§ 28. Гетероциклические соединения

Вспомните, какие углеводороды называются циклическими. Приведите примеры.
Приведите примеры изученных вами ароматических соединений, запишите их структурные формулы.
Какие соединения относятся к аминам?

Циклические соединения весьма многообразны. В их числе — гетероциклические соединения, имеющие широкое распространение в живой природе. Многие из них входят в состав живых организмов, выполняя важные биологические функции.

Например, гетероциклические соединения, такие как морфин, кофеин, никотин, кокаин и другие, входят в состав растений. Они широко известны под общим названием — алкалоиды. Алкалоиды обычно имеют высокую физиологическую активность, часто являясь сильными ядами. Например, кониин содержится в растении болиголов и является ядом, вызывающим паралич центральной нервной системы. По легенде, от сока этого растения умер древнегреческий философ Сократ, приговорённый к смерти. Гетероциклические соединения и их производные широко применяются в органическом синтезе многих необходимых для человека материалов, продуктов и лекарств.

Гетероциклическими называются соединения, у которых, помимо атомов углерода, в составе цикла содержатся один или несколько атомов других элементов (кислорода, азота, серы, фосфора и др.).

Атомы кислорода, азота, серы, фосфора и других элементов, входящих помимо атомов углерода в циклическую систем) (кольцо) гетероциклического соединения, называются гетероатомами (от греч. heteros — «другой», «иной»). По своему строению гетероциклические соединения весьма разнообразны.

Структурные формулы молекул гетероциклических соединений обычно записывают в сокращённом виде, отражая лишь их циклическую систему и важнейшие связи в ней, а также функциональные группы.

Наибольший интерес для изучения представляют азотсодержащие гетероциклические соединения. Они довольно распространены, хорошо изучены, имеют важное биологическое значение, в том числе и в жизни человека. Большинство из них — ароматические гетероциклы.

Задание. Дайте определение ароматических углеводородов, приведите схему образования π-связей и опишите строение бензольного кольца.

Ароматическим гетероциклическим соединениям присущи свойства, характерные для бензола и других ароматических соединений, с которыми вы уже познакомились: высокая стабильность, пассивность в реакциях присоединения, склонность к реакциям замещения.

Рассмотрим наиболее известных представителей ароматических азотсодержащих гетероциклов: пиридин, пиррол, никотиновая кислота и др.

Пиридин. Структурная формула пиридина сравнима с формулой бензола. Это шестичленный ненасыщенный гетероцикл. В молекуле пиридина, как и в молекуле бензола, образуется устойчивый секстет электронов, что обусловливает сходство его свойств со свойствами бензола.

Но у атома азота молекулы пиридина есть ещё неподелённая пара электронов, которая не участвует в образовании ни σ-связей, ни π-электронной системы. По этой причине пиридин можно рассматривать как амин.

Пиридин C₅H₅N представляет собой бесцветную жидкость с t_кип =115 °С. хорошо растворимую в воде и органических растворителях, с характерным неприятным запахом. Он весьма ядовит, вдыхание его паров может привести к тяжёлому поражению нервной системы. Пиридин, как амин, также проявляет свойства оснований. Как и амины, пиридин, растворяясь в воде, окрашивает лакмус в синий цвет, присоединяет протон при реакциях с минеральными кислотами.

Пиридин и его гомологи в значительных количествах содержатся в каменноугольной смоле, являющейся источником их промышленного получения. Производные пиридина (алкалоиды) широко распространены в природе, содержатся в организмах растений и животных.

К пиридиновым алкалоидам относится и никотин. Никотин — весьма токсичный алкалоид, включающий связанные ядра пиридина и пирролидина. Он воздействует на вегетативную нервную систему; сужает кровеносные сосуды. Один из продуктов окисления никотина в жёстких условиях — никотиновая кислота (витамин РР):

Пиридин и его производные широко применяются в синтезе лекарственных препаратов, красителей, пестицидов и в других целях.

Пиррол. Пиррол — бесцветная жидкость, малорастворима в воде, на воздухе быстро окисляется (буреет).

Строение молекулы определяет химические свойства пиррола. Пиррол имеет ароматические свойства: как и бензол, он вступает в реакцию восстановления водородом и в реакцию нитрования, но в отличие от бензола он легко нитруется. Молекула пиррола представляет собой пятичленный цикл, содержащий один атом азота.

Ядро пиррола входит в состав молекул важнейших для жизни природных соединений — хлорофилла, гемоглобина. На основе пиррола изготавливают многие лекарственные препараты.

В гетероциклических азотсодержащих соединениях могут содержаться два и более атомов азота (формулы сложных соединений даны не для запоминания, а для иллюстрации их строения).

Пиримидин и пурин — ароматические кристаллические вещества, обладающие основными свойствами.

Пиримидиновая и пуриновая группировки атомов входят в состав пиримидиновых и пуриновых оснований (цитозин, урацил, аденин, гуанин).

В свою очередь, эти основания входят в состав природных высокомолекулярных соединений — нуклеиновых кислот, играющих важную роль в живых организмах (см. § 36).

Окончание параграфа >>>