Гетероциклические соединения

Лекция № 13

Гетероциклические соединения.

План лекции:

1. Классификация гетероциклических  соединений.

2. Пятичленные гетероциклы  с одним гетероатомом.

3. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

4. Шестичленные гетероциклы с двумя атомами азота и их производные.

-1-

Гетероциклические органические соединения – это соединения, в состав которых входят циклы, содержащие один или несколько неуглеродных атомов (гетероатомов), например, атомы азота, кислорода, серы.

Классификация гетероциклических соединений.

Гетероциклические соединения можно классифицировать по числу членов и числу гетероатомов в гетероцикле. В качестве примера  такой классификации на рисунке 1 представлены гетероциклы с одним гетероатомом, а на рисунке 2 (а, б) с двумя и более гетероатомами.

По характеру  химической связи между атомами  цикла различают предельные, непредельные и ароматические гетероциклические соединения (рисунок 3).

Трехчленные гетероциклы  с одним гетероатомом:     этиленоксид                    этиленсульфид (оксиран,  окись этилена)              (тииран)                              этиленимин (азиридин) Пятичленные гетероциклы  с одним гетероатомом:        фуран                      тиофен                пиррол   Шестичленные гетероциклы  с одним гетероатомом:                 α-пиран          γ-пиран        тетрагидропиран            пиридин          пиперидин

 

Рисунок 1 - Гетероциклические соединения с одним гетероатомом

         

Пятичленные гетероциклы  с несколькими гетероатомами:       пиразол                  имидазол          1,3-тиазол         тиазолидин     1,3-оксазол     1,2,3-оксадиазол      1,3,4-тиадиазол      1,2,4-тиадиазол  12,3,4-тетразол   Шестичленные гетероциклы с  несколькими гетероатомами:       пиридиазин     пиримидин            пиразин                         1,3,5-триазин                                                               пиперазин       диоксин                тиазин             оксазин                                морфолин

Рисунок 2 - Гетероциклические соединения с несколькими гетероатомами

 

Предельные Непредельные тетрагидрофуран  пирролидин              пирролин                  пиразолин Ароматические  пиррол                      фуран                   пиридин

Рисунок 3 - Представители предельных, непредельных и ароматических гетероциклических соединений

 

-2-

 ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ОДНИМ

ГЕТЕРОАТОМОМ

Наиболее важными представителями  пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом являются фуран (I), тиофен (II) и пиррол (III).

Эти соединения близки по строению и обладают способностью взаимопревращаться друг в друга

Пиррол, фуран  и тиофен обладают химическими свойствами, характерными для ароматических соединений, и отличаются высокой реакционной способностью (по сравнению с бензолом). Для них характерны реакции электрофильного замещения (например, галогенирование и ацилирование):

                            + 4I₂ + 4NaOH                     + 4NaI + 4Н₂О

 

 

                                                             тетраоидпиррол

 

              + (СН₃СО)₂О                                  + СН₃СООН

 

 

                                                   2-ацетилфуран

а также реакция  гидрирования:

                

 

 

                                             пирролин                 пирролидин

Для пиррола  характерны слабо выраженные кислотные  свойства:

                                     + КОН                   + Н₂О

 

                                                           пирролят      калия

 

 

 

 

Наиболее  важными производными фурана являются фурфурол (IV) и пирослизевая кислота (V):

 

 

 

                фурфурол                              пирослизевая кислота

                        (IV)                                                      (V)

Производными пиррола  являются индол (VI) и аминокислота пролин (VII):

 

 

 

                    индол                            пролин

                      (VI)                                 (VII)

В молекуле индола содержатся пиррольное и бензольное ядра. Производные индола являются красителями и стимуляторами роста растений. Наибольшее практическое значение среди производных индола имеют аминокислота триптофан (VIII) и гетероауксин (IX):

 

 

 

        триптофан                                               гетероауксин

             (VIII)                                                             (IX)

Из пятичленных  гетероциклов с одним гетероатомом наиболее распространенным в природе является пиррол. Ядра пиррола входят в состав хлорофилла, в котором атомы азота пиррольных ядер связаны с магнием (рис. 4). Аналогичной структурой обладает небелковая составляющая гемоглобина – гем, в котором атомы азота пиррольных ядер связаны с атомом железа.

Рисунок 4 - Структура хлорофилла α

 

-3-

 ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ОДНИМ АТОМОМ АЗОТА

Наиболее важными шестичленными  гетероциклами с одним атомом I азота являются пиридин (X), пиперидин (XI) и хинолин (XII):

 

 

 

пиридин (X)          пиперидин (XI)       хинолин (XII)

Пиридин проявляет  основные свойства, а по своей реакционной  способности аналогичен нитробензолу.

При каталитическом гидрировании пиридина образуется пиперидин:

                                   

                                    + 3Н₂

 

 

Фрагменты пиридина и пиперидина входят в состав многих соединений. Например, фрагмент пиперидина входит в состав алкалоидов кониина (XIII) и анабазина (XIV), а фрагмент пиридина наблюдается в составе того же анабазина (XIV), никотиновой кислоты (XV) и никотина (XVI):

 

 

 

 

кониин                       анабазин           никотиновая кислота          никотин

(XIII)                             (XIV)                         (XV)                             (XVI)

 

Хинолин содержит кольца бензола и пиридина и напоминает по своим свойствам пиридин. К  производным хинолина относятся  оксин (XVII) и алкалоид хинин (XVIII):

 

 

 

 

 

 

            оксин                                          хинин

         (XVII)                                         (XVIII)

 

 

-4-

 ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ДВУМЯ АТОМАМИ АЗОТА И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ

В настоящем  пособии из шестичленных гетероциклов с двумя гетероатомами рассмотрим пиримидин (XIX) и пурин (XX):

 

 

 

                                    пиримидин                        пурин 

                                         (XIX)                               (XX)

Оба гетероцикла  представляют собой бесцветные кристаллические  вещества. Пурин, в отличие от пиримидина, является бициклическим гетероциклом, в молекуле которого соединены вместе циклические структуры пиримидина и имидазола.

Среди производных  пиримидина особенно важными являются урацил, тимин, цитозин и барбитуровая кислота (рис. 5), а из пуриновых производных следует отметить особо аденин, гуанин, кофеин, мочевую кислоту    (рис. 6).

 

Пиримидин                                                                                                                                               барбитуровая кислота                                Пиримидиновые основания                      цитозин                   урацил                     тимин

 

Рисунок 5 - Производные пиримидина – пиримидиновые основания: цитозин урацил (У) и тимин (Т) и барбитуровая кислота

 

Пурин         мочевая кислота    Пуриновые основания                 аденин                           гуанин                                    кофеин

 

Рисунок 6- Производные пурина – пуриновые основания: аденин (А), гуанин (Г) и кофеин и мочевая кислота

 

Производные пиримидина и пурина играют большую  роль в жизнедеятельности живых организмов. Так, пиримидиновые и пуриновые основания: урацил, тимин, цитозин, аденин и гуанин, – входят в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Производные барбитуровой кислоты – барбитураты – применяются как снотворные средства, мочевая кислота является конечным продуктом метаболизма пуриновых соединений в организме, а кофеин – эффективный стимулятор работы сердца и центральной нервной системы.

Пиримидиновые основания (рис. 5) имеют слабоосновные  свойства за счет неподеленных электронных  пар атомов азота. Пуриновые основания (рис. 6) обладают слабощелочными свойствами за счет неподеленных электронных пар атомов азота пиримидинового кольца и слабокислотными свойствами за счет группы NH пиразольного кольца.

Цитозин, урацил, тимин (пиримидиновые основания) и  аденин, гуанин (пуриновые основания) входят в состав нуклеиновых кислот. Эти основания могут соединяться  друг с другом за счет водородных связей по Принципу дополнения одного другим и обязательно пиримидинового с пуриновым и в обратном порядке. Например, тимин образует водородные связи с аденином, а цитозин с гуанином:

 

                 аденин                тимин                      гуанин           цитозин

 

Такое явление  образования водородной связи между  строго определенными парами азотистых оснований (аденин – тимин; гуанин – цитозин) называют комплементарностью, а сами основания – комплементарными основаниями. Комплементарность обеспечивает спаривание двух нитей ДНК, соединение фермента с субстратом, антигена с антителом. Образно говоря, комплиментарные структуры подходят друг к другу "как ключ к замку".