Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Группа пиридина.

Пиридин является наиболее ярко выраженным представителем ароматиче­ских гетероциклов. По строению он аналогичен бензолу, только вместо одного звена —СН= содержит в кольце звено —N=. Согласно методу валентных схем, он представляет собой резонансный гибрид нескольких предельных структур, основной вклад в который вносят структуры, подобные бензолу по Кекуле.

Все атомы углерода и атом азота находятся в состоянии sp²-гибридизации, и все σ-связи (С—С и С—N) лежат в одной плоскости. У атома азо­та из трех его гибридных орбиталей две образуют σ-связи с атомами углерода, а третья содержит неподеленную пару электронов. На негибридной р-орбитали, расположенной перпендикулярно плоскости σ-скелета, находится один электрон, благодаря которому атом азо­та участвует в образовании единого электронного облака с р-орбиталями пяти атомов углерода. Атом азота с такой электронной конфигураци­ей называют пиридиновым.

Таким образом, молекула пиридина отвечает критериям ароматичности, сформулированным для ароматических углеводородов, а именно имеет плоский σ-скелет, сопряженную замкнутую электронную систему, ох­ватывающую все атомы цикла и содержащую шесть π-электронов, удовлетво­ряя формуле Хюккеля (4п + 2 при п = 1). В этом отношении пиридин изоэлектронен бензолу.

В то же время имеет ряд отличий от бензола. Во-первых, его молекула не представляет собой правильный шестиугольник, так как связь С—N короче связей С—С и, как следствие, валентные углы отличаются. Во-вторых, пиридин обладает значительным дипольным моментом.

Пиридин и другие гетероциклы, содержащие атом азота пиридинового ти­па (хинолины, диазины), называют π-дефицитными, или π-недостаточными, системами. Их отнесение к π-дефицитным сделано на основе электроноак­цепторных свойств гетероатома, что приводит к дефициту электронов на ато­мах углерода. Важной особенностью π-электронного распределения в пиридине являет­ся чередование частичных зарядов в кольце: атомы С-2 и С-6 (называемые также α-положениями), а также С-4 (γ-положение) имеют частичный по­ложительный заряд, т. е. они наиболее электронодефицитны, тогда как атомы С-3 и С-5 (β-положения) заряжены слегка отрицательно.

Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

К ним относится пиррол, фуран и тиофен — представляют собой плоские пятиугольники с че­тырьмя атомами углерода и соответствующим гетероатомом — азотом, кисло­родом или серой — в состоянии sp²-гибридизации.

Пиррол, как и пиридин, содержит sр²-гибридизованный атом азота, но в иной конфигурации. На негибридной р-орбитали находится па­ра электронов, а гибридные орбитали содержат по одному электрону. Две гиб­ридные орбитали образуют связи с атомами углерода, а третья участвует в образовании σ-связи с атомом водорода. Атом азота с рассмотренной конфигурацией называют пирольным. Пять негибридных орбиталей, перекрываясь, образуют единое шести­электронное облако, и пиррол, таким образом, удовлетворяет структурным критериям ароматичности.

В фуране и тиофене неподеленная пара электронов соответственно атомов кислорода и серы, находящаяся на негибридной р-орбитали, как и у пирроль­ного атома азота, включается в сопряжение с р-электронами атомов углерода с образованием ароматического секстета.

По своему электронному строению пиррол, фуран и тиофен изоэлектронны циклопентадиенид-иону, но в отличие от него молекулы гетеро­циклов не представляют собой правильные пятиугольники. Пиррол, фуран и тиофен относятся к π-избыточным гетероциклам, так как в них число электронов, образующих ароматическую систему, превышает об­щее число атомов в цикле (соотношение равно 6:5).

Конденсирован­ные системы.

Хинолин и изохинолин представляют собой изомерные конденсирован­ные системы пиридина и бензола, различающиеся способом сочленения ко­лец. Этим гетероциклам родственна конденсированная система пиридина и двух бензольных колец, называемая акридином. Ряд синтетических производ­ных всех трех гетероциклов применяется как лекарственные средства и кра­сители. К природным производным хинолина и изохинолина относятся не­которые алкалоиды.

Хинолин и изохинолин, сочетающие в себе два ароматических цикла, также являются ароматическими системами: они удовлетворяют правилу Хюккеля (десять π-электронов в едином сопряжении) и остальным структурным крите­риям ароматичности. Будучи изоэлектронными нафталину, оба гетеро­цикла сочетают в себе химические свойства пиридина и нафталина. Эти свойст­ва хинолина и изохинолина во многом сходны и поэтому рассматриваются в основном на примере хинолина как более распространенного гетероцикла.

Молекула пурина представляет собой конденсированную систему пи­римидина и имидазола. По всем критериям пурин относится к ароматическим соединениям. Его сопряженная система включает 10 р-электронов — по одному от атомов угле­рода и трех атомов азота пиридинового типа (N-1, N-3 и N-7 или N-9, в зави­симости от таутомерной формы) и два электрона атома азота пиррольного типа. Молекула пурина в целом представляет собой высоко π-недостаточную систему, хотя имидазольное кольцо обладает небольшой π-избыточностью:

 

Представители.

Пиррол -наибольшее распространение в растительном и животном мире имеют производные пиррола, являющиеся структурными фрагментами гема и хлорофиллов, пигментов желчи, ряда антибиотиков и ал­калоидов. Пиррол умеренно токсичен, его пары вызывают стойкое и упорное повышение температуры тела.

Индол служит исходным сырьём для синтеза гетероауксина, триптофана, используется в парфюмерной и фармацевтической промышленности. Многие алкалоиды содержат ядро индола.

Имидазол — структурный фрагмент витамина В₁₂, некоторый алкалоидов, белковой аминокислоты гистидина и ее метаболита — биогенного амина гистамина, а также некоторый лекарственный средств. Вместе с шестичленным гетероциклом пиримидином он образует конденси­рованную гетероциклическую систему пурина.

Оксазол используется в фотографии, как флуоресцентный отбеливатель, антиоксидант. Многие оксазолы входят в состав ЛС, обладающих анальгезирующим, жаропонижающим, антибиотическим действием.

Пиримидин. Ядро пиримидина входит в состав нуклеиновых кислот, витаминов (B1), антибиотиков (амицетин, блеомицин), ЛС (барбитураты, пиримидиновые сульфамиды), сильных ядов, коэнзимов и др.

Пурин. Производные, содержащие систему пурина, широко распространены в природе и играют большую роль во многих биологических. биол. процессах. Важнейшие производные пурина - аденин, гуанин (пуриновые основания), гипоксантин, кофеин (пуриновые алкалоиды), мочевая кислота.

Ядро пурина входит в состав некоторых антибиотиков и нуклеотидов, являющихся структурными фрагментами нуклеиновых кислот. Пурин и ряд его производных обладают противоопухолевой, противовирусной и противоаллергической активностью.

Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом: электронное строение, ацидофобность; кислотно–основные свойства пиррола; реакции электрофильного замещения, ориентация замещения, особенности нитрования, сульфирования, бромирования ацидофобных гетероциклов. Представители: пиррол, тиофен, фуран, пирролидин, тетрагидрофуран.

 

Поскольку пиррол, фуран и тиофен имеют сходное электронное строение, в их химическом поведении имеется много общего.