Лекция № 26 (1). Лекции по учебной дисциплине Органическая химия (наименование учебной дисциплины)
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
Военно-медицинская академия имени С.М.Кирова Кафедра фармации Заведующий кафедрой фармации ____________ Ю.В. Мирошниченко «24» февраля 2021 г . Преподаватель, канд. фарм. наук. М.С. Околелова План проведения лекции по учебной дисциплине Органическая химия (наименование учебной дисциплины) Раздел № 5. Гетероциклические соединения. Тема № 20. Гетероциклические соединения. Классификация и номенклатура. Пятичленные, шестичленные, конденсированные гетероциклы с одним гетероатомом. Строение. Ароматические гетероциклы. Химические свойства. Часть 1. Классификация и номенклатура гетероциклических соединений. Учебные и воспитательные цели: Учебная цель: использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности; - знать основы теоретического и экспериментального исследования; - знать основные функциональные группы и классы органических соединений. Воспитательная цель: формирование высокой дисциплинированности и личной ответственности за повышение профессионального мастерства, грамотную эксплуатацию и сбережение материального имущества кафедры. Состав обучающихся: студенты 2 курса 3 и 7 факультетов специальность «Фармация» Время: согласно расписанию занятий на 2020/2021 учебный год Место: _____________________________ Учебно-материальное обеспечение Литература: а). Использованная при подготовке текста лекции 1. Оганесян Э.Т. Органическая химия. – 2-е издание. – М.: Академия, 2011.- 432 с. 2. Органическая химия: учебник/Н.А. Тюкавкина и [др.]; под ред. Н.А.Тюкавкиной. –М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015.-640с. 3.Артеменко А.И. Органическая химия. – М.: Высшая школа, 1998.- 545 с. 4. Травень В.Ф. Органическая химия (в 3 томах) – 4-е издание.- М.: БИНОМ, 2015. 5. Иванов В.Г., Горленко В.А., Гева О.Н. Органическая химия – М: Инфра-М, 2016.- 560 с. 6. Дрюк В.Г., Карцев В.Г., Хиля В.П. Органическая химия. Учебное пособие для вузов: 3-е издание. – М.: ЮРАЙТ, 2020. – 502 с. б). Рекомендуемая обучаемым для самостоятельной работы по теме лекции 1. Оганесян Э.Т. Органическая химия. – 2-е издание. – М.: Академия, 2011.- с. 330-359. 2. Белобородов В.Л., Зурабян С.Э., Лузин А.П., Тюкавкина Н.А. Органическая химия. Специальный курс.-Т.2 - М: Дрофа, 2008.- с. 3-16. Наглядные пособия ___________________________________________ (схемы, диаграммы и т.п., при использовании) _________________________________________________________________________ Технические средства обучения: _________________________________ (вид и количество ТСО) Материальное обеспечение: ____________________________________ (при использовании) Порядок проведения лекции
Предложения преподавателя по совершенствованию содержания, организации и проведения лекции ______________________________________________________________________________________________________________________________ Военно-медицинская академия имени С.М.Кирова Кафедра фармации Заведующий кафедрой фармации _____________ Ю.В. Мирошниченко «08» февраля 2021 г. Преподаватель, канд. фарм. наук. М.С. Околелова ЛЕКЦИЯ № 26 номер по тематическому плану изучения дисциплины по___Органической химии ( наименование дисциплины) на тему « Гетероциклические соединения. Классификация и номенклатура. Пятичленные, шестичленные, конденсированные гетероциклы с одним гетероатомом. Строение. Ароматические гетероциклы. Химические свойства. Часть 1. Классификация и номенклатура гетероциклических соединений.» (наименование темы лекции по тематическому плану изучения дисциплины) для курсантов (слушателей) группы 2 курса 7 и 3 факультетов Обсуждена и одобрена на заседании кафедры Протокол № 2 «24»_февраля_ 2021 г. Уточнено (дополнено): «_____»_____________ 20__ г. (воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия.) Санкт-Петербург 2021 г. СОДЕРЖАНИЕ ПЛАНА ЛЕКЦИИ
ЛИТЕРАТУРА а). Использованная при подготовке текста лекции 1. Оганесян Э.Т. Органическая химия. – 2-е издание. – М.: Академия, 2011.- 432 с. 2. Органическая химия: учебник/Н.А. Тюкавкина и [др.]; под ред. Н.А.Тюкавкиной. –М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015.-640с.: ил. 3. Артеменко А.И. Органическая химия. – М.: Высшая школа, 1998.- 545 с. 4. Травень В.Ф. Органическая химия (в 3 томах) – 4-е издание.- М.: БИНОМ, 2015. 5. Иванов В.Г., Горленко В.А., Гева О.Н. Органическая химия. Учебник. – М: Инфра-М, 2016.- 560 с. 6. Дрюк В.Г., Карцев В.Г., Хиля В.П. Органическая химия. Учебное пособие для вузов: 3-е издание. – М.: ЮРАЙТ, 2020. – 502 с. б). Рекомендуемая обучаемым для самостоятельной работы по теме лекции 1. Оганесян Э.Т. Органическая химия. – 2-е издание. – М.: Академия, 2011.- с. 330-359. 2. Белобородов В.Л., Зурабян С.Э., Лузин А.П., Тюкавкина Н.А. Органическая химия. Специальный курс.-Т.2 - М: Дрофа, 2008.- с. 3-16 НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ Презентация № 25 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ Мультимедийный проектор Интерактивная доска Ноутбук Программное и мультимедийное обеспечение Текст лекции Гетероциклические соединения.Распространение и роль гетероциклических соединений в живых системах. Гетероциклическими называют органические соединения, имеющие циклическое строение и содержащие в цикле наряду с атомами углерода один или несколько гетероатомов. В качестве гетероатома может выступать любой атом, кроме элементов I группы и углерода. Наибольшее значение и распространение в природе имеют гетероциклы, содержащие в качестве гетероатома атомы азота, кислорода, серы. Примерно половина известных органических соединений имеет структуру, содержащую гетероциклический компонент. Гетероцик-лические соединения широко распространены в природе. Многие из них играют важную роль в функционировании биологических систем. Так, ответственные за механизм репликации нуклеиновые кислоты содержат пуриновые и пиримидиновые циклы. Производными порфиновой циклической системы являются хлорофилл и гем – ключевые компоненты, необходимые в процессе фотосинтеза в растениях и транспорта кислорода у животных. Многие витамины (В1, В2, В3, В6 и др.) являются гетероциклическими соединениями. В состав трех из двадцати найденных в белках аминокислот входят гетероциклические фрагменты. Достаточно сказать, что из наиболее известных и широко приме-няемых лекарственных средств природного и синтетического происхождения более 60% являются гетероциклическими соединениями. Распространенные лекарственные препараты и большинство гетероцик-лических соединений, имеющих практическое применение, которые ранее экстрагировали из растительного сырья, в настоящее время производят промышленным способом. В 2019 г. фармацевтические компании США вывели на рынок лекарств более 30 новых препаратов, среди которых преобладают препараты для терапии заболеваний, трудно поддающихся лечению, и содержащие гетероциклы в своей основе: болезнь Паркинсона, противоопухолевые препараты, антибиотики, противотуберкулезные препараты, препараты для лечения псориаза и т.д. В качестве примера можно привести препарат Nourianz (Istradefylline), который применяется при лечении болезни Паркинсона.  Хорошо известный Вам препарат Арбидол также содержит в своем составе гетероциклический компонент:  Химия гетероциклов представляет собой одну из самых интересных и важных областей органической химии. Наличие гетероатома в цикле вносит своеобразие в химические свойства и определяет специфику методов синтеза этих соединений. Несмотря на особенность этих методов, в основе каждого из них лежат известные из общего курса органической химии принципы реакционной способности и взаимодействия основных функциональных групп. Поэтому приобретенные Вами знания в процессе изучения общего курса органической химии пригодятся для освоения синтетических методов и приемов получения гетероциклических соединений. Классификация гетероциклических соединений Гетероциклические соединения классифицируют по размеру циклов, характеру гетероатомов, числу гетероатомов и конденсированных циклов в молекуле, а также по наличию ароматичности. В зависимости от размера циклы бывают: – 3-, 4-членные (малые):  Этиленоксид (оксиран)   Триметиленимин (азетидин) – 5–8-членные (нормальные):  Фуран Пиридин Пергидроазепин (оксол) (азин) – циклы, состоящие из 8–12 атомов (средние):  – циклы, состоящие больше чем из 12 атомов (макроциклы):  По характеру гетероатома. В качестве гетероатома могут выступать атомы O, S, N, P, Si, Bi, Te и др. Азотсодержащие гетероциклические соединения содержат в цикле атом азота:  Кислородсодержащие гетероциклические соединения имеют в цикле атом кислорода:  По аналогии серосодержащие гетероциклические соединения имеют в цикле атом серы:  Гетероциклические соединения, содержащие эти гетероатомы, наиболее распространены в природе. Гетероциклические соединения, содержащие другие гетероатомы:   Силациклопентадиен (силол) Фосфациклопентадиен (фосфол) Исходя из числа гетероатомов и конденсированных циклов в молекуле. Гетероциклические соединения могут иметь несколько одинаковых или разных гетероатомов в цикле, а также различаться числом конденсированных циклов в одной молекуле: - Один гетероатом в молекуле гетероцикла:   Тиофен - С двумя одинаковыми гетероатомами в молекуле гетероцикла:  Пиридазин- с двумя разными гетероатомами в молекуле гетероцикла:   Изоксазол 4H-1,4-Тиазин - Более чем с двумя гетероатомами (одинаковыми или разными):    оксадиазол- С двумя конденсированными циклами:  Изохинолин- Более чем с двумя конденсированными циклами:  По наличию ароматичности. Гетероциклические соединения могут быть неароматическими (насыщенными или ненасыщенными) и ароматическими. Неароматические гетероциклические соединения не имеют циклической сопряженной системы, удовлетворяющей правилу Хюккеля:  Химическое поведение этих соединений аналогично ациклическим соединениям соответствующих классов, в данном случае простых эфиров и вторичных аминов. Поэтому их химические превращения мы рассматривать не будем. Ароматические cвойства, или ароматичность, – это способность соединений при видимой ненасыщенности проявлять свойства предельных соединений. Ароматические гетероциклические соединения обладают всеми признаками ароматичности. В соответствии с правилом Хюккеля они являются плоскими циклическими сопряженными системами с (4n + 2) π-электронами в цикле, где n = 0, 1, 2, любое целое число.  Номенклатура гетероциклических соединений Для построения названия гетероциклических соединений используется несколько номенклатур, наиболее распространенными среди которых являются тривиальная и систематическая. Тривиальная номенклатура При построении тривиальных названий за основу берут или источник выделения этого соединения, или одно из его характерных свойств. Например:  Пиколин был выделен из каменноугольной смолы, фурфурол означает «масло из отрубей», так как был получен из отрубей. Название «пиррол» произошло от греческого слова, означающего огненно-красный, поскольку сосновая лучина, смоченная соляной кислотой, окрашивалась в красный цвет в парах пиррола. Эти тривиальные названия, как, впрочем, и все названия подобного рода, не содержат информации о структуре, но традиционно продолжают использоваться. В настоящее время около 60 тривиальных и полутривиальных названий признаны IUPAC. Эти тривиальные названия важны, так как на их основе строятся более сложные системные названия для производных и полициклических соединений. Нумерация атомов в этих системах обычно начинается с гетероатома и продолжается последовательно по кругу, а для полициклических систем нумерация начинается с атома, следующего после соединения циклов, хотя имеются исключения. В таблице ниже (табл.1) представлены примеры гетероциклов с признанными тривиальными названиями.       Для частично гидрированных гетероциклов при построении названий используют приставки дигидро-, тетрагидро- с указанием номеров атомов, к которым присоединен водород. Если атом водорода присоединен только к одному атому цикла, то в названии указывается номер гидрированного атома и символ Н (например, 2Н-оксин). В шести- и семичленных азотсодержащих гетероциклах полная насыщенность цикла обозначается приставкой пергидро-:  Систематическая номенклатура. При построении систематических названий гетероциклов номенклатурными правилами IUPAC учитывается природа и количество гетероатомов, а также размер цикла и степень его насыщенности. Для моноциклических гетероциклов систематическая номенклатура основывается на системе, введенной в ХIX в. Ганчем и Видманом. По этой номенклатуре название строится путем объединения префикса, в котором отражается природа гетероатома, корня, указывающего на размер цикла, и суффикса, обозначающего ненасыщенность или насыщенность цикла. Список наиболее употребляемых префиксов в порядке падающего старшинства приведен в табл. 2, а основы названий (корни с суффиксами) перечислены в табл. 3.   Корни названий, обозначающих ненасыщенные циклы, используют для соединений с максимальным числом некумулятивных двойных связей, а для циклов без двойных связей используют корни, обозначающие насыщенные циклы. Размер цикла обозначается корнями -ир- (трех-), -ет- (четырех-), -ол- (пяти-), -ин- (шести-), -еп- (семичленный) и т. д. (табл. 3), а степень насыщенности – суффиксами -идин (насыщенный цикл с атомом азота), -ан (насыщенный цикл без атома азота), -ин (ненасыщенный цикл). В названии гетероциклов с максимально возможным количеством двойных связей в цикле суффикс не указывается. Число гетероатомов одного вида указывают в названии множительными приставками ди-, три-, тетра- и т. д. Если гетероцикл содержит несколько различных гетероатомов, то их называют в строго определенной последовательности: окса-, тиа-, аза- и др. Как правило, опускается буква «а» в этих префиксах перед корнем, начинающимся с гласной. При составлении названия допускается ряд упрощений. Ниже приведены примеры систематических и тривиальных названий некоторых гетероциклов. Трехчленные гетероциклические соединения:  Четырехчленные гетероциклические соединения:  Пятичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом:  Пятичленные гетероциклические соединения с несколькими гетероатомами:  Шестичленные гетероциклические соединения:   Семичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом:  Следует отметить, что некоторые из построенных подобным образом систематических названий уступают более распространенным общепризнанным тривиальным названиям (см. табл. 1). Нумерацию атомов в замещенных гетероциклических соединениях с одним гетероатомом обычно начинают с гетероатома и проводят в том направлении, чтобы заместители получили по возможности меньшие номера:  В пяти- и шестичленных гетероциклах с одним гетероатомом атомы углерода иногда обозначают греческими буквами α-, β-, γ-:  В гетероциклах с несколькими равноценными гетероатомами нумерацию осуществляют таким образом, чтобы гетероатомы получили наименьшие из возможных номеров, например 1Н-пиразол, пиримидин (см. табл. 1):   Если в кольце имеются два или более различных гетероатома, префиксы перечисляются в том порядке, в каком они приведены в табл. 2. Нумерация начинается со старшего гетероатома, т. е. гетероатом, стоящий выше остальных в табл. 2, должен получить наименьший из возможных номеров – первый. Таким образом, в ряду O, S, NH, N расположенный левее гетероатом получает меньший номер. В качестве примера можно привести изоксазол, фуразан (см. табл. 1).  Большую группу составляют гетероциклические соединения с двумя и более конденсированными циклами. Такие вещества могут состоять из одного гетероциклического и одного или нескольких бензольных колец (индол, хинолин, карбазол), а также из нескольких гетероциклических ядер (пурин):  Обычно для таких гетероциклов применяют тривиальные названия, как представлено выше, некоторые из них не имеют таковых. Нумерация в конденсированных системах, как правило, начинается с атома, соседнего с местом сочленения циклов, но так, чтобы у гетероатома был наименьший по возможности номер (например, изохинолин (см. табл. 1)). Для некоторых гетероциклов существует особый порядок нумерации, как приведено на примерах карбазола и пурина. Систематические названия конденсированных гетероциклических систем образуют, используя в качестве родоначальных структур тривиальные названия гетероциклов. При построении названий конденсированных систем, состоящих из одного гетероциклического и одного или двух бензольных ядер, к названию гетероцикла присоединяют префикс бенз- (бензо-) или дибенз- (дибензо-) с указанием буквами a, b, c, d и т. д. связи гетероцикла, по которой происходит конденсация. Конденсированную гетероциклическую систему при этом как бы разбивают на составные части и обозначение связей буквами в гетероцикле начинают от гетероатома:  Если конденсированная система состоит из двух гетероциклов с одинаковым гетороатомом, за основу названия принимают название цикла, большего по размеру, а при одинаковом размере предпочтение отдают циклу с большим числом гетероатомов. Азотсодержащие циклы имеют предпочтение перед кислородсодержащим, а последний – перед серосодержащим. Далее по аналогии с приведенным выше примером при помощи букв указывают связь основного цикла, которая является общей для обоих циклов, а при помощи цифр – общую связь второго компонента, при этом нумерация его осуществляется обычным образом. В названии этой системы перед названием основного компонента в виде префикса указывается название второго компонента. Этот префикс образуется прибавлением буквы «о» к названию циклической системы, хотя имеются некоторые нестандартные префиксы (пиридин – пиридо-; тиофен – тиено-; фуран – фуро-; хинолин – хино- и др.). Место сочленения двух циклов обозначается цифрами и буквой, причем номера второго компонента перечисляются в той последовательности, в которой они находятся в основном компоненте:  В качестве основного компонента при построении названия выбран оксазол, так как кроме азота имеется гетероатом (О) с большим порядковым номером (согласно табл. 2). Циклы соединены по стороне b оксазола и стороне 1,2 имидазола, при этом атом в положении 2 имидазола расположен перед атомом в положении 1 на стороне b системы оксазола. Поэтому соединение называется имидазо[2,1-b]оксазол. Далее представлен алгоритм определения основного компонента конденсированного гетероциклического соединения при построении его названия.  С использованием этого алгоритма разберите принцип построения названий конденсированных гетероциклических систем, формулы которых приведены ниже:  Кроме тривиальной и систематической номенклатур, которые рассмотрены нами, можно встретить названия сложных гетероциклических соединений, построенных по иному принципу. Он напоминает подходы при построении названий карбоциклических соединений. Это названия, построенные по заместительной номенклатуре. Данная номенклатура основывается на замещении одного или более атомов углерода в карбоцикле гетероатомом. Соответствующую углеродсодержащую циклическую систему называют согласно правилам IUPAC, а гетероатомы указывают в ней с помощью префиксов (см. табл. 2 на с. 12). Эта номенклатурная система нашла применение для мостиковых и спироциклических систем, а также для веществ, в молекулах которых имеются необычные гетероатомы. Примеры названий с использованием заместительной номенклатуры:  Ароматические гетероциклы. Ароматическое строение гетероциклов соответствует известным для аренов признакам: 1) циклический σ-скелет; 2) замкнутая (циклическая) сопряженная π-система, которая обеспечивается плоским строением цикла и sp2 -гибридизацией всех атомов в цикле; 3) число π-электронов (N) соответствует правилу Хюккеля N=4n+2, где n недробное число; по числу πэлектронов ароматические гетероциклы изоэлектронны бензолу или другим аренам (т.е. число их π-электронов равно 6, как у бензола, или 10, как у нафталина, и т.д.). Примеры:  Бензол Пиррол Фуран Индол Особенностью строения ароматических гетероциклов является то, что в образовании ароматической π-системы соединения принимает участие гетероатом. Пиррольный гетероатом в состав π –системы предоставляет пару электронов  на р-орбитали, которая участвует в сопряжении и оказывается таким образом делокализованной. Использование этой пары электронов для других процессов без разрушения ароматического строения соединения невозможно. Такое электронное строение в составе электронейтральной молекулы могут иметь большинство гетероатомов. Поэтому известны пятичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом разной природы – азот-, кислород-, серусодержащие и другие.Пиррольное и пиридиновое строение гетероатома в цикле:  Пиридиновый гетероатом имеет двойную связь, на образование π-связи он предоставляет р-орбиталь с одним электроном. Неподеленная пара пиридинового гетероатома занимает гибридную орбиталь в плоскости цикла. Поэтому неподеленная пара электронов пиридинового гетероатома не участвует в сопряжении и образовании ароматической π-системы, она локализована на гетероатоме. Пиридиновое строение в электронейтральной молекуле может иметь атом азота; для атомов кислорода и серы это невозможно. Поэтому ароматические шестичленные гетероциклы, ароматические пятичленные гетероциклы с двумя и более гетероатомами в качестве пиридинового гетероатома имеют только азот. Примеры:  Ароматичность (термодинамическая устойчивость) гетероциклов неодинакова и выражена меньше, чем у бензола, так как влияние гетероатома в цикле делает распределение электронов неравномерным. С увеличением электроотрицательности гетероатома ароматичность гетероциклического соединения уменьшается. Например, уменьшение энергии резонанса в ряду бензол → пиридин → тиофен → пиррол → фуран позволяет утверждать, что ароматичность, устойчивость циклической сопряженной системы к разрушению в этом ряду минимальны у фурана:  π-Избыточность и π-недостаточность ароматических гетероциклов. Под π-избыточностью и π-недостаточностью понимают изменение электронной плотности на атомах углерода гетероцикла (в целом) по сравнению с бензолом в результате влияния гетероатома. π-Избыточными являются пятичленные ароматические гетероциклические соединения с одним гетероатомом: на пять атомов цикла приходится шесть π-электронов (у бензола на шесть атомов цикла – шесть π- электронов), и пиррольный гетероатом оказывает электронодонорное влияние в цикле. π-Недостаточными являются шестичленные ароматические гетероциклические соединения, так как пиридиновый гетероатом в цикле оказывает электроноакцепторное действие.  Второй гетероатом в цикле уменьшает π-избыточность пятичленных и увеличивает π-недостаточность шестичленных гетероциклов.  Это последний момент, который я хотела бы обсудить с Вами на данной Лекции. Химические свойства ароматических гетероциклов мы с Вам будем рассматривать в процессе изучения пятичленных и шестичленных гетероциклов. На следующей Лекции мы с Вами рассмотрим пятичленные и шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом, их строение, химические свойства и биологические функции. ___________________М.С.Околелова, кандидат фарм.наук____________ (воинское/ученое звание, подпись, инициал имени, фамилия автора) «20» февраля 2021 г. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||