ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Учебно-методическое пособие для вузов Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2009 Утверждено научно-методическим советом химического факультета ВГУ 5 марта 2009 года, протокол № 6 Рецензент А.С. <...> Шестаков Составители: Х.С. Шихалиев, М.Ю. Крысин, Н.В. Столповская Методические указания подготовлены на кафедре органической химии химического факультета Воронежского государственного университета. <...> Для специальности 020101 – Химия СОДЕРЖАНИЕ Пятичленные гетероциклические соединения . <...> 56 Шестичленные гетероциклы с двумя атомами азота (диазины) . <...> 70 3 ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Вопросы для самоподготовки Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом (фуран, тиофен, пиррол). <...> Методы построения индольного ядра, основанные на использовании ароматических аминов и арилгидразонов. <...> Химические свойства индола как аналога пиррола, синтез важнейших производных. <...> НОМЕНКЛАТУРА И ИЗОМЕРИЯ ПЯТИЧЛЕННЫХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ Пятичленные моноциклические гетероциклы можно рассматривать как бензол, в котором группировка СН = СН замещена на гетероатом с неподеленной парой электронов – азот, кислород, серу, фосфор, мышьяк и др. <...> Если гетероциклическая система не является полностью ароматической, то для обозначения местоположения метиленовой группы используется символ «обозначенного водорода» -Н (см.: пиррол, пиразол, триазол и др.) <...> 4 O фуран S тиофен 1Н N H 1Н-пиррол 1Н N H 1Н-индол O S тетергидрофуран тиофан N 1Н N H N N H 1Н-пиразол N S S N 1,3-бензтиазол 1Н-имидазол N N S N N H 1Н-бензимидазол Для гидрированных систем возможно существование пространственной изомерии цикла – геометрической, связанной с различными конформациями, а также оптической. <...> . ФУРАН, ТИОФЕН, ПИРРОЛ O β 4 α 5 X 1 3 β 2 α H C3 N H CH3 2,5-диметилпиррол <...>
Гетероциклические_соединения.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Учебно-методическое пособие для вузов
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2009
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Пятичленные гетероциклические соединения ......................................... 4
Номенклатура и изомерия пятичленных гетероциклов......................... 4
Фуран, тиофен, пиррол .................................................................................. 5
Общие методы синтеза .................................................................................... 6
Специфические методы синтеза ...................................................................... 6
Электронное строение, ароматичность........................................................... 8
Свойства фурана, тиофена и пиррола ............................................................. 9
Индол ................................................................................................................. 17
Методы синтеза ................................................................................................. 17
Электронное строение, ароматичность........................................................... 18
Свойства индола................................................................................................ 19
Пятичленные гетероциклы с несколькими гетероатомами .................. 23
Пиразол, имидазол. ......................................................................................... 24
Методы синтеза ................................................................................................. 24
Электронное строение. ..................................................................................... 26
Химические свойства........................................................................................ 26
Оксазол, тиазол. Методы синтеза.................................................................... 28
Электронное строение ...................................................................................... 30
Химические свойства........................................................................................ 30
Триазолы, тетразол. Методы синтеза.............................................................. 31
Электронное строение ...................................................................................... 32
Химические свойства........................................................................................ 32
Шестичленные гетероциклические соединения....................................... 33
Номенклатура и изомерия шестичленных гетероциклов ...................... 33
Пиридин. ........................................................................................................... 35
Методы синтеза пиридинов ............................................................................. 36
Электронное строение, ароматичность........................................................... 38
Свойства пиридинов. ........................................................................................ 39
Химические свойства производных пиридина .............................................. 43
Хинолин, изохинолин ..................................................................................... 50
Строение хинолина (изохинолина), ароматичность...................................... 53
Химические свойства........................................................................................ 54
Производные хинолина и изохинолина.......................................................... 56
Шестичленные гетероциклы с двумя атомами азота (диазины) .......... 59
Пиримидин ....................................................................................................... 59
Строение и химические свойства пиримидина.............................................. 62
Производные пиримидина................................................................................ 64
Пурин................................................................................................................. 67
Список литературы ........................................................................................... 70
3
Стр.3
ОБЩИЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА
1. Получение из 1,4-дикарбонильных соединений. Взаимодействие
1,4-дикарбонильных соединений с аммиаком, оксидом фосфора (V) и
сульфидом фосфора (V) приводит к образованию соответствующих пятичленных
гетероциклов, реакцию проводят при нагревании (синтез Пааля–
Кнорра). Первой стадией является енолизация дикарбонильного соединения.
NH3
R'
P2O5
R'
O
O
R
R'
OH OH
P2S5
R'
S
R
2. Взаимные каталитические превращения (Цикл Юрьева). Над
катализатором (Al2O3) при нагревании (400–500 °С) фуран в присутствии
аммиака превращается в пиррол, а в присутствии сероводорода – в тиофен.
Возможны и обратные превращения.
NH3
O
H2S
S
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА
1. ФУРФУРОЛ
а) из альдопентоз. Альдопентозы в присутствии кислоты циклизуются,
образуя фурфурол. Декарбонилирование последнего приводит к
фурану;
6
H2O
H2O
H2S
NH3
N
H
R
R'
O R
N
H
R
Стр.6
HO
H O
HO
OH
Н
O
Н
+
Н
O
O
фурфурол
б) из сахарных кислот. Сахарные кислоты в присутствии кислоты
при нагревании циклизуются с образованием 2-фуранкарбоновой (пирослизевой)
кислоты, декарбоксилирование которой приводит к образованию
фурана;
HO
H O
OH
СООН СООН
OH
Н
+
- СО2
O
- Н2О пирослизевая
кислота
O
ОН - СО2
O
- СО
O
2. ТИОФЕН
а) из каменноугольной смолы. Перегоняется совместно с бензолом,
отделяют от бензола химическим путем. Например, обработкой концентрированной
серной кислотой при 20 °С (в этих условиях сульфируется
только тиофен вследствие большей реакционной способности);
б) из бутана. Из бутана тиофен получают в промышленности.
Взаимодействие с серой проводят при температуре порядка 600 °С;
4 S
СН3СН2СН2СН3
- 3 H2S
S
в) по реакции Чичибабина. В присутствии катализатора (Al2O3) и
при температуре 400–450 °С можно получить тиофен из ацетилена и сероводорода.
СН
СН
+
H2S
7
СН
СН
Al2O3
S
Стр.7
3. ПИРРОЛ
а) из аммонийных солей сахарных кислот. При нагревании с аммиаком
сначала образуется соль пиррол-2,5-дикарбоновой кислоты. В условиях
реакции протекает дезаминирование и декарбоксилирование;
HO
H O
H4NOOC
OH
СОONH4
OH
NH3
H4NO
O
нимида с цинковой пылью;
Zn
O
сукцинимид
N
H
O
N
H
в) по реакции Чичибабина. В присутствии катализатора (Al2O3) и
при температуре 400–450 °С можно получить пиррол из ацетилена и аммиака.
СН
СН
NH3
+
СН
СН
Al2O3
N
H
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ, АРОМАТИЧНОСТЬ
Молекулы пиррола, фурана и тиофена содержат систему сопряженных
связей и атом с неподеленной парой электронов. Формально образуется
плоская циклическая сопряженная система с шестью π-электронами (четыре
электрона от двух двойных связей и два – от гетероатома). Поэтому
можно считать, что действует правило Хюккеля и эти соединения имеют
«ароматический» характер.
δ
δ
-
-
Х
δ
..
+
8
δ
δ
-
-
N
H
O
ONH4
- СО2
- NH3
N
H
б) из сукцинимида. Пиррол образуется также при перегонке сукци
Стр.8