Органическая химия (стр. 20 )

Наибольшее значение имеют продукты гидрирования пиррола, которые являются сильными основаниями и при взаимодействии с кислотами образуют соли, которые используют в целях идентификации производных. Кроме того,  гидрированные соединения пиррола входят в состав некоторых аминокислот (пролин), алкалоидов (никотин и др.), лекарственных препаратов (заменитель плазмы крови др.).

Пятичленные гетероциклы  способны вступать в реакцию взаимных превращений цикла при нагревании до 400-450оС в присутствии оксида алюминия (Al2O3) и участия сероводорода (H2S), или аммиака (NH3), или воды (H2O) в соответствии со схемой: 

Индол представляет собой конденсированную систему пиррола и бензола, встречающуюся во многих природных соединениях. Молекула индола относится к ароматическим гетероциклическим соединениям.  Наличие кольца пиррола  приводит к большому сходству в химической активности  индола и пиррола и их производных.  Индол, как и пиррол является слабой кислотой и основанием. Индол вступает в реакции электрофильного замещения в пиррольном кольце по положению 3:

10.2.  Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами

       Гетероциклы, имеющие в составе пятичленного цикла два гетероатома, подразделяют на две группы 1,2-азолы и 1,3-азолы, наиболее значимые из них представлены ниже:

     

  1,2-диазол  1,3-диазол  1,3-тиазол  1,3-оксазол

  (пиразол)  (имидазол)  (тиазол)  (оксазол)

       Азолы являются аналогами пиррола, фурана и тиофена, относятся к ароматическим соединениям, так как содержат 6 p - электронную сопряженную систему. Гетероатомы в зависимости от положения  в цикле вносят различный вклад в сопряженную систему и проявляют различное электронное влияние на распределение электронной плотности в кольце.

Гетероатом в 1-положении вносит два p - электрона в сопряженную систему и проявляет положительный мезомерный (+М) и отрицательный индуктивный (-I) эффекты, а в целом электронодонорный характер, который определяет частичное повышение электронной плотности в положениях 2 и 5 кольца.

Гетероатом во 2 - или 3 - положения вносит один  p - электрон в сопряженную систему и, как более электроотрицательный элемент в сравнении с углеродом, проявляет отрицательнеый мезомерный (-М) и отрицательный индуктивный (-I) эффекты, а в целом электроноакцепторный характер, который определяет частичное понижение электронной плотности в положениях рядом.

Суммарное электронное влияние гетероатомов определяет ориентацию электрофильного замещения в азолах, которое предпочтитнльно в положение атома С-5 для 1,3 - азолов и положение атома С-4, в случае 1,2 - азолов.

Электрофильное замещение в азолах протекает значительно труднее в сравнении  с пирролом, тиофеном и фураном, что обусловлено электроноакцепторным характером гетероатома в положениях 2 или 3. Однако, и в сравнении с бензолом, азолы так же проявляют меньшую активность при взаимодействии с электрофильными реагентами. Со слабыми электрофильными реагентами (реакции алкилирования и ацилирования) азолы вообще не вступают в химическое взаимодействие.  Ниже приведены реакции электрофильного замещения азолов на примере имидазола:

а) бромирование:

  5-бромимидазол

б) нитрование:

  5-нитроимидазол 

в) сульфирование:

 

  имидазол-5-сульфокислота

  Кислотные  и основные свойства свойства. Кислотные свойства характерны только для азолов, имеющих в своем соcтаве пиррольный азот (NH), в котором возможно замещение водорода на металл при взаимодействии с основаниями по реакции:

  N-cеребро имидазол

Азолы проявляют основные свойства за счет электроноакцепторного азота, который находится в кольце в положении 2 или 3 при взаимодействии с кислотами, образующиеся соли хорошо растворимые в воде:

  гидрохлорид имидазола

       Имидазол и пиразол, а так же их производные, обладают высокой устойчивостью к большинству окислителей и восстановителей. Однако, при действии пероксидов, хлорида железа образуются продукты окисления разнообразного строения, в том числе и с размыканием цикла.

10.3.  Отдельные представители

Фуран — бесцвет­ная жидкость, tкип = 31,4°С, с запахом хлороформа, не растворима в воде. Легко окисляется на воздухе. Наиболее важные производ­ные — фурфурол и пирослизевая кислота:

 

  фурфурол  пирослизевая кислота

Фурфурол — бесцветная маслообразная, высококипящая жид­кость (162° С) с запахом печеного ржаного хлеба, в котором он и содержится. Образуется при кислотном гидролизе пентозанов,  которые содержатся в отрубях (рисовые, овсяные). Применяют в разнообразных синтезах лекарственных препаратов (фурацилин или 5-нитрофурфурол).

Тиофен — бесцветная жидкость с запахом бензола, tкип — 84° С. Применяют в разнообразных синтезах.

Пиррол — бесцветная жидкость, tкип = 131°С, с запахом хло­роформа. Производные пиррола широко распространены в природе, к их числу относятся такие важные соединения, как хлорофилл, гемоглобин,  гетероциклические  аминокислоты,  витамин  В12.  Многие из этих соединений содержат в молекуле особую группировку из четырех пиррольных ядер, называемую ядром порфина:

При замещении атомов водорода в в - положении в пиррольных кольцах на радикалы образуются порфирины. Многие важные при­родные соединения являются металлическими производными порфиринов. Пигменты крови человека и животных - гемоглобины, содержат атом железа, являясь хромопротеидами. Их молекула состоит из двух частей - из белковой части (глобинов) и простетической группы - гема.

Зеленые пигменты растений - хлорофиллы, являются магний производными порфинов,  в их молекуле атомы азота пиррольных ядер связаны с магнием:

Хлорофиллу принадлежит выдающаяся роль в усвоении углекислого газа зелеными растениями за счет световой энергии с образованием органического вещества (фотосинтез). Фотосинтез является основным процессом образования органического вещества на Земле. Этот процесс может быть представлен следующей схемой: 

Индол - твердое вещество. В большой концентрации обладает неприятным запахом, но в малой концентрации имеет очень приятный аромат и определяет запах некоторых  цветов (жасмина, акации).  К производным индола относится амино­кислота — триптофан, многие производные индола отно­сятся к стимуляторам роста растений (гетероауксин или 3-индолил уксусная кислота), являются красителями, например, индиго (синий краситель):

а)  б)  в)     

  индиго  триптофан  скатол

Скатол – гомолог индола, является конечным продуктом метаболизма триптофана. Обладает отвратительным запахом фекалий, однако при очень большом разбавлении пахнет жасмином и используется в парфюмерии.

       Практическое значение имеют производные диазолов,  используемые в качестве красителей, лекарственных препаратов различного спектра действия.

10.4.  Задания для самостоятельного решения

Напишите уравнения реакций нитрования ряда следующих соединений:

а) бензол, пиррол, нитробензол;  б) толуол, бензойная кислота, тиофен;

в) пиррол, бензол, имидазол;  г) тиофен, пиррол, имидазол;

д) бензол, пиррол, тиофен, фуран.

  Приведите условия реакций и назовите продукты. Сравните активность  соединений в указанном ряду в реакции нитрования.

Сравните основные свойства соединений и напишите уравнения реакций с соляной кислотой: аминобензола, пиррола, имидазола, пирролина. Назовите природные соединения, в которых основным струкурным компонентом являются пятичленные гетероциклы. Какова их биологическая роль?

Глава 11. Шестичленные гетероциклы

11.1. Структура и реакционная способность азотсодержащих гетероциклов

Шестичленный гетероцикл с атомом азота в кольце называют азин по заместительной номенклатуре, а по тривиальной – пиридин.

Важнейшие гомологи пиридина и его конденсированные производные представлены ниже, в скобках указано тривиальные названия:

        азин (пиридин)  бензазин (хинолин)  дибензазин (акридин)