Гетероциклические соединения-1 21. Лекция 21 Гетероциклические соединения Время 45 минут Общая характеристика. Гетероциклическими называют соединения циклического строения, содержащие в цикле не только атомы углерода, но и атомы других элементов гетероатомы.
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
Лекция № 21 Гетероциклические соединения Время – 45 минут Общая характеристика. Гетероциклическими называют соединения циклического строения, содержащие в цикле не только атомы углерода, но и атомы других элементов (гетероатомы. Гетероциклические соединения – самая распространенная группа органических соединений. Они входят в состав многих веществ природного происхождения, таких как нуклеиновые кислоты, хлорофилл, гем крови, алкалоиды, пенициллины, многие витамины. Гетероциклические соединения играют важную роль в процессах метаболизма, обладают высокой биологической активностью. Значительная часть современных лекарственных веществ содержит в своей структуре гетероциклы. Классификация. Для классификации гетероциклических соединений используют следующие признаки. по размеру цикла по типу элемента входящего в состав цикла по числу гетероатомов входящих в цикл по природе и взаимному расположению нескольких гетероатомов по степени насыщенности по числу циклов Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Ароматичность. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом – пиррол, фуран и тиофен - представляют собой плоские пятиугольники с четырьмя атомами углерода и соответствующим гетероатомом – азотом, кислородом или серой. 1 пиррол фуран Sтио фен Ароматический секстет электронов в этих молекулах образуется за счет электронов атомов углерода и неподеленных электронов гетероатомов. Теория резонанса подтверждает ароматический характер фурана, пиррола и тиофена. Пиррол, фуран и тиофен относятся к π-избыточным гетероциклам, так как в них число электронов, образующих ароматическую систему, превышает общее число атомов в цикле соотношение равно 6:5). Поскольку пиррол, фуран и тиофен имеют сходное электронное строение, в их химическом поведении имеется много общего. Химические превращения гетероциклов можно классифицировать следующим образом кислотно-основные превращения с участием гетероатома реакции присоединения реакции замещения реакции замены гетероатома. Основу химии пиррола, тиофена и фурана определяет способность этих соединений с легкостью вступать в реакции электрофильного замещения, преимущественно по α-положению. В сильнокислой среде ароматическая система пиррола и фурана нарушается вследствие протонирования по атомам углерода. Поэтому их относят к ацидофобным соединениям, те. не выдерживающим присутствия кислот. Тиофен, в отличие от пиррола и фурана, устойчив к действию сильных кислот и не относится к ацидофобным гетероциклам. Относительная активность пятичленных гетероциклов в реакциях S E снижается в ряду пиррол > фуран > тиофен > бензол 2 В связи с повышенной чувствительностью пятичленных гетероароматических соединений к сильным кислотам в ряде их реакций электрофильного замещения применяют модифицированные электрофильные реагенты. Пиррол Реакции электрофильного замещения N H 1 2 3 ( ) 4 Окисление Восстановление Реакции с основаниями N H N H O N H O 30% H 2 O 2 100 o C 3-пирролинон-2 4-пирролинон-2 N H N H H 2 P t Z n , H C пирролидин 3-пирролин N H N N a N H N a N H 2 -N H 3 H 2 O -N a O H пирролат натрия N H COCH 3 2-ацетопиррол пиррол сульфоновая кислота N H NO 2 2-нитропиррол N H C l 2-хлорпиррол (CH 3 CO) 2 O эфир 3 Фуран Реакции электрофильного замещения O 1 2 3 ( ) 4 Окисление Восстановление Тиофен Реакции электрофильного замещения S 1 2 3 ( ) 4 5 O [O малеиновый ангидрид O O H 2 , P t тетрагидрофуран O COCH 3 2-ацетофуран фуран сульфоновая кислота O NO 2 нитрофуран O C l 2-хлорфуран (CH 3 CO) 2 O C 5 H 5 NSO 3 CH 3 COONO 2 Cl 2 -40 o C S COCH 3 2 -ацетотиофен S SO 3 H тиофен-2 сульфоновая кислота S NO 2 2-нитротиофен S B r 2-бромтиофен CH 3 COCl SnCl 4 H 2 SO 4 (конц) 0 о С CH 3 COONO 2 10 о С Br 2 CH 3 COOH 4 Циклическая система тиофена, если она не содержит электроннодонорных заместителей, относительно устойчива к действию окислителей и восстановителей. Взаимные каталитические превращения пятичленных гетероароматических соединений. В этих превращениях применяют катализаторы на основе Al 2 O 3 и высокие температуры, 400-500 С. фуран пиррол тиофен Индол. Индол представляет собой конденсированную систему пиррола и бензола, встречающуюся во многих природных соединениях и продуктах их метаболизма 7 3 ( 2 ( 4 5 6 N H 1 Индольная система является структурным фрагментом незаменимой аминокислоты триптофана и продуктов его метаболических превращений – триптамина и серотонина, относящихся к биогенным аминам. триптам ин (R =H серотонин Н H 2 C H C O O H N H N H C H 2 C O O триптофан индо лилуксусная кислота По всем критериям индол относится к ароматическим соединениям. 5 Наличие пиррольного кольца в конденсированной системе приводит к аналогии в химических свойствах индолов и пирролов. Оба гетероцикла проявляют кислотные свойства. Главное различие между индолами и пирролами заключается в том, что в индоле электрофильной атаке легче подвергается положение (атом Сане положение (С, как в пирроле. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Группа пиридина. N 1 2 ( 3 ( 4 ( 5 Пиридин – наиболее типичный представитель ароматических гетероциклов. Производные пиридина широко представлены среди веществ, имеющих важное биологическое значение. 3-Метилпиридин – важный синтетический предшественник пиридин-3-карбоновой никотиновой) кислоты – представителя витаминов В. Амид никотиновой кислоты ( никотинамид ) – структурный компонент коферментов никотинамидадениндинуклеотида НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата ( НАДФ + ). Последний кофермент (один из комплекса витаминов В) входит в состав эритроцитов и принимает участие в важных биохимических процессах. N С H 3 [O ] N пиридин-3-карбоновая кислота (никотиновая) С O O Сам ид никотиновой кислоты (никотинам ид) Молекула пиридина отвечает критериям ароматичности, сформулированным для ароматических углеводородов. В этом отношении пиридин изоэлектронен бензолу. Основные свойства. пиридин + H B r N H B r - + пиридинийбро м ид 6 Реакции с электрофильными реагентами. В молекуле пиридина имеется два реакционных центра, способных принимать атаку электрофильными реагентами атом азота с неподеленной парой электронов электронная система ароматического кольца Присоединение к атому азота. пиридин + C H 3 I N C H 3 I - + N -м етилпиридиний- ио дид Замещение по атомам углерода. Реакции электрофильного замещения протекают преимущественно по β-положению N Реакции с нуклеофильными реагентами. 1 2 0 O C N + N aN H 2 N + 2-ам идо пиридин, 75% -H 2 N H 2 N a H 2 O N N H 2 + N aO H KNO 3 H 2 SO 4 (конц) H 2 SO 4 (конц) 220 о С олеум N NO 2 3-нитропиридин пиридин- сульфоновая кислота N B r 3-бромпиридин 7 Окисление и восстановление. Окисление по атому азота Пиридин легко превращается в кристаллический оксид под действием пероксикислот – пероксибензойной или пероксиуксусной. N O C H 3 C O O H , 6 5 0 С пиридин-N -оксид, или + H 2 O 2 N O N + Восстановление.Полное гидрирование пиридина осуществляется каталитически в мягких условиях. пиперидин, 95% + 3 H 2 P t, 2 0 С , атм . |