Какие пары гетероциклов комплементарны кратко

Обновлено: 05.07.2024

Гетероциклическими называются соединения, циклы которых включают кроме атомов углерода один, или несколько атомов других элементов, чаще всего азота, серы, кислорода, которые называются гетероатомами.

Эти соединения очень широко распространены в природе и многие являются лекарственными препаратами или в качестве исходных продуктов для синтеза лекарственных препаратов .

По числу атомов в цикле: 3 х , 4 х , 5 ти , 6 ти и 7 ми – членные гетероциклы.

Наиболее часто встречающиеся и наиболее интересующие нас 5 ти и 6 ти – членные гетероциклические соединения и этиленимин - 3 х – членный.

Пятичленные, шестичленные классифицируются по числу и характеру гетеро-атома.

Трехчленные - этиленимин (азиридин):

5 ти – членные с одним гетероатомом:

фуран тиофен пиррол

Родоначальниками ряда являются ароматические соединения. Гидрированные соединения либо имеют собственные названия, либо обозначаются как дигидро- или тетрагидро- с указанием номера гидрированных атомов: дигидрофуран, тетрагидропиррол или пирромидин.

5 ти – членные с несколькими гетероатомами:

Обычно имеют собственные названия, либо добавляя приставку (окса-, аза-, тиа-) к более простому гетероциклу. Наиболее интересны для нас:

пиразол имидазол 1,3-тиазол 1,3,4-тиадиазол 1,3-оксазол

Если имеются заместители, то за основу берется название гетероцикла, например, 2-метил-1,3-тиазол.

Гетероциклы могут образовывать конденсированные системы. Из пятичленных конденсированных гетероциклов для нас интересен индол (2,3-бензпиррол):

6 ти – членные гетероциклы с одним или несколькими гетероатомами:

пиридин пиперидин б – пиран г – пиран

Из конденсированных, содержащих 1 гетероатом:

(можно называть как производные бензола: пирозин - 1,4-диазабензол).

пиримидин пиридазин пиразин пиперазин тиазин

Ароматические гетероциклы.Особенности ароматичности

Ароматическая структура должна содержать 4n +2 обобщенных электронов, которые не участвуют в образовании у – связей.

Пример – бензол: 6 углеродных атомов, находящихся в состоянии SP 2 гибридизации (их валентные электроны находятся в состоянии SP 2 ). Остаются 6 неспаренных электронов, облака которых располагаются перпендикулярно плоскости кольца и образуют не отдельные двойные связи, а единую сопряженную систему. Ароматическая система очень устойчива к действию окислителей (бензол не окисляется KMnO₄, K₂Cr₂O₇ и др.). Практически невозможны реакции присоединения по насыщенным связям (за исключением радикального присоединения).

Ароматичность пятичленных гетероциклов с двумя р – связями объясняется тем, что одна свободная пара электронов O, S или N участвует в ароматической делокализации электронов и образовании ароматического скелета, т. е. 4 Р электрона углеродных атомов и 2 электрона гетероатома.

Для шестичленных гетероциклов 1 или несколько гетероатомов отдают по 1 Р – электрону в ароматический скелет, как, например, в пиридине. Понятно, почему пиридин является основанием (или имидазол), а пиррол не является (сравнение гетероциклов).

При этом, гетероциклы оттягивают на себя электронную плотность.

В пятичленных гетероциклах: повышенная активность к электрофильному замещению (повышенная нуклеофильность углеродных атомов); пониженная нуклеофильность гетероатомов. Особая подвижность протона при атоме N (кислотные свойства протона).

Возросшая способность к нуклеофильному замещению в молекуле пиридина:

группа = N - заместитель второго рода, и как - NO₂ в бензоле ориентирует электрофильное замещение в м-положение, но очень сильно ориентируют нуклеофильное замещение в о- и п- положение (т. е. в б- и г- положение), т. е. по сравнению с бензолом возрастают возможности как электрофильного, так и нуклеофильного замещения.

Образование ароматического скелета, вовлекающего неподеленную пару электронов гетероатома, имеет следствием

1) сумма ароматических свойств гетероцикла;

2) потеря нуклеофильных свойств гетероатомом. Так, N, S, O в пятичленных гетероатомах (тиофен, фуран, пиррол) не способны к комплексообразованию).

Но: так обезличиваются только те гетероатомы, электронные пары которых входят в ароматический секстет; и это не относится ко второму гетероатому пятичленных гетероциклов (напр., имидазол), ни даже к первому гетероатому у шестичленных гетероциклов (пиридин).

Частично или полностью гидрированные гетероциклы – дитетрагидропиридин, дигидрофуран и т. д. по своим функциональным проявлениям похожи на соответствующие алифатические соединения. Оставшиеся двойные связи имеют обычную активность (легко окисляются KMnO₄, реакции присоединения), гетероатом проявляет наличие свободной пары электронов и нуклеофилен.

Наличие гетероатомов, особенно нескольких, в гетероцикле обуславливают большую способность к раскрытию цикла, рециклизации, и особенно к различного рода таутомерным превращениям. Кроме того, некоторые гетероциклы характеризуются наличием одновременно двух типов таутомерии – кето-енольной и имино-имидольной.

Общие методы синтеза и химические свойства гетероциклов

Пятичленные гетероциклы

Фуран, тиофен, пиррол, пиразол, имидазол.

1) Исходные – дегидратация 1,4-дикарбонильных соединений соответственно в присутствии водоотнимающих средств: P₂O₅, P₂S₅, NH₃.

При t = 400 о С в токе газов. соотв.: H₂S, NH₃, H₂O.

3) синтез фурана – дегидратация пентоз (природных):

4) Из слизевой кислоты – продуктов окисления сахаров:

** пиролиз аммониевой соли

Тиофен так нельзя получить.

Классификация, методы синтеза, свойства

По числу атомов в цикле: 3 х , 4 х , 5 ти , 6 ти и 7 ми – членные гетероциклы.

Пятичленные, шестичленные классифицируются по числу и характеру гетеро-атома.

Трехчленные - этиленимин (азиридин):

5 ти – членные с одним гетероатомом:

фуран тиофен пиррол

5 ти – членные с несколькими гетероатомами:

пиразол имидазол 1,3-тиазол 1,3,4-тиадиазол 1,3-оксазол

Если имеются заместители, то за основу берется название гетероцикла, например, 2-метил-1,3-тиазол.

6 ти – членные гетероциклы с одним или несколькими гетероатомами:

пиридин пиперидин б – пиран г – пиран

Из конденсированных, содержащих 1 гетероатом:

(можно называть как производные бензола: пирозин - 1,4-диазабензол).

пиримидин пиридазин пиразин пиперазин тиазин

Ароматические гетероциклы.Особенности ароматичности

При этом, гетероциклы оттягивают на себя электронную плотность.

Возросшая способность к нуклеофильному замещению в молекуле пиридина:

1) сумма ароматических свойств гетероцикла;

Общие методы синтеза и химические свойства гетероциклов

Пятичленные гетероциклы

Фуран, тиофен, пиррол, пиразол, имидазол.

При t = 400 о С в токе газов. соотв.: H₂S, NH₃, H₂O.

Гетероциклические соединения - органические соединения, содержащие в своих молекулах циклы, в состав которых могут входить неуглеродные атомы .

Гетероциклические соединения - органические соединения, содержащие в своих молекулах циклы, в состав которых могут входить неуглеродные атомы. Гетероциклические соединения классифицируют по количеству атомов в цикле и по типу гетероатома.

Шестичленные гетероциклы.

Пиридин C₅H₅N:

Строение гетероциклов .

Пиридин напоминает бензол: все атомы углерода и атом азота находится в sp 2 – гибридизации. Шесть электронов находятся на негибридных орбиталях и образуют π-электронную ароматическую систему. Из 3х гибридных орбиталей атома азота две вступают в образование сигма-связей С-N, а на третьей находится неподеленная пара:

Физические свойства гетероциклов.

Пиридин – бесцветная жидкость, немного легче воды, с неприяным запахом, с водой смешивается в любых пропорциях.

Получение гетероциклов.

Пиридин выделяют из каменноугольной смолы. В лабораторных условиях его можно синтезировать из синильной кислоты и ацетилена:

Химические свойства гетероциклов.

1. Основные свойства гетероциклов. Пиридин – слабое основание, его водных раствор окрашивается в синий цвет:

При реакции с сильными кислотами образуются соли пиридиния:

2. Ароматические свойства гетероциклов. Как и бензол пиридин вступает в реакции электрофильного замещения. Его активность в этих реакция ниже, чем у бензола из-за большой электроотрицательности атома азота. Нитрование проводят при 300 ºС с низким выходом:

3. Гидрирование пиридина, в результате чего образуется пиперидин:

4. Гомологи пиридина подвергаются боковому окислению:

Пиримидин С 4 Н 4 N 2 .

Это шестичленный гетероцикл с 2-мя атомами азота:

Пиримидин менее активен в реакциях электрофильного замещения, и основные свойства его выражены хуже, чем и пиридина.

К пиримидиновым основаниям относят: урацил, тимин, цитозин:

Каждое из этих соединений может существовать в 2х формах – лактим-лактамная таутомерия.

Пятичленные циклы.

Ярким представителем является пиррол C₄H₄NH:

Строение гетероциклов.

Атомы азота и углерода находятся в sp 2 -гибридизации. 2 электрона на негибридной орбитали атома азота образуют π-элеткронную ароматическую систему:

Электронная пара входит в состав ароматической системы, поэтому пиррол практически лишен основных свойств.

Физические свойства гетероциклов.

Пиррол – бесцветная жидкость с запахом хлороформа. Он слабо растворим в воде, но растворим в органических растворителях.

Получение гетероциклов.

Конденсация ацетилена с аммиаком:

Аммонолиз – реакция Юрьева:

Химические свойства гетероциклов.

1. Сильные минеральные соли могут вытянуть электронную пару из ароматической системы, при этом ароматичность нарушается и пиррол превращается в неустойчивое соединение, которое сразу полимеризуется. Такая неустойчивость в кислой среде называется ацидофобностью.

2. Пиролл - очень слабая кислота, поэтому он может реагировать с калием:

3. Электрофильное замещение, сульфирование:

4. Гидрирование. В результате образуется пирролидин:

Интересными свойствами обладают имидазол и пиразол:

Они могут быть в таутомерной форме, т.к. NH - группа проявляет слабые кислотные свойства и способность отдавать протон невелика. Поэтому протон может переходить от одного атома к другому:

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ – один из самых многочисленных классов органических соединений (см. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ), в составе углеводородного цикла они содержат один или несколько гетероатомов: O, N, S (рис. 1).

Рис. 1. ПРОСТЕЙШИЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Классификация гетероциклических соединений.

В зависимости от природы гетероатома различают кислород-, азот- и серосодержащие соединения. Существуют и соединения, в составе которых есть одновременно несколько одинаковых (рис. 2, диоксан) или различных гетероатомов (рис. 2, тиазол, оксазин). Кроме того, их делят на насыщенные соединения (рис. 1, пиперидин) и ненасыщенные, т.е. содержащие кратные связи (рис. 1, фуран, пиридин, тиофен). В зависимости от числа циклических фрагментов в молекуле различают моноядерные – моноциклические соединения (рис. 1) и полиядерные – содержащие несколько циклов, причем циклы могут быть конденсированные (содержать два общих атома, рис. 2, индол), либо соединенные простой связью (рис. 2, бипиридил). В особую группу выделяют макроциклические соединения, так называемые краун-эфиры (crown англ. – корона), содержащие свыше четырех гетероатомов и более десяти звеньев в структуре цикла (звеном называют фрагмент из двух химически связанных атомов, (рис. 2).

Рис. 2. РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ БОЛЕЕ СЛОЖНЫХ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ: с двумя одинаковыми (диоксан), или различными (тиазол, оксазин) гетероатомами. Биядерные соединения: с конденсированными (индол) или разделенными циклами (бипиридил). Краун-эфиры – соединения с крупными циклами (макроциклические).

Номенклатура гетероциклических соединений.

Химические свойства гетероциклических соединений.

Трех- и четырехчленные гетероциклы представляют собой напряженные системы, для них характерны реакции с раскрытием цикла. Этиленоксид (при 150° С и давлении 2 мПа) гидролизуется, образуя этиленгликоль (рис. 4А). Реакция О-содержащих напряженных циклов со спиртами приводит к соединениям с ОН-группой и простой эфирной связью (целлозольвы, рис. 4Б), а при действии на них галогенводородов образуются соединения, содержащие Hal и ОН-группу (галогенгидрины, рис. 4В). N-содержащие напряженные циклы, взаимодействуя с галогеноводородами образуют галогеналкиламины (рис. 4Г).

Рис. 4. ПЯТИ- И ШЕСТИЧЛЕННЫЕ НЕНАСЫЩЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, а также их производные обладают ароматичностью, поэтому их химическое поведение напоминает свойства ароматических соединений (производных бензола) – при различных превращениях циклический фрагмент сравнительно устойчив, а атомы Н при углеродных атомах кольца, как у бензола, могут замещаться разнообразными группами (см. ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ). При сульфировании (рис. 5А), нитровании (рис. 5Б), ацилировании (рис. 5В,Г) атомы Н замещаются соответствующими группами, а цикл сохраняется неизменным. Тем не менее, устойчивость циклических фрагментов в таких соединениях ниже, чем у бензольного цикла, поэтому все реакции замещения проводят в более мягких условиях.

Рис. 5. РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ в гетероциклических соединениях: А – сульфирование, Б – нитрование, В, Г – ацетилирование. Подобно реакциям замещения в бензольном ядре, циклический фрагмент остается неизменным.

Рис. 6. ОБРАЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ СОЛЕЙ с участием шестичленных N-содержащих гетероциклов (А, Б). Хелатные комплексы ионов металлов (В).

При переходе от шестичленных к пятичленным N-содержащим ненасыщенным гетероциклам (пиррол, рис. 7) ситуация меняется. В этом случае неподеленная электронная пара азота (рис. 7, красные точки) вовлечена в образование шестиэлектронной ароматической системы и не может участвовать в образовании донорно-акцепторной связи, в итоге отчетливо проявляются кислотные свойства связи N-H: водород может замещаться металлом (рис. 7). Такие металлопроизводные являются удобными промежуточными соединениями для присоединения к азоту алкильных (рис. 7А) или ацетильных групп (рис. 7Б).

Пятичленный гетероцикл имидазол (рис. 7В), содержащий два атома N, также представляет собой ароматическое соединение – в образовании цикла участвует 6 р-электронов. Интересно, что он обладает одновременно и кислотными и основными свойствами. Атом N в группировке N-H может реагировать как кислота, аналогично пирролу (рис. 7А, Б), второй атом N по свойствам напоминает такой же атом в пиридине, для него характерны реакции, показанные на рис. 6А.

Рис. 7. КИСЛОТНЫЕ СВОЙСТВА ПЯТИЧЛЕННОГО ГЕТЕРОЦИКЛА ПИРРОЛА (А,Б). Сочетание кислотных и основных свойств в имидазоле (В). Два атома N в имидазоле и принадлежащие им электроны отмечены различающимися цветами.

Гетероциклические соединения получают с помощью различных конденсационных процессов, проходящих через стадию замыкания цикла (рис. 8А-В). Протекание таких реакций в нужном направлении стимулируется тем, что в результате образуются сравнительно стабильные гетероароматические соединения. Некоторые гетероциклические соединения получают, взяв за основу соединения сходного состава. При декарбонилировании (удалении СО) фурфурола получают фуран (рис. 8Г, фурфурол – устоявшееся тривиальное название, неточно отражающее состав, правильнее, фурфураль). Гидрирование фурана приводит к тетрагидрофурану (рис. 8Д).

Рис. 8. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

В ненасыщенных пятичленных гетероциклах один гетероатом заменяется другим без изменения циклического фрагмента (рис. 9).

Рис. 9. ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ПЯТИЧЛЕННЫХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ

Многие гетероциклические соединения получают переработкой природных продуктов. Пиррол и индол (рис. 2) содержатся в каменноугольной смоле, тиофен добывают из продуктов коксования каменного угля и термического разложения горючих сланцев, фуран выделяют из продуктов сухой перегонки некоторых пород древесины. Пиридин (рис. 1) получают из каменноугольной смолы, продуктов сухой перегонки дерева и торфа. Фурфурол (рис. 8) получают гидролизом растительного сырья (кукурузных початков, овсяной и рисовой шелухи) в присутствии разбавленных минеральных кислот.

Участие гетероциклических соединений в биологических процессах.

Три соединения – урацил, тимин и цитозин, которые представляют собой производные азотсодержащего гетероцикла пиримидина (рис. 10, в скобках), а также два производных гетероцикла пурина (рис. 10, в скобках) – гуанин и аденин, входят в состав нуклеиновых кислот, порядок чередования этих гетероциклов вдоль полимерных цепей ДНК и РНК определяет всю наследственную информацию живого организма и способ сборки белковых молекул.

Рис.10. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, входящие в состав нуклеиновых кислот

Некоторые аминокислоты (рис. 11), участвующие в образовании белков, также содержат гетероциклические фрагменты: триптофан включает в себя фрагмент индола (рис. 2), в гистидине есть цикл имидазола (рис. 7), пролин – производное пирролидина.

Рис. 11. ПРИСУТСТВИЕ ФРАГМЕНТОВ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ в структуре биологически важных молекул

Для всех соединений (рис. 10), за исключением азетидинона, приведены тривиальные названия, которые утвердились и вошли в употребление до того, как были сформулированы правила систематической номенклатуры.

Применение гетероциклических соединений.

Диоксан (рис. 2) и тетрагидрофуран (рис. 8) широко используют в качестве высокополярных растворителей в органическом синтезе.

Фурфурол (рис. 8) является исходным продуктом для получения фурана (рис. 8), тетрагидрофурана, а также для синтеза некоторых лекарственных препаратов (фурацилин).

При конденсации фурфурола в кислой среде образуются полимерные продукты (фурановые смолы), по строению напоминающие фенольные смолы, – метиленовые группы СН₂, соединяющие гетероциклы (рис. 12А). При нагревании таких смол в присутствии кислотных катализаторов (например, толуолсульфокислота) двойные связи раскрываются с образованием поперечных сшивок, в результате полимер переходит в нерастворимое состояние, что позволяет его использовать в качестве связующего при изготовлении различных наполненных прессматериалов: стекло- и углепластиков, древесноволокнистых плит и т.п. В твердом состоянии фурановые полимеры представляют собой химически стойкие вещества (до 300° С), это позволяет применять их и как коррозийноностойкие и огнеустойчивые герметики и мастики.

При конденсации ароматических тетраминов (4 амино-группы) с эфирами ароматических дикарбоновых кислот (см. СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ) образуются полимеры, в структуре которых в процессе синтеза возникают фрагменты бензимидазола (рис. 12Б). Такие полимеры, получившие название полибензимидазолы, обладают высокой прочностью и термостойкостью (до 500° С), из них изготавливают пленки, волокна (торговое название АРМОС и РУСАР), армированные пластики.

Рис. 12. ПОЛИМЕРЫ, СОДЕРЖАЩИЕ В ЦЕПИ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ ФРАГМЕНТЫ: фурановый полимер (А), полибензимидазол (Б).

Производные бензимидазола входят в состав лекарственных препаратов (дибазол).

Индол (рис. 2) применяют как фиксатор запахов в парфюмерной промышленности и при изготовлении некоторых лекарств (индометацин).

Михаил Левицкий

Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений. М., Мир, 1996
Ким Д.Г. Введение в химию гетероциклических соединений. Соросовский образовательный журнал, т. 7, 2001, № 11

4. Гетероциклические соединения

4.1. Классификация и номенклатура

Гетероатомами могут быть многие элементы, но особый интерес представляют гетероциклы с атомами кислорода, азота, серы. Гетероциклические соединения имеют чрезвычайно важное значение: они входят в состав витаминов, хлорофилла, гемоглобина, нуклеиновых кислот, пигментов, алкалоидов и др. Более половины лекарственных препаратов как растительного происхождения, так и синтетических, содержат в своей структуре гетероциклические фрагменты.

4.1.1. Классификация гетероциклов

В основе классификации гетероциклов лежат различные признаки:

величина цикла;
природа гетероатома;
количество гетероатомов;
степень насыщенности гетероцикла.

В особую группу выделяют конденсированные гетероциклы.

Первичным в классификации гетероциклов является размер цикла, который определяется количеством атомов, входящих в цикл.

По величине цикла различают трех-, четырех-, пяти-, шести-, семичленные гетероциклы.

По природе гетероатомов выделяют кислород-, азот-, серусодержа-щие гетероциклы:

По количеству гетероатомов различают гетероциклы, содержащие один, два, три и более гетероатомов.

По степени насыщенности гетероциклы делятся на насыщенные, ненасыщенные и ароматические:

Примерами конденсированных гетероциклических соединений являются хинолин, пурин и др.

4.1.2. Номенклатура гетероциклов

Для гетероциклических соединений используют тривиальные и систематические названия. Тривиальные названия допускаются номенклатурой ИЮПАК и являются наиболее употребительными.

В систематических названиях гетероциклов отражают природу, количество и положение гетероатомов, размер и степень насыщенности цикла.

В названии выделяют префикс, корень и суффикс. В префиксе отражают природу и количество гетероатомов, в корне – размер цикла, а степень насыщенности – в суффиксе. Для обозначения гетероатомов используют префиксы окса- (кислород), тиа- (сера) и аза- (азот).

Размер цикла обозначается корнями -ир- (трех-), -ет- (четырех-), -ол- (пяти-), -ин- (шести-), -еп- (семичленный), а степень насыщенности – суффиксами -идин (насыщенный цикл с атомом азота), -ан (насыщенный гетероцикл без атома азота), -ин (ненасыщенный цикл).

Для частично восстановленных соединений используют приставку дигидро-, тетрагидро- с указанием номеров атомов, к которым присоединен водород. Если атом водорода присоединен только к одному атому цикла, то в названии указывается номер гидрированного атома и буква Н. В шести- и семичленных азотсодержащих гетероциклах полная насыщенность цикла обозначается приставкой пергидро-. Количество гетероатомов одного вида указывается в названии с помощью множительных приставок ди-, три-, тетра- и т. д. При наличии в молекуле гетероцикла различных гетероатомов их нумерация определяется старшинством: O>S>NH>N. При составлении названий делается ряд упрощений. Например:

Читайте также: