Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия
Учебно-методическое пособие
Авт.-сост. В. А. Трофимов
Нижний Тагил
2006
ББК 24.236я73
Г44
Печатается по решению кафедры химии и методики преподавания химии НТГСПА (протокол № 3 от 6 декабря 2005 года)
Гетероциклические соединения
: учебно-методическое пособие / авт.-сост. В. А. Трофимов. – Нижний Тагил : Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия, 2006. − 80 с.
Рецензенты: И. К. Юшкова
, канд. хим. наук, доцент, зав. кафедрой химии и методики преподавания химии НТГСПА;
В. И. Шилов
, канд. хим. наук, доцент, зав. кафедрой безопасности жизнедеятельности НТГСПА
Настоящее учебное пособие написано в соответствии с требованиями образовательного стандарта и полностью соответствует учебной программе. На основании многолетнего опыта преподавания в нем отображен авторский подход к изложению учебного материала, где гетероциклические соединения рассматриваются как вещества, свойства которых находятся в тесной зависимости от строения их молекул. Пособие выполнено в виде учебно-методического комплекса дисциплины. В него включены: учебная программа курса, лекционный материал, перечень упражнений для закрепления полученных знаний, вопросы для самостоятельной работы по теме, банк тестовых заданий, выполненных в пакете программ TestOfficePro
для проведения итогового контроля знаний студентов, список рекомендуемой литературы.
Пособие предназначено для студентов химико-биологического факультета, изучающих органическую химию.
Редактор Е. С. Шарипова
Компьютерная верстка М. П. Кальщиков
Подписано в печать 23.05.2006. Формат 60×84 1/16. Бумага для множительных аппаратов. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная (на ризографе). Усл. печ. л. 4,65. Уч.-изд. л. 6,2. Тираж 100 экз. Заказ №
Оригинал-макет изготовлен в РИО НТГСПА.
Отдел издательских и множительных систем НТГСПА.
Адрес: 622031, Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 57.
© Нижнетагильская государственная
социально-педагогическая академия, 2006
Содержание
Предисловие
................................................................................................. 5
Учебная программа
..................................................................................... 6
Теоретический материал (лекционный курс)
.......................................... 8
1. Введение................................................................................................ 8
2. Классификация...................................................................................... 9
3. Пятичленные гетероциклические соединения
с одним гетероатомом............................................................................. 11
3.1. Фуран, пиррол, тиофен............................................................ 11
Способы получения................................................................ 11
Строение................................................................................. 12
Химические свойства.............................................................. 16
Практическое значение производных пятичленных
гетероциклических соединений с одним гетероатомом........ 19
Соединения фуранового ряда........................................ 19
Соединения пиррольного ряда...................................... 20
Соединения тиофенового ряда....................................... 21
3.2. Индол......................................................................................... 22
4. Пятичленные гетероциклические соединения
с двумя гетероатомоми........................................................................... 25
5. Шестичленные гетероциклические соединения
с одним гетероатомом............................................................................. 26
Пиридин........................................................................................... 27
Способы получения................................................................ 27
Особенности электронного строения.................................... 27
Химические свойства.............................................................. 29
Важнейшие производные ряда пиридина ............................ 35
Алкалоиды....................................................................... 35
Витамины......................................................................... 36
Метильные гомологи...................................................... 37
Пиридинкарбоновые кислоты........................................ 37
6. Шестичленные гетероциклические соединения
с двумя гетероатомами........................................................................... 38
6.1. Пиримидин и его производные................................................ 38
6.2. Пурин и его производные ....................................................... 39
Упражнения
................................................................................................ 41
1. Пятичленные гетероциклические соединения
с одним и двумя гетероатомами............................................................. 41
2. Шестичленные гетероциклические соединения
с одним и двумя гетероатомами............................................................. 44
Задания для самостоятельной работы
.................................................... 48
1. Пятичленные гетероциклические соединения
с одним и двумя гетероатомами............................................................. 48
2. Шестичленные гетероциклические соединения
с одним и двумя гетероатомами............................................................. 49
Итоговый к
онтроль знаний студентов
по учебной
дисциплине «Гетероциклические соединения»
(банк тестовых заданий в пакете программ TestOfficePro
)......................... 51
Рекомендуемая литература
....................................................................... 80
Предисловие
Тема «Гетероциклические соединения» является одной из составных частей учебной дисциплины «Органическая химия». Роль этих соединений в жизни человека огромна – они входят в состав большинства биологически активных веществ, фармакологических препаратов, красителей, соединений, участвующих в биохимических процессах, протекающих в живых организмах. В связи с этим подготовка студентов по двум смежным специальностям «Химия» и «Биология» немыслима без углубленного знания этого обширного класса жизненно важных соединений.
Учебный материал, включенный в предлагаемое пособие, – результат обобщения многолетнего опыта преподавания автором этой дисциплины в педагогическом вузе. Основным преимуществом его, на наш взгляд, является применяемая система изложения учебного материала, в котором химические свойства гетероциклических соединений рассматриваются как функция электронного строения их молекул. Значительное внимание в пособии уделено и вопросам взаимного влияния ароматической системы цикла и гетероатома. Пособие помимо фактического материала содержит обобщающие выводы, в нем приводятся многочисленные примеры, показывающие генетические связи гетероциклических соединений с другими классами органических веществ. Это особенно важно для студентов педагогического вуза – будущих учителей.
В отличие от традиционных учебников, предлагаемое студентам пособие выполнено в виде учебно-методического комплекса. В него включены: учебная программа курса, лекционный материал, упражнения для закрепления полученных знаний, вопросы для самостоятельной работы по теме, банк тестовых заданий, выполненных в пакете программ TestOfficePro
, для контроля и самоконтроля знаний студентов, список рекомендуемой литературы. Часть учебной информации (банк тестовых заданий для самоконтроля знаний, учебная программа, список литературы и презентация в виде компьютерной поддержки лекционного курса) размещены на сайте академии. Все это должно способствовать востребованности настоящего учебно-методического пособия студентами, изучающими органическую химию
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
Определение. Классификация. Ароматические гетероциклические соединения как структурные аналоги бензола. Пиррольный и пиридиновый тип образования ароматической системы гетероциклов. Взаимное влияние цикла и гетероатома. Искажения ароматической структуры, связанные с введением в цикл гетероатома и его природой. Лабильность гетероциклических соединений и виды ее проявления.
Пятичленные гетероароматические соединения
Фуран, пиррол и тиофен
. Способы получения, взаимопревращения (цикл Ю. К. Юрьева). Электронное строение пятичленных гетероциклических соединений. Валентное состояние атомов цикла. Образование σ-
скелета и ароматического секстета. Виды и направления электронных смещений, предельные структуры, мезоформулы. Пятичленные гетероциклы как электроноизбыточные системы. Направление дипольных моментов и влияние на него мезомерного эффекта. Сравнение величин энергий сопряжения бензола, фурана, пиррола и тиофена. Квазиароматические свойства гетероциклов. Реакции присоединения. Условия гидрирования, продукты реакции. Реакции электрофильного замещения, их ориентация, объяснение ориентации устойчивостью образующихся в промежуточной стадии σ-комплексов. Причина ацидофобности фурана и пиррола. Мягкие нитрующие и сульфирующие средства. Реакции нитрования, сульфирования и галогенирования фурана, пиррола и тиофена. Кислотные и основные свойства пиррола. Сравнительная характеристика строения и реакционной способности бензола, фурана, пиррола и тиофена. Важнейшие производные фурана, пиррола и тиофена и их практическое значение.
Индол.
Нахождение в каменноугольной смоле. Электронное строение. Триптофан, скатол, индолилуксусная кислота. Индоксил, таутомерия, превращение в синее индиго (транс
-форма). Кубовое крашение.
Гетероциклы с двумя гетероатомами.
Азолы – оксазол, пиразол, тиазол. Особенности электронного строения и химического поведения, связанные с введением в кольцо второго гетероатома. Образование межмолекулярных водородных связей у пиразола и имидазола. Основные, кислотные и ароматические свойства имидазола. Сравнение основных свойств имидазола, пиррола и анилина. Биологическое значение производных имидазола (гистидин, гистамин, витамин Н). Лекарственные препараты, содержащие ядра пиразола и тиазола.
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 sp
2
-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):
Это указывает на то, что пятичленные гетероароматические соединения являются электроноизбыточными
системами: шесть р
-электронов в их молекулах делокализованы между пятью атомами цикла. Ароматический характер фурана, пиррола и тиофена подтверждает и теория резонанса. Структура всех пятичленных гетероциклических соединений – динамическое образование, которое можно представить в виде набора предельных резонансных структур. Наложением предельных резонансных структур друг на друга получаем мезоструктуру, которая обычно характеризует распределение электронной плотности в молекуле.
-I
-эффект << +М
-эффекта
мезоструктура
Исходя из электронного строения и мезоструктур пятичленных гетероциклов можно сделать следующие выводы:
1. Молекула плоская, что определяется sp
2
-гибридизацией всех атомов цикла.
2. Электронная плотность в молекуле распределена неравномерно и смещена в сторону атомов углерода цикла. Это подтверждается расчетом эффективных зарядов на атомах методом МО.
3. Неравномерность распределения электронной плотности, в отличие от бензола, определяет полярный характер молекул рассматриваемых гетероциклических соединений. При этом на величины и направленность дипольных моментов оказывает влияние не только электроотрицательность гетероатомов, но и характер электронных смещений в молекуле. Это хорошо видно из сравнения дипольных моментов фурана, пиррола и тиофена с таковыми у их полностью восстановленных аналогов. Если на величину и направление дипольных моментов последних оказывает влияние только отрицательный индуктивный эффект (–I
) гетероатомов, то у первых – значительное снижение дипольного момента обусловлено противоположным по направлению и значительным по величине +М
-эффектом. Ниже приведены наблюдаемые дипольные моменты у восстановленных и невосстановленных пятичленных гетероциклов.
тетрагидрофуран тетрагидропиррол тетрагидротиофен
μ =1,68 D
μ = 1,57 D
μ = 0,52 D
фуран пиррол тиофен
μ = 0,71 D
μ = 1,8 D
μ = 1,87 D
–I
> +M
–I
< +M
4. Одним из основных признаков ароматических соединений является выравненность всех связей в цикле. В пятичленных гетероциклах они не могут быть выравненными, поскольку длины связей С−С и С−Х неравнозначны. Следовательно, структуры фурана, пиррола и тиофена представляют собой неправильные пятиугольники.
фуран пиррол
тиофен
5. Циклическая делокализация р
-электронов кольца и их количественное соответствие правилу Хюккеля (при n
= 1) указывает на то, что рассматриваемые гетероциклические соединения являются ароматическими системами. Об этом свидетельствуют их величины энергии сопряжения. Они меньше, чем у бензола (150 кДж/моль), и их значения уменьшаются в ряду тиофен (120 кДж/моль), пиррол (110 кДж/моль), фуран (90 кДж/моль). Это связано с различием в электроотрицательностях гетероатомов, входящих в состав циклов. Естественно, что в этой же последовательности уменьшается и ароматический характер этих соединений.
6. Поскольку пятичленные гетероароматические соединения являются π-избыточными, для них должно быть характерно облегченное (по сравнению с бензолом) протекание SE
- и А
-реакций. При этом электрофильная атака ориентирована на Сα
-замещение, активность которой уменьшается в ряду фуран – пиррол – тиофен. А
-процессы, приводящие к разрушению ароматического π
-электронного секстета (например, гидрирование), должны протекать для этих соединений в более мягких, чем для бензола, условиях.
Показатели строения и
реакционной способности Тиофен Пиррол Фуран
Электроотрицательность гетероатома 2,5 3,0 3,5
Величина энергии делока-
лизации (Е
сопр
), кДж/моль 130 110 90
Ароматичность у м е н ь ш а е т с я
Отрицательный индуктивный
эффект (–I
-эффект) в о з р а с т а е т
Положительный мезомерный
эффект (+М
-эффект) у м е н ь ш а е т с я
Участие в реакциях присоедине-
ния (А
-реакциях) о б л е г ч а е т с я
Участие в реакциях электрофиль-
ного замещения (S
E
-реакциях) о б л е г ч а е т с я
Химические свойства
Основываясь на вышеизложенных заключениях, отметим следующее:
− фуран, имеющий энергию сопряжения почти вдвое меньше, чем у бензола, по химическим свойствам близок к сопряженным диенам и, следовательно, будет склонен к реакциям присоединения;
− пиррол с его достаточно высокой величиной энергии сопряжения похож по свойствам на производные бензола, содержащие в кольце электронодонорные группировки, должен легко вступать в S
E
-реакции;
− тиофен по устойчивости ароматического цикла наиболее близок к бензолу. Он труднее, чем пиррол и фуран, но легче, чем бензол, вступает в реакции электрофильного замещения.
В силу значительной по величине электроотрицательности гетероатомов пятичленные гетероароматические соединения проявляют ацидофобные свойства и требуют при проведении S
Е
-процессов применения апротонных реагентов. В случае использования сильных кислот в качестве реагентов (азотной при нитровании и серной при сульфировании) происходит протонирование гетероцикла, приводящее к разрушению ароматической системы. Протонированная молекула ведет себя как сопряженный диен, и в этих условиях происходят полимеризационные процессы, приводящие к осмолению продукта реакции. Последними исследованиями было установлено, что реакция протонирования протекает не за счет электронной пары гетероатома (как следовало бы ожидать), а по α-углеродному атому. Как видно из предложенной ниже схемы, образовавшийся при С-протонировании пиррола катион энергетически более выгоден, поскольку он способен к резонансной стабилизации по сравнению с Х-протонированным катионом, не способным к такой стабилизации.
резонансная стабилизация
невозможна
резонансно-стабилизированный ион
Ацидофобность при S
E
-процессах свойственна прежде всего для фурана и пиррола. В этих случаях необходимо применять апротонные модифицированные реагенты.
Ацидофобность уменьшается
Для проведения реакций электрофильного замещения в ряду фурана и пиррола используются следующие модифицированные (апротонные) реагенты:
Для реакции нитрования – ацетилнитрат
Для сульфирования – пиридинсульфотриоксид
Для ацилирования – (CH 3
−CO)2
O + кислота Льюиса (BF3
; SnCl4
)
Использование этих реагентов позволяет проводить электрофильное замещение для фурана и пиррола в мягких условиях и с хорошим выходом.
При наличии в кольце фурана или пиррола электрофильных заместителей ацидофобность этих соединений значительно снижается, и в этих случаях реакции электрофильного замещения можно проводить уже в достаточно жестких условиях.
пиррол α-пиррол- пиридин
сульфокислота
фуран α-нитрофуран
фуран 2,5-дихлорфуран
Необходимо отметить специфические свойства пиррола, связанные с его амфотерностью. За счет полярности связи N−Н он проявляет слабые кислотные свойства и может взаимодействовать только со щелочами с образованием пирролятов. Пирролят-ион очень легко может вступать во взаимодействие с элетрофильными реагентами с образованием α-замещенных продуктов (например, алкилироваться и ацилироваться).
пиррол пирролкалий N-метилпиррол α-метилпиррол
Как было указано выше, фуран и пиррол легче бензола вступают в реакции присоединения. Эти процессы для них протекают ступенчато. Например, дигидропроизводное пиррола (пирролин) образуется с участием водорода в момент выделения, а полностью насыщенный гетероцикл (пирролидин) – при действии каталитически активированного водорода.
пирролидин пиррол пирролин
(тетрагидропиррол) (дигидропиррол)
Практическое значение производных пятичленных
гетероциклических соединений
c
одним гетероатомом
Соединения фуранового ряда
Фуран:
− в виде аддукта с малеиновым ангидридом используется как дефолиант для удаления листвы у хлопчатника;
− эффективный репеллент (в виде аддукта с бутадиеном).
Фурфурол:
− разделение растительных масел (льняное и соевое);
− экстракция витамина А из печени рыб и канифоли из сосновой живицы;
− очистка смазочных масел от сопутствующих продуктов нефтепереработки;
− производство фумаровых смол;
− производство фумаровой кислоты и лекарственных препаратов.
Тетрагидрофуран:
−
растворитель для синтетических каучуков, поливинилхлорида, эфиров целлюлозы;
− пластификатор в производстве ряда ВМС;
− полупродукт в производстве найлона и капрона.
Нитропроизводные фурана:
− препараты, обладающие сильным бактерицидным действием (фурациллин, фуразолидон и др.).
Бензофуран (кумарин):
− производство инден-кумароновых смол.
Пирослизевая кислота:
− сырье для получения фурана.
Важнейшие производные фуранового ряда
фурфурол пирослизевая кислота кумарин
(α-фуранальдегид) (α-фуранкарбоновая кислота) (бензофуран)
Соединения пиррольного ряда
− пирролидин (тетрагидропиррол) – структурное звено многих биологически активных соединений (алкалоиды, аминокислота пролин);
− тетрапирролы с циклической структурой образуют основу порфиринов, входящих в состав металлокомплексных соединений (гемм, хлорофилл);
− тетрапирролы с открытой цепью составляют основу желчного пигмента билирубина;
− производные пиррола – фталоцианины (фталоцианиновые красители в типографском производстве, катализаторы в реакциях разложения пероксида водорода, синтез радиоактивных изотопов).
Важнейшие производные пиррольного ряда
имидазол пиразол
карбазол (дибензопиррол) индол (бензопиррол)
Соединения тиофенового ряда
− тетрагидротиофен (тиофан) содержится в каменноугольной смоле и является составной частью витамина Н;
− тиоиндоксил – промежуточный продукт для синтеза кубовых тиоиндигоидных красителей;
− витамин Н
(биотин) способствует нормальному росту организмов, в процессах жизнедеятельности играет роль фиксатора диоксида углерода;
− производные тиазола используются при синтезе инсектицидов.
Важнейшие производные тиофенового ряда
тиазол тетрагидротиофен
тиофен
тиоиндоксил биотин (витамин Н)
3.2. Индол
Индол является бензоаналогом пиррола и отвечает формуле:
Основным природным источником его является каменноугольная смола. Индол – кристаллическое соединение, легко возгоняется при нагревании и хорошо растворяется в органических растворителях и горячей воде. Он содержит бициклическую планарную сопряженную систему, включающую 10 р-
электронов, что соответствует правилу Хюккеля при n
= 2. Как электронодонорное соединение индол довольно легко вступает в реакции электрофильного замещения, которые ориентированы в положение 3. Одновременно индол является слабой NH-кислотой и способен образовывать соли.
Индол используется в органическом синтезе для получения физиологически активных соединений и в парфюмерии. Важнейшими производными индола являются:
α-аминокислота триптофан
(индолилаланин);
– биогенный амин серотин
, образующийся в организме из триптофана и участвующий в процессе передачи нервных импульсов в центральной нервной системе
скатол
(β-метилиндол) – вещество с неприятным запахом, используется в парфюмерии для придания духам стойкости запаха;
β-индолилуксусная кислота
(гетероауксин);
индоксил
(3-гидроксииндол) существует в двух таутомерных формах и является промежуточным соединением в производстве темно-синего кубового красителя индиго
.
индоксил
кето-форма енольная форма
Синтез синего индиго
индоксил лейкоиндиго
синее индиго (транс
-форма)
4.
Пятичленные гетероциклические соединения
с двумя гетероатомами
Из большого класса этих соединений мы рассмотрим в сжатой форме лишь моноциклические соединения с двумя гетероатомами, один из которых – атом азота. Эти гетероциклы получили название азолов:
1,2-оксазол 1,2-диазол 1,2-тиазол 1,3-диазол
(пиразол) (имидазол)
Широкое применение в медицине, промышленности и сельском хозяйстве нашли диазолы – имидазол и пиразол.
Пиразольный и имидазольный циклы представляют собой сопряженные системы с циклической делокализацией шести р
-электронов (три электрона дают три атома углерода, один – атом азота при π-связи и пару электронов – второй атом азота). При этом соблюдается правило Хюккеля и осуществляется стабилизация системы. Однако введение второго гетероатома в пятичленный цикл значительно больше нарушает симметричное распределение электронной плотности в кольце по сравнению с пятичленными гетероциклами с одним гетероатомом. Следствием этого является увеличение дипольного момента в этих структурах (для пиррола µ=
1,8D
, а для имидазола – 3,8D
). В имидазоле и пирроле неподеленная пара электронов одного атома азота в значительно большей степени (по сравнению с пирролом) вовлечена в циклическую делокализацию, и поэтому у этих гетероциклов свойства, характерные для ароматических соединений, выражены ярче. Наличие в цикле второго гетероатома с «внешней» неподеленной парой электронов придает пиразолу и имидазолу ряд специфических свойств: усиленную склонность к комплексообразованию, способность не только к электрофильному, но и к нуклеофильному замещению, склонность к образованию прочных межмолекулярных водородных связей. Так, имидазол способен образовывать достаточно длинные линейные ассоциаты, содержащие до 20 молекул:
Поэтому, в отличие от пиррола, имидазол (и пиразол) являются кристаллическими веществами с высокими температурами кипения и плавления. Пиразол и имидазол обладают более сильными основными свойствами по сравнению с пирролом и одновременно проявляют слабые кислотные свойства.
К производным имидазола относятся незаменимая α-аминокислота гистидин
(имидазолилаланин), являющаяся необходимым компонентом пищи для животных и человека,
и витамин Н
(бигетероцикл, содержащий ядро имидазола и тиофена), лекарственные препараты (дибазол). Ряд производных пиразола составляют основу анальгетиков (анальгин, амидопирин).
5. Шестичленные гетероциклические соединения
с одним гетероатомом
Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом можно рассматривать как аналоги бензола, в котором метиновая группа −СН= может быть заменена на один гетероатом. Из этой группы соединений широкое применение нашли азотсодержащие гетероциклы – пиридин и его конденсированные с бензолом аналоги – хинолин и акридин:
пиридин хинолин акридин
Пиридин
Пиридин представляет собой легкокипящую жидкость (t
кип.
115 °С) с резким неприятным запахом, хорошо растворимую в воде и органических растворителях.
Способы получения
В промышленных масштабах пиридин и его метильные гомологи – пиколины, лутидины и коллидины
α-пиколин α,γ-лутидин симм.
-коллидин
выделяются из фракций оснований каменноугольной смолы. Из синтетических методов получения пиридина и его гомологов следует отметить каталитическую конденсацию ацетилена с аммиаком или с синильной кислотой:
3СН≡СН + NH3
2СН≡СН + HCN
Особенности электронного строения
Пиридин является шестичленным гетероароматическим аналогом бензола. Высокое значение (134 кДж/моль) энергии делокализации пиридинового цикла указывает на его ярко выраженный ароматический характер (для бензола энергия делокализации равна 150 кДж/моль).
Все атомы пиридинового цикла, включая атом азота, так же как и в бензоле, находятся в sp
2
-гибридизованном состоянии. Гибридизованные орбитали, перекрываясь аксиально, формируют плоский σ-скелет молекулы пиридина. При этом две гибридные орбитали атома азота участвуют в образовании двух σ-связей С−N, а на третьей, которая незначительно отклонена от плоскости кольца, находится неподеленная пара электронов. Негибридизованная 2рz
-орбиталь атома азота и пять негибридизованных орбиталей атомов углерода, перекрываясь латерально, формируют π-электронный секстет молекулы. Структуры пиридина и его производных, так же как и бензола, подчиняются правилу Хюккеля. Таким образом, по своей электронной картине пиридин во многом напоминает бензол, однако атом азота, имея большую электроотрицательность, по сравнению с атомом углерода, вносит ряд существенных отличий в структуру пиридина:
1. Связи С−С и С−N не одинаковы и соответственно равны 0,139 и 0,137 нм. Отсюда следует, что пиридин является неправильным шестиугольником;
2. Большая, чем у углерода, электроотрицательность атома азота приводит к тому, что электронная плотность в молекуле пиридина распределена неравномерно и в отличие от бензола пиридин становится полярной структурой (μ >
0);
3. Не только атом азота вносит изменения в электронную структуру углеводородного скелета цикла, но и, в свою очередь, π-электронное сопряжение влияет на поведение атома азота. Так, дополнительное взаимодействие внешней неподеленной электронной пары атома азота с циклической π-электронной системой приводит к уменьшению основности пиридина по сравнению с третичными алифатическими аминами, у которых такое сопряжение отсутствует.
Как и у любого ароматического соединения, молекулу пиридина можно представить в виде промежуточной структуры (мезоструктуры) между пятью предельными резонансными структурами I−V (формулы Кернера).
Расчет эффективных зарядов на атомах пиридина по методу МО подтверждает наличие пониженной электронной плотности на атомах углерода цикла, особенно в положениях 2, 4, 6. В соответствии с этим пиридин необходимо рассматривать как электронодефицитный гетероцикл
.
I II III IV V
мезоструктура
Индукционный и мезомерный эффекты в молекуле пиридина отрицательно однонаправленны, что приводит к значительному дипольному моменту по сравнению с пиперидином, в котором отсутствует –М
-эффект.
–I
-эффект; –М
-эффект Только –I
-эффект;
(π-,π-сопряжение); μ = 1,2 D
; КВ
= 10–
3
;
μ = 2,3 D
; КВ
= 10–
9
(слабое (сильное основание)
основание)
Пиперидин в этом случае как основание похож на вторичный алифатический амин, у которого электронная пара более доступна для атаки протоном.
Химические свойства
Рассмотренные выше особенности электронного строения пиридина дают основание сделать следующие заключения о возможном его химическом поведении:
1. Наличие свободной электронной пары на атоме азота обусловливает основные свойства (хотя и относительно слабые);
2. Как соединение, обладающее по сравнению с бензолом меньшей ароматичностью, пиридин должен легче вступать в реакции присоединения, приводящие к разрушению ароматического секстета, например, в реакции гидрирования;
3. Значительный положительный заряд в ядре пиридина делает его инертным ко многим реакциям электрофильного замещения, которые могут быть осуществлены только в жестких условиях и будут ориентироваться в β-положение (Сβ
-
ориентация);
4. Наоборот, реакции нуклеофильного замещения должны протекать облегченно и ориентироваться в α- и γ-положения (Сα
- и Сγ
-ориентации).
Основные свойства.
Наличие неподеленной пары электронов на атоме азота в пиридине обусловливает его основные свойства (Косн.
= 2,3 .
10–9
), которые, однако, значительно слабее выражены, по сравнению с аминами жирного ряда. Это ослабление объясняется тем, что электронная пара на атоме азота в пиридине находится на плоскостно-тригональной орбитали, имеющей больший s
-характер по сравнению с аминами жирного ряда, основность которых обусловлена наличием неподеленной электронной пары на тетраэдрической sp
3
-орбитали. Как слабое основание пиридин реагирует только с сильными минеральными или органическими кислотами с образованием солей пиридиния:
пиридиний бромид
При введении в положения 2, 4, и 6 электроноакцепторных заместителей основность пиридина снижается, а электронодонорных заместителей – повышается.
Пиридин также довольно легко вступает в реакции N-алкилирования и комплексообразования:
бромистый метилпиридиний
Путем нагревания полученных солей могут быть образованы соответствующие α- или γ-алкильные производные пиридина:
α-пиколин γ-пиколин
Кислоты Льюиса с пиридином легко образуют комплексные соединения. Так, пиридин с серным ангидридом дает пиридинсульфотриоксид, широко применяемый при сульфировании ацидофобных пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом (например, фурана и пиррола):
пиридинсульфотриоксид
Реакции гидрирования
. При действии на пиридин гидридов металлов в присутствии хлорида алюминия (III) образуется пиперидин (гексагидропиридин):
пиперидин
(гексагидропиридин)
Реакции электрофильного замещения.
Как видно из мезоструктуры и молекулярной диаграммы, пиридин должен с большим трудом вступать в SE
-реакции. Снижение скорости реакции электрофильного замещения в пиридине (по сравнению с таковой у бензола) объясняется двумя факторами:
1. В результате смещения электронной плотности в направлении гетероатома (имеют место −M
и –I
-эффекты) углероды кольца пиридина значительно дезактивированы к электрофильной атаке, и особенно по 2, 4 и 6-положениям;
2. Первичным актом взаимодействия пиридина с электрофилом (например, с протоном) является образование четвертичной соли пиридиния, а возникший в этом случае положительный заряд на атоме азота будет в еще большей степени затруднять электрофильную атаку по α- и γ-положениям:
катион пиридиния
В связи с этим реакции электрофильного замещения могут быть осуществлены только в жестких условиях и заканчиваются они образованием β-замещенных продуктов с довольно низкими выходами. Например, нитрование пиридина идет при взаимодействии со смесью нитратов с олеумом при 300 °С и завершается образованием β-нитропиридина с выходом менее 5 %. Сульфирование пиридина можно провести только при использовании олеума и катализатора. Ацилирование и алкилирование по Фриделю − Крафтсу для пиридина практически неосуществимо.
Электронодонорные заместители, находящиеся в кольце пиридина, значительно облегчают протекание электрофильного замещения, поскольку «гасят» положительный заряд на атакуемом атоме углерода кольца. Здесь эффект заместителя проявляется совершенно так же, как в бензольном ряду.
.
β-Ориентация замещения в SE
-реакциях объясняется резонансной стабилизацией σ-комплексов при 3-5-замещении и дестабилизацией σ-комплексов при 2-,4-,6-замещении. Это объясняется образованием положительного заряда на атоме азота. Ниже приведены предельные структуры и мезоформулы промежуточных σ-комплексов, образующихся при атаке электрофилом Е
+
катиона пиридиния:
катион пиридиния π-комплекс
α-замещение
неустойчивая структура
β-замещение
γ-замещение
Таким образом, пиридин в реакциях электрофильного замещения во многом напоминает производные бензола, содержащие в кольце сильные электроноакцепторные заместители, например нитробензол.
Реакции нуклеофильного замещения
. Для пиридина, так же как и для производных бензола, содержащих электроноакцепторные заместители, SN
-реакции идут довольно легко с образованием α- или γ-замещенных производных. При этом часто процесс не останавливается на стадии образования монозамещенного продукта. Наибольшее значение для пиридина имеют реакции аминирования и гидроксилирования. Аминирование осуществляется при взаимодействии пиридина с амидом натрия при температуре 100 °С
гидроксипиридин находится в равновесии со своей таутомерной кето-формой – α-
пиридоном:
2-
аминопиридин
α-гидроксипирдин α-пиридон
Реакции окисления.
Так же как и кольцо бензола, цикл пиридина довольно устойчив к действию окислителей. При действии пероксидов и надкислот окисление происходит только по атому азота с образованием N-оксида пиридина:
N-оксид пиридина
Алкильные же производные, так же как и в бензоле, легко окисляются с образованием соответствующих карбоновых кислот:
β-
пиколин никотиновая кислота
Важнейшие производные ряда пиридина
К природным производным пиридина, проявляющим физиологическую активность, следует отнести алкалоиды и витамины.
Алкалоиды
Наиболее важными представителями этой группы природных соединений являются никотин, анабазин, атропин и кониин.
Никотин
– бигетероцикл, содержащий кольца пиридина и N-метилпирролидина. Его химическое название – N-метил-α-(β-пиридил)-пирролидин.
Никотин является основным алкалоидом табака, в листьях которого его содержится до 8 %. Используется для получения никотиновой кислоты, препаратов на ее основе и как инсектицид. Соединение очень ядовито, летальная доза для человека 40 мг.
Анабазин –
β-(α-пиперидил)-пиридин:
Главный алкалоид среднеазиатского дикорастущего растения ежовника, используется как сильнодействующий инсектицид, может служить сырьем для получения никотиновой кислоты.
Кониин
(α-пропилпиперидин) содержится в растении болиголов.
Очень токсичен, в малых концентрациях используется в терапевтических целях как противоспазматическое средство.
Атропин.
Содержится в растениях семейства пасленовых (красавка, белена, дурман, скополия). В основе его строения лежит конденсированная система тропана, являющаяся бигетероциклом, состоящим из колец пиперидина и пирролидина. Обладает сильным физиологическим действием на парасимпатическую нервную систему, вызывает расширение зрачка. Применяется в медицине.
Витамины
Здесь следует выделить два представителя природных соединений пиридинового ряда – витамин В6
и витамин РР.
Витамин В
6
(пиридоксин)
. Ему соответствует структура 2-метил-3-окси-4,5-диметилолпиридина:
Особенно богаты витамином В6
рисовые отруби, бобы, дрожжи, зародыши пшеницы. Попадая в организм, витамин В6
превращается в пиридоксальфосфат, который является основным коферментом, участвующим в реакциях белкового обмена. Недостаток витамина В6
приводит к поражению нервной системы, появлению кожных заболеваний, нарушению кроветворения.
Витамин РР (никотинамид, витамин В
5
)
.
Содержится в рисовых отрубях, печени крупного рогатого скота. Витамин РР, являясь важным фрагментом некоторых нуклеотидов, каталитически воздействует на протекание ряда редокс-процессов с участием этих нуклеотидов. Недостаток витамина РР в организме приводит к заболеванию пеллагрой, к нарушению синтеза ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы.
Метильные гомологи
Пиколины:
α-пиколин β-пиколин γ-пиколин
Лутидины и коллидины:
2,4-лутидин 2,4,6-коллидин
Эти метильные гомологи пиридина представляют собой легкокипящие жидкости с неприятным запахом. Они выделяются из фракции легких пиридиновых оснований каменноугольной смолы и используются в органическом синтезе.
Пиридинкарбоновые кислоты
Существуют в виде трех изомеров:
пиколиновая кислота никотиновая кислота изоникотиновая кислота
(пиридин-2-карбоновая) (пиридин-3-карбоновая) (пиридин-4-карбоновая)
Их получают окислением алкильных гомологов пиридина и из ряда алкалоидов. Проявляют амфотерный характер. Некоторые их производные обладают физиологической активностью (например, амид никотиновой кислоты – витамин РР). Диэтиламид никотиновой кислоты (кордиамин) – средство, возбуждающее сердечную деятельность. Производные пиколиновой кислоты используются для синтеза лекарственных средств, применяемых для лечения язвенной болезни. Изоникотиновая кислота является сырьем для получения ряда противотуберкулезных препаратов, например фтивазида.
6. Шестичленные гетероциклические соединения
с двумя гетероатомами
В этой главе будут рассмотрены только гетероциклические системы пиримидина и пурина, а также их производные, играющие значительную роль в биологических процессах и создании лекарственных препаратов.
6.1. Пиримидин
Пиримидин – шестичленный диазин – по химическому поведению во многом аналогичен пиридину и бензолу, однако наличие в цикле второго атома азота, играющего роль электроноакцептора, сказывается на снижении основности и активности в реакциях электрофильного замещения. Вместе с тем, пиримидин легче пиридина вступает в реакции нуклеофильного замещения и гидрирования.
Наибольшее биологическое значение имеют кислородсодержащие производные пиримидина – пиримидиновые основания урацил
, тимин
и цитозин
, входящие в состав нуклеиновых кислот в виде N-гликозидов, а также барбитуровая кислота
, являющаяся основой для получения барбитуратов – лекарственных препаратов, обладающих седативным действием.
Важнейшие производные пиримидина
цитозин урацил
тимин барбитуровая кислота
6.2. Пурин
Бициклическая система, состоящая из конденсированных между собой ядер пиримидина и имидазола и проявляющая таутомерный характер:
Пурин является ароматической структурой с сопряженной 10-π-
электронной системой, отвечающей правилу Хюккеля (при n
= 2). Он устойчив к действию окислителей и проявляет амфотерные свойства. Среди производных пурина наибольшее значение имеют так называемые пуриновые основания – аденин
(6-аминопурин) и гуанин
(2-амино-6-оксипурин), которые входят в состав нуклеиновых кислот. Пуриновый цикл составляет основу известных алкалоидов – кофеина
и теобромина
. Из природных производных, содержащих пуриновую структуру, следует отметить гипоксантин
(6-гидроксипурин), ксантин
(2,6-дигидроксипурин) и мочевую кислоту
(2,6,8-тригидроксипурин). Эти соединения являются продуктами обмена веществ в живых организмах (метаболизм нуклеиновых кислот).
Важнейшие производные пурина
аденин гуанин
мочевая кислота кофеин
УПРАЖНЕНИЯ
1. Пятичленные гетероциклические соединения
с одним и двумя гетероатомами
1. Напишите структурные формулы и назовите соединения, образующиеся из бензола, если в его молекуле заменить: а) одну метиновую группировку −СН= на атом азота; б) две метиновых группировки −СН=, стоящие в положениях 1 и 3, на два атома азота; в) группировку −СН=СН− на атом серы;
г) группировку −СН=СН−СН= на два атома азота.
2. Какие виды таутомерии возможны для азотистых гетероциклических соединений, содержащих в кольце оксигруппировки?
3. Приведите формулы и назовите гетероциклические соединения, отличающиеся по размеру цикла, количеству и характеру гетероатомов.
4. Напишите структурные формулы следующих соединений:
а) 2,4-диметилтиофена; б) 2,3-диметил-4-этилпиррола; в) тетрагидрофурана; г) скатола; д) пирролина; е) фурфурола; ж) пирослизевой кислоты.
5. Приведите общую схему и укажите условия получения производных фурана, пиррола и тиофена из 1,4-дикарбонильных соединений алифатического ряда.
6. Напишите схему взаимного превращения фурана, пиррола и тиофена по Ю. К. Юрьеву и укажите условия реакций.
7. В каком валентном состоянии находятся все атомы в молекулах фурана, пиррола и тиофена? Объясните, как формируется s-скелет и p-электронный секстет в этих соединениях. Покажите направление электронных смещений в молекуле пиррола.
8. Какие факторы оказывают влияние на величину и направленность дипольных моментов? Объясните разницу этих значений для фурана, пиррола, тиофена (0,7D
, 1,8D
, 1,9D
соответственно) и для полностью восстановленных их аналогов (1,7D
, 1,6D
и 0,5D
соответственно).
9. Назовите следующие соединения:
10. Приведите предельные структуры и мезоформулу пиррола. Какие химические свойства следует ожидать для этого соединения? Какова будет ориентация в реакциях замещения? Сравните реакционную способность пиррола и бензола.
11. Пятичленные гетероциклические соединения c одним гетероатомом относятся к электроноизбыточным системам. Чем это объясняется и как это сказывается на условиях протекания SN
-
и SE
-реакций (сравните с бензолом)?
12. Из пиррола получите пирролидин, объясните разницу в их основных свойствах.
13. Расположите в ряд по степени уменьшения реакционной способности в реакциях электрофильного замещения следующие соединения: фуран, пиррол, тиофен, бензол, нитробензол, фенол.
14. Как будут влиять электронодонорные и электроноакцепторные заместители на реакционную способность пятичленных гетероциклов с электрофильными реагентами? Сравните реакционную способность пирослизевой кислоты, фурана и 2-этилфурана.
15. Напишите уравнения реакций пиррола с пиридинсульфотриоксидом, ацетилнитратом и уксусным ангидридом (в присутствии кислоты Льюиса).
16. Очистку бензола от серусодержащих примесей (тиофена) производят при помощи 90%-й серной кислоты. Поясните причину использования данного реагента.
17. В чем причина ацидофобности и как она изменяется в ряду пятичленных гетероциклических соединений с одним гетероатомом?
18. Куда присоединяется протон при взаимодействии пиррола с соляной кислотой? Напишите уравнение реакции. Чем объясняется легкость полимеризации фурана и пиррола при взаимодействии с кислотами?
19. Какое сульфирующее средство (дымящую серную кислоту, 85%-ю серную кислоту или комплекс пиридина с серным ангидридом) необходимо использовать для моносульфирования: пиррола, тиофена, бензола, фурана?
20. Для какого пятичленного гетероцикла (фурана, пиррола или тиофена) наиболее выражены свойства диенового углеводорода с сопряженными двойными связями? Поясните ответ.
21. Напишите структурные формулы промежуточных и конечных продуктов в следующих схемах:
22. Приведите структурные формулы следующих соединений:
а) β-метилиндола (скатола); б) β-индолилуксусной кислоты (гетероауксина); в) 3-оксииндола (индоксила); г) триптофана.
23. Осуществите цепи превращений и назовите промежуточные и конечные продукты реакций:
24. Напишите структурные формулы следующих азолов: а) тиазола; б) пиразола; в) оксазола; г) имидазола.
25. Имидазол значительно более сильное основание, чем пиррол и пиридин. Чем это можно объяснить?
26. Схематично изобразите для молекулы имидазола расположение в пространстве орбиталей обоих атомов азота. Наличие в цикле второго гетероатома с «внешней» неподеленной парой электронов придает имидазолу ряд специфических свойств. Каковы они? Приведите примеры.
27. Составьте схему образования водородных связей между молекулами пиразола (димер) и имидазола (олигомер).
2. Шестичленные гетероциклические соединения
с одним и двумя гетероатомами
28. Приведите структурные формулы: а) всех изомерных пиколинов;
б) 2,4-лутидина; в) симм.-
коллидина; г) хинолина; д) акридина; е) 2-оксипиридина (в виде таутомерных форм); ж) бромида N-метилпири-диния; з) всех изомерных пиридинкарбоновых кислот.
29. Нарисуйте схему образования σ-
скелета молекулы пиридина. Какова роль атома азота в формировании ароматического секстета молекулы? Сравните электронное строение бензола и пиридина (длины связей, распределение электронной плотности, вид гибридизации орбиталей, энергию сопряжения).
30. Изобразите предельные структуры и мезоформулу пиридина. Сделайте вывод о месте вступления в ядро пиридина электрофильных и нуклеофильных заместителей. Какое производное бензола в наибольшей степени напоминает пиридин (по его участию в SE
- и SN
- процессах)?
31. Назовите следующие соединения:
32. На структурной формуле пиридина укажите электронные смещения и их направленность. Почему пиридин является электронодефицитным гетероциклом?
33. Укажите причины снижения основности у пиридина по сравнению с алифатическими аминами. Сравните основные свойства пиридина, метиламина, анилина, пиррола и пиперидина.
34. Как влияют заместители в кольце пиридина на его основные свойства?
35. Напишите уравнения реакций нитрования и сульфирования пиридина, укажите условия реакций. Почему эти процессы протекают лишь в жестких условиях? Нарисуйте предельные структуры σ-комплексов, образующихся при электрофильном замещении в положения 2 и 3, сравните их устойчивость.
36. Пиридин не вступает в реакции, требующие использования катализаторов Фриделя − Крафтса (алкилирование и ацилирование). Почему?
37. Приведите примеры N-алкилирования и комплексообразования пиридина.
38. Предложите путь получения α-
и γ-пиколинов из пиридина.
39. Исходя из электронного строения пиридина и бензола, сравните их отношение к действию нуклеофильных реагентов.
40. Сравните бензол, пиррол и пиридин по их активности в реакциях присоединения.
41. Напишите уравнения реакции пиридина с раствором серной кислоты. Назовите полученный продукт. Почему пиридин в отличие от пиррола не полимеризуется под влиянием сильных кислот?
42. Как ведут себя пиридин и его алкильные производные в условиях мягкого окисления (действие надкислот и перманганата калия)?
43. Осуществите цепи превращений и назовите промежуточные и конечные продукты реакций:
44. Предложите способ получения сульфидина,
используя в качестве исходных соединений пиридин и сульфаниловую кислоту.
45. Приведите структурные формулы барбитуровой кислоты, атропина, кониина, мочевой кислоты.
46. Напишите структурные формулы пиримидина и пиримидиновых оснований в виде таутомерных форм (урацила, тимина и цитозина).
47. Каковы структурные формулы пурина, аденина, гуанина и мочевой кислоты? Для оксипроизводных укажите таутомерные формы.
48. Назовите следующие соединения:
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
1. Пятичленные гетероциклические соединения
с одним и двумя гетероатомами
1. Какой структурный аналог бензола можно получить, если в его молекуле заменить: а) атомную группировку −СН=СН− на атом серы; б) одну атомную группировку −СН= на атом кислорода и группировку −СН=СН−, стоящую через один углерод на атом азота; в) атомную группировку −СН=СН−СН= на атомы азота и серы?
2. Составьте структурные формулы всех возможных изомеров: а) этилпиррола; б) метилтиофена.
3. Напишите структурные формулы следующих соединений:
а) 2-метил-5-этилфурана; б) 2,5-диметил-2,5-дигидропиррола; в) пирролина; г) 2-фуральдегида; д) N-метил-α,β-диэтилпиррола.
4. Назовите следующие соединения:
5. Какие соединения образуются в условиях реакции Ю. К. Юрьева при взаимодействии следующих веществ:
а) тиофен + этиламин;
б) 2,5-диметилфуран + H2
S;
в) 2-метилфуран + метиламин.
6. Какое соединение получится при взаимодействии янтарного альдегида с метиламином?
7. Напишите уравнение реакции сульфирования тиофена. Какое соединение – тиофен или бензол – легче сульфируется?
8. С учетом электронных смещений, происходящих в молекулах пиррола и пирролидина, сравните их основные свойства.
9. Какое влияние окажет N-метильная группа на дипольные моменты пиррола и пирролидина?
10. Какое соединение образуется при взаимодействии пиррола c металлическим калием? Что произойдет, если на полученное вещество подействовать бромистым этилом?
11. Объясните разную ацидофобность фурана и тиофена. Подтвердите это соответствующими уравнениями реакций.
12. Напишите уравнения реакций пиррола с калием и соляной кислотой.
13. Сравните фуран, пиррол и тиофен по активности в реакции гидрирования. Напишите соответствующие уравнения реакций и назовите их продукты.
14. Осуществите цепь превращений и назовите промежуточные и конечный продукт реакции. Какое биологическое значение имеет конечный продукт?
15. Каковы особенности электронного строения пятичленных гетероароматических соединений по сравнению с бензолом? Как изменяются их ароматические свойства в зависимости от характера гетероатома?
16. Какие соединения называются азолами? Приведите примеры этих соединений.
17. Поясните, почему имидазол одновременно является более сильной кислотой, чем пиррол, и более сильным основанием, чем пиридин.
18. Из радела 3.1 «Упражнения» ответьте на вопросы № 8, 10 и 11.
2. Шестичленные гетероциклические соединения
с одним и двумя гетероатомами
19. Каковы особенности электронного строения пиридина (сравнить с пирролом и бензолом)?
20. Перечислите и обоснуйте основные отличия в проявлении ароматических свойств пиридина, пятичленных гетероциклов и бензола.
21. В какой последовательности изменяется энергия сопряжения у пятичленных гетероциклов (фуран, пиррол, тиофен, имидазол), пиридина и бензола?
22. Объясните, почему пиридин в присутствии сильных кислот не подвергается процессам полимеризации (как пиррол).
23. Напишите структурные формулы всех изомерных пропилпиридинов. Назовите эти соединения.
24. Напишите уравнения реакций взаимодействия пиридина со следующими веществами: а) водородом (в присутствии катализатора); б) едким кали (при нагревании); в) пикриновой кислотой; г) амидом калия; д) хлористым этилом; е) концентрированной азотной кислотой (при нагревании); ж) надуксусной килотой.
25. Какие выводы о реакционной способности пиридина можно сделать исходя из его молекулярной диаграммы и мезоструктуры?
26. Каковы причины затруднений в осуществлении реакций алкилирования и ацилирования пиридина?
27. Напишите структурные формулы пиримидина и пиримидиновых оснований в виде таутомерных форм (урацила, тимина и цитозина).
28. Каковы структурные формулы пурина, аденина, гуанина и мочевой кислоты? Для оксипроизводных укажите таутомерные формы.
29. Осуществите цепи превращений и назовите промежуточные и конечные продукты реакций:
30. Из раздела 3.2 «Упражнения» ответьте на вопросы № 30, 31, 32, 33, 39, 46 и 47.
ИТОГОВЫЙ
КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ
ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
«
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
»
(
банк тестовых заданий)
Вопрос 1
Установите соответствие
Классификация ГЦС:
а. ГЦС с конденсированными кольцами
б. пятичленные ГЦС с двумя атомами азота
в. шестичленные ГЦС с двумя атомами азота
Гетероциклические соединения:
1. пиразол
2. индол
3. имидазол
4. хинолин
5. пиримидин
6. пурин
Вопрос 2
Установите соответствие
Классификация ГЦС:
а. кислородсодержащие ГЦС
б. азотсодержащие ГЦС
в. серусодержащие ГЦС
Гетероциклические соединения:
1. пиридин
2. оксазол
3. имидазол
4. фуран
5. пурин
6. тиазол
Вопрос 3
Установите соответствие
Классификация ГЦС:
а. пятичленные ГЦС с одним гетероатомом
б. шестичленные ГЦС с одним гетероатомом
Гетероциклические соединения:
1. пиррол
2. хинолин
3. фуран
4. пиридин
5. пиперидин
6. тиофен
7. акридин
Вопрос 4
Установите соответствие
Классификация ГЦС:
а. пятичленные ГЦС с несколькими гетероатомами
б. шестичленные ГЦС с несколькими гетероатомами
Гетероциклические соединения:
1. тиазол
2. барбитуровая кислота
3. оксазол
4. пиразол
5. имидазол
6. урацил
7. пиримидин
Вопрос 5
Установите соответствие
Классификация ГЦС:
а. пятичленные ГЦС с одним гетероатомом
б. шестичленные ГЦС с одним гетероатомом
в. ГЦС с конденсированными кольцами
Гетероциклические соединения:
1. пиридин
2. дигидропиррол
3. пиперидин
4. триптофан
5. фуран
6. b-
пиколин
Вопрос 6
Установите соответствие
Номенклатура ГЦС:
а. производные пурина
б. производные пиримидина
Гетероциклические соединения:
1. аденин
2. гуанин
3. урацил
4. кофеин
5. цитозин
6. мочевая кислота
7. барбитуровая кислота
Вопрос 7
Установите соответствие
Классификация ГЦС:
а. кислородсодержащие ГЦС
б. азотсодержащие ГЦС
в. серусодержащие ГЦС
Гетероциклические соединения:
1. пиррол
2. индол
3. тиазол
4. тиофен
5. хинолин
Вопрос 8
Установите соответствие
Классификация ГЦС:
а. гетероциклы с одним гетероатомом
б. гетероциклы с двумя гетероатомами
Гетероциклические соединения:
1. пиррол
2. оксазол
3. никотиновая кислота
4. имидазол
5. хинолин
6. пиразол
7. пиримидин
Вопрос 9
Установите соответствие
Классификация ГЦС:
а. пирролин
б. 2-оксипиридин
в. 2,5-диметилтиофен
г. a-пиколин
д. гуанин
Формулы ГЦС
:
Вопрос 10
Установите соответствие
Номенклатура ГЦС:
а. никотиновая кислота
б. пиколиновая кислота
в. изоникотиновая кислота
Ф
ормулы ГЦС
:
Вопрос 11
Установите соответствие
Номенклатура ГЦС:
а. пиразол
б. пиперидин
в. имидазол
г. пиримидин
д. гексагидропиридин
Формулы ГЦС
:
Вопрос 12
Выберите правильный ответ
Производные пиррола
:
- никотиновая кислота
- индол
- пиколин
- скатол
- пирролидин
- порфин
Вопрос 13
Установите соответствие
Номенклатура ГЦС:
а. тетрагидропиридин
б. g-пиридинкарбоновая кислота
в. пирослизевая кислота
г. пиперидин
д. изоникотиновая кислота
е. a-фуранкарбоновая кислота
Формулы ГЦС
:
Вопрос 14
Установите соответствие
Номенклатура ГЦС:
а. N-ацетилпиррол
б. дигидрофуран
в. пиримидин
г. тиазол
д. индоксил
Формулы ГЦС
:
Вопрос 1
5
Выберите правильный ответ
Гибридизация атомов, входящих в состав пиридина
:
- sp
- sp
2
- sp
3
Вопрос 1
6
Установите соответстви
е
Номенклатура ГЦС:
а. дигидропиррол
б. пирролидин
в. пирролин
г. скатол
д. b-метилиндол
е. тетрагидропиррол
Формулы ГЦС
:
Вопрос 1
7
Выберите правильный ответ
Гибридизация атомов, входящих в состав пиррола:
- sp
- sp
2
- sp
3
Вопрос 1
8
Установите соответствие
Номенклатура ГЦС:
а. a
-пиколин
б. 2,4-диметилпиридин
в. никотинамид
г. 2,4-лутидин
д. витамин РР
е. 2-метилпиридин
Формулы ГЦС
:
Вопрос 19
Установите соответствие
Ароматические соединения:
а. бензол
б. пиррол
в. пиридин
Показатели строения
:
1. дипольный момент = 2,3D
2. дипольный момент = 0D
3. дипольный момент = 1,7D
4. вектор дипольного момента направлен в кольцо
5. вектор дипольного момента направлен из кольца
6. Е
делокализации = 150 кДж/моль
7. Е
делокализации = 130 кДж/моль
8. Е
делокализации = 110 кДж/моль
Вопрос 20
Выберите правильный ответ
Мезоструктура пиррола
:
-
-
-
Вопрос 21
Выберите правильный ответ
Вектор дипольного момента
пиррола
направлен
:
- из кольца
- в кольцо
- отсутствует
Вопрос 22
Выберите правильный ответ
Основные признаки строения пиридина:
- все связи выравнены
- все связи не выравнены
- пиридин − правильный шестиугольник
- пиридин − неправильный шестиугольник
- Е
делокализации пиридина меньше Е
делокализации бензола
- Е
делокализации пиридина больше Е
делокализации бензола
- молекула плоская
- молекула неплоская
Вопрос 23
Выберите правильный ответ
Мезоструктура пиридина:
-
-
-
Вопрос 24
Установите соответствие
Химические свойства пиридина:
а. реакция сульфирования
б. реакция нитрования
в. реакция гидроксилирования
г. реакция аминирования
Протекают при действии
:
1. КОН, t
= 300 °C
2. олеум, t
= 240 °C
3. NaNH2
4. KNO3
, H2
SO4
, t
= 300 °С
5. H2
SO4
(раствор)
6. HNO3
(раствор)
Вопрос 25
Выберите правильный ответ
Реакции, характерные для пиридина:
- аминирования
- алкилирования
- бромирования
- ацилирования
- нитрования
- сульфирования
Вопрос 26
Выберите правильный ответ
Конечным продуктом восстановления пиррола является:
- пирролин
- дигидропиррол
- пирролидин
Вопрос 27
Выберите правильный ответ
Сульфирование пиррола проводится в присутствии
:
- K2
SO4
+ HNO3
- H2
SO4
(конц.)
- H2
SO4
(раствор)
Вопрос 28
Выберите правильный ответ
Нитрование протекает легче:
- у пиридина
- у α-аминопиридина
- у α-нитропиридина
Вопрос 29
Установите соответствие
Химические свойства пиррола
:
а. реакция восстановления
б. реакция нитрования
в. реакция сульфирования
Протекают при действии:
1. HNO3
(раствор)
2. CH3
COONO2
3. Zn + CH3
COOH
5. H2
SO4
(раствор)
Вопрос 30
Выберите правильный ответ
Пр
о
явление диенового характера наиболее характерно для:
- пиррола
- тиофена
- фурана
Вопрос 31
Выберите правильный ответ
Г
идроксилировани
е
пиридина
протекает с
образ
ованием
:
- α-оксипиридина
- β-оксипиридина
- пирролина
- пиридинкарбоновой кислоты
Вопрос 32
Выберите правильный ответ
Активность в протекании SЕ
-
реакций ослабевает в ряду:
- пиррол – тиофен – фуран
- тиофен – пиррол – фуран
- фуран – тиофен – пиррол
Вопрос 33
Выберите правильный ответ
Нитрование пиррола
осуществляется при действии
:
- NaNO3
+ H2
SO4
- HNO3
(конц.)
- CH3
COONO2
- HNO3
(разб.)
Вопрос 34
Выберите правильный ответ
С
оединение ряда бензола
,
по химическому поведению в наибольшей степени напомина
ющее
пиридин
:
- фенол
- толуол
- нитробензол
- анилин
Вопрос 35
Выберите правильный ответ
О
сновные свойства
гетероциклов уменьшаются в последовательности
:
- пиррол – пиридин – пиперидин
- пиперидин – пиридин – пиррол
- пиридин – пиперидин – пиррол
Вопрос 36
Установите соответствие
Влияние электроотрицательности гетероатома на свойства ГЦС
:
а. большая электроотрицательность
б. меньшая электроотрицательность
Свойства ГЦС
:
1. проявляют большую ацидофобность
2. проявляют меньшую ацидофобность
3. затрудняются А
-реакции
4. облегчаются А
-реакции
5. проявляют в большей степени диеновый характер
6. проявляют в меньшей степени диеновый характер
7. возрастает Е
делокализации
8. уменьшается Е
делокализации
Вопрос 37
Выберите правильный ответ
Т
аутомерия
возможна для
:
- пиридина
- 2-оксипиридина
- 3-оксипиридина
- 2-оксипиррола
Вопрос 38
Выберите правильный ответ
А
цидофобность проявляют:
- пиридин
- пиррол
- фуран
- тиофен
Вопрос 39
Выберите правильный ответ
SЕ
реакции у пиридина ориентированы:
- в a-положение
- в b-положение
- в g-положение
- протекают легче, чем у пиррола
- протекают труднее, чем у пиррола
Вопрос 40
Выберите правильный ответ
Химические свойства
пиридина
:
- SN
-реакции протекают легче, чем в бензоле
- SN
-реакции протекают труднее, чем в бензоле
- А
-реакции протекают легче, чем в бензоле
- А
-реакции протекают труднее, чем в бензоле
- SN
-реакции ориентированы в a- и g-положения
- SN
-реакции ориентированы в b-положение
Вопрос 41
Выберите правильный ответ
А
роматические свойства наиболее выражены у:
- пиррола
- тиофена
- фурана
Вопрос 42
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. пиррол
б. пиридин
SN
-реакции ориентированы
:
1. в α
-положение
2. в β
-положение
3. в g
-положение
Вопрос 43
Выберите правильный ответ
SE
-реакции у пиррола:
- ориентированы в α-положение
- ориентированы в β-положение
- протекают легче, чем в пиридине
- протекают труднее, чем в пиридине
- протекают с использованием протонсодержащих реагентов
- протекают с использованием апротонных реагентов
Вопрос 44
Выберите правильный ответ
SE
-
реакции
у пиридина:
- протекают легче, чем в бензоле
- протекают труднее, чем в бензоле
- ориентированы в b-положение
- ориентированы в a- и g-положения
Вопрос 4
5
Выберите правильный ответ
Цикл Юрьев
а:
- получение производных пиридина
- получение производных пиррола
- взаимные переходы: пиррол – фуран – тиофен
- взаимные переходы пиридин – хинолин – акридин
Вопрос 4
6
Выберите правильный ответ
Активность в А-реакциях уменьшается в ряду:
- тиофен – пиррол – фуран
- пиррол – фуран – тиофен
- фуран – пиррол – тиофен
Вопрос 47
Установите соответствие
Химические свойства ГЦС:
а. проявляют основные свойства
б. проявляют кислотные свойства
Гетероциклические соединения:
1. пиридин
2. пиррол
3. пиперидин
Вопрос 4
8
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
Получают:
1. SN
-реакцией
2. SE
-реакцией
3. А
-реакцией
Вопрос 49
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. индоксил
б. пиррол
в. пиразол
г. пиколиновая кислота
д. индол
Формулы ГЦС:
Вопрос 50
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. пирролидин
б. фуран
в. изоникотиновая кислота
г. имидазол
д. пиперидин
Формулы производных ГЦС
:
Вопрос 5
1
Выберите правильный ответ
П
роизводны
е
пиридин
а:
- пиперидин
- пирролидин
- никотиновая кислота
- пирослизевая кислота
- a-пиколин
Вопрос 5
2
Выберите правильный ответ
П
роизводны
е
бензопиррола
:
- триптофан
- пирролидин
- скатол
- пирролин
- индиго
Вопрос 53
Выберите правильный ответ
Производные индола:
- серотин
- имидазол
- триптофан
- скатол
- карбазол
- гетероауксин
Вопрос 5
4
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. урацил
б. тимин
в. цитозин
г. барбитуровая кислота
Формулы производных ГЦС
Вопрос 55
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. фуран
б. пиридин
в. тиофен
г. пиррол
Вектор дипольного момента направлен:
1. из кольца
2. в кольцо
Вопрос 5
6
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. индол
б. витамин РР
в. мочевая кислота
г. пурин
д. пиримидин
Формулы производных ГЦС
Вопрос 57
Выберите правильный ответ
Конечный продукт реакции в схеме:
- N-метилпиррол
- 2-пирролкарбоновая кислота
- 2-тиофенкарбоновая кислота
- 2,2-диметилтиофен
Вопрос 5
8
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. пиримидин
б. пирролин
в. фурфурол
г. α-пиколин
д. никотинамид (витамин РР)
Формулы производных ГЦС
:
Вопрос 59
Выберите правильный ответ
Пролин:
- 2-пирролкарбоновая кислота
- пирролин-2-карбоновая кислота
- пирролидин-2-карбоновая кислота
В
опрос
60
Установите соответствие
Производные пурина:
а. мочевая кислота
б. аденин
в. ксантин
г. гуанин
д. кофеин
Формулы производных пурина:
Вопрос
61
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. пиколин
б. лутидин
в. коллидин
Формулы
ГЦС
:
Вопрос
62
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. фурфурол
б. оксазол
в. пирролин
г. пиколиновая кислота
д. пирослизевая кислота
Формулы ГЦС
:
Вопрос 63
Выберите правильный ответ
Конечный продукт реакции в схеме:
а. пирослизевая кислота
б. этиловый эфир 2-фуранкарбоновой кислоты
в. этиловый эфир пирослизевой кислоты
г. 2-этилфуран
Вопрос
64
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. никотинамид
б. триптофан
в. β-пиколин
г. пиразол
д. пиримидин
Формулы ГЦС:
Вопрос 6
5
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. индол
б. хинолин
в. бензимидазол
г. тиазол
д. пиридин
Формулы ГЦС:
Вопрос 66
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. индол
б. хинолин
в. пурин
г. кумарин
Конденсированные системы:
1. бензол + фуран
2. бензол + пиррол
3. пиримидин + имидазол
4. бензол + пиридин
Вопрос 67
Установите соответствие
Гетероциклические соединения:
а. дигидрофуран
б. 2,3-диметилфуран
в. 2-пирролкарбоновая кислота
г. N-метилпиррол
д. тетрагидрофуран
е. 2-тиофенсульфокислота
ж. тиазол
Формулы ГЦС:
Вопрос 68
Установите соответствие
Изменения структуры бензола
а. б.
в. г.
Соответствуют гетероциклическим соединениям:
1. тиазол
2. пиридин
3. пиразол
4. пиримидин
Вопрос 69
Установите соответствие
Цикл Юрьева:
а. пиррол + H2
S
б. тиофен + метиламин
в. фуран + анилин
г. пиррол + вода
Гетероциклические соединения:
1. N-фенилпиррол
2. фуран
3. N-метилпиррол
4. тиофен
Вопрос 70
Установите соответствие
Формулы ГЦС:
а.
б.
Продукт синтеза индиго:
1. синее индиго
2. лейкоиндиго
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Артеменко А. И. Органическая химия. М., 2003.
2. Березин Б. Д., Березин Д. Б. Курс современной органической химии. М., 2003.
3. Иванов В. Г., Горленко В. А., Гева О. Н. Органическая химия. М., 2003.
4. Иванский В. И. Химия гетероциклических соединений. М., 1978.
5. Катрицкий А. Химия гетероциклических соединений. М., 1963.
6. Нейланд О. Я. Органическая химия. М., 1990.
7. Пакетт Л. Основы современной химии гетероциклических соединений. М., 1971.
8. Травень В.Ф. Органическая химия. М., 2004.