Ароматические гетероциклические соединения
АРОМАТИЧЕСКИЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Введение
1. Пиридин
1.1. Получение
1.2. Реакции по атому азота
1.3. Реакции электрофильного замещения
1.4. Реакции нуклеофильного замещения
1.5. Окисление и восстановление
2. Хинолин
Введение
Гетероциклическими называют соединения, содержащие циклы, включающие один или несколько гетероатомов. Наиболее устойчивыми являются пяти- и шестичленные циклы.
Гетероциклические соединения встречаются во многих природных соединениях и производятся в больших масштабах в промышленности. В данной главе мы будем рассматривать главным образом гетероциклические соединения, обладающие ароматическим характером. Такие гетероциклы называют гетероароматическими.
Существуют пятичленные, шестичленные и т.д. гетероциклы, обладающие ароматическим характером. Наиболее изученными из них являются пяти- и шестичленные соединения, поскольку их производные особенно распространены в природе и часто являются промышленными продуктами. В циклы этих соединений могут входить один, два и большее количество гетероатомов, причем как одинаковых, так и разных. Большинство из них имеют традиционные названия.
Большое значение имеют такие соединения, в которых указанные гетероциклы сконденсированы с другими кольцами.
Урацил Тимин Цитозин Индол Хинолин
1. Пиридин
Наиболее важным шестичленным гетероциклическим соединением является пиридин. Cтруктура пиридина во многом сходна со структурой бензола. Длина связи СС в нем составляет 0,139 нм, а связи СN - 0,137 нм.
Строение и стабильность пиридина и его ярко выраженный ароматический характер является следствием высокой степени делокализации электронов, пять из которых дают атомы углерода, а шестой - атом азота. Свободная пара электронов на атоме азота находится на s-орбитали, а потому не может участвовать в сопряжении.
Пиридин используется как растворитель и основной катализатор.
Пиридиновое кольцо встречается во многих природных соединениях (никотин, витамин B>6>). Никотин - стимулятор и яд содержится в стеблях и листьях табака.
Никотин Пиридоксин (витамин В>6>)
1.1. Получение
Пиридин получают пропусканием смесии ацетилена с циановодородом в молярном соотношении 2:1 через раскаленные трубки.
(1)
1.2. Реакции по атому азота
Пиридин является основанием и в присутствии кислот протонизируется:
(2)
Пиридинийхлорид
Пиридин реагирует с оксидом серы (VI) образуя пиридинсульфотриоксид:
(3)
Пиридинсульфотриоксид
Как любой третичный амин пиридин окисляется пероксидом водорода или надкислотами:
(4)
N-Оксипиридин
(N-окись пиридина)
(5)
Этилпиридинийбромид
Упр.1. Напишите реакцию пиридина с (а) соляной кислотой, (б) метилйодидом, (в) перекисью водорода.
Упр.2. Пиридинсульфотриоксид можно получать: (а) пропуская в пиридин пары оксида серы (VI), (б) медлено прибавляя к пиридину хлорсульфоновую кислоту. Напишите соответствующие реакции.
1.3. Реакции электрофильного замещения
Реакции электрофильного замещения с пиридином проходят сложнее, чем с бензолом, так как атом азота дезактивирует ароматическое ядро.
Присутствие основного атома азота в пиридиновом кольце препятствует реакции электрофильного замещения, т. к. катионы Br+, NO>2>+, SO>3>OH+ и RCO+, обычно замещающие атомы водорода в бензольном кольце, фиксируются атомом азота и делают его положительно заряженным, что дезактивирует кольцо.
Возникающий пиридиний - катион чрезвычайно нереакционноспособен по отношению к электрофильным реагентам из-за своего положительного заряда на атоме азота.
При атаке электрофила по - или -положению возникает крайне неустойчивый катион в то время как при атаке по -положению он не особенно неустойчив:
Очень неустойчив
Неустойчив
(6)
(7)
Упр.3. Напишите реакции (а) нитрования и (б) сульфирования пиридина и опишите их механизм.
1.4. Реакции нуклеофильного замещения
Наибольшее значение для пиридина имеют реакции нуклеофильного замещения. При нагревании пиридина с амидом натрия образуется
2-аминопиридин (реакция Чичибабина):
(9)
2-Аминопиридин
(-аминопиридин)
Реакция проходит по следующему механизму:
(М
1)
На практике гидрид натрия далее реагирует с -аминопиридином давая натриевое производное аминопиридина:
(10)
Прибавление воды высвобождает -аминопиридин:
(11)
С
уммарно:
(13)
Взаимодействие пиридина со щелочью приводит к образованию 2-гидрокси-пиридина, существующего, как и -аминопиридин, в двух таутомерных формах:
(14)
2-Пиридинол 2-Пиридинон
Упр.4. Напишите таутомерные формы -аминопиридина.
При действии на пиридин литийорганических соединений -атом водорода замещается на углеводородный радикал:
(15)
-Бутилпиридин
(16)
-Фенилпиридин
Упр.5. Напишите реакции получения (а) 2-аминопиридина,
(б) 2-гидроксипиридина, (в) 2-бутилпиридина, (г) 2-фенилпиридина и опишите их механизм.
1.5. Окисление и восстановление пиридина
Пиридиновое, как и бензольное кольцо устойчиво к окислению. Все три
(, и ) пиколина окисляются перманганатом калия в пиридинкарбоновые
(, и -пиколиновые) кислоты:
(17)
Пиколины Пиколиновые кислоты
Никотин может быть окислен в никотиновую кислоту:
(18)
Никотин Никотиновая кислота
Никотиновую кислоту (витамин Р) синтетически получают по следующей схеме:
(19)
-Пиридинсульфокислота Никотиновая кислота
П
иридин
восстанавливается легче бензола.
Например, натрием в спирте он
восстанавливается в пиперидин:
(20)
Пиперидин
Упр.6. Напишите реакции окисления (а) -пиколина, (б) никотина.
Упр.7. Напишите уравнения реакций взаимодействия пиридина со следующими реагентами: (а) нитратом натрия и серной кислотой (при 370оС);
(б) олеумом (в присутствии HgSO>4> при 230оC); (в) амидом натрия, затем водой;
(г) гидроксидом калия в присутствии окислителя; (д) фениллитием;
(е) н-бутиллитием.
2. ХИНОЛИН
Хинолин и его гомологи содержатся в каменноугольной смоле. Существует много синтетических методов получения хинолина. Из них наиболее широко используемым является метод Скраупа. По методу Скраупа хинолин получают нагреванием анилина с глицерином в концентрированной серной кислоте в присутствии мягко действующего окислителя, такого как нитробензол:
(21)
Реакция проходит по следующему механизму:
(М 2)
По свойствам хинолин очень напоминает пиридин. Он вступает в реакции электрофильного замещения. Эти реакции протекают легче чем в случае пиридина и осуществляются по бензольному кольцу:
(22)
(23)
Реакции нуклеофильного замещения протекают наоборот по пиридиновому кольцу, причем для образующихся амино- и оксихинолинов возможна таутомерия:
(24)
(25)
Упр.8. Напишите реакции нитрования и сульфирования хинолина. В какое кольцо - пиридиновое или бензольное вступает заместитель?
Упр.9. Аналогично пиридину хинолин вступает в реакцию Чичибабина с образованием 2-аминохинолина. Напишите уравнение реакции. По какому механизму идет эта реакция?