К.И. Грандберг - Органическая химия (1125789), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Свойства гетероциклов определяются не только имеющимися гетероатомами, в значительной степени они зависят от характера связей в цикле. Гетероциклы, не содержащие кратных связей, как правило, по химическим и физическим ' Смл Погсарскиа А. Ф. 7еоретические основы химии гетероциклов. М., Химия, 1965. 516 Практически реакции диэтилового эфира и соответствующие реакции тетрагидрофурана сходны между собой. Почти во всех реакциях пирролидин ведет себя так же, как и диэтиламин.
Это и неудивительно, ибо во всех этих случаях реакционная способность определяется лишь гетероатомом. Но существует и другая, очень обширная группа гетеро- циклов, имеющих сопряженные системы кратных связей. Такого рода гетероциклы напоминают своей устойчивостью и типами реакций бензол, а его производные получили название ароматических гетероциклов — они и будут в основном объектом нашего рассмотрения. 2.
Ароматичность гетероциклов Согласно правилу Хюккеля, циклическая система обладает ароматическими свойствами, если она: Ц содержит (4и + 2) обобщенных электронов; 2) имеет непрерывную цепь сопряжения; 3) является плоской. Очевидно, что замена в бензоле одной группы ~~~С вЂ” Н на атом азота в состоянии зрг-гибридизации (=Х вЂ” ) не приводит к изменению этих условий, и азабензол — пиридин, так же как и бензол, является ароматической системой (энергия резонанса около 146 кДж/моль): О 0 В общем случае замена любого числа групп ~~С вЂ” Н в ароматическом ядре на атомы азота в состоянии зрг-гибридизации ( Х вЂ” ) оставляет систему ароматической: хинолин, изохино- нс1 гндрохлорнд пиридино пиридин Н пиррод Н 519 518 лнн, пиразин, пиримидин, триазин — такие же ароматические соединения, как бензол и нафталин. Следует обратить внимание на то,что и-электронная пара атома азота (неподеленная электронная пара) в этом случае не включается в ароматический секстет и протонируется обычным образом, мало влияя на ароматичность системы: Однако, помимо таких азааналогов бензола и нафталина, имеется и другая возможность образования устойчивого секстета (4и + 2 при п = 1) или децета (4л + 2 при п = 2) обобщенных электронов в циклической системе.
Рассмотрим электронное состояние цикла, образованного четырьмя углеродными атомами и атомом азота и содержащего две двойные связи; такой гетероцикл носит название лирролес Так как образование устойчивого секстета электронов энергетически выгодно — для пиррола этот выигрыш энергии (энергия резонанса) составляет 100 кДж/моль, — молекула образует этот секстет за счет обычных четырех д-электронов атомов углерода, связанных кратными связями, и двух и-электронов атома азота. Таким образом, в ядре создается общая система секстета электронов и ядро обла- Н дает ароматическими свойствами (рис. 87). Включение гетеро- атома с его п.электронной парой между двумя атомами углерода в состоянии гибридизации зрз, естественно, не прерывает цепь сопряжения, и второе основное условие ароматичиости тоже сохраняется.
Благодаря такой электронной структуре ядро пнррола, как и бензол, плоское, все атомы водорода также лежат в плоскости ядра, а секстет электронов образует области повышенной электронной плотности над и под плоскостью ядра. Атомы О и Я также имеют неподеленные электронные пары, поэтому аналогичные пирролу ароматические системы (фуран и тиофен) могут образовываться с нх участием. Таким образом, группы — ХН вЂ”, — Π— и — Я вЂ” могут формально заменять группу — СН=СН вЂ” в любом ароматическом цикле без нарушения его ароматических свойств.
Это объясняется тем, что названные группы изоэлектронны, т. е. вносят в общую систему одинаковое число (два) электронов. Протонирование в этих случаях нарушает ароматичность ядра, блокируя л-электронную пару гетероатома: Такого типа Х-протонированные формы термодинамически неустойчивы н образуются только на очень короткое время (10 э с), и в кислых средах пиррол существует в основном в виде продукта С-протонирования: Следует отметить также, что в таких гетероциклах шесть электронов делокализованы по пяти атомам.
Это делает гетероцикл «электроизбыточным» и легко атакуемым электрофильными частицами. При реализации двух возможных путей замены групп =СН вЂ” и — СН=СН вЂ” в обычных углеродных ароматических циклах на гетероатомы образуется все многообразие арома- Х ~~~Н ~~а г~~ ~,:а з~~ 1 Н пнррол тнофень пнразол 11з г 2~~ 1 Н 1 Н нмндазоль нндол ~ 1,3,4-трназол (Х7 1 Н И З 4 т ~ г з Н пнррол фь л~ 1 Н пурннь ~рндннг бенанмндыол Фурам 520 521 тических гетероциклов, только частично представленных ниже: Н пнрндннг пнрааин пнрнмндннг 1.3,5-трназнн парроль фурзнь Ф7 1 Н В общем случае гетероцикл может включать и другие гетероатомы или другие изозлектронные группы (например, группа =О~ нзозлектронна =С в и может заменять последнюю без нарушения ароматичности). 3.
Группа пятичленных ароматических гетероциклов с одним гетероатомом Пятичленные ароматические гетероциклы с одним гетеро- атомом (пиррол, фуран„тиофен и селенофен) обладают одинаковой электронной структурой, похожими методами синтеза и сходной реакционной способностью. Пиррол имеет исключительно важное значение для жизнедеятельности животных и растительных организмов, так как г Гетероциклы, рассмотренные в этой главе. его ядро лежит в основе гедга — простетической группы гемо- глобина крови и хлорофилла — зеленого пигмента листьев: Пиррол представляет собой бесцветную неустойчивую жидкость с т. кип. 130 'С, характерным запахом, в воде почти нерастворим.
Пиррол генетически связан с аналогичными О- и Я-содержащими пятичленными гетероциклами. Ю. К. Юрьев показал возможность их взаимного перехода при температуре около 300'С и при каталитическом действии оксида алюминия: Препаративно такие переходы лучше осуществлять с гидрированными циклами — пирролидином, тетрагидрофураном и тиофеном. Наиболее часто используемым методом синтеза гетероцнклов группы пиррола является реакция 1,4-дикарбонильных соединений с водоотнимающим средством для получения фураков, с водоотнимающим средством и добавкой МНз — пирролов, с добавкой сульфидов — тиофенов.
Примером может служить реакция дибенэоилэтана с РгЗ, приводящая к 2,5-днфенилтиофену: Н С вЂ” СН НС вЂ” СН РЬ вЂ” С~~ ~С вЂ” РЬ 3="-в РЬ вЂ” С, «С — РЬ вЂ” о р,з, О О ОН О НС вЂ” СН НС вЂ” СН, ОН вЂ «РЬ вЂ” С ~С вЂ” РЬ вЂ” о РЬ вЂ” С С вЂ” да Р(г-~ г — РЬ гзо С БН О нг 3 РЬ СНг 1! СН СН СНгСНз нс сн 1! Сн СН НС я Сн Н СН СН=СН, нс СН л ег+ СН НгдСгоООС вЂ” СНг СООСНз хлорофилл а сн нс 4. Группа индола 525 524 нов (4п + 2, и = 6).
Рентгеноструктурные исследования показали, что она плоская; энергия резонанса необычайно велика (около 1045 кдж/моль). Порфины очень устойчивы и легко вступают в реакции электрофильного замещения (Вудвард). Красящее вещество крови гемоглобин является хромопротеидом, состоящим из белка злобина и собственно пигмента— сема Сззнгг04Н4Ре. Гем является порфирином с комплексно связанным ионом Рег": НООССН,СН, СН,СН,СООН В 1935 г. Г.
Фишер установил строение гема и синтезировал его. Так как система порфирина ароматична, то, очевидно, отрицательные заряды не локализованы на двух атомах азота, как упрощенно изображено на схеме, а фактически делокализованы по всему ароматическому ядру. Гем является переносчиком кислорода из легких в ткани и СОг из тканей в легкие и таким образом реализует процесс дыхания. По одной из гипотез молекула Ог, попадая внутрь ядра порфирина, удерживается там за счет «клатратных» сил, то же относится и к выносимой из тканей молекуле СОг.
При попадании в легкие СО ее молекулы блокируют внутренние полости порфириновых ядер, и кровь теряет способность переносить Ог — наступает отравление организма окисью углерода. Г. Фишер установил и строение хлорофилла. В хромопластах клеток растений хлорофилл связан с белком — пластином, образуя хромопротеид — хлорпластик. Существует два 1 Если в ядре порфина имеются заместители, оно называется порфириновым ядром. близких по строению хлорофилла: хлорофилл а Сггнтг04Х4МЕ и хлоРофилл Ь СсзНтс04Н4МЕ: Синтетический хлорофилл получен Вудвардом в Гарвардском университете в 1958 — 1960 гг.
Порфириновое ядро хлорофилла содержит сопряженную систему кратных связей, содержащую 26 (4п + 2 при и = 6) обобщенных электронов и, согласно правилу Хюккеля, ароматично (отрицательные заряды, как и в геме, делокализованы по порфириновому кольцу). Хлорофилл играет чрезвычайно важную роль в жизни растений, являясь сенсибилизатором в процессе фотосинтеза. Поглощая солнечный свет, молекула хлорофилла поставляет энергию с нужной длиной волны для реализации в клетке процесса фотосинтеза.
Ядро пиррола может быть сконденсировано с ядром бензола, при этом образуется ароматический гетероцикл, носящий название индола: вздел ивдолеввв сн !! сн сн, 1,01 Н 2-иесилвидол кетиои вкделевиив задол 527 Индол содержит 10 обобщенных электронов (4п + 2, и = 2) и обладает, согласно правилу Хюккеля, ароматическими свойствами. Температура плавления чистого индола 52 'С, температура кипения 253 'С. Индел и многие его производные, главным образом за счет примесей, обладают неприятным, фекальным запахом. В заметных количествах индол содержится в каменноугольной смоле, откуда и может быть выделен.
Основным методом синтеза иидольиого ядра является реакция Фишера, заключающаяся в том, что феиилгидразои карбоиильиого соедииеиия цри нагревании в кислой среде образует иидол: Снз Снз С 1 с ! — ь НН НН~ СН, Ннз Нгт~ ~СНз Как и пиррол, индол не обладает основными свойствами (рК, сопряженной кислоты равен -2,4), хотя и несколько более устойчив к действию кислот из-за перехода в сильнокислых средах в катион индоленина: ! ~ --- н+ . ~ н Здесь мы встречаемся с редким в органической химии случаем присоединения протона по атому углерода в присутствии атома азота, Сам индоленин является менее устойчивой системой, чем индол, так как в индоленине нарушена ароматич- ность, и все производные индоленина переходят в производ- ные индола, если имеется такая возможность: Согласно расчету реакционных индексов, наиболее реакционноспособным положением для элеи трофильной атаки (максимальная электронная плотность) в индоле является положение 3 (или р): куда и направляется в первую очередь электрофильный агент: г10 1 ! +НΠ— М=О— 1Ч 1Ч Н Н 1 ! +СН,О -"-' Н Н Н Н ~С=О+ Н+ ~ С ОН е — ь С вЂ” ОН Н Н Среди всех гетероциклов производные индола занимают исключительно важное место по многообразию проявлений различных типов физиологической активности.
Большинство соединений группы индола даже в очень маленьких концентрациях проявляют ярко выраженную физиологическую активность. Триптофан [р-(3-индолил)-алании] — одна из незаменимых аминокислот (см. гл. 22). При метаболизме триптофана в живом организме за счет в основном реакций дезаминирова- ния и декарбоксилирования образуются 3-индолилуксусная кислота (гетероауксин) — наиболее широко известный и применяемый стимулятор роста растений (см. гл. 26) и триптамин 13-(~3-аминоэтил)-индол1 — важнейший биогенный эмин, ядро которого является основой многих физиологически активных индольных структур: О НзСз — СН з Дизтиламид лизергиновой кислоты — ЛСД вЂ” сильнейший галлюциноген и наиболее сильно действующий наркотик, его действующие дозы около 10 з г: СНз — СН вЂ” СООН ~б-~ ~ | СНзсизХНз ХНг Й Й тристофаи триптамии феркевт кововмюнюксвдазз СНз — С вЂ” СООН вЂ” ь ! | '~~ ! СН ОООН Н Н 3-ивдолилпироаииоградиал кислота гстероауксин Пеилоцин (4-оксидиметилтриптамин) является одним из наиболее сильнодействующих галлюциногенов — веществ, вызывающих цветные галлюцинации: ОН СН,СН,Х(СН,), Н псилопви НО СН,СН,ХН, Й серстовив 528 Серотонин (5-окситриптамин) играет исключительно важную роль в обмене веществ у высших млекопитающих, регулируя передачу импульсов в нервных тканях и кровяное давление: Н 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
