Шестичленные гетероциклические соединения

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

Шестичленные гетероциклы–органические циклические соединения, имеющие как минимум один шестичленный цикл, в состав которого входит как минимум один гетероатом.Шестичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом.

Пиридин

Пиридин– шестичленный ароматический гетероцикл с одним атомом азота, бесцветная жидкость с резким неприятным запахом; смешивается с водой и органическими растворителями. Пиридин – слабое основание, дает соли с сильными минеральными кислотами, легко образует двойные соли и комплексные соединения.

Пиридин был известен ещё алхимикам, но первое письменное описание этого вещества было сделано шотландским химиком Томасом Андерсоном в 1851 году. Он обнаружил его при исследовании костяного масла, получающегося сухой перегонкой необезжиренных костей, среди прочих веществ, была получена бесцветная жидкость с неприятным запахом. В 1869 году Кернер в частном письме к Каниццаро высказал мысль, что пиридин, может быть рассматриваем, как бензол, в котором одна группа СН замещена азотом. По мнению Кернера, подобная формула не только объясняет синтезы пиридина, но, главным образом, указывает, почему простейший член ряда пиридиновых оснований имеет пять атомов углерода. Через год Дьюар, независимо от Кернера, пришел к той же формуле, которая затем нашла себе подтверждение и в позднейших работах других химиков. Позже изучением структуры пиридина занимались Томсен, Бамбергер и Пехманн, Чамичан и Деннштедт. В 1879 году А. Вышнеградский высказал мнение, что, может быть, все растительные основания являются производными пиридина или хинолина, а в 1880 году Кенигс предлагал даже именем алкалоидов называть только те растительные основания, которые могут быть рассматриваемы, как производное пиридина. Однако на настоящее время границы понятия «алкалоиды» значительно расширились. Основным источником для получения пиридина является каменноугольная смола.

Пиридин проявляет свойства, характерные для третичных аминов: образует N-оксиды, соли N-алкилпиридиния, способен выступать в качестве сигма-донорного лиганда.

В то же время пиридин обладает явными ароматическими свойствами. Однако наличие в кольце сопряжения атома азота приводит к серьёзному перераспределению электронной плотности, что приводит к сильному снижению активности пиридина в реакциях электрофильного ароматического замещения по сравнению с бензолом. В таких реакциях реагируют преимущественно мета-положения кольца.

Для пиридина характерны реакции ароматического нуклеофильного замещения, протекающие преимущественно по 2- или 4- положениям кольца. Такая реакционная способность свидетельствует о электронно-дефицитной природе пиридинового кольца, что может быть обобщено в следующем эмпирическом правиле: реакционная способность пиридина как ароматического соединения примерно соответствует реакционной способности нитробензола.

Применяют в синтезе красителей, лекарственных веществ, инсектицидов, в аналитической химии, как растворитель многих органических и некоторых неорганических веществ, для денатурирования спирта.

Шестичленные гетероциклические соединения с двумя гетероатомами

Пиримидин

Пиримидин(C₄N₂H₄, 1, 3- или м-диазин, миазин) – гетероциклическое соединение, имеющее плоскую молекулу, простейший представитель 1, 3-диазинов. Пиримидин– бесцветные кристаллы с характерным запахом.

Молекулярная масса пиримидина 80, 09 г/моль. Пиримидин проявляет свойства слабого двукислотного основания, так как атомы азота могут присоединять протоны за счет донорно-акцепторной связи, приобретая при этом положительный заряд.

Реакционная способность в реакциях электрофильного замещения у пиримидина снижена из-за снижения электронной плотности в положениях 2, 4, 6, вызванного наличием двух атомов азота в цикле. Так, пиримидин не нитруется и несульфируется, однако в виде соли бромируется в положение 5.

Электрофильное замещение становится возможным только при наличии электронодонорных заместителей и направляется в наименее дезактивированное положение 5.

Под действием алкилирующих агентов (алкилгалогениды, борфторид триэтилоксония) пиримидин образует четвертичные N-пиридиниевые соли, при действии перекиси водорода и надкислот образует N-оксид.

Реакции пиридина с азотными нуклеофилами зачастую сопровождаются раскрытием кольца с дальнейшей рециклизацией: так, в жестких условиях при взаимодействии с гидразином, пиримидин образует пиразол, при взаимодействии с метиламином— 3-этил-5-метилпиридин.

Пониженная электронная плотность кольца приводит к тому, что пиримидин активен по отношению к нуклеофильным реагентам, которые атакуют 2-, 4- и 6- атомы углерода цикла.

Так, литийорганические соединения и реактивы Гриньяра присоединяются к пиримидину с образованием 4-замещенных 3, 4-дигидропиримидинов

Пиримидин получают восстановлением галогенизированых пиримидиновых производных. Или из 2, 4, 6-трихлор пиримидина, получаемого обработкой барбитуровой кислоты хлороксидом фосфора.

Производные пиримидина широко распространены в живой природе, где участвуют во многих важных биологических процессах. В частности, такие производные как цитозин, тимин, урацил входят в состав нуклеотидов, являющихся структурными единицами нуклеиновых кислот, пиримидиновое ядро входит в состав некоторых витаминов группы B, в частности B1, коферментов и антибиотиков.

Структурная формулацитозина

Структурная формулатимина

Структурная формулаурацила

Пиримидиновая структура — как ароматическая, так и гидрированная, входит в состав многих биологически активных веществ и лекарственных препаратов — например, барбитуратов – производных 1, 3, 5–тригидроксипиридина, обладающих снотворным, противосудорожным и наркотическим действием.

Способы получения

Методы получения пятичленных гетероциклов

Пиррол и тиофен содержатся в каменноугольной смоле. Фракционной перегонкой смолы тиофен (Т_пл 84^оС) перегоняется вместе с бензолом (Т_кип 80^оС) и содержание его в бензоле 0, 5% (1884 г., В.Мейер). Тиофен в промышленности может быть получен при взаимодействии бутана с серой при 560 ^оС:

Гомологи получают при нагревании 1, 4-дикарбонильных соединений:

Фуран:

Пентозы, претерпевая дегидратацию и циклизацию, образуют фурфурол. При нагревании его с окисным катализатором образуется фуран. При сухой перегонке соли пирослизевой кислоты:

Большинство замещенных тиофена и фурана получают циклизацией:

Пятичленные циклы могут взаимно переходить друг в друга (реакция Юрьева) при нагревании над Al₂O₃ при 450 ^оС:

Электрофильное замещение, реакционная способность, ориентация

Фуран, пиррол и тиофен обладают значительной реакционной способностью по отношению к электрофильным реагентам. Это вызвано несимметричным распределением заряда в этих гетероциклах, из-за чего на углеродных атомах в цикле сосредоточен больший отрицательный заряд, чем в бензоле. Фуран обладает несколько большей реакционной способностью, чем пиррол.

Фуран бурно реагирует с сильными кислотами с образованием смолистых веществ, пиррол в результате протонирования по атому азота также неустойчив в кислых средах и полимеризуется. Тиофен более устойчив по отношению к кислотам, что позволяет использовать кислые реагенты при выборе условий для реакций электрофильного замещения.

Механизм электрофильного замещения в пятичленных гетероциклах существенно не отличается от общепринятого механизма замещения в ароматических соединениях, который предполагает изменение гибридизации атакуемого атома углерода от sp² в sp³ и образование комплексов, являющимися промежуточными соединениями. Образование s-комплекса является стадией, определяющей скорость реакции.

В настоящее время основные пятичленные гетероциклы расположены в ряд по реакционной способности:

пиррол ³ фуран > теллурофен > селенофен > тиофен

Электрофильное замещение по a-положению происходит легче, чем в b-положение, так как в возникающем при этом промежуточном переходном состоянии в результате присоединения по a-положению резонансная стабилизация больше, чем в катионе, являющаяся результатом присоединения по b-положению.

В катионе (2) двойная связь не может участвовать в мезомерной делокализации положительного заряда.

Скорость замещения зависит от различия энергий основного и переходного состояний, и более высокую скорость будет иметь тот процесс, который протекает через более стабильное переходное состояние.

Реакционная способность a- и b-положений сильно зависит от электрофильного агента и экспериментальных условий. Чем меньше сила электрофильного агента, тем выше величина a: b. Это соотношение зависит также от гетероатома. 2-Монозамещенные производные образуют с элктрофильными реагентами смеси изомеров. Положения 2 и 5 находятся в сопряжении подобно п-положениям в бензоле, поэтому возможно резонансное взаимодействие реакционного центра в положении 5 с заместителем в положении 2. Положения 2 и 4 являются положениями мета-типа, между которыми невозможно резонансное взаимодействие. Если в положении 2 находятся орто-пара-ориентирующие группы, то замещение протекает в положении 5, которое является a-положением по отношению к гетероатому и пара-положением по отношению к заместителю. Если мета-ориентирующий заместитель находится в положении 2, возникает конкуренция между ориентирующим влиянием гетероатома и заместителя. В фуране и тиофене, для которых соотношение a: b велико, a-ориентирующий эффект гетероатома преобладает и замещение протекает, главным образом, в положении 5. В пирроле образуется смесь изомеров с преобладанием 4–изомера.

Реакции электрофильного замещения в фуране

1. Бромирование диоксандибромидом:

2. Сульфирование комплексом SO₃ с пиридином (А.П. Терентьев, Л.А. Яновская):

3. Ацилирование

4. Нитрование фурана ацетилнитратом с обработкой продукта присоединения пиридином

Реакции электрофильного замещения тиофена

1. Хлорирование тиофена сульфурилхлоридом:

2. Тиофен легко сульфируется H₂SO₄ (95%) с образованием 2- тиофенсульфокислоты:

3. Нитрование ацетилнитратом приводит к смеси 2- и 3-нитротиофенов в соотношении 6: 1.

4. Введение альдегидной группировки в тиофен может быть достигнуто при взаимодействии тиофена с комплексом POCl₃ и N, N-диметилформамида.

5. Бромирование тиофена может протекать при взаимодействии с бромом:

Лучшие выходы достигаются при бромировании N–сукцинимидом

6. Ацилирование тиофена в положение 2:

Реакции электрофильного замещения пиррола

Для пиррола также характерны реакции электрофильного замещения в мягких условиях. Кислотность пиррольного водорода намного выше, чем кислотность алифатических аминов. При нагревании с сухим KOH пиррол депротонируется.

1. Соли пиррола со щелочными металлами получают действием калия или натрия в жидком аммиаке:

2. Пирролнатрий легко вступает в реакции замещения натрия на алкилы с образованием N–алкилпиррола

3. При нагревании N–алкилпиррол изомеризуется в С–алкилпирролы:

4. Амилнитрат реагирует с пирролом в присутствии этилата натрия с образованием натриевой соли 3–нитропиррола:

Химические свойства

Химические свойства пятичленных гетероциклов

Реакции электрофильного замещения (-NO₂, -SO₃H, Hal, -CO-R, -ацил)

Пятичленные гетероциклы в реакциях электрофильного замещения активнее бензола и сходны по ароматической. активности с реакционно-способными ароматическими аминами и фенолами, замещение происходит в положение 2.

Реакция сульфирования: фуран и пиррол значительно легче, чем тиофен окисляютсяи осмоляются при действии минеральных кислот.

Нарушается ароматичность и образующийся оксониевый ион, обладающий свойствами диена с сопряженными двойными связями, легко полимеризуется и осмоляется.

Сульфировать пиррол и фуран удается только пиридинсульфотриоксидом C₆H₅N-SO₃

Тиофен можно сульфировать и серной кислотой

Реакция нитрования: тиофен устойчивее к действию минеральных кислот, чем фуран и пиррол, однако он окисляется HNO₃ с разрушением молекулы

Реакции присоединения

Реакция гидрирования приводит к образованию насыщенных гетероциклических систем, лишенных ароматических свойств

Фурановое кольцо чувствительно к действию окислителей, уже на воздухе фуран самоокисляется, одновременно полимеризуясь.

Пиррол напоминает N во вторичных аминах, однако не обладает основными свойствами.

Пиррол проявляет кислотные свойства и при взаимодействии с активными металлами образует соли:

Важнейшие производные пиррола – широко распространены в природе, к их числу относятся: хлорофилл, гемоглобин, витамин В₁₂.

Многие из этих соединений содержат в молекуле особую группировку из четырех пиррольных ядер, называющимся ядром порфина:

При замещении –H в b положение пиррольного кольца образуются порфирины.

Многие жизненоважные природные соединения являются металлическими производными порфинов. Пигменты крови человека и животных – гемоглобины содержат атом Fe, являясь хромопротеидами. Их молекула состоит из 2х частей – белковой части (глобинов) и простатической части– гемма.

Зеленые пигменты растений – хлорофиллы, являются магний производными, в их молекуле атомы N связаны с магнием. Фотосинтез – основной процесс образования органических веществ на земле.

Конденсированные системы, содержащие пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

Бензопиррол или индол впервые получен из природного синего красителя. Содержится в цветах жасмина и апельсина.

Химические свойства бнзопиррола сходны с пирролом. Бензопиррол обладает слабокислыми свойствами; реакция электрофильного замещения индола идет преимущественно в b положение, исключая реакцию сульфирования.

Аминокислота триптофан относится к производным индола. Известен с глубокой древности краситель индиго (окисленная форма - индоксилы).

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒