Учебно-методическое пособие Авт сост. В. А. Трофимов Нижний Тагил 2006 ббк 24. 236я73 Г44 (стр. 2 из 10)

Шестичленные гетероароматические соединения

Пиридин. Нахождение пиридина и его гомологов в каменноугольной смоле. Особенности электронного строения, связанные с введением в ядро атома азота. Образование σ-скелета и π-электронного секстета молекулы. Предельные резонансные структуры, мезоформула, влияние атома азота на распределение электронной плотности в кольце. Пиридин как электронодефицитный гетероцикл. Дипольный момент и его направленность. Молекулярная диаграмма и энергия сопряжения пиридина. Химические свойства. Сравнение реакционной способности в реакциях S_Е пиридина, бензола и пиррола. Дезактивирующее влияние электронной пары азота. Объяснение
β-ориентации замещения резонансной стабилизацией промежуточных
σ-комплексов при 3,5-замещении. Условия проведения реакций нитрования, сульфирования и галогенирования. Причины затруднений в проведении реакций, связанных с использованием катализаторов Фриделя − Крафтса (алкилирование и ацилирование). Нуклеофильное замещение в пиридине – нитрование (реакция А. Е. Чичибабина) и гидроксилирование. Основные свойства пиридина, сопоставление с основными свойствами пиперидина, пиррола и анилина. Реакции гидрирования и N-окисления. Получение N-алкильных четвертичных солей пиридиния и их поведение при нагревании. Важнейшие производные ряда пиридина. Алкильные гомологи и пиридинкарбоновые кислоты. Биологически активные соединения, содержащие кольца пиридина и пиперидина. Витамины РР и В₆, алкалоиды (никотин, анабазин, кониин, атропин).

Гетероциклы с несколькими гетероатомами. Диазины. Пиримидин, особенности его строения. Пиримидиновые основания: урацил (2,6-диоксипиримидин), тимин (5-метил-2,6-диоксипиримидин), цитозин (6-амино-2-оксипиримидин). Лактим-лактамные таутомерные превращения пиримидиновых оснований.

Пурин как ароматическая конденсированная система. Пуриновые основания – продукты гидролиза нуклеиновых кислот: аденин (6-аминопурин) и гуанин (2-амино-6-пурин). Мочевая кислота и ее таутомерные формы. Понятие об алкалоидах (кофеин).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

(ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС)

1. Введение

Гетероциклические соединения – циклические соединения, содержащие в кольцах не только атомы углерода, но и атомы других элементов.

Установлено, что в образовании циклов могут принимать участие практически все многовалентные атомы, но наибольшее значение имеют гетероциклические соединения, в циклы которых входят атомы O, N, и S.

Все соединения, которые в настоящее время относят к гетероциклическим, можно разделить на предельные, непредельные и ароматические. Мы будем рассматривать только последнюю группу соединений. Само название показывает, что эти соединения в той или иной степени обладают ароматическими свойствами и особым электронным строением. В них сильно выражено взаимодействие электронов циклической структуры и неподеленных пар электронов гетероатомов. Во многом эти гетероароматические соединения аналогичны бензолу. Если в молекуле бензола заменяется одна группировка −СН= на гетероатом, который передает в систему один р-электрон, то мы получаем так называемый пиридиновый тип образования ароматической системы, сохраняющий шестичленный цикл. При этом группировки −СН= в бензольном цикле могут быть заменены на гетероатом неоднократно.

бензол пиридин

бензол пиримидин

Гетероатом может отдавать в систему целиком неподеленную пару электронов, заменяя в структуре бензола группировку =СН−СН=. В этом случае происходит уменьшение размера цикла (пиррольный тип образования ароматической системы).

бензол фуран

бензол имидазол

Введение в цикл гетероатомов приводит к искажению устойчивой ароматической структуры бензола, что связано с природой самих гетероатомов и нарушением симметрии молекулы. В связи с этим циклическая система гетероциклических соединений становится очень подвижной и склонной к ряду специфических превращений, не характерных для бензола. Так, одним из проявлений такой лабильности структуры гетероциклов является склонность их к таутомерным превращениям и реакциям размыкания цикла. Например, гетероциклическое соединение барбитуровая кислота одновременно способна к двум видам таутомерии – кето-енольной и лактим-лактамной:

барбитуровая кислота

2. Классификация

Наиболее распространены в природе пяти- и шестичленные кислород-, азот- и серусодержащие гетероароматические соединения, которые отличаются друг от друга устойчивостью цикла. Эти соединения подразделяются на группы в зависимости от:

− размера цикла;

− характера гетероатомов;

− количества гетероатомов;

− наличия конденсированных систем, состоящих из одного или нескольких колец бензола и гетероцикла;

− наличия конденсированных систем, состоящих из двух или более гетероциклов.

По размеру цикла и характеру гетероатомов:

фуран пиррол тиофен пиридин

По количеству и характеру гетероатомов (кислород-, азот- и серусодержащие ГЦС):

пиррол пиразол имидазол оксазол тиазол пиримидин

Конденсированные системы из бензола и гетероцикла:

индол акридин хинолин

(бензопиррол) (бензопиридин) (дибензопиридин)

пурин (цикл пиримидина + цикл имидазола)

3. Пятичленные гетероциклические соединения

с одним гетероатомом

Эти соединения отвечают общей формуле:

3.1. Фуран, пиррол и тиофен

К простейшим ароматическим пятичленным гетероциклическим соединениям с одним гетероатомом относятся фуран, пиррол и тиофен.

X = O (фуран) X = N−H (пиррол) X = S (тиофен)

Способы получения

Фуран, пиррол и тиофен представляют собой бесцветные, легкокипящие жидкости, встречающиеcя в каменноугольной смоле, откуда могут быть выделены (за исключением фурана). В практике химика-органика их обычно получают реакцией циклизации соответствующих 1,4-дикарбонильных соединений путем нагревания их либо с серной кислотой (для получения фурана), либо с аммиаком (для получения пиррола), либо с сульфидом фосфора (для получения тиофена):

Кроме того, по реакции Ю. К. Юрьева фуран, пиррол и тиофен могут переходить друг в друга при нагревании до 450 °С над оксидом алюминия (III). Реакция идет по схеме:

Строение

По типу связей и химическому поведению эту группу пятичленных гетероциклических соединений следует отнести к ароматическим системам. Их ароматический характер, как и у бензола, определяется прежде всего наличием кольцевого секстета р-электронов. При этом все атомы гетероциклической системы (4 атома углерода и гетероатом) находятся в состоянии sp²-гибридизации. Гибридизованные орбитали при аксиальном перекрывании формируют плоский σ-скелет молекулы, а негибридизованные 2р_z-орбитали, ориентированные перпендикулярно плоскости цикла, перекрываясь латерально, образуют ароматический секстет:

Аналогично бензолу фуран, пиррол и тиофен подчиняются правилу ароматичности Хюккеля при n = 1.

Электронные смещения в молекулах пятичленных гетероциклов обусловлены двумя противоположными по направлению эффектами: положительным мезомерным эффектом (p,π-сопряжение) и отрицательным индукционным, направленным из кольца к гетероатому. За счет преобладающего
+М-эффекта четыре атома углерода кольца имеют большую электронную плотность, чем атомы углерода бензола. Такое направление электронных смещений подтверждается и расчетами эффективных зарядов методом молекулярных орбиталей (на примере молекулы пиррола):