1. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ.
ПИРИДИН
1. Состав. Строение. Общая характеристика
4 (γ)
5 3 (β)
(С5Н5N)
6 2 (α)
N1
факты: ••
1.Теплота сгорания пиридина указывает на существенную
энергию резонанса 23 ккал/моль (96,3 кДж/моль)
2. Пиридин не подвергается реакциям присоединения и
вступает в реакции электрофильного замещения.
Все это указывает на то, что пиридин относится к числу
ароматических соединений. Его можно рассматривать как
гибрид двух структур: http://arkadiyzaharov.ru/studentu/chto-delat-studentam/organicheskaya-ximiya/
2. ПИРИДИН: РЕЗОНАНСНЫЕ СТРУКТУРЫ
или
N N N
•• •• ••
В пиридине атом азота, подобно любому из атомов
углерода в цикле, связан с другими атомами кольца
при помощи sp2-орбиталей и предоставляет один
электрон для образования π-облака. На третьей sp2-
орбитали азота находится пара электронов, которая
обуславливает основность пиридина (гораздо большую
чем у пиррола!).
3. ПОЛУЧЕНИЕ ПИРИДИНА
1. Из каменноугольной смолы:
Единственный промышленный источник до 1950 г.
Однако содержание его в смоле менее 0,1%, поэтому для
удовлетворения потребностей в пиридине и его гомологов были
предложены синтетические методы:
2. Конденсацией акролеина с аммиаком:
получают β-пиколин. СН3
2СН2=СН-СНО + NH3
акролеин - н2о
N
β - пиколин
••
2. Конденсацией ацетилена с аммиаком в присутствии
Ni(Co)-катализатора получают 2-метил-5-этилпиридин:
С2Н5
Ni(Co)
4СН≡СН + NH3
N СН3
••
4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Пиридин и его ближайшие гомологи - бесцветные
жидкости с неприятным запахом, растворимые в воде.
Пиридиновое кольцо является почти правильным
шестиугольником. пиридин в отличие от бензола имеет
большой дипольный момент.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА
Пиридин вступает в реакции:
I. Присоединения.
II. Замещения
III. Проявляет свойства третичного амина
5. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА
I. Реакции присоединения:
1. Пиридин в отличие от бензола восстанавливается
1
водородом в момент выделения (Na + С2Н5ОН) с
.
образованием пиперидина:
+ 6Н
••
N N
•• Н
2. При каталитическом гидрировании идет раскрытие пириди-
нового кольца с образованием пентиламина (амиламина):
+ 4Н2
C5H11NH2
Ni
N
••
6. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА
II. Реакции замещения:
А. Электрофильное замещение. Идет с трудом.
Атом азота играет роль заместителя второго рода; кроме того в
кислой среде кольцо дезактивируется из-за протонирования по азоту:
KNO3,H2SO4 NO2
H2SO4
300o C, Fe +
100 % + N
N Н
Н SO3,H2SO4, HgSO4 SO3H
220oC, 24 ч. +
Br Br Br N
Br2 Н
200-300o +
N N
N •• ••
••
Br2
+
500o C Br Br
N Br N
•• ••
7. Ориентация при электрофильном замещении
в пиридине.
а) Электрофильная атака в положение 4 дает
карбкатион, представляющий собой гибрид
следующих структур:
H Е H Е H Е
Е+ + +
N +
•• N 1 N 2 N 3
•• •• ••
а) Электрофильная атака в положении 3 дает ион,
представ-ляющий собой гибрид следующих структур:
H H + H
Е+ Е Е
+ Е +
N N N N
•• 4 •• 5 •• 6
••
8. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА
Б. Нуклеофильное замещение.
В отличие от бензола пиридин довольно легко реагирует с нуклео-
фильными реагентами, причем атака ориентируется в α- или γ-
положение:
1. NaNH2,100o C
(реакция Чичибабина)
2. H2O N NH2
2-аминопиридин
КОН
320o С, [О] OH N O
N
Пиридон-2
C6H5 Li
N + LiН
•• 110o C, толуол
N C6H5
2-фенилпиридин
Н-C4H9 Li + LiН
110o C N C4H9
2-бутилпиридин
9. Механизм нуклеофильного замещения в
ароматическом ряду.
Вполне аналогичен механизму электрофильного замеще-
ния: реакция включает две стадии.
Скорость 1-ой стадии - образование заряженной
частицы - определяет скорость суммарной реакции.
При электрофильном замещении интермедиат заряжен
положительно; при нуклеофильном замещении -
отрицательно. Способность кольца размещать (распре-
делять) заряд определяет стабильность промежуточного
соединения и переходного состояния, приводящего к его
образованию, и, следовательно, определяет скорость
реакции.
10. Ориентация при нуклеофильном замещении
в пиридине.
Нуклеофильная атака в положение 4 (или 2):
одна из резонансных стрктур особенно устойчива
(отрицательный заряд размещен на атоме азота)
H Nu H Nu H Nu
-: :-
..
N N N-
..
.. ..
Нуклеофильная атака в положение 3 - дает менее
стабильный карбанион:
H H ..- H
Nu Nu Nu
:- -:
N
.. N
.. N
..
11. III. РЕАКЦИИ ПИРИДИНА КАК ТРЕТИЧНОГО АМИНА
1. Основные свойства
Пиридин и его гомологи проявляют слабые основные свой-
ства. Они легко дают соли с НCl, Н2SО4 и др.:
(Косн. пиридина равна 1,7·10-9,
+ Cl− анилина 4,0·1010, а пипери-
N
дина 1,33·10-3).
Н
2. Пиридин как третичный амин легко присоединяет алкил-
галогениды, образуя соли, которые при нагревани легко
переходят в α- или γ-положение (но не в β-положение)
нагревание
+ RX + X− + R X−
N H N
H
N
•• R H
12. III. РЕАКЦИИ ПИРИДИНА КАК ТРЕТИЧНОГО АМИНА
3. Образование N-окиси пиридина
Н2О2
+
СН3СООН N
N
•• О−
N-окись пиридина значительно более способна к электро-
фильному замещению, чем пиридин
4. Пиридин с SО3 образует соединение С5Н5N·SO3,
используемое для сульфирования фурана, пиррола и т. д.
Это мягкий сульфирующий агент.
13. Гомологи пиридина: α-, β- и γ- пиколины
СH3
4 СH3
3
12 СH3
N
••
N
•• N
••
α-пиколин β-пиколин γ-пиколин
Атом азота в пиридиновом кольце придает подвижность
атомам водорода метильных групп в положениях 2 и 4 !! :
Этот эффект обуславливает способность α- и γ-пиколинов
реагировать с адьдегидами, например
1. +С4Н9Li СН2О
СH3 СH3 СH2-СН2-ОН
N N N
2. ZnCl2
+ О=СН-С6Н5
СH3 - Н 2О СH2-СН2-ОН
N N
14. ПРИМЕНЕНИЕ ПИРИДИНА И ОТДЕЛЬНЫХ
ПРОИЗВОДНЫХ
Пиридин широко используется в качестве
растворителя и катализатора для проведе-
N ния органических реакций
••
СH3 β-Пиколин получают (гл. обр.) из каменно-
угольного дегтя. Применяется для получе-
N ния никотиновой кислоты
••
СООН Никотиновая (β-пиридинкарбоновая) к-та
широко распространена в природе: содер-
жится в печени, в экстракте дрожжей, в
N
•• молоке и зародышах пшеницы. При-
меняется под названием витамина РР
15. ПРИМЕНЕНИЕ ПИРИДИНА И ОТДЕЛЬНЫХ
ПРОИЗВОДНЫХ
СН2=СН 2-Метил-5-винилпиридин получают
дегидрированием 2-метил-5-этилпи-
СН3 ридина. Широко применяется в
N производстве синтетических каучуков
••
и пластических масс
Пиперидин обладает свойст-
[H ] вами алифатического амина.
Важным производным пипери-
N N дина является обезболева-
••
Н ющее вещество - промедол
пиридин пиперидин
16. ХИНОЛИН
Можно рассматривать как систему из сконденсированных в
орто – положении бензольного и пиридинового колец
5 4
6 3 (β)
7 1 2 (α)
N
8 ••
Впервые был выделен из продуктов перегонки каменно-
угольной смолы (1834 г.).
Цикл хинолина является основной частью молекул
большой группы алкалоидов, главные из которых
относятся к группе хинина
17. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХИНОЛИНА
СИНТЕЗ СКРАУПА: СУММАРНАЯ РЕАКЦИЯ
Наиболее важная реакция синтеза хинолина; состоит в
нагревании анилина с глицерином и конц. Н2SО4 в присутствии
окислителя (нитробензола или ванадиевой кислоты:
СH2−OH
H2SO4
+ CH−OH + C6H5NO2
FeSO4
NH2 CH2−OH нитробензол
анилин глицерин
+ C6H5NН2 + H2О
N анилин
••
хинолин
18. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХИНОЛИНА
Синтез Скраупа: механизм
CHO
СН2
+ СН2=CH−CHO
СН2
NH2 NH
анилин β-анилинопропионовый альдегид
OH
CH
СН + [O]
−Н2O
СН2 −Н2O
NH NH N
••
дигидрохинолин хинолин
19. Синтез Скраупа: отдельные стадии
1. СH2− CH− CH2 H2SO4
CH2=CH−CHO + 2 H2O
OH OH OH t о
глицерин
2. Нуклеофильное присоединение анилина к акролеину:
CHO
СН2
+ CH2=CH−CHO
СН2
NH2 NH
20. Синтез Скраупа: отдельные стадии
3. Электрофильная атака карбонильного атома углерода
по ароматическому кольцу:
O OH
C−H CH
СН2 СН
СН2 СН2 −Н2O
NH NH NH
4. Окисление 1,2−дигидроксихинолина нитробензолом
C6H5NO2
− C6H5NН2, −Н2O
NH N
дигидрохинолин хинолин ••
21. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА
Хинолин по физ. свойствам подобен пиридину. Это
жидкость с Ткип.=338, плохо растворим в воде, имеет
неприятный запах.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА
По химическим свойствам хинолин также сходен с пиридином:
1. Как и пиридин он образует соли с соляной, серной,
азотной и др. кислотами:
+
Х−
+ НХ
N N
•• Н
хинолин
22. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА
2. Хинолин обнаруживает многие химические
свойства, присущие третичным аминам: образует
четвертичные аммониевые соли, N-окись
+
J−
+ CH3J
N N
••
хинолин CH3
йодистый N-метилхинолин
C6H5COOOH
+
N N
••
хинолин N-окись O−
23. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА
3. Электрофильное замещение
Злектрофильные реагенты легче атакуют бензольное
кольцо, чем пиридиновое. Наиболее активны в реакциях
замещения положения 5 и 8.
NO2
3.1 Нитрование
5 4 +
6 3 Н2SO4 N
НNO3 ••
7 2
1
N N NO3−
8 •• Н
хинолин
N
NO2 ••
24. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА
3. ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
3.2 Cульфирование: при 220-230о С замещение идет в
положение 8 при 300о С – в положение 6:
220o C
5 4 N
6 HO3S ••
3 Н2SO4 300o C
7 2
1
8 N HO3S
•• 300o C
хинолин
N
••
25. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА
3. Электрофильное замещение
3.3 Ацилирование: незамещенный хинолин не
ацилируется; при наличии в положение 8 электронодо-
норного заместителя ацилирование идет– в положение 6.
3.4 Окисление хинолина щелочным раствором
перманганата дает 2,3-пиридинкарбоновую кислоту:
НООС
[O]
N НООС N
•• ••
26. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА
4. НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
При действии нуклеофильных реагентов замещение идет в
пиридиновое кольцо
4.1 С амидом натрия и литийалкилами реакция идет
также, как с пиридином, т. е. замещение происходит в α-
положение:
NaNH2
N N NH2
•• ••
RLi
+ LiН
N N R
•• ••
27. 4. НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
4.2 С едким кали при 250о С образуется α-оксихинолин:
КОH
N N ОH
•• ••
Как и в случае пиридина атом азота в хинолиновом кольце
придает подвижность атомам водорода метильных групп в
положениях 2 и 4, что обуславливает их способность
вступать в реакции конденсации формальдегидом, бензаль-
дегидом, образуя спирт (I) и бензилиденхинальдин (II) :
N СН2-СН2-ОH N СH=СН-С6Н5
•• (I) ••
(II)
28. ЗНАЧЕНИЕ ХИНОЛИНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ
Цикл хинолина является составной частью молекул большой
группы алкалоидов, главные из которых относятся к группе
хинина. Ряд замещённых хинолина используется в синтезе
лекарственных препаратов и красителей
8 − Оксихинолин - кристал. вещество (Тпл.=75). Образует
внутримолекулярную водородную связь.
Широко применяется как реактив на ионы
многих металлов, с которыми он образует
N нерастворимые внутриком-плексные
ОH •• соединения − хелаты:
MgCl2
2NaOH
N
ОH ••
30. ПОЛИГЕТЕРОЦИКЛЫ
Производные пиримидина и пурина играют важную роль во
многих биологических процессах. Они являются, например,
фрагментами нуклеиновых кислот, некоторых витаминов и
коферментов.
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Существует два типа нуклеиновых кислот:
1. РНК – состоит из одной полинуклеотидной цепи;
содержит сахар – рибозу.
2. ДНК – состоит из двух, закрученных в спираль
(двойная спираль) полинуклеотидных цепей;
содержит сахар дезоксирибозу.
31. Строение ДНК
Остов молекулы составляют: сахар-дезоксирибоза (в кото-
ром гликозидный гидроксил при С1 замещен пуриновым или
пиримидиновым основанием) и фосфатный остаток соеди-
ненные друг с другом сложноэфирными связями:
Гликозидный
гидроксил
32. СХЕМА ПОЛИНУКЛЕОТИДНОЙ ЦЕПИ
Сах.- фос. ДНК : двойная спираль
остов 3,4 нм
На один полный оборот спирали
основания Приходится 10 пар оснований.
Расстояние между соседними
Две
парами оснований равно 0,34 нм.
антипарал.
цепи (см. след.)
33. Структура ДНК. Спаривание оснований
Аденин Тимин
Сах.-фосф.
остов 3,4 нм Сахар
основания Сахар
Цитозин
Две
антипарал. Гуанин
цепи
Сахар
Сахар
35. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Свойственная живым организмам единая система
записи наследственной информации в молекулах
нуклеиновых кислот в виде последовательности
нуклеотидов.
Реализация генетического кода
происходит в два этапа :
1. Транскрипция (переписывание) – происходит в ядре
клетки;
2. Трансляция (перевод) – протекает в цитоплазме на
рибосомах
36. ПИРИДИН. ХИНОЛИН
Самостоятельная работа
Задача №1: 2−аминопиридин нитруется или сульфируется
в гораздо более мягких условиях, чем сам пиридин;
замещение происходит главным образом в положение 5.
Объясните эти факты.
Задача №2: Поскольку пиридин нитруется с трудом, 3-
аминопиридин удобнее получить из никотиновой кислоты.
Приведите схему синтеза 3-аминопиридина из β-пиколина.
Задача №3: 8-оксихинолин находит широкое применение
в аналитической химии. Предложите метод его синтеза.
37. +
•• + ••
O •• O
•• X
•• O
••
••
X
•• + +
••
•• X
О
••
