Phân tích 

Hợp chất dị vòng tính chất vật lý và hóa học. Cấu trúc và danh pháp



Bài kiểm tra

Hợp chất dị vòng

Nội dung

  • 3. Cấu tạo của dị vòng
  • 5. Azoles
  • 6. Pyrrole
  • 7. Indole
  • 8. Furan
  • 9. Thiophene
  • 11. Pyridine
  • Văn chương

1. Bối cảnh, sự phân bố và ý nghĩa

Vòng tuần hoàn được gọi là các hợp chất hữu cơ, chu trình của nó được xây dựng không chỉ từ các nguyên tử cacbon, mà còn từ các nguyên tử của các nguyên tố cơ quan khác (nitơ, oxy, lưu huỳnh, phốt pho, v.v.). Hóa học hiện đại cho phép đưa một nguyên tử của hầu hết các nguyên tố trong Bảng tuần hoàn vào khung tuần hoàn của một phân tử. Dị vòng có thể bão hòa và không bão hòa, trong số các vòng sau có thơm và phản thơm.

Một số hợp chất dị vòng no đã được đề cập trong các chương trước - đây là các amin bậc hai mạch vòng (piperidin, morpholine), lacton và lactam - các dẫn xuất của hydroxy và axit amin.

Tầm quan trọng của dị vòng trong hóa học hiện đại và hóa sinh, sinh học phân tử và y học có thể được ước tính ít nhất từ ​​thực tế là khoảng 50% các công bố trên các tạp chí khoa học dành cho các lĩnh vực kiến ​​thức này bằng cách nào đó có liên quan đến dị vòng.

Dị vòng thơm, đặc biệt là những vòng chứa một hoặc nhiều nguyên tử nitơ, phân bố rộng rãi trong tự nhiên và là một phần của cấu trúc hóa học phức tạp có trong mọi tế bào sống. Vì vậy, các dẫn xuất của hệ dị vòng của pyrimidine (uracil, thymine, cytosine) và imidazopyrimidine, được gọi là purine, (adenine, cytosine) là một phần của DNA - bộ máy di truyền của mọi sinh vật.

Heterocycles là một phần của các phân tử của a-amino axit tạo thành các đại phân tử protein

Hệ thống porphyrin năm nhân dị vòng là nút chính trong phân tử sinh học hemoglobin, và chlorin dị vòng liên quan, có một liên kết hydro hóa, là cơ sở của chất diệp lục.

Dễ dàng nhận thấy rằng hai hệ thống này có sự tương đồng về cấu trúc rất lớn (thậm chí các nhóm thế tương tự nhau), điều này cho thấy nguồn gốc tiến hóa chung của chúng.

Để bão hòa số phối trí của ion sắt trong hemoglobin bằng sáu (bát diện méo mó), ngoài bốn nguyên tử nitơ porphyrin (xem công thức heme), các đoạn dị vòng của phần protein của hemoglobin hoặc phân tử oxy hoạt động như phối tử. Cả hai phối tử đều nằm ở hai phía đối diện của mặt phẳng vòng tròn vĩ mô.

Heterocycles là một phần của các phân tử vitamin.

Đại phân tử của vitamin B 12 (cyanocobalamin) là một phức hợp coban của một hệ thống di truyền rất ổn định - corrin. Benzimidazole dị vòng hoạt tính sinh học cũng có trong thành phần của phân tử vitamin B 12.

Một số lượng lớn các loại thuốc là dẫn xuất của các hợp chất dị vòng. Chúng bao gồm, ví dụ, nhiều loại thuốc kháng sinh thuộc dòng penicillin, các chế phẩm sulfonamide, 5-nitrofurfural được thay thế có hoạt tính khử trùng, thuốc giảm đau, thuốc an thần, thuốc kháng vi-rút, v.v.

Nhiều hợp chất dị vòng là chất độc mạnh, chẳng hạn như nicotine và LSD. Với một lượng nhỏ (liều hoạt động 50 microgam), LSD được sử dụng như một loại thuốc hướng thần - một chất gây ảo giác mạnh ( sử dụng không phải khuyến khích !) .

Một số lượng lớn các hợp chất dị vòng có màu tự nhiên đã được biết đến, chúng quyết định màu sắc của hoa, quả, côn trùng, v.v. Một số lượng lớn các loại thuốc nhuộm quan trọng trong công nghiệp đã được tổng hợp dựa trên các dị vòng. Ví dụ về thuốc nhuộm tổng hợp là màu xanh chàm (được sử dụng, đặc biệt, để nhuộm vải denim) và xanh methylen (thuốc nhuộm hòa tan trong nước), màu đỏ thioindigo, sắc tố tím không hòa tan phức tạp - phthalocyanines.

Trong thế giới thực vật, thuốc nhuộm dựa trên dẫn xuất benzopyran rất phổ biến: flavon, flavonols và anthocyanidins. Màu sắc của các hợp chất này thay đổi trong một phạm vi rộng - từ vàng nhạt đến tím sẫm.

Flavones và flavonols tạo ra các sắc độ kem và vàng khác nhau cho hoa của cây ăn quả; dạng muối của anthocyanidin quyết định màu sắc của hoa tươi (hoa hồng, hoa loa kèn) và trái cây (anh đào, táo, dâu tây).

2. Phân loại và danh pháp

Các hợp chất dị vòng được phân loại theo kích thước vòng, loại dị nguyên tử và số lượng của chúng. Các dị vòng đơn nhân không bão hòa phổ biến nhất có các tên nhỏ được sử dụng làm cơ sở để đặt tên cho các dẫn xuất của chúng và các hệ dị nhân hợp nhất. Tên của dị vòng có số lượng đa liên kết lớn nhất được lấy làm cơ sở; thường dị vòng như vậy là thơm.

Nhiều dị vòng hydro hóa hoàn toàn hoặc một phần cũng có những cái tên tầm thường của riêng chúng.

Các dị vòng sáu cạnh thơm chứa ít nhất một nguyên tử nitơ được kết hợp dưới tên chung là "azines"; phù hợp với số lượng dị nguyên tử, đơn chất, di-, ba-, v.v. được phân biệt.

Các dị vòng chứa nitơ năm cạnh với nhiều hơn một dị nguyên tử được gọi là azoles. Chúng bao gồm các loại kết nối sau:

Việc đánh số các nguyên tử trong lõi của các dị vòng được thực hiện từ các dị nguyên tử sao cho tổng các vị trí của các dị nguyên tử là nhỏ nhất; nếu có các biến thể, thì dị nguyên tử cũ hơn sẽ có số lượng thấp nhất. Quy tắc ưu tiên của dị nguyên tử: N> O> S, nguyên tử nitơ của loại "pyrrole" cũ hơn của loại "pyridin".

Loại thứ hai được xác định bởi loại liên kết mà một nguyên tử hình thành với các hàng xóm của nó: nếu trong cấu trúc ranh giới chính, một dị nguyên tử chỉ hình thành các liên kết s, thì nó là "pyrrole", nếu hai liên kết s - và một liên kết p, thì " pyridin ”.

Yêu cầu tương tự áp dụng cho nguyên tử của các nguyên tố khác.

Danh pháp cũ hơn cũng được sử dụng: các nguyên tử được ký hiệu bằng các chữ cái trong bảng chữ cái Hy Lạp, bắt đầu từ một nguyên tử bên cạnh dị nguyên tử. Phương pháp đánh số này thường được sử dụng nhất cho một dị vòng có cấu trúc đối xứng với một dị nguyên tử và có sự hiện diện của một nhóm thế trong vòng.

Một phân tử dị vòng có thể bao gồm hai hoặc nhiều vòng, vòng cacbonic hoặc dị vòng. Các dị vòng đa nhân được gọi như sau:

1. Tên của dị vòng lớn hơn được lấy làm cơ sở, tên của trẻ được thêm vào làm tiền tố kết thúc bằng chữ "o".

2. Quy tắc ưu tiên: a) Bất kỳ dị vòng nào cũ hơn benzen; b) càng nhiều dị nguyên tử, dị vòng càng cũ; c) có cùng số nguyên tử, dị vòng lớn hơn là con cả; d) nếu các dị nguyên tử giống nhau, thì chu kỳ càng cũ, càng gần nhau (pyridazine lâu đời hơn pyrimidine); e) với cùng một số nguyên tử khác nhau, thì thâm niên được xác định bằng số thâm niên của các dị nguyên tử.

3. Vị trí của liên kết qua đó các vòng được hình khuyên được biểu thị trong dấu ngoặc vuông thông qua dấu gạch nối. Kết nối của chu kỳ cao cấp được biểu thị bằng một chữ cái trong bảng chữ cái Latinh, kết nối của cơ sở - bởi các số nguyên tử cách nhau bằng dấu phẩy, tương ứng với việc đánh số trong hạt nhân cô lập. Dãy số được chọn sao cho chiều đếm số liên kết trong cả hai hạt nhân là như nhau:

4. Việc đánh số các nguyên tử của dị vòng phễu được thực hiện sao cho tổng số của các dị nguyên tử là nhỏ nhất, và khi có các biến thể, các số nhỏ nhất phải thuộc về các dị nguyên tử cũ hơn.

Các ví dụ :

3. Cấu tạo của dị vòng

Dị vòng có 5 thành phần với một dị nguyên tử

Dị vòng năm nhớ với một dị nguyên tử và hai liên kết đôi C-C đáp ứng các yêu cầu về tính thơm. Các hạt nhân của pyrrole, furan và thiophene là một vòng phẳng với hệ thống liên hợp các obitan electron, bao gồm 4n + 2 electron p, hai trong số đó được cung cấp bởi một dị nguyên tử.

Chúng ta hãy xem xét sự phân chia của các electron p trong pyrrole. Nguyên tử nitơ của loại "pyrrole" tồn tại ở trạng thái lai hóa sp 2 và chính thức hình thành liên kết ba s: hai với cacbon, một với hydro hoặc một nhóm thế. liên kết s được hình thành bởi các obitan lai hóa, và cặp electron duy nhất chiếm một obitan p không lai hóa. Điều này làm cho nó có khả năng liên hợp với C-C p_bonds, do đó tạo thành một sextet thơm. Cấu trúc điện tử của pyrrole có thể được biểu diễn bằng các dạng cộng hưởng, năm dạng trong số đó có đóng góp lớn nhất cho phép lai cộng hưởng.

Do đó, dị nguyên tử loại "pyrrole" luôn cung cấp cho hệ p hai điện tử.

Để hiểu tính thơm của pyrrole, người ta có thể so sánh nó với anion xyclopentadiene đẳng điện tử.

Dễ dàng nhận thấy rằng tất cả năm nguyên tử C của ion xiclopentadine-nide đều tương đương: cặp electron duy nhất, như trong pyrrole, nằm trong obitan p và được phân chia vị trí.

Sự khác biệt giữa pyrrole và anion xiclopentadienyl là không phải tất cả các cấu trúc ranh giới của pyrrole đều có đóng góp giống nhau cho phép lai cộng hưởng. Đóng góp tương đối của họ có thể được ước tính như sau: 1> 3, 5> 2, 4.

Cấu trúc điện tử của furan và thiophene về chất tương tự như cấu trúc của pyrrole, nhưng thay vì liên kết N-H, có một cặp electron đơn lẻ thứ hai của dị nguyên tử ở đây. Cặp electron này không tham gia liên hợp với hệ p, bởi vì trục của quỹ đạo của nó nằm trong mặt phẳng của vòng, tức là vuông góc với trục của obitan p của nguyên tử cacbon.

Sự khác biệt đáng kể hiện có về sự phân bố mật độ electron trong phân tử của ba dị vòng này có thể được định lượng trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm. Khi đi từ pyrrole sang furan, hiệu ứng trung tử cho của dị nguyên tử yếu đi, trong khi hiệu ứng nhận cảm ứng tăng lên, dẫn đến sự thay đổi hướng của mômen lưỡng cực.

Do đó, furan ít p quá mức hơn pyrrole và kém thơm hơn và kém bền hơn. Thiophene ổn định hơn nhiều so với cả furan và pyrrole, và về mặt hóa học thì giống benzen. Điều thú vị là góc liên kết C-S-C trong phân tử thiophene gần bằng 90 °, không phải là đặc điểm của nguyên tử lai hóa sp 2 trong vòng năm mem (trong một ngũ giác đều, góc là 108 °).

Những đặc điểm này của thiophene đã dẫn đến sự xuất hiện của hai giả thiết khác nhau về sự lai hóa của nguyên tử lưu huỳnh. Theo cách đầu tiên của họ, nguyên tử lưu huỳnh hầu như không bị lai hóa, liên kết s- và p được hình thành bởi các obitan p nguyên chất. Theo một phiên bản thay thế, các obitan d của lưu huỳnh tham gia vào việc hình thành liên kết C-S, có thể được biểu thị dưới dạng cấu trúc cộng hưởng bổ sung:

Trên thực tế, câu hỏi về cấu trúc điện tử thực sự của thiophene và sự lai hóa của nguyên tử lưu huỳnh trong phân tử của nó vẫn còn gây tranh cãi.

Độ dài liên kết trong các phân tử pyrrole, furan và thiophene là

Các hệ như pyrrole, furan và thiophene, trong đó số electron thơm vượt quá số nguyên tử trong vòng, và nói chung, các dị vòng khác có dị nguyên tử chỉ thuộc loại "pyrrole", là thừa p. Mặc dù thực tế là lượng dư p của các dị vòng này nhỏ hơn lượng dư p của anion xiclopentadienyl, tuy nhiên, nó quyết định các khía cạnh chính của khả năng phản ứng của chúng.

Một yếu tố quan trọng đặc trưng cho hoạt động hóa học của các dị vòng năm nhớ là tính thơm của chúng thấp hơn so với benzen. Để đánh giá so sánh tính thơm của các hợp chất này so với benzen, các đặc điểm thu được từ các phép tính cơ lượng tử được sử dụng: tính thơm tương đối, năng lượng cộng hưởng thực nghiệm. Trong nhiều nguồn khác nhau, bạn có thể tìm thấy các giá trị khác nhau \ u200b \ u200của các tham số này, nhưng hiện tại, các giá trị sau được chấp nhận:

Dựa trên ý tưởng về sự dư thừa p của pyrrole và các chất tương tự điện tử của nó, thật hợp lý khi cho rằng các hợp chất này đặc biệt dễ tham gia phản ứng với chất điện li. Đây là những gì được quan sát trong thực tế. Tính chất của hợp chất chứa dị nguyên tử ở dạng vòng có thể so sánh với tính chất của anilin, trong phân tử nhóm amin nào cũng hoạt hóa nhân thơm.

4. Dị vòng sáu ghi nhớ - các azin và các chất tương tự của chúng

Pyridine là một chất tương tự điện tử của benzen trong đó một nhóm CH (nhóm methine) được thay thế bằng một nguyên tử nitơ. Không giống như pyrrole, nguyên tử nitơ trong phân tử pyridin trung tính tạo thành hai liên kết s và một liên kết p, tức là đóng góp một điện tử vào sextet thơm. Cặp electron duy nhất của nguyên tử nitơ không thể liên hợp, vì trục của obitan định hướng trong không gian vuông góc với trục của obitan p-electron của nguyên tử cacbon. Loại nguyên tử này được gọi là "pyridine". Nằm trong thành phần của vòng, nguyên tử nitơ của loại pyridin không thể là chất cho; nó là chất nhận electron p, vì nitơ có độ âm điện lớn hơn cacbon. Điều này được minh họa bởi các cấu trúc chính tắc của pyridine:

Hiệu ứng cảm ứng và mêtric của nguyên tử nitơ trong pyridin tác động cùng chiều (-I - và - M), làm dịch chuyển mật độ electron về phía nguyên tử nitơ. Đây là lý do tại sao một phần điện tích dương được tạo ra trên các nguyên tử cacbon và mật độ electron trong hạt nhân bị giảm xuống. Do đó, pyridine được xếp vào loại dị vòng thơm p_de thiếu. Điện tích dương lớn nhất tập trung ở vị trí a - và g. Ở đây người ta có thể thấy một sự tương tự với cấu trúc điện tử của nitrobenzene, có một phần điện tích dương trong ortho- và đôi-điều khoản.

Các nguyên tử oxy và lưu huỳnh cũng có thể thuộc loại "pyridine". Sự hiện diện của một nguyên tử như vậy trong vòng xác định sự tồn tại của các chất tương tự đẳng điện tử cation của các muối benzen - pyrylium và thiopyrylium. Các nguyên tử ôxy và lưu huỳnh tích điện dương, cũng như nguyên tử nitơ pyridin, đóng góp một điện tử vào hệ p của vòng dị thể và có các cặp điện tử không chia sẻ không tham gia liên hợp với hệ thống điện tử p của vòng. Do đặc tính điện thụ của nguyên tử có tổng điện tích dương lớn hơn của nguyên tử trung hòa, nên các muối pyrylium và thiopyrylium thiếu p nhiều hơn pyridin trung hòa về điện.

Dị vòng sáu cạnh với một số dị nguyên tử cũng thiếu p_de hơn pyridine. Điều này đặc biệt đáng chú ý khi các nguyên tử nitơ nằm ở vị trí b đối với nhau, ví dụ, trong pyrimidine và simm-triazine. Lý do là trong những trường hợp này, mỗi dị nguyên tử, độc lập với nguyên tử kia, tạo ra điện tích dương trên cùng một nguyên tử cacbon, như trong trường hợp có hướng phối trí, ví dụ, trong meta _dinitrobenzene.

hợp chất hữu cơ dị vòng năm membered

Từ những điều đã nói ở trên, rõ ràng là pyridin, di- và triazin, và đặc biệt là muối pyrylium, nên dễ dàng phản ứng với thuốc thử nucleophin và thụ động đối với các chất điện phân.

5. Azoles

Trong phân tử của diazole (pyrazole và imidazole) có các dị nguyên tử của cả hai loại "pyrrole" và "pyridine", và do đó các hợp chất thuộc loại này, trong khái niệm dị vòng thừa p (pyrrole) và thiếu p (pyridine), được gọi là p-lưỡng tính. Trong số các cấu trúc ranh giới phân cực mô tả trạng thái của các phân tử imidazole và pyrazole, có những cấu trúc có cả điện tích dương và điện tích âm trên nguyên tử carbon.

Trên thực tế, hành vi hóa học của các azol thể hiện tính lưỡng tính của chúng - chúng có khả năng phản ứng với cả electrophin và nucleophile.

6. Pyrrole

Cơ bản

Cặp electron duy nhất của nitơ pyrrole tham gia phần lớn vào liên hợp p theo chu kỳ, nó không thể tiếp cận được và do đó pyrrole thể hiện tính bazơ rất thấp (pK a của axit liên hợp = - 3,8). Các tính toán cho thấy rằng trong số các cation pyrrolium có thể có, cation ổn định cộng hưởng là có lợi nhất về mặt nhiệt động lực học. Tôi- kết quả của sự proton hóa nguyên tử cacbon trong a_positions. N-cation III kém ổn định nhất, bởi vì thứ nhất, điện tích trong nó tập trung vào một nguyên tử, và thứ hai, hệ thống liên hợp thơm bị phá vỡ: nó thực sự là một diene. Cation II chiếm vị trí trung gian.

Tuy nhiên, trong môi trường axit, sự proton hóa của tất cả các nguyên tử của hạt nhân là có thể xảy ra. Các muối tinh thể tương ứng với các cation thuộc loại Tôi, có thể được phân lập bằng cách cho HCl khô đi qua dung dịch polyalkylpyrroles trong dung môi trơ. Chứng minh sự hình thành cation III là sự trao đổi deuterium dễ dàng của một proton ở nguyên tử nitơ pyrrole trong môi trường axit. Mặc dù cation III kém ổn định nhất, nó được hình thành và phá hủy nhanh hơn các cation Tôi và II, do đó proton NH của pyrrole deute nhanh hơn proton CH. Hiện tượng này được gọi là tính cơ bản động học. Tính cơ bản động học của nitơ luôn cao hơn của cacbon. C-cation II chịu trách nhiệm cho sự trùng hợp của pyrrole trong môi trường axit, khi một polyme có cấu trúc thay đổi "pyrrole-đỏ" được hình thành. Cơ chế của các giai đoạn đầu tiên của phản ứng này được xác nhận bởi cấu trúc của trimer cô lập.

Xu hướng polyme hóa của pyrrole dưới tác dụng của axit đặt ra những hạn chế nghiêm trọng đối với sự tham gia của pyrrole trong các phản ứng với electrophin, vì các biến đổi này thường diễn ra trong môi trường axit.

Các phản ứng ở nguyên tử nitơ

Tính axit của pyrrole (pK a 17,0) gần với độ axit của etanol (pK a 15,9) và các bazơ mạnh có thể chuyển nó thành ion pyrril, là một dị nguyên p_excess cao của xiclopentadienyl. Các muối natri và kali của pyrrole thu được do tác dụng của các amit kim loại hoặc kim loại kiềm dễ dàng tương tác với các chất điện li - chúng được alkyl hóa và acyl hóa ở nguyên tử nitơ, trong khi hỗn hợp N-pyrrylmagnesium halogenua (liên kết N-Mg ít ion hơn N- Na) phản ứng chủ yếu ở vị trí a của hạt nhân.

Sản phẩm động học của quá trình acyl hóa, N-acylpyrrole, khi không có chất xúc tác, sắp xếp lại khi đun nóng thành một sản phẩm nhiệt động học ổn định hơn, 2-acetylpyrrole.

Phản ứng ở nguyên tử cacbon

Trong môi trường trung tính và axit, pyrrole hầu như không bao giờ phản ứng với electrophin ở nguyên tử nitơ. Cuộc tấn công electrophilic chủ yếu hướng đến các a_positions của hạt nhân. Điều này được giải thích là do phức chất loại I được hình thành trong trường hợp này, cũng như trong trường hợp proton hóa, là ổn định nhất trong số tất cả các phức chất có thể có.

Nitrat hóa

Hỗn hợp nitrat hóa gây ra sự phân hủy nhanh chóng của pyrrole, do đó, thuốc thử đặc biệt được sử dụng để nitrat hóa: axetyl nitrat, được chuẩn bị trước từ HNO 3 70% và anhydrit axetic, hoặc nitroni tetrafluoroborat tinh thể trong dung môi không chứa nước. Trong trường hợp thứ hai (thuốc thử mềm hơn), sản lượng cao hơn. Tỷ lệ đồng phân a- và b xấp xỉ 4: 1.

Sulfonation

Sulfonat hóa pyrrole do tính chất kỵ axit của nó với oleum là không thể; tuy nhiên, axit pyrrole-2-sulfonic được tạo thành với năng suất tốt bằng cách sử dụng phức SO 3 với pyridin, được gọi là pyridin sulfonic trioxit.

Acylation

Acyl hóa pyrrole ở nguyên tử cacbon, không giống như benzen, không cần sử dụng chất xúc tác thường được sử dụng trong phản ứng Friedel-Crafts. Pyrrole hoạt động đến mức nó phản ứng với anhydrit axetic khi đun nóng, và có thể dễ dàng thu được cả 2-acyl- và 2,5-diacylpyrol.

Alkyl hóa pyrrole theo Friedel-Crafts hiếm khi được sử dụng cho các mục đích tổng hợp, bởi vì trong trường hợp này, các dẫn xuất polyalkyl được hình thành nhanh chóng.

Halogenation

Theo quy luật, sự tương tác của pyrrole với halogen phân tử dẫn đến sự thay thế tất cả các nguyên tử hydro ở nguyên tử C tự do, đồng thời, sulfuryl clorua, khi làm lạnh, các monolorina đã pyrrole ở vị trí a.

Các monohalopyrroles, không giống như các hợp chất đa thế, không ổn định. Quá trình halogen hóa pyrrole diễn ra tích cực đến mức nó thường đi kèm với việc loại bỏ các nhóm thế, ví dụ, nhóm cacboxyl. Đổi lại, nguyên tử halogen, thường là iot, dễ dàng bị loại bỏ trong quá trình hydro hóa. Điều này làm cho nó có thể có được một vị trí không được thay thế trong hạt nhân trong trường hợp khi pyrrole được thay thế trở nên dễ tiếp cận hơn như một hợp chất ban đầu, ví dụ:

Phản ứng của pyrrole với chất điện li yếu

Pyrrole, có tính nucleophin cao, dễ dàng phản ứng với các chất điện li yếu đến mức benzen không phản ứng ngay cả trong các điều kiện khắc nghiệt. Ví dụ, pyrrole dễ dàng hơn nhiều so với các phenol tham gia vào phản ứng cacboxyl hóa Kolbe - đun nóng với amoni cacbonat là đủ.

Pyrrole, giống như phenol, được tạo thành trong điều kiện phản ứng Reimer-Tiemann, khi dichlorocarbene đóng vai trò là thuốc thử hoạt động. Tuy nhiên, sự tương tác này rất phức tạp bởi một quá trình song song - vòng được mở rộng do việc đưa dichlorocarbene vào một trong các liên kết p của lõi pyrrole, dẫn đến 3-chloropyridine. Giải thích cho điều này là một dẫn xuất xyclopropan được hình thành ngay lập tức và ổn định theo hai cách khác nhau. Tỷ lệ của các sản phẩm phụ thuộc vào điều kiện phản ứng.

Trong môi trường có tính axit nhẹ, pyrrole tương đối ổn định, ví dụ, cho phép nó được đưa vào phản ứng ghép nối azo, điều này một lần nữa khẳng định p_excess cao của nó. Nếu pyrrole được đưa vào tương tác với muối diazonium trong môi trường kiềm yếu (phản ứng ion pyrryl), thì 2,5- bis(phenylazo) pyrole.

Pyrrole có khả năng ngưng tụ với các hợp chất cacbonyl tại vị trí a của nó, với kết quả của phản ứng phụ thuộc vào bản chất của anđehit hoặc xeton. Nếu phản ứng với fomanđehit và anđehit fomic trong môi trường axit cho ra chủ yếu là các polime, thì khi ngưng tụ với axeton, sản phẩm chính là porphyrin bị metyl hóa. Lực đẩy lẫn nhau trong không gian của các nhóm metyl góp phần làm phẳng hóa chất trung gian - trimer, do đó, trong quá trình của giai đoạn tiếp theo, một tetramer mạch vòng được hình thành dễ dàng hơn một dạng mạch thẳng.

Khi pyrrole tương tác với các aldehyde thơm, các porphyrin được hình thành theo một cơ chế tương tự, tuy nhiên, cơ chế này bị oxy hóa một cách tự nhiên bởi oxy trong khí quyển thành các hợp chất thơm. meso-tetraarylporphyrins.

Trong trường hợp ngưng tụ pyrrole với đôi-dimethylaminobenzaldehyde trong môi trường hơi axit, sản phẩm ngưng tụ chính là cation arylidenepyrrolenium màu đỏ tím, có thể được phân lập (phản ứng màu Ehrlich).

Để thu được porphyrinogen và porphyrin không bị thay thế, trước tiên nên chuyển pyrrole thành bazơ Mannich tự do, và chỉ sau đó tiến hành ngưng tụ. Porphyrinogen dưới tác động của hầu hết các chất oxy hóa, ví dụ, khi đun nóng trong cloroform với chloranil, được chuyển thành porphyrin không được thế - porphin.

7. Indole

Indole là một hệ thống hạt nhân cô đặc bao gồm một hạt nhân pyrrole và benzen. Tên hệ thống của indole là benzo [ b] pyrrole. Các tính chất hóa học của pyrrole và indole phần lớn giống nhau, nhưng có sự khác biệt.

Giống như pyrrole, indole có tính axit NH (pK a "17), anion N của nó, được tạo bởi bazơ mạnh (EtONa, t-BuOK, v.v.), thể hiện hoạt động tương tự như ion pyrril: muối natri và kali được alkyl hóa và acyl hóa ở nitơ, trong khi các dẫn xuất magiê halogenua hỗn hợp N ở nguyên tử C (3), tức là ở vị trí b, nhưng không ở nguyên tử cacbon a, như xảy ra trong pyrrole.

Trường hợp thứ hai được giải thích là do trong anion, cũng như trong phân tử indole trung tính, điện tích âm tập trung ở mức độ lớn hơn trên nguyên tử cacbon ở vị trí 3 so với nguyên tử C (2). Điều này dễ dàng nhận thấy trong tập hợp các cấu trúc cộng hưởng mô tả indole N-anion:

Rõ ràng là việc chuyển điện tích sang nguyên tử 2 là không thuận lợi (cấu trúc IV), vì điều này phá vỡ tính thơm của vòng benzen, trong khi cấu trúc I và II chứa một vòng benzen thơm.

Sự có mặt của các nhóm thế rút điện tử ở vị trí 3 làm tăng đáng kể tính axit, và quá trình alkyl hóa có thể được thực hiện khi có mặt các bazơ yếu hơn nhiều.

Indole rất hoạt động trong các phản ứng với các electrophin khác nhau, và sự thay thế cũng được định hướng đến vị trí 3, nhưng không hướng đến nguyên tử a-carbon, như trường hợp của pyrrole. Các cấu trúc cộng hưởng của phức indole s liên quan đến các nguyên tử carbon a và b dẫn đến kết luận tương tự như sơ đồ ở trên đối với N-anion: phức s tạo ra từ việc thêm một electrophin vào nguyên tử 3 là thuận lợi hơn.

Nitrat hóa

Các indol không có nhóm thế ở vị trí 2 và 3, tương tự như pyrrole, polyme hóa dưới tác dụng của axit mạnh, do đó, quá trình nitrat hóa các hợp chất này được thực hiện bằng thuốc thử nitrat yếu - etyl nitrat với sự có mặt của natri metoxit (anion indol phản ứng) hoặc benzoyl nitrat trong môi trường trung tính

2-Methylindole bền trong môi trường axit hơn indole, vì vậy nó được nitrat hóa thành công trong điều kiện khắc nghiệt nhờ tác dụng của axit nitric. Tối đa ba nhóm nitro có thể được đưa vào một phân tử, nhưng acyl nitrat nên được sử dụng để tổng hợp một dẫn xuất mononitro tinh khiết.

Phản ứng của 2-metylindole với hỗn hợp nitrat diễn ra theo một cách thú vị: theo quan điểm của thực tế là hợp chất hoàn toàn được proton hóa, phản ứng ở nhân dị vòng hoàn toàn không xảy ra, và cộng hóa trị trung gian với axit sunfuric phản ứng với vị trí 5 của nhân benzen liên hợp với nguyên tử nitơ.

Sulfonation

Quá trình sulfo hóa indol, như pyrrole, được thực hiện bằng tác dụng của thuốc thử không có tính axit pyridin sulfotrioxit. Nếu có một nhóm thế ở vị trí 3, ví dụ, một nhóm metyl, thì phản ứng được định hướng đến vị trí 2.

Halogenation

Quá trình halogen hóa của các indol tiến hành rất dễ dàng ở vị trí 3, tuy nhiên, các halogenindoles tạo thành không bền với axit, do đó, để halogen hóa thành công, thuốc thử được sử dụng trong quá trình phản ứng mà HHal không được giải phóng nếu có thể: N-bromosuccinimide ( NBS), SO 2 Cl 2, KI 3, pyridinium perbromide.

Nếu có một nhóm thế ở nguyên tử C ở vị trí 3, thì ban đầu chất cộng cation với halogen được hình thành ở nguyên tử này, sau đó được biến đổi do sự tấn công nucleophin của dung môi, dẫn đến 2-hydroxyindoles hoặc các dẫn xuất của chúng.

Ngoài các biến đổi được liệt kê ở trên, các indol có khả năng trải qua quá trình acyl hóa điện phân, tạo formyl hóa Vilsmeier, ghép nối azo và ngưng tụ với các hợp chất cacbonyl. Tất cả các phản ứng xảy ra trong điều kiện nhẹ và hướng đến vị trí 3.

Theo quy luật, nhóm thế ở vị trí 3 không ngăn cản sự tấn công của electrophin ở vị trí này và quá trình biến đổi được hoàn thành bằng cách thay thế nhóm này bằng các electrophin ( ipso- thay thế).

Ngoại lệ là muối diazonium, không tham gia vào phản ứng này.

8. Furan

Trong số ba dị vòng được coi là năm cạnh, furan là ít thơm nhất, và đặc tính diene của nó được biểu hiện rõ rệt trong nhiều phản ứng.

Phản ứng thay thế thơm electron cho furan đã được biết đến, nhưng chúng yêu cầu thuốc thử đặc biệt, bởi vì dưới tác dụng của axit protic, vòng furan bị phá hủy dễ dàng hơn pyrrole và thậm chí nhiều hơn indol.

Và nói chung, furan trong các phản ứng này tương tự đáng kể với pyrrole - nó rất hoạt động và phản ứng chủ yếu với các vị trí a.

Sulfonation

Quá trình sulfo hóa furan, như pyrrole, có thể được thực hiện với pyridin sulfonyl trioxit trong dung môi hữu cơ. Phản ứng tạo ra một hỗn hợp nhỏ gồm axit furan-2,5-disulfonic.

Quá trình phân lập axit furan-2-sulfonic được thực hiện bằng cách phá hủy pyridinium 2-furylsulfonat tạo thành bằng bari cacbonat và thu được muối bari không hòa tan.

Nitrat hóa

Giống như pyrrole, furan không thể tiếp xúc với hỗn hợp nitrat hóa, nhưng có thể sử dụng axetyl nitrat trong pyridin. Phản ứng tiến hành chậm hơn so với trường hợp pyrrole, và sản phẩm cộng hóa trị của việc thêm thuốc thử vào vị trí 2 và 5 được hình thành ngay lập tức.

Furan với các nhóm thế rút điện tử ít kỵ axit hơn, vì vậy chúng được nitrat hóa và sulfo hóa bằng các thuốc thử thông thường.

Halogenation

Sự tương tác của furan với các halogen (brom và, đặc biệt là clo) diễn ra mạnh mẽ và dẫn đến sự hình thành các dẫn xuất polyhalogen. Monohalofurans chỉ có thể thu được trong điều kiện nhẹ, ví dụ, bằng tác dụng của dioxane dibromide. Có những bất đồng về cơ chế của các phản ứng halogen hóa furan: có thể chúng tiến hành như việc thêm một phân tử halogen vào vị trí 2 và 5 và sau đó loại bỏ một phân tử hiđro halogenua.

Tác dụng của brom với furan trong dung dịch metanol, dẫn đến hình thành 2,5-dimethoxy-2,5-dihydrofuran, được coi là xác nhận của cơ chế loại bỏ cộng.

Sự hình thành trung gian của các sản phẩm cộng cũng được chứng minh bằng ví dụ về phản ứng brom hóa của 2,5-dibromofuran.

Hình thành

Theo Vilsmeier, quá trình hình thành furan diễn ra suôn sẻ như trong trường hợp pyrrole, trong khi quá trình acyl hóa đòi hỏi bắt buộc phải bổ sung chất xúc tác Friedel-Crafts.

Phản ứng Diels-Alder

Có những sự biến đổi trong đó tính cách diene của furan được thể hiện. Sự biến đổi đặc trưng nhất là phản ứng tổng hợp diene (Diels-Alder). Bản thân Furan và nhiều dẫn xuất của nó dễ dàng phản ứng với anhydrit maleic, dehydrobenzene, và các chất dienophile khác.

9. Thiophene

Trong số các dị vòng đang được xem xét, thiophene là chất thơm nhất và về nhiều mặt giống benzen về các đặc tính của nó. Các dẫn xuất thiophene đi kèm với các dẫn xuất benzen trong các sản phẩm nhựa than đá và rất giống với chúng, thậm chí thường có mùi tương tự.

Thiophene bền với axit hơn nhiều so với pyrrole và furan, vì vậy nó có thể được đưa vào một loạt các phản ứng thay thế electrophin. được định hướng đến vị trí a.

Khi đun nóng với 100% H 3 PO 4 thiophene trime hóa, phản ứng bắt đầu với sự hình thành của cation a-proton, bị tấn công bởi một phân tử thiophene trung tính.

Sulfonation

Thiophene phản ứng với electrophin theo cơ chế thay thế electrophin thơm thông thường. Nó có thể được sulfo hóa với axit sulfuric ở nhiệt độ phòng, được sử dụng để phân lập thiophene từ benzen than trong công nghiệp.

Nitrat hóa

Để đơn phân thiophene ở vị trí a, tốt nhất là dùng nitronium bo florua: acetyl nitrat tạo ra tới 20% tạp chất là 3-nitrothiophene, trong khi axit nitric phản ứng quá dữ dội, đôi khi gây nổ. Sau khi xuất hiện một nhóm nitro trong nhân, hoạt độ giảm nhiều nên quá trình nitro hóa tiếp tục cần sử dụng HNO 3 bốc khói.

Halogenation

Thiophene dễ dàng được brom hóa và iot hóa (không giống như furan) ở vị trí a. Tác dụng của clo tạo ra hỗn hợp sản phẩm.

Acylation

Thiophene chỉ bị acyl hóa theo Friedel-Crafts khi có mặt axit Lewis, và phản ứng đi kèm với phản ứng nhựa hóa một phần do sự tự ngưng tụ của xeton.

Phản ứng Vilsmeier tiến hành với năng suất tốt nhưng ở nhiệt độ cao. Muối iminium trung gian có thể được phân lập.

Ngưng tụ với các hợp chất cacbonyl

Giống như pyrrole và furan, thiophene tích cực ngưng tụ với các hợp chất cacbonyl, nhưng phản ứng hiếm khi có thể dừng lại ở giai đoạn carbinol sơ cấp, thường thu được di-, tri- và polyme.

Không giống như furan, bị phân hủy trong những điều kiện này, thiophene có thể được chuyển đổi thành bis Dẫn xuất-clometyl khi tác dụng với lượng dư lớn của fomanđehit và HCl.

"Phản ứng indophenin" của thiophene với isatin khi có mặt axit sulfuric, rất quan trọng theo quan điểm lịch sử, đáng được chú ý.

Indophenin màu xanh đậm là lý do cho sự phát hiện ra thiophene. Cho đến năm 1882, người ta tin rằng phản ứng indophenin là đặc trưng của hydrocacbon thơm, vì than benzen được sử dụng vào thời điểm đó luôn chứa một hỗn hợp thiophene. Tuy nhiên, một lần kinh nghiệm đẹp đẽ này đã thất bại trong một bài giảng của V. Meyer, bởi vì lúc đó anh ta dùng chất tổng hợp chứ không phải than đá, benzen. Rõ ràng là phản ứng màu tạo ra tạp chất, sau đó được phân lập và xác định là một hợp chất mới - thiophene.

Phần mở rộng vòng lặp

Đối với các thiophenes được thay thế, một phản ứng mở rộng vòng đã được biết đến, phản ứng này không phải là đặc trưng của pyrrole và furan; cơ chế của sự chuyển đổi này không được biết đến. Điều thú vị là do đó, một hiện tượng khá hiếm gặp được quan sát thấy - sự biến đổi một hợp chất thơm thành một hợp chất phản thơm.

Các phản ứng trên nguyên tử lưu huỳnh

Thiophene tham gia vào các phản ứng đặc biệt ở nguyên tử lưu huỳnh: alkyl hóa và oxy hóa với peracid.

Trong khi các muối S-alkylthiophene ổn định, xét theo quang phổ và tính chất hóa học của chúng, các hợp chất thơm, S, S-thiophene dioxit không thơm và chỉ có thể thu được đối với các chất nền a, a-disubsen. Các hợp chất này phản ứng với dinophile.

10. Sự chuyển đổi giữa các vòng tròn dị vòng năm cạnh

Trong điều kiện khắc nghiệt, pyrrole, furan và thiophene có khả năng mở vòng dưới tác dụng của nucleophile, do đó, khi có mặt thuốc thử thích hợp, chúng có thể chuyển hóa thành nhau, có thể được kết hợp trong sơ đồ:

Phản ứng này được đặt tên theo Yuriev, nó tiến hành ở 350 ° C với sự có mặt của chất xúc tác Al 2 O 3.

11. Pyridine

Sự biến đổi của nguyên tử nitơ

Pyridin là một bazơ có độ bền trung bình với pK a = 5,2 đo được trong nước (tính bazơ của các amin béo nằm trong khoảng pK a 9-11). Pyridine tạo thành muối tinh thể với hầu hết các axit protonic và thường được sử dụng làm chất xúc tác hoặc dung môi cơ bản để giúp liên kết các axit được giải phóng trong một phản ứng hóa học cụ thể.

Là một nucleophile, pyridine phản ứng với các alkyl halogenua và các thuốc thử alkyl hóa khác thông qua cơ chế S N 2 hoặc S N 1, tùy thuộc vào bản chất của cơ chất.

Các muối N_alkylpyridinium là các hợp chất thơm, vì cặp electron duy nhất được sử dụng để tạo liên kết mới không tham gia vào liên hợp thơm. Những chất ổn định này có xu hướng phản ứng với nucleophile do sự thiếu hụt p cao của chúng. Ví dụ, hydroxyl hóa nucleophin bằng tác dụng của hydroxit kali tạo ra a-pyridon.

Khi pyridin phản ứng với acyl halogenua, muối N-acyl được tạo thành. Các hợp chất này không ổn định lắm và dễ bị thủy phân trở lại.

Chính vì độ ổn định thấp của chúng mà các muối acylpyridinium rất quan trọng đối với hóa học tổng hợp như các tác nhân acyl hóa nhẹ. Ví dụ, chúng ta lưu ý đến quá trình O-acyl hóa của xetonnol - một phản ứng tiến hành theo một cơ chế bất thường với sự hình thành trung gian của một sản phẩm cộng tại vị trí a_ của dị vòng.

Khi pyridin và các dẫn xuất của nó được xử lý bằng peracid, pyridin N-oxit được hình thành, các tính chất của chúng sẽ được thảo luận riêng.

Phản ứng ở nguyên tử cacbon

Tương tác với kính điện

Như đã trình bày ở trên, pyridin là một hợp chất thiếu p, do đó, tương tác với electrophin không phải là điển hình cho nó, đặc biệt là vì phản ứng electrophin xảy ra trong môi trường axit, nơi ion pyridinium, có mức thiếu p thậm chí lớn hơn, tương tác với Electrophile. Những phản ứng này khó hơn nhiều so với trong benzen. Pyridine chỉ bị tấn công bởi các electrophin mạnh nhất và trong những điều kiện rất khắc nghiệt. Sự thay thế electrophin tại được định hướng đến vị trí 3, giống với định hướng của phản ứng S E 2 trong nitrobenzene. Định hướng này được giải thích một cách dễ dàng bởi sự ổn định so sánh của các cấu trúc dạng hạt mô tả các cation s_complexes tạo ra từ việc bổ sung một electrophin vào các vị trí g-, b- và a của vòng pyridin. Rõ ràng, chỉ có phức hợp s II không chứa sự đóng góp của cấu trúc với một nguyên tử nitơ tích điện dương.

Như đã đề cập, sự tấn công của electrophile hoặc proton đối với nitơ xảy ra đầu tiên, chất này cũng thụ động hóa chất nền, chuyển nó thành cation. Nếu sự hình thành phức chất ở dị nguyên tử được ngăn chặn, thì phản ứng của các nguyên tử hạt nhân với các chất nhiễm điện diễn ra dễ dàng hơn.

Nitrat hóa

Quá trình nitrat hóa bản thân pyridin, đặc biệt là với hỗn hợp nitrat hóa khi dị vòng hoàn toàn được proton hóa, là cực kỳ khó khăn và không có ý nghĩa thực tế.

2,6-Dimetyl - và 2,4,6-trimetylpyridin, aminopyridin và pyridon được nitrat hóa tích cực hơn nhiều ở dạng cation.

Các dẫn xuất 2,6-dihalogen của pyridin, là bazơ, yếu hơn pyridin, phản ứng dễ dàng hơn, vì nguyên tử nitơ pyridin được proton hóa ở một mức độ nhỏ hơn - nồng độ của bazơ tự do lớn hơn. Nitrat hóa dễ dàng hơn khi sử dụng chất nitrat hóa aprotic, ví dụ:

Sulfonation

Quá trình sulfat hóa pyridin bằng axit sulfuric diễn ra dễ dàng hơn so với quá trình nitrat hóa, nhưng cũng chỉ có thể thực hiện được trong các điều kiện khắc nghiệt. Ở nhiệt độ cao hơn nữa, có thể sắp xếp lại thành axit 4_sulfonic.

Một sản phẩm tò mò có thể thu được bằng cách sulfo hóa 2,6_di_ tert _butylpyridine. Trên thực tế, quá trình sulfo hóa diễn ra dễ dàng, tk. các nhóm thế cồng kềnh ngăn cản sự tạo phức của SO 3 ở nguyên tử nitơ. Kết quả là 2,6_di_ tert Axit _butylpyridin-3-sulfonic, khi đun nóng, chuyển thành một sulfon mạch vòng do một trong các nhóm metyl tert nhóm thế -butyl.

Halogenation

Pyridin có thể được halogen hóa. Không thể tạo ra một nguyên tử iốt với hiệu suất thỏa đáng, tuy nhiên, brom và chlorpyrimidine được tổng hợp rất đơn giản.

Các oxit pyridin N hoạt động tích cực hơn trong các phản ứng với electrophin hơn là bản thân pyridin. Có hai kiểu thay thế electron trong N-oxit: lựa chọn thứ nhất (không bổ sung nucleophile) chủ yếu dẫn đến N-oxit của pyridin 4 thế. Tình huống có vẻ kỳ lạ này gắn liền với bản chất điện tử đáng chú ý của hàm N-oxit, có thể đồng thời hoạt động không chỉ như một chất nhận mà còn như một chất cho điện tử. Điều này được minh họa trong sơ đồ dưới đây.

Do đó, oxit N của bất kỳ pyridin được thay thế nào có vị trí 4 tự do đều có thể bị nitro hóa bằng HNO 3 bốc khói với năng suất tốt.

Một cách tiếp cận khác để sử dụng N-oxit là thực hiện phản ứng với sự có mặt của nucleophile yếu, có thể là một phần của thuốc thử, ví dụ, acetyl nitrat. Trong trường hợp này, N-oxit được chuyển thành một chất phụ phi thơm, chất này bị tấn công bởi electrophin. Chúng ta có thể nói rằng nguyên tử nitơ pyridin tạm thời trở thành chất cho điện tử. Phản ứng này có thể thu được 3-nitro- và 3,5-dinitropyridin với sản lượng tốt.

Tương tự, một nhóm nitro khác vào vị trí 5

Thay thế nucleophilic

Các biến đổi điển hình của pyridin là các phản ứng thay thế nucleophin. Phản ứng amin hóa của pyridine khi đun nóng với natri amide (phản ứng Chichibabin) dẫn đến sự hình thành a-aminopyridine.

Phản ứng thay thế một nguyên tử hydro trong pyridin bằng một nhóm amin bằng tác dụng của natri amide luôn hướng đến vị trí 2. Sự biến đổi có cơ chế phức tạp: hydro phân tử được giải phóng trong quá trình phản ứng, điều này cho thấy sự hình thành trung gian của natri hydrua. Thực tế này, cũng như sự vắng mặt của các sản phẩm thay thế hydro ở vị trí 4, được giải thích bởi sự phối trí sơ bộ của nguyên tử natri với nguyên tử nitơ pyridin.

Xử lý pyridin bằng kali hydroxit mới nấu chảy dẫn đến quá trình hydroxyl hóa thành a_pyridon, là dạng tồn tại ổn định hơn của a - và g-hydroxypyridin.

Các phản ứng thay thế nucleophin của một halogen trong pyridin tiến hành theo hai cơ chế thay thế tương tự như trong halogenarenes - bổ sung loại bỏ (AE) và bổ sung loại bỏ (EA). Phản ứng AE (thêm nucleophile để tạo phức s và loại bỏ nhóm rời) chủ yếu tiến hành ở các nguyên tử 2, 4 và 6, trong đó điện tích dương cực đại tập trung. Ngoài ra, nguyên tử nitơ còn tham gia vào quá trình phân chia điện tích âm của phức s tương ứng, cũng như nhóm nitro trong trường hợp nitrochlorobenzenes. Dễ dàng nhận thấy rằng bền nhất là các anion s-phức Tôi và III.

Nhiều nhóm thế khác nhau có thể được đưa vào phân tử pyridin bằng cách sử dụng phản ứng loại AE ưa nucleophin. Dưới đây là một số ví dụ:

Các muối pyridin N-oxit và N-alkylpyridinium tham gia vào các phản ứng tương tự dễ dàng hơn so với bản thân pyridin. Đặc biệt thú vị là các oxit N của a-halopyridin, chúng ngay lập tức được chuyển đổi do tác động của một số nucleophile nhất định thành các dị vòng hạt nhân hợp nhất, sự hình thành của chúng diễn ra với sự tham gia của nhóm N-oxit.

Nếu halogen ở vị trí 3, thì phản ứng của pyridin với nucleophile thường diễn ra theo cơ chế EA thông qua sự hình thành trung gian của một dị thể là dehydrobenzene - hetarine.

Phản ứng gốc tự do

Dưới tác dụng của clo nguyên tử và brom (nhiệt độ cao) trên pyridin, xảy ra hiện tượng halogen hóa gốc tự do, không giống như phản ứng điện phân, được định hướng ở vị trí 2 và 6.

Đối với mục đích chuẩn bị, các phản ứng của pyridin với các gốc nucleophin (phản ứng Minishi) là rất quan trọng. Nguồn gốc của các gốc là các hợp chất hữu cơ khác nhau với sự có mặt của peroxit và muối của sắt (II), cation của chúng đóng vai trò là chất mang điện tử.

Cơ chế phản ứng bao gồm các bước phân hủy peroxit đồng phân, chuyển hóa thuốc thử thành gốc tự do và bổ sung nó vào pyridin, sau đó là quá trình thơm hóa.

Bằng cách này, nhóm hydroxymethyl, dialkylamide và các nhóm chức khác có thể được đưa vào vị trí 2 và 4 của pyridine và quinoline.

Văn chương

1. Artemenko A.I., Tikunova I.V., Anufriev E.K. Hội thảo về hóa hữu cơ. - M.: Trung học, 2007-187s.

2. Berezin B.D., Berezin D.B. Khóa học hóa học hữu cơ hiện đại. Giáo trình cho các trường đại học. - M.: Trường đại học, 2001. - 768s.

3. Glinka N.L. Hóa học đại cương / Dưới sự chủ biên của V.A. Rabinovich. - L .: Hóa học, 1986. - 704 tr.

4. Gradberg I.I. Làm việc thực tế và hội thảo trong hóa hữu cơ. - M.: Bustard, 2011. - 352 tr.

5. Tuyển tập các bài toán về hóa hữu cơ. Sách giáo khoa / Dưới sự chủ biên của A.E. Agronomova. - M.: Nhà xuất bản Đại học Tổng hợp Quốc gia Matxcova, 2010. - Những năm 160.

Tài liệu tương tự

    Phân loại hợp chất dị vòng có vòng năm nhớ; sự tồn tại của chúng trong tự nhiên. Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp các dị vòng đơn nhân bão hòa và hợp nhất với một và hai dị nguyên tử. Mô tả việc điều chế indazole.

    hạn giấy, bổ sung 24/02/2015

    tóm tắt, bổ sung 21/02/2009

    Khái niệm về hợp chất dị vòng, bản chất và tính năng của chúng, tính chất hoá học cơ bản và công thức chung. Phân loại các hợp chất dị vòng, giống, các tính năng khác biệt và phương pháp điều chế. Các phản ứng thế electrophin.

    tóm tắt, bổ sung 21/02/2009

    Mô tả cấu trúc chung, tính chất và chức năng của các hợp chất dị vòng và ảnh hưởng của chúng đối với cơ thể con người bằng cách sử dụng alkaloids làm ví dụ. Đặc điểm so sánh của các đại diện của nhóm ancaloit, sinh tổng hợp, ứng dụng và phân bố của chúng trong tự nhiên.

    trình bày, thêm 22/09/2016

    Tổng hợp và tính chất của macroheterocycles chứa N, S, O dựa trên các amin bậc một và thơm với sự tham gia của xúc tác chứa Sm. Hợp chất dị vòng, ứng dụng của chúng. Phương pháp xác định các hợp chất hữu cơ bằng NMR và khối phổ.

    luận án, bổ sung 22/12/2014

    Đặc điểm của các hợp chất dị vòng, ý nghĩa sinh học của chúng, sự phân bố trong tự nhiên, sự tham gia cấu tạo các axit amin và phân loại. Cấu trúc của gemma máu và diệp lục. Cấu trúc của furan, furfural, imidazole, thiazole, pyran, pyridine.

    tóm tắt, bổ sung 22/06/2010

    Bản chất của các hợp chất dị vòng với một chuỗi khép kín có chứa, ngoài các nguyên tử cacbon, các nguyên tử của các nguyên tố khác. Khả năng phản ứng, tính nucleophin, tính hướng điện. Khả năng phản ứng của các nhóm thế và chuỗi bên. Sản xuất và ứng dụng.

    tóm tắt, bổ sung 27/09/2011

    Khái niệm và bản chất của hợp chất. Mô tả và nêu đặc điểm của hợp chất dị vòng thơm. Điều chế và hình thành hợp chất. Các phản ứng trên nguyên tử nitơ, nhận xét sự điện ly và sự thay thế nucleic. Sự oxi hóa và sự khử. Quinoline.

    bài giảng, bổ sung 02/03/2009

    Liên kết hóa học trong phân tử hữu cơ. Phân loại phản ứng hóa học. Tính axit và tính bazơ của hợp chất hữu cơ. Dẫn xuất đồng phân của dãy benzen. Cacbohiđrat, axit nucleic, lipit. hợp chất dị vòng.

    hướng dẫn, đã thêm 29/11/2011

    hợp chất dị vòng. dị vòng thơm. Một số chỉ tiêu về độ thơm trong dị vòng. Hệ thống một vòng tuân theo quy tắc của Hückel. Khả năng phản ứng của các hợp chất dị thơm. Các tính năng chính về hóa học của pyridin.

M.I. Antonova, A.S. Berland

Hóa học HỮU CƠ

HỢP CHẤT HETEROCYCLIC

Matxcova 2010

Cơ sở giáo dục đại học chuyên nghiệp của Nhà nước

"Đại học Y khoa và Nha khoa Bang Moscow" Cơ quan Liên bang về Y tế và Phát triển Xã hội của Liên bang Nga

Khoa Hóa học Đại cương và Sinh học

M.I. Antonova, A.S. Berland

Hóa học HỮU CƠ

HỢP CHẤT HETEROCYCLIC

Hướng dẫn Hóa học Bioorganic

cho công việc độc lập của sinh viên

khoa nha khoa của trường đại học y khoa

Được khuyến nghị bởi Hiệp hội Giáo dục và Phương pháp cho Giáo dục Y khoa và Dược phẩm của các trường Đại học Nga như một trợ giúp giảng dạy cho sinh viên theo học chuyên ngành 060105 (040400) - "Nha khoa"

Matxcova 2010

BBC 24,1 i 73

UDC 546 (075,8)

Người đánh giá:

cái đầu Bộ môn Hóa hữu cơ MMA chúng. I.V. Sechenov, d.h. n., Giáo sư N.A. Tyukavkina,

cái đầu Khoa Dược, MGMSU,

Tiến sĩ Khoa học Y khoa, Giáo sư A.G. Mulyar

M.I. Antonova, A.S. Berland. Hóa học tổ chức sinh học, phần VI. Hướng dẫn. M., MGMSU, 2010, 63s.

Dưới sự chủ biên của Giáo sư A.S. Berland

Trợ giúp giảng dạy này được dành cho các hợp chất được thống nhất dưới tên chung "Hợp chất dị vòng". Sách hướng dẫn này bao gồm tài liệu lý thuyết, phân tích một số nhiệm vụ tham khảo, cũng như các câu hỏi và nhiệm vụ làm việc độc lập của học sinh. Hướng dẫn này được khuyến khích sử dụng cho sinh viên các khoa nha khoa, y khoa và nhi khoa của các trường đại học y khoa của Liên bang Nga để chuẩn bị cho các lớp học về hóa học hữu cơ sinh học.

BBC 24,1 i 73

© MGMSU, 2010

© M.I. Antonova, A.S. Berland. Năm 2010.

Hợp chất dị vòng

1. Đặc điểm chung.

Hợp chất dị vòng được gọi là hợp chất có cấu trúc mạch vòng, trong chu kỳ không chỉ chứa nguyên tử cacbon mà còn chứa nguyên tử của các nguyên tố khác (dị nguyên tử).

Hợp chất dị vòng là nhóm hợp chất hữu cơ phổ biến nhất. Chúng là một phần của nhiều chất có nguồn gốc tự nhiên, chẳng hạn như axit nucleic, chất diệp lục, heme huyết, ancaloit, penicilin và nhiều loại vitamin. Các hợp chất dị vòng có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất và có hoạt tính sinh học cao. Một phần đáng kể của các dược chất hiện đại có chứa dị vòng trong cấu trúc của chúng.

2. Phân loại và danh pháp hợp chất dị vòng.

2.1. Phân loại.

Các đặc điểm sau đây được sử dụng để phân loại các hợp chất dị vòng.

    trên kích thước chu kỳ các hợp chất dị vòng thường nhất là ba, bốn, năm, sáu và bảy thành phần:

    trên loại nguyên tố , bao gồm trong chu trình, đây chủ yếu là các hợp chất với các nguyên tử nitơ, oxy hoặc lưu huỳnh:

    trên số lượng dị nguyên tử , bao gồm trong chu kỳ, phổ biến nhất là các dị vòng có một và hai nguyên tử khác, nhưng các hợp chất có bốn nguyên tử trong một chu kỳ cũng được biết đến:

    trên bản chất và sự sắp xếp lẫn nhau của một số dị nguyên tử có thể có nhiều kết hợp khác nhau (ví dụ, N và S, N và O, v.v.), và các dị nguyên tử có thể chiếm các vị trí khác nhau so với nhau:

    trên mức độ bão hòa dị vòng có thể thơm, không bão hòa và bão hòa:

Hóa học của dị vòng thơm đã được nghiên cứu chi tiết nhất. Theo quy luật, các dị vòng bão hòa hoàn toàn hoặc một phần, do tính chất hóa học đặc biệt của chúng, được coi là hợp chất dị vòng, không phải là các hợp chất dị vòng, mà là các chất tương tự mạch vòng của một số hợp chất béo nhất định (ete, sulfua, amin bậc hai).

    trên số chu kỳ phân biệt giữa các hệ đơn chức, đa vòng (chủ yếu là ngưng tụ). Số lượng chu kỳ và loại của chúng có thể rất khác nhau:

Các hợp chất dị vòng được gọi là các hợp chất có cấu trúc tuần hoàn, trong chu kỳ của nó, cùng với các nguyên tử cacbon, còn có các nguyên tử của các nguyên tố khác. Những nguyên tử khác này được gọi là dị nguyên tử. Thông thường, các dị nguyên tử như vậy là các nguyên tử oxy, lưu huỳnh và nitơ. Vòng dị vòng có thể chứa một, hai, ba hoặc nhiều dị nguyên tử. Tuy nhiên, theo lý thuyết về lực căng chu kỳ, chu kỳ ba và bốn ghi nhớ là không ổn định. Loại mạnh nhất và do đó phổ biến hơn là các xe dị vòng năm và sáu cạnh.

Việc phân loại dị vòng được thực hiện tùy thuộc vào kích thước của chu kỳ. Theo điều này, dị vòng ba, bốn, năm, sáu cạnh và dị vòng có một số lượng lớn nguyên tử được phân biệt.

Các hợp chất dị vòng rất nhiều, rất phổ biến trong tự nhiên và có tầm quan trọng thực tế lớn. Chúng bao gồm các chất như diệp lục - chất màu xanh của thực vật, huyết sắc tố - chất tạo màu của máu và nhiều chất tạo màu tự nhiên khác, vitamin, kháng sinh (penicillin), dược chất, thuốc trừ sâu.

Danh pháp của xe dị vòng

Các hợp chất dị vòng được đặt tên theo danh pháp tầm thường, hợp lý và hệ thống. Tên tầm thường thường được sử dụng cho các hợp chất dị vòng nổi tiếng. Ví dụ, pyrrole, pyridine, furan, indole, purine, v.v. Trong danh pháp hợp lý, tên của một dị vòng nhất định được lấy làm cơ sở - furan, thiophene, pyrrole, pyridine hoặc một loại khác, và vị trí của các nhóm thế trong chúng được chỉ ra bằng số hoặc chữ cái trong bảng chữ cái Hy Lạp. Trong các dị vòng có một dị nguyên tử, việc đánh số bắt đầu từ dị nguyên tử này.

Bức tranh 1.

Danh pháp khoa học hiện đại của các hệ dị vòng bao gồm kích thước của chu kỳ, độ không bão hòa của nó, số lượng dị nguyên tử, loại và vị trí của chúng. Tên gọi của dị vòng theo danh pháp này bao gồm ba phần:

  • root - cho biết kích thước của chu kỳ,
  • hậu tố - cho biết mức độ không bão hòa của hệ dị vòng
  • và các tiền tố - cho biết loại nguyên tử dị và số lượng của chúng.

Vòng ba ghi nhớ có gốc, vòng bốn ghi nhớ có -et, vòng năm ghi nhớ có -ol, vòng sáu ghi nhớ có -in. Dị vòng no có nguyên tử nitơ có hậu tố -idine, dị vòng no không có nguyên tử nitơ có hậu tố -an, hệ dị vòng no có hậu tố -in.

Bản chất của dị nguyên tử được biểu thị bằng các tiền tố oxa-, thia- và aza-, tương ứng đối với oxy, lưu huỳnh và nitơ, các tiền tố dioxa-, dithia-, diaza- tương ứng là hai nguyên tử oxy, lưu huỳnh và nitơ. . Nếu có hai hoặc nhiều dị nguyên tử khác nhau trong dị vòng, thì chúng được liệt kê theo thứ tự ưu tiên oxy trước lưu huỳnh và lưu huỳnh trước nitơ, và chúng được đánh số theo thứ tự sau: $ O $, $ S $, $ N $.

Nếu có một nguyên tử oxy và một nguyên tử nitơ trong dị vòng, tiền tố - oxaza- được sử dụng, và khi có một nguyên tử lưu huỳnh và một nguyên tử nitơ - thiaza-. Khi nguyên tử nitơ bậc ba và nhóm $ NH $ ở trong vòng cùng một lúc, số 1 biểu thị nguyên tử nitơ của nhóm $ NH $. Trong trường hợp này, việc đánh số được thực hiện theo thứ tự sau: $ O $, $ S $, $ NH $, $ N $.

Theo quy luật, các vòng dị vòng không chứa các liên kết cực, có tính chất hóa học và vật lý tương tự như các hợp chất mạch vòng tương ứng.

Mùi thơm của dị vòng

Có một nhóm khổng lồ các dị vòng có một hệ thống liên hợp gồm nhiều liên kết. Các dị vòng như vậy giống benzen và các dẫn xuất của nó ở tính ổn định và các loại phản ứng và được gọi là các hợp chất dị vòng thơm.

Theo quy tắc của Hückel, một hệ thống vòng có đặc tính thơm nếu nó:

  • chứa $ 4n + 2 $ tổng quát electron;
  • có một chuỗi liên hợp liên tục;
  • là phẳng.

Hãy so sánh hai hợp chất - benzen và pyridin:

Hình 2.

Hình 3

Trong phân tử benzen, các nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa $ sp2 $. Electron thứ tư của mỗi nguyên tử C không lai hóa được. Trong trường hợp này, một tập hợp các điện tử được hình thành, được tổng quát bởi tất cả các nguyên tử của chu trình (tập hợp thơm).

Các đám mây của $ \ pi $ -electron không bị thu hẹp có hình dạng khối tám, chồng lên nhau, tạo thành một đám mây $ \ pi $ -electron duy nhất:

hinh 4

Đặc tính thơm của pyridine có thể được giải thích tương tự. Chỉ có 5 $ \ pi $ -electron từ nguyên tử cacbon và một electron từ nitơ tham gia vào việc hình thành tập hợp electron trong tự nhiên:

Hình 5

Nguyên tử nitơ giữ lại một cặp electron không chia sẻ. Cặp electron này không phải là một phần của một sextet thơm; hệ thống phẳng; tương ứng với quy tắc Hückel: 4n $ + 2 $.

Cấu trúc điện tử của xe dị vòng năm ghi nhớ

Hãy xem xét cấu trúc điện tử của một dị vòng năm cạnh - pyrrole, được tạo thành bởi bốn nguyên tử cacbon và một nguyên tử nitơ, và chứa hai liên kết đôi:

Hình 6

Một chuỗi thơm cũng được hình thành trong phân tử pyrrole do bốn $ \ pi $ -electron của nguyên tử cacbon và hai điện tử p không chia sẻ của nguyên tử nitơ. Vì vậy, một hệ thống chung của một tập hợp các điện tử được hình thành trong hạt nhân và hạt nhân có tính chất thơm. Quy tắc độ thơm đầu tiên giữ nguyên: có $ 4n + 2 = 4 \ cdot1 + 2 = 6 $ điện tử tổng quát. Điều kiện thứ hai của tính thơm cũng được đáp ứng - một chuỗi liên hợp liên tục được bảo toàn, bao gồm một cặp electron chưa phân chia của nguyên tử nitơ. Tất cả các nguyên tử nằm trong cùng một mặt phẳng, hệ thống là mặt phẳng. Do đó, trong các dị vòng có năm nhớ, 6 electron được phân chia giữa 5 nguyên tử tạo thành chu trình này.

Hình 7

Trong số các hợp chất dị vòng năm mem với một dị nguyên tử, hợp chất quan trọng nhất là: furan, thiophene và pyrrole. Đối với furan, thiophene, pyrrole và các dẫn xuất của chúng, các phản ứng thay thế electrophin là điển hình: nitrat hóa, sulfo hóa, halogen hóa, acyl hóa, v.v ... Đặc điểm về tính chất của các hợp chất dị vòng này gắn liền với cấu trúc điện tử của chúng. Chu kỳ của các chất này chứa cả nguyên tử cacbon và dị nguyên tử. Các nguyên tử cacbon và dị nguyên tử được kết nối với các nguyên tử cacbon lân cận bằng $ \ sigma $ -bonds.

Các hợp chất dị vòng thơm khác

Vì các nguyên tử cacbon của các chu kỳ khác nhau và trong các tổ hợp khác nhau có thể được thay thế bằng các nguyên tử dị nguyên trong các hợp chất đa vòng, nên số lượng các hợp chất dị vòng thơm có thể có là rất lớn:

Hình 8

Ngoài các hệ dị vòng chứa sáu $ \ pi $ -electron trong mỗi vòng, có rất nhiều ví dụ về các hợp chất dị vòng p-electron thơm ($ 4n + 2 $) trong đó $ n> 1 $. Các chất tương tự dị vòng của vòng thơm đã được biết đến. Các ví dụ bao gồm oxa - annulene, aza - annulene, aza - annulene, isoelectronic to aroma -annulene:

Hình 9

Hình 10.

Một ví dụ điển hình khác về dị nhân thơm là homoquinoline bắc cầu, có tính đẳng điện tử với 1,6-methano-annulene và chứa 10 điện tử p:

Hình 11.

HỢP CHẤT HETEROCYCLIC một trong những nhóm hợp chất hữu cơ nhiều nhất ( cm. HÓA HỌC HỮU CƠ), chúng chứa trong thành phần của chu trình hiđrocacbon chúng chứa một hoặc nhiều dị nguyên tử: O, N, S (Hình 1).

Cơm. một. CÁC HỢP CHẤT HETEROCYCLIC ĐƠN GIẢN

Phân loại hợp chất dị vòng. Tùy thuộc vào bản chất của dị nguyên tử, người ta phân biệt các hợp chất chứa oxy, nitơ và lưu huỳnh. Cũng có những hợp chất chứa đồng thời một số nguyên tử giống hệt nhau (Hình 2, dioxan) hoặc các dị nguyên tử khác nhau (Hình 2, thiazole, oxazine). Ngoài ra, chúng được chia thành các hợp chất bão hòa (Hình 1, piperidin) và không bão hòa, tức là chứa nhiều liên kết (Hình 1, furan, pyridine, thiophene). Tùy thuộc vào số lượng các đoạn mạch vòng trong phân tử, các hợp chất đơn nhân đơn nhân (Hình 1) và đa nhân chứa một số chu kỳ được phân biệt, và các chu kỳ có thể ngưng tụ (chứa hai nguyên tử chung, Hình 2, indole), hoặc được nối với nhau bằng một liên kết đơn (Hình 2, bipyridyl). Các hợp chất mạch vòng, được gọi là ete vương miện ( Vương miện Tiếng Anh vương miện) chứa hơn bốn nguyên tử dị nguyên và hơn mười liên kết trong cấu trúc vòng (liên kết là một đoạn của hai nguyên tử liên kết hóa học, (Hình 2).

Cơm. 2. CÁC LOẠI HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÁC NHAU KHÁC NHAU: với hai dị nguyên tử giống nhau (dioxan) hoặc khác nhau (thiazole, oxazine). Hợp chất hạt nhân: với chu trình ngưng tụ (indole) hoặc tách rời (bipyridyl). Hợp chất ete Crown có chu kỳ lớn (macrocyclic).

Danh pháp hợp chất dị vòng. Đối với một nhóm lớn các hợp chất dị vòng, việc sử dụng ( cm. TÊN RIÊNG CỦA CÁC CHẤT) các tên đã phát triển trong lịch sử (ví dụ, Hình 1), tổng cộng có khoảng 60 tên như vậy. Trong các trường hợp khác, các tên (chúng được gọi là có hệ thống) được biên soạn theo các quy tắc đặc biệt của IUPAC (Liên minh Lý thuyết Quốc tế và Hóa học Ứng dụng), trong trường hợp này là đặc biệt và khác với hệ thống được chấp nhận cho hầu hết các hợp chất hữu cơ thuộc các lớp khác. Từ các gốc và tiền tố được đề xuất đặc biệt cho mục đích này, một tên được hình thành, tuân theo thứ tự đã thống nhất. Nó dựa trên một gốc bao gồm hai âm tiết. Âm tiết đầu tiên cho biết số lượng liên kết trong chu kỳ, ví dụ, âm tiết " ir"(hai chữ cái được sắp xếp lại từ gốc Latinh" t ri ”) Tương ứng với một chu kỳ ba kỳ, âm tiết“ không"(một đoạn tiếng Latinh t et ra ) chu trình liên kết bốn, âm tiết “ ĐƯỢC RỒI"(một phần của tiếng Latinh octa ) được sử dụng cho các chu kỳ có tám ghi nhớ. Nguồn gốc của một số âm tiết khác biểu thị kích thước của chu kỳ không phải lúc nào cũng hợp lý về mặt logic, ví dụ, đối với chu kỳ sáu kỳ, âm tiết " Trong”, Được lấy từ tên của dị vòng phổ biến“ pyride Trong»(Hình 1).

Âm tiết thứ hai cho biết liệu dị vòng có bão hòa âm tiết hay không " en', hoặc âm tiết không bão hòa' en"(một phép tương tự với tên của các hydrocacbon: et enđây vi). Một tiền tố được đặt trước gốc, cho biết bản chất của dị nguyên tử: O oxa,

 S tia, N aza. Vì gốc thường bắt đầu bằng một nguyên âm, "a" cuối cùng thường bị bỏ qua khỏi tiền tố. Kết quả là, một chu trình ba ghi nhớ bão hòa chứa S , được gọi là tiiran (Hình 3A): “ ti- "tiền tố viết tắt" thio- ", một phần của gốc" ir"Biểu thị chu kỳ ba kỳ hạn và phần thứ hai của gốc" en»Tương ứng với một hợp chất no. Tương tự, một vòng không bão hòa chứa O ba ghi nhớ được gọi là oxirene (Hình 3B). Nếu có một số nguyên tử dị hình trong dị vòng, thì vị trí của chúng được chỉ ra bằng cách sử dụng các chỉ số, trước đó đã đánh số các nguyên tử trong chu kỳ và số lượng các nguyên tử đó được biểu thị bằng các tiền tố di-, tri-, v.v., ví dụ, 1,3,5-triazine (Hình 3B). Nếu có các dị nguyên tử khác nhau, chúng được đề cập theo thứ tự sau: O> S> N (thứ tự được thiết lập này có điều kiện và không liên quan đến tính chất hóa học). Ở cuối tên, một gốc được sử dụng để chỉ kích thước vòng và độ không bão hòa, ví dụ, 1,2,6-oxadiazine (Hình 3E). Làm thế nào để viết rễ cho N -các chu trình lưu giữ hơi khác so với chu trình được mô tả ở trên, cũng được quy định đặc biệt, ví dụ: gốc " Trong»Trong tên 1,2,6-oxadiazine (Hình 3D) biểu thị cả một vòng sáu cạnh và một vòng không bão hòa.Các quy tắc biên soạn tên hệ thống có thể áp dụng cho bất kỳ hợp chất dị vòng nào, bao gồm cả những hợp chất có tên thông thường được thiết lập tốt, ví dụ, hợp chất hai vòng với tên thông thường quinoline (Hình 3F) có tên hệ thống là benzazine. Thay vì một hệ thống phức tạp của các tên có hệ thống, các nhà hóa học thường sử dụng một hệ thống đơn giản hơn dựa trên các tên tầm thường: họ "cô lập" một đoạn của một tên nhỏ trong phân tử và chỉ ra vị trí của các nhóm thế bằng cách sử dụng chỉ số. Tên 8-hydroxyquinoline được cấu tạo theo cách này (Hình. 3G).

Cơm. 3. TÊN HỆ THỐNG CỦA CÁC HỢP CHẤT HETEROCYCLIC(ĐỊA NGỤC). So sánh tên có hệ thống và tên tầm thường (E). Việc sử dụng một thuật ngữ tầm thường trong thành phần của tên (G). Trong 8-hydroxyquinolin (G), hai nguyên tử cacbon thuộc đồng thời hai chu kỳ không được đánh số, bởi vì chúng không thể có sản phẩm thay thế.

Tính chất hóa học của hợp chất dị vòng. Các dị vòng ba và bốn ghi nhớ là các hệ thống căng thẳng; chúng được đặc trưng bởi các phản ứng mở vòng. Etylen oxit (ở 150 ° C và áp suất 2 MPa) bị thủy phân để tạo thành etylen glycol (Hình 4A). Phản ứng của các chu trình căng thẳng chứa O với rượu dẫn đến các hợp chất có nhóm OH và liên kết ete (cellosolves, Hình 4B), và dưới tác dụng của hydro halogenua với chúng, các hợp chất chứa Hal và một nhóm OH (halohydrins, Hình 4B). N - chứa các vòng căng, tương tác với các hiđro halogenua tạo thành các haloalkylamin (Hình 4d).

Cơm. bốn. CÁC HỢP CHẤT HETEROCYCLIC KHÔNG ĐƯỢC AN TOÀN NĂM VÀ SÁU, cũng như các dẫn xuất của chúng, có thơm, do đó, hành vi hóa học của chúng giống với tính chất của các hợp chất thơm (dẫn xuất benzen) trong quá trình biến đổi khác nhau, đoạn mạch vòng tương đối bền và các nguyên tử H ở nguyên tử cacbon của vòng, giống như trong benzen, có thể được thay thế bằng các nhóm khác nhau ( cm. HỮU CƠ). Khi sulfo hóa (Hình 5A), nitrat hóa (Hình 5B) và acyl hóa (Hình 5C, D), các nguyên tử H được thay thế bằng các nhóm tương ứng, trong khi chu kỳ không thay đổi. Tuy nhiên, độ ổn định của các đoạn mạch vòng trong các hợp chất này thấp hơn so với vòng benzen, vì vậy tất cả các phản ứng thay thế được thực hiện trong điều kiện nhẹ hơn.

Cơm. 5. PHẢN ỨNG PHỤ GIA trong các hợp chất dị vòng: A sulfo hóa, B nitrat hóa, C, D axetyl hóa. Giống như các phản ứng thế trong vòng benzen, đoạn vòng không thay đổi.

Phải mất 6 R-electron ( cm. AROMATICITY). Mỗi liên kết đôi được tạo thành từ hai liên kết ( cm. HỮU CƠ), cái đầu tiên được hình thành bởi hai

S -electron của hai nguyên tử lân cận và nguyên tử thứ hai được tạo thành bởi một cặp R- electron (được biểu thị bằng các dấu chấm bên trong chu trình pyridin, Hình 6A). Hệ thống sáu điện tử trong pyridine được hình thành bởi năm R- các điện tử thuộc nguyên tử cacbon (chấm đen) và một R- electron từ nitơ (chấm màu xanh). Kết quả là, cặp điện tử duy nhất của nitơ (chấm đỏ) không tham gia vào việc hình thành hệ thơm, do đó nguyên tử nitơ như vậy có thể là chất cho (cho điện tử) trong việc hình thành liên kết cho-nhận (các amin có cùng một tài sản). Thường thì chất cho như vậy được gọi là bazơ Lewis, vì nó thể hiện các đặc tính đặc trưng của một bazơ: nó tạo thành muối bền với axit khoáng (Hình 6A), là những hợp chất phức tạp. Quinoline hoạt động tương tự (Hình 6B), có thể được coi là một dẫn xuất của pyridine. Các đặc tính của bazơ được thể hiện rõ nhất trong 8-hydroxyquinoline (Hình. 3g). Hợp chất này liên kết mạnh mẽ với các ion của hầu hết các kim loại, tạo thành hai liên kết hóa học thông thường của một nguyên tử kim loại với hai nguyên tử O và hai liên kết cho-nhận với các nguyên tử N . Những phức hợp như vậy được gọi là chelated (từ móng vuốt chele của Hy Lạp) hoặc hình móng vuốt. Tính chất này của 8-hydroxyquinoline được sử dụng rộng rãi trong hóa học phân tích để xác định định lượng kim loại.

Cơm. 6. SỰ HÌNH THÀNH MUỐI COMPLEX với sự tham gia của các dị vòng chứa N sáu cạnh (A, B). Chelate tạo phức của ion kim loại (B).

Trong quá trình chuyển đổi từ sáu ghi nhớ sang năm ghi nhớ

 N - còn tồn tại các dị vòng không bão hòa (pyrrole, Hình 7) tình hình thay đổi. Trong trường hợp này, cặp electron duy nhất của nitơ (Hình 7, chấm đỏ) tham gia vào việc hình thành hệ thơm sáu electron và không thể tham gia vào việc hình thành liên kết cho-nhận, do đó, các tính chất axit của mối ràng buộc được thể hiện rõ ràng N-H : hydro có thể được thay thế bằng kim loại (Hình 7). Các dẫn xuất kim loại như vậy là chất trung gian thuận tiện để thêm nhóm alkyl (Hình 7A) hoặc acetyl (Hình 7B) vào nitơ.

Vòng dị vòng imidazole năm cạnh (Hình 7B) chứa hai nguyên tử

 N , cũng là một hợp chất thơm 6 R-điện tử. Điều thú vị là nó có cả tính chất axit và tính bazơ. Atom N trong nhóm N - H có thể phản ứng như một axit, tương tự như pyrrole (Hình 7A, B), nguyên tử thứ hai N về các tính chất nó giống với cùng một nguyên tử trong pyridine, nó được đặc trưng bởi các phản ứng được thể hiện trong Hình. 6A.

Cơm. 7. TÍNH CHẤT AXIT CỦA CHU KỲ PYRROL HETEROCYCLE NĂM THÀNH VIÊN(A, B). Sự kết hợp của tính chất axit và tính bazơ trong imidazole (B). hai nguyên tử

 N trong imidazole và các điện tử của chúng được đánh dấu bằng các màu khác nhau.

Các hợp chất dị vòng thu được bằng cách sử dụng các quá trình ngưng tụ khác nhau đi qua giai đoạn đóng vòng (Hình 8A-B). Luồng của các phản ứng như vậy theo hướng mong muốn được kích thích bởi thực tế là, kết quả là các hợp chất dị sắc tương đối ổn định được hình thành. Một số hợp chất dị vòng thu được dựa trên các hợp chất có thành phần tương tự. Furfural thu được bằng cách khử cacbonyl hóa (loại bỏ CO) của furfural (Hình 8d, furfural là một cái tên tầm thường được nhiều người biết đến phản ánh không chính xác thành phần, đúng hơn là furfural). Hydro hóa furan dẫn đến tetrahydrofuran (Hình 8E).

Cơm. tám. CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HỢP CHẤT HETEROCYCLIC

Trong các dị vòng có năm thành phần không bão hòa, một dị nguyên tử được thay thế bằng một nguyên tử khác mà không làm thay đổi đoạn tuần hoàn (Hình 9).

Cơm. 9. CÁC PHIÊN BẢN CỦA HETEROCYCLES NĂM THÀNH VIÊN

Nhiều hợp chất dị vòng thu được bằng cách chế biến các sản phẩm tự nhiên. Pyrrole và indole (Hình 2) được tìm thấy trong nhựa than đá, thiophene được chiết xuất từ ​​các sản phẩm luyện cốc và phân hủy nhiệt của đá phiến dầu, furan được phân lập từ các sản phẩm chưng cất khô của một số loại gỗ. Pyridine (Hình 1) thu được từ nhựa than đá, các sản phẩm chưng cất khô của gỗ và than bùn. Furfural (Hình 8) thu được bằng cách thủy phân các nguyên liệu thực vật (lõi ngô, yến mạch và trấu) với sự có mặt của axit khoáng loãng.

Sự tham gia của các hợp chất dị vòng trong các quá trình sinh học. Ba hợp chất uracil, thymine và cytosine, là dẫn xuất của dị vòng pyrimidine chứa nitơ (Hình 10, trong ngoặc), cũng như hai dẫn xuất của dị vòng purin (Hình 10, trong ngoặc) guanin và adenin, là một phần của axit nucleic, thứ tự luân phiên của các dị vòng này dọc theo các chuỗi cao phân tử của DNA và RNA xác định tất cả thông tin di truyền của một cơ thể sống và phương thức lắp ráp các phân tử protein.

Hình 10. HỢP CHẤT HETEROCYCLIC tạo nên axit nucleic

Một số axit amin (Hình 11) tham gia vào quá trình hình thành protein cũng chứa các đoạn dị vòng: tryptophan bao gồm một đoạn indole (Hình 2), histidine có chu trình imidazole (Hình 7), proline là dẫn xuất pyrrolidine.

Các mảnh của dị vòng được tìm thấy trong cấu trúc của nhiều chất có hoạt tính sinh học, trong số các loại thuốc được sử dụng nhiều nhất, trên 60% là các hợp chất dị vòng. Chu trình bốn ghi nhớ azeprisnone (Hình 11) là một phần của kháng sinh penicillin và cephalosporin, axit ascorbic (vitamin C) chứa dị vòng furan, một vitamin nicotinamide khác bao gồm một đoạn pyridine, phân tử caffeine được “xây dựng” trên cơ sở purine đã đề cập trước đây (Hình 10).

Cơm. mười một. SỰ BIỂU HIỆN CỦA CÁC HỢP CHẤT HETEROCYCLIC trong cấu trúc của các phân tử quan trọng về mặt sinh học

Đối với tất cả các hợp chất (Hình 10), ngoại trừ azeprisnone, các tên nhỏ được đưa ra, được thành lập và sử dụng trước khi các quy tắc của danh pháp hệ thống được xây dựng.

Việc sử dụng các hợp chất dị vòng. Dioxan (Hình 2) và tetrahydrofuran (Hình 8) được sử dụng rộng rãi làm dung môi phân cực cao trong tổng hợp hữu cơ.

Furfural (Hình 8) là sản phẩm ban đầu để thu được furan (Hình 8), tetrahydrofuran, cũng như để tổng hợp một số loại thuốc (furatsilin).

Trong quá trình ngưng tụ của furfural trong môi trường axit, các sản phẩm cao phân tử (nhựa furan) được hình thành, giống như nhựa phenolic về cấu trúc, các nhóm metylen CH 2 kết nối các dị vòng (Hình 12A). Khi các loại nhựa này được nung nóng với sự có mặt của chất xúc tác axit (ví dụ, axit toluenulfonic), các liên kết đôi được mở ra với sự hình thành các liên kết chéo, kết quả là polyme chuyển sang trạng thái không hòa tan, cho phép nó được sử dụng như chất kết dính trong sản xuất các vật liệu ép đầy khác nhau: thủy tinh và nhựa carbon, ván sợi gỗ, v.v. Ở trạng thái rắn, các polyme furan là các chất bền về mặt hóa học (lên đến 300 ° C), cho phép chúng được sử dụng làm chất trám trét và ma tít chống ăn mòn và chống cháy.

Khi ngưng tụ các tetramin thơm (4 nhóm amin) với các este của axit đicacboxylic thơm ( cm. ESTERS) polyme được hình thành, trong cấu trúc mà các mảnh benzimidazole xuất hiện trong quá trình tổng hợp (Hình 12B). Các polyme như vậy, được gọi là polybenzimidazoles, có độ bền và khả năng chịu nhiệt cao (lên đến 500 ° C), chúng được sử dụng để làm màng, sợi (tên thương mại là ARMOS và RUSAR), chất dẻo gia cường.

Cơm. 12. POLYMERS CHỨA CÁC KHOẢNH KHẮC HETEROCYCLIC TRONG CHUỖI: polyme furan (A), polybenzimidazole (B).

Các dẫn xuất của benzimidazole là một phần của thuốc (dibazol).

Indole (Hình 2) được sử dụng như một chất cố định mùi trong ngành công nghiệp nước hoa và sản xuất một số loại thuốc (indomethacin).

Mikhail Levitsky

VĂN CHƯƠNG Gilchrist T. Hóa học các hợp chất dị vòng. M., Mir, 1996
Kim D.G. Giới thiệu về hóa học của các hợp chất dị vòng. Tạp chí Giáo dục Soros, Tập 7, 2001, Số 11

Hợp chất dị vòng bao gồm các hợp chất hữu cơ chứa chu kỳ trong phân tử của chúng, trong đó ngoài cacbon còn có các nguyên tử của các nguyên tố khác (dị nguyên tử: O, N, S).

Các hợp chất dị vòng được phân loại:

a) theo số nguyên tử trong chu kỳ (từ ba vòng đến chu kỳ);

b) theo số lượng và loại dị nguyên tử (–O, –N, –S);

c) theo mức độ không bão hòa của dị vòng (bão hòa và không bão hòa).

Đặc biệt quan tâm là các hợp chất dị vòng không no thỏa mãn các điều kiện về tính thơm: theo số electron π, chúng tương ứng với quy tắc Hückel; có cấu trúc phẳng và hệ kín gồm các electron π.

Khi đặt tên cho xe dị vòng, những cái tên tầm thường được sử dụng rộng rãi:

Việc đánh số trong các xe dị vòng là cố định và trong hầu hết các trường hợp phụ thuộc vào thâm niên của các nhóm thay thế. Trong một nhóm riêng biệt, các hợp chất dị vòng có nhân đặc được phân biệt:

Các hợp chất dị vòng có vai trò quan trọng đối với sự sống của sinh vật và có tầm quan trọng về mặt sinh lý (DNA, RNA, chlorophyll, alkaloid, một số vitamin, kháng sinh).

HỆ THỐNG NĂM THÀNH VIÊN VỚI MỘT HETEROATOM

Các đại diện quan trọng nhất là furan, thiophene, pyrrole. Tất cả chúng đều là hợp chất thơm: chúng thỏa mãn quy tắc Hückel, 4 electron của nguyên tử cacbon của chu kỳ liên hợp π với cặp electron duy nhất của dị nguyên tử, bản thân chu kỳ có cấu trúc phẳng. Do đó, đối với benzen, công thức của chúng có thể được mô tả như sau:

CÁC PHƯƠNG PHÁP VẬN CHUYỂN

1. Vòng tuần hoàn của các hợp chất 1,4-dicarbonyl (diketon, axit dicarboxylic hoặc axit xeton). Khi chúng được đun nóng với chất khử nước (CaCl 2, H 2 SO 4, P 2 O 5), dẫn xuất furan được tạo thành; khi thực hiện khử nước trong môi trường NH 3 - pyrrole; với sự có mặt của P 2 S 5 - thiophene:

2. Cách ly với các nguồn tự nhiên. Thiophene và pyrrole được chứa trong nhựa than đá, furan - từ các nguyên liệu thô có chứa pentosan (vỏ hạt hướng dương, lõi ngô) thông qua giai đoạn thu nhận furfural.

3. Sự chuyển đổi lẫn nhau của furan, thiophene, pyrrole (phản ứng của Yuriev) xảy ra ở t = 450 o C so với Al 2 O 3:

4. Tương tác của axetilen với hiđro sunfua hoặc amoniac. Khi cho hỗn hợp H 2 S đi qua Al 2 O 3, thiophene được tạo thành

và hỗn hợp với NH 3 - pyrrole

Tính chất vật lý

Cả ba chất đều là chất lỏng không màu, thực tế không tan trong nước.

TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Vì các hợp chất này có mùi thơm, chúng được đặc trưng bởi các phản ứng thế điện phân (nitrat hóa, sulfo hóa, halogen hóa, acyl hóa) tiến tới vị trí 2 (vị trí α) trong điều kiện rất nhẹ.

Furan, thiophene và pyrrole là bazơ yếu. Các sản phẩm của quá trình proton hóa furan và pyrrole với axit khoáng:

không ổn định, cation tạo thành nhanh chóng mất tính thơm, có được các đặc tính của một diene liên hợp, và dễ dàng polyme hóa. Hiện tượng này được gọi là chứng sợ axit (“sợ axit”).

Thiophene không có tính axit (do sự bằng nhau về độ âm điện của các nguyên tử S và C trong chu kỳ). Pyrrole có thể thể hiện tính axit ở liên kết N – H và thay thế nguyên tử hydro bằng nguyên tử Na hoặc K khi tương tác với kim loại hoặc kiềm đặc KOH:

1. Halogenation. Nó được thực hiện bởi một phức của Br 2 với dioxan, Br 2 ở nhiệt độ thấp (brom hóa) hoặc Cl 2 ở nhiệt độ thấp, SO 2 Cl 2 (clo hóa):

2. Sulfonation. Nó được thực hiện với pyridin sulfotrioxit C 5 H 5 N SO 3, vì trong trường hợp này không có hợp chất axit nào trong hỗn hợp phản ứng:

3.Nitrat hóa. Nó được thực hiện với axetyl nitrat (hỗn hợp của anhydrit axetic và HNO 3):

4. Acylation. Nó được thực hiện bởi anhydrit axit với sự có mặt của các chất xúc tác: AlCl 3, SnCl 4, BF 3 (phản ứng Friedel-Crafts):

5. Alkyl hóa Theo Friedel-Crafts, không thể thực hiện, tuy nhiên, kali pyrrole, khi tương tác với các dẫn xuất halogen, tạo ra N-alkylpyrroles, đồng phân hóa khi đun nóng thành 2-alkylpyrroles:

6. hydro hóa. Xảy ra khi có mặt xúc tác Ni hoặc Pt đối với furan và pyrrole, Pd đối với thiophene:

SÁU HỮU THÀNH VIÊN CÓ MỘT ATOM NITROGEN

Mối quan tâm lớn nhất là pyridine:

Nó là một chất tương tự dị vòng của benzen, trong đó một nhóm –CH = được thay thế bằng nguyên tử cacbon liên kết sp 2. Nó có một đặc tính thơm. Vì cặp electron duy nhất của nguyên tử nitơ không tham gia liên hợp π nên pyridin không kỵ axit và thể hiện tính bazơ cao. Mật độ điện tử trong vòng bị giảm, đặc biệt là ở các vị trí 2,4,6, do đó pyridin dễ dàng xâm nhập vào nucleophin hơn phản ứng thế electrophin.

CÁC PHƯƠNG PHÁP VẬN CHUYỂN

1. Cách ly với các nguồn tự nhiên. Pyridine và các chất tương đồng của nó thu được từ nhựa than đá.

2. Có thể thu được các chất đồng đẳng của pyridin bằng các cách sau:

2.1. Ngưng tụ của anđehit với amoniac

2.2. Phản ứng của axetilen với amoniac (Phương pháp lặp lại)

2.3. Sự ngưng tụ của β-diketon hoặc β-ketoesters với andehit và amoniac (phương pháp Hanch). 1,4-dihydropyridin trung gian được tạo thành trong trường hợp này được oxy hóa thành pyridin bằng axit nitric hoặc NO 2

Quá trình thủy phân và khử cacboxyl hóa của sản phẩm tạo thành dẫn đến các trialkylpyridin.

Tính chất vật lý

Pyridine là một chất lỏng không màu, có mùi khó chịu đặc trưng. Hãy hòa tan trong nước, tạo thành hỗn hợp với khối lượng riêng ρ = 1,00347 g / dm 3.

TÍNH CHẤT HÓA HỌC

1. Cơ bản. Pyridine thể hiện các đặc tính cơ bản ở mức độ lớn hơn furan, thiophene và pyrrole. Là một bazơ yếu, với các axit khoáng mạnh, nó tạo ra muối pyridinium thơm.

2. Alkyl hóa. Nó được thực hiện bởi các dẫn xuất halogen với sự tạo thành các muối pyridinium, khi đun nóng, tạo ra 2 (hoặc 4) pyridin được thế ankyl

3. Phản ứng thay thế electron. Đối với pyridin, chúng chảy khó khăn (vì nguyên tử nitơ có đặc tính chất nhận) đến vị trí 3

4. Phản ứng thay thế nucleophilic. Chúng dễ dàng chảy (do sự suy giảm của vòng trong mật độ điện tử) đến vị trí 2

5. Sự hồi phục. Thực hiện bằng hydro trong điều kiện khắc nghiệt

6. Quá trình oxy hóa pyridine chỉ xảy ra trong những điều kiện rất khắc nghiệt. Các chất đồng đẳng chứa chuỗi bên alkyl bị oxy hóa ở chúng tương tự như các chất đồng đẳng benzen