0 6 член гетероциклы пиридин и днк

ПЯТИ- и ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРО-ЦИКЛЫ, ПУРИНОВЫЕ Основания и ДНК Konstantin GERMAN - Chair Head of Natural Sciences,

Medical University REAVIZ - www.reaviz.ru

ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ. ПИРИДИН

1.Теплота сгорания пиридина указывает на существенную энергию резонанса 23 ккал/моль (96,3 кДж/моль)

N••

Все это указывает на то, что пиридин относится к числу ароматических соединений. Его можно рассматривать как гибрид двух структур:

2. Пиридин не подвергается реакциям присоединения и вступает в реакции электрофильного замещения.

1. Состав. Строение. Общая характеристика

(С5Н5N)

факты:

3 (β)

1

2 (α)

4 (γ)5

6

http://arkadiyzaharov.ru/studentu/chto-delat-studentam/organicheskaya-ximiya/

N••

ПИРИДИН: РЕЗОНАНСНЫЕ СТРУКТУРЫ

N••

N••

или

В пиридине атом азота, подобно любому из атомов углерода в цикле, связан с другими атомами кольца при помощи sp2-орбиталей и предоставляет один электрон для образования π-облака. На третьей sp2-орбитали азота находится пара электронов, которая обуславливает основность пиридина (гораздо большую чем у пиррола!).

ПОЛУЧЕНИЕ ПИРИДИНА

Единственный промышленный источник до 1950 г.1. Из каменноугольной смолы:

Однако содержание его в смоле менее 0,1%, поэтому для удовлетворения потребностей в пиридине и его гомологов были предложены синтетические методы:

2. Конденсацией акролеина с аммиаком: получают β-пиколин.

2СН2=СН-СНО + NH3 - н2о N••

СН3

акролеин β - пиколин

2. Конденсацией ацетилена с аммиаком в присутствии Ni(Co)-катализатора получают 2-метил-5-этилпиридин:

4СН≡СН + NH3

N••СН3

С2Н5Ni(Co)

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Пиридин и его ближайшие гомологи - бесцветные жидкости с неприятным запахом, растворимые в воде. Пиридиновое кольцо является почти правильным шестиугольником. пиридин в отличие от бензола имеет большой дипольный момент.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА

Пиридин вступает в реакции:

I. Присоединения.

II. Замещения

III. Проявляет свойства третичного амина

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА

I. Реакции присоединения:

1.

1. Пиридин в отличие от бензола восстанавливается водородом в момент выделения (Na + С2Н5ОН) с образованием пиперидина:

N••

+ 6Н

N••

Н

2. При каталитическом гидрировании идет раскрытие пириди-нового кольца с образованием пентиламина (амиламина):

N••

+ 4Н2

NiC5H11NH2

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА

II. Реакции замещения:

А. Электрофильное замещение. Идет с трудом. Атом азота играет роль заместителя второго рода; кроме того в кислой среде кольцо дезактивируется из-за протонирования по азоту:

N••

NН

+ NН

+

NН

+

N•• N••

N••N••

H2SO4

100 %

KNO3,H2SO4

300o C, Fe

SO3,H2SO4, HgSO4

220oC, 24 ч.

Br2

200-300o

Br2

500o C

BrBr Br

+

+Br Br

Br

SO3H

NO2

Ориентация при электрофильном замещении в пиридине.

а) Электрофильная атака в положение 4 дает карбкатион, представляющий собой гибрид

следующих структур:

N••

H Е

N••

H Е

N••

H Е+

+

+

а) Электрофильная атака в положении 3 дает ион, представ-ляющий собой гибрид следующих структур:

N••

H

ЕN••

HЕ

N••

HЕ

+ ++

1 2 3

4 5 6

N••

N••

Е+

Е+

Б. Нуклеофильное замещение.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРИДИНА

В отличие от бензола пиридин довольно легко реагирует с нуклео-фильными реагентами, причем атака ориентируется в α- или γ-положение:

N••

1. NaNH2,100o C2. H2O

КОН

320o С, [О]

C6H5 Li

110o C, толуол

N

N

N

N

NH2

OH N O

C6H5

Н-C4H9 Li

110o C C4H9

+ LiН

+ LiН

2-аминопиридин

2-бутилпиридин

Пиридон-2

(реакция Чичибабина)

2-фенилпиридин

Механизм нуклеофильного замещения в ароматическом ряду.

Вполне аналогичен механизму электрофильного замеще-ния: реакция включает две стадии.

Скорость 1-ой стадии - образование заряженной частицы - определяет скорость суммарной реакции.

При электрофильном замещении интермедиат заряжен положительно; при нуклеофильном замещении -

отрицательно. Способность кольца размещать (распре-делять) заряд определяет стабильность промежуточного соединения и переходного состояния, приводящего к его

образованию, и, следовательно, определяет скорость реакции.

Нуклеофильная атака в положение 4 (или 2):

Ориентация при нуклеофильном замещении в пиридине.

одна из резонансных стрктур особенно устойчива (отрицательный заряд размещен на атоме азота)

N

H Nu :

..

:

N

H Nu

.. N

H Nu

..

- -

-..

Нуклеофильная атака в положение 3 - дает менее стабильный карбанион:

:N

H

Nu

..:

N

H

Nu

.. N

H

Nu

..

..

--

-

III. РЕАКЦИИ ПИРИДИНА КАК ТРЕТИЧНОГО АМИНА

1. Основные свойстваПиридин и его гомологи проявляют слабые основные свой-ства. Они легко дают соли с НCl, Н2SО4 и др.:

NН

+ Cl−

2. Пиридин как третичный амин легко присоединяет алкил-галогениды, образуя соли, которые при нагревани легко переходят в α- или γ-положение (но не в β-положение)

NR

+ X−

N••

+ RXNH

+ X−RH H

нагревание

(Косн. пиридина равна 1,7·10-9, анилина 4,0·1010, а пипери-дина 1,33·10-3).

III. РЕАКЦИИ ПИРИДИНА КАК ТРЕТИЧНОГО АМИНА

3. Образование N-окиси пиридина

N••N+

О−

Н2О2

СН3СООН

N-окись пиридина значительно более способна к электро-фильному замещению, чем пиридин

4. Пиридин с SО3 образует соединение С5Н5N·SO3, используемое для сульфирования фурана, пиррола и т. д. Это мягкий сульфирующий агент.

Гомологи пиридина: α-, β- и γ- пиколины

N••СH3 N••

СH3

N••

СH3

α-пиколин β-пиколин γ-пиколин

Атом азота в пиридиновом кольце придает подвижность атомам водорода метильных групп в положениях 2 и 4 !! :

1 234

Этот эффект обуславливает способность α- и γ-пиколинов реагировать с адьдегидами, например

1.

N СH3 N NСH3 СH2-СН2-ОН+С4Н9Li СН2О

N СH3 N СH2-СН2-ОН+ О=СН-С6Н5

ZnCl2- Н2О

2.

ПРИМЕНЕНИЕ ПИРИДИНА И ОТДЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ

N••

Пиридин широко используется в качестве растворителя и катализатора для проведе-ния органических реакций

N••

СH3 β-Пиколин получают (гл. обр.) из каменно-угольного дегтя. Применяется для получе-ния никотиновой кислоты

N••

СООН Никотиновая (β-пиридинкарбоновая) к-та широко распространена в природе: содер-жится в печени, в экстракте дрожжей, в молоке и зародышах пшеницы. При-меняется под названием витамина РР

N••СН3

СН2=СН

ПРИМЕНЕНИЕ ПИРИДИНА И ОТДЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ

2-Метил-5-винилпиридин получают дегидрированием 2-метил-5-этилпи-ридина. Широко применяется в производстве синтетических каучуков и пластических масс

NН

N••

[H]

пиридин пиперидин

Пиперидин обладает свойст-вами алифатического амина. Важным производным пипери-дина является обезболева-ющее вещество - промедол

Х И Н О Л И Н

Можно рассматривать как систему из сконденсированных в орто – положении бензольного и пиридинового колец

N••

3 (β)

1 2 (α)

5

6

4

7

8

Впервые был выделен из продуктов перегонки каменно-угольной смолы (1834 г.).

Цикл хинолина является основной частью молекул большой группы алкалоидов, главные из которых относятся к группе хинина

СИНТЕЗ СКРАУПА: СУММАРНАЯ РЕАКЦИЯ

C6H5NO2

NH2

анилин

+СH2OH

CHOH

CH2OH

H2SO4

FeSO4

+

N••хинолин

+ C6H5NН2 + H2О

глицерин

анилин

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХИНОЛИНА

нитробензол

Наиболее важная реакция синтеза хинолина; состоит в нагревании анилина с глицерином и конц. Н2SО4 в присутствии окислителя (нитробензола или ванадиевой кислоты:

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХИНОЛИНА

Синтез Скраупа: механизм

+ СН2=CH−CHONH2 NH

СН2

СН2

CHO

NHСН2

СНCHOH

−Н2ON••

+ [O]−Н2O

NH

анилин β-анилинопропионовый альдегид

дигидрохинолин хинолин

H2SO4

CH2=CHCHO + 2 H2O

tо

Синтез Скраупа: отдельные стадии

1.

глицерин

СH2− CH− CH2

OH OH OH

2. Нуклеофильное присоединение анилина к акролеину:

+ CH2=CHCHO

NH2 NHСН2

СН2

CHO

NHСН2

СН2

C−H

NHСН2

СНCHOH

−Н2ONH

3. Электрофильная атака карбонильного атома углерода по ароматическому кольцу:

4. Окисление 1,2дигидроксихинолина нитробензолом

O

N••−Н2O

NHдигидрохинолин хинолин

C6H5NO2

− C6H5NН2,

Синтез Скраупа: отдельные стадии

Хинолин по физ. свойствам подобен пиридину. Это жидкость с Ткип.=338, плохо растворим в воде, имеет неприятный запах.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА

1. Как и пиридин он образует соли с соляной, серной, азотной и др. кислотами:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА

N••хинолин

По химическим свойствам хинолин также сходен с пиридином:

+ НХNН

Х−

+

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА

2. Хинолин обнаруживает многие химические свойства, присущие третичным аминам: образует четвертичные аммониевые соли, N-окись

N••хинолин

+ CH3JNCH3

J−

+

N••хинолин

C6H5COOOH

NO−

+

йодистый N-метилхинолин

N-окись

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА

3. Электрофильное замещениеЗлектрофильные реагенты легче атакуют бензольное кольцо, чем пиридиновое. Наиболее активны в реакциях замещения положения 5 и 8.

3.1 Нитрование

N••хинолин

НNO3

NН

NO3−

+N••

N••

Н2SO4

NO2

NO2

1 2

345

8

6

7

3.2 Cульфирование: при 220-230о С замещение идет в положение 8 при 300о С – в положение 6:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА

3. ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ

N••хинолин

Н2SO4

1 2

345

8

6

7

220o C

300o C

N••HO3S

N••

HO3S

300o C

3.3 Ацилирование: незамещенный хинолин не ацилируется; при наличии в положение 8 электронодо-норного заместителя ацилирование идет– в положение 6.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА

3. Электрофильное замещение

3.4 Окисление хинолина щелочным раствором перманганата дает 2,3-пиридинкарбоновую кислоту:

N••N••

НООС

НООС

[O]

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИНОЛИНА

4. НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕПри действии нуклеофильных реагентов замещение идет в пиридиновое кольцо

4.1 С амидом натрия и литийалкилами реакция идет также, как с пиридином, т. е. замещение происходит в α-положение:

N•• N••

NaNH2

NH2

N•• N••

RLiR+ LiН

4. НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ

4.2 С едким кали при 250о С образуется α-оксихинолин:

N•• N••

КОH

ОH

Как и в случае пиридина атом азота в хинолиновом кольце придает подвижность атомам водорода метильных групп в положениях 2 и 4, что обуславливает их способность вступать в реакции конденсации формальдегидом, бензаль-дегидом, образуя спирт (I) и бензилиденхинальдин (II) :

N••СН2-СН2-ОH N••

СH=СН-С6Н5

(I) (II)

ЗНАЧЕНИЕ ХИНОЛИНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ

Цикл хинолина является составной частью молекул большой группы алкалоидов, главные из которых относятся к группе хинина. Ряд замещённых хинолина используется в синтезе лекарственных препаратов и красителей

8 Оксихинолин - кристал. вещество (Тпл.=75). Образует внутримолекулярную водородную связь. Широко применяется как реактив на ионы многих металлов, с которыми он образует нерастворимые внутриком-плексные соединения хелаты:

N••ОH

N••ОH

MgCl22NaOH

пиримидин урацилцитозин

ПОЛИГЕТЕРОЦИКЛЫ

аденин

ПОЛИГЕТЕРОЦИКЛЫПроизводные пиримидина и пурина играют важную роль во многих биологических процессах. Они являются, например, фрагментами нуклеиновых кислот, некоторых витаминов и коферментов.

Существует два типа нуклеиновых кислот:

1. РНК – состоит из одной полинуклеотидной цепи; содержит сахар – рибозу.

2. ДНК – состоит из двух, закрученных в спираль (двойная спираль) полинуклеотидных цепей; содержит сахар дезоксирибозу.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Строение ДНК

Остов молекулы составляют: сахар-дезоксирибоза (в кото-ром гликозидный гидроксил при С1 замещен пуриновым или пиримидиновым основанием) и фосфатный остаток соеди-ненные друг с другом сложноэфирными связями:

Гликозидный гидроксил

СХЕМА ПОЛИНУКЛЕОТИДНОЙ ЦЕПИ

Сах.- фос. остов

ДНК : двойная спираль

На один полный оборот спиралиПриходится 10 пар оснований.Расстояние между соседними парами оснований равно 0,34 нм.

основания

Две антипарал.

цепи

3,4 нм

(см. след.)

Сахар

Сахар

Сахар

Сахар

Аденин Тимин

Гуанин

Цитозин

Сах.-фосф. остов

основания

Две антипарал.

цепи

Структура ДНК. Спаривание оснований

3,4 нм

Сахар

Сахар

Сахар

Сахар

Аденин Тимин

Гуанин

Цитозин

КОМПЛЕМЕНТАРНЫЕ ПАРЫ ОСНОВАНИЙ

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов.

1. Транскрипция (переписывание) – происходит в ядре клетки;

2. Трансляция (перевод) – протекает в цитоплазме на рибосомах

Реализация генетического кода происходит в два этапа :

ПИРИДИН. ХИНОЛИН

Задача №1: 2аминопиридин нитруется или сульфируется в гораздо более мягких условиях, чем сам пиридин;

замещение происходит главным образом в положение 5. Объясните эти факты.

Задача №2: Поскольку пиридин нитруется с трудом, 3-аминопиридин удобнее получить из никотиновой кислоты.

Приведите схему синтеза 3-аминопиридина из -пиколина.

Задача №3: 8-оксихинолин находит широкое применение в аналитической химии. Предложите метод его синтеза.

Самостоятельная работа

O••••

O•••• O

••

+

+

+••

X••

X••

X

••

О••••

+

N O••••

••S•••• ••N

•• N

H

−

+

S

+ НХ