Test

Heterocyklické zlúčeniny

Obsah

• 3. Štruktúra heterocyklov
• 5. Azoly
• 6. Pyrol
• 7. Indol
• 8. Furán
• 9. Tiofén
• 11. Pyridín
• Literatúra

1. Pozadie, rozdelenie a význam

Heterocykly sa nazývajú organické zlúčeniny, ktorých cyklus je vybudovaný nielen z atómov uhlíka, ale aj z atómov iných organogénnych prvkov (dusík, kyslík, síra, fosfor atď.). Moderná chémia umožňuje zaviesť atóm takmer akéhokoľvek prvku periodickej tabuľky do cyklickej kostry molekuly. Heterocykly môžu byť nasýtené a nenasýtené, medzi nimi sú aromatické a antiaromatické.

Niektoré nasýtené heterocyklické zlúčeniny boli spomenuté v predchádzajúcich kapitolách - ide o cyklické sekundárne amíny (piperidín, morfolín), laktóny a laktámy - deriváty hydroxy a aminokyselín.

Význam heterocyklov v modernej chémii a biochémii, molekulárnej biológii a medicíne možno posúdiť aspoň z toho, že asi 50 % publikácií vo vedeckých časopisoch venovaných týmto oblastiam poznania nejako súvisí s heterocyklami.

Aromatické heterocykly, najmä tie, ktoré obsahujú jeden alebo viac atómov dusíka, sú v prírode široko rozšírené a sú súčasťou zložitých chemických štruktúr obsiahnutých v každej živej bunke. Takže deriváty heterocyklického systému pyrimidínu (uracil, tymín, cytozín) a imidazopyrimidínu, nazývaného purín, (adenín, cytozín) sú súčasťou DNA - genetického aparátu všetkých živých bytostí.

Heterocykly sú súčasťou molekúl a-aminokyselín, ktoré tvoria proteínové makromolekuly

Heterocyklický päťjadrový porfyrínový systém je hlavným uzlom biomolekuly hemoglobínu a príbuzný heterocyklický chlór, ktorý má jednu hydrogenovanú väzbu, je základom chlorofylu.

Je ľahké vidieť, že tieto dva systémy majú veľkú štrukturálnu podobnosť (dokonca aj substituenty sú podobné), čo naznačuje ich spoločný evolučný pôvod.

Na nasýtenie koordinačného čísla iónu železa v hemoglobíne rovného šiestim (skreslený oktaedrón) okrem štyroch porfyrínových atómov dusíka (pozri vzorec hemu) pôsobia ako ligandy aj heterocyklické fragmenty proteínovej časti hemoglobínu alebo molekula kyslíka. Oba ligandy sú umiestnené na opačných stranách roviny makrocyklu.

Heterocykly sú súčasťou molekúl vitamínov.

Makromolekula vitamínu B 12 (kyanokobalamín) je kobaltový komplex veľmi stabilného heterosystému – korínu. V zložení molekuly vitamínu B 12 je prítomný aj biologicky aktívny heterocyklus benzimidazol.

Obrovské množstvo liekov sú deriváty heterocyklických zlúčenín. Patria sem napríklad početné antibiotiká radu penicilínov, sulfónamidové prípravky, substituované 5-nitrofurfuraly s antiseptickou aktivitou, analgetiká, trankvilizéry, antivírusové lieky atď.

Mnohé heterocyklické zlúčeniny sú silné jedy, ako napríklad nikotín a LSD. V malom množstve (aktívna dávka 50 mikrogramov) sa LSD používa ako psychotropná droga – silný halucinogén ( použitie nie odporúčané !) .

Je známe obrovské množstvo prírodných farebných heterocyklických zlúčenín, ktoré určujú farbu kvetov, ovocia, hmyzu atď. Na báze heterocyklov sa syntetizovalo veľké množstvo priemyselne dôležitých farbív. Príklady syntetických farbív sú indigová modrá (používa sa najmä na farbenie džínsoviny) a metylénová modrá (vo vode rozpustné farbivo), tioindigová červeň, komplexné nerozpustné fialové pigmenty - ftalokyaníny.

V rastlinnom svete sú veľmi rozšírené farbivá na báze derivátov benzopyránu: flavóny, flavonoly a antokyanidíny. Farba týchto zlúčenín sa mení v širokom rozmedzí - od svetložltej po tmavofialovú.

Flavóny a flavonoly dodávajú kvetom ovocných stromov rôzne odtiene krémovej a žltej; soľné formy antokyanidínu určujú farbu svetlých kvetov (ruže, ľalie) a ovocia (čerešne, jablká, jahody).

2. Klasifikácia a nomenklatúra

Heterocyklické zlúčeniny sú klasifikované podľa veľkosti kruhu, typu heteroatómov a ich počtu. Najbežnejšie mononukleárne nenasýtené heterocykly majú triviálne názvy, ktoré sa používajú ako základ pre pomenovanie ich derivátov a fúzovaných heterosystémov. Za základ sa berie názov heterocyklu s najväčším počtom viacnásobných väzieb, často je takýto heterocyklus aromatický.

Mnohé plne alebo čiastočne hydrogenované heterocykly majú tiež svoje triviálne názvy.

Aromatické šesťčlenné heterocykly obsahujúce aspoň jeden atóm dusíka sú spojené pod všeobecným názvom "azíny"; podľa počtu heteroatómov sa rozlišujú mono-, di-, tri- atď.

Päťčlenné dusíkaté heterocykly s viac ako jedným heteroatómom sa nazývajú azoly. Patria sem nasledujúce typy pripojení:

Číslovanie atómov v jadre heterocyklov sa uskutočňuje od heteroatómu tak, že súčet heteroatómových lokantov je najmenší; ak existujú varianty, potom by mal mať starší heteroatóm najnižšie číslo. Pravidlá pre prednosť heteroatómov: N > O > S, atóm dusíka typu "pyrol" je starší ako atóm "pyridínu".

Ten je určený typom väzieb, ktoré atóm vytvára so svojimi susedmi: ak heteroatóm tvorí iba s-väzby v hlavnej hraničnej štruktúre, potom je to „pyrol“, ak dve s - a jedna p-väzba, potom je "pyridín".

Podobné požiadavky platia aj pre atómy iných prvkov.

Používa sa aj staršia nomenklatúra: atómy sa označujú písmenami gréckej abecedy, začínajúc od písmena vedľa heteroatómu. Táto metóda číslovania sa najčastejšie používa pre heterokruh symetrickej štruktúry s jedným heteroatómom a v prítomnosti jedného substituenta na kruhu.

Heterocyklická molekula môže pozostávať z dvoch alebo viacerých kruhov, karbocyklických alebo heterocyklických. Polynukleárne heterocykly sa nazývajú takto:

1. Za základ sa berie názov staršieho heterocyklu, názov mladšieho sa pridáva ako predpona končiaca na písmeno „o“.

2. Pravidlá prednosti: a) každý heterocyklus je starší ako benzén; b) čím viac heteroatómov, tým starší heterocyklus; c) s rovnakým počtom heteroatómov je väčší heterocyklus najstarší; d) ak sú heteroatómy rovnaké, potom je cyklus tým starší, čím sú bližšie (pyridazín je starší ako pyrimidín); e) pri rovnakom počte heteroatómov je seniorita určená senioritou heteroatómov.

3. Poloha väzby, cez ktorú sú prstence anulované, je uvedená v hranatých zátvorkách cez pomlčku. Spojenie seniorského cyklu sa označuje písmenom latinskej abecedy, spojenie mladšieho - počtom atómov oddelených čiarkou, zodpovedajúcim číslovaniu v izolovanom jadre. Postupnosť čísel sa volí tak, aby smer počítania väzieb v oboch jadrách bol rovnaký:

4. Číslovanie atómov anelovaného heterocyklu sa uskutočňuje tak, aby súčet počtov heteroatómov bol najmenší a v prípade variantov by najmenšie čísla mali patriť starším heteroatómom.

Príklady :

3. Štruktúra heterocyklov

Päťčlenné heterocykly s jedným heteroatómom

Požiadavky na aromatickosť spĺňajú päťčlenné heterocykly s jedným heteroatómom a dvoma dvojitými väzbami C-C. Jadrá pyrolu, furánu a tiofénu sú planárny kruh s konjugovaným systémom elektrónových orbitálov, ktorý obsahuje 4n + 2 p-elektróny, z ktorých dva sú dodávané heteroatómom.

Uvažujme o delokalizácii p-elektrónov v pyrole. Atóm dusíka "pyrolového" typu existuje v hybridnom stave sp2 a formálne tvorí tri väzby: dve s uhlíkom, jednu s vodíkom alebo substituentom. s-väzby sú tvorené hybridnými orbitálmi a osamotený elektrónový pár zaberá nehybridný p-orbitál. Vďaka tomu je schopný konjugácie s C-C p_väzbami, čím sa vytvorí aromatický sextet. Elektrónovú štruktúru pyrolu môžu reprezentovať rezonančné formy, z ktorých päť má najväčší podiel na rezonančnom hybride.

Heteroatóm typu "pyrol" teda vždy poskytuje p-systému dva elektróny.

Aby sme pochopili aromatickosť pyrolu, môžeme ho porovnať s izoelektronickým cyklopentadiénovým aniónom.

Je ľahké vidieť, že všetkých päť C-atómov cyklopentadinidového iónu je ekvivalentných: osamotený elektrónový pár, ako v pyrole, je v p-orbitáli a je delokalizovaný.

Rozdiel medzi pyrolom a cyklopentadienylovým aniónom je v tom, že nie všetky hraničné štruktúry pyrolu majú rovnaký príspevok k rezonančnému hybridu. Ich relatívny príspevok možno odhadnúť takto: 1>3, 5>2, 4.

Elektrónová štruktúra furánu a tiofénu je kvalitatívne podobná štruktúre pyrolu, ale namiesto N-H s-väzby je tu druhý osamelý pár elektrónov heteroatómu. Tento pár elektrónov nevstupuje do konjugácie s p-systémom, pretože os jeho orbitálu leží v rovine prstenca, t.j. kolmo na osi p-orbitálov atómov uhlíka.

Existujúce významné rozdiely v distribúcii hustoty elektrónov v molekulách týchto troch heterocyklov možno kvantifikovať na základe experimentálnych údajov. Pri prechode z pyrolu na furán sa donorový mezomérny efekt heteroatómu oslabuje, zatiaľ čo indukčný akceptorový efekt sa zvyšuje, čo vedie k zmene smeru dipólového momentu.

Preto je furán menej p-nadmerný ako pyrol a je menej aromatický a menej stabilný. Tiofén je oveľa stabilnejší ako furán aj pyrol a chemicky sa podobá benzénu. Je zaujímavé, že uhol väzby C-S-C v molekule tiofénu je blízky 90°, čo nie je charakteristické pre hybridný atóm sp 2 v päťčlennom kruhu (v pravidelnom päťuholníku je uhol 108°).

Tieto vlastnosti tiofénu viedli k vzniku dvoch alternatívnych predpokladov o hybridizácii atómu síry. Podľa prvého z nich atóm síry takmer nie je hybridizovaný, s- a p-väzby sú tvorené čistými p-orbitálmi. Podľa alternatívnej verzie sa d-orbitály síry podieľajú na tvorbe väzieb C-S, ktoré možno vyjadriť ako ďalšie rezonančné štruktúry:

V skutočnosti otázka skutočnej elektrónovej štruktúry tiofénu a hybridizácie atómu síry v jeho molekule zostáva diskutabilná.

Väzbové dĺžky v molekulách pyrolu, furánu a tiofénu sú

Systémy ako pyrol, furán a tiofén, v ktorých počet aromatických elektrónov prevyšuje počet atómov v kruhu, a vo všeobecnosti iné heterocykly s heteroatómami len "pyrolového" typu, sú p-nadmerné. Napriek skutočnosti, že p-prebytok týchto heterocyklov je menší ako p-prebytok cyklopentadienylového aniónu, určuje hlavné aspekty ich reaktivity.

Dôležitým faktorom charakterizujúcim chemické správanie päťčlenných heterocyklov je ich nižšia aromaticita v porovnaní s benzénom. Na porovnávacie hodnotenie aromaticity týchto zlúčenín vzhľadom na benzén sa používajú charakteristiky získané ako výsledok kvantovo-mechanických výpočtov: relatívna aromaticita, empirická rezonančná energia. V rôznych zdrojoch nájdete rôzne hodnoty týchto parametrov, ale v súčasnosti sú akceptované:

Na základe myšlienky p-nadbytku pyrolu a jeho elektronických analógov je logické predpokladať, že tieto zlúčeniny sú obzvlášť náchylné na účasť v reakciách s elektrofilmi. Toto je pozorované v skutočnosti. Vlastnosti zlúčeniny obsahujúcej pyrolový heteroatóm v kruhu možno porovnať s vlastnosťami anilínu, v molekule ktorého aminoskupina zároveň aktivuje aromatické jadro.

4. Šesťčlenné heterocykly - azíny a ich analógy

Pyridín je elektrónový analóg benzénu, v ktorom je jedna skupina CH (metínová skupina) nahradená atómom dusíka. Na rozdiel od pyrolu tvorí atóm dusíka v neutrálnej molekule pyridínu dve s- a jednu p-väzbu, t.j. prispieva jedným elektrónom k ​​aromatickému sextetu. Osamotený pár elektrónov atómu dusíka nemôže vstúpiť do konjugácie, pretože os jeho orbitálu je orientovaná v priestore kolmo na osi orbitálov p-elektrónov atómov uhlíka. Tento typ atómu sa nazýva "pyridín". Atóm dusíka pyridínového typu v zložení kruhu nemôže byť donorom, je akceptorom p-elektrónov, pretože dusík je elektronegatívny ako uhlík. Ilustrujú to kanonické štruktúry pyridínu:

Indukčné a mezomérne účinky atómu dusíka v pyridíne pôsobia rovnakým smerom (-I - a - M), čím sa hustota elektrónov posúva smerom k atómu dusíka. To je dôvod, prečo sa na atómoch uhlíka indukuje čiastočný kladný náboj a hustota elektrónov v jadre sa znižuje. Preto je pyridín klasifikovaný ako p_deficientný aromatický heterocyklus. Najväčší kladný náboj je sústredený v polohách a - a g. Tu je možné vidieť analógiu s elektrónovou štruktúrou nitrobenzénu, ktorá má čiastočné kladné náboje orto- a pár-ustanovenia.

Atómy kyslíka a síry môžu byť tiež "pyridínového" typu. Prítomnosť takéhoto atómu v kruhu určuje existenciu katiónových izoelektronických analógov benzén-pyrýliových a tiopyríliových solí. Kladne nabité atómy kyslíka a síry, ako aj atóm dusíka pyridínu, prispievajú jedným elektrónom do p-systému heterokruhu a majú nezdieľané elektrónové páry, ktoré sa nezúčastňujú konjugácie s p-elektrónovým systémom kruhu. Vzhľadom na skutočnosť, že elektroakceptorové vlastnosti atómu s celkovým kladným nábojom sú väčšie ako vlastnosti neutrálneho, pyrýliové a tiopyríliové soli sú oveľa viac p-deficientné ako elektricky neutrálny pyridín.

Šesťčlenné heterocykly s niekoľkými heteroatómami sú tiež viac p_deficientné ako pyridín. Toto je obzvlášť viditeľné, keď sú atómy dusíka umiestnené navzájom v polohe b, napríklad v pyrimidíne a sim-triazín. Dôvodom je, že v týchto prípadoch každý heteroatóm, nezávisle od druhého, indukuje kladný náboj na rovnakých atómoch uhlíka, ako v prípade koordinovanej orientácie, napr. meta _dinitrobenzén.

päťčlenná heterocyklická organická zlúčenina

Z vyššie uvedeného je zrejmé, že pyridín, di- a triazíny a najmä soli pyrília by mali ľahko reagovať s nukleofilnými činidlami a byť pasívne voči elektrofilom.

5. Azoly

V molekulách diazolov (pyrazol a imidazol) sa nachádzajú heteroatómy typu "pyrol" aj "pyridín", a preto zlúčeniny tohto typu v rámci koncepcie p-excesívnych (pyrol) a p-deficientných (pyridín) heterocyklov, sa nazývajú p-amfotérne . Medzi polárnymi hraničnými štruktúrami, ktoré opisujú stav molekúl imidazolu a pyrazolu, existujú štruktúry s kladným aj záporným nábojom na atómoch uhlíka.

V skutočnosti chemické správanie azolov ilustruje ich amfoterickosť - sú schopné reagovať s elektrofilmi aj nukleofilmi.

6. Pyrol

Zásaditosť

Osamelý elektrónový pár pyrolového dusíka sa vo veľkej miere podieľa na cyklickej p-konjugácii, je neprístupný, a preto pyrol vykazuje veľmi nízku zásaditosť (pKa konjugovanej kyseliny = -3,8). Výpočty ukazujú, že spomedzi možných pyroliových katiónov je termodynamicky najvýhodnejší katión stabilizovaný rezonanciou. ja- výsledok protonizácie atómu uhlíka v a_polohách. N-katión III najmenej stabilný, pretože po prvé, náboj v ňom je sústredený na jeden atóm a po druhé, aromatický konjugačný systém je narušený: je to vlastne dién. katión II zaujíma medzipolohu.

V kyslom prostredí je však možná protonizácia všetkých atómov jadra. Kryštalické soli zodpovedajúce katiónom tohto typu ja, možno izolovať prechodom suchej HCl cez roztoky polyalkylpyrolov v inertných rozpúšťadlách. Dôkaz tvorby katiónov III je ľahká výmena deutéria za protón na atóme dusíka pyrolu v kyslom prostredí. Hoci kat III najmenej stabilný, vzniká a ničí sa rýchlejšie ako katióny ja a II, takže protón NH pyrolu sa deuteruje rýchlejšie ako protóny CH. Tento jav sa nazýva kinetická zásaditosť. Kinetická zásaditosť dusíka je vždy vyššia ako kinetická zásaditosť uhlíka. C-katión II je zodpovedný za polymerizáciu pyrolu v kyslom prostredí, kedy vzniká polymér s premenlivou štruktúrou „pyrol-červený“. Mechanizmus prvých stupňov tejto reakcie je potvrdený štruktúrou izolovaného triméru.

Tendencia pyrolov polymerizovať pôsobením kyselín spôsobuje vážne obmedzenia účasti pyrolov na reakciách s elektrofilmi, pretože tieto premeny často prebiehajú v kyslom prostredí.

Reakcie na atóme dusíka

Kyslosť pyrolu (pK a 17,0) je blízka kyslosti etanolu (pK a 15,9) a silné zásady ho dokážu premeniť na pyrrilový ión, čo je vysoko p-excesný heteroanalóg cyklopentadienylu. Sodné a draselné soli pyrolu získané pôsobením amidov kovov alebo alkalických kovov ľahko interagujú s elektrofilmi - sú alkylované a acylované na atóme dusíka, zatiaľ čo zmiešané N-pyrrylmagnéziumhalogenidy (väzba N-Mg je menej iónová ako N- Na) reagujú hlavne v a-polohe jadra .

Kinetický produkt acylácie, N-acylpyrol, sa v neprítomnosti katalyzátora pri zahrievaní preusporiada na stabilnejší termodynamický produkt, 2-acetylpyrol.

Reakcie na atómoch uhlíka

V neutrálnom a kyslom prostredí pyroly takmer nikdy nereagujú s elektrofilmi na atóme dusíka. Elektrofilný útok smeruje hlavne do a_pozícií jadra. Vysvetľuje to skutočnosť, že s-komplexy typu I vytvorené v tomto prípade, ako v prípade protonácie, sú najstabilnejšie zo všetkých možných.

Nitrácia

Nitračná zmes spôsobuje rýchly rozklad pyrolu, preto sa na nitráciu používajú špeciálne činidlá: acetylnitrát, vopred pripravený zo 70% HNO 3 a acetanhydridu, alebo kryštalický nitróniumtetrafluórborát v nevodných rozpúšťadlách. V druhom prípade (mäkšie činidlo) sú výťažky vyššie. Pomer a- a b-izomérov je približne 4:1.

Sulfonácia

Sulfonácia pyrolu v dôsledku jeho acidofóbnej povahy oleom je nemožná; avšak kyselina pyrol-2-sulfónová vzniká v dobrom výťažku použitím komplexu S03 s pyridínom, ktorý sa nazýva pyridínsulfónový trioxid.

Acylácia

Acylácia pyrolov na atómoch uhlíka, na rozdiel od benzénu, nevyžaduje použitie katalyzátorov zvyčajne používaných pri Friedel-Craftsovej reakcii. Pyrol je taký aktívny, že pri zahrievaní reaguje s anhydridom kyseliny octovej a ľahko sa dajú získať 2-acyl- aj 2,5-diacylpyroly.

Alkylácia pyrolu podľa Friedel-Craftsa sa na syntetické účely používa len zriedka, pretože v tomto prípade rýchlo vznikajú polyalkylderiváty.

Halogenácia

Interakcia pyrolov s molekulárnymi halogénmi vedie spravidla k nahradeniu všetkých atómov vodíka na voľných atómoch uhlíka, súčasne sulfurylchlorid po ochladení monochlóruje pyrol v polohe a.

Monohalopyroly sú na rozdiel od polysubstituovaných zlúčenín nestabilné. Halogenácia pyrolov prebieha tak aktívne, že je často sprevádzaná elimináciou substituentov, napríklad karboxylovej skupiny. Atóm halogénu, najčastejšie jód, sa zase ľahko odstráni počas hydrogenácie. To umožňuje získať nesubstituovanú polohu v jadre v prípade, keď sa ukáže, že substituovaný pyrol je dostupnejší ako východisková zlúčenina, napríklad:

Reakcie pyrolu so slabými elektrofilmi

Pyrol, ktorý má vysokú nukleofilitu, ľahko reaguje s takými slabými elektrofilmi, s ktorými benzén nereaguje ani v drsných podmienkach. Napríklad pyrol vstupuje do Kolbeho karboxylačnej reakcie oveľa ľahšie ako dokonca fenoly - stačí zahrievanie s uhličitanom amónnym.

Pyrol, podobne ako fenol, vzniká za podmienok Reimer-Tiemannovej reakcie, keď dichlórkarbén pôsobí ako aktívne činidlo. Táto interakcia je však komplikovaná paralelným procesom - kruh sa predĺži v dôsledku zavedenia dichlórkarbénu do jednej z p-väzieb pyrolového jadra, čo vedie k 3-chlórpyridínu. Vysvetlením je, že derivát cyklopropánu sa tvorí intermediárne a stabilizuje sa dvoma alternatívnymi spôsobmi. Pomer produktov závisí od reakčných podmienok.

V mierne kyslom prostredí je pyrol relatívne stabilný, čo umožňuje jeho zavedenie napríklad do azokopulačnej reakcie, čo opäť potvrdzuje jeho vysoký p_exces. Ak sa pyrol uvedie do interakcie s diazóniovou soľou v slabo alkalickom prostredí (pyrrylový ión reaguje), potom 2,5- bis(fenylazo)pyrol.

Pyrol je schopný kondenzovať s karbonylovými zlúčeninami vo svojej polohe a, pričom výsledok reakcie závisí od povahy aldehydu alebo ketónu. Ak reakcia s formaldehydom a alifatickými aldehydmi v kyslom prostredí poskytuje hlavne polyméry, potom pri kondenzácii s acetónom je hlavným produktom metylovaný porfyrinogén. Vzájomné odpudzovanie v priestore metylových skupín prispieva k planarizácii medziproduktu - triméru, preto v priebehu ďalšieho stupňa ľahšie vzniká cyklický tetramér ako lineárny.

Pri interakcii pyrolov s aromatickými aldehydmi vznikajú podobným mechanizmom porfyrinogény, ktoré sa však spontánne oxidujú vzdušným kyslíkom na aromatické zlúčeniny. meso- tetraarylporfyríny.

V prípade kondenzácie pyrolu s pár-dimetylaminobenzaldehyd v mierne kyslom prostredí sa môže izolovať primárny kondenzačný produkt, červenofialový arylidénpyroléniový katión (farba Ehrlichova reakcia).

Na získanie nesubstituovaného porfyrinogénu a porfyrínu sa odporúča najskôr premeniť pyrol na voľnú Mannichovu zásadu a až potom vykonať kondenzáciu. Porfyrinogén sa vplyvom väčšiny oxidačných činidiel, napríklad pri zahrievaní v chloroforme s chloranilom, mení na nesubstituovaný porfyrín – porfín.

7. Indol

Indol je kondenzovaný dvojjadrový systém pozostávajúci z pyrolového jadra a benzénu. Systematický názov pre indol je benzo[ b] pyrol. Chemické vlastnosti pyrolu a indolu sú do značnej miery podobné, existujú však rozdiely.

Rovnako ako pyrol, indol má NH-kyslosť (pK a "17), jeho N-anión, generovaný silnými zásadami (EtONa, t-BuOK, atď.), vykazuje aktivitu podobnú pyrrilovému iónu: sodné a draselné soli sú alkylované a acylované na dusíku, zatiaľ čo zmiešané N-deriváty halogenidu horečnatého sú na atóme uhlíka (3), t.j. v polohe b, ale nie na atóme uhlíka a, ako sa vyskytuje v pyrole.

Posledná okolnosť sa vysvetľuje skutočnosťou, že v anióne, rovnako ako v neutrálnej molekule indolu, je negatívny náboj koncentrovaný vo väčšej miere na atóme uhlíka v polohe 3 ako na atóme C (2). Toto je ľahké vidieť v súbore rezonančných štruktúr popisujúcich indolový N-anión:

Je zrejmé, že prenos náboja na atóm 2 je nepriaznivý (štruktúra IV), pretože to narúša aromatickosť benzénového kruhu, zatiaľ čo štruktúry I a II obsahujú aromatický benzénový kruh.

Prítomnosť substituentov priťahujúcich elektróny v polohe 3 výrazne zvyšuje kyslosť a alkylácia sa môže uskutočniť v prítomnosti oveľa slabších zásad.

Indol je vysoko aktívny v reakciách s rôznymi elektrofilmi a substitúcia je tiež orientovaná na polohu 3, ale nie na atóm uhlíka a, ako je to v prípade pyrolu. Rezonančné štruktúry pre indolové s-komplexy zahŕňajúce a- a b- atómy uhlíka vedú k rovnakým záverom ako vyššie uvedená schéma pre N-anióny: s-komplex, ktorý je výsledkom adície elektrofilu na atóm 3, je výhodnejší.

Nitrácia

Indoly, ktoré nemajú substituenty v polohách 2 a 3, podobne ako pyrol, polymerizujú pôsobením silných kyselín, preto sa nitrácia takýchto zlúčenín uskutočňuje slabými nitračnými činidlami - etylnitrátom v prítomnosti metoxidu sodného (indolový anión reaguje) alebo benzoylnitrát v neutrálnom prostredí

2-Metylindol je stabilnejší v kyslom prostredí ako indol, preto sa úspešne nitruje za ťažkých podmienok pôsobením kyseliny dusičnej. Do molekuly možno zaviesť až tri nitroskupiny, ale na syntézu čistého mononitroderivátu by sa mali použiť acylnitráty.

Reakcia 2-metylindolu s nitračnou zmesou prebieha zaujímavým spôsobom: vzhľadom na to, že zlúčenina je úplne protónovaná, reakcia na heterocyklickom jadre vôbec neprebieha a intermediárny kovalentný adukt s kyselinou sírovou reaguje na poloha 5 benzénového jadra konjugovaného s atómom dusíka.

Sulfonácia

Sulfonácia indolu, podobne ako pyrolu, sa uskutočňuje pôsobením nekyslého činidla pyridínsulfotrioxidu. Ak je v polohe 3 substituent, napríklad metylová skupina, potom je reakcia orientovaná do polohy 2.

Halogenácia

Halogenácia indolov prebieha v polohe 3 veľmi ľahko, avšak výsledné halogenindoly nie sú odolné voči kyselinám, preto sa pre úspešnú halogenáciu v priebehu reakcie používajú činidlá, s ktorými sa HHal pokiaľ možno neuvoľňuje: N-brómsukcínimid ( NBS), SO2CI2, KI3, pyridíniumperbromid.

Ak je na C-atóme v polohe 3 substituent, potom sa na tomto atóme najprv vytvorí katiónový adukt s halogénom, ktorý sa následne transformuje v dôsledku nukleofilného ataku rozpúšťadla, čo vedie k 2-hydroxyindolom resp. ich deriváty.

Okrem transformácií uvedených vyššie sú indoly schopné podstúpiť elektrofilnú acyláciu, Vilsmeierovu formyláciu, azokondenzáciu a kondenzáciu s karbonylovými zlúčeninami. Všetky reakcie prebiehajú za miernych podmienok a sú orientované do polohy 3.

Substitučná skupina v polohe 3 spravidla nebráni elektrofilnému ataku v tejto polohe a transformácia je ukončená substitúciou tejto skupiny elektrofilmi ( ipso- substitúcia).

Výnimkou sú diazóniové soli, ktoré do tejto reakcie nevstupujú.

8. Furán

Z troch uvažovaných päťčlenných heterocyklov je furán najmenej aromatický a jeho diénový charakter sa nápadne prejavuje v mnohých reakciách.

Elektrofilné aromatické substitučné reakcie pre furán sú známe, ale vyžadujú špeciálne činidlá, pretože pôsobením protických kyselín sa furánový kruh ničí oveľa ľahšie ako pyrol a ešte viac indol.

A vo všeobecnosti je furán v týchto reakciách výrazne podobný pyrolu - je veľmi aktívny a reaguje hlavne s a-pozíciami.

Sulfonácia

Sulfonácia furánu, podobne ako pyrolu, sa môže uskutočniť s pyridínsulfonyltrioxidom v organickom rozpúšťadle. Reakciou vzniká malá prímes kyseliny furán-2,5-disulfónovej.

Izolácia kyseliny furán-2-sulfónovej sa uskutočňuje deštrukciou výsledného pyridínium-2-furylsulfonátu uhličitanom bárnatým a získa sa nerozpustná bárya soľ.

Nitrácia

Rovnako ako pyrol, furán nemôže byť vystavený nitračnej zmesi, ale môže sa použiť acetylnitrát v pyridíne. Reakcia prebieha pomalšie ako v prípade pyrolu a medziproduktom sa vytvorí kovalentný produkt adície činidla do polohy 2 a 5.

Furány so substituentmi priťahujúcimi elektróny sú menej acidofóbne, preto sú nitrované a sulfonované bežnými činidlami.

Halogenácia

Interakcia furánu s halogénmi (bróm a najmä chlór) prebieha prudko a vedie k tvorbe polyhalogénderivátov. Monohalofurány možno získať len za miernych podmienok, napríklad pôsobením dioxándibromidu. O mechanizme furánových halogenačných reakcií panujú nezhody: je možné, že prebiehajú ako adícia molekuly halogénu do polohy 2 a 5 a následná eliminácia molekuly halogenovodíka.

Pôsobenie brómu na furán v metanolickom roztoku, ktorého výsledkom je vznik 2,5-dimetoxy-2,5-dihydrofuránu, sa považuje za potvrdenie adično-eliminačného mechanizmu.

Medziproduktovú tvorbu aduktov dokazuje aj príklad bromačnej reakcie 2,5-dibrómfuránu.

Formylácia

Formylácia furánu podľa Vilsmeiera prebieha rovnako hladko ako v prípade pyrolu, zatiaľ čo acylácia vyžaduje povinné pridanie Friedel-Craftsovho katalyzátora.

Diels-Alderova reakcia

Existujú premeny, v ktorých sa prejavuje diénový charakter furánu. Najcharakteristickejšou transformáciou je reakcia syntézy diénov (Diels-Alder). Samotný furán a mnohé z jeho derivátov ľahko reagujú s anhydridom kyseliny maleínovej, dehydrobenzénom a inými dienofilmi.

9. Tiofén

Spomedzi uvažovaných heterocyklov je tiofén najaromatickejší a svojimi vlastnosťami sa v mnohom podobá benzénu. Deriváty tiofénu sprevádzajú deriváty benzénu v produktoch z uhoľného dechtu a sú im veľmi podobné, často majú dokonca podobnú vôňu.

Tiofén je oveľa odolnejší voči kyselinám ako pyrol a furán, takže ho možno zaviesť do rôznych elektrofilných substitučných reakcií. ktoré sú orientované do a-pozície.

Pri zahrievaní so 100% H3PO4 tiofén trimerizuje, reakcia začína tvorbou a-protónovaného katiónu, ktorý je atakovaný neutrálnou molekulou tiofénu.

Sulfonácia

Tiofén reaguje s elektrofilmi obvyklým aromatickým elektrofilným substitučným mechanizmom. Môže byť sulfonovaný kyselinou sírovou pri izbovej teplote, ktorá sa používa na izoláciu tiofénu z uhoľného benzénu v priemysle.

Nitrácia

Na mononitráciu tiofénu v polohe a je najlepšie použiť nitróniumbórfluorid: acetylnitrát poskytuje až 20 % nečistôt 3-nitrotiofénu, zatiaľ čo kyselina dusičná reaguje príliš prudko, niekedy až s výbuchom. Po objavení sa jednej nitroskupiny v jadre sa aktivita natoľko zníži, že ďalšia nitrácia si vyžaduje použitie dymivej HNO 3 .

Halogenácia

Tiofén sa ľahko brómuje a jóduje (na rozdiel od furánu) v polohe a. Pôsobením chlóru vzniká zmes produktov.

Acylácia

Tiofén sa acyluje podľa Friedel-Craftsa iba v prítomnosti Lewisových kyselín a reakcia je sprevádzaná čiastočnou živicou v dôsledku samokondenzácie výsledných ketónov.

Vilsmeierova reakcia prebieha v dobrom výťažku, ale pri vysokej teplote. Medziprodukt iminiová soľ sa môže izolovať.

Kondenzácia s karbonylovými zlúčeninami

Podobne ako pyrol a furán, tiofén aktívne kondenzuje s karbonylovými zlúčeninami, ale reakcia sa môže zriedka zastaviť v štádiu primárneho karbinolu, často sa získajú di-, tri- a polyméry.

Na rozdiel od furánu, ktorý sa za týchto podmienok rozkladá, sa tiofén môže premeniť na bis-chlórmetylderivát pôsobením veľkého nadbytku formalínu a HCl.

Pozornosť si zasluhuje farebná „indofenínová reakcia“ tiofénu s isatínom za prítomnosti kyseliny sírovej, dôležitá z historického hľadiska.

Intenzívny modrý indofenín bol dôvodom objavu tiofénu. Do roku 1882 sa verilo, že reakcia indofenínu je charakteristická pre aromatické uhľovodíky, od r v tom čase používaný uhoľný benzén vždy obsahoval prímes tiofénu. Raz však tento krásny zážitok zlyhal na prednáške V. Meyera, pretože vtedy používal syntetický, nie uhlie, benzén. Ukázalo sa, že farebná reakcia poskytla nečistotu, ktorá bola neskôr izolovaná a identifikovaná ako nová zlúčenina - tiofén.

Predĺženie slučky

Pre substituované tiofény je známa reakcia expanzie kruhu, ktorá nie je charakteristická pre pyrol a furán; mechanizmus tejto transformácie nie je známy. Je zaujímavé, že v dôsledku toho sa pozoruje pomerne zriedkavý jav - premena aromatickej zlúčeniny na antiaromatickú.

Reakcie na atóme síry

Tiofén vstupuje do zvláštnych reakcií na atóme síry: alkylácia a oxidácia peroxokyselinami.

Zatiaľ čo soli S-alkyltiofénu sú stabilné a, súdiac podľa ich spektrálnych a chemických vlastností, aromatické zlúčeniny, oxidy S,S-tiofénu nie sú aromatické a možno ich získať len pre a,a-disubstituované substráty. Tieto zlúčeniny reagujú s dienofilmi.

10. Vzájomná konverzia päťčlenných heterocyklov

V drsných podmienkach sú pyrol, furán a tiofén schopné otvoriť kruh pôsobením nukleofilov, preto sa v prítomnosti vhodného činidla dokážu navzájom transformovať, čo je možné kombinovať v schéme:

Táto reakcia je pomenovaná po Yurievovi, prebieha pri 350°C v prítomnosti Al203 katalyzátora.

11. Pyridín

Transformácie atómom dusíka

Pyridín je stredne silná báza s pKa = 5,2 merané vo vode (zásaditosť alifatických amínov sa pohybuje od pKa 9-11). Pyridín tvorí kryštalické soli s väčšinou protónových kyselín a často sa používa ako základný katalyzátor alebo rozpúšťadlo, ktoré pomáha viazať kyseliny uvoľnené počas konkrétnej chemickej reakcie.

Ako nukleofil reaguje pyridín s alkylhalogenidmi a inými alkylačnými činidlami mechanizmom SN2 alebo SN1, v závislosti od povahy substrátu.

N_alkylpyridíniové soli sú aromatické zlúčeniny, pretože osamelý elektrónový pár použitý na vytvorenie novej väzby sa nezúčastňuje aromatickej konjugácie. Tieto stabilné látky majú tendenciu reagovať s nukleofilmi kvôli ich vysokému nedostatku p. Napríklad nukleofilná hydroxylácia pôsobením hydroxidu draselného poskytuje a-pyridóny.

Keď pyridíny reagujú s acylhalogenidmi, tvoria sa N-acylové soli. Tieto zlúčeniny nie sú veľmi stabilné a ľahko sa hydrolyzujú späť.

Práve pre svoju nízku stabilitu sú acylpyridíniové soli dôležité pre syntetickú chémiu ako mierne acylačné činidlá. Napríklad si všimneme O-acyláciu ketoenolov - reakciu prebiehajúcu podľa neobvyklého mechanizmu s medziproduktom tvorby aduktu v polohe a heterocyklu.

Keď sa pyridín a jeho deriváty spracujú s peroxokyselinami, vytvoria sa pyridín-N-oxidy, ktorých vlastnosti budú diskutované samostatne.

Reakcie na atómoch uhlíka

Interakcia s elektrofilmi

Ako je uvedené vyššie, pyridín je zlúčenina s deficitom p, preto interakcia s elektrofilmi preň nie je typická, najmä preto, že elektrofilné reakcie prebiehajú v kyslom prostredí, kde pyridínový ión, ktorý má ešte väčší nedostatok p, vstupuje do interakcie s elektrofil. Tieto reakcie sú oveľa ťažšie ako v benzéne. Pyridín je napadnutý iba najsilnejšími elektrofilmi a za veľmi drsných podmienok. Elektrofilná substitúcia na je orientovaná do polohy 3, ktorá sa podobá orientácii reakcií SE2 v nitrobenzéne. Táto orientácia sa dá ľahko vysvetliť porovnateľnou stabilitou štruktúr babičky opisujúcich katiónové s-komplexy, ktoré sú výsledkom adície elektrofilu do g-, b- a a- polôh pyridínového kruhu. Je zrejmé, že iba s-komplex II neobsahuje príspevok štruktúry s kladne nabitým atómom dusíka.

Ako už bolo spomenuté, najskôr nastáva útok elektrofilu alebo protónu na dusík, ktorý dodatočne pasivuje substrát a premieňa ho na katión. Ak sa zabráni tvorbe komplexu na heteroatóme, potom reakcia atómov jadra s elektrofilmi prebieha ľahšie.

Nitrácia

Nitrácia samotného pyridínu, najmä nitračnou zmesou, keď je heterocyklus úplne protónovaný, je mimoriadne obtiažna a nemá praktický význam.

2,6-Dimetyl- a 2,4,6-trimetylpyridíny, aminopyridíny a pyridóny sú oveľa aktívnejšie nitrované vo forme katiónov.

2,6-dihalogénderiváty pyridínu, ktoré sú ako zásady slabšie ako pyridín, reagujú ľahšie, pretože atóm dusíka pyridínu je protónovaný v menšej miere - koncentrácia voľnej bázy je väčšia. Nitrácia je jednoduchšia, keď sa použije aprotické nitračné činidlo, napríklad:

Sulfonácia

Sulfácia pyridínu kyselinou sírovou prebieha o niečo ľahšie ako nitrácia, ale je tiež možná len za drsných podmienok. Pri ešte vyšších teplotách je možný prešmyk na kyselinu 4-sulfónovú.

Zaujímavý produkt možno získať sulfonáciou 2,6_di_ tert _butylpyridín. V skutočnosti sulfonácia prebieha ľahko, tk. objemné substituenty zabraňujú komplexácii S03 na atóme dusíka. Výsledné 2,6_di_ tert Kyselina _butylpyridín-3-sulfónová sa pri zahrievaní mení na cyklický sulfón vďaka jednej z metylových skupín tert-butylový substituent.

Halogenácia

Pyridíny môžu byť halogénované. Nie je možné zaviesť atóm jódu s uspokojivým výťažkom, avšak bróm a chlórpyrimidíny sa syntetizujú veľmi jednoducho.

Pyridín-N-oxidy sú aktívnejšie v reakciách s elektrofilmi ako samotný pyridín. V N-oxidoch existujú dva typy elektrofilnej substitúcie: prvá možnosť (bez pridania nukleofilu) vedie hlavne k N-oxidom 4-substituovaných pyridínov. Táto zdanlivo zvláštna okolnosť je spojená s pozoruhodnou elektronickou povahou N-oxidovej funkcie, ktorá môže súčasne pôsobiť nielen ako akceptor, ale aj ako donor elektrónov. Toto je znázornené na obrázku nižšie.

Preto je možné N-oxid akéhokoľvek substituovaného pyridínu s voľnou polohou 4 nitrovať dymovou HN03 v dobrom výťažku.

Ďalším prístupom k použitiu N-oxidov je uskutočnenie reakcie v prítomnosti slabých nukleofilov, ktoré môžu byť súčasťou činidla, napríklad acetylnitrátu. V tomto prípade sa N-oxid premení na nearomatický adukt, ktorý je napadnutý elektrofilom. Môžeme povedať, že atóm dusíka pyridínu sa dočasne stáva donorom elektrónov. Reakcia umožňuje získať 3-nitro- a 3,5-dinitropyridíny v dobrých výťažkoch.

Podobne ďalšia nitroskupina vstupuje do pozície 5

Nukleofilná substitúcia

Typické transformácie pyridínu sú nukleofilné substitučné reakcie. Aminačná reakcia pyridínu pri zahrievaní s amidom sodným (Chichibabinova reakcia) vedie k tvorbe a-aminopyridínu.

Reakcia nahradenia atómu vodíka v pyridíne aminoskupinou pôsobením amidu sodného je vždy orientovaná do polohy 2. Transformácia má zložitý mechanizmus: pri reakcii sa uvoľňuje molekulárny vodík, čo naznačuje prechodnú tvorbu hydridu sodného. Táto skutočnosť, ako aj neprítomnosť produktov vodíkovej substitúcie v polohe 4, sa vysvetľuje predbežnou koordináciou atómu sodíka s atómom dusíka pyridínu.

Reakcia pyridínov s čerstvo roztaveným hydroxidom draselným vedie k hydroxylácii na a-pyridóny, ktoré sú stabilnejšou formou existencie a- a g-hydroxypyridínov.

Reakcie nukleofilnej substitúcie halogénu v pyridíne prebiehajú podľa rovnakých dvoch alternatívnych mechanizmov ako v halogenarénoch - adícia-eliminácia (AE) a eliminácia-adícia (EA). AE reakcia (pridanie nukleofilu za vzniku s-komplexu a eliminácia odstupujúcej skupiny) prebieha prevažne na atómoch 2, 4 a 6, v ktorých sa koncentruje maximálny kladný náboj. Okrem toho sa atóm dusíka podieľa na delokalizácii negatívneho náboja zodpovedajúcich s-komplexov, ako aj nitroskupina v prípade nitrochlórbenzénov. Je ľahké vidieť, že najstabilnejšie sú aniónové s-komplexy ja a III.

Do molekuly pyridínu možno zaviesť rôzne substituenty pomocou reakcie nukleofilného typu AE. Tu je niekoľko príkladov:

Pyridín-N-oxidy a N-alkylpyridíniové soli vstupujú do rovnakých reakcií ľahšie ako samotný pyridín. Zaujímavé sú najmä N-oxidy a-halogénpyridínov, ktoré sa pôsobením určitých nukleofilov okamžite menia na kondenzované dvojjadrové heterocykly, ktorých tvorba prebieha za účasti N-oxidovej skupiny.

Ak je halogén v polohe 3, potom reakcia pyridínov s nukleofilmi často prebieha podľa mechanizmu EA cez intermediárnu tvorbu heteroanalógu dehydrobenzén - hetarín.

Reakcie voľných radikálov

Pôsobením atómového chlóru a (vysokých teplôt) brómu na pyridín dochádza k halogenácii voľných radikálov, ktoré sú na rozdiel od elektrofilných orientované do polôh 2 a 6.

Pre preparatívne účely sú dôležité reakcie pyridínu s nukleofilnými radikálmi (Minishiho reakcia). Zdrojmi radikálov sú rôzne organické zlúčeniny v prítomnosti peroxidov a solí železa (II), ktorých katión slúži ako nosič elektrónov.

Reakčný mechanizmus zahŕňa kroky homolytického rozkladu peroxidu, konverziu činidla na voľný radikál a jeho pridanie na pyridín, po ktorej nasleduje aromatizácia.

Týmto spôsobom je možné zaviesť hydroxymetylovú skupinu, dialkylamid a ďalšie funkčné skupiny do pozícií 2 a 4 pyridínu a chinolínu.

Literatúra

1. Artemenko A.I., Tikunova I.V., Anufriev E.K. Workshop z organickej chémie. - M.: Vysoká škola, 2007-187s.

2. Berezin B.D., Berezin D.B. Kurz modernej organickej chémie. Učebnica pre vysoké školy. - M.: Vyššia škola, 2001. - 768. roky.

3. Glinka N.L. Všeobecná chémia / Pod redakciou V.A. Rabinovič. - L .: Chémia, 1986. - 704 s.

4. Gradberg I.I. Praktické práce a semináre z organickej chémie. - M.: Drop, 2011. - 352 s.

5. Zbierka úloh z organickej chémie. Učebnica / Pod redakciou A.E. Agronomova. - M.: Vydavateľstvo Moskovskej štátnej univerzity, 2010. - 160. roky.

Podobné dokumenty

Klasifikácia heterocyklických zlúčenín s päťčlennými kruhmi; ich existenciu v prírode. Štúdium metód syntézy mononukleárnych nasýtených a kondenzovaných päťčlenných heterocyklov s jedným a dvoma heteroatómami. Opis prípravy indazolu.

ročníková práca, pridaná 24.02.2015


abstrakt, pridaný 21.02.2009


Pojem heterocyklických zlúčenín, ich podstata a znaky, základné chemické vlastnosti a všeobecný vzorec. Klasifikácia heterocyklických zlúčenín, odrody, charakteristické znaky a spôsoby prípravy. Reakcie elektrofilnej substitúcie.

abstrakt, pridaný 21.02.2009


Opis všeobecnej štruktúry, vlastností a funkcií heterocyklických zlúčenín a ich účinkov na ľudský organizmus na príklade alkaloidov. Porovnávacia charakteristika zástupcov skupiny alkaloidov, ich biosyntéza, aplikácia a distribúcia v prírode.

prezentácia, pridané 22.09.2016


Syntéza a vlastnosti makroheterocyklov obsahujúcich N,S,O na báze primárnych a aromatických amínov za účasti katalyzátorov obsahujúcich Sm. Heterocyklické zlúčeniny, ich použitie. Metódy identifikácie organických zlúčenín pomocou NMR a hmotnostnej spektroskopie.

práca, pridané 22.12.2014


Charakterizácia heterocyklických zlúčenín, ich biologický význam, distribúcia v prírode, účasť na stavbe aminokyselín a klasifikácia. Štruktúra krvnej gemmy a chlorofylu. Štruktúra furánu, furfuralu, imidazolu, tiazolu, pyránu, pyridínu.

abstrakt, pridaný 22.06.2010


Podstata heterocyklických zlúčenín s uzavretým reťazcom obsahujúcim okrem atómov uhlíka aj atómy iných prvkov. Reaktivita, nukleofilita, elektrofilita. Reaktivita substituentov a bočných reťazcov. Výroba a aplikácia.

abstrakt, pridaný 27.09.2011


Pojem a podstata zlúčenín. Opis a charakterizácia aromatických heterocyklických zlúčenín. Príprava a tvorba zlúčenín. Reakcie na atómovom dusíku, elektrofilná poznámka a nukleárna substitúcia. Oxidácia a redukcia. Chinolín.

prednáška, pridané 2.3.2009


Chemická väzba v organických molekulách. Klasifikácia chemických reakcií. Kyslé a zásadité vlastnosti organických zlúčenín. Heterofunkčné deriváty benzénového radu. Sacharidy, nukleové kyseliny, lipidy. heterocyklické zlúčeniny.

návod, pridané 29.11.2011


heterocyklické zlúčeniny. aromatické heterocykly. Niektoré kritériá aromaticity v heterocykloch. Monocyklické systémy podľa Hückelovho pravidla. Reaktivita heteroaromatických zlúčenín. Hlavné znaky chémie pyridínov.

M.I. Antonová, A.S. Berland

BIO-ORGANICKÁ chémia

HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY

Moskva 2010

Štátna vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania

"Moskovská štátna univerzita medicíny a zubného lekárstva" Federálna agentúra pre zdravie a sociálny rozvoj Ruskej federácie

Katedra všeobecnej a bioorganickej chémie

M.I. Antonová, A.S. Berland

BIO-ORGANICKÁ chémia

HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY

Návod na bioorganickú chémiu

za samostatnú prácu žiakov

zubné fakulty lekárskych univerzít

Odporúčané Vzdelávacou a metodickou asociáciou pre lekárske a farmaceutické vzdelávanie ruských univerzít ako učebnú pomôcku pre študentov študujúcich v odbore 060105 (040400) - "Zubné lekárstvo"

Moskva 2010

BBC 24.1 a 73

UDC 546 (075,8)

Recenzenti:

hlavu Katedra organickej chémie MMA im. I.V. Sechenov, d.h. n., profesor N.A. tyukavkina,

hlavu Katedra farmakológie, MGMSU,

Doktor lekárskych vied, profesor A.G. Mulyar

M.I. Antonová, A.S. Berland. Bioorganická chémia, časť VI. Návod. M., MGMSU, 2010, 63s.

Pod redakciou profesora A.S. Berland

Táto učebná pomôcka je venovaná zlúčeninám združeným pod všeobecným názvom "Heterocyklické zlúčeniny". Príručka obsahuje teoretický materiál, analyzované množstvo referenčných úloh, ako aj otázok a úloh na samostatnú prácu študentov. Príručka je odporúčaná pre študentov zubných, lekárskych a pediatrických fakúlt lekárskych univerzít Ruskej federácie na prípravu na hodiny bioorganickej chémie.

BBC 24.1 a 73

© MGMSU, 2010

© M.I. Antonová, A.S. Berland. 2010.

Heterocyklické zlúčeniny

1. Všeobecná charakteristika.

Heterocyklické zlúčeniny sa nazývajú zlúčeniny cyklickej štruktúry, obsahujúce v cykle nielen atómy uhlíka, ale aj atómy iných prvkov (heteroatómy).

Heterocyklické zlúčeniny sú najbežnejšou skupinou organických zlúčenín. Sú súčasťou mnohých látok prírodného pôvodu, ako sú nukleové kyseliny, chlorofyl, krvný hem, alkaloidy, penicilíny a mnohé vitamíny. Heterocyklické zlúčeniny hrajú dôležitú úlohu v metabolických procesoch a majú vysokú biologickú aktivitu. Významná časť moderných liečivých látok obsahuje vo svojej štruktúre heterocykly.

2. Klasifikácia a nomenklatúra heterocyklických zlúčenín.

2.1. Klasifikácia.

Nasledujúce znaky sa používajú na klasifikáciu heterocyklických zlúčenín.

na veľkosť cyklu heterocyklické zlúčeniny sú najčastejšie troj-, štvor-, päť-, šesť- a sedemčlenné:

na typ prvku , zaradené do cyklu sú to najmä zlúčeniny s atómami dusíka, kyslíka alebo síry:

na počet heteroatómov , zahrnuté v cykle, najbežnejšie sú heterocykly s jedným a dvoma heteroatómami, ale známe sú aj zlúčeniny so štyrmi atómami v jednom cykle:

na charakter a vzájomné usporiadanie viacerých heteroatómov sú možné rôzne kombinácie (napríklad N a S, N a O atď.) a heteroatómy môžu zaberať rôzne polohy voči sebe navzájom:

na stupňa nasýtenia heterocykly môžu byť aromatické, nenasýtené a nasýtené:

Najpodrobnejšie bola študovaná chémia aromatických heterocyklov. Úplne alebo čiastočne nasýtené heterocykly sa vzhľadom na zvláštnosti ich chemických vlastností spravidla nepovažujú za heterocyklické zlúčeniny, ale za cyklické analógy určitých alifatických zlúčenín (étery, sulfidy, sekundárne amíny).

na počet cyklov rozlišovať medzi monocyklickými, polycyklickými (hlavne kondenzovanými) systémami. Počet cyklov a ich typy sa môžu veľmi líšiť:

Heterocyklické zlúčeniny sa nazývajú také zlúčeniny cyklickej štruktúry, v ktorých cykloch sú spolu s atómami uhlíka aj atómy iných prvkov. Tieto ďalšie atómy sa nazývajú heteroatómy. Najčastejšie sú takýmito heteroatómami atómy kyslíka, síry a dusíka. Heterocykly môžu obsahovať jeden, dva, tri alebo viac heteroatómov. Podľa teórie napätia cyklu sú však troj- a štvorčlenné cykly nestabilné. Najsilnejšie a teda bežnejšie sú päť- a šesťčlenné heterocykly.

Klasifikácia heterocyklov sa uskutočňuje v závislosti od veľkosti cyklu. V súlade s tým sa rozlišujú troj-, štvor-, päť-, šesťčlenné heterocykly a heterocykly s veľkým počtom atómov.

Heterocyklické zlúčeniny sú početné, v prírode veľmi bežné a majú veľký praktický význam. Patria sem látky ako chlorofyl – zelená látka rastlín, hemoglobín – farbivo krvi a mnohé ďalšie prírodné farbivá, vitamíny, antibiotiká (penicilín), liečivé látky, pesticídy.

Názvoslovie heterocyklov

Heterocyklické zlúčeniny sú pomenované podľa triviálnej, racionálnej a systematickej nomenklatúry. Pre dobre známe heterocyklické zlúčeniny sa často používajú triviálne názvy. Napríklad pyrol, pyridín, furán, indol, purín atď. V racionálnej nomenklatúre sa za základ berie názov určitého heterocyklu - furány, tiofén, pyrol, pyridín alebo iný a je v nich uvedená poloha substituentov. číslami alebo písmenami gréckej abecedy. V heterocykloch s jedným heteroatómom začína číslovanie od tohto heteroatómu.

Obrázok 1.

Moderná vedecká nomenklatúra heterocyklických systémov zahŕňa veľkosť cyklu, jeho nenasýtenosť, počet heteroatómov, ich typ a polohu. Názov heterocyklu podľa tejto nomenklatúry pozostáva z troch častí:

• koreň - označuje veľkosť cyklu,
• prípona - označuje stupeň nenasýtenosti heterocyklického systému
• a predpony - označuje typ heteroatómov a ich počet.

Trojčlenný kruh má koreň -ir, štvorčlenný kruh -et, päťčlenný kruh -ol, šesťčlenný kruh -in. Nasýtené heterocykly s atómom dusíka majú príponu -idín, nasýtené heterocykly bez atómu dusíka majú príponu -an, nasýtené heterocyklické systémy majú príponu -in.

Povaha heteroatómu je označená predponami oxa-, tia- a aza- pre kyslík, síru a dusík, predpony dioxa-, dithia-, diaza- znamenajú dva atómy kyslíka, síry a dusíka. . Ak sú v heterocykle dva alebo viac rôznych heteroatómov, potom sú uvedené v poradí podľa priority kyslík pred sírou a síra pred dusíkom a sú očíslované v nasledujúcom poradí: $O$, $S$, $N$.

Ak je v heterocykle jeden atóm kyslíka a jeden atóm dusíka, použije sa predpona - oxaza- a v prítomnosti jedného atómu síry a jedného atómu dusíka - tiaza-. Keď sú terciárny atóm dusíka a skupina $NH$ v kruhu súčasne, číslo 1 označuje atóm dusíka skupiny $NH$. V tomto prípade sa číslovanie vykoná v nasledujúcom poradí: $O$, $S$, $NH$, $N$.

Heterocykly, ktoré neobsahujú extrémne väzby, majú spravidla podobné chemické a fyzikálne vlastnosti ako zodpovedajúce cyklické zlúčeniny.

Aromatickosť heterocyklov

Existuje obrovská skupina heterocyklov, ktoré majú konjugovaný systém viacnásobných väzieb. Takéto heterocykly sa svojou stabilitou a typmi reakcií podobajú benzénu a jeho derivátom a nazývajú sa aromatické heterocyklické zlúčeniny.

Podľa Hückelovho pravidla má kruhový systém aromatické vlastnosti, ak:

• obsahuje $4n + 2$ zovšeobecňujúce elektróny;
• má súvislý reťazec konjugácie;
• je rovinný.

Porovnajme dve zlúčeniny - benzén a pyridín:

Obrázok 2

Obrázok 3

V molekule benzénu sú atómy uhlíka v hybridizačnom stave $sp2$. Štvrtý elektrón každého atómu uhlíka je nehybridizovateľný. V tomto prípade vzniká sextet elektrónov zovšeobecnený všetkými atómami cyklu (aromatický sextet).

Oblaky nehybridizovaných $\pi$-elektrónov v tvare objemových osmičiek, ktoré sa navzájom prekrývajú, tvoria jediný $\pi$-elektrónový oblak:

Obrázok 4

Aromatický charakter pyridínu možno vysvetliť podobne. Len 5$\pi$-elektrónov z atómov uhlíka a jeden elektrón z dusíka sa podieľa na tvorbe elektrónového sextetu v prírode:

Obrázok 5

Atóm dusíka si zachováva nezdieľaný pár elektrónov. Tento pár elektrónov nie je súčasťou aromatického sextetu; rovinný systém; zodpovedá Hückelovmu pravidlu: $ 4n + 2 $.

Elektrónová štruktúra päťčlenných heterocyklov

Uvažujme o elektrónovej štruktúre päťčlenného heterocyklu - pyrolu, ktorý tvoria štyri atómy uhlíka a atóm dusíka a obsahuje dve dvojité väzby:

Obrázok 6

V molekule pyrolu sa tiež vytvára aromatický sextet v dôsledku štyroch $\pi$-elektrónov atómov uhlíka a dvoch nezdieľaných p-elektrónov atómu dusíka. V jadre teda vzniká spoločný systém sexteta elektrónov a jadro má aromatické vlastnosti. Platí prvé pravidlo aromaticity: existuje $4n + 2 = 4\cdot1 + 2 = 6$ zovšeobecnených elektrónov. Je splnená aj druhá podmienka aromaticity – je zachovaný súvislý konjugačný reťazec, ktorý zahŕňa nerozdelený pár elektrónov atómu dusíka. Všetky atómy ležia v rovnakej rovine, sústava je rovinná. V päťčlenných heterocykloch je teda 6 elektrónov delokalizovaných medzi 5 atómov, ktoré tvoria tento cyklus.

Obrázok 7

Z päťčlenných heterocyklických zlúčenín s jedným heteroatómom sú najdôležitejšie: furán, tiofén a pyrol. Pre furán, tiofén, pyrol a ich deriváty sú typické elektrofilné substitučné reakcie: nitrácia, sulfonácia, halogenácia, acylácia atď. Táto vlastnosť vlastností týchto heterocyklických zlúčenín je spojená s ich elektrónovou štruktúrou. Cykly týchto látok obsahujú atómy uhlíka aj heteroatómy. Atómy uhlíka a heteroatómy sú spojené so susednými atómami uhlíka väzbami $\sigma$.

Iné aromatické heterocyklické zlúčeniny

Pretože atómy uhlíka rôznych cyklov a v rôznych kombináciách môžu byť nahradené heteroatómami v polycyklických zlúčeninách, počet možných aromatických heterocyklických zlúčenín je extrémne veľký:

Obrázok 8

Okrem heterocyklických systémov, ktoré obsahujú šesť $\pi$-elektrónov v každom kruhu, existuje množstvo príkladov aromatických ($4n+2$) p-elektrónových heterocyklických zlúčenín, v ktorých $n >1$. Heterocyklické analógy aromatických anulénov sú známe. Príklady zahŕňajú oxa-anulén, aza-anulén, aza-anulén, izoelektronický až aromatický-anulén:

Obrázok 9

Obrázok 10.

Ďalším dobrým príkladom aromatického heteroanulénu je premostený homochinolín, ktorý je izoelektronický voči 1,6-metanoanulénu a obsahuje 10 p-elektrónov:

Obrázok 11.

HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY jedna z najpočetnejších tried organických zlúčenín ( cm. ORGANICKÁ CHÉMIA), obsahujú v zložení uhľovodíkového cyklu jeden alebo viac heteroatómov: O, N, S (obr. 1).

Ryža. jeden. JEDNODUCHÉ HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY

Klasifikácia heterocyklických zlúčenín. V závislosti od povahy heteroatómu sa rozlišujú zlúčeniny obsahujúce kyslík, dusík a síru. Existujú aj zlúčeniny, ktoré obsahujú súčasne niekoľko rovnakých (obr. 2, dioxán) alebo rôznych heteroatómov (obr. 2, tiazol, oxazín). Okrem toho sa delia na nasýtené zlúčeniny (obr. 1, piperidín) a nenasýtené, t.j. obsahujúce násobné väzby (obr. 1, furán, pyridín, tiofén). V závislosti od počtu cyklických fragmentov v molekule sa rozlišujú mononukleárne monocyklické zlúčeniny (obr. 1) a polynukleárne obsahujúce niekoľko cyklov, pričom cykly môžu byť kondenzované (obsahujú dva spoločné atómy, obr. 2, indol), alebo spojené pomocou a jednoduchá väzba (obr. 2, bipyridyl). Makrocyklické zlúčeniny, takzvané korunové étery ( koruna Angličtina koruna) obsahujúca viac ako štyri heteroatómy a viac ako desať väzieb v kruhovej štruktúre (spojka je fragment dvoch chemicky viazaných atómov, (obr. 2).

Ryža. 2. RÔZNE TYPY KOMPLEXNEJŠÍCH HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN: s dvoma rovnakými (dioxán) alebo rôznymi (tiazol, oxazín) heteroatómami. Dvojjadrové zlúčeniny: s kondenzovanými (indol) alebo oddelenými cyklami (bipyridyl). Crown étery zlúčeniny s veľkými cyklami (makrocyklické).

Nomenklatúra heterocyklických zlúčenín. Pre veľkú skupinu heterocyklických zlúčenín je použitie triviálnych ( cm. TRIVIÁLNE NÁZVY LÁTOK) názvy, ktoré sa vyvíjali historicky (napríklad obr. 1), takýchto názvov je celkovo asi 60. V ostatných prípadoch sa názvy (nazývajú sa systematické) zostavujú podľa osobitných pravidiel IUPAC (International Union of Theoretical). a Applied Chemistry), ktoré sú v tomto prípade zvláštne a líšia sa od systému, ktorý je akceptovaný pre väčšinu organických zlúčenín iných tried. Z koreňov a predpôn špeciálne navrhnutých na tento účel sa vytvorí názov, ktorý dodržiava dohodnuté poradie. Jeho základom je koreň pozostávajúci z dvoch slabík. Prvá slabika označuje počet odkazov v cykle, napríklad slabika „ ir" (dve preskupené písmená z latinského koreňa " t RI “) zodpovedá trojčlennému cyklu, slabika „ č“ (úlomok latinčiny t et ra ) štvorčlenný cyklus, slabika “ OK“ (časť latinčiny okta ) sa používa pre osemčlenné cykly. Pôvod niektorých iných slabík označujúcich veľkosť cyklu nie je vždy logicky opodstatnený, napríklad pri šesťčlenných cykloch je slabika „ v“, prevzaté z názvu bežného heterocyklu „pyride v» (obr. 1).

Druhá slabika označuje, či je heterocyklus nasýtený slabikou " en alebo nenasýtená slabika en"(analógia s názvami uhľovodíkov: et en toto sk). Pred koreňom je umiestnená predpona, ktorá označuje povahu heteroatómu: O oxa,

Stia, N aza. Keďže koreň často začína samohláskou, koncové „a“ sa zvyčajne z predpony vynecháva. Výsledkom je nasýtený trojčlenný cyklus obsahujúci S , sa nazývajú tiiran (obr. 3A): „ ti-" skrátená predpona "tio-", časť koreňa " ir“ označuje trojčlenný cyklus a druhá časť koreňa “ en» zodpovedá nasýtenej zlúčenine. Podobne trojčlenný O-obsahujúci nenasýtený kruh sa nazýva oxirén (obr. 3B). Ak je v heterocykle niekoľko heteroatómov, ich poloha je označená pomocou číselných indexov, ktoré predtým očíslovali atómy v cykle, a počet takýchto atómov je označený predponami di-, tri- atď. 1,3,5-triazín (obr. 3B). Ak existujú rôzne heteroatómy, sú uvedené v nasledujúcom poradí: O>S>N (tento stanovený poriadok je podmienený a nesúvisí s chemickými vlastnosťami). Na konci názvu sa používa koreň na označenie veľkosti kruhu a nenasýtenosti, napríklad 1,2,6-oxadiazín (obr. 3E). Ako písať korene pre N -obsahujúce cykly sa trochu líši od vyššie opísaného, ​​ktorý je tiež špeciálne stanovený, napríklad koreň " v» v názve 1,2,6-oxadiazín (obr. 3D) označuje šesťčlenný aj nenasýtený kruh.Pravidlá zostavovania systematických názvov sú použiteľné pre všetky heterocyklické zlúčeniny vrátane tých, pre ktoré existujú dobre zavedené triviálne názvy, napríklad bicyklická zlúčenina s triviálnym názvom chinolín (obr. 3F) má systematický názov benzazín. Namiesto zložitého systému systematických názvov chemici často používajú jednoduchší systém založený na triviálnych názvoch: „izolujú“ fragment triviálneho názvu v molekule a označujú polohu substituentov pomocou digitálnych indexov Názov 8-hydroxychinolín je zložený týmto spôsobom (obr. 3G).

Ryža. 3. SYSTEMATICKÉ NÁZVY HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN(PEKLO). Porovnanie systematických a triviálnych mien (E). Použitie triviálneho termínu v skladbe mena (G). V 8-hydroxychinolíne (G) nie sú dva atómy uhlíka patriace súčasne do dvoch cyklov očíslované, pretože nemôžu mať náhradníkov.

Chemické vlastnosti heterocyklických zlúčenín. Troj- a štvorčlenné heterocykly sú napäté systémy, vyznačujú sa reakciami otvárajúcimi kruh. Etylénoxid (pri 150 °C a tlaku 2 MPa) sa hydrolyzuje za vzniku etylénglykolu (obr. 4A). Reakcia napätých cyklov obsahujúcich O s alkoholmi vedie k zlúčeninám s OH skupinou a éterovou väzbou (cellosolves, obr. 4B) a pôsobením halogenovodíkov na ne zlúčeniny obsahujúce Hal a OH skupina (halogénhydríny, obr. 4B). N - obsahujúce napnuté kruhy, interagujúce s halogenovodíkmi tvoria halogénalkylamíny (obr. 4d).

Ryža. štyri. PÄŤ- A ŠESŤČLENNÉ NENASÝTENÉ HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY, ako aj ich deriváty, majú aromatickosť, preto sa ich chemické správanie podobá vlastnostiam aromatických zlúčenín (derivátov benzénu) pri rôznych premenách, cyklický fragment je relatívne stabilný a atómy H na atómoch uhlíka v kruhu, podobne ako v benzéne, môžu byť nahradené rôznymi skupinami ( cm. ORGANICKÁ CHÉMIA). Po sulfonácii (obr. 5A), nitrácii (obr. 5B) a acylácii (obr. 5C, D) sú atómy H nahradené zodpovedajúcimi skupinami, pričom cyklus zostáva nezmenený. Stabilita cyklických fragmentov v takýchto zlúčeninách je však nižšia ako stabilita benzénového kruhu, takže všetky substitučné reakcie sa uskutočňujú za miernejších podmienok.

Ryža. 5. SUBSTITUČNÉ REAKCIE v heterocyklických zlúčeninách: A sulfonácia, B nitrácia, C, D acetylácia. Podobne ako substitučné reakcie v benzénovom kruhu zostáva cyklický fragment nezmenený.

Trvá 6 R- elektróny ( cm. AROMATICITA). Každá dvojitá väzba sa skladá z dvoch väzieb ( cm. ORBITALY), prvú tvoria dve

s -elektrón dvoch susedných atómov a druhý je tvorený párom R- elektróny (označené bodkami vo vnútri pyridínového cyklu, obr. 6A). Šesťelektrónový systém v pyridíne je tvorený piatimi R- elektróny patriace k atómom uhlíka (čierne bodky) a jeden R- elektrón z dusíka (modrá bodka). Výsledkom je, že osamelý elektrónový pár dusíka (červené bodky) sa nezúčastňuje na tvorbe aromatického systému, preto môže byť takýto atóm dusíka donorom (poskytujúcim elektróny) pri tvorbe väzby donor-akceptor (amíny majú rovnakú vlastnosť). Takýto donor sa často nazýva Lewisova zásada, pretože vykazuje vlastnosti typické pre zásadu: tvorí stabilné soli s minerálnymi kyselinami (obr. 6A), čo sú komplexné zlúčeniny. Podobne sa správa chinolín (obr. 6B), ktorý možno považovať za derivát pyridínu. Vlastnosti zásady sú najvýraznejšie u 8-hydroxychinolínu (obr. 3G). Táto zlúčenina silne viaže ióny väčšiny kovov, pričom vytvára dve bežné chemické väzby atómu kovu s dvoma atómami O a dve väzby donor-akceptor s atómami. N . Takéto komplexy sa nazývajú chelátové (z gréckeho chele pazúr) alebo pazúrovité. Táto vlastnosť 8-hydroxychinolínu je široko používaná v analytickej chémii na kvantitatívne stanovenie kovov.

Ryža. 6. TVORBA KOMPLEXNEJ SOLI za účasti šesťčlenných heterocyklov obsahujúcich dusík (A, B). Chelátové komplexy kovových iónov (B).

Pri prechode zo šesťčlennej na päťčlennú

N -obsahujúce nenasýtené heterocykly (pyrol, obr. 7) sa situácia mení. V tomto prípade sa osamelý elektrónový pár dusíka (obr. 7, červené bodky) podieľa na tvorbe šesťelektrónového aromatického systému a nemôže sa podieľať na tvorbe väzby donor-akceptor, v dôsledku čoho sa vlastnosti kyseliny väzby sa jasne prejavujú N-H : vodík môže byť nahradený kovom (obr. 7). Takéto kovové deriváty sú vhodnými medziproduktmi na pridávanie alkylových (obr. 7A) alebo acetylových skupín (obr. 7B) k dusíku.

Päťčlenný imidazolový heterocyklus (obr. 7B) obsahujúci dva atómy

N , je tiež aromatická zlúčenina 6 R-elektróny. Zaujímavé je, že má kyslé aj zásadité vlastnosti. Atom N v zoskupení N - H môže reagovať ako kyselina, podobne ako pyrol (obr. 7A, B), druhý atóm N vlastnosťami sa podobá na rovnaký atóm v pyridíne, vyznačuje sa reakciami znázornenými na obr. 6A.

Ryža. 7. KYSELNÉ VLASTNOSTI PÄŤČLENNÉHO HETEROCYKLU PYRROL(A, B). Kombinácia kyslých a zásaditých vlastností v imidazole (B). dva atómy

N v imidazole a ich elektróny sú označené rôznymi farbami.

Heterocyklické zlúčeniny sa získavajú pomocou rôznych kondenzačných procesov, ktoré prechádzajú fázou uzavretia kruhu (obr. 8A-B). Tok takýchto reakcií v požadovanom smere je stimulovaný skutočnosťou, že v dôsledku toho vznikajú relatívne stabilné heteroaromatické zlúčeniny. Niektoré heterocyklické zlúčeniny sa získavajú na základe zlúčenín podobného zloženia. Furfural sa získava dekarbonyláciou (odstránením CO) furfuralu (obr. 8d, furfural je zaužívaný triviálny názov, ktorý nepresne odráža zloženie, správnejšie furfural). Hydrogenácia furánu vedie k tetrahydrofuránu (obr. 8E).

Ryža. osem. METÓDY ZÍSKANIA HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN

V nenasýtených päťčlenných heterocykloch je jeden heteroatóm nahradený iným bez zmeny cyklického fragmentu (obr. 9).

Ryža. 9. VNÚTORNÉ KONVERZIE PÄŤČLENNÝCH HETEROCYKLOV

Mnoho heterocyklických zlúčenín sa získava spracovaním prírodných produktov. Pyrol a indol (obr. 2) sa nachádzajú v uhoľnom dechte, tiofén sa získava z produktov koksovania uhlia a termického rozkladu ropných bridlíc, furán sa izoluje z produktov suchej destilácie niektorých druhov dreva. Pyridín (obr. 1) sa získava z uhoľného dechtu, produktov suchej destilácie dreva a rašeliny. Furfural (obr. 8) sa získava hydrolýzou rastlinných materiálov (kukuričné ​​klasy, ovsené a ryžové šupky) v prítomnosti zriedených minerálnych kyselín.

Účasť heterocyklických zlúčenín na biologických procesoch. Súčasťou sú tri zlúčeniny uracil, tymín a cytozín, ktoré sú derivátmi dusíkatého pyrimidínového heterocyklu (obr. 10, v zátvorkách), ako aj dva deriváty purínového heterocyklu (obr. 10) guanín a adenín. z nukleových kyselín, poradie striedania týchto heterocyklov pozdĺž polymérnych reťazcov DNA a RNA určuje všetky dedičné informácie živého organizmu a spôsob zostavovania molekúl bielkovín.

Obr.10. HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY ktoré tvoria nukleové kyseliny

Niektoré aminokyseliny (obr. 11) podieľajúce sa na tvorbe bielkovín obsahujú aj heterocyklické fragmenty: tryptofán zahŕňa indolový fragment (obr. 2), histidín má imidazolový cyklus (obr. 7), prolín je derivát pyrolidínu.

Fragmenty heterocyklov sa nachádzajú v štruktúre mnohých biologicky aktívnych látok, medzi najpoužívanejšími liečivami je viac ako 60 % heterocyklických zlúčenín. Štvorčlenný cyklus azetidinón (obr. 11) je súčasťou antibiotík penicilín a cefalosporín, kyselina askorbová (vitamín C) obsahuje furánový heterocyklus, ďalší vitamín nikotínamid obsahuje fragment pyridínu, molekula kofeínu je „postavená“ na báze tzv. už spomínaný purín (obr. . desať).

Ryža. jedenásť. PRÍTOMNOSŤ FRAGMENTOV HETEROCYKLICKÝCH ZLÚČENÍN v štruktúre biologicky dôležitých molekúl

Pre všetky zlúčeniny (obr. 10), s výnimkou azetidinónu, sú uvedené triviálne názvy, ktoré sa zaviedli a začali používať skôr, ako boli sformulované pravidlá systematického názvoslovia.

Použitie heterocyklických zlúčenín. Dioxán (obr. 2) a tetrahydrofurán (obr. 8) sú široko používané ako vysoko polárne rozpúšťadlá v organickej syntéze.

Furfural (obr. 8) je východiskovým produktom na získanie furánu (obr. 8), tetrahydrofuránu, ako aj na syntézu niektorých liečiv (furatsilín).

Pri kondenzácii furfuralu v kyslom prostredí vznikajú polymérne produkty (furánové živice), ktoré štruktúrou pripomínajú fenolové živice, CH2 metylénové skupiny spájajúce heterocykly (obr. 12A). Keď sa takéto živice zahrejú v prítomnosti kyslých katalyzátorov (napríklad kyseliny toluénsulfónovej), dvojité väzby sa otvoria s vytvorením priečnych väzieb, v dôsledku čoho polymér prechádza do nerozpustného stavu, čo umožňuje jeho použitie ako spojivo pri výrobe rôznych plnených lisovacích materiálov: sklenené a uhlíkové plasty, drevovláknité dosky atď. V tuhom stave sú furánové polyméry chemicky odolné látky (do 300°C), čo umožňuje ich použitie ako korózii a ohňovzdorné tmely a tmely.

Pri kondenzácii aromatických tetramínov (4 aminoskupiny) s estermi aromatických dikarboxylových kyselín ( cm. ESTERY) vznikajú polyméry, v štruktúre ktorých sa pri syntéze objavujú fragmenty benzimidazolu (obr. 12B). Takéto polyméry, nazývané polybenzimidazoly, majú vysokú pevnosť a tepelnú odolnosť (do 500°C), vyrábajú sa z nich fólie, vlákna (obchodný názov ARMOS a RUSAR), vystužené plasty.

Ryža. 12. POLYMÉRY OBSAHUJÚCE HETEROCYKLICKÉ FRAGMENTY V REŤAZCI: polymér furánu (A), polybenzimidazol (B).

Deriváty benzimidazolu sú súčasťou liečiv (dibazol).

Indol (obr. 2) sa používa ako fixátor pachu v parfumérskom priemysle a pri výrobe niektorých liečiv (indometacín).

Michail Levický

LITERATÚRA Gilchrist T. Chémia heterocyklických zlúčenín. M., Mir, 1996
Kim D.G. Úvod do chémie heterocyklických zlúčenín. Soros Educational Journal, ročník 7, 2001, číslo 11

Heterocyklické zlúčeniny zahŕňajú organické zlúčeniny obsahujúce vo svojich molekulách cykly, v ktorých sa okrem uhlíka nachádzajú atómy iných prvkov (heteroatómy: O, N, S).

Heterocyklické zlúčeniny sú klasifikované:

a) počtom atómov v cykle (od trojčlenného po makrocyklický);

b) počtom a typom heteroatómov (–O, –N, –S);

c) podľa stupňa nenasýtenosti heterocyklu (nasýtený a nenasýtený).

Obzvlášť zaujímavé sú nenasýtené heterocyklické zlúčeniny, ktoré spĺňajú podmienky aromaticity: podľa počtu π-elektrónov zodpovedajú Hückelovmu pravidlu; majú plochú štruktúru a uzavretý systém π-elektrónov.

Pri pomenovaní heterocyklov sa bežne používajú triviálne názvy:

Číslovanie v heterocykloch je pevné a vo väčšine prípadov závisí od seniority substituentov. V samostatnej skupine sa rozlišujú heterocyklické zlúčeniny s kondenzovanými jadrami:

Heterocyklické zlúčeniny hrajú dôležitú úlohu v živote organizmov a majú veľký fyziologický význam (DNA, RNA, chlorofyl, alkaloidy, množstvo vitamínov, antibiotiká).

PÄŤČLENNÉ SYSTÉMY S JEDNÝM HETEROATÓMOM

Najvýznamnejšími zástupcami sú furán, tiofén, pyrol. Všetky sú aromatické zlúčeniny: spĺňajú Hückelovo pravidlo, 4 elektróny uhlíkového atómu cyklu sú v π-konjugácii s osamelým párom elektrónov heteroatómu, samotný cyklus má planárnu štruktúru. Preto, ako v prípade benzénu, ich vzorce možno znázorniť takto:

METÓDY ZÍSKANIA

1. Cyklizácia 1,4-dikarbonylových zlúčenín (diketónov, dikarboxylových kyselín alebo ketokyselín). Pri ich zahrievaní s dehydratačným činidlom (CaCl 2, H 2 SO 4, P 2 O 5) vznikajú deriváty furánu; pri vykonávaní dehydratácie v prostredí NH3 - pyrol; v prítomnosti P2S5-tiofénu:

2. Izolácia od prírodných zdrojov. Tiofén a pyrol sú obsiahnuté v uhoľnom dechte, furáne - od surovín obsahujúcich pentosan (plevy slnečnicových semien, kukuričné ​​klasy) až po štádium získavania furfuralu.

3. K interkonverziám furánu, tiofénu, pyrolu (Yurievova reakcia) dochádza pri t=450 o C nad Al 2 O 3:

4. Interakcia acetylénu so sírovodíkom alebo amoniakom. Keď zmes H2S prechádza cez Al203, vytvorí sa tiofén

a zmesi s NH3-pyrolom

Fyzikálne vlastnosti

Všetky tri látky sú bezfarebné kvapaliny, prakticky nerozpustné vo vode.

CHEMICKÉ VLASTNOSTI

Keďže tieto zlúčeniny sú aromatické, vyznačujú sa elektrofilnými substitučnými reakciami (nitrácia, sulfonácia, halogenácia, acylácia) postupujúce do polohy 2 (poloha a) za veľmi miernych podmienok.

Furán, tiofén a pyrol sú slabé zásady. Produkty protonizácie furánu a pyrolu minerálnymi kyselinami:

nestabilný, výsledný katión rýchlo stráca svoju aromatickosť, nadobúda vlastnosti konjugovaného diénu a ľahko polymerizuje. Tento jav sa nazýva acidofóbia („strach z kyseliny“).

Tiofén nie je acidofóbny (v dôsledku rovnosti elektronegativity atómov S a C cyklu). Pyrol je schopný vykazovať kyslé vlastnosti na N-H väzbe a nahradiť atóm vodíka atómom Na alebo K pri interakcii s kovmi alebo koncentrovaným alkalickým KOH:

1. Halogenácia. Uskutočňuje sa komplexom Br2 s dioxánom, Br2 pri nízkej teplote (bromácia) alebo Cl2 pri nízkej teplote, SO2Cl2 (chlorácia):

2. Sulfonácia. Uskutočňuje sa s pyridínsulfotrioxidom C 5 H 5 N SO 3, pretože v tomto prípade nie sú v reakčnej zmesi žiadne kyslé zlúčeniny:

3.Nitrácia. Vykonáva sa s acetylnitrátom (zmes acetanhydridu a HNO 3):

4. Acylácia. Vykonáva sa pomocou anhydridov kyselín v prítomnosti katalyzátorov: AlCl 3, SnCl 4, BF 3 (Friedel-Craftsova reakcia):

5. Alkylácia podľa Friedel-Craftsa nie je možné uskutočniť, avšak pyrol draselný pri interakcii s halogénovými derivátmi poskytuje N-alkylpyroly, ktoré izomerizujú pri zahriatí na 2-alkylpyroly:

6. hydrogenácia. Vyskytuje sa v prítomnosti Ni alebo Pt katalyzátorov pre furán a pyrol, Pd pre tiofén:

ŠESŤČLENNÉ HETEROCYKLY S JEDNÝM ATÓMOM DUSÍKA

Najväčší záujem je o pyridín:

Je to heterocyklický analóg benzénu, v ktorom je jedna –CH= skupina nahradená sp 2 -hybridným atómom uhlíka. Má aromatický charakter. Pretože osamelý pár elektrónov atómu dusíka nevstupuje do π-konjugácie, pyridín nie je acidofóbny a vykazuje vysoké zásadité vlastnosti. Hustota elektrónov v kruhu je znížená, najmä v polohách 2, 4, 6, takže pyridín ľahšie vstupuje do nukleofilných než elektrofilných substitučných reakcií.

METÓDY ZÍSKANIA

1. Izolácia od prírodných zdrojov. Pyridín a jeho homológy sa získavajú z uhoľného dechtu.

2. Pyridínové homológy možno získať nasledujúcimi spôsobmi:

2.1. Kondenzácia aldehydov s amoniakom

2.2. Reakcia acetylénu s amoniakom (Repeova metóda)

2.3. Kondenzácia β-diketónov alebo β-ketoesterov s aldehydmi a amoniakom (Hanchova metóda). V tomto prípade vznikajúce medziprodukty 1,4-dihydropyridíny sa oxidujú na pyridíny kyselinou dusičnou alebo N02

Ďalšia hydrolýza a dekarboxylácia výsledného produktu vedie k trialkylpyridínom.

Fyzikálne vlastnosti

Pyridín je bezfarebná kvapalina s charakteristickým nepríjemným zápachom. Rozpustíme vo vode, formy s ňou zmiešame s hustotou ρ=1,00347 g/dm 3 .

CHEMICKÉ VLASTNOSTI

1. Zásaditosť. Pyridín vykazuje základné vlastnosti vo väčšej miere ako furán, tiofén a pyrol. Ako slabá zásada so silnými minerálnymi kyselinami poskytuje aromatické pyridíniové soli.

2. Alkylácia. Uskutočňuje sa pomocou halogénderivátov za vzniku pyridíniových solí, ktoré po zahriatí poskytujú 2- (alebo 4-) alkyl-substituované pyridíny

3. Elektrofilné substitučné reakcie. V prípade pyridínu tečú s ťažkosťami (keďže atóm dusíka má akceptorové vlastnosti) do polohy 3

4. Nukleofilné substitučné reakcie. Ľahko prúdia (v dôsledku vyčerpania elektrónovej hustoty kruhu) do polohy 2

5. zotavenie. Vykonáva sa s vodíkom v náročných podmienkach

6. Oxidácia pyridín sa vyskytuje iba vo veľmi drsných podmienkach. Homológy obsahujúce alkylové postranné reťazce sa na nich oxidujú podobne ako benzénové homológy