304- Органическая химия_Черных В.П. и др_Х., 2007 -776с

ГеТерОЦИКлИЧеСКИе СОеДИненИя

541

для некоторых гетероциклов существует особый порядок нумерации. большую группу составляют гетероциклические соединения с двумя и более

конденсированными циклами. системы могут состоять из одного гетероциклического и одного или нескольких бензольных колец, а также из нескольких гетероциклических ядер. обычно для таких гетероциклов применяют тривиальные названия:

индол

систематические названия конденсированных гетероциклических систем образуют, используя в качестве родоначальных структур тривиальные названия гетероциклов.

При построении названий конденсированных систем, состоящих из одного гетероциклического и одного или двух бензольных ядер, к названию гетероцикла присоединяют префикс бенз- (бензо-) или дибенз- (дибензо-) с указанием буквами a, b , c , d и так далее связи гетероцикла, по которой происходит конденсация. обозначение связей начинают от гетероатома:

если конденсированная система состоит из двух гетероциклов, за основу на-

звания принимают название цикла, большего по размеру; при одинаковом размере — цикла с большим числом гетероатомов, и, наконец, если по первым двум критериям циклы равнозначны, то азотсодержащий цикл имеет предпочтение перед кислородсодержащим, а последний — перед серосодержащим. При помощи букв указывают связь основного цикла, которая является общей для обоих циклов, а при помощи цифр — общую связь второго цикла с основным:

глава 31

ТреХ- и ЧеТыреХЧленные геТерОциКлиЧесКие  сОединениЯ с ОдниМ геТерОаТОМОМ 

трех- и четырехчленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом можно рассматривать как производные циклопропана и циклобутана, в которых группировка —CH2— замещена на гетероатом.

Эти гетероциклические соединения имеют ряд общих методов получения и обладают сходной реакционной способностью, обусловленной наличием в структуре напряженных трех- и четырехчленного колец. Этим объясняется их

склонность к реакциям присоединения, протекающим с разрывом связи гетероатом-

углерод. трехчленные гетероциклы по сравнению с четырехчленными менее устойчивы и более реакционноспособны.

31.1. ОКсиран и ОКсеТан

31.1.1. СПОСОБЫ ПОлУЧенИя

общим способом получения оксирана и оксетана является циклизация гало-

геноспиртов.

оксиран и его производные получают циклизацией -галогеноспиртов. реакция протекает при действии концентрированных растворов щелочей:

для получения оксетана используют -галогеноспирты.

Трех- И ЧеТЫрехЧленнЫе ГеТерОЦИКлИЧеСКИе СОеДИненИя

543

в промышленности оксиран получают в основном окислением этилена кислородом воздуха при температуре 300—400 °с над серебряным катализатором.

31.1.2. ФИЗИЧеСКИе СВОЙСТВа

Оксиран — бесцветный газ с эфирным запахом (т. кип. 10,7 °с), хорошо растворяется в воде и органических растворителях.

Оксетан — жидкость (т. кип. 47,8 °с), хорошо растворяется в воде, этиловом спирте и диэтиловом эфире.

31.1.3. хИмИЧеСКИе СВОЙСТВа

в химическом отношении оксиран и оксетан являются весьма реакционноспособными соединениями. Это связано с угловым и торсионным напряжением циклов (подобно циклопропану и циклобутану), а также наличием полярных связей с—о. При действии электрофильных и нуклеофильных реагентов происходит разрыв кислород-углеродной связи и присоединение молекулы реагента по месту разрыва цикла. особенно легко эти реакции проходят в условиях кислотного катализа.

так, в присутствии серной или фосфорной кислот оксиран легко присоединяет воду и спирты:

Механизм приведенных реакций включает образование оксониевого соединения (продукт взаимодействия оксирана с кислотой), которое гораздо легче подвергается атаке нуклеофильным реагентом, чем сам оксиран ( '+ > +):

Глава 31

544

аналогичным образом оксиран присоединяет галогеноводороды:

оксиран довольно легко реагирует с сильными нуклеофилами — аммиаком, аминами и металлорганическими соединениями.

При взаимодействии оксирана с аммиаком, в зависимости от соотношения реагентов, образуются моно-, ди- и триэтаноламины:

Механизм реакции:

При действии на оксиран алифатических аминов образуются N-алкиламино- этанолы:

с магнийорганическими соединениями оксиран образует продукты присоединения, которые легко подвергаются гидролизу с образованием соответствующих спиртов:

в присутствии сильных оснований оксиран полимеризуется с образованием полиэтиленоксида (полиэтиленгликоля):

Трех- И ЧеТЫрехЧленнЫе ГеТерОЦИКлИЧеСКИе СОеДИненИя

545

Полиэтиленгликоль, в зависимости от молекулярной массы, имеет различное агрегатное состояние. Полимер с молекулярной массой 400 представляет собой жидкость, хорошо растворимую во многих органических растворителях. Применяется в фармации в качестве растворителя лекарственных веществ, основы для мазей и суппозиториев, а также как связывающее вещество в производстве таблеток.

оксетан по химическим свойствам сходен с оксираном и вступает в характерные реакции присоединения с раскрытием цикла. однако меньшая степень напряжения в четырехчленном цикле способствует тому, что эти реакции протекают гораздо медленнее.

Многие реакции оксетана приводят к образованию 1,3-дизамещенных пропана:

31.1.4. ВажнеЙШИе ПрОИЗВОДнЫе ОКСИрана И ОКСеТана

Эпихлоргидрин (3-хлор-1,2-эпоксипропан). бесцветная жидкость с запахом хлороформа (т. кип. 116,1 °с),

хорошо растворимая в органических растворителях. используют эпихлоргидрин в производстве эпоксидных смол, для получения

глицерина и как растворитель эфиров целлюлозы.

β-Пропиолактон (лактон -гидроксипропионовой кислоты). бесцветная жидкость с резким запахом (т. кип. 155 °с), растворяется в органических растворителях, быстро гидролизуется до -гидрок-

сипропионовой кислоты.

-Пропиолактон легко взаимодействует со спиртами и аминами с раскрытием цикла:

Глава 31

54

-Пропиолактон применяется в медицине для стерилизации крови, вакцин и других биологических препаратов.

31.2. аЗиридин и аЗеТидин

31.2.1. СПОСОБЫ ПОлУЧенИя

общим способом получения азиридина и азетидина является циклизация гало-

генаминов в присутствии щелочи.

азиридин получают циклизацией -галогенэтиламинов:

для получения азетидина используют -галогенпропиламины.

в промышленности азиридин получают  взаимодействием  1,2-дихлорэтана  с аммиаком в присутствии кальция оксида сао.

31.2.2. ФИЗИЧеСКИе СВОЙСТВа

Азиридин — бесцветная жидкость (т. кип. 55 °с), хорошо растворяется в воде и органических растворителях.

Трех- И ЧеТЫрехЧленнЫе ГеТерОЦИКлИЧеСКИе СОеДИненИя

547

Азетидин — бесцветная жидкость с аммиачным запахом (т. кип. 63 °с), хорошо растворяется в воде и спиртах.

31.2.3. хИмИЧеСКИе СВОЙСТВа

По химическим свойствам азиридин и азетидин во многом напоминают ранее рассмотренные кислородсодержащие гетероциклы оксиран и оксетан.

Подобно оксирану и оксетану, для них характерны реакции присоединения, протекающие с раскрытием цикла. так, азиридиновый цикл раскрывается под действием аммиака, аминов, галогеноводородов, воды.

азиридин и азетидин, в отличие от кислородсодержащих гетероциклов, проявляют ряд специфических свойств, характерных для вторичных аминов.

основные свойства азиридина (рквн+ = 7,48) и азетидина (рквн+ = 11,29) обусловлены наличием неподеленной пары электронов на атоме азота.

Подобно вторичным аминам, азиридин и азетидин вступают в реакции алкилирования, ацилирования и нитрозирования:

Эти реакции обычно проводят в присутствии оснований (часто используется избыток триэтиламина) для связывания выделяющегося галогеноводорода или других продуктов кислотной природы, способных раскрывать цикл.

Глава 31

548

31.2.4. ВажнеЙШИе ПрОИЗВОДнЫе аЗИрИДИна И аЗеТИДИна

среди производных азиридина обнаружены вещества, обладающие выраженной противоопухолевой активностью, на основе которых создан ряд противоопухолевых лекарственных препаратов (тиофосфамид, бензотэф, фторбензотэф и др.). все они содержат, как правило, остатки фосфорной и тиофосфорной кислот.

из производных азетидина важное значение имеет внутримолекулярный амид -аминопропионовой кислоты — 2-азетидинон ( -лактам). синтезируют путем термической циклизации -ами- нопропионовой кислоты. При действии водных растворов кислот и щелочей, аммиака и аминов -лактамное кольцо раскрывается.

2-азетидинон входит в состав антибиотиков группы пенициллина (см.

с. 588).

глава 32

ПЯТи- и ШесТиЧленные геТерОциКлиЧесКие   сОединениЯ с ОдниМ и двуМЯ геТерОаТОМаМи 

из большого числа пяти- и шестичленных гетероциклических соединений

содним и двумя гетероатомами в данном разделе рассматриваются гетероциклы

сгетероатомами O, N и S, обладающие ароматическими свойствами. такие вещества по своей устойчивости и химическим свойствам во многом напоминают бензол и поэтому получили название «гетероциклические ароматические», или

«гетероароматические соединения».

важнейшими представителями данной группы соединений являются:

 пятичленные гетероциклы

шестичленные гетероциклы

конденсированные гетероциклические системы

32.1. арОМаТиЧнОсТЬ геТерОциКлОв

как известно, признаком ароматичности соединения является наличие плоской циклической системы, имеющей замкнутую цепь сопряжения, содержащую (4n + 2) -электронов.

ароматичность пятичленных гетероциклов с двумя -связями обусловлена тем, что в сопряжение с -электронами двойных связей вступает неподеленная пара электронов гетероатома N, O или S.

Глава 32

550

в результате образуется замкнутая сопряженная система, в которой число
обобщенных электронов соответствует правилу хюккеля (4n + 2).
	в молекуле пиррола (рис. 32.1)
	атомы углерода и атом азота нахо-
	дятся в состоянии sp2-гибридизации.
	за счет sp2-гибридных орбиталей каж-
	дый атом, входящий в состав цикла,
	образует три s-связи, расположенные
	в плоскости кольца. При этом у ато-
	мов углерода и атома азота остается
рис. 32.1. Электронное строение молекулы пиррола	по одной негибридизованной p-ор-
	битали, которые расположены парал-
лельно друг другу в плоскости, перпендикулярной плоскости кольца. каждая из
p-ао атомов углерода имеет один электрон, а на p-орбитали атома азота нахо-
дится неподеленная пара электронов. При перекрывании p-орбиталей образуется
единое шестиэлектронное облако, охватывающее все атомы цикла.

	атом азота в sp2-гибридизации, имеющий электронную конфигурацию, в которой
	неподеленная пара электронов занимает негибридизованную p-атомную орбиталь,
	называется пиррольным.
	аналогично образуется сопряженная система и в других пятичленных гете-
	роциклах с двумя -связями, в частности, в молекулах фурана и тиофена. как
	и атом азота в пирроле, гетероатомы (—O— и —S—) вносят в ароматический
	секстет неподеленную пару p-электронов. По аналогии с пирролом:
	гетероатом,  вносящий  в  π-электронную  систему  два  электрона,  занимающих
	p-атомную oрбиталь, и образующий с другими атомами только σ-связи, принято
	называть гетероатомом пиррольного типа.
	в ряду шестичленных гетероциклов ароматические свойства харак-
	терны для структур, представляющих собой гетероциклические аналоги
	бензола. так, в молекуле пиридина (pиc. 32.2) все атомы углерода и атом
	азота находятся в состоянии sp2-гибридизации. замкнутая шести- -элек-
		тронная система образована пятью p-орбита-
		лями атомов углерода (по одной от каждого)
		и p-орбиталью атома азота. то есть в молекуле
		пиридина, как и в молекуле бензола, каждый
		атом цикла вносит в ароматический секстет по
		одному p-электрону.
		неподеленная пара электронов атома азота
		в молекуле пиридина, в отличие от молеку-
		лы пиррола, занимает sp2-гибридную орбиталь
	рис. 32.2. Электронное строение	и не принимает участия в образовании арома-
		тического секстета.
	молекулы пиридина