Представником кисневмісних гетероциклічних сполук є. Ароматичні гетероциклічні сполуки

Мал. 1. Найпростіші гетероциклічні з'єднання

Класифікація гетероциклічних сполук.

Залежно від природи гетероатома розрізняють кисень-, азот-і сірковмісні сполуки. Існують і з'єднання, у складі яких є одночасно кілька однакових (рис. 2, діоксан) або різних гетероатомів (рис. 2, тіазол, оксазин). З іншого боку, їх поділяють насичені сполуки (рис. 1, пиперидин) і ненасичені, тобто. містять кратні зв'язки (рис. 1, фуран, піридин, тіофен). Залежно від числа циклічних фрагментів у молекулі розрізняють моноядерні моноциклічні сполуки (рис. 1) і поліядерні містять кілька циклів, причому цикли можуть бути конденсовані (утримувати два загальних атома, Мал. 2, індол), або з'єднані простим зв'язком (рис. 2, біпіриділ). У особливу групувиділяють макроциклічні сполуки, звані краун-эфиры (crown англ.корона), що містять понад чотири гетероатоми і більше десяти ланок у структурі циклу (ланкою називають фрагмент з двох хімічно зв'язаних атомів, (рис. 2).

Мал. 2. РІЗНІ ТИПИ БІЛЬШ СКЛАДНИХ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНИХ СПОЛУК: із двома однаковими (діоксан), або різними (тіазол, оксазин) гетероатомами. Біядерні сполуки: з конденсованими (індол) або розділеними циклами (біпіридил). Краун-ефіри з'єднання з великими циклами (макроциклічні).

Номенклатура гетероциклічних сполук.

Для великої групигетероциклічних сполук допускають використання тривіальних ( см. ТРИВІАЛЬНІ НАЗВИ РЕЧОВИН) назв, що склалися історично (наприклад, рис. 1), всього таких назв близько 60. В інших випадках назви (їх називають систематичними) складають за спеціальними правилами ІЮПАК (Міжнародний Союз Теоретичної та Прикладної хімії), які у разі своєрідні і від тієї системи, яка прийнята більшість органічних сполук інших класів. Зі спеціально запропонованих для цієї мети коренів і приставок формують назву, дотримуючись обумовленого порядку. У його основі лежить корінь, що з двох складів. Перший склад вказує на кількість ланок циклу, наприклад, склад ір» (Дві переставлені літери з латинського кореня «t ri») відповідає тричленному циклу, склад « ет» (Фрагмент латинського t et ra) ¦ чотириланковий цикл, склад « ок» (частина латинського oc ta) використовують для восьмичленних циклів. Походження деяких інших складів, що позначають розмір циклу, не завжди логічно обґрунтовано, наприклад, для шестичленних циклів використовують склад ін», взятий із назви поширеного гетероциклу «пірид ін(рис. 1).

Другий склад укаює, чи є гетероцикл насиченим | ан», або ненасиченим | склад « він»(аналогія з назвами вуглеводнів: ет анет ін). Перед коренем поміщають приставку, що позначає природу гетероатома: Окса, S тіа, N аза. Оскільки корінь часто починається з голосної літери, у приставці зазвичай опускають останню літеру "а". В результаті насичений тричленний цикл, що містить S, називають тііран (рис. 3А): « ти-» скорочена приставка «тіо-», частина кореня « ір» позначає тричленний цикл, а друга частина кореня « ан» відповідає насиченому з'єднанню. Аналогічно тричленний Про містить ненасичений цикл називають оксирен (рис. 3Б). Якщо в гетероциклі кілька гетероатомів, їх положення вказують за допомогою числових індексів, пронумерувавши попередньо атоми в циклі, а кількість таких атомів позначають приставками ді-, три-і т.д., наприклад, 1,3,5-триазин (рис. 3В). Якщо є різні гетероатоми, їх згадують у такому порядку: O > S > N (цей встановлений порядокносить умовний характер і не пов'язаний із хімічними властивостями). В кінці назви за допомогою кореня вказують розмір циклу та ненасиченість, наприклад, 1,2,6-оксадіазин (рис. 3Д). Спосіб написання коренів для N-циклів, що містять, дещо відрізняється від описаного вище, що також спеціально обумовлено, наприклад, корінь « ін» у назві 1,2,6-оксадіазин (рис. 3Д) позначає одночасно і шестичленний та ненасичений цикл.

Правила складання систематичних назв застосовні до будь-яких гетероциклічних сполук, у тому числі і до тих, для яких є усталені. тривіальні назвинаприклад, у біциклічної сполуки з тривіальною назвою хінолін (рис. 3Е) систематична назва бензазин. Часто хіміки замість складної системисистематичних назв використовують більш просту, засновану на тривіальних назвах: у молекулі «виокремлюють» фрагмент тривіальної назви та за допомогою цифрових індексів вказують положення заступників За такою схемою складено назву 8-оксихінолін (рис. 3Ж).

Мал. 3. СИСТЕМАТИЧНІ НАЗВИ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНИХ СПОЛУК(А-Д). Зіставлення систематичної та тривіальної назви (Е). Використання тривіального терміна під час складання назви (Ж). У 8-оксихіноліні (Ж) два атоми вуглецю, що належать одночасно двом циклам, не нумерують,т.к. у них не може бути заступників.

Хімічні властивості гетероциклічних сполук.

Три- і чотиричленні гетероцикли є напруженими системами, для них характерні реакції з розкриттям циклу. Етиленоксид (при 150° С та тиску 2 мПа) гідролізується, утворюючи етиленгліколь (рис. 4А). Реакція О-содержащих напружених циклів зі спиртами призводить до сполук з ОН-групою і простим ефірним зв'язком (целозольви, рис. 4Б), а при дії на них галогенводнів утворюються сполуки, що містять Hal і ОН-групу (галогенгідрини, рис. 4В). N-містять напружені цикли, взаємодіючи з галогеноводородами утворюють галогеналкіламіни (рис. 4Г).

Мал. 4. П'яти-і шестичасті ненасичені гетероциклічні з'єднання, а також їх похідні мають ароматичністю, тому їх хімічна поведінка нагадує властивості ароматичних сполук (похідних бензолу) при різних перетвореннях циклічний фрагмент порівняно стійкий, а атоми Н при вуглецевих атомах кільця, як у бензолу, можуть заміщатися різноманітними групами (см. ХІМІЯ ОРГАНІЧНА). При сульфуванні (рис. 5А), нітруванні (рис. 5Б), ацилюванні (рис. 5В, Г) атоми Н заміщаються відповідними групами, а цикл зберігається незмінним. Тим не менш, стійкість циклічних фрагментів у таких сполуках нижче, ніж у бензольного циклу, тому всі реакції заміщення проводять у більш м'яких умов.

Мал. 5. РЕАКЦІЇ ЗАМІЩЕННЯв гетероциклічних сполуках: А сульфування, Б нітрування, В, Г ацетилювання. Подібно до реакцій заміщення в бензольному ядрі, циклічний фрагмент залишається незмінним.

Для виникнення ароматичної системи в циклах середнього розміру (57-ланкових) потрібно 6 р-електронів ( див.АРОМАТИЧНІСТЬ). Кожен подвійний зв'язок складається з двох зв'язків ( см. ОРБІТАЛІ), першу утворюють два s-електрона двох сусідніх атомів, а другу утворює пара р-електронів (позначені точками всередині циклу піридину, рис. 6А). Шестиелектронна система у піридині утворюється за рахунок п'яти р-електронів, що належать атомам вуглецю (чорні точки) та одного р-електрону від азоту (синя точка). В результаті неподілена електронна параазоту (червоні точки) не бере участі в утворенні ароматичної системи, тому такий атом азоту може бути донором (що дає електрони) при утворенні донорно-акцепторного зв'язку (це ж властивість мають і аміни). Часто такий донор називають Льюїсовською основою, оскільки він виявляє властивості, типові для основи: утворює з мінеральними кислотами стійкі солі (рис. 6А), що є комплексними сполуками. Аналогічно поводиться хінолін (рис. 6б), який можна розглядати як похідне піридину. Найбільш яскраво властивості основи проявляються у 8-оксихіноліну (рис. 3Ж). Ця сполука міцно пов'язує іони більшості металів, утворюючи два звичайні хімічні зв'язки атома металу з двома атомами О, і два донорно-акцепторні зв'язки з атомами N. Такі комплекси називають хелатними (від грецьк. chele ? клешня) або клешневидними. Цю властивість 8-оксихіноліну широко використовують у аналітичної хіміїдля кількісного визначенняметалів.

Мал. 6. УТВОРЕННЯ КОМПЛЕКСНИХ СОЛІЙза участю шестичленних N-місних гетероциклів (А, Б). Хелатні комплекси іонів металів (В).

При переході від шестичленних до п'ятичленних N-насичених ненасичених гетероциклів (піррол, рис. 7) ситуація змінюється. У цьому випадку неподілена електронна пара азоту (рис. 7, червоні точки) залучена в утворення шестиелектронної ароматичної системи і не може брати участь в утворенні донорно-акцепторного зв'язку, в результаті виразно виявляються кислотні властивості зв'язку N-H: водень може заміщуватися металом (рис. 7). Такі металовиробні є зручними проміжними сполуками для приєднання азоту алкільних (рис. 7А) або ацетильних груп (рис. 7Б).

П'ятичленний гетероцикл імідазол (рис. 7В), що містить два атоми N, також являє собою ароматичну сполуку в освіті циклу бере участь 6 р-електронів. Цікаво, що він має одночасно і кислотні та основними властивостями. Атом N в угруповання N-Hможе реагувати як кислота, аналогічно піролу (рис. 7А, Б), другий атом N за властивостями нагадує такий же атом у піридині, для нього характерні реакції, показані на рис. 6А.

Мал. 7. КИСЛОТНІ ВЛАСТИВОСТІ П'ЯТИЧЛЕННОГО ГЕТЕРОЦИКЛУ ПІРРОЛУ(А, Б). Поєднання кислотних та основних властивостей в імідазолі (В). Два атоми N в імідазолі і електрони, що їм належать, відзначені різними кольорами.

Гетероциклічні сполуки одержують за допомогою різних конденсаційних процесів, що проходять через стадію замикання циклу (рис. 8А-В). Перебіг таких реакцій у потрібному напрямкустимулюється тим, що у результаті утворюються порівняно стабільні гетероароматичні сполуки. Деякі гетероциклічні сполуки одержують, взявши за основу сполуки подібного складу. При декарбонілировании (видаленні СО) фурфуролу отримують фуран (рис. 8Г, фурфурол усталену тривіальну назву, що неточно відображає склад, правильніше, фурфураль). Гідрування фурану призводить до тетрагідрофурану (рис. 8Д).

Мал. 8. СПОСОБИ ОТРИМАННЯ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНИХ СПОЛУК

У ненасичених п'ятичленних гетероциклах один гетероатом замінюється на інший без зміни циклічного фрагмента (рис. 9).

Мал. 9. Взаємоперетворення п'ятичленних гетероциклів

Багато гетероциклічних сполук отримують переробкою природних продуктів. Піррол та індол (рис. 2) містяться в кам'яновугільній смолі, тіофен видобувають із продуктів коксування кам'яного вугілляі термічного розкладаннягорючих сланців, фуран виділяють із продуктів сухої перегонки деяких порід деревини. Пиридин (рис. 1) одержують із кам'яновугільної смоли, продуктів сухої перегонки дерева та торфу. Фурфурол (рис. 8) отримують гідролізом рослинної сировини (кукурудзяних качанів, вівсяного та рисового лушпиння) у присутності розведених мінеральних кислот.

Участь гетероциклічних сполук у біологічних процесах.

Три сполуки урацил, тимін і цитозин, які являють собою похідні азотовмісного гетероциклу піримідину (рис. 10, у дужках), а також два похідних гетероциклу пурину (рис. 10, у дужках) гуанін і аденін, входять до складу нуклеїнових кислот, порядок чергування цих гетероциклів уздовж полімерних ланцюгів ДНК та РНК визначає всю спадкову інформаціюживого організму та спосіб збирання білкових молекул.

Рис.10. ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ, що входять до складу нуклеїнових кислот

Деякі амінокислоти (рис. 11), що беруть участь в утворенні білків, також містять гетероциклічні фрагменти: триптофан включає фрагмент індолу (рис. 2), в гістидині є цикл імідазолу (рис. 7), пролін похідне піролідину.

Фрагменти гетероциклів є у структурі багатьох біологічно-активних речовин, серед лікарських препаратів, що найбільш використовуються, понад 60% складають гетероциклічні сполуки. Чотиричленний цикл азетидинон (рис. 11) входить до складу антибіотиків пеніциліну і цефалоспорину, аскорбінова кислота (вітамін С) містить у своєму складі фурановий гетероцикл, інший вітамін нікотинамід включає фрагмент піридину, молекула кофеїну «побудована» на базі згаданого 10).

Мал. 11. ПРИСУТНІСТЬ ФРАГМЕНТІВ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНИХ СПОЛУКу структурі біологічно важливих молекул

Для всіх сполук (рис. 10), за винятком азетидинону, наведено тривіальні назви, які утвердилися і увійшли до вживання до того, як були сформульовані правила систематичної номенклатури.

Застосування гетероциклічних сполук.

Діоксан (рис. 2) і тетрагідрофуран (рис. 8) широко використовують як високополярні розчинники в органічному синтезі.

Фурфурол (рис. 8) є вихідним продуктом для одержання фурану (рис. 8), тетрагідрофурану, а також для синтезу деяких лікарських препаратів (фурацилін).

При конденсації фурфуролу кислому середовищіутворюються полімерні продукти (фуранові смоли), що за будовою нагадують фенольні смоли, метиленові групи СН 2 , що з'єднують гетероцикли (рис. 12А). При нагріванні таких смол у присутності кислотних каталізаторів (наприклад, толуолсульфокислота) подвійні зв'язки розкриваються з утворенням поперечних зшивок, в результаті полімер переходить у нерозчинний стан, що дозволяє його використовувати як сполучний при виготовленні різних наповнених пресматеріалів: скло- та вуглепластиків, деревоволокнистих плит та т.п. У твердому стані фуранові полімери являють собою хімічно стійкі речовини (до 300° С), це дозволяє застосовувати їх як корозійностійкі і вогнестійкі герметики і мастики.

При конденсації ароматичних тетрамінів (4 аміно-групи) з ефірами ароматичних дикарбонових кислот ( див.СКЛАДНІ ЕФІРИ) утворюються полімери, у структурі яких у процесі синтезу виникають фрагменти бензімідазолу (рис. 12Б). Такі полімери, що дістали назву полібензімідазоли, мають високу міцність і термостійкість (до 500° С), з них виготовляють плівки, волокна (торгова назва АРМОС і РУСАР), армовані пластики.

Мал. 12. ПОЛІМЕРИ, ЩО МІСТЮТЬ У ЛАНЦЮГУ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ ФРАГМЕНТИ: фурановий полімер (А), полібензімідазол (Б).

Похідні бензімідазолу входять до складу лікарських засобів (дибазол).

Індол (рис. 2) застосовують як фіксатор запахів у парфумерній промисловості та при виготовленні деяких ліків (індометацин).

Михайло Левицький

Органічні сполуки, що містять у молекулах цикли, до складу яких можуть входити невуглецеві атоми . Гетероциклічні сполуки класифікують за кількістю атомів у циклі та за типом гетероатома.

Шестичленний гетероцикл.

ПірідінC 5 H 5 N :

Будова гетероциклів.

Піридін нагадує бензол: всі атоми вуглецю і атом азоту знаходиться в sp 2- гібридизації. Шість електронів знаходяться на негібридних орбіталях та утворюють π -електронну ароматичну систему. З 3х гібридних орбіталей атома азоту дві вступають у освіту сигма-зв'язків С-N, а на третій знаходиться неподілена пара:

Піридін - безбарвна рідина, трохи легша за воду, з неприємним запахом, з водою змішується в будь-яких пропорціях.

Одержання гетероциклів.

Пиридін виділяють із кам'яновугільної смоли. У лабораторних умовйого можна синтезувати із синильної кислоти та ацетилену:

1. Основні властивості гетероциклів. Пиридин - слабка основа, його водний розчин забарвлюється в синій колір:

При реакції з сильними кислотами утворюються солі піридинія:

2. Ароматичні властивості гетероциклів. Як і бензол піридин входить у реакції електрофільного заміщення. Його активність у цих реакціях нижча, ніж у бензолу через велику електронегативність атома азоту. Нітрування проводять при 300 ºС з низьким виходом:

Реакція нуклеофільного заміщення. Атом азоту відтягує до себе електронну щільність ароматичної системи та орто-, пара- Положення «збіднені» електронами. Тому піридин може реагувати з амідом натрію, утворюючи суміш орто-і пара-амінопіридинів ( реакція Чічібана):

3. Гідрування піридину, внаслідок чого утворюється піперидин:

4. Гомологи піридину піддаються бічному окисленню:

Піримидин С4Н4N2.

Це шестичленний гетероцикл з двома атомами азоту:

Піримидин менш активний у реакціях електрофільного заміщення, і основні властивості його виражені гірше, ніж і піридину.

До піримідинових основ відносять: урацил, тимін, цитозин:

Кожна з цих сполук може існувати в 2х формах - лактим-лактамна таутомерія .

П'ятичленові цикли.

Яскравим представником є піролC 4 H 4 NH :

Будова гетероциклів.

Атоми азоту та вуглецю знаходяться в sp 2-гібридизації. 2 електрони на негібридній орбіталі атома азоту утворюють π -електрону ароматичну систему:

Електронна пара входить до складу ароматичної системи, тому пірол практично позбавлений основних властивостей.

Фізичні властивості гетероциклів

Піррол- Безбарвна рідина із запахом хлороформу. Він слабо розчинний у воді, але розчинний в органічних розчинниках.

Одержання гетероциклів.

Конденсація ацетилену з аміаком:

Амоноліз – реакція Юр'єва:

Хімічні характеристики гетероциклів.

1. Сильні мінеральні солі можуть витягнути електронну пару з ароматичної системи, при цьому ароматичність порушується і пірол перетворюється на нестійку сполуку, яка відразу полімеризується. Така нестійкість у кислому середовищі називається ацидофобністю.

2. Піролл – дуже слабка кислота, тому він може реагувати з калієм:

3. Електрофільне заміщення, сульфування:

4. Гідрування. В результаті утворюється піролідин:

Цікавими властивостями мають імідазол і піразол:

Вони може бути в таутомерной формі, т.к. NH- група виявляє слабкі кислотні властивості та здатність віддавати протон невелика. Тому протон може переходити від одного атома до іншого.

Класифікація N-гетероциклічних сполук, що містять.

- П'ятичленові гетероцикли:

а) з одним атомом азоту (піррол та його похідні)

б) з двома атомами азоту (імідазол, піразол та їх похідні)

- Шестичленні гетероцикли:

а) з одним атомом азоту (піридин та його похідні)

б) з двома атомами азоту (піримідин та його похідні)

- Конденсовані (біциклічні) гетероцикли (пурін та його похідні)

Піррол

Електронна будова молекули

Цикл піролу має ароматичний характер, оскільки 4 неспарені електрони атомів вуглецю і неподілена пара електронів атома азоту утворюють єдину шестиелектронну π-систему. (На відміну від бензолу, структурні формулигетероциклічних сполук єдина π-система зазвичай не показується.) Участь неподіленої пари електронів атома азоту в утворенні ароматичного зв'язку пояснює, чому пірол практично не виявляє основних властивостей (на відміну від амінів) Навпаки, пірол має слабокислотні властивості.

Хімічні властивості

I. Кислотні властивості: взаємодія з активними металами

ІІ. Ароматичні властивості:

а) реакції заміщення (як правило, в α-положенні)

б) реакції приєднання (гідрування)

Пірролідин є циклічним вторинним аміном, виявляє сильноосновні властивості. Цикл піролідину входить до складу гетероциклічних амінокислот - проліну та гідроксипроліну:

Способи отримання

1. Отримання з фурану та тіофену

2. Одержання з ацетилену

Фізичні властивості

Піррол - безбарвна рідина із запахом хлороформу, Т кип 131°С, практично нерозчинний у воді, розчиняється у спирті та ацетоні

Соснова скіпка, змочена соляною кислотою, забарвлюється парами піролу в червоний колір (звідси назва pyrrol - «червона олія»).

Біологічна роль

Цикли заміщених похідних піролу входять до складу хлорофілу та гему. У молекулі хлорофілу чотири заміщені піррольні кільця пов'язані з атомом магнію, а в гемі ​​- з атомом заліза

Пірідін

Електронна будова молекули

Цикл піридину (як і цикл піролу) має ароматичний характер і дуже схожий на цикл бензолу. Ароматичний шестиелектронний π-зв'язок утворений неспареними електронами п'яти атомів вуглецю та атома азоту. На відміну від піролу, неподілена пара електронів атома азоту в піридині не бере участі в утворенні π-системи, тому може брати участь в утворенні донорно-акцепторного зв'язку з НФ. Отже, піридин виявляє основні властивості.

Хімічні властивості

Основні властивості

а) взаємодія з водою

(Водний розчин піридину забарвлює лакмус у синій колір)

б) взаємодія із кислотами

ІІ. Ароматичні властивості:

а) реакції заміщення (як правило, у β-положенні, оскільки атом азоту веде себе як заступник ІІ роду)

б) реакції приєднання (гідрування):

Способи отримання

1. Виділення з кам'яновугільної смоли (містить близько 0,08% піридину).

2. Синтез з ацетилену та ціановодню

Фізичні властивості

Піридін - безбарвна рідина зі специфічним запахом, Т кип 115 ° С, необмежено змішується з водою, дуже отруйний.

Біологічна роль

Гомолог піридину - 3-метилпіридин (β-піколін) - при окисленні утворює нікотинову кислоту:

Нікотинова кислота та її амід - нікотинамід є дві форми вітаміну РР, який застосовується для лікування пелагри (шкірне захворювання).

Імідазол

Електронна будова молекули. Загальна характеристика хімічних властивостей

З наведеної формули видно, що:

а) імідазол (подібно до піролу і піридину) є ароматичною сполукою;

б) імідазол має амфотерними властивостями, оскільки N(1) обумовлює кислотні властивості, а N(3) - основні властивості.

Фізичні властивості

Імідазол - безбарвне тверда речовина, Т пл 90°С, добре розчиняється у воді та спирті.

Біологічна роль

Ядро імідазолу входить до складу однієї з природних амінокислот - гістидину:

При декарбоксилюванні (-CO2) гістидину утворюється гістамін:

Гістамін міститься у зв'язаній формі в різних органах та тканинах людини та тварин, звільняється при алергічних реакціях, шоці, опіку.

Піримидин

Загальна характеристика електронної будовихімічних властивостей та біологічної ролі

Піримидин, як і інші гетероциклічні сполуки, має ароматичний характер. Наявність двох піридинових атомів азоту зумовлює основні властивості піримідину. Похідні піримідину називаються піримідиновими основами. Залишки трьох піримідинових основ (урацилу, тиміну, цитозину) входять до складу нуклеїнових кислот (див. «Нуклеїнові кислоти»).

Пурін

Будова молекули. Біологічна роль

Молекула пурину являє собою систему з піримідинового та імідазольного циклів, що мають два загальні вуглецеві атоми:

Похідні пурину називаються пуриновими основами. Залишки двох пуринових основ (аденіну та гуаніну) входять до складу нуклеїнових кислот (див. «Нуклеїнові кислоти»).

ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
Гетероциклічні сполуки - це вуглецеві циклічні сполуки, в яких один або кілька атомів кільцевої системи є відмінними від вуглецю неметалами (киснем, азотом чи сіркою). Як і карбоциклічні сполуки, гетероцикли можна підрозділити на ароматичні і продукти відновлення таких ароматичних гетероциклів, які аналогічно аліциклічним сполукам виявляють властивості і реакції, подібні до властивостей і реакцій аліфатичних сполук. Гетероцикли зручно класифікувати а) за кількістю атомів у кільці, б) за кількістю та природою гетероатомів. Ненасичені гетероцикли, що виявляють максимально ароматичний характер, беруться як ключові представники кожної циклічної системи.
А. П'ЯТИЧЛЕННІ ГЕТЕРОЦИКЛИ
1. Один гетероатом

2. Два гетероатоми

3. Три і більше гетероатомів

Резонанс (див. "Резонанс" на початку розд. IV-3) п'ятичленних кілець включає значний внесок наступних структур:

Набута таким шляхом енергія резонансу робить ці системи дуже стійкими до реакцій приєднання по подвійним зв'язкам, і вони входять у багато типові реакціїароматичного заміщення.
Б. ШЕСТИЧНІ ГЕТЕРОЦИКЛИ
1. Один гетероатом

2. Два гетероатоми

В. КОНДЕНСОВАНІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СИСТЕМИ
Важливі ряди сполук у кожному класі отримують конденсацією гетероциклічного кільця з одним або декількома бензольними, наприклад:

Гетероциклічні системи широко поширені в природі, особливо в алкалоїдах, рослинних пігментах (антоціаніни, флавони), порфіринах (гемін, хлорофіл) та вітамінах групи В (тіамін, рибофлавін, фольова кислота). Нижче розглянуто докладніше деякі гетероциклічні сполуки.
Г. ПРАКТИЧНО ВАЖЛИВІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ
Фуран, летюча рідина, стійка до дії лугів, але чутлива до кислот

Його найлегше отримати декарбоксилюванням пірослизової кислоти (2,5-дикарбоксифурану), продукту піролізу слизової (тетрагідроксиадипінової) кислоти. Найбільш загальним методом отримання фуранових похідних є дегідратація g-дикетонів над хлоридом цинку:

Суха перегонка пентоз HOCH2(CHOH)3CHO дає фурфурол (a-формілфуран). Фурфурол виявляє багато властивостей ароматичного альдегіду. Так, подібно до бензальдегіду, він вступає в реакцію Канніццаро ​​і в бензоїнову конденсацію. Кумарон (бензофуран) (див. вище "Конденсовані гетероциклічні системи") разом з його гомологами міститься в кам'яновугільній смолі. Він має деяку цінність для одержання кумаронових смол, які утворюються при його обробці сірчаною кислотою. Похідні кумарону можуть бути отримані розкладанням дибромкумаринів лугом:

або дією лугу на о-гідрокси-b-хлорстирол, про-HO-C6H4-CH=CH-Cl. Кумаронова структура зустрічається в багатьох природних рослинних речовинах, які є потужними інсектицидами та отрутами для риб, наприклад:

Тіофен (формулу див. вище, т. Кіп. 84 ° С) міститься в кам'яновугільній смолі і супроводжує бензол при її фракціонуванні. Його можна видалити з бензолу осадженням комплексу з ацетатом ртуті, з якого під час обробки соляною кислотою можна регенерувати тіофен. Сірчана кислотатакож видаляє його з бензолу шляхом утворення a-тіофенсульфокислоти. Похідні тіофену можна отримати такими способами: 1) перегонкою бурштинових кислот або g-кетокислот з P2S3:

2) перегонкою g-дикетонів з P2S5:

Тіофен та його гомологи дуже стійкі до окислення або відновлення кільця. Реакції ароматичного заміщення (сульфування, нітрування тощо) йдуть в a-положення. Тіонафтен (бензотіофен) отримують окисленням о-меркаптокоричної кислоти червоною кров'яною сіллю (фериціанідом калію). Його 3-гідроксипохідне, що має велике промислове значенняв хімії барвників, одержують дією оцтового ангідриду на о-карбоксифенілтіогликолеву кислоту про-HOOCC6H4-S-CH2COOH. Воно легко поєднується з солями діазонію в положення 2, даючи азобарвники, і конденсується з альдегідами та кетонами, утворюючи тіоіндигоідні барвники.

Піррол (формулу див. вище), безбарвна рідина, що приємно пахне, що міститься в кам'яновугільній смолі, легко полімеризується на повітрі. У нього практично немає властивостей основи, він стійкий до окислювачів та лугів, але легко полімеризується у формі компонентів білків (пролін, триптофан), алкалоїдів (нікотин, атропін) та порфіринів (гемін, хлорофіл). Похідні піролу можна отримати: 1) перегонкою сукцинімідів

З цинковим пилом; 2) нагріванням g-дикетонів з аміаком; 3) нагріванням слизової кислоти (див. вище) з аміаком чи первинними амінами; 4) одночасним відновленням еквівалентних кількостей b-кетоефіру та ізонітрозокетону

Піроли вступають у типові реакції ароматичного заміщення в a-положення. Обробка реактивів Гриньяра перетворює їх на a-пірилмагнійгалогеніди

які входять у типові реакції Гриньяра. Розширення кільця з утворенням піридинової системи можна досягти: 1) обробкою хлороформом та етилатом натрію

2) пропусканням a-алкілпірролів через трубку, нагріту до червоного гартування

Відновлення шляхом каталітичного гідрування під тиском, хоч і повільно, веде до піролідину:

Індол (бензопіррол; формулу див. в табл. 4, розд. III) міститься в кам'яновугільній смолі та ефірних оліях квітів апельсина та жасмину. Похідні індолу отримують: 1) з-амінофенілацетальдегіду про-H2NC6H4CH2CH=O відщепленням води; 2) нагріванням гідрохлоридів о-ів-діаміностильбенів:

3) з фенілгідразонів нагріванням з галогенідами міді або цинку

За своїми реакціями індол схожий на пірол з тим винятком, що в реакціях заміщення бере участь b-положення. Заслуговують на згадку наступні похідні індолу: 1) скатол (b-метиліндол), речовина з неприємним запахомприсутнє в екскрементах; 2) триптофан (b-(b-індоліл)аланін), амінокислота, що зустрічається в багатьох білках; 3) гетероауксин (b-індолілоцтова кислота або 3-індолілоцтова кислота), фактор росту рослин; 4) індиго

Оксазол (формулу див. вище) відомий у чистому вигляді. Його похідні можна отримати конденсацією амідів з a-галогенокетонами:

або дією пентахлориду фосфору на ациламінокетони:

Оксазоли - слабкі підставичутливі до розщеплення сильними кислотами Ізоксазол

І його похідні становлять менший інтерес. Вони можуть бути одержані дегідратацією монооксимів b-дикетонів. Тіазол та його гомологи - слабкі підстави, в яких кільце виявляє високу стійкістьдо окислення, відновлення та дії сильних кислот

Тіазоли можна отримати з a-ациламінокетонів дією P2S5, а також реакцією тіоамідів з a-галогенокетонами:

Сильні кислоти перетворюють тіазоли на солі (C3H3SN + HX (r) C3H3SNH+X-), які стійкі, але помітно гідролізуються у водних розчинах. З алкілгалогенідами утворюються N-заміщені солі тіазолію, що містять четвертинний азот:

Найбільш важливим природним з'єднанням, що містить тіазольне кільце, є вітамін B1 (тіамін). Цінний хіміотерапевтичний препарат сульфатіазол отримують дією N-ацетилсульфанілхлориду на 2-амінотіазол з подальшим видаленням ацетильної групи гідролізом:

Імідазол (гліоксалін) та його гомологи

Одержують з альдегідів, a-дикетонів та аміаку:

Їх також можна приготувати взаємодією амідинів

З a-галогенокетонами. Імідазоли – сильніші підстави, ніж піроли. З алкілгалогенідами вони дають N-алкілімідазоли. Ці речовини при пропусканні через трубку при температурі червоного гартування ізомеризуються в 2-алкілімідазол; при взаємодії з другою молекулою алкілгалогеніду вони перетворюються на солі імідазолію, що містять четвертинний азот

Дія реактивів Гриньяра RMgX на імідазоли веде до відповідних 2-імідазолілмагнійгалогенідів C3H3N2MgX, які вступають у реакції, звичайні для реактивів Гриньяра. Імідазольне кільце зустрічається у багатьох природних сполук, у тому числі в амінокислоті гістидину (див. розд. IV-1.Б.4, "Амінокислоти"), алкалоїдах групи пілокарпіну та пуринових основах. Піразол та його похідні - тільки синтетичні сполуки; кільцева система піразола

Не зустрічається у природі. Піразоли отримують взаємодією гідразину з b-дикетонами:

або дією діазоалканів на ацетилен:

Реакція фенілгідразину з a,b-ненасиченими кетонами або ефірами дає дигідропіразоли, або піразоліни:

Ці сполуки легко окислюються у відповідні піразоли. Піразольне кільце дуже стійке до окислення, відновлення та дії сильних кислот. Піразолинієві солі, одержувані дією сильних кислот на піразоліни, нестійкі та розкладаються у вакуумі. Найбільш важливий клас піразолів – піразолони

одержувані дією гідразину та його похідних на b-кетоефіри, наприклад,

Піразолони поводяться як суміш трьох таутомерних (тобто перебувають у рівновазі) форм, наприклад:

1-Феніл-3-метилпіразол-5 є важливою речовиною. Окислення червоною кров'яною сіллю (фериціанідом калію) перетворює його на індигоїдний барвник;

Метилювання (CH3I при 100° С) перетворює його на жарознижувальний препарат антипірин (1-феніл-2,3-диметилпіразолон), 4-N-диметиламінопохідне якого являє собою аналогічний лікарський засіб амідопірин (пірамідон). Кільцеві системиз трьома і більше гетероатомами не мають практичного інтересу. Всі вони стійкі до окислення, відновлення та дії сильних кислот. Фуразани отримують дегідратацією діоксимів a-дикетонів. 1,2,3-Триазоли та тетразоли також відносяться до цієї групи сполук.

Енциклопедія Кольєра. - Відкрите суспільство. 2000 .

Дивитись що таке "ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ" в інших словниках:

- (гетероцикли) органічні сполукимістять цикли, до складу яких поряд з вуглецем входять і атоми інших елементів. Можуть розглядатися як карбоциклічні сполуки з гетерозамісниками (гетероатомами) у циклі. Найбільш… … Вікіпедія

Органічні сполуки, що містять у молекулі цикл, до складу якого поряд з атомами вуглецю входять атоми інших елементів, найчастіше азоту, кисню, сірки (т.зв. гетероатоми). Природні гетероциклічні сполуки, напр., хлорофіл, гем, … Великий Енциклопедичний словник

ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ- див. ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ Нові гербіциди, з яких перспективні реглон і базагран. Вони можуть потрапляти у водойми з поверхневим стоком стічними водамихімічної промисловості Реглон і базагран є коричневими. Хвороби риб: Довідник

ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ- ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ, великий клас органич. сполук з циклічною будовою молекул, до складу циклу яких входять не тільки атоми вуглецю, але і атоми інших елементів (гетероатоми). Відомі циклічні сполуки, в яких роль ... ... Велика медична енциклопедія

ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ З'ЄДНАННЯ, див. ЦИКЛІЧНІ З'ЄДНАННЯ … Науково-технічний енциклопедичний словник

Органічні сполуки, що містять у молекулі цикл, до складу якого поряд з атомами вуглецю входять атоми інших елементів, найчастіше азоту, кисню, сірки (так звані гетероатоми). Природні гетероциклічні сполуки, наприклад… Енциклопедичний словник

Орг. сполуки, молекули яких містять цикли, що включають поряд з атомами вуглецю один або дек. атомів інших елементів (гетероатомів). наиб. значення мають Т. е., в цикл яких входять атоми N, О, S. До них відносяться мн, алкалоїди, вітаміни, ... Хімічна енциклопедія

- (див. гетеро... + циклічний) органічні сполуки з циклічною (кільцевою) будовою, до складу циклу яких входять атоми не тільки вуглецю, а й інших елементів (азоту, кисню, сірки та ін.). Новий словник іноземних слів. by EdwART,… … Словник іноземних слів російської мови

Гетероцикли (від гетеро... (Див. Гетеро...) і грец. kýklos коло), органічні речовини, що містять цикл, до складу якого, крім атомів вуглецю, входять атоми інших елементів (гетероатоми), найчастіше N, О, S, рідше Р, В, Si та ін. Велика радянська енциклопедія

- (Від гетеро ... і грец. kyklos коло, цикл) органіч. сполуки, що містять у молекулі цикл, до складу якого, крім атомів вуглецю, входять атоми ін. елементів (гетероатоми), найчастіше азоту (див., напр., Пірідін), кисню, сірки, рідше фосфору, … Великий енциклопедичний політехнічний словник

Книги

• Гетероциклічні сполуки з трьома та більше гетероатомами. Навчальний посібник, Миронович Людмила Максимівна. У навчальному посібникувикладаються основи хімії гетероциклічних сполук, що мають у своєму складі три та більше гетероатоми. Представлені основні способи одержання осадіазолів, тіадіазолів, ...

Гетероциклічні сполуки

Гетероциклічні називаються сполуки, що мають у своєму складі кільця (цикли), в освіті яких, крім атомів вуглецю, беруть участь і атоми інших елементів.

Атоми інших елементів крім атомів вуглецю, що входять до складу гетероциклів, називаються гетероатомами. Найчастіше зустрічаються у складі гетероциклів гетероатоми азоту (N), кисню (O) та сірки (S).

Класифікація гетероциклів

1. за загальному числуатомів у циклі: трьох-, чотири-, п'яти-, шестичленні цикли та ін.

2. за природою гетероатома: киснево-, азото-, сіро-, фосфоровмісні

3. За кількістю гетероатомів:1,2 і більше у циклі

4. За рівнем насиченості циклів

5. За кількістю циклів

Найбільше значення мають п'яти та шестичленні гетероцикли, що містять азот, кисень та сірку. Ці цикли утворюються найлегше і відрізняються великою міцністю. Це пов'язано з тим, що валентні кути наведених гетероатомів трохи відрізняються від валентного кута вуглецю. За ступенем насиченості гетероциклічні сполуки можуть бути насиченими, ненасиченими та ароматичними. Особливо слід виділити гетероциклічні сполуки, які за своїми властивостями відрізняються від інших циклічних і ациклічних сполук, нагадуючи своєю стійкістю і реакціями швидше бензол і його похідні. Це гетероциклічні сполуки ароматичного характеру.

Гетероциклічні сполуки мають величезне значення. Багато хто з них є основою важливих лікарських препаратів, що беруть участь у побудові деяких амінокислот, що входять до складу білків. Гетероцикли є структурними компонентами нуклеїнових кислот, що лежать в основі природних пофарбованих речовин, таких як хлорофіл, гемоглобін.

Гетероциклічні сполуки ароматичного характеру

У гетероциклічних сполуках ароматичного характеру зустрічаються лише такі гетероатоми: азот, кисень та сірка. Вони є єдиними елементами, крім вуглецю, які можуть утворювати π-зв'язки і, отже, брати участь у побудові ароматичних ядер.

П'ятичленові гетероцикли з одним гетероатомом

Найважливішими п'ятичленними гетероциклами з одним гетероатомом є:

Індол (бензпіррол) є прикладом конденсованої гетероциклічної сполуки, до складу якої входять бензольне та пірольне ядра, що мають загальне зчленування.

Похідні піролу широко поширені у природі. Сам же пірол зустрічається рідко. Він входить до складу кам'яновугільної смоли та кістяної олії. Ціла низка похідних піролу та індолу була отримана штучно і зайняла важливе місцеу промисловому органічному синтезі: барвники, лікарські препарати, пластики. Індол є структурним компонентомнезамінної амінокислоти триптофан.

Шестичленні гетероцикли з одним гетероатомами

Найважливішим шестичленним гетероциклом з одним гетероатом азоту є піридин. Поряд з піридином велике значеннямають конденсовані системи, в яких ядро ​​піридину поєднується з одним та двома ядрами бензолу. Наприклад, хінолін.

П'ятичлені та шестичленні гетероцикли з двома гетероатомами.

Пурин – складна гетероциклічна система, що складається із двох конденсованих гетероциклів: піримідину та імідазолу.

Критерії ароматичності

1. Плоска циклічна система

2. Замкнена, сполучена система, що охоплює всі атоми циклу

3. Число електронів, що беруть участь у поєднанні дорівнює 4n + 2, де n = 0,1,2,3, ... (n-кількість циклів)

У гетероциклічних сполуках з одним циклом, у поєднанні беруть участь 6 електронів

Будова бензолу за схемою

Піррол. Ароматичний секстет піролу утворюється поєднанням чотирьох p-елетронів вуглецю та двох неподілених електронів азоту на p z -АТ з утворенням єдиної π -електронної системи. Атом азоту у разі називається пиррольным.

Наявність гетероатому призводить до нерівномірного розподілу електронної густини. Вплив гетероатома змінюється залежно від того, один або два p-електрони він вносить в ароматичний секстет. Розподіл електронної щільності, довжини зв'язків та валентні кути в молекулах піридину та піролу наведено на малюнку. Так як електронегативність азоту більше, ніж вуглецю, то в піридині електронна щільність збільшена в атома азоту і знижена в інших атомів циклу, головним чином атомів в положеннях 2,4 і 6.

Внаслідок участі пари неподілених електронів атома азоту піролу в ароматичному поєднанні гетероатом стає біднішим електронами. CH-групи, що знаходяться по сусідству з гетероатомом (α-положення), будуть значно багатшими електронами і, отже, більш реакційними в реакціях електрофільного заміщення, ніж більш віддалені CH-групи (β-положення)

Піримидинмістить два піридинові атоми азоту, а імідазолі пурин– пірольний та піридиновий атоми азоту. Це визначає кислотно-основні властивості цих сполук.

Піррол. Безбарвна рідина, слабо розчинна у воді, на повітрі швидко окислюється і темніє. Отримання:

1. Фуран, тіофен і пірол можуть перетворюватися на один одного при нагріванні до 400-450 в присутності каталізатора Al 2 O 3 (цикл Юр'єва)

2. Піррол утворюється при пропусканні суміші C 2 H 2 і NH 3 через нагрітий katFe 2 O 3

Хімічні властивості

1. Піррол проявляє слабокислотні властивості, реагуючи з лужними Me або дуже сильними основамипри t.

2. Легше ніж бензол входить у реакції заміщення. Розподіл електронної щільності, обумовлений наявністю гетероатому такий, що найбільш реакційноздатними є альфа-положення по відношенню до атома азоту.

3. При відновленні в м'яких умовах (Zn+HCl) пірол перетворюється на піролін. Енергійне відновлення (наприклад, гідрування у присутності нікелю при 200) призводить до утворення тетрагідропіролу (піролідину).

Ядро піролу та деякі його похідні входять до складу найважливіших біологічних та біохімічних структур. Наприклад. пірольні цикли входять до складу порфіну та гему. При їх руйнуванні в організмі утворюються «лінійні» тетрапіроли, які називаються жовчними пігментами (білівердин, білірубін, стеркобілін і т.д.). За співвідношенням пігментів визначаються вид жовтяниці та причини, що викликають захворювання (механічна жовтяниця, вірусний гепатит тощо)

Пірідін. Безбарвна рідина з характерним неприємним запахом, з водою поєднується в будь-яких співвідношеннях. Отримання:

1. Виділення з кам'яновугільної смоли

2. Синтез із синильної кислоти та ацетилену

Хімічні властивості

1. Піридін має основні властивості, т.к. містить ПІРИДИНОВИЙ атом азоту, певною міроюаналогічний атому азоту амінів (електронна пара не бере участі в утворенні ароматичного секстету):

2. Водні розчинипіридину забарвлюють лакмус у синій колір, при дії мінеральних кислот утворюються кристалічні піридинієві солі.

3. Піридін та його гомологи приєднують галоген алкіли, даючи солі піридинія.

4. Пиридин складніше бензолу входить у реакції заміщення через більшої ніж у вуглецю, електронегативності атома азоту. При цьому заміщення йде переважно за β-положення

5. При каталітичному відновленні піридин перетворюється на піперидин.

6. Пиридин стійкий до дії окислювачів. Його гомологи окислюються з утворенням гетероциклічних карбонових кислот

7. Горіння піридину

Піридін та його похідні основа багатьох лікарських засобів. Наприклад, нікотинова кислота та її амід є вітамінами групи PP.

Нуклеїнові основи