Реакции ароматического электрофильного замещения

Для ароматических систем фактически существует один механизм электрофильного замещения - SEAr. Механизм SE1 (по аналогии с механизмом SN1) - встречается крайне редко, а SE2 (соответствующий по аналогии SN2) - не встречается вовсе.

Механизм реакции SEAr или реакции ароматического электрофильного замещения (англ. substitution electrophilic aromatic) является самым распространенным и наиболее важным среди реакций замещения ароматических соединений и состоит из двух стадий. На первом этапе происходит присоединение электрофила, на втором - отщепление электрофуга.

В ходе реакции образуется промежуточный положительно заряженный интермедиат (на рисунке - 2b). Он носит название интермедиат Уэланда, арониевый ион или σ-комплекс. Этот комплекс, как правило, очень реакционноспособен и легко стабилизируется, быстро отщепляя катион. Лимитирующей стадией в подавляющем большинстве реакций SEAr является первый этап.

Скорость реакции = k*[ArX]*[E+]

В качестве атакующей частицы обычно выступают относительно слабые электрофилы, поэтому в большинстве случаев реакция SEAr протекает под действием катализатора - кислоты Льюиса. Чаще других используются AlCl3, FeCl3, FeBr3, ZnCl2.

В этом случае механизм реакции выглядит следующим образом (на примере хлорирования бензола, катализатор FeCl3)[3]:

1.На первом этапе катализатор взаимодействует с атакующей частицей с образованием активного электрофильного агента

На втором этапе, собственно, и реализуется механизм SEAr

53. Гетероциклические соединения (гетероциклы) — органические соединения, содержащие циклы, в состав которых наряду с углеродом входят и атомы других элементов. Могут рассматриваться как карбоциклические соединения с гетерозаместителями (гетероатомами) в цикле. Наиболее разнообразны и хорошо изучены ароматические азотсодержащие гетероциклические соединения. Предельные случаи гетероциклических соединений — соединения, не содержащие атомов углерода в цикле, например, пентазол.

Пиррол — ароматический пятичленный азотистый гетероцикл, обладает слабыми основными свойствами. Содержится в костном масле (которое получают при сухой перегонке костей), а также в каменноугольной смоле. Пиррольные кольца входят в состав порфиринов — хлорофилла растений, гема гемоглобинов и цитохромов и ряда других биологически важных соединений.

Строение и свойства. Пиррол представляет собой бесцветную жидкость, напоминающую по запаху хлороформ, медленно темнеющую при стоянии на воздухе. Он слегка гигроскопичен, немного растворим в воде и хорошо растворим в большинстве органических растворителей. Структуру пиррола предложил в 1870 г. Байер, основываясь на его окислении хромовой кислотой в малеинимид и образовании его при перегонке сукцинимида с цинковой пылью.

Кислотность и металлирование. Пиррол является слабой NH-кислотой (pKa 17,5 в воде) и реагирует с щелочными металлами и их амидами в жидком аммиаке или инертных растворителях с депротонированием по положению 1 и образованием соответствующих солей. Аналогично проходит и реакция с реактивами Гриньяра, при которой образуются N-магниевые соли.N-замещённый пирролы реагируют с бутил- и фениллитием, металлируясь в α-положение.

54. ИНДOЛ (бензо[b]пиррол), мол. м. 117,18; бесцв. кристаллы со слабым запахом нафталина; т. пл. 52,5 °С, т. кип. 254 °С; d456 1,0718; возгоняется при нагр. до 150°С; m 7,03.10-30 Кл.м (бензол, 25 °С); перегоняется с парами воды, диэтилового эфира и NH3; хорошо раств. в орг. р-рителях, горячей воде, жидком NH3. Молекула имеет плоскую конфигурацию.

Индол - слабое основание (рКа —2,4). При протонировании образует катион 3H-индолия (ф-ла I), к-рый при взаимод. с нейтральной молекулой индол дает димер (II). Как слабая к-та (рKа 17), индол с Na в жидком NH3 образует N-натрийиндол, с КОН при 130°С - N-калийиндол. Обладает ароматич. св-вами. Электроф. замещение идет гл. обр. в положение 3. Нитрование обычно осуществляется бензоилнитратом, сульфирование - пиридинсульфотриоксидом, бромирование - диоксандибромидом, хлорирование - SO2Cl2, алкилирование - активными алкилгалогенидами. Ацетилирование в уксусной к-те также идет в положение 3, в присут. CH3COONa - в положение 1; в уксусном ангидриде образуется 1,3-диацетилиндол. Индол легко присоединяется по двойной связи a,b-непредельных кетонов и нитрилов.

Аминометилирование (р-ция Манниха) в мягких условиях протекает в положение 1, в жестких - в положение 3. Замещение в бензольное кольцо (преим. в положения 4 и 6) идет лишь в кислых средах при блокированном положении 3. В присут. Н2О2, надкислот или на свету индол окисляется в индоксил, к-рый затем превращ. в тример или индиго. Более жесткое окисление под действием О3, МnО2 приводит к разрыву пиррольного кольца с образованием 2-формамидобензальдегида. При гидрировании индола водородом в мягких условиях восстанавливается пиррольное кольцо, в более жестких - и бензольное.

Индол содержится в эфирных маслах жасмина и цитрусовых, входит в состав кам.-уг. смолы. Кольцо индола - фрагмент молекул важных прир. соединений (напр., триптофана, серотонина, мелатонина, буфотенина). Обычно индол выделяют из нафталиновой фракции кам.-уг. смолы или получают дегидрированием о-этиланилина с послед. циклизацией образующегося продукта. Индол и его производные синтезируют также циклизацией арилгидразонов карбонильных соед. (р-ция Фишера), взаимод. ариламинов с a-галоген- или a-гидроксикарбонильными соед. (р-ция Бишлера) и др. Ядро индола входит в состав индольных алкалоидов. Сам индол-фиксатор запаха в парфюмерии; его производные используют в произ-ве биологически активных соед. (гормонов, галюциногенов) и лек. ср-в (напр., индопана, индометацина).

55. Имидазол — органическое соединение класса гетероциклов, пятичленный цикл с двумя атомами азота и тремя атомами углерода в цикле, изомерен пиразолу.

Свойства. В незамещенном имидазоле положения 4 и 5 (атомы углерода) равноценны, вследствие таутомерии. Ароматичен, реагирует с солями диазония (сочетание). Нитруется и сульфируется только в кислой среде в положение 4, галогены в щелочной среде вступают по положению 2, в кислой - по положению 4. Легко алкилируется и ацилируется по иминному N, раскрывает цикл при взаимодействии с растворами сильных кислот и пероксидов. Катализирует гидролиз трудноомыляемых сложных эфиров и амидов карбоновых кислот.

На основе имидазола производят большое количество различных ионных жидкостей.

Методы получения. Из орто-фенилендиамина через бензимидазол и 4,5-имидазолдикарбоновую кислоту.

Взаимодействием глиоксаля (щавелевый альдегид) с аммиаком и формальдегидом.

Биологическая роль. Имидазольный цикл входит в состав незаменимой аминокислоты гистидина. Структурный фрагмент гистамина, пуриновых оснований, дибазола.

56. Пиридин — шестичленный ароматический гетероцикл с одним атомом азота, бесцветная жидкость с резким неприятным запахом; смешивается с водой и органическими растворителями. Пиридин — слабое основание, дает соли с сильными минеральными кислотами, легко образует двойные соли и комплексные соединения.

Получение. Основным источником для получения пиридина является каменноугольная смола.

Химические свойства. Пиридин проявляет свойства, характерные для третичных аминов: образует N-оксиды, соли N-алкилпиридиния, способен выступать в качестве сигма-донорного лиганда.

В тоже время пиридин обладает явными ароматическими свойствами. Однако наличие в кольце сопряжения атома азота приводит к серьёзному перераспределению электронной плотности, что приводит к сильному снижению активности пиридина в реациях электрофильного ароматического замещения. В таких реакциях реагируют преимущественно мета-положения кольца.

Для пиридина характерны реакции ароматического нуклеофильного замещения, протекающие преимущественно по орто-пара положениям кольца. Такая реакционная способность свидетельствует о электроннодефицитной природе пиридинового кольца, что может быть обобщено в следующем эмпирическом правиле: реакционная способность пиридина как ароматического соединения примерно соответствует реакционной способности нитробензола.

Применение. Применяют в синтезе красителей, лекарственных веществ, инсектицидов, в аналитической химии, как растворитель многих органических и некоторых неорганических веществ, для денатурирования спирта.

Безопасность. Пиридин токсичен, действует на нервную систему, кожу.

57. Биологическая роль. Никотиновая кислота является производным пиридина. Она всасывается в желудке и двенадцатиперстной кишке, а затем подвергается аминированию, в результате чего получается никотиноамид, который в организме в комплексе с белками образует более 80 ферментов. В этом и заключается основная физиологическая роль витамина B5. Так, никотиновая кислота входит в состав таких важных окислительно-восстановительных ферментов как дегидрогенез, катализирующих отнятие водорода от окисляющихся при этом органических веществ. Отнятый таким образом водород эти ферменты передают далее окислительно-восстановительным ферментам, в состав которых входит рибофлавин. Кроме того, в организме млекопитающих из никотинамида (ниацина) и никотиновой кислоты образуются пиридиновые нуклеотиды, служащие коферментами НАД и НАДФ. Недостаток этих предшественников у животных вызывает пеллагру - заболевание, проявляющееся симптомами со стороны кожи, желудочно-кишечного тракта и нервной системы (дерматит, диарея, деменция). В качестве коферментов НАД и НАДФ предшественники никотиновой кислоты участвуют во многих окислительно-восстановительных реакциях, катализирующих дегидрогеназами. Биологический эффект никотиновой кислоты проявляется в виде стимуляции секреторной функции желудка и пищеварительных желез (в ее присутствии в желудке повышается концентрация свободной соляной кислоты). Под влиянием витамина B5 происходит увеличение биосинтеза гликогена и снижение гипергликемии, повышение детоксицирующей функции печени, расширение кровеносных сосудов, улучшение микроциркуляции крови.

 

Между никотиновой кислотой и серосодержащими аминокислотами существует связь. Повышенное выделение с мочой метилникотинамида при белковой недостаточности нормализуется включением в рацион серосодержащих аминокислот. При этом нормализуется также содержание фосфопиринуклеотидов в печени.

58. Пиримидин (C4N2H4, Pyrimidine, 1,3- или м-диазин, миазин) — гетероциклическое соединение, имеющее плоскую молекулу, простейший представитель 1,3-диазинов.

Физические свойства. Пиримидин — бесцветные кристаллы с характерным запахом.

Химические свойства. Молекулярная масса пиримидина 80,09 г/моль. Пиримидин проявляет свойства слабого двукислотного основания, так как атомы азота могут присоединять протоны за счет донорно-акцепторной связи, приобретая при этом положительный заряд.Реакционная способность в реакциях электрофильного замещения у пиримидина снижена из-за снижения электронной плотности в положениях 2,4,6, вызванного наличием двух атомов азота в цикле. Замещение становится возможным только при наличии электронодонорных заместителей и направляется в наименее дезактивированное положение 5. Однако в противовес этому пиримидин активен по отношению к нуклеофильным реагентам, которые атакуют 2, 4 и 6 атомы углерода в цикле.

Получение. Пиримидин получают восстановлением галогенизированых пиримидиновых производных. Или из 2,4,6-трихлор пиримидина, получаемого обработкой барбитуровой кислоты хлороксидом фосфора.

Производные пиримидина широко распространены в живой природе, где участвуют во многих важных биологических процессах. В частности такие производные как цитозин, тимин, урацил входят в состав нуклеотидов, являющихся структурными единицами нуклеиновых кислот, пиримидиновое ядро входит в состав некоторых витаминов группы B, в частности B1, коферментов и антибиотиков.

59. Пурин (C5N4H4, Purine) — гетероциклическое соединение, простейший представитель имидазо[4,5-d]пиримидинов.

Производные пурина играют важную роль в химии природных соединений (пуриновые основания ДНК и РНК; кофермент NAD; алкалоиды, кофеин, теофиллин и теобромин; токсины, сакситоксин и родственные соединения; мочевая кислота) и, благодаря этому, в фармацевтике.

Аденин — азотистое основание, аминопроизводное пурина (6-аминопурин). Образует две водородных связи с урацилом и тимином (комплементарность).

Физические свойства. Аденин — бесцветные кристаллы, которые плавятся при температуре 360—365 С. Обладает характерным максимумом поглощения (λмакс) при 266 ммк (pH 7) с коэффициентом молярной экстинкции (εмакс) 13500.

Химическая формула С5H5N5, молекулярный вес 135,14 г/моль. Аденин проявляет основные свойства (pKa1=4.15; pKa2=9,8). При взаимодействии с азотной кислотой, аденин теряет аминогруппу, превращаясь в гипоксантин (6-оксипурин). В водных растворах кристаллизуется в кристаллогидрат с тремя молекулами воды.

Растворимость. Хорошо растворим в воде, особенно горячей, с понижением температуры воды, растворимость аденина в ней падает. Плохо растворим в спирте, в хлороформе, эфире, а также в кислотах и щелочах — не растворим.

Распространенность и значение в природе. Аденин входит в состав многих жизненно важных для живых организмов соединений, таких как: аденозин, аденозинфосфотазы, аденозинфосфорные кислоты, нуклеиновые кислоты, адениновые нуклеотиды и др. В виде этих соединений аденин широко распространен в живой природе.

Гуани́н — азотистое основание, аминопроизводное пурина (6-окси-2-аминопурин), является составной частью нуклеиновых кислот. В ДНК, при репликации и транскрипции образует три водородных связи с цитозином (комплементарность). Впервые выделен из гуано.

Физические свойства. Бесцветный, аморфный кристаллический порошок. Температура плавления 365 °C. Раствор гуанина в HCl флуоресцирует. В щелочных и кислых средах имеет по два максимума абсорбции (λмакс) в ультрафиолетовом спектре: при 275 и 248 ммк (pH 2) и 246 и 273 ммк (pH 11).

Химические свойства. Химическая формула — C5H5N5O, молекулярная масса — 151,15 г/моль. Проявляет основные свойства, pKa1= 3,3; pKa2= 9,2; pKa3=12,3. Реагирует с кислотами и щелочами с образованием солей.

Растворимость. Хорошо растворим в кислотах и щелочах, плохо растворим в эфире, спирте, аммиачных и нейтральных растворах, нерастворим в воде.

Качественные реакции. Для определения гуанина его осаждают метафосфорной и пикриновой кислотами, с диазосульфокислотой в растворе Na2CO3 дает красное окрашивание.

Распространение в природе и значение. Входит в состав нуклеиновых кислот.

60. Нуклеозиды — это гликозиламины, содержащие азотистое основание, связанное с сахаром (рибозой или дезоксирибозой).

Нуклеозиды могут быть фосфорилированы киназами клетки по первичной спиртовой группе сахара, при этом образуются соответствующие нуклеотиды.

Нуклеоти́ды — фосфорные эфиры нуклеозидов, нуклеозидфосфаты. Свободные нуклеотиды, в частности АТФ, цАМФ, АДФ, играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов.

Нуклеотиды являются сложными эфирами нуклеозидов и фосфорных кислот. Нуклеозиды, в свою очередь, являются N-гликозидами, содержащими гетероциклический фрагмент, связанный через атом азота с C-1 атомом остатка сахара.

Строение нуклеотидов. В природе наиболее распространены нуклеотиды, являющиеся β-N-гликозидами пуринов или пиримидинов и пентоз - D-рибозы или D-2-рибозы. В зависимости от структуры пентозы различают рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды, которые являются мономерами молекул сложных биологических полимеров (полинуклеотидов) — соответственно РНК или ДНК.[1]

Фосфатный остаток в нуклеотидах обычно образует сложноэфирную связь с 2'-, 3'- или 5'-гидроксильными группами рибонуклеозидов, в случае 2'-дезоксинуклеозидов этерифицируются 3'- или 5'-гидроксильные группы.

Соединения, состоящие из двух нуклеотидовых молекул, называются динуклеотидами, из трёх — тринуклеотидами, из небольшого числа — олигонуклеотидами, а из многих — полинуклеотидами, или нуклеиновыми кислотами.

Названия нуклеотидов представляют собой аббревиатуры в виде стандартных трёх- или четырёхбуквенных кодов.

Если аббревиатура начинается со строчной буквы «д» (англ. d), значит подразумевается дезоксирибонуклеотид; отсутствие буквы «д» означает рибонуклеотид. Если аббревиатура начинается со строчной буквы «ц» (англ. c), значит речь идёт о циклической форме нуклеотида (например, цАМФ).

Первая прописная буква аббревиатуры указывает на конкретное азотистое основание или группу возможных нуклеиновых оснований, вторая буква — на количество остатков фосфорной кислоты в структуре (М — моно-, Д — ди-, Т — три-), а третья прописная буква — всегда буква Ф («-фосфат»; англ. P).

Латинские и русские коды для нуклеиновых оснований:

A — А: Аденин; G — Г: Гуанин; C — Ц: Цитозин; T — Т: Тимин (5-метилурацил), не встречается в РНК, занимает место урацила в ДНК; U — У: Урацил, не встречается в ДНК, занимает место тимина в РНК.