Невозможно отобразить презентацию
chemistrySimilar presentations:
Гетероциклические соединения
Гетероциклические соединения Гетероциклическими соединениями называют циклические системы, содержащие гетероатом в цикле – насыщенном, ненасыщенном, ароматическом.
Классификация и номенклатура
• Циклы классифицируют: 1.
По размеру цикла Циклы могут быть разного размера: 3-, 4-членные(малые) 5- 8-членные (нормальные), циклы, содержащие 8-12 атомов, и больше 12 атомов (макроциклы).
• 2.
По характеру гетероатома
• В качестве гетероатома может выступать любой атом, кроме элементов 1 группы и углерода.
Наибольшее значение и распространение в природе имеют гетероциклы, содержащие в качестве гетероатома O ,N, S.
• 3.
По наличию ароматичности:
• а) неароматические
• б) ароматическиеONHOSN
• 4.
По числу гетероатомов и конденсированных циклов:N Номенклатура
• Размер цикла обозначается соответствующим корнем и суффиксом , а природа гетероатома – префиксом.
Наибольшее значение и распространение в природе имеют гетероциклы, содержащие в качестве гетероатома O - (окса-), N - (аза-), S - (тиа).
-;
если гетероатом не один, применяют перед префиксами умножающие приставки ди-, три-, тетра-и т.д.
• Когда в цикле присутствуют разные гетероатомы, они перечисляются в порядке старшинства: O > S > N.
• Степень ненасыщенности гетероцикла выражают суффиксами, которые несколько отличаются в зависимости от того, содержит или не содержит цикл азот.
Корни и суффиксы для моноциклов разных размеров, насыщенных и ненасыщенных приведены на стр.519 (Учебник).
Раз мер Цик ла Ко рень Корень и суффиксы N-содержащие циклыНе содержащие N циклы Ненасыщен ный цикл1 Насыщенный цикл Нена cыщен ный цикл Насыщенный цикл3 -ир- -ирин-иридин-ирин-иран4 -ет- -ет-етидин-ет-етан5 -ол- -ол-олидин-ол-олан6 -ин- -ин пергидро -ин- ан ТрехчленныеONH123123 оксиран этиленоксид азиридин Четырехчленные азетидин оксетан321321NHO4 Пятичленные фуран3213214ONH5O41235NH41235S4123 тиофен пирролидин пиррол тетрагидрофуран Шестичленные При нумерации атомов цикла гетероатом получает 1-номер.NON пиридин пиримидин 4Н-пиран123456 ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.
ПИРРОЛ,ФУРАН,ТИОФЕН пиррол тиофен3214S5NHO4123123 фуран СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Пиррол – при фракционной перегонке каленноугольной смолы.
Тиофен: тиофенSH2S 600oC н-бутан Фуран – из растительного сырья:OHHOOHHO HCl,toOHOH2O фурфурол пентоза Лабораторные способы:
• Из 1,4-дикарбонильных соединений
• Реакция Пааля-Кнорра – нагревание 1,4- дикарбонильного соединения с NH3 или аминомCH3CH3OONH3P2S5P2O5100oCtotoNCH3CH3HSCH3CH3OCH3CH3 2,5-диметилпиррол 2,5-диметилтиофен 2,5-диметилфуран Взаимопревращения фурана, пиррола и тиофена: цикл Юрьева.
Эта реакция может рассматриваться как метод синтеза фурана, пиррола и тиофенаH2 S/Al2O3 , 40%H2 O/Al2O3 , 2%NH3/Al2O3 , 40%H2 O/Al2O3 , 2%H2 S/Al2O3 , 2%NH3/Al2O3 , 2%SNHO Синтез пиррола по Кнорру:
• α- Aминокарбонильное соединение подвергают конденсации с β-кетоэфиром:NH2C2H5OOC COOC2H5OCH3 COOHN COOC2H5CH3CH3C2H5OOCH диэтил -3,5-дим етилпи ррол- 2,4-дик арбокс илатO ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ
• Молекулы всех этих гетероциклов имеют плоское строение.
Ароматический секстет π-электронов образуется за счет 4е атомов С и 2- неподеленных электронных пар гетероатомов, находящихся на негибридизованных pz -орбиталях.
Атомно-орбитальные модели пиррола и фурана:HNO Теория резонанса подтверждает ароматический характер фурана, пиррола и тиофена.NHN Все три гетероарена относятся к числу электроноизбыточных гетероциклов: 6 π-электронов распределены между 5 атомами С.
Эти гетероарены различаются направлением дипольных моментов:OSNHμ= 0,70D μ=0,51 D μ=1,81 DOSNH μ=1,73D μ=1,90 D μ=1,58 D ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Реакции электрофильного ароматического замещенияXEXEHXHE+ EXEHXEH- HXHE- HXE
• Относительная активность гетероареноввSE реакциях: Пиррол > фуран > тиофен Но даже тиофен превосходит бензол по реакц.
способности.
Пиррол > фуран > тиофен
• Пятичленные гетероароматические соединения ацидофобны.
В присутствии сильных кислот они протонируются с нарушение сопряжения π-электронной системы.NHNHNHNH
• Поскольку протонированию подвергается сопряженная π-система пиррола, основность этого соединения оказывается значительно ниже , чем основность любого из аминов, которые протонируются по N-атому.
• Из-за чувствительности к кислотам в рядеSE реакций гетероаренов исп.
спец.
реагенты: Реакции электрофильного замещения пирролаNHCH3COONO2 уксусный ангидрид, пиридинHNO3NHNHNHSO3NO2SO3H осмоление (ацидлфобность) 2-нитропиррол 2-сульфопиррол Реакции электрофильного замещения пирролаNHСH3 Cl,NaOHNHNHNHNC 2,5-диброипиррол 2-пирролкарбальдегид 2-арилазопирролBr2BrNArArN2XOH Реакции электрофильного замещения пирролаNH 1.СH3 MgCl,NHNHNH СOCH3CH3 2-пирролкарбоновая кислота 2-метилпиррол 2-ацетилпиррол 1.СH3 MgCl, COOHСH3 COCl/ZnCl2 2.СO2, 2.СH3I, Реакции электрофильного замещения фуранаOHCH3COONO2 пиридинOSO3NO2SO3H осмоление (ацидлфобность) 2-нитрофуран 2-фурансульфокислота>0oC20oC Реакции электрофильного замещения фуранаСH3 COCl/SnCl4O СOCH3CHOBr 2-бромфуран 2-ацетилфуран 2-фуранкарбальдегид20oCBr2 /диоксан HCON(CH3)2, POCl3 Реакции электрофильного замещения фуранаСH3 COСH3/OHO HgCl 2-трет-бутилфуран 2-(гидроксипропил)лфуран 2-фурилмеркурохлорид20oC HgCl2,C2H5OH(CH3)2CCH2 /ZnCl2OH Реакции электрофильного замещения тиофенаSCH3COOНSNO2SO3H 2-нитротиофен 2-тиофенсульфокислотаHNO3 уксусный ангидридS 3-нитротиофенNO2H2SO4 конц../toBr2SBr 2-бромтиофен Реакции электрофильного замещения тиофенаSCHO COCH3 2-тиофенкарбальдегид 2-ацетилтиофенI2 /MgOSI 2-иодтиофенCH3 COCl/SnCl4 ДМФА,РОСl3
• Пиррол имеет и особые свойства – он проявляет не только основные, но и кислотные свойства, т.е.
является амфотерным соединением.
При действии сильных оснований пиррол образует пирролят –ион.NKNHKOH пирролкалий (пирролят калия) АлкилированиеNK пирролкалий (пирролят калия)CH3ItoNH3CHCH3N- метилпиррол 2-метилпиррол РЕАКЦИИ РАЗРУШЕНИЕМ АРОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
• Способность вступать в реакции 1,4- циклоприсоединения наиболее выражена у фурана и наименее у тиофена, что вполне согласуется с изменением ароматичности этих соединений.
Присоединение по Дильсу-Альдеру COOHXHO2 C CC CO2HXOXO Реакции восстановления
• Гидрирование пиррола, фурана и тиофена протекает с трудом и требует использования сильных восстановителей или жестких условий.XH2SXH2 / Ni илиH2 / MoS2H2 / Ni Zn / CH3 COOH или Li / NH3 или Na / спирт Биологическое значение пиррола Пиррольные ядра образуют основу многих биологически важных пигментов (красящих в-в) – пигментов крови (гемоглобин) и зеленых частей растений (хлорофилл), желчи, витамина В12.
Все эти соединения содержат плоское 16-членное кольцо – ядро порфина.
• Все эти соединения содержат плоское 16-членное кольцо – ядро порфина.NHNH...
• В порфине пиррольные остатки связаны метиновыми мостиками.
• Плоский макроцикл порфина является ароматическим –
• сопряженная система из 26 электронов.
• Ест=840кДж/моль, что свидетельствует о высокой стабильности порфина.
Порфины, входящие в состав природных пигментов имеют заместители в пиррольных ядрах (порфирины).
Порфирины в природе находятся в виде комплексов с ионами металлов.
Комплекс с ионом железа явл-ся основой гемоглобинаN COOHFeCl Гемин Гемоглобин отвечает за обеспечение тканей кислородом Комплекс с ионом магния явл-ся основой хлорофилла.N COOС20H39Mg ХлорофиллOH3 COOCH2 Хлорофилл принимает участие в трансформации солнечной энергии в процессе фотосинтеза.
ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.
ПИРИДИНN432165 пиридинNCH3 2-метилпиридин ( -пиколин)αNCH3NCH3NCH3CH3NCH3CH3CH3 2-метилпиридин ( -пиколин) 2-метилпиридин ( -пиколин)βγ 2,6-диметилпиридин (2,6-лутидин) 2,4,6-триметилпиридин (симм-коллидин) Способы получения
• В промышленных масштабах пиридин и его гомологи получают при коксохимической переработке каменного угля.
Метод синтеза Ганча:CH3CCH2 COOCH3OCH3 CHONH3 метилацетоацетат ацетальдегидNСH3OOCHCH3 COOCH3CH3CH3H диметил-2,4,6-триметил-1,4-дигидро 3,5-пиридиндикарбосиликатHNO3 окисление ароматизацияNСH3OOC COOCH3CH3CH3СH31.2.KOH CaO, toNCH3CH3СH3 2,4,6-триметилпиридин Известны синтезы пиридина на основе ещё более простых реагентов.
2 HCСHHCNtoN пиридин CH3COHNH3H2H2O3toNCH3 ацетальдегид 2-метилпиридин кат.
Физические свойства
• Пиридин представляет собой бесцветную жидкость с т.кип.
115,3оС.
Он обладает характерным неприятным запахом, смешивается во всех отношениях с водой, этанолом, диэтиловым эфиром;
устойчив при хранении.
СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ПИРИДИНА
• Пиридин является шестичленным гетероароматическим аналогом бензола.
Его плоская молекула имеет сопряжённую систему из шести -электронов.
Все атомы цикла находятся в состоянии sp2- гибридизации и вносят по одному -электрону в ароматический секстет.
НЭП атома азота находится вне -сопряженной системы и занимает sp2 –орбиталь, ориентированную в плоскости цикла и имеющую σ-симметрию.
пир идинN Ароматическая делокализация π- электронов в молекуле пиридина иллюстрируется следующим набором резонансных структур:N В большей части этих структур атом азота имеет отрицательный заряд, что соответствует его большей электроотрицательности.
Степень разделения зарядов в молекуле пиридина характеризует сравнительно высокий дипольный момент.
В соответствии с этим пиридин рассматривают как электронодефицитный гетроцикл.Nµ =2,26 D ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Основные и нуклеофильные свойства Поскольку НЭП азота в молекуле пиридина не входит в ароматический секстет, пиридин обнаруживает и основные, и нуклеофильные свойства.
Взаимодействие с кислотами пиридинHXNHX Катион пиридиния
• Как и в случае аминов, основность гетероциклических оснований, в том числе пиридина и пиррола, принято оценивать значениями pKa их сопряженных кислот - pKa (ВН+).NH2OH3ON пиридинpK a ( ) 5,36C5H6N Обратите внимание! Основность пиридина почти на 6 единиц pKa выше основности пиррола - pKa (ВН+) , равной -0,4.
• Пиридин легко алкилируется с образованием N-алкилпиридиниевых солей.
В этой реакции пиридин выступает в качестве нуклеофила.N пиридинCH3INCH3I иодметан N-метилпиридиний- иодид
• Нуклеофильные свойства пиридина подтверждаются и легкостью образования N- ацилпиридиниевых солей.
Такие соли образуются в качестве интермедиатов в реакциях О-ацилирования карбоновых кислот хлорангидридами в присутствии пиридина.
пиридинR1COXNCOR1X N-ацилпиридиниевая сольR
• Вследствие солеобразования пиридиниевое кольцо сильно дезактивируется к электрофильной атаке.
Скорость реакции нитрования соли пиридина по сравнению с пиридином уменьшается в 10-13 раз.
• Пиридин вступает в реакции электрофильного замещения гораздо медленней, чем бензол, напоминая в этом отношении нитробензол.
Активность же пиридиний катиона еще ниже.
Электрофильное ароматическое замещениеNSO3H2ONNO2NBrHBrN пиридин 20%-й олеум230о С, 24чKNO3H2SO4 , 300oCBr2 200-250oC RCOCl или RX AlCl3 реакция не идёт пиридин-3-сульфокислота 3-нитропиридин 3-бромпиридин•SE пиридинах протекает исключительно в β-положения , и только когда эти положения заняты электронодонорными заместителями, вожможна ориентация в α- или γ-положения.
Преимущество атаки в β-положение объясняется строением промежуточных σ-аддуктов.
Только при β-атаке нет резонансных структур с положительным зарадом на N и заряд делокализован между 3 атомами С.
MеханизмSE Атака в положение 2:NEHEHEH неустойчиваяN Атака в положение 4: неустойчивая структураNHENHENHE Атака в положение 3:NHENHENHE резонансно-стабилизированный ион
• Орто и пара ориентирующие заместители, находящиеся в α- или γ-положениях пиридинового кольца, способствуют атаке электрофила в β-положения:N ЭД N-Оксид пиридинаNCH3NCH3OCH3 COOH 30%-й H2O270oC 3-метилпиридин 3-метилпиридин- N-оксидNONONONO Электрофильное замещениеNOHNO3,H2SO4 90oCNONO2 пиридин-N-оксид 4-нитропиридин-N-оксид (90%)
• Замещению подвергается непротонированный N-оксид, реакционная способность которого в 4х10-6 раза ниже бензола.
Интермедиат, образующийся при атаке Е+ в положение 4, резонансно стабилизирован атомом кислорода.
MеханизмSENONO2NOHNO2NONO2HNONO2PCl3, toNNO2 4-нитропиридин- N-оксид 4-нитропиридин POCl3 Дезоксигенирование N-оксида пиридина Нуклеофильное замещение Высокое сродство к электрону способствует особой склонности пиридина к реакциям с нуклеофильными реагентами.
Классическим примером такой реакции является реакция Чичибабина (1914 г.).
В этой реакции пиридин обрабатывают амидом натрия при нагревании в N,N-диметиланилине или толуоле в качестве растворителя.
Реакция ЧичибабинаN NaNH2(C6H5 N(CH3)2)H2Oto NNHNaNNH2 пиридин 2-аминопиридин Механизм реакции Чичибабина
• Стадия 1 – реакция идёт с преимущественной атакой нуклеофила по С2 (С6), поскольку отрицательный заряд в соответствующем -комплексе делокализован с участием электроотрицательного атома азота цикла:NHNH2HNH2HNH2N NaNH2NNa Стадия 2 – на этой стадии элиминирует гидрид-ион с реароматизацией цикла.N NH NaNH2HNH2NNa -NaHNaHH2 2-и 4-аминопиридины способны к таутомерным превращениям (содержание амино-формы в 1000 раз превышает содержание имино-формы)NNH2NNHH амино-форма имино-форма Другие реакции SNOHR KOH,320oC1.C6H5 Li,эфирC6H52.O2 1.RLi,2.O2 2-гидроксипиридин также способен к таутомерииNOHNOH 2-гидроксипиридин2-пиридон 2-гидроксипиридин получается также из 2-аминопиридинаNOHNOH 2-гидроксипиридин 2-пиридонNNH2 2-аминопиридин NaNO2,H Восстановление
• Электронодефицитный характер пиридина проявляет себя и в относительной лёгкости восстановления пиридинового цикла.
Важно, что восстановление гладко проходит не только как гидрирование в присутствии Pt-катализатора, но и при действии натрия в абсолютном спирте.N NHNaC2H5OH пиридин пиперидин ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПИРИДИНА ОкислениеNONCH3CH3N COOHH2O2,CH3COHKMnO4,H2SO4 никотиновая кислота ПИРИМИДИНЫ И ПУРИНЫ Производные пурина и пиримидина входят в состав нуклеиновых кислот пурин пиримидинNHN123456123456789 Пиримидиновые и пуриновые основанияNHNH2O цитозинNHNHO тиминNHNHO урацил аденинNHNNH2NHNHNONH2 гуанин Фрагменты пиримидина и пурина входят в состав других природных соединений.
Кофеин содержиться в чае и кофе.
Теобромин содержится в чае и какао.N кофеин теоброминH3COCH3CH3HNNOCH3CH3O никотинNCH3NHNCH3CO(C2H5)2N
Классификация и номенклатура
• Циклы классифицируют: 1.
По размеру цикла Циклы могут быть разного размера: 3-, 4-членные(малые) 5- 8-членные (нормальные), циклы, содержащие 8-12 атомов, и больше 12 атомов (макроциклы).
• 2.
По характеру гетероатома
• В качестве гетероатома может выступать любой атом, кроме элементов 1 группы и углерода.
Наибольшее значение и распространение в природе имеют гетероциклы, содержащие в качестве гетероатома O ,N, S.
• 3.
По наличию ароматичности:
• а) неароматические
• б) ароматическиеONHOSN
• 4.
По числу гетероатомов и конденсированных циклов:N Номенклатура
• Размер цикла обозначается соответствующим корнем и суффиксом , а природа гетероатома – префиксом.
Наибольшее значение и распространение в природе имеют гетероциклы, содержащие в качестве гетероатома O - (окса-), N - (аза-), S - (тиа).
-;
если гетероатом не один, применяют перед префиксами умножающие приставки ди-, три-, тетра-и т.д.
• Когда в цикле присутствуют разные гетероатомы, они перечисляются в порядке старшинства: O > S > N.
• Степень ненасыщенности гетероцикла выражают суффиксами, которые несколько отличаются в зависимости от того, содержит или не содержит цикл азот.
Корни и суффиксы для моноциклов разных размеров, насыщенных и ненасыщенных приведены на стр.519 (Учебник).
Раз мер Цик ла Ко рень Корень и суффиксы N-содержащие циклыНе содержащие N циклы Ненасыщен ный цикл1 Насыщенный цикл Нена cыщен ный цикл Насыщенный цикл3 -ир- -ирин-иридин-ирин-иран4 -ет- -ет-етидин-ет-етан5 -ол- -ол-олидин-ол-олан6 -ин- -ин пергидро -ин- ан ТрехчленныеONH123123 оксиран этиленоксид азиридин Четырехчленные азетидин оксетан321321NHO4 Пятичленные фуран3213214ONH5O41235NH41235S4123 тиофен пирролидин пиррол тетрагидрофуран Шестичленные При нумерации атомов цикла гетероатом получает 1-номер.NON пиридин пиримидин 4Н-пиран123456 ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.
ПИРРОЛ,ФУРАН,ТИОФЕН пиррол тиофен3214S5NHO4123123 фуран СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Пиррол – при фракционной перегонке каленноугольной смолы.
Тиофен: тиофенSH2S 600oC н-бутан Фуран – из растительного сырья:OHHOOHHO HCl,toOHOH2O фурфурол пентоза Лабораторные способы:
• Из 1,4-дикарбонильных соединений
• Реакция Пааля-Кнорра – нагревание 1,4- дикарбонильного соединения с NH3 или аминомCH3CH3OONH3P2S5P2O5100oCtotoNCH3CH3HSCH3CH3OCH3CH3 2,5-диметилпиррол 2,5-диметилтиофен 2,5-диметилфуран Взаимопревращения фурана, пиррола и тиофена: цикл Юрьева.
Эта реакция может рассматриваться как метод синтеза фурана, пиррола и тиофенаH2 S/Al2O3 , 40%H2 O/Al2O3 , 2%NH3/Al2O3 , 40%H2 O/Al2O3 , 2%H2 S/Al2O3 , 2%NH3/Al2O3 , 2%SNHO Синтез пиррола по Кнорру:
• α- Aминокарбонильное соединение подвергают конденсации с β-кетоэфиром:NH2C2H5OOC COOC2H5OCH3 COOHN COOC2H5CH3CH3C2H5OOCH диэтил -3,5-дим етилпи ррол- 2,4-дик арбокс илатO ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ
• Молекулы всех этих гетероциклов имеют плоское строение.
Ароматический секстет π-электронов образуется за счет 4е атомов С и 2- неподеленных электронных пар гетероатомов, находящихся на негибридизованных pz -орбиталях.
Атомно-орбитальные модели пиррола и фурана:HNO Теория резонанса подтверждает ароматический характер фурана, пиррола и тиофена.NHN Все три гетероарена относятся к числу электроноизбыточных гетероциклов: 6 π-электронов распределены между 5 атомами С.
Эти гетероарены различаются направлением дипольных моментов:OSNHμ= 0,70D μ=0,51 D μ=1,81 DOSNH μ=1,73D μ=1,90 D μ=1,58 D ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Реакции электрофильного ароматического замещенияXEXEHXHE+ EXEHXEH- HXHE- HXE
• Относительная активность гетероареноввSE реакциях: Пиррол > фуран > тиофен Но даже тиофен превосходит бензол по реакц.
способности.
Пиррол > фуран > тиофен
• Пятичленные гетероароматические соединения ацидофобны.
В присутствии сильных кислот они протонируются с нарушение сопряжения π-электронной системы.NHNHNHNH
• Поскольку протонированию подвергается сопряженная π-система пиррола, основность этого соединения оказывается значительно ниже , чем основность любого из аминов, которые протонируются по N-атому.
• Из-за чувствительности к кислотам в рядеSE реакций гетероаренов исп.
спец.
реагенты: Реакции электрофильного замещения пирролаNHCH3COONO2 уксусный ангидрид, пиридинHNO3NHNHNHSO3NO2SO3H осмоление (ацидлфобность) 2-нитропиррол 2-сульфопиррол Реакции электрофильного замещения пирролаNHСH3 Cl,NaOHNHNHNHNC 2,5-диброипиррол 2-пирролкарбальдегид 2-арилазопирролBr2BrNArArN2XOH Реакции электрофильного замещения пирролаNH 1.СH3 MgCl,NHNHNH СOCH3CH3 2-пирролкарбоновая кислота 2-метилпиррол 2-ацетилпиррол 1.СH3 MgCl, COOHСH3 COCl/ZnCl2 2.СO2, 2.СH3I, Реакции электрофильного замещения фуранаOHCH3COONO2 пиридинOSO3NO2SO3H осмоление (ацидлфобность) 2-нитрофуран 2-фурансульфокислота>0oC20oC Реакции электрофильного замещения фуранаСH3 COCl/SnCl4O СOCH3CHOBr 2-бромфуран 2-ацетилфуран 2-фуранкарбальдегид20oCBr2 /диоксан HCON(CH3)2, POCl3 Реакции электрофильного замещения фуранаСH3 COСH3/OHO HgCl 2-трет-бутилфуран 2-(гидроксипропил)лфуран 2-фурилмеркурохлорид20oC HgCl2,C2H5OH(CH3)2CCH2 /ZnCl2OH Реакции электрофильного замещения тиофенаSCH3COOНSNO2SO3H 2-нитротиофен 2-тиофенсульфокислотаHNO3 уксусный ангидридS 3-нитротиофенNO2H2SO4 конц../toBr2SBr 2-бромтиофен Реакции электрофильного замещения тиофенаSCHO COCH3 2-тиофенкарбальдегид 2-ацетилтиофенI2 /MgOSI 2-иодтиофенCH3 COCl/SnCl4 ДМФА,РОСl3
• Пиррол имеет и особые свойства – он проявляет не только основные, но и кислотные свойства, т.е.
является амфотерным соединением.
При действии сильных оснований пиррол образует пирролят –ион.NKNHKOH пирролкалий (пирролят калия) АлкилированиеNK пирролкалий (пирролят калия)CH3ItoNH3CHCH3N- метилпиррол 2-метилпиррол РЕАКЦИИ РАЗРУШЕНИЕМ АРОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
• Способность вступать в реакции 1,4- циклоприсоединения наиболее выражена у фурана и наименее у тиофена, что вполне согласуется с изменением ароматичности этих соединений.
Присоединение по Дильсу-Альдеру COOHXHO2 C CC CO2HXOXO Реакции восстановления
• Гидрирование пиррола, фурана и тиофена протекает с трудом и требует использования сильных восстановителей или жестких условий.XH2SXH2 / Ni илиH2 / MoS2H2 / Ni Zn / CH3 COOH или Li / NH3 или Na / спирт Биологическое значение пиррола Пиррольные ядра образуют основу многих биологически важных пигментов (красящих в-в) – пигментов крови (гемоглобин) и зеленых частей растений (хлорофилл), желчи, витамина В12.
Все эти соединения содержат плоское 16-членное кольцо – ядро порфина.
• Все эти соединения содержат плоское 16-членное кольцо – ядро порфина.NHNH...
• В порфине пиррольные остатки связаны метиновыми мостиками.
• Плоский макроцикл порфина является ароматическим –
• сопряженная система из 26 электронов.
• Ест=840кДж/моль, что свидетельствует о высокой стабильности порфина.
Порфины, входящие в состав природных пигментов имеют заместители в пиррольных ядрах (порфирины).
Порфирины в природе находятся в виде комплексов с ионами металлов.
Комплекс с ионом железа явл-ся основой гемоглобинаN COOHFeCl Гемин Гемоглобин отвечает за обеспечение тканей кислородом Комплекс с ионом магния явл-ся основой хлорофилла.N COOС20H39Mg ХлорофиллOH3 COOCH2 Хлорофилл принимает участие в трансформации солнечной энергии в процессе фотосинтеза.
ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.
ПИРИДИНN432165 пиридинNCH3 2-метилпиридин ( -пиколин)αNCH3NCH3NCH3CH3NCH3CH3CH3 2-метилпиридин ( -пиколин) 2-метилпиридин ( -пиколин)βγ 2,6-диметилпиридин (2,6-лутидин) 2,4,6-триметилпиридин (симм-коллидин) Способы получения
• В промышленных масштабах пиридин и его гомологи получают при коксохимической переработке каменного угля.
Метод синтеза Ганча:CH3CCH2 COOCH3OCH3 CHONH3 метилацетоацетат ацетальдегидNСH3OOCHCH3 COOCH3CH3CH3H диметил-2,4,6-триметил-1,4-дигидро 3,5-пиридиндикарбосиликатHNO3 окисление ароматизацияNСH3OOC COOCH3CH3CH3СH31.2.KOH CaO, toNCH3CH3СH3 2,4,6-триметилпиридин Известны синтезы пиридина на основе ещё более простых реагентов.
2 HCСHHCNtoN пиридин CH3COHNH3H2H2O3toNCH3 ацетальдегид 2-метилпиридин кат.
Физические свойства
• Пиридин представляет собой бесцветную жидкость с т.кип.
115,3оС.
Он обладает характерным неприятным запахом, смешивается во всех отношениях с водой, этанолом, диэтиловым эфиром;
устойчив при хранении.
СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ПИРИДИНА
• Пиридин является шестичленным гетероароматическим аналогом бензола.
Его плоская молекула имеет сопряжённую систему из шести -электронов.
Все атомы цикла находятся в состоянии sp2- гибридизации и вносят по одному -электрону в ароматический секстет.
НЭП атома азота находится вне -сопряженной системы и занимает sp2 –орбиталь, ориентированную в плоскости цикла и имеющую σ-симметрию.
пир идинN Ароматическая делокализация π- электронов в молекуле пиридина иллюстрируется следующим набором резонансных структур:N В большей части этих структур атом азота имеет отрицательный заряд, что соответствует его большей электроотрицательности.
Степень разделения зарядов в молекуле пиридина характеризует сравнительно высокий дипольный момент.
В соответствии с этим пиридин рассматривают как электронодефицитный гетроцикл.Nµ =2,26 D ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Основные и нуклеофильные свойства Поскольку НЭП азота в молекуле пиридина не входит в ароматический секстет, пиридин обнаруживает и основные, и нуклеофильные свойства.
Взаимодействие с кислотами пиридинHXNHX Катион пиридиния
• Как и в случае аминов, основность гетероциклических оснований, в том числе пиридина и пиррола, принято оценивать значениями pKa их сопряженных кислот - pKa (ВН+).NH2OH3ON пиридинpK a ( ) 5,36C5H6N Обратите внимание! Основность пиридина почти на 6 единиц pKa выше основности пиррола - pKa (ВН+) , равной -0,4.
• Пиридин легко алкилируется с образованием N-алкилпиридиниевых солей.
В этой реакции пиридин выступает в качестве нуклеофила.N пиридинCH3INCH3I иодметан N-метилпиридиний- иодид
• Нуклеофильные свойства пиридина подтверждаются и легкостью образования N- ацилпиридиниевых солей.
Такие соли образуются в качестве интермедиатов в реакциях О-ацилирования карбоновых кислот хлорангидридами в присутствии пиридина.
пиридинR1COXNCOR1X N-ацилпиридиниевая сольR
• Вследствие солеобразования пиридиниевое кольцо сильно дезактивируется к электрофильной атаке.
Скорость реакции нитрования соли пиридина по сравнению с пиридином уменьшается в 10-13 раз.
• Пиридин вступает в реакции электрофильного замещения гораздо медленней, чем бензол, напоминая в этом отношении нитробензол.
Активность же пиридиний катиона еще ниже.
Электрофильное ароматическое замещениеNSO3H2ONNO2NBrHBrN пиридин 20%-й олеум230о С, 24чKNO3H2SO4 , 300oCBr2 200-250oC RCOCl или RX AlCl3 реакция не идёт пиридин-3-сульфокислота 3-нитропиридин 3-бромпиридин•SE пиридинах протекает исключительно в β-положения , и только когда эти положения заняты электронодонорными заместителями, вожможна ориентация в α- или γ-положения.
Преимущество атаки в β-положение объясняется строением промежуточных σ-аддуктов.
Только при β-атаке нет резонансных структур с положительным зарадом на N и заряд делокализован между 3 атомами С.
MеханизмSE Атака в положение 2:NEHEHEH неустойчиваяN Атака в положение 4: неустойчивая структураNHENHENHE Атака в положение 3:NHENHENHE резонансно-стабилизированный ион
• Орто и пара ориентирующие заместители, находящиеся в α- или γ-положениях пиридинового кольца, способствуют атаке электрофила в β-положения:N ЭД N-Оксид пиридинаNCH3NCH3OCH3 COOH 30%-й H2O270oC 3-метилпиридин 3-метилпиридин- N-оксидNONONONO Электрофильное замещениеNOHNO3,H2SO4 90oCNONO2 пиридин-N-оксид 4-нитропиридин-N-оксид (90%)
• Замещению подвергается непротонированный N-оксид, реакционная способность которого в 4х10-6 раза ниже бензола.
Интермедиат, образующийся при атаке Е+ в положение 4, резонансно стабилизирован атомом кислорода.
MеханизмSENONO2NOHNO2NONO2HNONO2PCl3, toNNO2 4-нитропиридин- N-оксид 4-нитропиридин POCl3 Дезоксигенирование N-оксида пиридина Нуклеофильное замещение Высокое сродство к электрону способствует особой склонности пиридина к реакциям с нуклеофильными реагентами.
Классическим примером такой реакции является реакция Чичибабина (1914 г.).
В этой реакции пиридин обрабатывают амидом натрия при нагревании в N,N-диметиланилине или толуоле в качестве растворителя.
Реакция ЧичибабинаN NaNH2(C6H5 N(CH3)2)H2Oto NNHNaNNH2 пиридин 2-аминопиридин Механизм реакции Чичибабина
• Стадия 1 – реакция идёт с преимущественной атакой нуклеофила по С2 (С6), поскольку отрицательный заряд в соответствующем -комплексе делокализован с участием электроотрицательного атома азота цикла:NHNH2HNH2HNH2N NaNH2NNa Стадия 2 – на этой стадии элиминирует гидрид-ион с реароматизацией цикла.N NH NaNH2HNH2NNa -NaHNaHH2 2-и 4-аминопиридины способны к таутомерным превращениям (содержание амино-формы в 1000 раз превышает содержание имино-формы)NNH2NNHH амино-форма имино-форма Другие реакции SNOHR KOH,320oC1.C6H5 Li,эфирC6H52.O2 1.RLi,2.O2 2-гидроксипиридин также способен к таутомерииNOHNOH 2-гидроксипиридин2-пиридон 2-гидроксипиридин получается также из 2-аминопиридинаNOHNOH 2-гидроксипиридин 2-пиридонNNH2 2-аминопиридин NaNO2,H Восстановление
• Электронодефицитный характер пиридина проявляет себя и в относительной лёгкости восстановления пиридинового цикла.
Важно, что восстановление гладко проходит не только как гидрирование в присутствии Pt-катализатора, но и при действии натрия в абсолютном спирте.N NHNaC2H5OH пиридин пиперидин ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПИРИДИНА ОкислениеNONCH3CH3N COOHH2O2,CH3COHKMnO4,H2SO4 никотиновая кислота ПИРИМИДИНЫ И ПУРИНЫ Производные пурина и пиримидина входят в состав нуклеиновых кислот пурин пиримидинNHN123456123456789 Пиримидиновые и пуриновые основанияNHNH2O цитозинNHNHO тиминNHNHO урацил аденинNHNNH2NHNHNONH2 гуанин Фрагменты пиримидина и пурина входят в состав других природных соединений.
Кофеин содержиться в чае и кофе.
Теобромин содержится в чае и какао.N кофеин теоброминH3COCH3CH3HNNOCH3CH3O никотинNCH3NHNCH3CO(C2H5)2N