Быкова А.С. Основы органической химии. Часть 4. Гетероциклы - файл n1.doc

Быкова А.С. Основы органической химии. Часть 4. Гетероциклы
скачать (722.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc723kb.03.12.2012 23:43скачать

n1.doc





Содержание

1. Номенклатура гетероциклов ………………………………………………. 3

2. Пятичленные гетероциклы ………………………………………………… 5

2.1 Строение и свойства ………………………………………….………… 5

2.2 Химические свойства …………………………………………………... 7

2.2.1 Основные свойства ………………………………………………. 7

2.2.2. Кислотные свойства ……………………………………………... 8

2.2.3 Реакции электрофильного замещения …………………………... 9

2.2.4 Реакции взаимного обмена гетероатомов (цикл Юрьева) ……. 12

2.2.5 Восстановление ………………………………………………….. 13

2.2.6 Окисление ………………………………………………………... 14

2.2.7 Специфические реакции ………………………………………… 14

2.3 Методы получения …………………………………………………….. 15

2.4 Свойства и применение важнейших пятичленных гетероциклов ….. 16

3. Шестичленные гетероциклы ……………………………………………… 22

3.1 Строение пиридина …………………………………………………….. 22

3.2 Химические свойства пиридина ………………………………………. 23

3.3 Методы получения пиридина и его производных …………………… 27

3.4 Производные пиридина ………………………………………………… 27

3.5 Пиримидин и пурин ……………………………………………………. 30

3.5.1 Пиримидиновые основания ……………………………………… 31

3.5.2 Пуриновые основания ……………………………………………. 33

4. Нуклеиновые кислоты ……………………………..……………………… 33

4.1 Ди- и полинуклеотиды ………………………………………………… 34

4.2 ДНК ……………………………………………………………………... 35

Заключение …………………………………………………………………….. 37
23. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Гетероциклические соединения - это органические вещества, содержащие в своих молекулах циклы, в образовании которых кроме атомов углерода участвуют атомы других элементов (гетероатомы)

Наиболее распространены гетероциклы, в состав которых входят атомы азота, кислорода или серы. Примером кислородсодержащих гетероциклических соединений когут быть циклические формы моносахаридов (глюкозы, рибозы и т.п.), которые рассмотрены ранее.

Некоторые азотсодержащие гетероциклы играют важную роль в природе.



Гетероциклы классифицируют в зависимости от размеров цикла. Наиболее важными являются пяти- и шестичленные гетероциклы.


  1. Номенклатура гетероциклов


Номенклатура гетероциклических соединений достаточно сложна.

По рациональной номенклатуре положение заместителей обозначают буквами греческого алфавита или цифрами. Нумерацию атомов начинают с гетероатома таким образом, чтобы все заместители получили наименьшие номера.



Современная номенклатура отображает размер цикла, его ненасыщенность, количество и природу гетероатомов а также их взаимное расположение.

В соответствии с номенклатурой ИЮПАК название гетероцикла состоит из трех частей.
Префикс + Корень + Суффикс


Префикс (один или несколько) обозначает природу гетероатома: окса - кислород, тиа - сера, аза - азот.

окса – О; тиа – S; аза – N

(перед гласной буквой «а» опускается)
Количество гетероатомов обозначается множителями: ди-, три-, тетра-… Например, префикс диокса- обозначает, что в состав молекулы входят два атома кислорода.

Корень названия обозначает размер цикла: ир - трехатомный, ет четырехтомный, олпятиатомный, ин - шестиатомный.

Суффикс обозначает степень ненасыщенности гетероцикла и зависит от природы гетероатома (суффиксы азотсодержащих гетероциклов отличаются от других). Ненасыщенные гетероциклические системы имеют суффикс -ин, насыщенные без атома азота имеют суффикс - ан, насыщенные гетероциклы с атомом азота имеют суффикс -идин.


Размер цикла

Корень

Циклы, не содержащие азот

Циклы, содержащие азот

Насыщенные

Ненасыщеные*

Насыщенные

Ненасыщенные*

3
4
5
6

-ир-
-ет-
-ол-
-ин-


Окс-ир-ан

Ти- ир- ан

Окс-ет-ан

Ти-ет-ан

Окс-ол-ан

Ти-ол-ан

Окс-ан-

Ти-ан

Окс-ир-ен
Окс-ет-ен
Окс-ол-
Окс-ин

Аз-ир-идин
Аз-ет-идин
Аз-ол-идин
**)

пергидроазин

Аз-ир-ин
Аз-ет
Аз-ол
Аз-ин

*) содержат максимальное количество несопряженных двойных связей

**) к названию соответствующего насыщенного префикс пергидро-



пиррол (азол) тиофен (тиол) фуран (оксол) пиридин (азин)





Номенклатура конденсированных гетероциклических соединений очень сложная, поэтому на практике в основном используют тривиальные названия



2. Пятичленные ароматические гетероциклы
2.1 Строение и свойства

Простейшими пятичленными гетероциклами являются:

пиррол тиофен фуран

На первый взгляд может показаться, что это диены, для которых характерны реакции присоединения, а по гетероатому они должны проявлять свойства вторичного амина, сульфида и простого эфира, соответственно. Однако, на самом деле эти соединения очень активны в реакциях электрофильного замещения (нитрование, сульфирование, галогенирование, алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу) подобно ароматическим соединениям.

Гетероатомы имеют неподеленные электронные пары (свободные р-электроны), которые сопряжены с -электронами двойных связей (-эффект гетероатома), вследствие чего образуется замкнутая общая 6-электронная орбиталь, что и обусловливает ароматичность этих соединений (правило Хюккеля).

Однако, в отличие от бензола, у которого -электронная плотность равномерно распределена по углеродному кольцу, -электронная плотность гетероциклов увеличена на -углеродных атомах, что является результатом двух противоположных эффектов. -эффект преобладает. Именно поэтому электрофильное замещение прежде всего происходит по  и -положениям.

Если сравнивать пиррол с фураном, то можно сказать, что +М-эффект у фурана меньше, а –І-эффект – больше.

От природы гетероатома, то есть от его электроотрицательности сильно зависят химические свойства гетероциклов (способность неподеленной электронной пары к сопряжению с -электронами двойных связей.

Поскольку электроотрицательность атома серы наименьшая, то он в меньшей степени способен удерживать электронную пару, принимающую участие в образовании электронного секстета. Вследствие этого ароматические свойства тиофена более всего сходны с бензолом. Пиррол очень реакционноспособен в реакциях электрофильного замещения, а химические свойства фурана являются промежуточными между ароматическими и диеновыми углеводородами. То есть, фуран более других гетероциклов склонен к реакциям присоединения.

Ароматические свойства гетероциклов уменьшаются в ряду:
Электронное строение молекулы пиррола:



Атомы углерода и азота в молекуле пиррола находятся в состоянии sp2-гибридизации. -Связи C–C, C–H и C–N образованы гибридными орбиталями. Цикл имеет плоское строение. На негибридной р-орбитали азота находится неподеленная пара электронов, которые вступают в сопряжение с четырьмя р-электронами атомов углерода. Таким образом, в циклической системе сопряжения находится 6 электронов, что определяет ароматические свойства пиррола.

2.2 Химические свойства пятичленных гетероциклов

2.2.1 Основные свойства

Тіофен практически не проявляет основных свойств и не способен к образованию солей, то есть, устойчив к действию сильных кислот, что также приближает его к бензолу

Несмотря на наличие в молекуле пиррола группы , его основные свойства очень слабы, потому что неподеленная электронная пара атома азота принимает участие в образовании общей -электронной ароматической системы. При введении в состав молекулы алкильных групп основность увеличивается.

Ацидофобность пиррола и фурана:

В сильно кислой среде (при действии серной или азотной кислоты пиррол присоединяет протон, но при этом электронная пара азота исключается из общей -электронной системы, ароматичность нарушается и образуется нестойкое диеновое соединение, которое полимеризуется и осмоляется:




.

То же самое происходит при действии серной кислоты на фуран. Его молекула также разрушается и осмоляется.

Однако азотная кислота в мягких условиях окисляет фуран до малеиновой кислоты:




фуран малеиновая кислота

Соляная кислота протонирует фуран и его производные.

2.2.2 Кислотные свойства

Электронное строение молекулы пиррола объясняет его свойства как слабой кислоты и ароматического соединения.

Вследствие сопряжения неподеленной электронной пары атома азота с -электронами двойных связей электронная плотность на атоме азота уменьшается, увеличивается поляризация связи NH и подвижность водородного атома у атома азота. Поэтому пиррол проявляет слабокислые свойства и способен образовывать соли с щелочными металлами, с амидами этих металлов и с магнийорганическими соединениями.



Как слабая кислота пиррол вступает в реакцию с металлическим калием, образуя соль – пиррол-калий:


При действии сверхсильных оснований на фуран, тиофен и N-замещенные пирролы также можно получить металлорганические соединения:

2.2.3 Реакции электрофильного замещения (SE)

Подобно бензолу пиррол, тиофен и фуран проявляют ароматические свойства и очень активны в реакциях электрофильного замещения (шесть электронов делокализованы между пятью атомами, то есть это избыточная -электронная система).

Однако, учитывая ацидофобность пиррола и фурана (склонность к смолообразованию в присутствии сильных кислот), использование обычных электрофильных реагентов невозможно.

Электрофильное замещение происходит по  и -положениям (гетероатом является заместителем І рода). Если одно из -положений занято (даже такими мета-ориентантами как -NO2, -SO3H, -COOH), то последующеее замещение происходит по второму -положению.



Если оба -положения заняты, то замещение будет происходить у -углеродного атома, в зависимости от ориентирующего действия имеющихся заместителей:



5-бромфуранкарбоновая-2 5-бром-4-сульфофуранкарбоновая-2

кислота кислота

2.2.3.1 Галогенирование

Бромпроизводные фурана не удается получить прямым бромированием вследствие того, что реакция идет очень энергично и выделяющийся бромистый водород разрушает гетероцикл. При проведении реакции бромирования в метаноле при низкой температуре с хорошим выходом образуется 2,5-диметокси-2,5-дигидрофуран. Монобромирование фурана по положению 2 осуществляют диоксандибромидом – комплексом диоксана с бромом при 0°С. Механизм этой реакции не установили.

Пиррол бромируется также очень легко. Реакцию трудно оставить на стадиях замещения 1-3 атомов водорода и единственный продукт, который может быть при этом получен, – тетрабромпиррол. Бромирование и хлорирование тиофена также происходит очень быстро и с приемлемым выходом может быть выделен только 2,5-дибротиофен. Тиофен не реагирует с йодом, однако, 2-йодтиофен образуется, если взаимодействие осуществлять в присутствии окиси ртути или разбавленной азотной кислоты.





2-бромтиофен 2,3,4,5-тетрабромпиррол 2,5-дибромфуран



2-йодтиофен

Пиррол значительно активнее бензола в реакциях электрофильного замещения, т.к. атом азота, предоставляя в систему сопряжения два электрона (+М-эффект), повышает электронную плотность в цикле.

Пример - замещение 4-х атомов водорода при йодировании:



2.2.3.2 Нитрование

При обработке пиррола фурана и тиофена нитрующей смесью происходит осмоление. Для того, чтобы успешно провести нитрование, в качестве реагента используют ацетилнитрат – смешанный ангидрид уксусной и азотной кислоты. Ацетилнитрат готовят взаимодействием уксусного ангидрида с безводной азотной кислотой. При обработке этим реагентом тиофена и пиррола с высоким выходом образуются 2-нитропроизводные, в случае же фурана реакция завершается образованием продукта сопряженного присоединения – 5-ацетокси-2-нитро-2,5-дигидрофурана, который превращается в 2-нитрофуран при взаимодействии с пиридином:


При введении в молекулу тиофена электроноакцепторного заместителя, например, NO2-группы, его реакционная способность уменьшается, что позволяет нитровать дымящей азотной кислотой:



2-нитротиофен 2,5-динитротиофен
2.2.3.3 Сульфирование

Сульфирование тиофена происходит при действии 95% H24 при комнатной температуре с образованием тиофен-2-сульфокислоты. С помощью этой реакции можно очистить бензол от примеси тиофена, так как бензол сульфируется в более жестких условиях.

Для сульфирования пиррола и фурана нельзя использовать серную кислоту, однако, соответствующие 2-сульфокислоты могут быть получены при взаимодействии с пиридинсульфотриоксидом – комплексом пиридина с SO3. Заметим, что бензол не сульфируется при действии этого реагента, однако тиофен может быть им просульфирован.

2.2.3.4 Реакции Фриделя-Крафтса

Алкилирование фурана и пиррола по Фриделю-Крафтсу невозможно, поскольку кислоты Льюиса, подобно протонным кислотам, разрушают гетероцикл, вызывая осмоление реакционной смеси. Не удается провести алкилирование и тиофена, хотя он и устойчив к действию кислот Льюиса. Ацильные же производные этих гетероциклов могут быть получены, однако, в условиях более мягких, чем используют при ацилирования производных бензола.

Пиррол ацилируют уксусным ангидридом при температуре > 200оС, в качестве катализатора используют тетрахлорид олова, хлорид цинка или перхлорат олова. N-ацетилпроизводные пиррола получают через магнийорганические соединения пиррола:



N-ацетилпиррол 2-ацетилпирол

Тиофен и фуран ацилируют в условиях реакции Фриделя-Крафтса:



бензоилхлорид 2-бензоилтиофен
Пиррол может алкилироваться аллилбромидом (в уксусной кислоте с ацетатом натрия при комнатной температуре. Алкилированием йодистым метилом невозможно получить моноалкилпроизводные.

2.2.3.4 Азосочетание

Реакцию с солями арендиазония проводят в слабокислых или нейтральных растворах:



Аминопирролы очень нестойки, что связано с электронодонорным влияянием аминогруппы на -электронную систему пиррольного ядра.
2.2.4 Реакции взаимного обмена гетероатомов (цикл Юрьева)
Такой обмен происходит при пропускании паров гетероциклов и соответствующего реагента над Al2O3 при температуре 400оС.


2.2.5 Реакции восстановления

Устойчивость пиррола как ароматической структуры значительно меньше, чем бензола. В зависимости от условий восстановления можно получить различные продукты:
восстановление в момент каталитическое

выделения: восстановление:



пирролин пиррол пирролидин

Тиофен «отравляет» катализаторы, поэтому его лучше гидрировать водородом в момент выделения либо на палладии. При гидрировании на никеле Ренея протекает побочная реакция десульфирования тиофена:



Присоединение водорода к фурану осуществляется достаточно легко, при комнатной температуре и давлении 2-4 атм.



2.2.6 Реакции окисления

Пиррол окисляется в мягких условиях до смеси пирролинонов:



Тиофен окисляется с трудом, для производных тиофена характерно окисление атома серы:



Азотная кислота окисляет тиофен до малеиновой и щавелевой кислот:



тиофен малеиновая кислота щавелевая кислота

Фуран окисляется до малеинового ангидрида:



фуран малеиновый ангидрид
2.2.7 Специфические реакции

Из всех пятичленных гетероциклов фуран наиболее склонен к реакциям присоединения. Он способен вступать в реакцию диенового синтеза с малеиновым ангидридом


фуран 1,2,3,6-тетрагидро-3,6-эпоксифталевый

ангидрид

Реакции расширения цикла: фуран и пиррол способны образовывать шестичленные гетероциклические соединения



пиррол калий хлороформ 3-хлорпиридин

2.3 Методы получения

  1. Циклизация дикарбонильных соединений.



  1. Фуран получают декарбонилированием фурфурола, источником которого является сырье, содержащее пентозы (нагревание с разбавленной серной кислотой лузги семян подсолнечника, кукурузных початков, соломы, отрубей)

пентоза фурфурол




фурфурол фуран


  1. Тиофен в промышленности получают взаимодействием ацетилена с сероводородом или при взаимодействии бутана с серой в газовой фазе.


ацетилен сероводород тиофен бутан


  1. Пиррол получают пропусканием аммиака и 1,4-бутиндиола над смесью оксида алюминия и оксида тория при температуре 300оС.




бутиндиол-1,4 пиррол
2.4 Свойства и применение некоторых пятичленных гетероциклов
Пиррол С4H4– пятичленный гетероцикл с одним атомом азота.

Бесцветная жидкость с температурой кипения 130С, плохо растворимая в воде, на воздухе быстро окисляется и темнеет.

Пиррол применяют для синтеза различных органических веществ.

Пиррольные структуры содержатся в гемоглобине, хлорофилле, витамине В12 и некоторых других природных соединениях. В состав молекул этих сложных веществ входит тетрапиррольный фрагмент (порфин) в виде комплекса с металлом:
где Ме - металл
(Fe в гемоглобине, Mg в хлорофилле,

Co в витамине В12).

Фурфурол - исходное соединение для синтеза множества производных фурана, он легко окисляется до карбоновой кислоты или восстанавливается до спирта:




Для него характерны все реакции электрофильного замещения подобно фурану и реакции по альдегидной группе:

а) Бензоиновая конденсация



фуроин

б) Реакция Канниццаро


в) Взаимодействие с анилином - образование оснований Шиффа



фуральанилин

г) реакция Перкина



Тетрагидрофуран (оксолан, ТГФ)продукт восстановления фурана. Широко используется в качестве растворителя, по химическим свойствам напоминает циклические эфиры. При действии галогеноводородов и ацилирующих реагентов (ангидридов и галогенангидридов кислот) происходит раскрытие цикла

тетрагидрофуран


Подобно фурану тетрагидрофуран реагирует с аммиаком и сероводородом (реакция Юрьева)


Пирролидон-2 (бутанлактам-4) – циклический амид -аминомасляной кислоты. В промышленности получают из -бутиролактона и аммиака, используют в производстве полиамидов.
-бутиролактон пирролидон-2 полиамид
При конденсац пирролидона с ацетиленом получают N-винилпирроли-дон, который легко полимеризуется с образованием поливинилпирролидона (ПВП):



Полимерные соединения на основе винилпирролидона широко используются в медицинской практике, например, для изготовления кровезаменителя “Гемодез” или в качестве связующего для таблето

Индол (бензопиррол) -

Это конденсированная бициклическая система, в которой объединены электронные структуры бензола и пиррола. Сопряжение электронной плотности бензольного и пиррольного ядер приводит к увеличению электронной плотности в 3- (-) положении. В целом, наличие бензольного кольца приводит к уменьшению электронной плотности пиррольного ядра и, как следствие, к уменьшению его реакционной способности.

Индольный фрагмент входит в состав многих природных соединений. В небольших концентрациях обладает приятным запахом, в ходит в состав апальсинового масла и масла жасмина.

Для индола характерны все реакции электрофильного замещения (нитрование, галогенирование, азосочетание и др.), которые осуществляются в 3- (или -) положение пиррольного ядра.

Подобно пирролу индол проявляет слабые основные свойства:



Ацилирование уксусным ангидридом в присутствии ацетата натрия при 140оС происходит по атому азота:



N-ацетилиндол

Индолы реагируют с азотистой кислотой как вторичные амины:

N-нитрозоиндол

Восстановление индола осуществить трудно::



Индол может вступать в реакцию конденсации с формальдегидом:



Одним из самых важных кислородсодержащих производных индола является -индоксил - полупродукт промышленного синтеза красителя индиго. Его получают конденсацией анилина с хлоруксусной кислотой:

анилин хлоруксусная кислота -индоксил
Синее индиго – это нерастворимое вещество, при восстановлении дитионитом натрия или цинком в щелочной среде происходит его превращение в бесцветное енольное соединение, которое растворимо в щелочах, так называемое белое индиго или лейкооснование. На этом процессе основывается метод крашения тканей (например, джинсовых). Сначала в щелочном растворе белого индиго замачивают ткань, а затем ее окисляют либо кислородом воздуха, либо в специальной окислительной ванне. При этом на ткани происходит окисление лейкооснования до синего красителя, однако, окрашенные таким методом ткани нестойки к истиранию.



Биологично активные производные индола

Ядро индола входит в состав многих алкалоидов, незаменимых аминокислот и других соединений, играющих большую роль в обменных процессах. Например, -индолилуксусная кислота или гетероауксин - это природный растительный гормон, регулирующий рост растений.

Триптофан (-индолил--аминопропионовая кислота) - незаменимая аминокислота, входит в состав большинства белков, принимает участие в ферментативном восстановлении ацетальдегида до этилового спирта. В живых организмах триптофан превращается в два гормона:



Серотонин (5-гидрокситриптонин) тесно связан с деятельностью центральной нервной системы, регулирует перистальтику и выделение желудочного сока, повышает кровяное давление, увеличивает прочность капилляров и количество тромбоцитов в крови, регулирует психическую деятельность. Нарушения обмена серотонина в организме приводит к шизофрении. Мелатонин контролирует смену дневного и ночного ритмов физиологических функций

Индольные алкалоиды нашли применение в медицине: транквилизатор резерпин, противомигреневый препарат эрготамин, антиревматоидное средство индометацин и другие.

Карбазол (дибензопиррол)



.

3. Шестичленные ароматические гетероциклы

3.1 Строение пиридина (азина)

Пиридин С5H5N – простейший шестичленный гетероцикл с одним атомом азота.



Это бесцветная жидкость с неприятным запахом, т.кип. 115С. Хорошо растворяется в воде и органических жидкостях. Ядовит.

Электронное строение молекулы пиридина сходно со строением бензола. Атомы углерода и азота находятся в состоянии sp2-гибридизации. Все -связи C–C, C–H и C–N образованы гибридными орбиталями, углы между ними составляют примерно 120. Поэтому цикл имеет плоское строение. Шесть электронов, находящихся на негибридных р-орбиталях, образуют -элект-ронную ароматическую систему.





Длины всех СС-связей однаковы и только СN-связь немного короче. Однако, замена фрагмента =СН в бензоле на атом азота приводит к существенным изменениям в реакционной способности. В отличие от бензола углеродные атомы пиридина не равноценны. Наличие электроотрицательного атома азота влияет на распределение -электронной плотности пиридинового цикла. За счет отрицательного мезомерного эффекта атом азота уменьшает электронную плотность ядра, особенно в - и -положениях.

Из трех гибридных орбиталей атома азота две образуют -связи С–N, а третья содержит неподеленную пару электронов, которые не участвуют в -электронной системе. Поэтому пиридин, подобно аминам, проявляет свойства основания (третичного амина).

3.2 Химические свойства пиридина

3.2.1 Основные свойства

Неподеленная электронная пара азота, располагается в плоскости пиридинового ядра, не принимает участия в ароматической стабилизации -электронной системы и определяет основные свойства пиридина.

Его водный раствор окрашивает лакмус в синий цвет. При взаимодействии пиридина с сильными кислотами образуются соли пиридиния.


Основность пиридина по сравнению с другими азотсодержащими соединениями


Значительное уменьшение основных свойств пиридина по сравнению с пиперидином связано с тем, что в молекуле пиридина атом азота связан с углеродным атомом в состоянии sp2-гибридизации. Увеличение основных свойств пиридина по сравнению с анилином связано с тем, что неподеленная электронная пара пиридинового азота не сопряжена с -электронами ароматической системы.

Электронодонорные заместители увеличивают основные свойства пиридина.

3.2.2 Реакции с электрофилами по атому азота.




3.2.3 Реакции электрофильного замещения

Наряду с основными свойствами пиридин проявляет свойства ароматического соединения. Однако его активность в реакциях электрофильного замещения ниже, чем у бензола (по реакционной способности пиридин можно сравнить с нитробензолом). Это объясняется тем, что азот как более электроотрицательный элемент оттягивает электроны на себя и понижает плотность электронного облака в кольце, в особенности в положениях 2 и 4 (орто- и пара-положения). Поэтому, например, реакция нитрования пиридина проходит в жестких условиях (при 300C) и с низким выходом. Ориентирующее влияние атома азота на вступление нового заместителя при электрофильном замещении в пиридине подобно влиянию нитрогруппы в нитробензоле: реакция идет в положение 3 (мета-положение).



Сульфирование и галогенирование также удается осуществить в очень жестких условиях, а реакции Фриделя-Крафтса (алкилирование и ацилирование) вообще не идут.


Заместители в приридиновом ядре влияют на реакционную способность и ориентируюn вхождение следующего заместителя. Например, электронодонорные заместители (D) увеличивают способность пиридинов к SE реакциям, а при наличии электроноакцепторных заместителей пиридины вообще не реагируют с электрофильными реагентами.

Орто- и пара-ориентанты в - или -положениях способствуют образовнаию производных по 3- и 5-положениям, а в -положении - ориентируют во 2-, 4- и 6-положения:

3.2.4 Реакции нуклеофильного замещення.

Углеродные атомы в  и -положениях электронодефицитны. Это затрудняет реакции электрофильного замещения, но зато облегчает нуклеофильное замещение, особенно если в этих положениях есть заместители, способные к нуклеофильному замещению:



- 2-аминопиридин 2-пиридинимин



4-аминопиридин 4-пиридинимин

Благодаря тому, что 2-аминопиридин существует в двух таутомерных формах, в различных условиях возможно образование различных производных - по азоту аминогруппы и по азоту кольца:



В жестких условиях пиридин превращается в 2-гидроксиптиридин:



2-гидроксипиридин ?-пиридон

2- и 4-гидроксипиридинам также присуща таутомерия, причем в равновесной смеси преобладает оксо-форма.

Реакция Чичибабина:



2,6-диаминопиридин

3.2.5 Окисление пиридина и его гомологов

Ядро пиридина устойчиво к окислению. Пиридин не обесцвечивает водный раствор перманганата калия (однако его гомолог -пиколин в этих условиях окисляется до 3-пиридинкарбоновой или никотиновой кислоты):



-пиколин никотиновая кислота

При окислении пиридина надуксусной кислотой или Н2О2 образуется N-оксид пиридина:



N-оксид пиридина реакционноспособнее пиридина в реакция электрофильного замещения, поэтому с его помощью можно получить некоторые -производные пиридина:


4-хлорпиридин


4-нитропиридин

N-оксид пиридина
4-аминопиридин
3.2.6 Восстановление пиридина

Пиридин гидрируется легче бензола, при каталитическом гидрированиии образуется насыщенный гетероцикл – пиперидин:



Пиперидин проявляет свойства вторичного амина (сильное основание).

    1. Методы получения пиридина и его производных

Пиридин получают пиролизом смеси ацетилена и синильной кислоты:



Конденсацией ненасыщенных альдегидов с аммиаком получают пинаколин и другие алкилзамещенные пиридины:
Алкилирование пиридина:



2-этилпиридиний йодид

3.4 Производные пиридина

Пиколины - 2-метилпиридин (-пиколин) и 4-метилпиридин (-пиколин) подобно пиридину содержатся в каменноугольной смоле. Могут вступать в реакции конденсации, например:



1-фенил-2-(пиридил-2)этилен

-Пиколин реагирует с н-бутиллитием:


Гидроксипиридины – 2- и 4-гидроксипиридины существуют в виде двух таутомерных форм (преимущественно в виде пиридонов). Их получают, например, действием аммиака на пироны:




-пирон -пиридон -гидроксипиридин

Подобно пирролу, пиридиновый цикл входит в состав многих алкалоидов, витаминов и эффективных лекарств.

Никотиновая кислота – пиридин-3-карбоновая кислота. Впервые была получена окислением алкалоида никотина перманганатом калия. Получают ее декарбоксилированием хинолиновой кислоты или окислением -пиколина.




хинолиновая кислота никотиновая кислота -пиколин
Амид -пиридинкарбоновой кислоты (никотинамид) – это витамин РР, которым лечат пеллагру:


Изоникотиновая кислота – пиридин-4-карбоновая кислота, ее получают окислением -пиколина. Гидразид изоникотиновой кислоты (тубазид) – противотуберкулезный препарат:




-пиколин изоникотиновая этиловый эфир тубазид

кислота изоникотиновой к-ты (изониазид)

2-Метил-3-гидрокси-(4,5-диоксиметилен)пиридин (пиридоксин) - это витамин В6

Хинолин

Молекула хинолина содержит конденсированные пиридиновое и бензольное кольца, и именно этим обусловлены химические свойства хинолина. Реакции электрофильного замещения осуществляются преимущественно в положение 5 или 8 бензольного ядра, так как пиридиновое ядро дезактивировано, например:
Нуклеофильная атака, наоборот, происходит по пиридиновому кольцу:



При действии сильных окислителей бензольное ядро разрушается:




Существует несколько методов синтеза хинолинов. Один из них - синтез Скраупа:



анилин акролеин 1,2-дигидрохинолин хинолин

Более приемлемым вариантом этого синтеза является взаимодействие анилина с глицерином и нитробензолом:




анилин глицерин нитробензол хинолин

Суть этого метода заключается в том, что сначала серная кислота дегидратирует глицерин до акролеина, затем анилин присоединяется к акролеину по механизму АN с последующей циклизацией и дегидрогенизацией.

Изохинолин

Изохинолин содержится в каменноугольной смоле и дегте. Одним из методов получения изохинолина является синтез по Бишлеру:



2-фенилэтиламин

3.5 Пиримидин и пурин

Пиримидин С4Н4N2 - шестичленный гетероцикл с двумя атомами азота.



Проявляет свойства очень слабого основания, т.к. атомы азота в sp2-гибридизованном состоянии довольно прочно удерживают неподеленную электронную пару.
Для пиримидина, подобно пиридину, характерна 6-электронная ароматическая система. Поэтому его цикл обладает повышенной устойчивостью

Пурин С5H4N4 – соединение, в молекуле которого сочетаются структуры шести- и пятичленного гетероциклов, содержащих по два атома азота.



Проявляет амфотерные свойства. Слабые основные свойства связаны с атомами азота шестичленного (пиримидинового) цикла. Слабые кислотные свойства обусловлены группой N-H пятичленного цикла (по аналогии с пирролом).

Эти соединения являются основой пиримидиновых и пуриновых оснований, входящих в состав природных высокомолекулярных веществ – нуклеиновых кислот.

3.5.1. Пиримидиновые основания

Пиримидиновые основания – производные пиримидина, входящие в состав нуклеиновых кислот: урацил, тимин, цитозин.
Для оснований, содержащих группу –ОН, характерно подвижное равновесие структурных изомеров, обусловленное переносом протона от кислорода к азоту и наоборот:






Подобное динамическое равновесие структурных изомеров называют

"таутомерией". Данный частный случай относят к лактим-лактамной таутомерии.
Пиримидиновые основания входят в состав нуклеозидов - структурных компонентов нуклеиновых кислот. Нуклеозиды образуются за счет отщепления водорода от N–H-связи в молекуле азотистого основания и гидроксила при С1 в молекуле углевода рибозы (или 2-дезоксирибозы). Например:



Здесь проявляются кислотные свойства амина (группа N–H в азотистом гетероцикле) и способность к нуклеофильному замещению полуацетального гидрокисила (при С1) в молекуле углевода.

Полуацетали - соединения, в которых атом углерода связан с гидроксильной и алкоксильной (-OR) группами.
3.5.2. Пуриновые основания

Пуриновые основания - производные пурина, входящие в состав нуклеиновых кислот: аденин, гуанин.



Гуанин существует в виде двух структурных изомеров:



Образование нуклеозидов происходит, как и в случае пиримидиновых оснований, по связи N–H.
4. Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев - нуклеотидов. Поэтому их называют также полинуклеотидами.

Нуклеотид - фосфорный эфир нуклеозида. В состав нуклеотида - структурного звена нуклеиновых кислот - входят три составные части:



В состав нуклеозида входят два компонента: моносахарид (рибоза или дезоксирибоза) и азотистое основание.



4.1. Ди- и полинуклеотиды

При конденсации под действием катализаторов (или ферментов) из двух нуклеотидов образуется динуклеотид:
Поликонденсация различных нуклеотидов приводит к образованию полинуклеотидов (нуклеиновых кислот).

Полинуклеотиды относят к кислотам, т.к. в каждом структурном звене их макромолекул содержится остаток ортофосфорной кислоты, определяющий кислотные свойства за счет диссоциации связи О-Н.

В зависимости от того, какой моносахарид содержится в структурном звене полинуклеотида - рибоза или дезоксирибоза, различают рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). Так, главная (сахарофосфатная) цепь в ДНК содержит остатки 2-дезоксирибозы:


Молекулярная масса ДНК достигает десятков миллионов. Молекулярная масса РНК ниже - десятки тысяч и менее.

4.2. ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты)



Макромолекула ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль.

Такая пространственная структура удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали.

  Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение).

  Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому основанию:



Водородные связи между другими парами оснований не позволяют им разместиться в структуре двойной спирали. Таким образом,



Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следующими ее свойствами:

 молекулы ДНК способны к репликации (удвоению), т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным

 молекулы ДНК могут направлять совершенно точным и определенным образом синтез белков, специфичных для организмов данного вида.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Природные органические полимеры (биополимеры) составляют основу всех животных и растительных организмов.

В растительном мире широко распространены полисахариды (целлюлоза, крахмал и т.п.) и полиизопрены (натуральный каучук, гуттаперча, фрагменты липидов и т.п.).

Белки являются основным органическим веществом, из которого построены клетки животного организма (в растительных клетках белка содержится меньше).

Функции белков в организме универсальны: ферментативная, структурная, рецепторная, сократительная, защитная, транспортная, регуляторная.

Нуклеиновые кислоты осуществляют хранение, воспроизводство и реализацию генетической информации, управляют точным ходом биосинтеза белков в клетках.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации