1. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.
1. Классификация. Номенклатура:
N О N
H оксиран азетидин
азиридин (азаетидин)
(оксаиран)
(азаиридин)
S N О
H N
тиетан азол оксол азин
(пиррол) (фуран) (пиридин)
http://arkadiyzaharov.ru/studentu/chto-delat-
studentam/organicheskaya-ximiya/
2. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.
Распространение. Применение.
• Гетероциклы могут содержать три, четыре, пять, шесть и
большее число атомов в цикле. Аналогично
карбоциклическим соединениям пяти- и шестичленные
гетероциклы наиболее устойчивы.
• Гетероциклические соединения широко распространены
в природе, их можно получать из отходов с/х и летучей
части продуктов коксования угля.
• Многие из них играют важную биологическую роль
(витамины, алкалоиды, пигменты). Они также играют
важную роль в промышленности красителей и
лекарственных веществ
3. 2. НОМЕНКЛАТУРА ГЕТЕРОЦИКЛОВ:
основные принципы
1. природа гетероатома обозначается приставками:
окса – (О), тиа – (S), аза – (N);
2. размер цикла обозначается основами :
ИР (3), - ЕТ (4), - ОЛ (5), - ИН (6);
3. степень насыщенности – суффиксами:
ИДИН (насыщенный цикл с атомом N);
АН (без атома N);
ИН (ненасыщенный цикл).
4. Нумерация цикла начинается с гетероатома и ведется
вокруг цикла так, чтобы положение заместителей или
других гетероатом имели наименьшие номера.
Гетероатомы нумеруются в порядке: О, S, N.
4. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ОДНИМ
ГЕТЕРОАТОМОМ: СТРОЕНИЕ.
•• •• ••
N O S
•• ••
H
пиррол фуран тиофен
Ожидаемые свойства:
1) свойства сопряженных диенов;
2) свойства аминов, простых эфиров и тиоэфиров
соответственно.
5. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ОДНИМ
ГЕТЕРОАТОМОМ
Наблюдаемые свойства:
1) пиррол не обладает основными свойствами, типичными
для аминов; тиофен не вступает в обычных условиях в
реакции окисления;
2) для этих гетероциклов и их производных является типич-
ной способность вступать в реакции электрофильного
замещения: нитрование, сульфирование, галогениро-
вание, ацилирование по Фриделю–Крафтсу, сочетание с
солями диазония;
3) величины теплот сгорания указывают на наличие
значительной энергии резонансной стабилизации
6. СТРОЕНИЕ ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА
2s 2p 2s 2p 2s 2p
N О S
3s 3p
С
Все атомы кольца (как углеродные так и гетероатом)
находятся в sp2 - гибридном состоянии. sp2 - Oрбитали
лежат в одной плоскости и направлены под углом 120о.
После образования σ - связей у каждого атома углерода
остаётся по одному электрону, а у гетероатома пара (или
две) электронов. Эти электроны занимают p – орбитали
(гантелевидная форма).
7. СТРОЕНИЕ ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА
(продолжение)
Н σ σ Н
Н Н
σ σ
Перекрывание р-орбиталей приводит к возникновению
общего π - электронного облака; π - облако содержит в
сумме 6 электронов (ароматический секстет, как в
бензоле).
Делокализация π - электронов стабилизирует кольцо. В
результате фуран, пиррол и тиофен склонны вступать в
реакции, в которых сохраняется стабилизованное кольцо,
т. е. в реакции замещения.
8. СТРОЕНИЕ ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА
(резонанс)
Структура каждого гетероцикла может быть представлена
в виде гибрида нескольких граничных (канонических, резо-
нансных) схем:
−
•• −••
− −
••
••
•• + + + +
N N N N N
H H H H H
−
•• −••
− + −
+ +
••
••
•• +
O O O O O
•• •• •• •• ••
Они могут быть изображены подобно бензолу, формулами:
9. СТРОЕНИЕ ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА
(аналогия с бензолом)
β β β β β σ- σ-
β
α α α α α α σ- σ-
или σ+
N О S X
H
Так как электроотрицательность элементов изменяется в
ряду:
S < N < O,
то ароматичность убывает в последовательности:
тиофен > пиррол > фуран
10. ПОЛУЧЕНИЕ ФУРАНА, ТИОФЕНА, ПИРРОЛА.
1. Важнейшим общим методом получения фурана, тиофена и
пиррола является дегидратационная циклизация 1,4-дикарбо-
нильных соединений при их нагревании либо с одним дегидра-
тирующим агентом, либо с дегидратирующим агентом и аммиа-
ком или сульфидом в зависимости от того, что хотят получить –
фуран, пиррол или тиофен:
─ СН─СН ─
─С С─
H2SO4 О О
−H2O P2S5 −2H2O
Н─ С ─ С ─ Н NH3 −2H2O
Н─ С ─ С ─ Н
С─С
─С С─ ─С С─
О ─С С─
S
NH
11. ПОЛУЧЕНИЕ ФУРАНА, ТИОФЕНА, ПИРРОЛА.
1. дегидратационная циклизация 1,4-дикарбонильных
соединений (продолжение):
1,4 – Дикарбонильное соединение может быть
дикетоном дикарбоновой кислотой или кетокислотой.
Типичным примером может служить синтез 2,5 –
дифенилтиофена
СН2─СН2 СН2─СН2
P2S5
С6Н5─С С─С6Н5 С6Н5─С С─С6Н5
О О 160-180о С
S
1,2 – дибензоилэтан 2,5 – дифенилтиофен
12. ПОЛУЧЕНИЕ ФУРАНА, ТИОФЕНА, ПИРРОЛА.
2. Фуран, тиофен и пиррол могут быть получены друг из
друга при 450 oC над Al2O3 (Ю. К. Юрьев):
NH3
H2O
О N
H2S NH3
H
H2O H2S
S
13. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
● Фуран, тиофен, пиррол – бесцветные жидкости практи-
чески нерастворимые в воде.
● Температура их кипения значительно выше, чем у
соответствующих им по числу углеродных атомов
соединений жирного ряда.
● Т. кип. пиррола 130 оС, тиофена 31 оС. На воздухе они
быстро окисляются и темнеют.
● Тиофен ( т. кип. 84 оС) и его производные сходны с
бензолом.
14. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЯТИЧЛЕННЫХ
ГЕТЕРОЦИКЛОВ.
Химические свойства 5-ГТЦ определяются наличием:
а) двойных связей;
б) ароматического цикла;
в) гетероатомов.
Ароматичность этих соединений обуславливает их
способность предпочтительно вступать в реакции
замещения (а не присоединения). Кроме того, они
проявляют кислотно-основные свойства.
1. Кислотно-основные превращения
1.1 Основные свойства
В принципе любой гетероцикл может выступать в качестве
основания, присоединяя протон или реагируя по гетероатому
с кислотой Льюиса:
15. 1.1 Основные свойства: образование солей
+ HBr −
•• + Br
N N
H H H
+ HBr
•• •• −
O+ Br
O
••
H
Поскольку способность неподеленной пары гетероатома к
присоединению протона снижена её участием в
образовании ароматического секстета, сила фурана и
пиррола как оснований не должна быть значительной
16. 1.1 Основные свойства (продолжение)
В действительно протонирование фурана и пиррола
происходит, по-видимому предпочтительно по углеродным
атомам ядра:
H
+ H +
+ H
•• N
N H
H
H
+ H+ + H
•• O
O
••
••
Образующиеся таким образом сопряженные кислоты атакуют
молекулы пиррола и тиофена с последующей полимеризацией:
17. ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ (ОСМОЛЕНИЕ) ПИРРОЛА И ФУРАНА
H+ H ...
+
NH +
•• N H NH
N H
Н H H
Таким образом, фуран и пиррол, как и многие их
производные, проявляют ацидофобные свойства.
Тиофен практически лишен основных свойств и в кислой
среде не утрачивает ароматических свойств.
18. ФУРАН И ПИРРОЛ: УТРАТА АРОМАТИЧНОСТИ
Фуран и пиррол при действии кислот легко
протонируются по углеродному атому, утрачивая при этом
ароматические свойства.
+
H H
+ H +
•• H + H
•• N N
N H H
H
+
H H
+ H+ •• H + H
•• O O
O
••
•• ••
При этом происходит разрыв цикла, либо полимеризация
образующегося замещенного диена.
19. 1.1 Кислотные свойства
Пиррол обладает свойствами слабой кислоты и образует
солисо щелочнми металлами и реактивами Гриньяра:
••
КОН N−
••
K+
СН
•• 3 Mg
N Br
H ••
N−
•• +
MgBr
Пиррол является слабой кислотой (К = 5,4·10-15), более
слабой чем фенол (К =1,3·10-10), но более сильной чем
аммиак или алифатические амины.
20. 1.1 Кислотные свойства (продолжение)
Действием очень сильных оснований могут быть также
получены соли щелочных металлов фурана и тиофена:
H H H H
+− + С6Н5
+ Na С6Н5 − +
•• •• Na
••
H H H
О
••
О••
фуран натриевая соль фурана
Продукты металлирования можно использовать в синтезах
аналогично другим металлоорганическим соединениям:
− + 1. СО2
Na
••
2. Н+ СООН
О О
21. 2. РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ
(общие положения)
• ФТП вступают в обычные для ароматических соединний
реакции электрофильного замещения, причем легче, чем
бензол: гетероатом играет роль заместителя первого
рода.
• Замещение (из-за различия в устойчивости ϭ –
комплексов) во всех случаях происходит в первую очередь
в α- положение и только если это положение занято – в β –
положение:
α- замещение
+
+ +
X X X
β - замещение
+ +
X X
22. 2. РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ: примеры
SO2Cl2 SO2Cl2
•• Cl Cl •• Cl
X X
CH3COONO2
пиридин •• NO2
X
SO3, ПИРИДИН
90 0С •• SO3H
•• X
X O
(CH3CO)2O
ZnCl2 •• C─CH3
X
O2N NO2
•• N=N─ C6H4─NO2
X
HgCl2
ClHg •• HgCl
- HCl X
23. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
3. Реакции присоединения
3.1 Присоединение водорода
Фуран, пиррол, тиофен могут сравнительно легко
гидрироваться и за исключением тиофена (отравляющего
большинство катализаторов) дают при каталитическом
восстановлении полностью насыщенные гетероциклы.
Ni
+ Н2
О
o
C, 100 атм 125 О
фуран тетрагидрофуран
Zn + CH3COOH
N 2H2 N
2,5-дигидро-
Pt N H
H пиррол
H пирролидин
24. 3. РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
3.2 Реакции 1,4-присоединения
Пятичленные гетероциклы (особенно фуран ?!) проявляют
свойства характерные для сопряженных диенов и могут
вступать в реакцию Дильса-Альдера (диенового синтеза).
О
О
С
СН С
О + О О О
СН С
С
фуран О
О
малеиновый
ангидрид
25. 3.3 РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ
В условиях, исключающих раскрытие кольца (в нейтраль-
ной или слабощелочной среде), фуран окисляется в
малеиновый ангидрид, пиррол – в имид малеиновой
кислоты:
НС СН НС СН
[O]
НС СН С С
О О О
О
малеиновый ангидрид
НС СН НС СН
[O]
НС СН С С
О О
NH NH
имид малеиновой кислоты
26. ПРИМЕНЕНИЕ ФУРАНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ
ФУРФУРОЛ Главное исходное вещество для
получения фурана и его производных. Это
О жидкость, с характерным запахом
С−Н печеного хлеба, т. кип. 162 оС. Слабо
О растворим в воде. Проявляет все свойства
альдегидов.
Применяется как селективный растворитель, в производ-
стве пластмасс, лекарственных препаратов. Получается
гидролизом древесины, соломы, кукурузы.
ТЕТРАГИДРОФУРАН
Внутримолекулярный простой
Н2
эфир. Используется как
О Ni О инертный растворитель.
27. ПРИМЕНЕНИЕ ФУРАНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ
ФУРАЦИЛИН
О
O2N СН=N−NH−C−NH2
О
Семикарбазон 5-нитрофурфурола, Т. кип.
227-232 оС, желтые кристаллы. Применяют
как наружное дезинфицирующее средство.
Внутрь при лечении дизентерии.
28. ТИОФЕН И ЕГО ПРОИЗВОДНЫЕ
• Тиофен ─ жидкость; t. кип. 84 оС, нерастворим в воде.
По свойствам сходен с бензолом.
• Производные тиофена также очень сходны с
соответствующими производными бензола. Это
относится к галогенпроизводным, нитросоединения,
сульфокислотам, аминам, альдегидам, кетонам, солям
диазония и т. д.
• Получают эти производные сходными с
производными бензола методами.
29. ПИРРОЛ B ЕГО ПРОИЗВОДНЫЕ
Пиррол ─ бесцветная подвижная жидкость, t. кип.
130 оС. На воздухе он быстро окисляется и темнеет.
Алкилированные пиррольные ядра образуют основу многих
биологически важных пигментов (хлорофилла, гемина, желчи),
витамина В12. Все эти пигменты содержат плоское 16-членное
кольцо – ядро порфина. Природные пигменты – это
металлические хелатные комплексы порфиринов:
HC Если М = Mg2+ ─ это хлорофилл; он
N CH
играет важнейшую роль в фотосинтезе.
N M N
Если M = Fe3+ ─ это гемоглобин,
N CH переносчик кислорода к тканям в
HC
животных организмах
порфин
30. ПИРРОЛ B ЕГО ПРОИЗВОДНЫЕ
Важными производными пирролидина (восстанов-
ленной формы пиррола) являются пролин и
оксипролин. Они входят в состав белковых веществ.
НО
СООН СООН
N N
H H
Пролин (2-пирролидин- Оксипролин (4-окси-
карбоновая кислота) 2-пирролидинкарбоно-
вая кислота)
31. ПИРРОЛ B ЕГО ПРОИЗВОДНЫЕ
ПИРРОЛИДОН:
щелочной
катализатор [─NH─(CH2)3─CO─]n
N О Найлон-4
H
N-Винилпирролидон. Поливинилпирролидон (ПВП):
СН≡СН
О О N О
N N
H СH=СН2 -СH-СН2- n
Коллоидные растворы ПВП в воде используются в качестве
заменителя крови, а также в качестве клеящего и вяжущего
материала:
32. Индол (т. пл. 52 оС)
4
5 3
Конденсированная бициклическая система,
состоящая из бензольного и пиррольного
6 2
NH ядер (бензопиррол).
7 1
Индол - бесцветное кристаллическое вещество; по
химическим свойствам сходен с пирролом.
Способы получения индола:
1. Внутримолекулярная конденсация формил-о-толуидина
CH3
O трет-C4H9OR
CH
NH -H2О NH
33. Способы получения индола:
2. Внутримолекулярная конденсация различных о-заме-
щенных анилина:
CH2
трет-C4H9OR
CHО - H2О
NH2 NH
3. Синтез производных индола циклизация фенилгидра-
зина, альдегида (или кетона) в присутствии H2SO4 (метод
Фишера):
H3CCОCH3 CH3─C─CH3
Н+
N Н+
Н+ •••
-NH+
NHNH2 NH 4
NH
34. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНДОЛА
1. Реакция с металлами (основность).
К
NH N −K +
2. Электрофильное замещение (галогенирование,
нитрование, сульфирование и др.) идут в мягких
условиях в положение 3; если это положение занято,
заместитель направляется в положение 2:
4
5 3
6 2
NH
7 1
36. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНДОЛА
3. Восстановление индола водородом в присутствии
платинового катализатора дает 2,3-дигидроиндол
4. Мягкое окисление индола дает индиго:
О
NH
NH NH
О
NH
NH
37. КУБОВЫЕ КРАСИТЕЛИ
ОН NH
Лейкоиндиго
(белое индиго)
NH растворимая форма
ОН
[O] [H]
О NH
Индиго
синие кристаллы
NH с т. пл. 390о С
О
38. ПРОИЗВОДНЫЕ ИНДОЛА
3- ИНДОЛИЛУКСУСНАЯ КИСЛОТА:
CH2─ COOH
гетероауксин, обладает способно-
стью ускорять рост растений
NH (гормон роста)
ТРИПТОФАН:
NH2
─
CH2─СН─COOH
Аминокислота, входит в состав
NH большинства белков и может
быть синтезированн из индола
39. ПОЛИГЕТЕРОЦИКЛЫ
Существует ряд пяти- и шестичленных гетероциклов, со-
держащих в кольце два или большее число гетероатомов; они
имеют важное значение, так как встречаются во многих
веществах природного происхождения, а также входят в состав
ряда синтетических лекарственных препаратов и красителей.
N N
••
••
•• N
••
•• ••
N N S
••
H H
Имидазол пиразол (1,3-диазол) тиазол
(1,3-диазол)
••
N N N
••
••
N
••
••
•• N N
S N •• H
•• ••
тиазолидин Пиримидин Пурин
(1,3-диазин)
40. п ПЕНИЦИЛИН
Это первый из открытых и нашедших применение
е
антибиотиков, используемых в лечении бактериальных
заболеваний. Он препятствует размножению бактерий,
мешая образованию клеточной оболочки. Пеницилин
содержит в молекуле тиазолидиновое кольцо
конденсированное с β–лактамным циклом:
НООС
N СО
СН3
•• СН-NН-СО-R
СН3 S
••
R = -СН2-С6H5 ─ пеницилин G
R = -СН2-ОC6H5 ─ пеницилин V
41. +
•• + ••
O •• O
•• X
•• O
••
••
X
•• + +
••
•• X
О
••
