Гетероциклические соединения презентация

Гетероциклические соединения
Пятичленные ароматические гетероциклы

Пятичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом

Природные и синтетические производные пятичленных гетероциклов

Общие способы получения фурана, пиррола и тиофена
1. Синтез из 1,4-дикарбонильных соединений (реакция Пааля-Кнорра, 1884 г.)

2. Взаимные переходы пятичленных гетероциклов (реакция Юрьева, 1935 г.)
Общие способы получения фурана, пиррола и тиофена
Практическое значение имеют реакции получения пиррола и тиофена из фурана (выход 30-40%).
Выход в остальных превращениях не превышает 2%.

Синтез пиррола из α-аминокетонов и карбонильных соединений с активированной метиленой группой в α-положении к карбонильной (реакция Кнорра, 1884 г.)

Строение пятичленных гетероароматических систем
Критерии ароматичности:
Плоская сопряженная циклическая система
Правило Хюккеля 4n+2=6, где n = 1
Гетероатом предоставляет свою электронную пару в цикл для образования ароматической системы!
π-Избыточные
гетероциклы

Строение пиррола
Атом азота находится в sp2-гибридизации
Три σ-связи азота лежат в плоскости кольца Неподеленная электронная пара находится на перпендикулярной p-орбитали и участвует в сопряжении с π-орбиталями атомов углерода с образованием 6π-электронной системы

Реакции электрофильного замещения в пятичленных ароматических гетероциклах
Ориентация электрофильного замещения в фуране, пирроле и тиофене
Легко вступают в реакции электрофильного замещения по любому положению в цикле, но предпочтительнее по α-положениям!

Ацидофобность фурана и пиррола
Под действием минеральных кислот и кислот Льюиса раскрываются и полимеризуются
Фуран
Пиррол
Химические свойства

Нитрование
Фуран
Пиррол
Тиофен

Сульфирование
Фуран
Пиррол
Тиофен

Галогенирование
Фуран
Пиррол
Тиофен

Формилирование
Фуран
Пиррол
Тиофен

Ацилирование
Фуран
Пиррол
Тиофен

Реакции [4+2] циклоприсоединения
(реакция Дильса-Альдера)
Фуран
Пиррол

Специфические химические свойства пиррола
1. Алкилирование и ацилирование солей пиррола

Специфические химические свойства пиррола
2. Реакция с пара-диметиламинобензальдегидом (реакция Эрлиха)

Специфические химические свойства пиррола
3. Реакция с формальдегидом (синтез порфирина)

Природные и синтетические замещенные индолы

Синтез производных индола из фенилгидразина и карбонильных соединений (реакция Фишера, 1883 г.)

Несимметричные карбонильные соединения в реакции Фишера

Строение индола (бензо[b]пиррола)
Критерии ароматичности:
Плоская сопряженная циклическая система
Правило Хюккеля 4n+2=10, где n = 2 Атом азота предоставляет свою электронную пару в цикл для образования ароматической системы!
π-Избыточный
гетероцикл

Строение индола
Атом азота находится в sp2-гибридизации
Три σ-связи азота лежат в плоскости кольца Неподеленная электронная пара находится на перпендикулярной p-орбитали и участвует в сопряжении с π-орбиталями атомов углерода с образованием 10π-электронной системы

Реакции электрофильного замещения в индолах
Ориентация электрофильного замещения в индоле
При наличии заместителя в положении 3 происходит ипсо-атака электрофилом, а затем миграция одного из заместителей в положение 2.
Для 2,3-дизамещенных индолов реакции электрофильного замещения идут по бензольному кольцу.

Нитрование
Сульфирование
Галогенирование
Аналогично пирролу индол ацидофобен, поэтому выбор условий электрофильного замещения требует тех же самых предосторожностей, что и в случае пиррола.

Формилирование
Ацилирование

Специфические химические свойства индола
1. Алкилирование и ацилирование солей индола

Специфические химические свойства индола
2. Реакция с пара-диметиламинобензальдегидом (реакция Эрлиха)

Гетероциклические соединения
Шестичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом

Природные и синтетические замещенные пиридины

Синтез симметричных производных пиридина из 1,3-дикарбонильных соединений, альдегидов и аммиака (реакция Ганча, 1882 г.)

Механизм реакции Ганча

Синтез несимметричных дигидропиридинов Ганча в две стадии

Строение пиридина
Критерии ароматичности:
Плоская циклическая система
Сопряженные двойные связи
Правило Хюккеля 4n+2=6, где n = 1 Атом азота предоставляет один неспаренный электрон в цикл для образования ароматической системы!
Неподеленная электронная пара атома азота находится вне цикла!
π-Дефицитный
гетероцикл

Строение пиридина
Атом азота находится в sp2-гибридизации
Две σ-связи азота лежат в плоскости кольца Один неспаренный электрон находится на p-орбитали и участвует в сопряжении с π-орбиталями атомов углерода с образованием 6π-электронной системы
Неподеленная электронная пара, находясь на гибридной орбитали, направленной вне кольца, придает пиридину основные свойства

Сравнение строения пиридина и пиррола
Неподеленная электронная пара участвует в сопряжении с π-орбиталями атомов углерода с образованием 6π-электронной системы
Пиррол слабая NH-кислота с pKa = 16.5
π-избыточный гетероцикл
Электрофильное замещение протекает легко по всем положениям (преимущественно по α-положению)
Нуклеофильное замещение не характерно
Неподеленная электронная пара не участвует в сопряжении
Пиридин слабое основание c pKb = 8.96
π-дефицитный гетероцикл
Электрофильное замещение протекает в жестких условиях по β-положению
Нуклеофильное замещение протекает по α- и γ-положениям

Пиридин как основание
Электронодонорные заместители в пиридине обычно увеличивают основность
Электроноакцепторные заместители в пиридине уменьшают основность
Объемные заместители в положении 2 и 6 препятствуют протонированию атома азота, следовательно уменьшают его основность

Алкилирование, ацилирование и комплексообразование
Атом азота в пиридине обладает нуклеофильными свойствами
Алкилирование
Ацилирование
Комплексообразование с кислотами Льюиса

Реакции электрофильного замещения в пиридине
Ориентация электрофильного замещения в пиридине
Реакции электрофильного замещения идут в жестких условиях и с низкими выходами!
Донорные заместители в α- и γ-положениях облегчают реакции электрофильного замещения в пиридине!

Нитрование

Сульфирование
Галогенирование
Алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Реакции нуклеофильного замещения в пиридине
Ориентация нуклеофильного замещения в пиридине
Акцепторные заместители в β-положении пиридина облегчают нуклеофильное замещение уходящей группы!

Аминирование (реакция Чичибабина, 1914 г.)
Нуклеофильное замещение гидрид-иона
Арилирование
Гидроксилирование

Нуклеофильное замещение хорошо уходящей группы в α- и γ-положениях

Использование N-окиси пиридина в реакциях электрофильного замещения и нуклеофильного присоединения

Реакции электрофильного замещения
Реакции нуклеофильного присоединения

Использование N-алкилпиридиниевых солей в реакциях с нуклеофильными реагентами

Перегруппировка четвертичных нитропиридиниевых солей в N-метиланилины
(реакция Коста-Сагитуллина, 1977 г.)

Реакции по боковой цепи гомологов пиридина
Связи С-Н у α-углеродного атома боковой цепи 2- и 4-алкилпиридинов обладают довольно высокой кислотностью

Конденсация α-пиколина с альдегидами
Конденсация четвертичной соли γ-пиколина с бензальдегидом

Окислительно-восстановительные реакции пиридина и его гомологов

Природные и синтетические замещенные хинолины и изохинолины

Синтез хинолинов из ариламинов и глицерина в присутствии конц. серной кислоты (синтез Скраупа, 1880 г.)

Синтез хинолинов из ариламинов и α,β-ненасыщенных карбонильных соединений (модификация Дебнера-Миллера, 1881г.)

Синтез хинолина по Кнорру
Получение α-гидроксихинолинов из β-кетоэфиров и анилинов при температуре выше 100°. Образующийся после первой стадии анилид подвергается циклизации в результате дегидратации в присутствии концентрированной серной кислоты:

Строение хинолина
Критерии ароматичности:
Плоская циклическая система
Сопряженные двойные связи
Правило Хюккеля 4n+2=10, где n = 2 Атом азота предоставляет один неспаренный электрон в цикл для образования ароматической системы!
Неподеленная электронная пара атома азота находится вне цикла!
π-Дефицитные
гетероциклы

Хинолин как основание и как нуклеофил

Реакции электрофильного замещения в хинолине
Ориентация электрофильного замещения в хинолине
Реакции электрофильного замещения идут только по бензольному кольцу!
Реакции электрофильного замещения для изохинолинов протекают аналогичным образом!

Нитрование
Сульфирование
Галогенирование

Реакции нуклеофильного замещения в хинолине
Ориентация нуклеофильного замещения в хинолине
Реакции нуклеофильного замещения идут по пиридиниевому кольцу преимущественно в положение 2!

Реакции нуклеофильного замещения в изохинолине
Ориентация нуклеофильного замещения в изохинолине
Реакции нуклеофильного замещения идут по пиридиниевому кольцу преимущественно в положение 1!

Аминирование (реакция Чичибабина, 1914 г.)
Нуклеофильное замещение
Арилирование
Гидроксилирование

Использование N-окиси хинолина в реакциях электрофильного замещения

Реакции по боковой цепи гомологов хинолина
Связи С-Н у α-углеродного атома боковой цепи 2- и 4-алкилхинолинов обладают довольно высокой кислотностью

Окислительно-восстановительные реакции хинолина