Гетероциклы.Классификация и описание свойств

Гетероциклические соединения

Гетероциклическими называются соединения, имеющие в своем составе кольца (циклы), в образовании которых, кроме атомов углерода, принимают участие и атомы других элементов.

Атомы других элементов, помимо атомов углерода, входящие в состав гетероциклов, называются гетероатомами. Наиболее часто встречаются в составе гетероциклов гетероатомы азота (N), кислорода (O) и серы (S).

Классификация гетероциклов

1. по общему числу атомов в цикле: трех-, четырех-, пяти-, шестичленные циклы и др.

2. по природе гетероатома: кислородо-, азото-, серо-, фосфорсодержащие

3. По числу гетероатомов:1,2 и более в цикле

4. По степени насыщенности циклов

5. По количеству циклов

Наибольшее значение имеют пяти и шестичленные гетероциклы, содержащие азот, кислород и серу. Эти циклы образуются наиболее легко и отличаются большой прочностью. Это обусловлено тем, что валентные углы приведенных гетероатомов незначительно отличаются от валентного угла углерода. По степени насыщенности гетероциклические соединения могут быть насыщенными, ненасыщенными и ароматическими. Особо следует выделить гетероциклические соединения, которые по своим свойствам отличаются от всех остальных циклических и ациклических соединений, напоминая своей устойчивостью и реакциями скорее бензол и его производные. Это гетероциклические соединения ароматического характера.

Гетероциклические соединения имеют огромное значение. Многие из них являются основой важных лекарственных препаратов, участвуют в построении некоторых аминокислот, входящих в состав белков. Гетероциклы являются структурными компонентами нуклеиновых кислот, лежат в основе природных окрашенных веществ таких, как хлорофилл, гемоглобин.

Гетероциклические соединения ароматического характера

В гетероциклических соединениях ароматического характера встречаются только следующие гетероатомы: азот, кислород и сера. Они являются единственными элементами, кроме углерода, которые могут образовывать π-связи и, следовательно, участвовать в построении ароматических ядер.

Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Важнейшими пятичленными гетероциклами с одним гетероатомом являются:

Индол (бензпиррол) является примером конденсированного гетероциклического соединения, в состав которого входят бензольное и пиррольное ядра, имеющие общее сочленение.

Производные пиррола широко распространены в природе. Сам же пиррол встречается редко. Он входит в состав каменноугольной смолы и костяного масла. Целый ряд производных пиррола и индола был получен искусственно и занял важное место в промышленном органическом синтезе: красители, лекарственные препараты, пластики. Индол является структурным компонентом незаменимой аминокислоты триптофан.

Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомами

Важнейшим шестичленным гетероциклом с одним гетероатомом азота является пиридин. Наряду с пиридином большое значение имеют конденсированные системы, в которых ядро пиридина сочетается с одним и двумя ядрами бензола. Например, хинолин.

Пятичленные и шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомами

В азотосодержащих гетероциклах два атома азота могут быть расположены в непосредственном соседстве и могут быть разделены одной или двумя группами CH (1,2-, 1,3- и 1,4- расположение).

Пурин – сложная гетероциклическая система, состоящая из двух конденсированных гетероциклов: пиримидина и имидазола.

Критерии ароматичности

1. Плоская циклическая система

2. Замкнутая, сопряженная система, охватывающая все атомы цикла

3. Число электронов, участвующих в сопряжении равно 4n+2, где n=0,1,2,3,… (n- количество циклов)

В гетероциклических соединениях с одним циклом, в сопряжении участвуют 6 электронов

Строение бензола по схеме

Пиридин. Как и в случае бензола, ароматический характер пиридина обусловлен сопряжением шести p-электронов (ароматический секстет) по одному от каждого атома цикла. Атом азота (пиридиновый) связан с двумя соседними атомами углерода sp²-гибридизованными орбиталями аналогично атомам углерода в бензоле. Межатомные расстояния C-C в пиридине равны между собой и практически равны расстояниям C-C в бензольном ядре; расстояния C-N значительно меньше тех же расстояний в несопряженных молекулах. Неподеленная электронная пара на sp²-АО азота не участвует в сопряжении. Именно она и обуславливает основные свойства пиридина.

Пиррол. Ароматический секстет пиррола образуется сочетанием четырех p-элетронов углерода и двух неподеленных электронов азота на p_z-АО с образованием единой π-электронной системы. Атом азота в этом случае называется пиррольным.

Наличие гетероатома приводит к неравномерному распределению электронной плотности. Влияние гетероатома меняется в зависимости от того, один или два p-электрона вносит он в ароматический секстет. Распределение электронной плотности, длины связей и валентные углы в молекулах пиридина и пиррола приведены на рисунке. Так как электроотрицательность азота больше, чем углерода, то в пиридине электронная плотность увеличена у атома азота и понижена у остальных атомов цикла, главным образом у атомов в положениях 2,4 и 6.

Вследствие участия пары неподеленных электронов атома азота пиррола в ароматическом сопряжении гетероатом становится более бедным электронами. CH- группы, находящиеся по соседству с гетероатомом (α-положения), будут значительно богаче электронами и, следовательно, более реакционноспособными в реакциях электрофильного замещения, чем более удаленные CH-группы (β-положения)

Пиримидин содержит два пиридиновых атома азота, а имидазол и пурин – пиррольный и пиридиновый атомы азота. Это определяет кислотно-основные свойства данных соединений.

Пиррол. Бесцветная жидкость, слабо растворима в воде, на воздухе быстро окисляется и темнеет. Получение:

1. Фуран, тиофен и пиррол могут превращаться в друг друга при нагревании до 400-450 в присутствии катализатора Al₂O₃ (цикл Юрьева)

2. Пиррол образуется при пропускании смеси C₂H₂ и NH₃ через нагретый katFe₂O₃

Химические свойства

1. Пиррол проявляет слабокислотные свойства, реагируя со щелочными Me или с очень сильными основаниями при t.

2. Легче чем бензол вступает в реакции замещения. Распределение электронной плотности, обусловленное наличием гетероатома таково, что наиболее реакционноспособными являются альфа-положения по отношению к атому азота.

3. При восстановлении в мягких условиях (Zn+HCl) пиррол превращается в пирролин. Энергичное восстановление (например, гидрирование в присутствии никеля при 200) приводит к образованию тетрагидропиррола (пирролидина).

Основные свойства пиррола практически не проявляются из-за участия неподеленной электронной пары в системе кольцевого сопряжения (пиррольный азот). В ряду пиррол – пирролин – пирролидин, основность растет.

Ядро пиррола и некотрые его производные входят в состав важнейших биологических и биохимических структур. Например. пиррольные циклы входят в состав порфина и гемма. При их разрушении в организме образуются «линейные» тетрапирролы, называемые желчными пигментами (биливердин, билирубин, стеркобилин и т.д.). По соотношению пигментов определяются вид желтухи и причины, вызывающие заболевание (механическая желтуха, вирусный гепатит и т.д.)

Пиридин. Бесцветная жидкость с характерным неприятным запахом, с водой смешивается в любых соотношениях. Получение:

1. Выделение из каменноугольной смолы

2. Синтез из синильной кислоты и ацетилена

Химические свойства

1. Пиридин обладает основными свойствами, т.к. содержит ПИРИДИНОВЫЙ атом азота, в известной степени аналогичный атому азота аминов (электронная пара не участвует в образовании ароматического секстета):

2. Водные раствора пиридина окрашивают лакмус в синий цвет, при действии минеральных кислот образуются кристаллические пиридиниевые соли

3. Пиридин и его гомологи присоединяют галоген алкилы, давая соли пиридиния

4. Пиридин труднее бензола вступает в реакции замещения из-за большей чем у углерода, электроотрицательности атома азота. При этом замещение идет приемущественно по β-положения

5. При каталитическом восстановлении пиридин переходит в пиперидин

6. Пиридин устойчив к действию окислителей. Его гомологи окисляются с образованием гетероциклических карбоновых кислот

7. Горение пиридина

Пиридин и его производные основа многих лекарственных средств. Например – никотиновая кислота и ее амид являются витаминами группы PP.

Нуклеиновые основания

Из ранее изложенного следует, что соединения, содержащие пиридиновый атом азота, обладают основными свойствами (азотистые основания). Производные пиримидина и пурина, входящие в состав нуклеиновых кислот. получили название «нуклеиновые основания».

Кислородные производные азотосодержащих гетероциклов в зависимости от условий могут существовать в различных таутомерных формах, переходящих друг в друга благодаря ЛАКТИМ-ЛАКТАМНОЙ ТАУТОМЕРИИ. Например, для урацила:

Таутомерия – это равновесная динамическая изомерия. Сущность ее заключается во взаимномпревращении изомеров с переносом какой-либо подвижной группы и соответствующем перераспределении электронной плотности.

В пурине, аденине и гуанине происходит миграция водорода между N-7 и N-9. Для гуанина также имеет место лактим-лактамная таутомерия. Оксоформа более устойчива при физиологических значениях pH.