Введение в химию гетероциклических соединений

1.

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный
химико-технологический университет»
Кафедра Технологии тонкого
органического синтеза
Введение в химию
гетероциклических соединений

2.

Гетероциклические соединения – органические вещества,
молекулы которых имеют циклические структуры и
содержат в составе циклов наряду с атомами углерода
атомы других элементов (азота, серы, кислорода и др.).
бензол
пиридин
Атомы других элементов называют гетероатомами (от греч.
héteros – «другой», «иной»). В настоящее время получены
гетероциклические соединения с самыми разнообразными
атомами, но наиболее изучены те, которые содержат азот,
кислород и серу.

3.

Применение и роль гетероциклических соединений
Многочисленные гетероциклические соединения играют
важную роль в биологии, медицине, сельском хозяйстве и
других областях. Они входят в состав важнейших
природных продуктов: красящих веществ крови и растений
(гемина и хлорофилла), нуклеиновых кислот, многих
витаминов, антибиотиков и алкалоидов. Можно без
преувеличения считать, что почти вся фармацевтическая
химия является химией гетероциклических соединений.
Многие яркие красители (индиго, индантрен) также
содержат гетероциклические кольца. В сельском
хозяйстве используются инсектициды, вещества для
ускорения роста, имеющие гетероциклическую природу.

4.

анальгин

5.

В зависимости от числа атомов, образующих гетероциклы,
различают
трех-,
четырех-,
пяти-,
шестичленные
гетероциклические соединения, содержащие один, два и
более гетероатомов, одинаковых или разных. Трех- и
четырехчленные гетероциклические соединения обычно
неустойчивы.
Класс
гетероциклических
соединений
составляют преимущественно пяти- и шестичленные
гетероциклические соединения.

6.

Номенклатура
гетероциклических соединений
ТРИВИАЛЬНАЯ
НОМЕНКЛАТУРА
ЗАМЕНИТЕЛЬНАЯ
НОМЕНКЛАТУРА
СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ
НОМЕНКЛАТУРА
(номенклатура
Ганча — Видмана)

7.

Для
большинства
гетероциклических
соединений
применяются тривиальные названия. При нумерации
положений в кольце гетероатом обычно получает меньший
номер. Иногда для обозначения атомов используют
греческие буквы. Если в конденсированных системах
гетероатом не находится рядом с местом конденсации
циклов, нумерация начинается с ближайшего к месту
конденсации атома, при этом гетероатом приобретает
наименьший номер. Например:
хинолин
изохинолин

8.

Молекулы простейших гетероциклов содержат трехчленные
циклы:
Этиленоксид
(оксиран)
Этиленсульфид
(тииран)
Этиленимин
(азиридин)
Наиболее
широко
распространены
и
изучены
моноциклические пяти- и шестичленные циклы, а также
бициклические (состоящие из гетероциклического кольца и
конденсированного
с
ним
бензольного
или
гетероциклического ядра).
Гетероциклы с одним гетероатомом в кольце:
фуран
тиофен
пиррол
пиридин

9.

Гетероциклы с двумя гетероатомами:
имидазол
оксазол
тиазол
пиримидин
пиразол
Бициклические гетероциклы:
пурин
индол

10.

1. ТРИВИАЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА
N
СH3
«ПИКОЛИН»
Например, метилпиридины имеют тривиальное
название «пиколины» (от лат. picatus —
покрытый дёгтем), поскольку они были выделены
из каменноугольной смолы.
Название «фурфурол» происходит от лат. furfur —
отруби, что также указывает на источник данного
соединения.
N
H
«ПИРРОЛ»
O
CHO
«ФУРФУРОЛ»
«Пиррол»
получил
своё
название
как
характеристику
красного
цвета,
который
приобретает сосновая щепка при погружении в
соляную кислоту (др.-греч. pyr — огонь)

11.

ПРИМЕРЫ ГЕТРОЦИКЛОВ
С «ПРИЗНАННЫМИ» ТРИВИАЛЬНЫМИ НАЗВАНИЯМИ
ПИРРОЛ
ФУРАЗАН
ФУРАН
ТИОФЕН
ПИРИДИН
ПИРИМИДИН
ПИРАЗОЛ
ПИРИДАЗИН
ИМИДАЗОЛ
ИНДОЛ

12.

ПРИМЕРЫ ГЕТРОЦИКЛОВ
С «ПРИЗНАННЫМИ» ТРИВИАЛЬНЫМИ НАЗВАНИЯМИ
ПИРАЗИН
ПИРАН
ХИНОЛИЗИН
ИЗОИНДОЛ
ХИНОЛИН
ИНДАЗОЛ
ХИНАЗОЛИН
ПТЕРИДИН
ПУРИН
4Н - КАРБАЗОЛ

13.

ПРИМЕРЫ ГЕТРОЦИКЛОВ
С «ПРИЗНАННЫМИ» ТРИВИАЛЬНЫМИ НАЗВАНИЯМИ
ФЕНАНТРИДИН
ФЕНОТИАЗИН
АКРИДИН
ФЕНОКСАЗИН
ПЕРИМИДИН
ФЕНАЗИН

14.

2. СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ НОМЕНКЛАТУРА
(НОМЕНКЛАТУРА ГАНЧА - ВИДМАНА)
ПРЕФИКСЫ
Гетероатом Валентность Приставка Гетероатом Валентность Приставка
Фтор (F)
1
фтора-
Мышьяк (As)
3
арса-
Хлор (Cl)
1
хлора-
Сурьма (Sb)
3
стиба-
Бром (Br)
1
брома-
Висмут (Bi)
3
висма-
Иод (I)
1
иода-
Кремний (Si)
4
сила-
Кислород (O)
2
окса-
Германий (Ge)
4
герма-
Сера (S)
2
тиа-
Олово (Sn)
4
станна-
Селен (Se)
2
селена-
Свинец (Pb)
4
плюмба-
Теллур (Te)
2
теллура-
Бор (B)
3
бора-
Азот (N)
3
аза-
Ртуть (Hg)
2
меркура-
Фосфор (P)
3
фосфа-

15.

КОРНИ ДЛЯ СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ НОМЕНКЛАТУРЫ
РАЗМЕР
ЦИКЛА
НЕНАСЫЩЕННЫЙ
ЦИКЛ
НАСЫЩЕННЫЙ
ЦИКЛ
3
4
5
6
7
8
9
10
ирен
ет
ол
ин
епин
оцин
онин
ецин
иран
етан
олан
инан
епан
окан
онан
екан
3
2
1
оксиран
оксетан
оксолан
3Н-индол
2
1
2Н-азол

16.

3. ЗАМЕНИТЕЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА
Заменительная номенклатура рассматривает гетероциклическое
соединение как соответствующее карбоциклическое, в котором
один или несколько атомов углерода замещены на гетероатомы.
При таком рассмотрении гетероцикл получает название данного
карбоцикла с приставками, называющими гетероатомы, и
локантами (номерами), обозначающими их положение. Например,
пиридин по данной номенклатуре называется азабензолом. В
отличие от номенклатуры Ганча — Видмана, локанты по
заменительной
номенклатуре
указываются
перед
каждой
приставкой по отдельности, а не все вместе в начале названия.
Данный тип номенклатуры также используется для составления
названий
гетероциклов
с
положительно
заряженными
гетероатомами. Отличие состоит в том, что приставки типа окса-,
аза-, тиа- заменяются на оксониа-, азониа-, тиониа- и т. д. В
названии эти приставки следуют непосредственно за приставками,
обозначающими незаряженные гетероатомы (оксониа- после окса-,
тиониа- после тиа- и т. д.)

17.

№
ПРАВИЛО
1 Если в соединении есть только один цикл, содержащий атом
азота, то этот цикл является основным.
2
3
Если в обоих циклах отсутствует атом азота, то основным
является цикл, гетероатом которого старше (согласно таблице
приставок из номенклатуры Ганча — Видмана).
Если молекула состоит более чем из двух циклов, то основным
считается компонент содержащий большее число циклов.
4
Если два цикла имеют разный размер, то основным считается
цикл большего размера.
5
Если циклы имеют разное число гетероатомов, то основным
считается цикл, для которого это число больше.
6
Если циклы содержат одинаковое количество гетероатомов, то
основным считается цикл с бо́льшим их разнообразием.
7
Если циклы имеют разные гетероатомы, то цикл с бо́льшим
порядковым номером гетероатомов является основным.
8
Основным считается цикл, у которого гетероатомы имеют
наименьшие локанты - числа (до объединения).
ФОРМУЛА

18.

НАЗВАНИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ
Название цикла, который выбран основным, становится корнем
нового названия, а название побочного цикла — приставкой.
Приставка образуется путём добавления гласной -о к названию
побочного гетероцикла, например, пиразин становится пиразино-.
Существуют исключения, для которых приставка образуется с
сокращением названия:
•изохинолин → изохино-;
•имидазол → имидазо-;
•пиридин → пиридо-;
•тиофен → тиено-;
•фуран → фуро-;
•хинолин → хино-

19.

названия пери-конденсированных
гетероциклических систем
После составления названия конденсированный гетероцикл нумеруется заново
как целое соединение.
Нумерация в молекуле
4H-фуро[2,3-e]-1,2-оксазина

20.

Практическое занятие

21.

ПИРРОЛ
3
1
2
N
H
пиррол
Пиррол
и
простые
алкилпирролы
представ-ляют собой бесцветные
жидкости с относительно
слабым запахом, напоми-нающим запах аммиака.
Они легко окисляются на
воздухе и при хранении
темнеют
в
результате
самопроизвольного
окисления.
21

22.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
H
1. Протонирование
+
N
H
H
H
+H+
рКа=3.8
+
N
H
+H+
N
+
N
H
H
1Н-пирролиевый
катион (нестабилен)
3Н-пирролиевый
катион
2-Н-пирролиевый
катион (стабильный)
2. Нитрование
H H
NO2
AcONO2
AcOH, 100C
+
N
N
H
H
NO2
4:1
N
H
1000C
3. Сульфирование
+
N
H
+
N
_
SO3
N
H
SO3H
22

23.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
4. Галогенирование
4 SO42Cl2
(C2H5) 2O
SO2Cl2
(C2H5) 2O, 00C
N
N
H
H
Cl
Cl
Cl
Cl
N
H
Br
Br
I
00C
Br
H
I
KI , AcOH
C2H5OH , H2O 2
4 Br2, C2H 5OH
N
Cl
N
Br
H
N
I
H
I
N
H
5. Ацилирование
Ac2O 2000C
N
N
H
H
OAc
23

24.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
H3C
CH3
5. Ацилирование
N
H3C
AcOH
кипячение
CH3
AcO
H
2,3,4-триметилпиррол
CH3
CH3
N
H
O2N
Cl3CCOCl
(C2H5) 2O, 200C
N
N
C
H
H
O
CCl3
HNO3, -500C
N
C
H
O
CCl3
NaOCH3
CH3OH , 200C
O2N
NaOCH3
CH3OH , 200C
N
C
H
O
OCH3
24

25.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
6. Конденсация с иминиевыми ионами(аминометилирование)
+ CH2=N +(C2H5)2
_
AcO
N
+ AcOH
CH2NC2H5
N
H
H
α-(N,N-диэтиламинометил)-пиррол
7. Полимиризация
H
6 н HCl
00C, 30 c
N
H
H
+
H H
H
H
+H
H
H
H
N
+
N
H
H
H
N
H
H
H
_ H+
+
H
N
H
H
H
N
H
+
N
N
H
+
полимер
N
H
H
N
H
H
N
H
тример пиррола
2:1 транс:цис
25

26.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
8. Сочетание с солями диазония
N
+ 0
C6H5N2, 0 C
водн. NaOAc , C2H5OH
N
H
N N C6H5
H
+ KOH
высокая
+
температура N+
N
K
H
Реакция с реактивом Гриньяра
NaNH 2
NH3 (ж)
N
H
_
NH3
H2O
CH3MgI
(C2H5) 2O
+ CH4
_
N
N
N
+
Na
H
MgI
26

27.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
9. Реакции с окислителями
H
H
0,3% H 2O2, BaCO 3
1000C
N
N
H
H
H
OH
H
N
O
O
N
H
H
10. Восстановление
H
H
0,3% H 2O2, BaCO 3
1000C
N
N
H
H
H
OH
H
H
O
O
N
H
H2, Pt, AcOH
200C, 1 атм.
N
N
H
Zn, водн. AcOH
200C
N
63%
H
тетрагидропиррол
N
H
N
20%
H
2,5-дигидропиррол
27

28.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ПИРРОЛОВ
1. Из 1,4-дикарбонильного соединения, аммиака или первичных
аминов (синтез Пааля-Кнорра)
H
H
H
H RNH2
_
2H2O
O O
N
R
_
NH3, C6H6
кипячение
H3C
O O
_
H
H3C
CH3
2H2O
_
H H
_
CH
O N OH 3
H2
H3C
N
CH3
H
2,5-диметилпиррол
H3C
HO
N
H
CH3
OH
H3C
HO
H
N
CH3
_

29.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ПИРРОЛОВ
2. Из α-аминокарбонильных соединений и активированных кетонов (синтез
CO2R
Кнорра)
H
H
O
H
H
O
H
H
H
NH2
N
H
CO2C2H5
водн. КОН, 200С
CO2CH3
O
2H2O
эфир
кето-кислоты
_
+
NH2
O
H
H3C
CO2C2H5
H
H
_
α-аминокарбонильное
соединение
H3C
CO2R
2H2O
N
H
COOH H3C
H3C
водн. КОН
кипячение
перегонка
N
N
H
H
4-метилпиррол3-метилпиррол
3-карбоновая кислота
COOH
водн. КОН
кипячение

30.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ПИРРОЛОВ
3. Из α-галогенокарбонильных соединений (синтез Ганча)
H
Cl
H
H
H
COOR
COOR
+
H
O
галоген-кетон
H
Cl
H
H
H
O
H
эфир
β-кетокислоты
_
COOC2H5 NH3 600C
NH3
_
2H2O
_ HCl
Cl
O
O
CH3
H
H3C
_
H
H
COOC2H5
_
O H2N
_
H
H
+
H3C
N
COOC2H5
H
HCl
CH3
H3C
O N
H2
CH3
_
COOC2H5
_ 2H O
2
H3C
N
CH3
H
H
H
4. Из 1,3-дикарбонильных
соединений и эфиров глицина
H
H
O
O +
H2N
_ 2H O
2
COOR
N
H
COOR

31.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ТИОФЕНОВ
2. Из тиодиацетатов и 1,2-дикарбонильных
соединений (синтез Хинсберга)
H
H
H
H
O
O
+
_
HH H
H
S
O
O
H
2H2O
H
S
O
O

32.

ТИОФЕН
3
1
S
2
Тиофен и его простейшие алкилпроизводные
представляют собой устойчивые жидкости, по
температурам кипения и по запаху напоминающие
производные бензола. Они сопровождают бензол
и его производные в продуктах перегонки
каменноугольной смолы.
O
HN
H
биотин
S
(витамин Н)
CH3
NH
N
H
H
S
банминт
(CH2)4COOH
Тиоиндиго – кубовый краситель
красного цвета
N
O
S
S
O

33.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
1. Присоединение по атому серы
_
+
(CH3) 3 BF4
NaPF6, H 2O
CH2Cl2
+
S
S
2H2( Pd)
+
S
_
BF4
CH3
+
S
_
PF6
CH3
_
PF6
CH3
2. Протонирование (реакции замещения по атому углерода)
+ H3O +
S
H + HO
2
+
S
H
полимеризация
+
S
H3PO 4,
900C
H
H
S
1) + H+
2) + тиофен
S
S 3) _ H+
S
S
S

34.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
3. Нитрование
NO2
АсONO2
0
+ 0 C
S
AcOH
+
+
S
NO2
O2N
HNO3
конц
+
O2N
S
6:1
S
NO2
NO2
S
эквивалентные количества
4. Сульфирование
конц. H2SO4
S
SO3H
S
тиофен-2-сульфокислота
5. Галогенирование
CH2O + H+
S
+
+ CH2OH
H
+
CH2OH
+
+ H
CH2OH
S
+ HCl
S
CH2OH
+ H2O
S
CH2Cl

35.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
6. Конденсация, ацилирование, алкилирование
O
O
2
H2SO4
+2
N
изатин
S
S
N
H
H
O
S
O
индофенин
N
H
Реакция Манниха протекает с участием только аммиака
CH2O водн.
0
+ NH4Cl , 60 C
+
+
S
S
1. CH3OH
2. NaOH водн.
CH2NH =CH2
Cl
S
CH2NH2
аминометилтиофен
+
S
CH3
CH2O, (CH3)2 NH, HCl
H2 O
H3C
S
CH2
S
CH3

36.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
7. Восстановление
Na, NH3 (ж)
S
+
S
2-тиолен
S
3-тиолен
Pt/C (MoS2)
S
S
тетрагидротиофен
(тиофан)

37.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ТИОФЕНОВ
1. Из 1,4-дикарбонильных соединений и источника серы
H3C
H3C
H3C
P2S5, 170 0 C
O O
CH3
H3C
H3C
0
CH3
S
H3C
P2S3, 180 C
H3C
O O
ONa
H3C
S

38.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ТИОФЕНОВ
2. Из тиодиацетатов и 1,2-дикарбонильных соединений
(синтез Хинсберга)
H
H
H
H
O
O
+
_
HH H
2H2O
H
S
O
H
H
S
O
O
O
Метод Хинсберга включает две последовательно протекающие
альдольные конденсации 1,2-дикарбонильного соединения с
диэтилтиодиацетатом.
трет _BuOK
Ph трет_
BuOH
Ph
O
O
CH2
HO
CO2C2H5
Ph
O
H5C2O2C CH
+
H5C2O2C C H2
S
Ph
CH2
S
CO2C2H5
H5C2O2C
S
CO2C2H5

39.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ТИОФЕНОВ
3. Из углеводородов (алканов, алкенов)
+
C4H10
4S ,
650
0
700 C
катализатор
S
70
CH3
H2C
CH2
+S , 350
%
CH3
0
C
S
50
%

40.

ФУРАНЫ
3 (
4
5
1
2 (
Фуран(оксол-2,4-диен) — органическое соединение с
формулой C4H4O. Пятичленный гетероцикл с одним
атомом кислорода. Представляет собой бесцветную
жидкость с характерным запахом. Родоначальник
большой группы органических соединений, многие из
которых имеют практическое значение, например
фурфурол, тетрагидрофуран, α-метилфуран (сильван).
HO
O
фуран
O
H2
H
C
C
C
H2
C
CH3
H
HOH2C
CH3
+
Ткип.=1620С
O
O
OH
H
аскорбиновая кислота
(витамин С)
периллен
CHO
O
фурфурол
OH
гетерогенный
катализ
кат. МnО2 440-4600С
O
O
CH2SH
фурфурилтиол
Обычно
соединения,
содержа-щие тиольные группы, обладают
неприятным
запахом,
однако
аромат жареного кофе обусловлен
присутствием в нем фурфурил-тиола, а запах свежеиспеченного
хлеба обусловлен фурфуролом.

41.

ФУРАНЫ
Некоторые производные 5-нитрофурфурола используются в качестве
химикотерапевтических препаратов, например, бактерицидный препарат
нитрофуразон (фурацилин) Один из наиболее коммерчески успешных
медицинских препаратов – ранитидин – используют для лечения язвы
желудка:
O2N
O
C
NNHCONH2
H
нитрофуразон
(фурацилин)
NO2
H2
(CH3)2N
C
O
S
C
H2
C
C
H2
ранитидин
N
H
NHCH3

42.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Фуран является ароматическим соединением с шестью p-электронами
Реакции с электрофильными реагентами
1. Протонирование
H
+ HBr водн.
AcOH ,
H3C
O
CH3
100 0
C
H
H
H
+ OH
OH
+
H3C
O
CH3
H3C
O
H3C
CH3
O O
CH3
2. Нитрование
+
AcONO2
50 C
H
+AcO
H
+
O
O
NO2
σ - комплекс
H
AcO
O
NO2
N
H
AcOH
O
NO2

43.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
3. Сульфирование
+
+
N
O
Cl(CH2)2Cl,
200C 3 дня
HO3S
SO3H
O
_
SO3
4. Галогенирование
Br2
ДМФА 200C
O
+
O
Br2
диоксан
O
O
Br
Br
Br
O
Br

44.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
4. Механизм - бромирование
Br2
СH3OH, 10 C
0
+
O
O
_
_ Br
H3CO
+
O
H
H
H
H3CO
O
OCH3
CH3O
Br
+
H
H
H3CO
_
CH3O
кислотой
_
_ Br
Br
O
H
H
O
H3CO
Нагревание с фенилсульфоновой
2-серосодержащие фураны:
H
+
_
в
OCH3
кислой
среде
дает
2 C6H5SO2H
CH2Cl2 t0C
O
SO2C6H5

45.

5. Ацилирование
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
CH3
CH3
(CH3CO)2O 0
0C
BF3, (CH3)2O
O
O
C
CH3
O
6. Алкилирование
Алкилирование фурана и его производных по Фриделю-Крафтсу обычно не
проводят, так как в присутствии катализатора они полимеризуются и, кроме того,
подвергаются полиалкилированию.
Примеры препаративного использования реакции включают: получение
2,5-ди-трет-бутилфурана
из
фурана
или
фуранкарбоновой
кислоты
и изопропилирование метилфуроата с двойным замещением по положениям
3 и 4.

46.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Реакции с нуклеофильными реагентами
1. Нитрозаместители активируют замещение атома галогена:
Cl
CH2SO2C6H5
ClCH2SO2C6H5
KOH, NH3 (ж)
NO2
O
O
NO2
Фуран играет роль диена и образует аддукты Дильса-Альдера:
H
+
O
O
O
H
H
O
H
O
O
O
O
90
%

47.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СХЕМА ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ГЕТЕРОЦИКЛОВ –
- РЕАКЦИЯ ЮРЬЕВА
NH3
H2S
S
H2O
NH3
N
кат. Al2O3
H
4500C
H2O
H2S
O

48.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ФУРАНОВ
Фурфурол производят из ксилозы, получаемой из пентозанов –
полисахаридов, экстрагируемых из растительного сырья,
например, из кочерыжек кукурузных початков и рисовой
шелухи. При кислотном катализе происходит в конечном счете,
потеря трех молекул воды; реакция проходит с очень хорошим
выходом. При дегидратационной циклизации фруктозы
образуется 5-гидроксиметилфурфурол.
OH
HO
(C5H8O4)n
пентозаны
HO
OH
HO
OH
_
O
OH
ксилоза
_
O
CHO
HO
HO
CHO
H2O
HO
_
HO
HO
HO
_
O
CHO
OH
_
H3O+ 1000C
_ 2H O
2
O
фурфурол
CHO
HO
CHO

49.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ФУРАНОВ
Синтез цикла
+
CO
декарбонилирование
O
O
O
H
O
фурфурол
O
COOH
окисление
CH2OH
реакция Канницаро

50.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ФУРАНОВ
1. Из 1,4-дикарбонильных соединений (синтез Пааля – Кнорра)
H H
H
H
кислота
H
_H O
2
H
O O
O
2. Из γ-гидрокси-α,β-ненасыщенных карбонильных соединений
H
H
H
H
ОКИСЛЕНИЕ:
_
OH O
K2Cr2O7
HOH2C
CH2OH
цис-бут-2-ен-1,4-диол
H2SO4, 900C
H
H2O
O
_
_
H
_
H
O O
H
H+
H
H
O
OH
_
гидроксиальдегид
_
H2O
O

51.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ФУРАНОВ
3. Из α-галогенокарбонильных и 1,3-дикарбонильных соединений
(синтез Фейста- Бенари)
O
O
H
O
H
+
Hal
H
H
H основание
_H O
2
_ HCl
H
H
O
H
O
ЦИКЛИЗАЦИЯ:
O
O
H
H
Hal
H
H
H
O
O
O
OC2H5
CH3
H
водн. NaOH
200C
_H O
2
_ HCl
HO
OC2H5
O
CH3
OC2H5
_
H2O
O
CH3

52.

ХИНОЛИНЫ И ИЗОХИНОЛИНЫ
5
8
4
N
1
5
4
3
3
2
N2
pKa = 4.9
pKa = 5.4
8
1
Хинолин и изохинолин представляют собой стабильные
соединения, хинолин – высококипящая жидкость, изохинолин
– твердое соединение с низкой температурой плавления
(2380С), оба эти соединения обладают сладковатым запахом.
Хинолин и изохинолин были выделены из каменноугольной
смолы.

53.

ХИНОЛИНЫ И ИЗОХИНОЛИНЫ
Хинолиновый фрагмент содержится в некоторых антималярийных
препаратах, например в хлорохине. Ципрофлоксацин – один из широко
используемых антибиотиков, содержащих 4-хинолоновый фрагмент.
Me
HO
HN
N
H
H
CH3O
N
хинин
HO2C
(CH2)3NEt2
NH
CO2H
O
F
Cl
N
хлорохин
O
N
CO2H
O
метоксатин
CO2H
N
N
HN
ципрофлоксацин

54.

ХИНОЛИНЫ И ИЗОХИНОЛИНЫ
Производные хинолина были использованы в качестве первых
фотографических
сенсибилизаторов:
цианиновый
краситель
этиловый красный позволил сделать фотографию чувствительной
не только к голубому, но и к зеленому цвету, и затем в 1904 г. при
появлении пинацинола фотография стала чувствительна к
красному цвету. Впоследствии тысячи сенсибилизирующих
красителей были получены и исследованы, и хинолиновые
красители были заменены на другие, более эффективные.
N
C2H5
+
N
C2H5 _
I
этиловый красный
+
N
C2H5 Cl
пинацианол
_
N
C 2H 5

55.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
1. Присоединение по атому азота
Значения рКа для хинолина и изохинолина равны, что свидетельствует об их
сопоставимой с пиридином основности. Хинолин и изохинолин аналогично
пиридину образуют N-оксиды и четвертичные соли.
2. Протонирование (реакции замещения по атому углерода)
4
5
3
6
+
+
7
8
H
H
N
H
+H+
2
1
обмен по положению С(8)
- H+
+
N
H
+
N
H
-
обмен по положению С(2)

56.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
3. Нитрование
NO2
дым. HNO3
0
конц H2SO4 0 C
N
N
80%
+
N
9:1
NO2
4. Сульфирование
30% SO3
900C
N
0
250 C
54%
N
SO3H
HO3S
N

57.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
5. Галогенирование
Br - Br
HCl,Br2
PhNO2, 800C
N
Br2,AlCl3
0
N
40%
+
N
H
-
Br
H
..
Br
H
75 C
Br
78%
N
Br
Br
H
N
+
N
H
H Br
Br
H
Br
- HBr
H
N

58.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
6. Арилирование и алкилирование
2-CH3C6H4Li
PhNO2
0
(C2H5)2O, 20 C
N
N
Li
2000C
H2O
H
Ar
N
H
H
N
Ar
7. Аминирование и нитрование
45.C
-
N
66.C
NH2
H
KNH2
NH3
-
N+
K
NH2
-
H
N
+
K
.
KMnO4 -66 C
50%
NH2
KMnO4
- 40.C
60%
N
NH2
N
Ar

59.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
7. Аминирование и нитрование
Для хинолинов и изохинолинов возможно также окислительное аминирова-ние, причем
даже в бензольное кольцо при наличии нитрогруппы, активирующей нуклеофильное
присоединение.
NO2
KMnO4
NH3, -33.C
N
H3N
+
NO2
NO2
-
H2N
H
66%
N
N
Введение нитрогруппы в положение 1 изохинолина возможно при действии на него
смеси нитрита калия, диметилсульфоксида и уксусного ангидрида. На ключевой стадии
этого процесса происходит нуклеофильное присоединение нитрит-аниона к
предварительно образовавшейся соли с участием атома азота изохинолина и комплекса
диметилсульфоксид – уксусный ангидрид:
ДМСО, Ас2О
KNO2, HMPA, 20.C
[Me2SOAc]
N
-Me2S
-AcOH
88%
NS(Me)2OAc
H
NO2
N
NO2

60.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
8. Гидроксилирование
NaOH,KOH
.
+H2
204 C
N
70%
-
N+
K
H2O
OH
N
H
-
O K
+
N
H
O
9. Нуклеофильное замещение атома галогена
Для реакций этого типа действует общий принцип – реакционная способность атомов
галогена в бензольных кольцах хинолина и изохинолина в положении С(3) хинолина и
С(4) изохинолина аналогична реакционной способности галогенобензолов.
0
H2O
.
120 C
N
N
Cl
O
C2H5ONa
C2H5OH, 1000C
N
OC2H5

61.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
9. Нуклеофильное замещение атома галогена
Cl
N
MeONa
MeOH
100.C
Cl
60%
N
OMe
MeONa,
Cl MeOH
.
DMSO,100 C
P,HI
AcOH
100.C
60%
N
87%
N
Cl
10. Реакции с восстановителями
Для хинолина и изохинолина возможно восстановление как пиридинового цикла, так и
бензольного кольца.
H2, Pt
H2,Pt
0
MeOH,20.C,1 aтм.
.0
10н. HCl, 20 C,1 aтм.
N
70%
N
87%
N
H

62.

КЛАСС ХИНОЛИНОВ. ТИПЫ.
ОКСИХИНОЛИНЫ И
ОКСИИЗОХИНОЛИНЫ
АМИНОХИНОЛИНЫ И
АМИНОИЗОХИНОЛИНЫ
+
NH
NH
O
1-изохинолон
O
NH2
+
OH
N
H
H2N
NH
CH2COCO2Et
+
NH
АЛКИЛХИНОЛИНЫ И
АЛКИЛИЗОХИНОЛИНЫ
EtONa,EtOH,Et2O
20. 0C 90%
N
+
2Н-3-изохинолинол
(желтый)
(CO2Et)2
N
H
H 2N
NH
3-изохинолинол
(бесцветный)
NH2
_
O
N
+
PhCHO
Ac2O,100. 0C
N
CH3
57%
N
Ph

63.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ХИНОЛИНОВ
1. Из ариламинов и 1,3-дикарбонильных соединений
H
H
H
O
R
+
O
NH2
Синтез Комба
OCH3
+
NH2 O
OCH3
H
R
N
Стадия циклизации представляет собой электро-фильное
замещение с последующей потерей молекулы воды с
образованием ароматических производных хинолина:
OCH3 CH3
CH3
O
_ H O
2
t0C
CH3
конц.H2SO4
OCH3 CH3
OH
H2O
950C
O
N
OCH3 H
CH3
OCH3 CH3
N
OCH3 H
N
CH3
OCH3
CH3

64.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ХИНОЛИНОВ
В этом методе синтеза, родственном синтезу
Комба, в качестве дикарбонильных соединений
используются β-кетоэфиры и в результате
образуются хинолоны.
OC2H5
O
Синтез
Конрада-Лимпаха-Кнорра
OC2H5
200C
O
+
NH2
O
CH3
O
b кетоэфир
2500C
N
CH3
N
H
эфир b аминоакриловой
кислоты
CH3
H
2-метил-4-хинолон
При проведении реакции при более высокой температуре образуется анилид
β-кетокислоты и его дальнейшая циклизация приводит к 2-хинолонам.
CH3
CH3
+
NH2
1400C
O
O
OC2H5
b кетоэфир
CH3
2500C
O
N
O
H
анилид b кетокислоты
N
O
H
4-метил-2-хинолон

65.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ХИНОЛИНОВ
2. Из ариламинов и α,β-ненасыщенных карбонильных соединений
H
H
R
O
+
NH2
Синтез
Скраупа
H
-H2O
H -H2
R
N
Нагревание смеси анилина, концентрированной серной кислоты,
глицерина и мягкого окисляющего агента приводит в результате к
образованию хинолина.
H
H2
H2
C H C
OH
C
OH
H2SO4 конц.
1300С
O
-H2O
CH 2
CH 2
OH
глицерин
акролеин
При использовании замещенных карбонильных компонентов были получены
подтверждения описанного выше механизма
CH3
H3C
O
+
NH2
CH3
ZnCl2, FeCl3
CH2 C H OH t0C
2 5
,
CH2
CH3
H3C
CH3
[O]
O
N
H
H2O
N
H
H 3C
N

66.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ХИНОЛИНОВ
3. Из орто-ацилариламинов и карбонильных соединений
H
C
R
H
O
+
NH2
Синтез
Фридлендера
O
H
C H
C
H
-2H2O
R
N
Конденсация
орто-ацилариламинов
с
кетонами
и
альдегидами
(обязательно
содержащими
α-метиленовую группу), катализируемая как основаниями,
так и кислотами, приводит к образованию хинолинов.
C6H 5
KOH(водн.)
C6H5
C
O
NH2
C2H5OH, 00C
+
H2C
O
C
CH3
N
H2SO4конц.
CH3
(кат)
C2H5
C6H5
CH3
AcOH
0
tC
N
CH3

67.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ИЗОХИНОЛИНОВ
1. Из арилальдегидов и 2,2-диэтоксиэтиламина
H 5C 2O
H
+
R
C
OC2H5
C
CH2
O NH2
R
N
-H2O
-2C2H5OH
H
Синтез
Померанца-Фрича
H5C2O
H
C
H
OC2H5
C
0
H5C2O
Синтез изохинолинов по методу Померанца—Фрича
обычно осуществляют в две стадии. На первой стадии
проводят
конденсацию
арилальдегида
с
2,2-диэтоксиэтиламином с образованием альдимина. На
второй стадии альдимин циклизуют под действием
сильной кислоты.
OC2H5
100 C
CH2
O NH2
-H2O
конц. H2SO4
1000C
N
-C2H5OH
OC2H5
OC2H5
+
N
N
-C2H5OH
N

68.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ИЗОХИНОЛИНОВ
2. Из фенилэтиламидов
Амид,
полученный
при
реакции
2-фенилэтиламина с хлорангидридом или
ангидридом карбоновой кислоты, циклизуется с
потерей молекулы воды с образованием 3,4дигидроизохинолина,
который
легко
дегидрируется при действии палладиевого
катализатора, серы или дифенилдисульфида.
Синтез
Бишлера-Напиральского
CH3COCl
NH2
P4O10
O
Pd/C
0
тетралин , t C
NH
CH3
1000C
N
CH3
1-метил-3,4-дигидроизохинолин
N
CH3
1-метил-изохинолин