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 B6). Никотин - стимулятор и яд содержится в стеблях и листьях табака.











 Никотин Пиридоксин (витамин В6)

 

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+, NO2+, SO3OH+ 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)



Суммарно:





(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 



Пиридин 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 HgSO4 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?