Практикум по орг. химии. Черных.. Практикум по органической химии Учеб пособ для студ вузов IIIIV уровней аккредитации В. П. Черных
 Скачать 18.52 Mb.
|
|
3. Почему при действии азотистой кислоты амидопирин в отличие от ан- типирина окисляется, а не подвергается нитрозированию? III.28. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ. ПИРИДИН И ЕГО ПРОИЗВОДНЫЕ ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ 1. Номенклатура пиридина и его производных. 2. Способы получения пиридина и его гомологов. 3. Физические и химические свойства пиридина: — реакции, протекающие с участием гетероатома; — реакции замещения атомов водорода пиридинового цикла (электрофильное (S E ) и нуклеофильное (S N ) замещения); — восстановление; — окисление. 4. N-Оксид пиридина: строение, отношение к электрофиль- ным и нуклеофильным реагентам. 5. Пиколины: получение, свойства. 6. Гидроксипиридины и аминопиридины: способы получения, таутомерия, химические свойства. 7. Пиридинкарбоновые кислоты: номенклатура, способы по- лучения, химические свойства, важнейшие функциональные про- изводные. 8. Идентификация пиридина и его производных. 9. Отдельные представители, применение. КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ Амино-иминная таутомерия Пиридин Аминопиридины Пиридиния соли Гидроксипиридины Пиридинкарбоновые кислоты N-Оксид пиридина Пиридиновый атом азота Пиколины Пиридоны Пиперидин КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Напишите структурные формулы следующих соединений: 1) ?-пиколин; 2) N-оксид пиридина; 3) пиридиния сульфат; 4) ?-этилпиридин; 5) N-метилпиридиния йодид; 6) N-ацетил- пиридиния хлорид; 7) изоникотиновая кислота; 8) пиридинол-2; 9) пиридон-4; 10) пиридинамин-3; 11) пиперидиния хлорид. 345 2. Назовите приведенные соединения: 3. Напишите схемы получения пиридина из: 1) ацетилена и циановодородной кислоты; 2) соответствующих альдегидов и ам- миака. 4. Охарактеризуйте электронное строение пиридина. Объясните, почему пиридин является ?-дефицитной ароматической системой. 5. Напишите схемы возможных реакций пиридина • со следую- щими реагентами: 1) HBr; 2) конц. H 2 SO 4 , 0 °C; 3) конц. H 2 SO 4 , SO 3 , HgSO 4 , t; 4) KNO 3 , конц. H 2 SO 4 , t; 5) Br 2 (CCl 4 ); 6) Br 2 , SO 3 , t; 7) KMnO 4 (H 2 O); 8) CH 3 COOOH; 9) C 2 H 5 Br; 10) (CH 3 CO) 2 O; 11) CH 3 COCl (AlCl 3 ); 12) KOH (H 2 O); 13) KOH (тв) , t ; 14) NaNH 2 , NH 3(ж) . Назовите продукты 6. Отметьте сходство и различия в химических свойствах бен- зола и пиридина. Объясните, почему пиридин не вступает в реак- цию алкилирования и ацилирования по Фриделю—Крафтсу. 7. Сравните реакционную способность пиррола и пиридина. Объясните различное отношение циклов к действию минеральных кислот. Напишите схемы нитрования, сульфирования, галогени- рования пиррола и пиридина. Назовите продукты. 8. Приведите схему получения N-оксида пиридина. Сравните отношение пиридина и N-оксида пиридина к действию электро- фильных и нуклеофильных реагентов. Напишите схемы нитрова- ния, сульфирования, аминирования, гидроксилирования и аци- лирования N-оксида пиридина. Назовите продукты. 9. Напишите схемы частичного и полного восстановления пи- ридина. Укажите условия. Назовите продукты и объясните причину различий в основности пиридина и пиперидина. 10. Приведите схемы получения ?-, ?- и ?-пиколинов из соот- ветствующих альдегидов и аммиака. Назовите исходные соедине- 346 ния. Объясните, почему ?- и ?-пиколины в отличие от ?-пиколи- на: 1) вступают в реакцию конденсации с альдегидами и кетона- ми; 2) при действии натрия амида образуют металлоорганические соединения. 11. Напишите схемы реакций ?-пиколина со следующими реа- гентами: 1) бензальдегидом в присутствии цинка хлорида при нагревании; 2) натрия амидом с последующим алкилированием йодметаном; 3) хлороводородной кислотой; 4) надуксусной кисло- той; 5) калия перманганатом. Назовите продукты. 12. Приведите схемы получения ?-, ?- и ?-гидроксипиридинов из пиридина. Напишите возможные таутомерные превращения гид- роксипиридинов. 13. Объясните, почему при взаимодействии 3-гидроксипири- дина с железа (III) хлоридом, в отличие от его изомеров, появля- ется более интенсивное пурпурное окрашивание. 14. Напишите схемы взаимодействия ?-, ?- и ?-гидроксипириди- нов со следующими реагентами: 1) KNO 3 , конц. H 2 SO 4 , t ; 2) CH 3 I. Назовите продукты. 15. Приведите схемы получения ?-, ?- и ?-аминопиридинов из пиридина. Напишите возможные таутомерные превращения аминопиридинов. 16. Охарактеризуйте основные центры в молекулах аминопири- динов. Напишите схемы взаимодействия ?-, ?- и ?-аминопириди- нов со следующими реагентами: 1) хлороводородная кислота; 2) йодметан; 3) ацетилхлорид. Назовите продукты. Объясните име- ющиеся различия в направлении реакций. 17. Приведите примеры реакций электрофильного замещения S E в ряду ?-, ?- и ?-аминопиридинов. Назовите продукты. 18. Напишите схемы получения пиридинкарбоновых кислот исходя из соответствующих пиколинов. Приведите реакции, под- тверждающие амфотерный характер пиридинкарбоновых кислот. 19. Расположите приведенные карбоновые кислоты в порядке возрастания кислотности и объясните различие в величинах их рК а (в воде): пиколиновая (1,50), никотиновая (2,07), изоникоти- новая (1,80) и бензойная (4,17) кислоты. 20. Напишите схемы реакций никотиновой кислоты со следую- щими реагентами: 1) HCl; 2) CH 3 I; 3) CH 3 COCl; 4) NaOН (H 2 O); 5) C 2 H 5 OН, Н + ; 6) SOCl 2 ; 7) NH 3 , t; 8) t, OH – . Назовите продукты. 21. Напишите схемы последовательных реакций, позволяющих получить: 1) диэтиламид никотиновой кислоты из соответствую- щего пиколина; 2) изониазид (гидразид изоникотиновой кислоты) из ?-этилпиридина; 3) фтивазид (4-гидрокси-3-метоксибензилиден- гидразид изоникотиновой кислоты) из соответствующей пиридин- карбоновой кислоты. Назовите промежуточные соединения. 22. Напишите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие схемы химических превращений: 347 Назовите продукты. ПРАКТИКУМ Внимание! Опыты выполняют в вытяжном шкафу! Опыт 128. Реакции пиридина В пробирку помещают 2 капли пиридина и 10 капель воды. Ощущают характерный запах пиридина. Наблюдают образование гомогенного раствора, который используют для проведения по- следующих опытов. Пиридин смешивается с водой в любых соот- ношениях, взаимодействуя с ней: 348 А. На полоску красной лакмусовой бумаги наносят с помощью стеклянной палочки каплю водного раствора пиридина и наблю- дают появление синего окрашивания. Водный раствор пиридина имеет щелочную реакцию. Б. В пробирку помещают 2 капли водного раствора пиридина и 1 каплю 1 %-ного раствора железа (III) хлорида. Наблюдают образование буро-коричневого осадка железа (III) гидроксида. Эта реакция подтверждает наличие пиридиния гидроксида в водном растворе пиридина: В. В пробирку помещают 1 каплю водного раствора пиридина и 2 капли насыщенного водного раствора пикриновой кислоты. Содержимое пробирки встряхивают и наблюдают образование желтых игольчатых кристаллов пиридиния пикрата: Полученный кристаллический осадок соли растворим в избыт- ке пиридина. Г. В пробирку помещают 2 капли водного раствора пиридина и 4 капли 10 %-ного раствора танина. Наблюдают образование бе- лого осадка. Опыт 129. Образование четвертичной аммониевой соли пиридина В пробирку помещают по 2 капли пиридина и йодметана. Одно- родная смесь разогревается, желтеет, мутнеет и расслаивается. На- блюдают выделение быстро твердеющего масла: 349 Опыт 130. Образование глутаконового альдегида (реакция Цинце) В пробирку помещают 3 капли пиридина, несколько кристал- лов 2,4-динитрохлорбензола и 3 мл 95 %-ного этанола. Получен- ную смесь кипятят в течение 2—3 мин и охлаждают. В пробирку добавляют 2 капли 10 %-ного раствора натрия гидро- ксида и наблюдают появление красно-бурой окраски малоустой- чивого полиметинового красителя, который в результате гидроли- за превращается в глутаконовый альдегид. Постепенно окраска раствора становится желтой (образование натриевой соли еноль- ной формы глутаконового альдегида): Данная реакция характерна для производных пиридина со сво- бодными ?- и ?ґ-положениями. Опыт 131. Образование тройного комплексного соединения пиридина В пробирку помещают 2 мл 1 %-ного раствора пиридина и 1 каплю 10 %-ного раствора меди (II) сульфата. Наблюдают обра- зование комплексного соединения интенсивно-синего цвета: К полученному окрашенному раствору добавляют 4 капли 20 %-ного раствора аммония роданида и наблюдают появление ярко-зеленого осадка тройного комплексного соединения: 350 Данная реакция используется для доказательства подлинности пиридина и его производных. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ПРАКТИКУМУ 1. Почему водный раствор пиридина изменяет окраску красной лакмусо- вой бумаги? 2. Напишите схему взаимодействия водного раствора пиридина с железа (III) хлоридом. 3. Какие свойства пиридин проявляет в реакции с пикриновой кислотой и йодметаном? Напишите уравнения реакций и назовите продукты. 4. С помощью какой химической реакции можно подтвердить наличие пиридинового цикла со свободными ?- и ?ґ-положениями? 5. Напишите схему образования комплексной соли пиридина, образу- ющейся при взаимодействии с меди (II) сульфатом и последующем добавлении аммония роданида. Можно ли использовать данную ре- акцию для доказательства подлинности пиридина и его производ- ных? III.29. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ. ХИНОЛИН, ИЗОХИНОЛИН, АКРИДИН ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ 1. Номенклатура и электронное строение хинолина, изохино- лина и акридина. 2. Получение хинолина и его производных. Синтез Скраупа и синтез Дёбнера—Миллера. 3. Получение изохинолина. Синтез Бишлера—Напиральского. 4. Синтетические способы получения акридина и его произ- водных. 5. Физические и химические свойства хинолина, изохинолина и акридина: — реакции, протекающие с участием гетероатома; — реакции электрофильного замещения (S E ), особенности их протекания и правила ориентации в хинолиновом и изохинолиновом ядре; — реакции нуклеофильного замещения (S N ); — восстановление; — окисление. 6. Отдельные представители, применение. 351 КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ Азааналоги антрацена N-Оксиды азинов Азааналоги нафталина Синтез Бишлера—Напиральского Акридан Синтез Дёбнера—Миллера Акридин Синтез Скраупа Изохинолин Хинолин КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Напишите структурные формулы следующих соединений: 1) бензо[b]пиридин; 2) бензо[с]пиридин; 3) 8-гидроксихинолин; 4) 8-гидрокси-7-йод-5-хлорхинолин; 5) дибензо[b,е]пиридин; 6) 6,9-диамино-2-этоксиакридин; 7) 9-(4 ?-диэтиламино-1?-метил- бутиламино)-2-метокси-6-хлоракридина дигидрохлорид; 8) 3,6-ди- амино-10-метилакридиния хлорид; 9) 2,3-хинолиндикарбоновая кис- лота. Приведите другие возможные названия указанных соединений. 2. Назовите приведенные соединения: 3. Используя синтез Скраупа, напишите схемы получения сле- дующих соединений: 1) 8-гидроксихинолина; 2) 6-метокси-8-нит- рохинолина; 3) 8-гидрокси-5-нитрохинолина. 4. Напишите схемы реакций, последовательное осуществление которых приводит к превращению: 1) о-аминофенола в хинозол 352 (8-гидроксихинолиния сульфат); 2) 4-метокси-2-нитроанилина в 8-амино-6-метоксихинолин (полупродукт в синтезе плазмоцида и хиноцида — противомалярийных препаратов); 3) 2-(п-гидрокси- фенил)-антраниловой кислоты в этакридина лактат (риванол). Укажите условия протекания реакций. 5. Расположите в ряд по убыванию основности конденсиро- ванные азины, если pK ВН + в воде (20 °С) составляет: пиридина — 5,25; хинолина — 4,94; изохинолина — 5,42; акридина — 1,60. От- вет поясните. 6. Сравните основность приведенных соединений и объясните имеющиеся различия: 1) хинолин (pK ВН + = 4,94) и 4-аминохино- лин (pK ВН + = 8,46); 2) 2-аминохинолин (pK ВН + = 7,37) и 3-амино- хинолин (pK ВН + = 4,95); 3) 2-аминохинолин (pK ВН + = 7,37) и 4-аминохинолин (pK ВН + = 8,46). 7. Обладает ли 8-гидроксихинолин амфотерным характером? Напишите схемы реакций 8-гидроксихинолина с раствором сер- ной кислоты, солями меди (II) и железа (III). Назовите продукты и укажите их применение. 8. Сравните реакционную способность пиррола, пиридина, хинолина и акридина в реакциях электрофильного и нуклеофиль- ного замещения. Какие из указанных реакций наиболее характер- ны для приведенных гетероциклов? Ответ поясните. 9. На примере реакций нитрования и сульфирования объясни- те правила ориентации в хинолиновом и изохинолиновом ядрах. 10. Напишите схемы взаимодействия хинолина со следующими реагентами: 1) хлороводородная кислота; 2) серная кислота (на холоду); 3) йодметан; 4) нитрующая смесь; 5) натрия амид; 6) калия гидроксид. Укажите условия. Назовите продукты. Приве- дите механизмы нитрования и аминирования хинолина. 11. Напишите схему синтеза 8-гидроксихинолина из хинолина. Охарактеризуйте химические свойства полученного продукта. На- пишите химические формулы лекарственных препаратов — про- изводных 8-гидроксихинолина. 12. Напишите схемы реакций изохинолина со следующими ре- агентами: 1) HCl; 2) CH 3 I; 3) CH 3 COCl; 4) конц. H 2 SO 4 (на холоду); 5) конц. H 2 SO 4 , 220 °С; 6) конц. HNO 3 , конц. H 2 SO 4 ; 7) KOH, t ; 8) NaNH 2 , t; 9) CH 3 COOH, H 2 O 2 ; 10) KMnO 4 (OH – ); 11) [H], Ni. Назовите продукты. 13. Приведите схему синтеза акридина на основе: 1) конденса- ции дифениламина с муравьиной кислотой; 2) циклизации N-фенилантраниловой кислоты. Назовите промежуточные про- дукты. 14. Напишите схемы реакций акридина со следующими реаген- тами: 1) ) HCl; 2) CH 3 I; 3) CH 3 COCl; 4) KOH, t ; 5) NaNH 2 , t ; 6) [H], Ni; 7) CH 3 COOH, H 2 O 2 ; 8) KMnO 4 (OH – ); 9) K 2 Cr 2 O 7 (CH 3 COOH). Назовите продукты. 353 15. Объясните, почему в молекуле 9-хлоракридина атом галоге- на подвижен и легко замещается. Напишите схемы реакций 9-хлоракридина со следующими реагентами: 1) NH 3 ; 2) CH 3 OH; 3) H 2 O, t; 4) H 2 , Ni. Назовите продукты. 16. Напишите уравнения реакций, позволяющие осуществить следующие схемы химических превращений: Назовите продукты. ПРАКТИКУМ Внимание! Опыты выполняют в вытяжном шкафу! Опыт 132. Реакции хинолина А. В пробирку помещают 0,5 мл хинолина и 3 мл воды. Содер- жимое пробирки энергично встряхивают. Хинолин малорастворим в холодной воде (6 : 100). После отстаивания водно-хинолиновой смеси тяжелые капли хинолина опускаются на дно пробирки, а водный раствор сливают и используют для проведения опытов. Б. В пробирку помещают 2—3 капли хинолина и по каплям при встряхивании до получения гомогенного раствора добавляют кон- центрированную хлороводородную кислоту: Хинолин при взаимодействии с сильными кислотами образует хорошо растворимые в воде соли. При добавлении в пробирку не- 354 скольких капель 10 %-ного раствора натрия гидроксида наблюда- ют выделение капель хинолина: Для хинолина характерны реакции, аналогичные пиридину (см. опыт 128). Реакции проводят с насыщенным водным раство- ром хинолина. В. С лакмусовой бумагой и железа (III) хлоридом. Основные свой- ства хинолина слабо выражены. Г. Взаимодействие с пикриновой кислотой и раствором танина. Наблюдают образование желтого осадка хинолиния пикрата и бе- лого осадка с танином. Д. Окисление хинолина калия перманганатом в щелочной среде. В пробирку помещают 0,2 мл насыщенного водного раствора хино- лина, по 2 капли 2 %-ного раствора калия перманганата и 5 %-ного раствора натрия карбоната. Содержимое пробирки встряхивают и на- гревают в пламени горелки. Наблюдают обесцвечивание раствора: Опыт 133. Образование четвертичной аммониевой соли хинолина В пробирку помещают по 2 капли хинолина и йодметана. Про- бирку слегка нагревают в пламени горелки. Наблюдают выделение быстро твердеющего желтого масла: Опыт 134. Флуоресценция водных растворов акридина и его про- изводных В пробирку помещают 5 мл 0,2 %-ного раствора этакридина лактата. В проходящем свете наблюдают зеленую флуоресценцию раствора. Сильно разбавленные растворы акридина и его солей имеют фиолетовую флуоресценцию. Цвета флуоресценции замещенных гомологов акридина изменяются от фиолетово-голубого до оран- жевого. Данное свойство используется для установления подлин- ности некоторых лекарственных препаратов акридинового ряда. 355 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ПРАКТИКУМУ 1. Сравните основные свойства пиридина и хинолина. 2. Напишите схемы взаимодействия пиридина и хинолина со следующи- ми реагентами: 1) хлороводородная кислота; 2) йодэтан; 3) пикрино- вая кислота. Укажите реакции, в которых гетероциклы проявляют основные или нуклеофильные свойства. 3. Сравните отношение пиридина, хинолина и их гомологов к действию калия перманганата. Напишите соответствующие уравнения реакций. 4. С какой целью в фармацевтическом анализе используют способность препаратов акридинового ряда флуоресцировать? III.30. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ. ПИРАНЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ 1. Номенклатура и изомерия шестичленных гетероциклов с атомом кислорода. 2. Получение и свойства гетероциклов группы пирана. ?- и ?-пироны. Соли пирилия и их ароматичность. 3. Синтез и химические свойства конденсированных производ- ных пиронов (кумарин, хромон). 4. Важнейшие представители производных хромона (флавон, изофлавон). Понятие о флавоноидах. Применение. КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ Изофлавон ?-Пирон Кумарин Соли пироксония (пирилия) ?-Пиран Флавон ?-Пиран Флавоноиды Пирилий-ион Хромон ?-Пирон КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Напишите структурные формулы следующих соединений: 1) ?-пиран; 2) ?-пирон; 3) 4-метоксипирилия йодид; 4) 4-гидро- ксикумарин; 5) бензо[b]пирон-4; 6) 2-фенилхромон. 2. Назовите приведенные соединения: 356 3. Объясните, почему: 1) пираны неустойчивы, а ?- и ?-пиро- ны являются стабильными структурами; 2) ?-пирон не образует производных по карбонильной группе (оксимов, гидразонов, ос- нований Шиффа); 3) ?-пирон с трудом вступает в реакции присо- единения по месту разрыва двойных углерод-углеродных связей. 4. Напишите схемы взаимодействия ?-пирона со следующими реагентами: 1) HCl (в эфире); 2) NH 3 ; 3) CH 3 I (в эфире). Назови- те продукты. 5. Напишите схему получения кумарина из салицилового аль- дегида. 6. Напишите схемы взаимодействия кумарина со следующими реагентами: 1) изб. NaOH; 2) конц. HNO 3 ; 3) конц. H 2 SO 4 . Назови- те продукты. 7. С какими из нижеприведенных соединений взаимодействует хромон: 1) HCl (в эфире); 2) NaOH: 3) FeCl 3 ; 4) H 2 O? Назовите продукты. 8. Напишите уравнения реакций, позволяющие осуществить следующие схемы химических превращений: Назовите реагенты и продукты. III.31. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ДВУМЯ ГЕТЕРОАТОМАМИ ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ 1. Классификация, номенклатура и изомерия шестичленных гетероциклов с двумя гетероатомами. 2. Способы получения изомерных диазинов и их производных: — синтез пиридазина конденсацией гидразина с 1,4-дикар- бонильными соединениями; — синтез барбитуровой кислоты и ее превращение в пири- мидин; — синтез пиразина конденсацией 1,2-диаминов с 1,2-дикар- бонильными соединениями. 3. Физические и химические свойства пиридазина, пиримиди- на и пиразина: — основные и нуклеофильные свойства; — реакции нуклеофильного замещения (S N ); 357 — активирующее влияние электронодонорных заместителей пиримидинового цикла в реакциях электрофильного за- мещения (S E ); — отношение к действию окислителей и восстановителей. 4. Получение, таутомерия и кислотные свойства барбитуровой кислоты и ее производных. Барбитураты. 5. Свойства пиримидиновых оснований (урацил, тимин, цито- зин). Таутомерные превращения. 6. Фенотиазин: способы получения, физические и химические свойства. 7. Отдельные представители, применение. КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ Барбитураты Пиримидиновые основания Диазины Тимин Пиразин Урацил Пиридазин Фенотиазин Пиримидин Цитозин КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Напишите структурные формулы следующих соединений: 1) 1,2-диазин; 2) 2,4,6-тригидроксипиримидин; 3) N-оксид пиразина; 4) пиперазин; 5) урацил; 6) тимин; 7) цитозин; 8) дибензо[b,e]-4Н-1,4-тиазин; 9) метиленовый синий. 2. Назовите приведенные соединения: 3. Напишите схемы последовательных химических превраще- ний, позволяющих получить: 1) 3,6-диметилпиридазин из гексан- диона-2,5 и гидразина; 2) пиримидин из малонового эфира и мо- чевины; 3) пиразин из этилендиамина и глиоксаля. Назовите про- межуточные продукты. 358 4. Охарактеризуйте электронное строение диазинов. Объясни- те, почему диазины, несмотря на наличие двух основных центров, образуют соли только с одним эквивалентом кислоты. Напишите соответствующее уравнение реакции. 5. Расположите в ряд по убыванию основности 1,2-, 1,3- и 1,4-диазины, если рK ВН + в воде (20 °С) составляет: пиридазина — 2,33; пиримидина — 1,3; пиразина — 0,6. Ответ поясните. 6. Сравните реакционную способность пиримидина и пири- дина в реакциях электрофильного и нуклеофильного замещения (S E , S N ). Объясните имеющиеся различия. Напишите соответствую- щие уравнения реакций. 7. Наличие каких электронодонорных заместителей в молекуле пиримидина способствует протеканию реакций S E ? Напишите схе- мы нитрования 2-амино-4-гидроксипиримидина и бромирования 2-аминопиримидина. Назовите продукты. 8. Приведите схему получения барбитуровой кислоты из ма- лонового эфира и мочевины. Напишите возможные таутомерные превращения барбитуровой кислоты. В структуре наиболее устой- чивой таутомерной формы барбитуровой кислоты укажите груп- пы, обусловливающие кето-енольную и лактам-лактимную тауто- мерию. 9. Напишите схемы и назовите продукты реакций барбитуровой и 5,5-диэтилбарбитуровой кислот с натрия гидроксидом. Назовите продукты. 10. Напишите схемы таутомерных превращений нуклеиновых оснований пиримидинового ряда (урацил, тимин, цитозин). Ука- жите, какая из таутомерных форм преобладает в равновесии. Назо- вите вид таутомерии. 11. Напишите схему получения фенотиазина из бензола и дру- гих необходимых реагентов. Назовите промежуточные продукты. 12. Напишите уравнения реакций, позволяющие осуществить следующие схемы химических превращений: 359 Назовите продукты. ПРАКТИКУМ Опыт 135. Сплавление производных барбитуровой кислоты с нат- рия гидроксидом Внимание! Опыт выполняют в вытяжном шкафу! В ступку помещают лопатку 5,5-диэтилбарбитуровой кислоты (барбитала) и двойное количество кристаллического натрия гид- роксида. Смесь тщательно растирают, переносят в тигель и сплав- ляют. Ощущают характерный запах аммиака. Выделяющиеся пары аммиака окрашивают красную лакмусовую бумагу, смоченную водой, в синий цвет: Полученный сплав растворяют в воде и подкисляют разведен- ной серной кислотой. Наблюдают выделение пузырьков газа угле- рода (IV) оксида и ощущают запах прогорклого масла (свободная диэтилуксусная кислота): Данная реакция подтверждает строение производных барбиту- ровой кислоты как циклических уреидов, которые при сплавле- нии с кристаллическим натрия гидроксидом подвергаются рас- щеплению. 360 Опыт 136. Взаимодействие барбитуратов с раствором натрия гид- роксида В пробирку на кончике шпателя помещают 5,5-диэтилбарбиту- ровую кислоту и 1 мл воды. Содержимое пробирки встряхивают и к полученной суспензии приливают 1 мл 10 %-ного раствора натрия гидроксида. Раствор становится прозрачным, что обуслов- лено образованием водорастворимых моно- и динатриевой солей 5,5-диэтилбарбитуровой кислоты. Динатриевая соль 5,5-диэтилбар- битуровой кислоты в водном растворе гидролизуется. Равновесие в реакции смещено в сторону образования мононатриевой соли 5,5-диэтилбарбитуровой кислоты: Опыт 137. Взаимодействие барбитуратов с серебра нитратом В пробирку на кончике шпателя помещают 5,5-диэтилбарбиту- ровую кислоту и 2 мл 10 %-ного раствора натрия гидроксида. Смесь энергично встряхивают и фильтруют. К полученному фильтрату по каплям прибавляют 2 %-ный раствор серебра нитрата. Наблюдают образование белого осадка моносеребряной соли барбитала, исче- зающего при встряхивании раствора: Растворение однозамещенной серебряной соли 5,5-диэтилбар- битуровой кислоты обусловлено присутствием в растворе моно- натриевой соли и образованием растворимой серебряно-натрие- вой соли 5,5-диэтилбарбитуровой кислоты: 361 При последующем добавлении 2 %-ного раствора серебра нитрата наблюдают выделение белого осадка дисеребряной соли 5,5-диэтилбарбитуровой кислоты, не исчезающего при встря- хивании: Данная реакция является общегрупповой и позволяет подтвер- дить подлинность лекарственных препаратов — производных бар- битуровой кислоты. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ПРАКТИКУМУ 1. Напишите схему реакции, протекающей при сплавлении фенобарби- тала с кристаллическим натрия гидроксидом. 2. Можно ли рассматривать барбитуровую кислоту и ее производные как циклические уреиды? Напишите схему получения барбитала из мало- нового эфира и мочевины. 3. Почему при взаимодействии барбитала с водным раствором натрия гидроксида не удается выделить динатриевую соль? Можно ли исполь- зовать данную реакцию в количественном анализе кислотных форм бар- битуратов? 4. Напишите схему получения дисеребряной соли фенобарбитала. Укажи- те условия реакции. Какое значение имеет данная реакция в фармацев- тическом анализе? III.32. КОНДЕНСИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ГЕТЕРОЦИКЛОВ. СЕМИЧЛЕННЫЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ 1. Классификация и номенклатура конденсированных систем гетероциклов. 2. Способы получения, ароматичность, таутомерия пурина и его гидроксипроизводных (гипоксантина, ксантина, мочевой кислоты). 3. Физические и химические свойства пурина и его гидрокси- производных: — кислотно-основные свойства; — таутомерные превращения (лактам-лактимная и азольная таутомерия); — реакции нуклеофильного замещения (S N ). 362 4. N-Метильные ксантины: источники получения, таутомерия, кислотно-основные свойства, применение. 5. Аминопурины: источники получения и свойства пуриновых оснований (аденин, гуанин). 6. Идентификация пурина и его производных (мурексидная реакция). 7. Птеридин: получение, свойства, производные. 8. Конденсированные гетероциклические системы группы аллоксазина и изоаллоксазина: получение, свойства (отношение к восстановлению). 9. Семичленные азотсодержащие гетероциклы: источники по- лучения, свойства. 10. Отдельные представители, применение. КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Напишите структурные формулы следующих соединений: 1) имидазо[4,5-d]пиримидин; 2) гипоксантин; 3) ксантин; 4) мо- чевая кислота; 5) аденин; 6) гуанин; 7) теофиллин; 8) теобро- мин; 9) кофеин; 10) аллоксазин; 11) мурексид; 12) птеридин; 13) 3Н-азепин. 2. Назовите следующие соединения: Аденин Азепины Аллоксазин Гипоксантин Гуанин Диазепины Изоаллоксазин Конденсированные системы гетероциклов Кофеин Ксантин N-Метильные производные ксантина Мочевая кислота Мурексид Оксепин Птеридин Пуриновые основания Теобромин Теофиллин Ураты 363 3. Напишите схему получения 8-метилпурина из 4,5-диамино- пиримидина (по методу Траубе). 4. Охарактеризуйте электронное строение пурина. Напишите таутомерные формы пурина. 5. Напишите схемы реакций, подтверждающих амфотерный характер пурина. Назовите продукты. 6. Изобразите структурные формулы природных соединений, в состав которых входит пурин. 7. Приведите схемы таутомерных превращений оксопуринов. Назовите таутомерные формы. 8. С помощью каких реакций можно доказать амфотерный характер гипоксантина и ксантина? Напишите соответствующие уравнения реакций. 9. Объясните, почему мочевая кислота — двухосновная, а не трехосновная. Напишите схемы получения кислых и средних солей мочевой кислоты. 10. На примере мочевой кислоты приведите схему мурексидной реакции. Назовите промежуточные продукты. Какое значение име- ет данная реакция в фармации? 11. Напишите схемы реакций, доказывающих наличие в моле- куле мочевой кислоты пиримидинового и имидазольного циклов. Назовите продукты. 12. Приведите уравнения последовательных реакций, позво- ляющих из 2,6,8-трихлорпурина получить: 1) аденин; 2) гу- анин; 3) гипоксантин; 4) ксантин. Назовите промежуточные продукты. 13. Напишите схемы химических превращений, позволяющих превратить: 1) мочевую кислоту в пурин; 2) аденин в гипоксан- тин; 3) 4,5-диаминопиримидин в птеридин. Назовите промежу- точные продукты. 14. Приведите схемы реакций, подтверждающих амфотерный характер N-метильных производных ксантина (теофиллина, тео- бромина). Почему кофеин проявляет только слабые основные свой- ства? 15. Напишите уравнения реакций, позволяющих идентифици- ровать N-метильные производные ксантина. 16. Охарактеризуйте строение и химические свойства птеридина. 17. Приведите таутомерные формы аллоксазина. Напишите схе- му восстановления изоаллоксазина. Назовите продукт. 364 18. Охарактеризуйте строение и химические свойства азепинов и диазепинов. 19. Напишите схемы реакций 1,4-бензодиазепина со следующи- ми реагентами: 1) HCl; 2) H 2 SO 4 ; 3) Br 2 (H 2 O). Назовите продукты. Поясните, за счет какого основного центра в молекуле 1,4-бензо- диазепина протекают реакции солеобразования с кислотами. 20. Напишите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие химические превращения: Назовите реагенты, продукты. ПРАКТИКУМ Опыт 138. Растворимость мочевой кислоты и ее солей в воде В пробирку помещают на кончике шпателя мочевую кислоту и по каплям при встряхивании добавляют воду. После прибавления 10 капель воды отмечают плохую растворимость мочевой кислоты. К полученой взвеси добавляют 1 каплю 10 %-ного раствора натрия гидроксида. Раствор становится прозрачным вследствие образования хорошо растворимой в воде динатриевой соли мочевой кислоты: К полученному раствору добавляют 1 каплю насыщенного рас- твора хлорида аммония и наблюдают образование белого осадка диаммониевой соли кислоты мочевой — аммония урата: 365 Опыт 139. Образование кис- лой натриевой соли мочевой кис- лоты В пробирку помещают 1 мл 5 %-ного раствора динатриевой соли мочевой кислоты (см. опыт 138) и пропускают углерода (IV) оксид из аппарата Киппа (см. рис. 3.16). Через несколько минут наблюдают выделение труднорастворимой кислой мо- нонатриевой соли мочевой кис- лоты. Под микроскопом изучают характерные игольчатые крис- таллы кислого натрия урата: Опыт 140. Мурексидная реакция Внимание! Опыт выполняют в вытяжном шкафу! В фарфоровую чашку помещают несколько кристаллов моче- вой кислоты и 3—4 капли концентрированной азотной кислоты. Полученную смесь осторожно упаривают над пламенем горелки досуха. Образовавшийся розово-красный остаток после остывания смачивают 1—2 каплями 10 %-ного раствора аммиака. Наблюдают появление пурпурно-фиолетовой окраски. Мурексидная реакция является общегрупповой реакцией на пурин и его производные: Рис. 3.16. Прибор для получения углерода (IV) оксида с помощью ап- парата Киппа: 1 - кран регулирования скорости пода- чи углерода (IV) оксида; 2 — воронка с концентрированной хлороводородной кислотой; 3 — кусочки мрамора 366 Опыт 141. Качественная реакция обнаружения N-метилксантинов В три пробирки отдельно помещают по несколько кристаллов кофеина, теобромина, теофиллина и добавляют по 2 капли 10 %-ного раствора натрия гидроксида. Содержимое пробирок встря- хивают в течение 2 мин, а затем в каждую добавляют по 2 капли 5 %-ного раствора кобальта (II) хлорида. В пробирке с кофеином видимых изменений не наблюдают. В случае теобромина появляется быстро исчезающее фиолетовое окрашивание и выделяется серовато-голубой осадок кобальтовой соли. Теофиллин в этих условиях образует кобальтовую соль — бе- лый осадок с розовым оттенком: КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ПРАКТИКУМУ 1. Напишите таутомерные формы мочевой кислоты и схему образования ее кислой и средней солей. 367 2. Объясните, почему углерода (IV) оксид из раствора динатриевой соли мочевой кислоты осаждает мононатриевую соль. Известно, что рК а1 мочевой кислоты (депротонирование атома азота в положении 9) со- ставляет 5,4; рК a2 (депротонирование атома азота в положении 3) — 10,6; рК а (Н 2 СО 3 ) — 6,4. 3. Какое значение имеет мурексидная реакция в фармацевтическом ана- лизе? Напишите схему мурексидной реакции на примере кофеина. 4. Почему кофеин, в отличие от теобромина и теофиллина, не взаимо- действует с кобальта (II) хлоридом? Напишите схемы образования ко- бальтовых солей алкалоидов группы пурина. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ УФ-спектры ароматических гетероциклических соеди- нений с шестью ?-электронами определяются характером гибри- дизации орбиталей. Орбиталь неподеленной электронной пары атома азота пиридина перпендикулярна ?-электронной системе кольца, поэтому их перекрывание минимально и спектр пиридина очень напоминает спектр бензола, несмотря на то что атом азота элект- роотрицательнее атома углерода: ? макс = 195 нм ( ? = 7500), 251 нм ( ? = 2000), 270 нм (? = 450). Напротив, для пятичленного гетероциклического соединения пиррола характерно плоскостное сопряжение электронной пары атома азота с ?-электронами бутадиеновой-1,3 системы; в резуль- тате такого сопряжения образуется необходимый для ароматичнос- ти секстет ?-электронов. Спектр пиррола резко отличается от спектра бензола: ? макс = 210 нм ( ? = 5100), 240 нм (? = 3000). В ИК-спектрах структурно родственных ароматических гетеро- циклических соединений имеются типичные полосы поглощения. Для пятичленных гетероциклов — пиррола, фурана и тиофена — характерны полосы поглощения при 3100 см –1 , обусловленные ва- лентными колебаниями связей С — Н, и при 1610—1515 см –1 — соответствующие валентным колебаниям скелетных связей С — С. Полосы внеплоскостных деформационных колебаний в спектрах фурана и тиофена располагаются при 990—700 см –1 , а в спектре солей пиридиния она сдвигается к 1620 см –1 В химии ароматических гетероциклических соединений инфракрасная спектроскопия применяется главным образом для изучения таутомерных форм. Амино- и гидроксигетероарены могут соответственно существовать и в виде неароматических иминных и кетонных таутомеров. В такой ситуации отдельные полосы погло- щения можно отнести к определенным функциональным группам и оценить соотношение таутомеров. ПМР-спектроскопия позволяет успешно идентифицировать как ароматические гетероциклические соединения, так и их насыщен- ные производные, а также функциональные заместители, содер- жащие протоны. 368 Из анализа ПМР-спектров оксирана, оксетана и тетрагидрофу- рана (рис. 3.17) следует, что характеристичной является не только мультиплетность регистрируемых сигналов алифатических протонов, но и их химический сдвиг. Сигналы протонов, расположенных у ?- углеродных атомов гетероцикла, регистрируют в более слабом поле. Рис.3.17. ПМР-спектры оксирана (а), оксетана (б ) и тетрагидро- фурана (в) На рис. 3.18 представлены ПМР-спектры пиррола, пиразола и имидазола. Характеристичны не только сигналы протонов NH в 369 области 13,0—11,0 м. д., а также мультиплетность и химический сдвиг ароматических протонов. С увеличением числа атомов азота в гетероцикле происходит не только упрощение спектров вследствие уменьшения количества протонов в молекуле, но и смещение их резонансных сигналов в слабое поле (от 6,0—7,0 м. д. у пиррола — к 8,2 м. д. у имидазола). Рис. 3.18. ПМР-спектры пиррола (а), пиразола (б ) и имидазола (в) Задание 1. Укажите характеристические частоты в ИК-спектре 5-нитрофуран-2-карбоновой кислоты (рис. 3.19). 370 Рис. 3.19. ИК-спектр 5-нитрофуран-2-карбоновой кислоты. Задание 2. Укажите в приведенных спектрах теофиллина, тео- бромина и кофеина (рис. 3.20) полосы поглощения, которые ука- зывают на различия в структуре ксантинов: 1) наличие в молекуле теофиллина водородносвязанной NH-группы; 2) отсутствие в мо- лекуле кофеина NH-группы; 3) существование теобромина в кри- сталлическом состоянии в лактимной форме (имеющей лишь одну > C = O-группу). Рис. 3.20. ИК-спектры пуриновых алкалоидов (КВr): а — теобромина; б — теофиллина; в — кофеина 371 Задание 3. На рис. 3.21 приведены ПМР-спектры пиридина, пиримидина и пиридазина. Проанализируйте спектры и сделай- те отнесения наблюдающихся сигналов к соответствующим про- тонам. Рис. 3.21. ПМР-спектры пиридина (а), пиридазина (б ) и пиримидина (в) 372 III.33. АЛКАЛОИДЫ ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ 1. Нахождение в природе и методы выделения алкалоидов. 2. Классификация алкалоидов. 3. Общие, специфические и частные реакции обнаружения ал- калоидов. 4. Отдельные представители: — алкалоиды группы пиридина и пиперидина (никотин, ана- базин, лобелин); — алкалоиды группы хинолина (хинин); — алкалоиды группы изохинолина и фенантренизохиноли- на (папаверин, морфин, кодеин); — алкалоиды группы пурина (кофеин, теобромин, теофил- лин); — алкалоиды группы тропана (атропин, скополамин, кокаин); — алкалоиды группы индола (резерпин, стрихнин). КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ Азотистые основания Реакции специфические Алкалоиды Реакции частные Реакции общие КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ 1. Напишите структурные формулы следующих соединений и приведите их тривиальные названия: 1) 3,7-диметилксантин; 2) 2,6-диоксо-1,3,7-триметилпурин; 3) 3-[2 ??-(N-метилпирроли- дил)]-пиридин; 4) 3-( ?-пиперидил)-пиридин; 5) 6,7-диметокси-1- (3 ?,4?-диметоксибензил)-изохинолин; 6) 6,7-диметокси-1-(3?,4?-ди- метоксибензил)-изохинолин; 7) тропиновый эфир (±)-троповой кис- лоты. 2. Напишите структурные формулы важнейших алкалоидов групп пиридина, пиперидина, хинолина, изохинолина, фенан- тренизохинолина, пурина, тропана и индола. 3. Какие соединения называют алкалоидами? Охарактеризуйте методы их выделения из растительного сырья. |