Электронное строение «пиррольного» атома азота

^{a a}

 

Химические свойства пятичленных гетероциклических соединений на примере пиррола.

 

1. Ароматические свойства. Реакция S_Е протекает легче, в более мягких условиях.

SO₂Cl₂

+ SO₂ + HCl

 

a-хлорпиррол

 

 

SO₃

в пиридине

 

a- сульфопиррол

 

2. Основные свойства почти отсутствуют, так как электронная пара втянута в сопряжение: К_оснпиррола=10^-14; К_осн анилина =10^-10. При насильственном протонировании сильными минеральными кислотами ароматическая система нарушается, пиррол превращается в неустойчивый дивиниламин, который быстро полимеризуется с образованием смолы:

Н⁺ полимеризация

смола

 

 

неустойчивый

дивинилимин

Это свойство осмоляться под действием кислот называется «ацидофобностью», и его надо учитывать при выборе реагентов в реакциях электрофильного замещения (см. п.1)

3. Кислотные свойства – тоже слабые. Взаимодействие со щелочными металлами идет с образованием неустойчивых солей.

К/t

+ Н₂

Н₂О

 

 

неустойчивая соль

пирролят калия

 

4. Восстановление (HI, t=30°). Протекает легче из-за меньшей энергии сопряжения по сравнению с бензолом.

 

2[H] 2[H]

 

 

пиррол пирролин пирролидин

 

По мере восстановления основность повышается. Восстановленное пиррольное кольцо входит в состав алкалоидов, аминокислот (пролин, оксипролин). Его производное – N-винилпирролидон применяется в медицине в качестве заменителя плазмы крови и клеящего, связующего материала.

 

 

В природных соединениях ароматический пиррольный цикл часто встречается в различных многоядерных системах, из которых особенно важно ароматическое порфириновое ядро, входящее в состав гемоглобина и хлорофилла. Порфирин имеет единое p- электронное облако, содержащее 26 p- электронов; 22 электрона одиннадцати сопряженных двойных связей и 2 неподеленные пары электронов атома азота. Этот цикл отличается также высокой термодинамической устойчивостью.

Шестичленные гетероциклические системы с одним гетероатомом

Пиридин

^g

^{b b}

^{a a}

С точки зрения электронного строения это аналог бензола, а точнее – нитробензола. Азот, как электроноакцептор, стягивает к себе p- электронное облако, в целом понижая электронную плотность ароматического кольца.

Такая ароматическая система рассматривается как p- недостаточная.

Электронное строение «пиридинового» атома азота

 

 

 

Химические свойства

1. Ароматические свойства. Пиридин вступает в реакции электрофильного замещения (S_E), но из-за p-недостаточности легче протекают реакции нуклеофильного замещения (S_N).

 

H₂SO₄, t=300°

S_E

 

 

(в 3 или 5 положения)

 

 

NH₃, t=200⁰

S_N

(в 2,4,6–положения)

 

2. Основные и нуклеофильные свойства – за счет неподеленной электронной пары пиридинового атома азота. Водный раствор пиридина имеет основную реакцию на индикатор. К_осн =1,7^. 10^-9; К_осн анилина = 4 ^. 10^-10.

₊

H⁺Cl^- Сlˉ Соль -

хлористый

пиридиний

 

⁺

₊

CH₃-Cl^- Clˉ Соль –

хлористый

метилпиридиний

 

3. Восстановление. В отличие от бензола пиридин восстанавливается водородом в момент выделения (Na + C₂H₅OH) с образованием пиперидина (К_осн = 1,33 ^. 10^-3):

6[Н]

 

В катионе пиридиния p- недостаточность выражена еще сильнее, вследствие чего он еще легче вступает во взаимодействие с нуклеофильными реагентами, например с гидрид-ионом ()

 

_-

 

катион восстановленный

алкилпиридиния алкилпиридиний

 

В результате этой реакции алкилпиридиний – катион восстанавливается (принимает электронную пару гидрид-иона). При этом кольцо теряет ароматичность, т.е. переходит от термодинамически более устойчивого состояния к менее устойчивому. В результате обратной реакции происходит окисление и возвращение к более устойчивой структуре.

Пиридиновый цикл входит в состав многих лекарственных средств. Наиболее известным из них является производное никотиновой и изоникотиновой кислот:

 

 

никотиновая кислота амид никотиновой кислоты

витамин РР

 

 

 

 

изоникотиновая гидразид

кислота изоникотиновой

кислоты

Амид никотиновой кислоты (никотинамид) входит также в состав кофермента НАД⁺, являющегося простетической небелковой группой ферментов дегидрогеназ. НАД⁺ является одним из наиболее общих окисляющих агентов в природных системах. Функция его как окислителя состоит в отщеплении Нˉ от органических соединений (спиртов, оксикислот и т.д.).

H

+ R–CH–OH +