-sulfonowy tworzy się z dobrą wydajnością stosując kompleks SO3 z pirydyną, który jest nazywany tritlenkiem pirydynosulfonowym.

Acylacja

Acylowanie piroli na atomach węgla, w przeciwieństwie do benzenu, nie wymaga stosowania katalizatorów zwykle stosowanych w reakcji Friedela-Craftsa. Pirol jest tak aktywny, że po podgrzaniu reaguje z bezwodnikiem octowym i można łatwo otrzymać zarówno 2-acylo-, jak i 2,5-diacylopirole.

Alkilowanie pirolu według Friedla-Craftsa jest rzadko stosowane do celów syntetycznych, ponieważ w tym przypadku szybko tworzą się pochodne polialkilowe.

Halogenacja

Oddziaływanie piroli z halogenami cząsteczkowymi prowadzi z reguły do ​​zastąpienia wszystkich atomów wodoru na wolnych atomach węgla, jednocześnie chlorek sulfurylu, po schłodzeniu, monochloryn pirolu w pozycji a.

Monohalopirole, w przeciwieństwie do związków wielopodstawionych, są nietrwałe. Halogenowanie piroli przebiega tak aktywnie, że często towarzyszy mu eliminacja podstawników, na przykład grupy karboksylowej. Z kolei atom halogenu, najczęściej jodu, jest łatwo usuwany podczas uwodorniania. Umożliwia to uzyskanie niepodstawionej pozycji w jądrze w przypadku, gdy podstawiony pirol okazuje się bardziej dostępny jako związek wyjściowy, na przykład:

Reakcje pirolu ze słabymi elektrofilami

Pirol, który ma wysoką nukleofilowość, łatwo reaguje z tak słabymi elektrofilami, z którymi benzen nie reaguje nawet w trudnych warunkach. Na przykład pirol znacznie łatwiej niż nawet fenole wchodzi w reakcję karboksylacji Kolbego - wystarczy ogrzewanie węglanem amonu.

Pirol, podobnie jak fenol, powstaje w warunkach reakcji Reimera-Tiemanna, gdy dichlorokarben działa jako odczynnik aktywny. Oddziaływanie to komplikuje jednak równoległy proces – pierścień ulega wydłużeniu w wyniku wprowadzenia dichlorokarbenu do jednego z wiązań p rdzenia pirolu, co prowadzi do powstania 3-chloropirydyny. Wyjaśnieniem tego jest to, że pochodna cyklopropanu powstaje pośrednio i jest stabilizowana dwoma alternatywnymi sposobami. Stosunek produktów zależy od warunków reakcji.

W lekko kwaśnym środowisku pirol jest stosunkowo stabilny, co pozwala na wprowadzenie go np. do reakcji sprzęgania azowego, co po raz kolejny potwierdza jego wysoki p_nadmiar. Jeśli pirol zostanie wprowadzony w interakcję z solą diazoniową w słabo zasadowym środowisku (reaguje jon pirylowy), to 2,5- bis(fenyloazo)pirol.

Pirol jest zdolny do kondensacji ze związkami karbonylowymi w swojej pozycji a, przy czym wynik reakcji zależy od charakteru aldehydu lub ketonu. Jeżeli reakcja z formaldehydem i aldehydami alifatycznymi w środowisku kwaśnym daje głównie polimery, to po kondensacji z acetonem głównym produktem jest metylowany porfirynogen. Wzajemne odpychanie w przestrzeni grup metylowych przyczynia się do planaryzacji związku pośredniego - trimeru, dlatego w kolejnym etapie łatwiej tworzy się tetramer cykliczny niż liniowy.

Gdy pirole oddziałują z aldehydami aromatycznymi, według podobnego mechanizmu powstają porfirynogeny, które jednak ulegają samorzutnemu utlenianiu przez tlen atmosferyczny do związków aromatycznych. meso-tetraaryloporfiryny.

W przypadku kondensacji pirolu z para-dimetyloaminobenzaldehyd w lekko kwaśnym środowisku można wyizolować pierwotny produkt kondensacji, czerwono-fioletowy kation arylidenopiroleniowy (reakcja barwna Ehrlicha).

Aby otrzymać niepodstawiony porfirynogen i porfirynę, wskazane jest najpierw przekształcenie pirolu w wolną zasadę Mannicha, a dopiero potem kondensację. Porfirynogen pod wpływem większości środków utleniających, na przykład po podgrzaniu w chloroformie z chloranilem, przekształca się w niepodstawioną porfirynę - porfinę.

7. Indol

Indol to skondensowany układ dwujądrowy składający się z jądra pirolu i benzenu. Systematyczna nazwa indolu to benzo[ b] pirol. Właściwości chemiczne pirolu i indolu są w dużej mierze podobne, ale istnieją różnice.

Podobnie jak pirol, indol ma kwasowość NH (pK a "17), jego anion N, generowany przez silne zasady (EtONa, t-BuOK itp.), wykazuje aktywność zbliżoną do jonu pirylowego: sole sodowe i potasowe są alkilowane i acylowane przy azocie, podczas gdy mieszane N-pochodne halogenku magnezu są alkilowane przy atomie C (3), tj. w pozycji b, ale nie przy atomie węgla a, jak to ma miejsce w pirolu.

Tę drugą okoliczność tłumaczy się tym, że w anionie, podobnie jak w obojętnej cząsteczce indolu, ładunek ujemny jest w większym stopniu skoncentrowany na atomie węgla w pozycji 3 niż na atomie C(2). Łatwo to zauważyć w zestawie struktur rezonansowych opisujących anion indolowy:

Jest oczywiste, że przeniesienie ładunku na atom 2 jest niekorzystne (struktura IV), ponieważ zakłóca aromatyczność pierścienia benzenowego, podczas gdy struktury I i II zawierają aromatyczny pierścień benzenowy.

Obecność podstawników odciągających elektrony w pozycji 3 znacznie zwiększa kwasowość, a alkilację można przeprowadzić w obecności znacznie słabszych zasad.

Indol jest bardzo aktywny w reakcjach z różnymi elektrofilami, a podstawienie jest również zorientowane na pozycję 3, ale nie na atom węgla a, jak ma to miejsce w przypadku pirolu. Struktury rezonansowe dla s-kompleksów indolu z atomami węgla a i b prowadzą do tych samych wniosków, co powyższy schemat dla anionów N: s-kompleks powstały w wyniku dodania elektrofila do atomu 3 jest korzystniejszy.

Nitrowanie

Indole, które nie mają podstawników w pozycjach 2 i 3, podobnie jak pirol, polimeryzują pod wpływem silnych kwasów, dlatego nitrowanie takich związków prowadzi się słabymi odczynnikami nitrującymi - azotanem etylu w obecności metanolanu sodu (anion indolowy reaguje) lub azotan benzoilu w środowisku obojętnym

2-Metyloindol jest bardziej stabilny w środowisku kwaśnym niż indol, dzięki czemu jest z powodzeniem nitrowany w ciężkich warunkach przez działanie kwasu azotowego. Do cząsteczki można wprowadzić do trzech grup nitrowych, ale do syntezy czystej pochodnej mononitrowej należy stosować azotany acylu.

Reakcja 2-metyloindolu z mieszaniną nitrującą przebiega w ciekawy sposób: z uwagi na to, że związek jest całkowicie protonowany, reakcja na pierścieniu heterocyklicznym w ogóle nie zachodzi, a pośredni addukt kowalencyjny z kwasem siarkowym pozycja 5 jądra benzenu sprzężonego z atomem azotu.

Sulfonacja

Sulfonowanie indolu, podobnie jak pirolu, prowadzi się przez działanie niekwasowego odczynnika pirydynosulfotritlenku. Jeśli w pozycji 3 znajduje się podstawnik, na przykład grupa metylowa, reakcja jest zorientowana na pozycję 2.

Halogenacja

Halogenowanie indoli przebiega bardzo łatwo w pozycji 3, jednak powstałe halogenoindole nie są odporne na kwasy, dlatego w celu skutecznego halogenowania w trakcie reakcji stosuje się odczynniki, z którymi HHal nie jest uwalniany, jeśli to możliwe: N-bromosukcynoimid ( NBS), SO2Cl2, KI3, nadbromek pirydyniowy.

Jeżeli przy atomie C w pozycji 3 znajduje się podstawnik, to początkowo przy tym atomie tworzy się kationowy addukt z halogenem, który następnie ulega przekształceniu w wyniku ataku nukleofilowego rozpuszczalnikiem, co prowadzi do 2-hydroksyindoli lub ich pochodne.

Oprócz przekształceń wymienionych powyżej, indole mogą ulegać elektrofilowemu acylowaniu, formylowaniu Vilsmeiera, sprzęganiu azowemu i kondensacji ze związkami karbonylowymi. Wszystkie reakcje przebiegają w łagodnych warunkach i są zorientowane na pozycję 3.

Grupa podstawnikowa w pozycji 3 z reguły nie zapobiega atakowi elektrofilowemu w tej pozycji i transformacja jest zakończona przez podstawienie tej grupy elektrofilami ( ipso- substytucja).

Wyjątkiem są sole diazoniowe, które nie wchodzą w tę reakcję.

8. Furan

Spośród trzech rozważanych pięcioczłonowych heterocykli furan jest najmniej aromatyczny, a jego dienowy charakter przejawia się zauważalnie w wielu reakcjach.

Znane są reakcje elektrofilowego podstawienia aromatycznego furanu, ale wymagają one specjalnych odczynników, ponieważ pod wpływem kwasów protonowych pierścień furanowy ulega zniszczeniu znacznie łatwiej niż pirol, a tym bardziej indol.

Ogólnie rzecz biorąc, furan w tych reakcjach jest znacząco podobny do pirolu - jest bardzo aktywny i reaguje głównie z pozycjami a.

Sulfonacja

Sulfonowanie furanu, takiego jak pirol, można przeprowadzić za pomocą tritlenku pirydynosulfonylu w rozpuszczalniku organicznym. W wyniku reakcji powstaje niewielka domieszka kwasu furano-2,5-disulfonowego.

Wyodrębnianie kwasu furano-2-sulfonowego prowadzi się przez zniszczenie powstałego 2-furylosulfonianu pirydyniowego węglanem baru i otrzymuje się nierozpuszczalną sól baru.

Nitrowanie

Podobnie jak pirol, furan nie może być wystawiony na działanie mieszaniny nitrującej, ale można zastosować azotan acetylu w pirydynie. Reakcja przebiega wolniej niż w przypadku pirolu, a produkt kowalencyjny dodania odczynnika do pozycji 2 i 5 powstaje pośrednio.

Furany z podstawnikami odciągającymi elektrony są mniej kwasofobowe, więc są nitrowane i sulfonowane zwykłymi odczynnikami.

Halogenacja

Oddziaływanie furanu z halogenami (bromem, a zwłaszcza chlorem) przebiega gwałtownie i prowadzi do powstania pochodnych polihalogenowych. Monohalofurany można otrzymać tylko w łagodnych warunkach, na przykład przez działanie dibromku dioksanu. Istnieją spory dotyczące mechanizmu reakcji halogenowania furanu: możliwe, że przebiegają one jako dodanie cząsteczki halogenu do pozycji 2 i 5, a następnie eliminacja cząsteczki halogenowodoru.

Działanie bromu na furan w roztworze metanolowym, w wyniku którego powstaje 2,5-dimetoksy-2,5-dihydrofuran, jest uważane za potwierdzenie mechanizmu addycji-eliminacji.

O pośrednim powstawaniu adduktów świadczy również przykład reakcji bromowania 2,5-dibromofuranu.

Formylacja

Formylowanie furanu według Vilsmeiera przebiega równie gładko jak w przypadku pirolu, natomiast acylowanie wymaga obowiązkowego dodatku katalizatora Friedel-Craftsa.

Reakcja Dielsa-Aldera

Istnieją przemiany, w których manifestuje się dienowy charakter furanu. Najbardziej charakterystyczną przemianą jest reakcja syntezy dienów (Diels-Alder). Sam furan i wiele jego pochodnych łatwo reaguje z bezwodnikiem maleinowym, dehydrobenzenem i innymi dienofilami.

9. Tiofen

Spośród rozważanych heterocykli tiofen jest najbardziej aromatyczny i pod wieloma względami przypomina benzen w swoich właściwościach. Pochodne tiofenu towarzyszą pochodnym benzenu w produktach smoły węglowej i są do nich bardzo podobne, często nawet mają podobny zapach.

Tiofen jest znacznie bardziej odporny na kwasy niż pirol i furan, dzięki czemu może być wprowadzany do różnych reakcji podstawienia elektrofilowego. które są zorientowane na pozycję a.

Po podgrzaniu z 100% H 3 PO 4 trimeryzuje tiofen, reakcja rozpoczyna się od utworzenia a-protonowanego kationu, który jest atakowany przez obojętną cząsteczkę tiofenu.

Sulfonacja

Tiofen reaguje z elektrofilami w zwykłym mechanizmie aromatycznego elektrofilowego podstawienia. Może być sulfonowany kwasem siarkowym w temperaturze pokojowej, który służy do izolowania tiofenu z benzenu węglowego w przemyśle.

Nitrowanie

Do monoazotowania tiofenu w pozycji a najlepiej zastosować fluorek boru nitronu: azotan acetylu daje do 20% zanieczyszczeń 3-nitrotiofenu, natomiast kwas azotowy reaguje zbyt gwałtownie, czasami wybuchem. Po pojawieniu się w jądrze jednej grupy nitrowej aktywność spada tak bardzo, że dalsze nitrowanie wymaga użycia dymiącego HNO 3 .

Halogenacja

Tiofen jest łatwo bromowany i jodowany (w przeciwieństwie do furanu) w pozycji a. W wyniku działania chloru powstaje mieszanina produktów.

Acylacja

Tiofen acyluje się według Friedel-Craftsa tylko w obecności kwasów Lewisa, a reakcji towarzyszy częściowa żywicyfikacja z powodu samokondensacji powstałych ketonów.

Reakcja Vilsmeiera przebiega z dobrą wydajnością, ale w wysokiej temperaturze. Pośrednią sól iminiową można wyodrębnić.

Kondensacja ze związkami karbonylowymi

Podobnie jak pirol i furan, tiofen aktywnie kondensuje ze związkami karbonylowymi, ale rzadko można zatrzymać reakcję na etapie pierwotnego karbinolu, często otrzymuje się di-, tri- i polimery.

W przeciwieństwie do furanu, który rozkłada się w tych warunkach, tiofen może zostać przekształcony w bis-pochodna chlorometylowa poprzez działanie dużego nadmiaru formaliny i HCl.

Na uwagę zasługuje barwna „reakcja indofeninowa” tiofenu z izatyną w obecności kwasu siarkowego, ważna z historycznego punktu widzenia.

Intensywnie niebieska indofenina była powodem odkrycia tiofenu. Do 1882 r. uważano, że reakcja indofeninowa jest charakterystyczna dla węglowodorów aromatycznych, ponieważ stosowany wówczas benzen węglowy zawierał zawsze domieszkę tiofenu. Jednak raz to piękne doświadczenie zawiodło na wykładzie V. Meyera, ponieważ używał wówczas syntetycznego, nie węglowego, benzenu. Stało się jasne, że reakcja barwna dała zanieczyszczenie, które później zostało wyizolowane i zidentyfikowane jako nowy związek - tiofen.

Rozszerzenie pętli

W przypadku podstawionych tiofenów znana jest reakcja rozszerzania pierścienia, która nie jest charakterystyczna dla pirolu i furanu; mechanizm tej transformacji nie jest znany. Co ciekawe, w rezultacie obserwuje się dość rzadkie zjawisko - przemianę związku aromatycznego w antyaromatyczny.

Reakcje na atomie siarki

Tiofen wchodzi w specyficzne reakcje na atomie siarki: alkilację i utlenianie nadkwasami.

Podczas gdy sole S-alkilotiofenu są trwałe i sądząc po ich właściwościach spektralnych i chemicznych, związki aromatyczne, ditlenki S,S-tiofenu nie są aromatyczne i można je otrzymać tylko dla a,a-dipodstawionych substratów. Związki te reagują z dienofilami.

10. Wzajemna konwersja pięcioczłonowych heterocykli

W trudnych warunkach pirol, furan i tiofen mogą otwierać się pod wpływem nukleofilów, dlatego w obecności odpowiedniego odczynnika są w stanie przekształcić się w siebie, które można łączyć w schemacie:

Reakcja ta nosi imię Juriewa, przebiega w temperaturze 350°C w obecności katalizatora Al 2 O 3 .

11. Pirydyna

Przemiany przez atom azotu

Pirydyna jest średnio mocną zasadą o pKa = 5,2 mierzonym w wodzie (zasadowość amin alifatycznych waha się od pKa 9-11). Pirydyna tworzy krystaliczne sole z większością kwasów protonowych i jest często stosowana jako zasadowy katalizator lub rozpuszczalnik, aby pomóc wiązać kwasy uwalniane podczas określonej reakcji chemicznej.

Jako nukleofil, pirydyna reaguje z halogenkami alkilu i innymi odczynnikami alkilującymi poprzez mechanizm S N 2 lub S N 1, w zależności od charakteru substratu.

Sole N_alkilopirydyniowe są związkami aromatycznymi, ponieważ samotna para elektronów użyta do utworzenia nowego wiązania nie uczestniczy w aromatycznej koniugacji. Te stabilne substancje mają tendencję do reagowania z nukleofilami ze względu na ich wysoki niedobór p. Na przykład hydroksylacja nukleofilowa pod działaniem wodorotlenku potasu daje a-pirydony.

Gdy pirydyny reagują z halogenkami acylu, tworzą się sole N-acylowe. Związki te nie są bardzo stabilne i łatwo ulegają hydrolizie zwrotnej.

Właśnie ze względu na ich niską stabilność sole acylopirydyniowe są ważne dla chemii syntetycznej jako łagodne środki acylujące. Odnotowujemy na przykład O-acylację ketoenoli - reakcję przebiegającą według nietypowego mechanizmu z tworzeniem pośrednim adduktu w pozycji a heterocyklu.

Gdy pirydynę i jej pochodne traktuje się nadkwasami, powstają N-tlenki pirydyny, których właściwości zostaną omówione osobno.

Reakcje na atomach węgla

Interakcja z elektrofilami

Jak pokazano powyżej, pirydyna jest związkiem z niedoborem p, dlatego oddziaływanie z elektrofilami nie jest dla niej typowe, zwłaszcza że reakcje elektrofilowe zachodzą w środowisku kwaśnym, gdzie jon pirydyniowy, który ma jeszcze większy niedobór p, wchodzi w interakcję z elektrofil. Reakcje te są znacznie trudniejsze niż w benzenie. Pirydynę atakują tylko najsilniejsze elektrofile i to w bardzo trudnych warunkach. Podstawienie elektrofilowe w jest zorientowane na pozycję 3, która przypomina orientację reakcji SE2 w nitrobenzenie. Orientację tę łatwo wytłumaczyć porównawczą stabilnością struktur babci opisujących kationowe s_kompleksy wynikające z dodania elektrofila do g-, b- i a-pozycji pierścienia pirydynowego. Oczywiście tylko s-kompleks II nie zawiera wkładu struktury z dodatnio naładowanym atomem azotu.

Jak już wspomniano, najpierw następuje atak elektrofila lub protonu na azot, który dodatkowo pasywuje substrat, przekształcając go w kation. Jeśli zapobiega się tworzeniu kompleksu przy heteroatomie, reakcja atomów jądra z elektrofilami przebiega łatwiej.

Nitrowanie

Nitrowanie samej pirydyny, zwłaszcza mieszaniną nitrującą, gdy heterocykl jest całkowicie sprotonowany, jest niezwykle trudne i nie ma praktycznego znaczenia.

2,6-dimetylo- i 2,4,6-trimetylopirydyny, aminopirydyny i pirydony są znacznie aktywniej nitrowane w postaci kationów.

2,6-dihalogenowe pochodne pirydyny, które jako zasady są słabsze od pirydyny, reagują łatwiej, ponieważ atom azotu pirydyny jest protonowany w mniejszym stopniu - stężenie wolnej zasady jest większe. Nitrowanie jest łatwiejsze, gdy stosuje się aprotonowy środek nitrujący, na przykład:

Sulfonacja

Siarkowanie pirydyny kwasem siarkowym przebiega nieco łatwiej niż nitrowanie, ale jest również możliwe tylko w trudnych warunkach. W jeszcze wyższych temperaturach możliwe jest przegrupowanie do kwasu 4-sulfonowego.

Ciekawy produkt można uzyskać przez sulfonowanie 2,6_di_ tert butylopirydyna. Właściwie sulfonowanie przebiega łatwo, tk. duże podstawniki zapobiegają kompleksowaniu SO3 przy atomie azotu. Powstały 2,6_di_ tert Kwas _butylopirydyno-3-sulfonowy po podgrzaniu zamienia się w cykliczny sulfon z powodu jednej z grup metylowych tert podstawnik -butylowy.

Halogenacja

Pirydyny mogą być halogenowane. Nie jest możliwe wprowadzenie atomu jodu z zadowalającą wydajnością, jednak brom i chloropirymidyny syntetyzuje się bardzo prosto.

N-tlenki pirydyny są bardziej aktywne w reakcjach z elektrofilami niż sama pirydyna. Istnieją dwa rodzaje podstawienia elektrofilowego w N-tlenkach: pierwsza opcja (bez dodatku nukleofila) prowadzi głównie do N-tlenków 4-podstawionych pirydyn. Ta pozornie dziwna okoliczność wiąże się z niezwykłą elektronową naturą funkcji N-tlenku, która może jednocześnie działać nie tylko jako akceptor, ale także jako donor elektronów. Ilustruje to poniższy diagram.

Dlatego N-tlenek dowolnej podstawionej pirydyny mającej wolną pozycję 4 można z dobrą wydajnością nitrować dymiącym HNO3.

Innym podejściem do zastosowania N-tlenków jest prowadzenie reakcji w obecności słabych nukleofili, które mogą być częścią odczynnika, na przykład azotanu acetylu. W tym przypadku N-tlenek przekształca się w niearomatyczny addukt, który jest atakowany przez elektrofil. Można powiedzieć, że pirydynowy atom azotu tymczasowo staje się dawcą elektronów. Reakcja pozwala na otrzymanie z dobrymi wydajnościami 3-nitro- i 3,5-dinitropirydyn.

Podobnie inna grupa nitrowa wchodzi na pozycję 5

Substytucja nukleofilowa

Typowe przekształcenia pirydyny to reakcje podstawienia nukleofilowego. Reakcja aminowania pirydyny po podgrzaniu amidem sodu (reakcja Chichibabin) prowadzi do powstania α-aminopirydyny.

Reakcja zastąpienia atomu wodoru w pirydynie grupą aminową przez działanie amidu sodu jest zawsze zorientowana na pozycję 2. Transformacja ma złożony mechanizm: podczas reakcji uwalniany jest wodór cząsteczkowy, co sugeruje pośrednie tworzenie się wodorku sodu. Ten fakt, jak również brak produktów podstawienia wodoru w pozycji 4, tłumaczy się wstępną koordynacją atomu sodu z atomem azotu pirydyny.

Traktowanie pirydyn świeżo stopionym wodorotlenkiem potasu prowadzi do hydroksylacji do a-pirydonów, które są bardziej stabilną formą istnienia a- i g-hydroksypirydyn.

Reakcje substytucji nukleofilowej atomu fluorowca w pirydynie przebiegają według tych samych dwóch alternatywnych mechanizmów, jak w przypadku halogenarenów - addycja-eliminacja (AE) i eliminacja-addycja (EA). Reakcja AE (dodanie nukleofila w celu utworzenia s-kompleksu i eliminacja grupy opuszczającej) przebiega głównie przy atomach 2, 4 i 6, w których koncentruje się maksymalny ładunek dodatni. Ponadto atom azotu bierze udział w delokalizacji ładunku ujemnego odpowiednich s-kompleksów, podobnie jak grupa nitrowa w przypadku nitrochlorobenzenów. Łatwo zauważyć, że najbardziej stabilne są anionowe kompleksy s I oraz III.

Różnorodne podstawniki można wprowadzić do cząsteczki pirydyny przy użyciu reakcji typu nukleofilowego AE. Oto kilka przykładów:

N-tlenki pirydyny i sole N-alkilopirydyniowe wchodzą w te same reakcje łatwiej niż sama pirydyna. Szczególnie interesujące są N-tlenki α-halopirydyn, które pod wpływem działania pewnych nukleofilów są natychmiast przekształcane w skondensowane dwupierścieniowe heterocykle, których tworzenie przebiega przy udziale grupy N-tlenkowej.

Jeśli halogen znajduje się w pozycji 3, to reakcja pirydyn z nukleofilami często przebiega zgodnie z mechanizmem EA poprzez pośrednie tworzenie heteroanalogu dehydrobenzen - hetaryna.

Reakcje wolnorodnikowe

Pod wpływem atomowego chloru i (wysokich temperatur) bromu na pirydynę następuje halogenowanie wolnorodnikowe, które w przeciwieństwie do elektrofilowego jest zorientowane w pozycjach 2 i 6.

Dla celów preparatywnych ważne są reakcje pirydyny z rodnikami nukleofilowymi (reakcja Minishi). Źródłem rodników są różne związki organiczne w obecności nadtlenków i soli żelaza (II), którego kation służy jako nośnik elektronów.

Mechanizm reakcji obejmuje etapy rozkładu homolitycznego nadtlenku, konwersję odczynnika do wolnego rodnika i jego dodanie do pirydyny, a następnie aromatyzację.

W ten sposób grupę hydroksymetylową, dialkiloamid i inne grupy funkcyjne można wprowadzić w pozycje 2 i 4 pirydyny i chinoliny.

Literatura

1. Artemenko A.I., Tikunova I.V., Anufriev E.K. Warsztaty z chemii organicznej. - M.: Szkoła Wyższa, lata 2007-187.

2. Berezin B.D., Berezin D.B. Kurs współczesnej chemii organicznej. Podręcznik dla uczelni. - M.: Szkoła Wyższa, 2001r. - 768s.

3. Glinka N.L. Chemia ogólna / Pod redakcją V.A. Rabinowicz. - L .: Chemia, 1986. - 704 s.

4. Gradberg I.I. Praca praktyczna i seminaria z chemii organicznej. - M.: Drop, 2011. - 352 s.

5. Zbiór problemów chemii organicznej. Podręcznik / Pod redakcją A.E. Agronomowa. - M .: Wydawnictwo Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, 2010. - 160s.

Podobne dokumenty

Klasyfikacja związków heterocyklicznych z pięcioczłonowymi pierścieniami; ich istnienie w naturze. Badanie metod syntezy jednojądrzastych nasyconych i skondensowanych pięcioczłonowych heterocykli z jednym i dwoma heteroatomami. Opis przygotowania indazolu.

praca semestralna, dodano 24.02.2015 r.


streszczenie, dodane 21.02.2009


Pojęcie związków heterocyklicznych, ich istota i cechy, podstawowe właściwości chemiczne i wzór ogólny. Klasyfikacja związków heterocyklicznych, odmiany, cechy charakterystyczne i metody otrzymywania. Reakcje podstawienia elektrofilowego.

streszczenie, dodane 21.02.2009


Opis ogólnej budowy, właściwości i funkcji związków heterocyklicznych oraz ich wpływu na organizm człowieka na przykładzie alkaloidów. Charakterystyka porównawcza przedstawicieli grupy alkaloidów, ich biosynteza, zastosowanie i dystrybucja w przyrodzie.

prezentacja, dodano 22.09.2016


Synteza i właściwości makroheterocykli zawierających N,S,O na bazie amin pierwszorzędowych i aromatycznych z udziałem katalizatorów zawierających Sm. Związki heterocykliczne, ich zastosowanie. Metody identyfikacji związków organicznych metodą NMR i spektroskopii masowej.

praca dyplomowa, dodana 22.12.2014


Charakterystyka związków heterocyklicznych, ich znaczenie biologiczne, rozmieszczenie w przyrodzie, udział w budowie aminokwasów i klasyfikacja. Budowa klejnotu krwi i chlorofilu. Struktura furanu, furfuralu, imidazolu, tiazolu, piranu, pirydyny.

streszczenie, dodane 22.06.2010


Istota związków heterocyklicznych o zamkniętym łańcuchu zawierających oprócz atomów węgla atomy innych pierwiastków. Reaktywność, nukleofilowość, elektrofilowość. Reaktywność podstawników i łańcuchów bocznych. Produkcja i aplikacja.

streszczenie, dodane 27.09.2011


Pojęcie i istota związków. Opis i charakterystyka aromatycznych związków heterocyklicznych. Otrzymywanie i tworzenie związków. Reakcje na atomowy azot, uwaga elektrofilowa i podstawienie nukleinowe. Utlenianie i redukcja. Chinolina.

wykład, dodany 02.03.2009


Wiązanie chemiczne w cząsteczkach organicznych. Klasyfikacja reakcji chemicznych. Kwasowe i zasadowe właściwości związków organicznych. Pochodne heterofunkcyjne szeregu benzenowego. Węglowodany, kwasy nukleinowe, lipidy. związki heterocykliczne.

samouczek, dodany 29.11.2011


związki heterocykliczne. aromatyczne heterocykle. Niektóre kryteria aromatyczności w heterocyklach. Układy monocykliczne podlegające regule Hückela. Reaktywność związków heteroaromatycznych. Główne cechy chemii pirydyn.

MI. Antonova, A.S. Berland

Chemia BIO-ORGANICZNA

ZWIĄZKI HETEROCYKLOWE

Moskwa 2010

Państwowa instytucja edukacyjna wyższej edukacji zawodowej

„Moskiewski Państwowy Uniwersytet Medycyny i Stomatologii” Federalna Agencja ds. Zdrowia i Rozwoju Społecznego Federacji Rosyjskiej

Katedra Chemii Ogólnej i Bioorganicznej

MI. Antonova, A.S. Berland

Chemia BIO-ORGANICZNA

ZWIĄZKI HETEROCYKLOWE

Samouczek z chemii bioorganicznej

za samodzielną pracę studentów

wydziały stomatologiczne uczelni medycznych

Rekomendowany przez Stowarzyszenie Edukacyjno-Metodologiczne Edukacji Medycznej i Farmaceutycznej Rosyjskich Uniwersytetów jako pomoc dydaktyczna dla studentów studiujących w specjalności 060105 (040400) - „Stomatologia”

Moskwa 2010

BBC 24,1 i 73

UKD 546 (075.8)

Recenzenci:

głowa Katedra Chemii Organicznej MMA im. IV. Sieczenow, d.h. n., profesor N.A. Tiukawkina,

głowa Zakład Farmakologii MGMSU,

Doktor nauk medycznych, profesor A.G. Mulyar

MI. Antonova, A.S. Berland. Chemia bioorganiczna cz. VI. Instruktaż. M., MGMSU, 2010, 63s.

Pod redakcją prof. A.S. Berland

Ta pomoc dydaktyczna poświęcona jest związkom złączonym pod ogólną nazwą „związki heterocykliczne”. Podręcznik zawiera materiał teoretyczny, przeanalizowany szereg zadań referencyjnych, a także pytania i zadania do samodzielnej pracy uczniów. Podręcznik jest zalecany do wykorzystania przez studentów wydziałów stomatologicznych, medycznych i pediatrycznych uniwersytetów medycznych Federacji Rosyjskiej w celu przygotowania do zajęć z chemii bioorganicznej.

BBC 24,1 i 73

© MGMSU, 2010

© M.I. Antonova, A.S. Berland. 2010.

Związki heterocykliczne

1. Ogólna charakterystyka.

Związki heterocykliczne nazywane są związkami o strukturze cyklicznej, zawierającymi w cyklu nie tylko atomy węgla, ale także atomy innych pierwiastków (heteroatomy).

Najczęstszą grupą związków organicznych są związki heterocykliczne. Wchodzą w skład wielu substancji pochodzenia naturalnego, takich jak kwasy nukleinowe, chlorofil, hem krwi, alkaloidy, penicyliny i wiele witamin. Związki heterocykliczne odgrywają ważną rolę w procesach metabolicznych i mają wysoką aktywność biologiczną. Znaczna część nowoczesnych substancji leczniczych zawiera w swojej strukturze heterocykle.

2. Klasyfikacja i nazewnictwo związków heterocyklicznych.

2.1. Klasyfikacja.

Poniższe cechy służą do klasyfikacji związków heterocyklicznych.

na rozmiar cyklu związki heterocykliczne są najczęściej trój-, cztero-, pięcio-, sześcio- i siedmioczłonowe:

na typ elementu , wchodzących w skład cyklu są to głównie związki zawierające atomy azotu, tlenu lub siarki:

na liczba heteroatomów , wchodzące w skład cyklu najczęściej są to heterocykle z jednym i dwoma heteroatomami, ale znane są również związki z czterema atomami w jednym cyklu:

na charakter i wzajemne ułożenie kilku heteroatomów możliwe są różne kombinacje (na przykład N i S, N i O itp.), a heteroatomy mogą zajmować różne pozycje względem siebie:

na stopnie nasycenia heterocykle mogą być aromatyczne, nienasycone i nasycone:

Najbardziej szczegółowo zbadano chemię aromatycznych heterocykli. Całkowicie lub częściowo nasycone heterocykle, ze względu na specyfikę ich właściwości chemicznych, są z reguły uważane nie za związki heterocykliczne, ale za cykliczne analogi niektórych związków alifatycznych (etery, siarczki, aminy drugorzędowe).

na liczba cykli rozróżnić układy monocykliczne, policykliczne (głównie skondensowane). Liczba cykli i ich rodzaje mogą być bardzo różne:

Związki heterocykliczne nazywane są takimi związkami o strukturze cyklicznej, w których cyklach wraz z atomami węgla występują atomy innych pierwiastków. Te inne atomy nazywane są heteroatomami. Najczęściej takimi heteroatomami są atomy tlenu, siarki i azotu. Heterocykle mogą zawierać jeden, dwa, trzy lub więcej heteroatomów. Jednak zgodnie z teorią napięcia cykli cykle trzy- i czteroczłonowe są niestabilne. Najsilniejsze i dlatego bardziej powszechne są pięcio- i sześcioczłonowe heterocykle.

Klasyfikacja heterocykli odbywa się w zależności od wielkości cyklu. Zgodnie z tym rozróżnia się trzy-, cztero-, pięcio-, sześcioczłonowe heterocykle i heterocykle o dużej liczbie atomów.

Związki heterocykliczne są liczne, bardzo powszechne w przyrodzie i mają duże znaczenie praktyczne. Należą do nich substancje takie jak chlorofil – zielona substancja roślin, hemoglobina – substancja barwiąca krew i wiele innych naturalnych substancji barwiących, witaminy, antybiotyki (penicylina), substancje lecznicze, pestycydy.

Nomenklatura heterocykli

Związki heterocykliczne są nazywane według trywialnej, racjonalnej i systematycznej nomenklatury. Nazwy zwyczajowe są często używane dla dobrze znanych związków heterocyklicznych. Na przykład pirol, pirydyna, furan, indol, puryna itp. W racjonalnej nomenklaturze za podstawę przyjmuje się nazwę pewnego heterocyklu - furany, tiofen, pirol, pirydynę lub inny, i wskazano w nich pozycję podstawników cyframi lub literami alfabetu greckiego. W heterocyklach z jednym heteroatomem numeracja zaczyna się od tego heteroatomu.

Obrazek 1.

Współczesna naukowa nomenklatura układów heterocyklicznych obejmuje wielkość cyklu, jego nienasycenie, liczbę heteroatomów, ich rodzaj i położenie. Nazwa heterocyklu według tej nomenklatury składa się z trzech części:

• korzeń - wskazuje wielkość cyklu,
• przyrostek - wskazuje stopień nienasycenia układu heterocyklicznego
• i przedrostki - wskazują rodzaj heteroatomów i ich liczbę.

Trzyczłonowy pierścień ma rdzeń -ir, czteroczłonowy ma -et, pięcioczłonowy ma -ol, sześcioczłonowy ma -in. Nasycone heterocykle z atomem azotu mają przyrostek -dyna, nasycone heterocykle bez atomu azotu mają przyrostek -an, nasycone układy heterocykliczne mają przyrostek -in.

Charakter heteroatomu jest wskazany przez przedrostki oksa-, tia- i aza-, odpowiednio dla tlenu, siarki i azotu, przedrostki dioksa-, ditia-, diaza- oznaczają odpowiednio dwa atomy tlenu, siarki i azotu . Jeśli w heterocyklu znajdują się dwa lub więcej różnych heteroatomów, są one wymienione w kolejności pierwszeństwa tlenu przed siarką i siarki przed azotem i są ponumerowane w następującej kolejności: $O$, $S$, $N$.

Jeżeli w heterocyklu występuje jeden atom tlenu i jeden atom azotu, stosuje się przedrostek - oksaza-, aw obecności jednego atomu siarki i jednego atomu azotu - tiaza-. Gdy trzeciorzędowy atom azotu i grupa $NH$ znajdują się w pierścieniu w tym samym czasie, liczba 1 oznacza atom azotu grupy $NH$. W tym przypadku numeracja odbywa się w następującej kolejności: $O$, $S$, $NH$, $N$.

Heterocykle, które nie zawierają skrajnych wiązań, z reguły mają podobne właściwości chemiczne i fizyczne do odpowiednich związków cyklicznych.

Aromatyczność heterocykli

Istnieje ogromna grupa heterocykli, które mają sprzężony system wiązań wielokrotnych. Takie heterocykle przypominają benzen i jego pochodne pod względem stabilności i rodzaju reakcji i nazywane są aromatycznymi związkami heterocyklicznymi.

Zgodnie z regułą Hückla układ pierścieniowy ma właściwości aromatyczne, jeśli:

• zawiera 4n + 2$ elektronów uogólniających;
• ma ciągły łańcuch koniugacji;
• jest planarny.

Porównajmy dwa związki - benzen i pirydynę:

Rysunek 2.

Rysunek 3

W cząsteczce benzenu atomy węgla są w stanie hybrydyzacji $sp2$. Czwarty elektron każdego atomu C nie jest hybrydyzowalny. W tym przypadku powstaje sekstet elektronów, uogólniony przez wszystkie atomy cyklu (sektet aromatyczny).

Chmury niezhybrydyzowanych $\pi$-elektronów o kształcie ósemek objętości, nakładających się na siebie, tworzą pojedynczą chmurę $\pi$-elektronów:

Rysunek 4

Podobnie można wytłumaczyć aromatyczny charakter pirydyny. Tylko 5$\pi$-elektrony z atomów węgla i jeden elektron z azotu biorą udział w tworzeniu sekstetu elektronowego w przyrodzie:

Rysunek 5

Atom azotu zachowuje niewspółdzieloną parę elektronów. Ta para elektronów nie jest częścią aromatycznego sekstetu; system planarny; odpowiada regule Hückla: 4n + 2$.

Struktura elektronowa pięcioczłonowych heterocykli

Rozważmy strukturę elektronową pięcioczłonowego heterocyklu - pirolu, utworzonego z czterech atomów węgla i atomu azotu i zawierającego dwa podwójne wiązania:

Rysunek 6

W cząsteczce pirolu powstaje również aromatyczny sekstet dzięki czterem $\pi$-elektronom atomów węgla i dwóm niewspólnym p-elektronom atomu azotu. W ten sposób w jądrze powstaje wspólny układ sekstetu elektronów, który ma właściwości aromatyczne. Pierwsza zasada aromatyczności obowiązuje: mamy 4n + 2 = 4\cdot1 + 2 = 6$ uogólnionych elektronów. Spełniony jest również drugi warunek aromatyczności - zachowany jest ciągły łańcuch koniugacji, który obejmuje niepodzielną parę elektronów atomu azotu. Wszystkie atomy leżą na tej samej płaszczyźnie, układ jest planarny. Tak więc w pięcioczłonowych heterocyklach 6 elektronów jest zdelokalizowanych między 5 atomami tworzącymi ten cykl.

Rysunek 7

Spośród pięcioczłonowych związków heterocyklicznych z jednym heteroatomem najważniejsze są: furan, tiofen i pirol. Dla furanu, tiofenu, pirolu i ich pochodnych typowe są reakcje podstawienia elektrofilowego: nitrowanie, sulfonowanie, halogenowanie, acylowanie itp. Ta cecha właściwości tych związków heterocyklicznych jest związana z ich strukturą elektronową. Cykle tych substancji zawierają zarówno atomy węgla, jak i heteroatomy. Atomy węgla i heteroatomy są połączone z sąsiednimi atomami węgla wiązaniami $\sigma$.

Inne aromatyczne związki heterocykliczne

Ponieważ atomy węgla o różnych cyklach i w różnych kombinacjach można zastąpić heteroatomami w związkach policyklicznych, liczba możliwych aromatycznych związków heterocyklicznych jest niezwykle duża:

Cyfra 8

Oprócz układów heterocyklicznych, które zawierają sześć $\pi$-elektronów w każdym pierścieniu, istnieją liczne przykłady aromatycznych (4n+2$) p-elektronowych związków heterocyklicznych, w których $n >1$. Znane są heterocykliczne analogi aromatycznych pierścieni. Przykłady obejmują oksa--annulen, aza--annulen, aza--annulen, izoelektroniczny do aromatycznego -annulenu:

Rysunek 9

Rysunek 10.

Innym dobrym przykładem aromatycznego heteroannulenu jest mostkowana homochinolina, która jest izoelektroniczna względem 1,6-metano-annulenu i zawiera 10 p-elektronów:

Rysunek 11.

ZWIĄZKI HETEROCYKLOWE jedna z najliczniejszych klas związków organicznych ( cm. CHEMIA ORGANICZNA), zawierają w składzie obiegu węglowodorowego jeden lub więcej heteroatomów: O, N, S (rys. 1).

Ryż. jeden. PROSTE ZWIĄZKI HETEROCYKLOWE

Klasyfikacja związków heterocyklicznych. W zależności od charakteru heteroatomu rozróżnia się związki zawierające tlen, azot i siarkę. Istnieją również związki, które zawierają jednocześnie kilka identycznych (rys. 2, dioksan) lub różnych heteroatomów (rys. 2, tiazol, oksazyna). Ponadto dzieli się je na związki nasycone (ryc. 1, piperydyna) i nienasycone, tj. zawierające wiązania wielokrotne (ryc. 1, furan, pirydyna, tiofen). W zależności od liczby fragmentów cyklicznych w cząsteczce rozróżnia się jednopierścieniowe związki monocykliczne (ryc. 1) i wielopierścieniowe zawierające kilka cykli, które mogą być skondensowane (zawierają dwa wspólne atomy, ryc. 2, indol) lub połączone za pomocą pojedyncze wiązanie (ryc. 2, bipirydyl). Związki makrocykliczne, tzw. etery koronowe ( korona język angielski korona) zawierająca więcej niż cztery heteroatomy i więcej niż dziesięć ogniw w strukturze pierścienia (łącze to fragment dwóch chemicznie związanych atomów, (ryc. 2).

Ryż. 2. RÓŻNE RODZAJE WIĘCEJ ZŁOŻONYCH ZWIĄZKÓW HETEROCYKLICZNYCH: z dwoma identycznymi (dioksan) lub różnymi (tiazol, oksazyna) heteroatomami. Związki dwujądrowe: o cyklach skondensowanych (indol) lub rozdzielonych (bipirydyl). Związki eterów koronowych o dużych cyklach (makrocykliczne).

Nomenklatura związków heterocyklicznych. Dla dużej grupy związków heterocyklicznych zastosowanie trywialnego ( cm. TRYWIALNE NAZWY SUBSTANCJI) nazwy, które rozwinęły się historycznie (na przykład ryc. 1), jest ich w sumie około 60. W innych przypadkach nazwy (nazywa się je systematycznymi) są opracowywane zgodnie ze specjalnymi zasadami IUPAC (Międzynarodowa Unia Teoretyczna i chemii stosowanej), które w tym przypadku są osobliwe i różnią się od systemu przyjętego dla większości związków organicznych innych klas. Z korzeni i specjalnie zaproponowanych w tym celu przedrostków powstaje nazwa, z zachowaniem ustalonej kolejności. Opiera się na rdzeniu składającym się z dwóch sylab. Pierwsza sylaba wskazuje liczbę linków w cyklu, na przykład sylaba „ Ir" (dwie przestawione litery od łacińskiego rdzenia " t ri ”) odpowiada cyklowi trzysemestralnemu, sylaba „ nie" (fragment łaciny t eti Ra ) cykl czteroogniwowy, sylaba” OK" (część łaciny okta ) jest używany dla cykli ośmioczłonowych. Pochodzenie niektórych innych sylab oznaczających wielkość cyklu nie zawsze jest logicznie uzasadnione, na przykład dla cykli sześciosemestrowych sylaba „ w”, zaczerpnięte od nazwy powszechnego heterocyklu „piryd w» (rys. 1).

Druga sylaba wskazuje, czy heterocykl jest nasycony sylabą „ en'lub sylaba nienasycona' en„(analogia z nazwami węglowodorów: et en ten pl). Przed korzeniem umieszczany jest przedrostek, wskazujący na charakter heteroatomu: O oxa,

S tia, N aza. Ponieważ rdzeń często zaczyna się od samogłoski, końcowe „a” jest zwykle pomijane w przedrostku. W rezultacie nasycony trójczłonowy cykl zawierający S , nazywane są tiiran (ryc. 3A): „ ti-" skrócony przedrostek "thio-", część rdzenia " Ir” oznacza cykl trzyokresowy, a druga część rdzenia” en» odpowiada nasyconemu związkowi. Podobnie trójczłonowy nienasycony pierścień zawierający O nazywany jest oksyrenem (ryc. 3B). Jeżeli w heterocyklu występuje kilka heteroatomów, to ich położenie wskazuje się za pomocą wskaźników liczbowych, po uprzednim numerowaniu atomów w cyklu, a liczbę takich atomów określa się przedrostkami di-, tri- itd., np. 1,3,5-triazyna (ryc. 3B). Jeśli istnieją różne heteroatomy, są one wymienione w następującej kolejności: O>S>N (ta ustalona kolejność jest warunkowa i nie jest związana z właściwościami chemicznymi). Na końcu nazwy korzeń służy do wskazania rozmiaru pierścienia i nienasycenia, na przykład 1,2,6-oksadiazyna (ryc. 3E). Jak pisać korzenie dla N -zawierające cykle nieco różni się od opisanego powyżej, który jest również specjalnie przewidziany, na przykład pierwiastek " w» w nazwie 1,2,6-oksadiazyna (ryc. 3D) oznacza zarówno pierścień sześcioczłonowy, jak i nienasycony.Zasady kompilacji nazw systematycznych mają zastosowanie do wszelkich związków heterocyklicznych, w tym tych, dla których istnieją ugruntowane nazwy zwyczajowe, na przykład związek bicykliczny o nazwie zwyczajowej chinolina (ryc. 3F) ma nazwę systematyczną benzazyna. Zamiast złożonego systemu nazw systematycznych chemicy stosują często prostszy system oparty na nazwach trywialnych: „izolują” fragment nazwy trywialnej w cząsteczce i wskazują pozycję podstawników za pomocą indeksów cyfrowych. w ten sposób (rys. 3G).

Ryż. 3. SYSTEMATYCZNE NAZWY ZWIĄZKÓW HETEROCYKLOWYCH(PIEKŁO). Porównanie nazw systematycznych i trywialnych (E). Użycie trywialnego terminu w składzie nazwy (G). W 8-hydroksychinolinie (G) dwa atomy węgla należące jednocześnie do dwóch cykli nie są numerowane, ponieważ nie mogą mieć substytutów.

Właściwości chemiczne związków heterocyklicznych. Trój- i czteroczłonowe heterocykle są układami naprężonymi, charakteryzującymi się reakcjami otwarcia pierścienia. Tlenek etylenu (w 150°C i pod ciśnieniem 2 MPa) jest hydrolizowany do glikolu etylenowego (rys. 4A). Reakcja cykli naprężonych zawierających O z alkoholami prowadzi do związków z grupą OH i wiązaniem eterowym (cellosolve, ryc. 4B), a pod działaniem na nie halogenowodorów związki zawierające Hal i grupę OH (halohydryny, ryc. 4B). N - zawierające napięte pierścienie, oddziałujące z halogenowodorami tworzą haloalkiloaminy (rys. 4d).

Ryż. cztery. NIENASYCONE ZWIĄZKI HETEROCYKLICZNE PIĘCIO I SZEŚĆCZŁONOWE, jak również ich pochodne, mają aromatyczność dlatego ich zachowanie chemiczne przypomina właściwości związków aromatycznych (pochodnych benzenu) podczas różnych przemian, fragment cykliczny jest stosunkowo stabilny, a atomy H przy atomach węgla pierścienia, podobnie jak w benzenie, mogą być zastąpione różnymi grupami ( cm. CHEMIA ORGANICZNA). Po sulfonowaniu (rys. 5A), nitracji (rys. 5B) i acylacji (rys. 5C, D) atomy H są zastępowane odpowiednimi grupami, podczas gdy cykl pozostaje niezmieniony. Jednak stabilność cyklicznych fragmentów w takich związkach jest mniejsza niż w przypadku pierścienia benzenowego, więc wszystkie reakcje podstawienia prowadzi się w łagodniejszych warunkach.

Ryż. 5. REAKCJE SUBSTYTUCYJNE w związkach heterocyklicznych: sulfonowanie A, nitrowanie B, acetylowanie C, D. Podobnie jak reakcje podstawienia w pierścieniu benzenowym, fragment cykliczny pozostaje niezmieniony.

Zajmuje 6 R-elektrony ( cm. AROMATYCZNOŚĆ). Każde wiązanie podwójne składa się z dwóch wiązań ( cm. ORBITALE), pierwszy tworzą dwa

s -elektron dwóch sąsiednich atomów, a drugi tworzy para R- elektrony (oznaczone kropkami wewnątrz cyklu pirydynowego, ryc. 6A). Układ sześciu elektronów w pirydynie składa się z pięciu R- elektrony należące do atomów węgla (czarne kropki) i jeden R- elektron z azotu (niebieska kropka). W rezultacie samotna para elektronowa azotu (czerwone kropki) nie uczestniczy w tworzeniu układu aromatycznego, dlatego taki atom azotu może być donorem (oddając elektrony) w tworzeniu wiązania donor-akceptor (aminy mają tej samej nieruchomości). Często taki dawca nazywany jest zasadą Lewisa, ponieważ wykazuje właściwości typowe dla zasady: tworzy stabilne sole z kwasami mineralnymi (ryc. 6A), które są związkami złożonymi. Podobnie zachowuje się chinolina (ryc. 6B), którą można uznać za pochodną pirydyny. Właściwości zasady są najbardziej wyraźne w 8-hydroksychinolinie (ryc. 3G). Związek ten silnie wiąże jony większości metali, tworząc dwa konwencjonalne wiązania chemiczne atomu metalu z dwoma atomami O i dwa wiązania donor-akceptor z atomami N . Takie kompleksy nazywane są chelatowanymi (od greckiego chele claw) lub w kształcie pazurów. Ta właściwość 8-hydroksychinoliny jest szeroko stosowana w chemii analitycznej do ilościowego oznaczania metali.

Ryż. 6. TWORZENIE KOMPLEKSOWEJ SOLI z udziałem sześcioczłonowych heterocykli zawierających N (A, B). Kompleksy chelatowe jonów metali (B).

W przejściu od sześcioczłonowego do pięcioczłonowego

N -zawierających nienasycone heterocykle (pirol, ryc. 7) sytuacja ulega zmianie. W tym przypadku samotna para elektronowa azotu (ryc. 7, czerwone kropki) bierze udział w tworzeniu sześcioelektronowego układu aromatycznego i nie może uczestniczyć w tworzeniu wiązania donor-akceptor, w wyniku czego właściwości kwasu więzi są wyraźnie zamanifestowane N-H : wodór można zastąpić metalem (rys. 7). Takie pochodne metali są dogodnymi związkami pośrednimi do dodawania grup alkilowych (rys. 7A) lub acetylowych (rys. 7B) do azotu.

Pięcioczłonowy heterocykl imidazolowy (rys. 7B) zawierający dwa atomy

N , jest również związkiem aromatycznym 6 R-elektrony. Co ciekawe, ma właściwości zarówno kwasowe, jak i zasadowe. Atom N w grupie N - H może reagować jako kwas, podobnie jak pirol (rys. 7A, B), drugi atom N we właściwościach przypomina ten sam atom w pirydynie, charakteryzuje się reakcjami pokazanymi na ryc. 6A.

Ryż. 7. WŁAŚCIWOŚCI KWASOWE PIĘCICZĘŚCIOWEGO HETEROCYKLU PIROLOWEGO(A, B). Połączenie właściwości kwasowych i zasadowych w imidazolu (B). dwa atomy

N w imidazolu i ich elektrony są oznaczone różnymi kolorami.

Związki heterocykliczne otrzymuje się w różnych procesach kondensacji, które przechodzą przez etap zamykania pierścienia (rys. 8A-B). Przepływ takich reakcji w pożądanym kierunku jest stymulowany tym, że w efekcie powstają stosunkowo stabilne związki heteroaromatyczne. Niektóre związki heterocykliczne otrzymuje się na bazie związków o podobnym składzie. Furfural otrzymuje się przez dekarbonylację (usunięcie CO) furfuralu (ryc. 8d, furfural jest dobrze ugruntowaną nazwą zwyczajową, która nieprecyzyjnie odzwierciedla skład, a dokładniej furfural). Uwodornienie furanu prowadzi do tetrahydrofuranu (ryc. 8E).

Ryż. osiem. METODY OTRZYMANIA ZWIĄZKÓW HETEROCYKLOWYCH

W nienasyconych pięcioczłonowych heterocyklach jeden heteroatom jest zastępowany przez inny bez zmiany fragmentu cyklicznego (ryc. 9).

Ryż. 9. INTERKONWERSJE PIĘCIOCZŁONOWYCH HETEROCYKLI

Wiele związków heterocyklicznych otrzymuje się w wyniku przetwarzania produktów naturalnych. Pirol i indol (rys. 2) znajdują się w smole węglowej, tiofen jest ekstrahowany z produktów koksowania węgla i termicznego rozkładu łupków bitumicznych, furan jest izolowany z produktów suchej destylacji niektórych gatunków drewna. Pirydynę (rys. 1) otrzymuje się ze smoły węglowej, produktów suchej destylacji drewna i torfu. Furfural (ryc. 8) otrzymuje się przez hydrolizę materiałów roślinnych (kolby kukurydzy, łuski owsa i ryżu) w obecności rozcieńczonych kwasów mineralnych.

Udział związków heterocyklicznych w procesach biologicznych. W skład wchodzą trzy związki uracyl, tymina i cytozyna, które są pochodnymi heterocyklu pirymidynowego zawierającego azot (ryc. 10, w nawiasach), a także dwie pochodne heterocyklu purynowego (ryc. 10, w nawiasach) guanina i adenina z kwasy nukleinowe, kolejność naprzemienności tych heterocykli wzdłuż polimerowych łańcuchów DNA i RNA determinuje wszystkie informacje dziedziczne żywego organizmu i sposób składania cząsteczek białek.

Rys.10. ZWIĄZKI HETEROCYKLOWE które tworzą kwasy nukleinowe

Niektóre aminokwasy (ryc. 11) biorące udział w tworzeniu białek zawierają również fragmenty heterocykliczne: tryptofan zawiera fragment indolowy (ryc. 2), histydyna ma cykl imidazolowy (ryc. 7), prolina jest pochodną pirolidyny.

Fragmenty heterocykli znajdują się w strukturze wielu substancji biologicznie czynnych, wśród najczęściej stosowanych leków ponad 60% to związki heterocykliczne. Czteroczłonowy cykl azetydynon (ryc. 11) wchodzi w skład antybiotyków penicyliny i cefalosporyny, kwas askorbinowy (witamina C) zawiera heterocykl furanu, kolejna witamina nikotynamid zawiera fragment pirydyny, cząsteczka kofeiny jest „zbudowana” na bazie wcześniej wspomniana puryna (ryc. 10).

Ryż. jedenaście. OBECNOŚĆ FRAGMENTÓW ZWIĄZKÓW HETEROCYKLOWYCH w strukturze biologicznie ważnych cząsteczek

Dla wszystkich związków (ryc. 10), z wyjątkiem azetydynonu, podano nazwy zwyczajowe, które zostały ustalone i weszły do ​​użytku przed sformułowaniem zasad nazewnictwa systematycznego.

Zastosowanie związków heterocyklicznych. Dioksan (ryc. 2) i tetrahydrofuran (ryc. 8) są szeroko stosowane jako wysoce polarne rozpuszczalniki w syntezie organicznej.

Furfural (ryc. 8) jest produktem wyjściowym do otrzymywania furanu (ryc. 8), tetrahydrofuranu, a także do syntezy niektórych leków (furatsiliny).

Podczas kondensacji furfuralu w środowisku kwaśnym powstają produkty polimeryczne (żywice furanowe) przypominające budową żywice fenolowe, grupy metylenowe CH 2 łączące heterocykle (rys. 12A). Gdy takie żywice są ogrzewane w obecności katalizatorów kwasowych (na przykład kwasu toluenosulfonowego), wiązania podwójne otwierają się z utworzeniem wiązań poprzecznych, w wyniku czego polimer przechodzi w stan nierozpuszczalny, co pozwala na jego stosowanie jako spoiwo w produkcji różnych wypełnionych materiałów prasowych: tworzyw sztucznych szklanych i węglowych, płyt z włókna drzewnego itp. W stanie stałym polimery furanowe są substancjami odpornymi chemicznie (do 300°C), co pozwala na ich stosowanie jako odpornych na korozję i ognioodpornych uszczelniaczy i mas uszczelniających.

Po kondensacji aromatycznych tetramin (4 grupy aminowe) z estrami aromatycznych kwasów dikarboksylowych ( cm. ESTRY) powstają polimery, w których strukturze podczas syntezy pojawiają się fragmenty benzimidazolu (rys. 12B). Takie polimery, zwane polibenzimidazolami, mają wysoką wytrzymałość i odporność na ciepło (do 500 ° C), służą do wytwarzania folii, włókien (nazwa handlowa ARMOS i RUSAR), wzmocnionych tworzyw sztucznych.

Ryż. 12. POLIMERY ZAWIERAJĄCE FRAGMENTY HETEROCYKLOWE W ŁAŃCUCHU: polimer furanowy (A), polibenzimidazol (B).

Pochodne benzimidazolu są częścią leków (dibazol).

Indol (ryc. 2) jest stosowany jako środek utrwalający zapach w przemyśle perfumeryjnym oraz w produkcji niektórych leków (indometacyna).

Michaił Lewicki

LITERATURA Gilchrist T. Chemia związków heterocyklicznych. M., Mir, 1996
Kim D.G. Wprowadzenie do chemii związków heterocyklicznych. Dziennik edukacyjny Sorosa, tom 7, 2001, nr 11

Związki heterocykliczne obejmują związki organiczne zawierające w swoich cząsteczkach cykle, w których oprócz węgla znajdują się atomy innych pierwiastków (heteroatomy: O, N, S).

Związki heterocykliczne są klasyfikowane:

a) przez liczbę atomów w cyklu (od trójczłonowych do makrocyklicznych);

b) według liczby i rodzaju heteroatomów (–O, –N, –S);

c) zgodnie ze stopniem nienasycenia heterocyklu (nasycony i nienasycony).

Szczególnie interesujące są nienasycone związki heterocykliczne, które spełniają warunki aromatyczności: zgodnie z liczbą elektronów π odpowiadają one regule Hückla; mają płaską strukturę i zamknięty układ elektronów π.

Podczas nazywania heterocykli powszechnie stosuje się nazwy trywialne:

Numeracja w heterocyklach jest stała iw większości przypadków zależy od starszeństwa podstawników. W osobnej grupie wyróżnia się związki heterocykliczne o skondensowanych jądrach:

Związki heterocykliczne odgrywają ważną rolę w życiu organizmów i mają duże znaczenie fizjologiczne (DNA, RNA, chlorofil, alkaloidy, szereg witamin, antybiotyki).

SYSTEMY PIĘCIOCZŁOWOWE Z JEDNYM HETEROATOMEM

Najważniejszymi przedstawicielami są furan, tiofen, pirol. Wszystkie są związkami aromatycznymi: spełniają regułę Hückla, 4 elektrony atomu węgla cyklu są π-sprzężone z wolną parą elektronów heteroatomu, sam cykl ma strukturę płaską. Dlatego, podobnie jak w przypadku benzenu, ich wzory można przedstawić w następujący sposób:

METODY UZYSKANIA

1. Cyklizacja związków 1,4-dikarbonylowych (diketonów, kwasów dikarboksylowych lub ketokwasów). Po ich ogrzaniu ze środkiem odwadniającym (CaCl2, H2SO4, P2O5) powstają pochodne furanu; podczas przeprowadzania odwodnienia w ośrodku NH 3 - pirolu; w obecności P 2 S 5 - tiofenu:

2. Izolacja od źródeł naturalnych. Tiofen i pirol zawarte są w smole węglowej, furanie - z surowców zawierających pentozan (łuski słonecznika, kolby kukurydzy) poprzez etap otrzymywania furfuralu.

3. Wzajemne przemiany furanu, tiofenu, pirolu (reakcja Juriewa) zachodzą w t=450 o C nad Al 2 O 3:

4. Oddziaływanie acetylenu z siarkowodorem lub amoniakiem. Gdy mieszanina H 2 S przechodzi przez Al 2 O 3, powstaje tiofen

oraz mieszaniny z NH3 -pirolem

Właściwości fizyczne

Wszystkie trzy substancje to bezbarwne ciecze, praktycznie nierozpuszczalne w wodzie.

WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE

Ponieważ związki te są aromatyczne, charakteryzują się one reakcjami podstawienia elektrofilowego (nitrowanie, sulfonowanie, halogenowanie, acylowanie) przechodzącymi do pozycji 2 (pozycja α) w bardzo łagodnych warunkach.

Furan, tiofen i pirol są słabymi zasadami. Produkty protonowania furanu i pirolu kwasami mineralnymi:

niestabilny, powstały kation szybko traci swoją aromatyczność, nabiera właściwości sprzężonego dienu i łatwo polimeryzuje. Zjawisko to nazywa się acidofobią („strach przed kwasem”).

Tiofen nie jest kwasofobowy (ze względu na równość elektroujemności atomów S i C w cyklu). Pirol jest w stanie wykazywać właściwości kwasowe na wiązaniu N-H i zastąpić atom wodoru atomem Na lub K podczas interakcji z metalami lub stężonym alkalicznym KOH:

1. Halogenacja. Przeprowadzany jest przez kompleks Br 2 z dioksanem, Br 2 w niskiej temperaturze (bromowanie) lub Cl 2 w niskiej temperaturze, SO 2 Cl 2 (chlorowanie):

2. Sulfonacja. Przeprowadza się to za pomocą sulfotritlenku pirydyny C 5 H 5 N SO 3, ponieważ w tym przypadku w mieszaninie reakcyjnej nie ma związków kwasowych:

3.Nitrowanie. Przeprowadza się go azotanem acetylu (mieszanina bezwodnika octowego i HNO 3):

4. Acylacja. Przeprowadza się ją za pomocą bezwodników kwasowych w obecności katalizatorów: AlCl 3, SnCl 4, BF 3 (reakcja Friedela-Craftsa):

5. Alkilacja według Friedel-Craftsa nie jest możliwe przeprowadzenie jednak pirolu potasu podczas interakcji z pochodnymi halogenowymi daje N-alkilopirole, które izomeryzują po podgrzaniu do 2-alkilopiroli:

6. uwodornienie. Występuje w obecności katalizatorów Ni lub Pt dla furanu i pirolu, Pd dla tiofenu:

SZEŚCICZĘŚCIOWE HETEROCYKLE Z JEDNYM ATOMEM AZOTU

Najbardziej interesująca jest pirydyna:

Jest to heterocykliczny analog benzenu, w którym jedna grupa –CH= jest zastąpiona przez sp 2 –hybrydowy atom węgla. Ma aromatyczny charakter. Ponieważ pojedyncza para elektronów atomu azotu nie wchodzi w sprzężenie π, pirydyna nie jest kwasofobowa i wykazuje wysokie właściwości zasadowe. Gęstość elektronowa w pierścieniu jest zmniejszona, szczególnie w pozycjach 2,4,6, dzięki czemu pirydyna łatwiej wchodzi w reakcje podstawienia nukleofilowego niż elektrofilowego.

METODY UZYSKANIA

1. Izolacja od źródeł naturalnych. Pirydynę i jej homologi otrzymuje się ze smoły węglowej.

2. Homologi pirydyny można uzyskać w następujący sposób:

2.1. Kondensacja aldehydów z amoniakiem

2.2. Reakcja acetylenu z amoniakiem (metoda Repe)

2.3. Kondensacja β-diketonów lub β-ketoestrów z aldehydami i amoniakiem (metoda Hancha). Pośrednie 1,4-dihydropirydyny utworzone w tym przypadku są utleniane do pirydyn kwasem azotowym lub NO2

Dalsza hydroliza i dekarboksylacja otrzymanego produktu prowadzi do trialkilopirydyn.

Właściwości fizyczne

Pirydyna jest bezbarwną cieczą o charakterystycznym nieprzyjemnym zapachu. Rozpuśćmy w wodzie, tworząc z nią mieszankę o gęstości ρ=100347 g/dm 3 .

WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE

1. Zasadowość. Pirydyna wykazuje w większym stopniu właściwości podstawowe niż furan, tiofen i pirol. Będąc słabą bazą, z mocnymi kwasami mineralnymi daje aromatyczne sole pirydyniowe.

2. Alkilacja. Jest przeprowadzany przez pochodne halogenowe z utworzeniem soli pirydyniowych, które po podgrzaniu dają pirydyny podstawione 2-(lub 4-)alkilem

3. Reakcje podstawienia elektrofilowego. W przypadku pirydyny płyną z trudem (ponieważ atom azotu ma właściwości akceptorowe) do pozycji 3

4. Reakcje podstawienia nukleofilowego. Płyną łatwo (ze względu na ubytek pierścienia w gęstości elektronowej) do pozycji 2

5. Powrót do zdrowia. Przeprowadzany wodorem w trudnych warunkach

6. Utlenianie pirydyna występuje tylko w bardzo trudnych warunkach. Homologie zawierające alkilowe łańcuchy boczne utleniają się na nich podobnie jak homologi benzenowe