Химия Ароматни хетероциклични съединения, Учебно ръководство - Преподава не!
АРОМАТНИ ХЕТЕРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ
1.2. Реакции при азотния атом
1.3. Реакции на електрофилно заместване
1.4. Реакции на нуклеофилно заместване
1.5. Окисление и редукция
Съединения, съдържащи пръстени, съдържащи един или повече хетероатоми, се наричат хетероциклени съединения. Най-стабилни са пет- и шестчленните цикли.
Хетероцикличните съединения се намират в много естествени съединения и се произвеждат комерсиално в голям мащаб. В тази глава ще се занимаваме главно с хетероциклични съединения, които имат ароматен характер. Такива хетероцикли се наричат хетероароматни.
Има петчленни, шестчленни и т.н. ароматни хетероцикли. Най-изследваните от тях са пет- и шестчленните съединения, тъй като техните производни са особено разпространени в природата и често са индустриални продукти. Циклите на тези съединения могат да включват един, два или повече хетероатома, както еднакви, така и различни. Повечето от тях имат традиционни имена.
От голямо значение са онези съединения, в които тези хетероцикли са кондензирани с други пръстени.
Урацил Тимин Цитозин Индол Хинолин
Най-важното шестчленно хетероциклено съединение е пиридинът. Структурата на пиридина е до голяма степен подобна на тази на бензена. Дължината на C-C връзката в него е 0,139 nm, а C-N връзката е 0,137 nm.
Структурата и стабилността на пиридина и неговият ясно изразен ароматен характер са резултат от висока степен на делокализация на електрони, пет от които дават атомивъглерод, а шестият е азотен атом. Свободна двойка електрони на азотния атом е в s-орбитала и следователно не може да участва в конюгацията.
Пиридинът се използва като разтворител и основен катализатор.
Пиридиновият пръстен се намира в много природни съединения (никотин, витамин B6). Никотинът е стимулант и отрова, открита в стъблата и листата на тютюна.
Никотин Пиридоксин (Витамин B6)
Пиридинът се получава чрез преминаване на смес от ацетилен и циановодород в моларно съотношение 2:1 през горещи тръби.
1.2. Реакции при азотния атом
Пиридинът е основа и се протонизира в присъствието на киселини:
(2)
Пиридинът реагира със серен оксид (VI), за да образува пиридин сулфотриоксид:
Както всеки третичен амин, пиридинът се окислява от водороден пероксид или перкиселини:
Пример 1.Напишете реакцията на пиридин с (а) солна киселина, (б) метил йодид, (в) водороден пероксид.
Пример 2.Пиридин сулфотриоксид може да се получи чрез (а) преминаване на пари от серен (VI) оксид в пиридин, (б) бавно добавяне на хлоросулфонова киселина към пиридин. Напишете подходящите реакции.
1.3. Реакции на електрофилно заместване
Реакциите на електрофилно заместване с пиридин са по-трудни, отколкото с бензен, тъй като азотният атом деактивира ароматното ядро.
Наличието на основния азотен атом в пиридиновия пръстен предотвратява реакцията на електрофилно заместване, тъй като катионите Br +, NO2 +, SO3OH + и RCO +, които обикновено заместват водородните атоми в бензеновия пръстен, се фиксират от азотния атом и го правят положително зареден, което деактивира пръстена.
Полученият пиридиниев катион е изключително нереактивен по отношение на електрофилни реагенти поради своятаположителен заряд на азотния атом.
Когато електрофилът е атакуван в a- или c-позиция, се появява изключително нестабилен катион, докато когато е атакуван в b-позиция, той не е особено нестабилен:
Пример 3.Напишете реакциите (а) нитриране и (б) сулфониране на пиридин и опишете техния механизъм.
1.4. Реакции на нуклеофилно заместване
Реакциите на нуклеофилно заместване са от най-голямо значение за пиридина. Когато пиридинът се нагрява с натриев амид,
2-аминопиридин (реакция на Чичибабин):
Реакцията протича по следния механизъм:
(M 1)
На практика натриевият хидрид взаимодейства допълнително с a-аминопиридин, за да се получи натриево производно на аминопиридин:
(10)
Добавянето на вода освобождава a-аминопиридин:
Обща сума:
Взаимодействието на пиридин с алкали води до образуването на 2-хидрокси-пиридин, който, подобно на а-аминопиридина, съществува в две тавтомерни форми:
Пример 4.Напишете тавтомерните форми на a-аминопиридин.
Под действието на органолитиевите съединения върху пиридина, а-водородният атом се заменя с въглеводороден радикал:
(15)
Упражнение 5.Напишете реакциите за получаване на (а) 2-аминопиридин,
(b) 2-хидроксипиридин, (c) 2-бутилпиридин, (d) 2-фенилпиридин и опишете техния механизъм.
1.5. Окисляване и редукция на пиридин
Пиридиновият пръстен, подобно на бензеновия, е устойчив на окисление. И трите
(a, b и c) пиколините се окисляват с калиев перманганат до пиридинкарбоксилова киселина
(a,b и g-пиколинова) киселини:
(17)
Пиколини Пиколинови киселини
Никотинът може да се окисли до никотинова киселина:
Никотин Никотинова киселина
Никотинова киселина (витамин Р) синтетичнополучават по следната схема:
(19)
b-пиридин сулфонова киселина Никотинова киселина
Пиридинът се редуцира по-лесно от бензена. Например, с натрий в алкохол, той се редуцира до пиперидин:
Упражнение 6.Напишете реакциите на окисление на (а) c-пиколин, (б) никотин.
Упражнение 7.Напишете уравненията на реакцията за взаимодействие на пиридин със следните реагенти: (а) натриев нитрат и сярна киселина (при 370 ° C);
б) олеум (в присъствието на HgSO4 при 230°C); в) натриев амид, след това вода;
г) калиев хидроксид в присъствието на окислител; д) фениллитий;
Хинолинът и неговите хомолози се намират в каменовъглен катран. Има много синтетични методи за получаване на хинолин. От тях най-широко използваният е методът на Скрауп. Съгласно метода на Skraup, хинолинът се получава чрез нагряване на анилин с глицерол в концентрирана сярна киселина в присъствието на мек окислител като нитробензен:
Реакцията протича по следния механизъм:
(M 2)
 | |
 | |
Свойствата на хинолина са много подобни на пиридина. Влиза в реакции на електрофилно заместване. Тези реакции протичат по-лесно, отколкото в случая на пиридин и се извършват при бензеновия пръстен:
Реакциите на нуклеофилно заместване протичат обратно по протежение на пиридиновия пръстен и е възможна тавтомерия за получените амино- и хидроксихинолини:
Упражнение 8.Напишете реакциите на нитриране и сулфониране на хинолин. В кой пръстен - пиридинов или бензенов влиза заместителят?
Пример 9.Подобно на пиридина, хинолинът реагира с чичибабин, за да образува 2-аминохинолин. Напишете уравнението на реакцията. На каквомеханизъм на тази реакция?