Шестичленные гетероароматические соединения

Пиридин. Нахождение пиридина и его гомологов в каменноугольной смоле. Особенности электронного строения, связанные с введением в ядро атома азота. Образование σ-скелета иπ-электронного секстета молекулы. Предельные резонансные структуры, мезоформула, влияние атома азота на распределение электронной плотности в кольце. Пиридин как электронодефицитный гетероцикл. Дипольный момент и его направленность. Молекулярная диаграмма и энергия сопряжения пиридина. Химические свойства. Сравнение реакционной способности в реакциях S_Е пиридина, бензола и пиррола. Дезактивирующее влияние электронной пары азота. Объяснение
β-ориентации замещения резонансной стабилизацией промежуточных
σ-комплексов при 3,5-замещении. Условия проведения реакций нитрования, сульфирования и галогенирования. Причины затруднений в проведении реакций, связанных с использованием катализаторов Фриделя − Крафтса (алкилирование и ацилирование). Нуклеофильное замещение в пиридине – нитрование (реакция А. Е. Чичибабина) и гидроксилирование. Основные свойства пиридина, сопоставление с основными свойствами пиперидина, пиррола и анилина. Реакции гидрирования и N-окисления. Получение N-алкильных четвертичных солей пиридиния и их поведение при нагревании. Важнейшие производные ряда пиридина. Алкильные гомологи и пиридинкарбоновые кислоты. Биологически активные соединения, содержащие кольца пиридина и пиперидина. Витамины РР и В₆, алкалоиды (никотин, анабазин, кониин, атропин).

Гетероциклы с несколькими гетероатомами. Диазины. Пиримидин, особенности его строения. Пиримидиновые основания: урацил (2,6-диоксипиримидин), тимин (5-метил-2,6-диоксипиримидин), цитозин (6-амино-2-оксипиримидин). Лактим-лактамные таутомерные превращения пиримидиновых оснований.

Пурин как ароматическая конденсированная система. Пуриновые основания – продукты гидролиза нуклеиновых кислот: аденин (6-аминопурин) и гуанин (2-амино-6-пурин). Мочевая кислота и ее таутомерные формы. Понятие об алкалоидах (кофеин).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

(ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС)

Введение

Гетероциклические соединения – циклические соединения, содержащие в кольцах не только атомы углерода, но и атомы других элементов.

Установлено, что в образовании циклов могут принимать участие практически все многовалентные атомы, но наибольшее значение имеют гетероциклические соединения, в циклы которых входят атомы O, N, и S.

Все соединения, которые в настоящее время относят к гетероциклическим, можно разделить на предельные, непредельные и ароматические. Мы будем рассматривать только последнюю группу соединений. Само название показывает, что эти соединения в той или иной степени обладают ароматическими свойствами и особым электронным строением. В них сильно выражено взаимодействие электронов циклической структуры и неподеленных пар электронов гетероатомов. Во многом эти гетероароматические соединения аналогичны бензолу. Если в молекуле бензола заменяется одна группировка −СН= на гетероатом, который передает в систему один р -электрон, то мы получаем так называемый пиридиновый тип образования ароматической системы, сохраняющий шестичленный цикл. При этом группировки −СН= в бензольном цикле могут быть заменены на гетероатом неоднократно.

бензол пиридин

бензол пиримидин

Гетероатом может отдавать в систему целиком неподеленную пару электронов, заменяя в структуре бензола группировку =СН−СН=. В этом случае происходит уменьшение размера цикла (пиррольный тип образования ароматической системы).

бензол фуран

бензол имидазол

Введение в цикл гетероатомов приводит к искажению устойчивой ароматической структуры бензола, что связано с природой самих гетероатомов и нарушением симметрии молекулы. В связи с этим циклическая система гетероциклических соединений становится очень подвижной и склонной к ряду специфических превращений, не характерных для бензола. Так, одним из проявлений такой лабильности структуры гетероциклов является склонность их к таутомерным превращениям и реакциям размыкания цикла. Например, гетероциклическое соединение барбитуровая кислота одновременно способна к двум видам таутомерии – кето-енольной и лактим-лактамной:

барбитуровая кислота

Классификация

Наиболее распространены в природе пяти- и шестичленные кислород-, азот- и серусодержащие гетероароматические соединения, которые отличаются друг от друга устойчивостью цикла. Эти соединения подразделяются на группы в зависимости от:

− размера цикла;

− характера гетероатомов;

− количества гетероатомов;

− наличия конденсированных систем, состоящих из одного или нескольких колец бензола и гетероцикла;

− наличия конденсированных систем, состоящих из двух или более гетероциклов.

По размеру цикла и характеру гетероатомов: