Ароматические и гетероциклические соединения. Электронная спектроскопия

А В
А+ + В-
Гомолитический
разрыв связи
А + В
Гетеролитический
разрыв связи
I. Классификация органических реакций
1) по механизму разрыва связей

а) Радикальные реакции:
гомолитический разрыв связи:
А· + В· - свободные радикалы (R) - очень активные частицы, стремятся к образованию связей
Н·, Cl·, O:, ·OH
Условия: газовая фаза, свет, неполярный растворитель

Н.Н. Семенов (1896-1986г.)
Лауреат Нобелевской премии (1956 г.)
Создатель теории механизма свободно-радикальных(цепных) реакций

б) Ионные реакции:
гетеролитический разрыв связи
образуются положительные частицы-
электрофилы Е (ε) (Н+, NO2+, Br+, SO3 и т.д.)
отрицательные частицы – нуклеофилы – Nu
(H–, OH–, NH2, H2O и т.д.)
Условия протекания ионных реакций:
полярные растворители

в) Синхронные реакции – разрыв старых и образование новых связей происходят одновременно.

S: (реакции замещения, англ. Substitution)
SR - алканы
SE - арены
SN - галогенпроизводные, спирты, карбоновые кислоты
A: (реакции присоединения, англ. Addition)
AR – алкены, алкины
AE – алкены, алкины
AN – альдегиды, кетоны
E (реакции отщепления, англ.Elimination)
OBР (окислительно-восстановительные)
2) По конечному результату:

Мономолекулярные (SN1)
Бимолекулярные
(SN2)
3) По числу частиц, принимающих участие в элементарной стадии:

II. Электронные эффекты заместителей.
Участок молекулы, где ē - плотность максимальная или минимальная является самым реакционноспособным.
На реакционную способность влияют:
электронные эффекты заместителей
наличие сопряжения
пространственные факторы

Электронные эффекты заместителей.
Любой атом или группа атомов,
замещающая H в исходном соединении, называется заместителем.
Влияние заместителей определяется электронными эффектами:
индуктивным (I) и мезомерным (M).

Индуктивный эффект
Индуктивный эффект – перераспределение электронной плотности по системе σ–связей, вызванное разной электроотрицательностью (ЭО) атомов.
-δ2 - δ1 +δ
+I эфф. имеют все R, причем для них I эфф. меняется в следующей последовательности: CH3 < C2H5 < (CH3)2CH < (CH3)3C;
также +I эфф. характерен для Мe и иона О2-.
Іδ1І > Іδ2І
+I эфф.

Изображают I эфф. стрелкой вдоль сигма-связи.
I эфф. затухает через 3–4 атома углерода из-за малой поляризуемости сигма-связи С–С.
–I эфф.: Hal, NH2, OH, OR, NO2, COOH
CH3
CH2
Y
+δ2
+δ1
−δ
- I эффект

МЕЗОМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ (ЭФФЕКТ СОПРЯЖЕНИЯ)
Мезомерный эффект (М) – перераспределение электронной плотности по системе π–связей.
М эфф., в отличие от I эфф., возникает лишь там, где появляется сопряжение.
Сопряжение – это выравнивание связей и зарядов в реальной молекуле по сравнению с идеальной.
Сопряжение возникает в результате образования единого
π–делокализованного облака, принадлежащего более чем двум атомам.

неподеленная пара электронов (р) N образует единое π–делокализованное облако с π–связью, и на дальнем углероде возникает отрицательный заряд.
+δ
-δ
+ М эфф.: NH2, OH, OR, Hal, SH, NR2 имеют гетероатом, участвующий в p-π сопряжении. Заместитель не имеет двойной связи.
+М эффект
(p-π сопряжение)
виниламин (аминоэтен)
. .

- М эфф. – заместитель имеет π–связь:
Две π–связи С=С и С=О объединяются в единое π-делокализованное облако, оно смещается в сторону более ЭО кислорода, происходит уменьшение электронной плотности в π-связи С=С.
-δ +δ
-δ
+ δ
- М эффект (π−π сопряжение)
пропеновая (акриловая) кислота

Суммарный эффект заместителей складывается из I и М эффектов.
В результате заместители делятся на:
1) электронодонорные (ЭД);
2) электроноакцепторные (ЭА).

Сопряженные системы
С открытой цепью
сопряжения
имеют начало и конец
сопряжения
Представители:
- бутадиен-1,3
- изопрен
- циклопентадиен- (1,3)
- сорбиновая кислота
- β-каротин
С замкнутой цепью
сопряжения
циклическое
сопряжение
Представители:
- арены
- гетероциклические
соединения

Системы с открытой цепью сопряжения
СОПРЯЖЕНИЕ – это выравнивание связи по энергии и по длине, вызванное образованием π –единого делокализованного облака.
ЭНЕРГИЯ СОПРЯЖЕНИЯ – понижение энергии реальной молекулы, по сравнению с молекулами с изолированными связями.
В результате сопряжения молекула становится более термодинамически устойчивой.
NB! Чем больше энергия сопряжения, тем устойчивее молекула!

В сопряженных системах существует чередование двойной и одинарной связей:
Если имеется начало и конец сопряжения – это открытая цепь сопряжения.
бутадиен-1,3:
Е сопр. = 15 кДж/Моль

Примеры систем с открытой цепью сопряжения:
а) 2-метилбутадиен-1,3
(изопрен)
б) циклопентадиен-1,3
в) CH3-CH=CH-CH=CH-COOH
СОДЕРЖИТСЯ В СОКЕ РЯБИНЫ,
ЭФФЕКТИВНЫЙ АНТИСЕПТИК.
сорбиновая кислота
СН2=С СН=СН2
СН3

β–каротин – провитамин А, обуславливает окраску моркови,томатов, масла; имеет сопряженную систему из 11двойных (=) связей. В организме при его расщеплении образуется ретинол – витамин А – (5 =) : витамин роста, его недостаток понижает сопротивление к инфекционным заболеваниям; и ретиналь (6 =): отвечает за поглощение света в зрительном нерве.
Чем длиннее цепь сопряжения, тем устойчивее молекула к внешним воздействиям!

ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ СОПРЯЖЕННЫХ СИСТЕМ С ОТКРЫТОЙ ЦЕПЬЮ СОПРЯЖЕНИЯ
Химическое поведение молекулы обусловлено природой химической связи, распределением электронной плотности.
Особенности химической связи в сопряженных системах:
Образование π-делокализованного облака, единого для всей молекулы
Выравнивание длины связи
Легкая поляризуемость π-облака
NB!

Br
t<0
СH2=C-CH=CH2 + HBr СH3-C-CH=CH2
CH3 CH3 АЕ (1,2).
СH2=C-CH=CH2 + HBr СH3-C=CH-CH2Br
CH3 CH3 АЕ (1,4)
Для систем с открытой цепью сопряжения характерны реакции присоединения – АЕ (1,4) или АЕ (1,2).
Соотношение продуктов 1,4-присоединения и 1,2-присоединения зависит от:
1) природы алкадиена
2) электрофильного реагента
3) от условий протекания реакции(t, природы растворителя)
3-бром-3-метилбутен-1
1-бром-3-метилбутен-2
t>0

циклопентадиениланион
Системы с замкнутой цепью сопряжения за счет круговой делокализации называются ароматическими.
СИСТЕМЫ С ЗАМКНУТОЙ ЦЕПЬЮ СОПРЯЖЕНИЯ
(АРОМАТИЧЕСКИЕ)
нафталин C10H8
Карбоциклические

1) Молекула должна иметь плоский замкнутый скелет из σ-связей, sp2-гибридизацию атомов и единую π–сопряженную систему р–е (π−облако), охватывающую все атомы цикла.
2) Число электронов в π-облаке, по правилу Хюккеля, равно 4n+2, где n=1, 2, 3, 4…
Условия ароматичности

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕНЗОЛА

Для ароматических УВ характерны реакции, обусловленные замкнутой цепью сопряжения.
Устойчивость к окислению (энергия сопряжения =150 кДж/моль) ;
Способность к реакциям SЕ (сохраняющим ароматичность)
Относительная устойчивость к реакциям присоединения А (жесткие условия).

Общая схема SE
а) Образование электрофильной частицы под действием катализатора:
⎯→
б) Образование π-комплекса
π–комплекс: нехимическое соединение, π–облако содержит 6 электронов, ароматический характер не нарушен.

в) Образование σ–комплекса
σ–комплекс: неароматический, так как в кольце 4 электрона, а не 6 (как требует правило Хюккеля),
углерод в sp3–гибридизации,а не в sp2 ,геометрия неплоская.
г) отщепление водорода (Н+), возврат к ароматичности:
Е
Е
+Nu
-H
-Nu

1) Галогенирование: Реагенты: Cl2, Br2;катализаторы: AlCl3,FeBr3
2) Нитрование: Реагент: HNO3 (конц.); УСЛОВИЯ: H2SO4 (конц.)
3) Сульфирование: Реагент:H2SO4 конц. (SO3)
4) Алкилирование – образование гомологов бензола (реакция
Фриделя-Крафтса): Реагент: R- Г (Г-CI,Br,I), катализатор: AlCl3, FeCl3, FeBr3
5) Ацилирование - образование кетонов (реакция Фриделя-Крафтса)
Реагент: RCOCl, катализаторы: AlCl3,FeBr3
Химические реакции

1) Галогенирование
Реагенты: Cl2, Br2 катализаторы: AlCl3, FeBr3
Образование электрофильной частицы под действием катализатора:
Химические реакции
E
E = Cl +

2) Нитрование
Реагент: HNO3 (конц.); УСЛОВИЯ: H2SO4 (конц.)
E=NO2+
Образование электрофильной частицы под действием катализатора:

3) Сульфирование-
Реагент H2SO4 конц. (SO3)
E=SO3
H
2
S
O
4
S
О
3
S
O
3
H
2
H О
+
(конц.)
+
бензолсульфокислота

4) Алкилирование – образование гомологов бензола (реакция
Фриделя-Крафтса)
Реагенты R – Г, катализаторы AlCl3, FeCl3, FeBr3
E=CH3+
C
H
3
C
l
Al
C
l
3
C
H
3
H
Cl
+
+
метилбензол (толуол)

5) Ацилирование (реакция Фриделя-Крафтса)-
образуются смешанные кетоны.
Реагенты - RCOГ (галогенангидрид карбоновой кислоты),
катализаторы AICI3,FeBr3
→
Метилфенилкетон
+ HCI
ацетилхлорид

ПРАВИЛА ЗАМЕЩЕНИЯ В БЕНЗОЛЬНОМ КОЛЬЦЕ
Первый заместитель встает в любое положение и влияет на распределение электронной плотности в кольце.
2. По влиянию на распределение электронной плотности заместители делятся на два рода.
NB!

C
H
3
B
r
2
Al
B
r
3
C
H
3
C
H
3
Br
Br
+
2HBr
1-бром-2-метилбензол
1-бром-4-метилбензол
Заместители первого рода - , орто- ,пара – ориентанты, усиливают электронную плотность в кольце (ЭД), активируют реакции SЕ: R, CH2=CH- , OH, NHR, NR2, NH2, OR , (Cl, Br, I-ЭА)
+
+

Заместители второго рода – мета – ориентанты (ЭА), уменьшают электронную плотность в кольце, дезактивируют реакции SE :
3-бромбензолсульфокислота
>C=О, -СООН, -NO2, -SO3H, -С N

ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА НА ОСНОВЕ БЕНЗОЛА

Фенолокислоты
Фенолокислоты — это ароматические кислоты, в молекуле которых одновременно с карбоксильной группой имеется фенольный гидроксил. Наибольшую физиологическую активность проявляет -
о-гидроксибензойная, или салициловая,
2-гидроксибензойная кислота
(салициловая)

ЭФИРЫ САЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТЫ
Метилсалицилат
Methylii salicylas
Метиловый эфир салициловой кислоты.
С8Н8О3
Производные салициловой кислоты – физиологически активные вещества. Одно из них производное – метилсалицилат.
Применяется наружно (из-за раздражающего действия) как обезболивающее, жаропонижающее и противовоспалительное средство, чаще в смеси с хлороформом и жирными маслами для втирания при суставном ревматизме.

Фенилсалицилат (салол)
Phenylii salicylas
C13H10O3
Фениловый эфир салициловой кислоты.
Ф. является эфиром салициловой кислоты и фенола. Впервые он был получен М. В. Ненцким в 1886 г.
Обладая способностью проходить желудок неизмененным, фенилсалицилат применяется часто в качестве материала для покрытия пилюль, когда бывает необходимость, чтобы эти пилюли прошли без изменения через желудок и выделили свои ингредиенты в кишечнике.

Натрия салицилат — лекарственное средство, анальгетик и антипиретик из группы производных салициловой кислоты. Основной профиль применения — в качестве болеутоляющего и жаропонижающего средства. Относится к возможным заменам ацетилсалициловой кислоты для чувствительных к ней людей.
Салицилат натрия

Ацетилсалициловая кислота (аспирин)
Acidum acetylsalicylicum
C9H8O4
2-(ацетилокси)-бензойная кислота.
Салициловая кислота впервые
была получена путем окисления
салицилового альдегида,
содержавшегося в растении
Таволге (род Spireae). Отсюда её
первоначальное название –
спировая кислота, с которым
связано название аспирин
(«а» обозначает ацетил).
Ацетилсалициловая кислота в
природе не найдена.

Синтез аспирина
из салициловой кислоты и уксусного ангидрида

п-Аминобензойная кислота обладает свойствами как ароматических кислот, так и ароматических аминов. Ее называют фактором роста микроорганизмов, поскольку ПАБК участвует в синтезе фолиевой кислоты (витамина В9).
Эфиры ароматических аминокислот обладают общим свойством — способностью вызывать местную анестезию
В медицине используют анестезин (этиловый эфир ПАБК) и новокаин (Р-диэтил-иноэтиловый эфир ПАБК).
пара-Аминобензойная кислота (ПАБК) и ее производные.
новокаин
п-Аминобензойная кислота

Анестезин и новокаин несколько уступают по силе анестезирующего действия кокаину, широко употреблявшемуся ранее в медицинской практике.
Замена кокаина новокаином вызвана тем, что при его хроническом применении развивается лекарственная зависимость (кокаинизм).
Новокаин в основе своей структуры имеет те же фрагменты, что и кокаин.
кокаин
новокаин
анестезин

Пара-аминосалициловая кислота
Пара-аминосалициловая кислота (ПАСК) была одним из первых синтетических препаратов, предложенным для специфического лечения туберкулеза.
Препарат обладает бактериостатическим действием только против туберкулезных бактерий.
В отношении других микробов ПАСК неактивна.

Производные пара-аминофенола
В прошлом фенацетин широко применялся в медицинской практике, однако в последние годы в связи с возможными токсическими явлениями применение фенацетина стало ограниченным.
ПАРАЦЕТАМОЛ (Paracetamolum) По болеутоляющей активности парацетамол существенно не отличается от фенацетина; Основными преимуществами парацетамола являются меньшая токсичность, меньшая способность вызывать образование метгемоглобина. Вместе с тем этот препарат может также вызывать побочные эффекты;

Анальгин
Анальгин (Метамизол натрия) -лекарственное средство, анальгетик и антипиретик из группы пиразолонов. Синтезирован Людвигом Кнорром в 1920 году.
Во многих странах изъят из оборота в связи с риском развития агранулоцитоза.
При возникновении агранулоцитоза вероятность смертельного исхода оценивают примерно в 7 % — в случае доступности медицинской помощи

АРОМАТИЧЕСКИЕ МНОГОЯДЕРНЫЕ КОНДЕНСИРОВАННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
С10Н8 - нафталин С - sp2 -плоский скелет 4 х 2 + 2 = 10 ē – по правилу Хюккеля
С14Н10 - антрацен 4 х 3 + 2 = 14 ē
С14Н10 фенантрен 4 х 3 + 2 = 14 ē
π-электронное облако охватывает
все атомы углерода циклов

Многие биоактивные вещества имеют аналогичную структуру, поэтому конденсированные углеводороды используют в синтезе лекарственных препаратов. Например, структура фенантрена лежит в основе стероидов и алкалоидов ряда морфина.

54
Структура тетрацена – в тетрациклиновых антибиотиках.
Эти антибиотики представляют собой производные частично гидрированного нафтацена – соединения, состоящего из четырех линейно конденсированных шестичленных карбоциклов. Тетрациклины обладают широким спектром антимикробного действия и могут быть использованы даже при вирусных заболеваниях.
Тетрацен (нафтацен)
Биомицин

Некоторые многоядерные конденсированные углеводороды обладают канцерогенными свойствами. Они изучаются в связи с проблемами раковых заболеваний.
Из холестерина в организме может образовываться метилхолантрен

Метилхолантрен - сильнейший канцероген.Образованный в организме при нарушении обмена холестерина, он накапливается в предстательной железе, вызывает рак простаты.

3, 4 – бензпирен содержится в табачнoм дыме, легко окисляется по связям (1,2 и 3,4). Вступает во взаимодействие с NH2- группами гуанина (в ДНК), что приводит к необратимым изменениям в ДНК и возникновению раковых заболеваний клеток.

Химические свойства конденсированных систем
Химические свойства подобны свойствам бензола, но в связи с неполной выравненностью электронной плотности имеют особенности:
а) SЕ протекают легче, чем в бензоле
б) достаточно активны в реакциях присоединения и окисления

1. SЕ протекают в более мягких условиях, чем в бензоле
Для нафталина образуется преимущественно α-продукт
β - нафталин-
сульфокислота
α - нафталин
сульфокислота

Замена сульфогруппы на гидроксильную в
β– нафталинсульфокислоте приводит к образованию β – нафтола, который используется в медицине как дезинфицирующее средство.

61
2.Реакции присоединения протекают легче в фенантрене и антрацене, чем в нафталине (в положениях 9, 10).
C6H6 < нафталин < фенантрен, антрацен (в пол. 9, 10)
+
5
H
2
N
i
3
0
0
o
9
10
+
Br
2
B
r
B
r
C10H18 – декалин (декагидронафталин)
9, 10 – дибром- 9, 10 – дигидрофенантрен

3. Менее устойчивы к окислению

Биологически важные гетероциклические соединения

БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Гетероциклическими называются циклические органические соединения, в состав цикла которых, помимо атомов углерода, входят один или несколько атомов других элементов (гетероатомов).

Гетероциклические соединения
Пятичленные гетероциклы
(π-избыточные)
- С одним гетероатомом
- С двумя гетероатомами
Шестичленные гетероциклы
(π-недостаточные)
- С одним гетероатомом
- С двумя гетероатомами

Шестичленные гетероциклы.
π - НЕДОСТАТОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
-СН- заменили на -N= (в молекуле
бензола С6Н6)
Доказательства ароматичности:
1) Плоский скелет из σ-связей, N – в SP2
2) π - ē облако замкнуто, содержит 4 х 1 + 2 = 6 ē ( правило Хюккеля)
N вступает в π − π сопряжение и оттягивает электронную плотность на себя (ЭОN > ЭОC), в результате в кольце пиридина электронная плотность меньше, чем в С6Н6.
I. П И Р И Д И Н C5H5N

Атом N называют пиридиновым – на внешней sp2-гибридной атомной орбитали располагается неподеленная электронная пара, которая придаёт основные свойства С5Н5N.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА π-недостаточных систем
Реакции SЕ. Меньшая реакционная способность, новый заместитель встает в β-положение.
Основные свойства (у атома N).
Реакции SN (в α -положение)

β
β – пиридинсульфокислота -
антиметаболит,
структурный аналог –
β – пиридинкарбоновой кислоты.
(витамина РР)
Реакции SЕ.
а) сульфирование

β – пиридинкарбоновая кислота (Никотиновая к-та или витамин РР)
β - пиколин
(β – метилпиридин )
Окисление гомологов

Никотинамид – вторая форма витамина PP

В организме свободная никотиновая кислота быстро превращается в амид никотиновой кислоты.
Избыток никотиновой кислоты и её амида выводится из организма с мочой в виде, главным образом, N- метилникотинамида и частично некоторых других их производных.
N+
CONH2
CH3
N- метилникотинамид

Амид никотиновой кислоты применяется в медицине как лекарственное средство при таких заболеваниях как:
Диабет. Способно в определенной степени предотвращать повреждение поджелудочной железы, приводящее к утрате организмом способности вырабатывать собственный инсулин.
Остеоартрит. Никотинамид также уменьшает боли и улучшает подвижность суставов при остеоартрите.
Профилактика и лечение пеллагры

2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА проявляются
при присоединении Н+, образуется
катион пиридиния
гидроксид пиридиния хлорид пиридиния

3. РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ (ГИДРИРОВАНИЕ)
ПРОТЕКАЮТ В БОЛЕЕ МЯГКИХ УСЛОВИЯХ, ЧЕМ В С6Н6
ПИПЕРИДИН,
входит в состав промедола
Ni, t
+ 3Н2

Пиперидин и пиридин
Встречаются во многих алкалоидах: никотин, кониин
Алкалоиды – гетероциклические азотсодержащие основания растительного происхождения, обладающие выраженным физиологическим действием

Кониин-производное пиперидина
яд, выделенный из болиголова: этим веществом был отравлен Сократ

Никотин
Молекула никотина содержит ядро пиридина и метилированного у азота пирролидина (гидрированного пиррола):
Никотин в виде солей лимонной и яблочной кислот содержится в листьях табака, откуда его и получают. Содержание никотина в табаке достигает 3% и более.

4. РЕАКЦИИ SN –Заместитель встает
в α –положение,где электронная плотность
наименьшая
α
+ NaNH2 + NaH
α – аминопиридин

МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
ВДЫХАНИЕ ПАРОВ ПИРИДИНА МОЖЕТ ПРИВЕСТИ К ТЯЖЕЛОМУ ПОРАЖЕНИЮ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
ГОМОЛОГ ПИРИДИНА β – ПИКОЛИН ПРЕВРАЩАЕТСЯ В НИКОТИНОВУЮ КИСЛОТУ, НИКОТИНАМИД, КОТОРЫЕ ИЗВЕСТНЫ КАК ДВЕ ФОРМЫ ВИТАМИНА РР,
ДИЭТИЛАМИД НИКОТИНОВОЙ КИСЛОТЫ – КОРДИАМИН – ЭФФЕКТИВНЫЙ СТИМУЛЯТОР ЦНС
ПИПЕРИДИН ВХОДИТ В СОСТАВ ПРОМЕДОЛА, ВСТРЕЧАЕТСЯ ВО МНОГИХ алкалоидах.

II. Хинолин (бензопиридин) – ароматическое соединение, содержит пиридиновое и бензольное кольцо, относится к π -недостаточным системам.
Имеет плоский σ-скелет и единую сопряженную систему из десяти p – электронов.
1
2
3
4
5
6
7
8

ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ХИНОЛИНА
В реакциях SE атаке подвергается бензольное кольцо (кольцо пиридина является π – недостаточным).
Замещение протекает в положении 5 или 8.
2) В реакции SN может вступать только π – недостаточное пиридиновое кольцо (положения 2 и 4).

хинолин-8-сульфокислота
H2SO4
- H2O
NaOH, t
- NaHSO3
Реакция сульфирования лежит в основе
получения 8 – гидроксихинолина.
8-гидрокси-хинолин

Антибактериальным действием обладают такие производные 8 – гидроксихинолина, как энтеросептол (8 – гидрокси – 7 иод – 5 хлорхинолин)

и нитроксолин, или 5 – НОК (8 – гидрокси – 5 – нитрохинолин), который может быть получен нитрованием 8 – гидроксихинолина

Бактерицидное действие средств на основе 8 – гидроксихинолина заключается в их способности связывать в прочные комплексы ионы Ме (Со2+, Сu2+, Bi3+ и другие). Таким путем происходит выведение микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности кишечных бактерий.
хелат 8-гидроксихинолина

III. ИЗОХИНОЛИН
ВХОДИТ В СОСТАВ АЛКАЛОИДОВ РЯДА
МОРФИНА
И ПАПАВЕРИНА

Применяют морфин как болеутоляющее средство при травмах и различных заболеваниях, сопровождающихся сильными болевыми ощущениями.

А так же при подготовке к операции, при бессоннице, иногда при сильном кашле.

Гетероциклы, содержащие два атома азота называются диазины и различаются взаимным расположением атомов азота.
пиридазин пиримидин пиразин
Шестичленные гетероциклы с несколькими гетероатомами

IV. Пиримидин
менее основное соединение,чем пиридин
(2N конкурируют)
2) Почти не вступает в реакцию SE
Особенности реакционной способности

Биологическое значение
входит в состав:
а) нуклеиновых кислот в форме NH2 – и ОН –производных пиримидин (урацил,тимин,цитозин)
б) витамина В1 – тиамина, одного из важнейших витаминов. В1 содержит два гетероциклических кольца – пиридиновое и тиазольное, связанные метиленовой группой

Пиримидин
Урацил Ura
(2,4-диоксопиримидин)
Тимин Thy
(5-метил-2,4-диоксопиримидин,
5-метилурацил
Цитозин Cyt
(4-амино-2-оксопиримидин)
Пиримидиновые основания

Свойства тиамина
Играет важную роль в метаболизме углеводов и жиров.
Незаменим для утилизации глюкозы
Поддерживает работу сердца, нервной и пищеварительной систем.
Недостаток витамина в пище приводит к тяжелому заболеванию «бери-бери»

Источники витамина тиамина

Пятичленные гетероциклические соединения

пиррол фуран тиофен
ДОКАЗАТЕЛЬСТВА АРОМАТИЧНОСТИ
1) Замкнутые циклические плоские скелеты (атомы углерода и азота в sp2 гибридизации )
2) 4n + 2 = 4 х 1 + 2 = 6 (ē )
π – избыточные,т.к. N(O) вступает в р- π сопряжение,электронная плотность в кольце увеличивается, кроме того, 6 ē приходится на 5 атомов цикла. В результате электронная плотность в пирроле больше чем в C6H6
Пятичленные гетероциклические
π – избыточные системы

H2O, Al2O3, to
NH3
H2О
H2S
H2S
NH3
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

I. ФУРАН

ПИРРОЛ

Пиррольный атом азота имеет неподеленную электронную пару и участвует в р- π сопряжении.
Связь N–Н ослабляется, и пиррол проявляет кислотные свойства.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА π-избыточных систем
1) Реакции SЕ. Большая реакционная способность, чем у С6Н6, заместитель встает в α –положение,где сосредоточена большая электронная плотность:
а) алкилирование
б) галогенирование
в) ацилирование
г) сульфирование
д) нитрование
2) Слабокислые свойства - образование солей.

1. Реакции SE
а) алкилирование
α-метилпиррол

б) галогенирование
α-хлорфуран

Пиррол и фуран обладают свойствами ацидофобности (т.е. разрушаются в кислой среде.
Реагент не должен содержать Н+ )
Тиофен – более ароматичен, не боится кислоты.

б) сульфирование
+ С5Н5N · SO3
+ С5H5N
пиридинсульфотриоксид
не содержит Н+
α-пирролсульфокислота

г) нитрование
α-нитрофуран
ацетилнитрат
не содержит Н+

2) Слабокислые свойства (Н замещается на Ме, образуются соли)
+ NaNH2
+ NH3
пирролнатрий

3) восстановление пиррола:
пирролидин
Входит в состав лекарственных средств, некоторых алкалоидов,α-аминокислоты пролина.
4[H]

Пиррол образует кольца из четырех пиррольных циклов – порфиновые, (если водород замещается, то – порфириновые). Входит в состав хлорофилла, гемоглобина.

При биологическом окислении в печени
гемоглобина и других
порфиринсодержащих метаболитов
образуются билирубиноиды.
Они содержат линейную
тетрапиррольную структуру.
Наиболее важный - билирубин имеет
оранжевую окраску.Билирубины - пигменты желчи

V. ИНДОЛ (БЕНЗОПИРРОЛ)
-δ
Слабая NH-кислота.
Вступает в реакции SE (положение 3).
Биологически активные производные –триптофан и продукты его метаболизма (серотонин)

БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ИНДОЛА
Триптофан – α-амино-β-(β‘-индолил) пропионовая кислота. Входит в состав полипептидов растительных и животных организмов. Участвует в реакции гидроксилирования (получение 5-гидрокситриптофана, который подвергается декарбоксилированию с образованием 5-гидрокситриптамина(серотонина)
Серотонин является одним из нейромедиаторов головного мозга. Нарушение его нормального обмена ведет к шизофрении. Гормон удовольствия.

пиридиновый
имидазол
VI.Имидазол
пиррольный

Имидазол - амфотерное соединение
1. Проявляет слабокислотные свойства за счет пиррольного N
2. Слабоосновные – за счет пиридинового N
образует соли с сильными кислотами и щелочными металлами
NH кислотная группа и –N= основная образуют межмолекулярные водородные связи

Биологически активные производные имидазола
Гистидин -
α-амино-β-(4(5)‘-имидазолил) пропионовая кислота.
Входит в состав многих белков-глобина Участвует в ферментативных реакциях (кислотный и основной катализ)
Гистамин – биогенный амин, продукт декарбоксилирования гистидина,
имеет отношение к аллергическим
реакциям организма

VII.Пурин
Важнейшая конденсированная гетероциклическая система – пурин состоит двух сочлененных колец – имидaзола и пиримидина.
пурин

Свойства пурина
Устойчив к действию окислителей
Хорошо растворяется в воде
Амфотерен, образует соли не только с сильными кислотами, но (благодаря наличию NH – группы) и со щелочными Ме.
!Наиболее важны гидрокси – и аминопурины, принимающие
активное участие в процессах жизнедеятельности.

Пуриновые основания, входящие в состав РНК и ДНК.
Аденин
(6-аминопурин)
Гуанин Gua
(2-амино-6-оксопурин)
Пурин

Гипоксантин, ксантин, мочевая кислота – продукты превращения нуклеиновых кислот в организме
гипоксантин ксантин мочевая кислота

К пуриновым алкалоидам относятся:
Эти алкалоиды оказывают возбуждающее действие на центральную нервную систему.
теофиллин
(чай)
кофеин
(чай, кофе)
теобромин
(какао)

Электронная спектроскопия
(ультрафиолетовая)

При поглощении молекулой вещества электромагнитного излучения, соответствующего УФ (180-400 нм) и видимой (400-800нм) областям спектра происходит определенный переход валентных электронов с занятых орбиталей основного электронного состояния на вакантные орбитали возбуждённого.
Электронная спектроскопия

Большинство электронных переходов в молекулах проявляются в диапазоне 200-750 нм, который подразделяется на два поддиапазона
200-400 нм — ближняя ультрафиолетовая область;
Ультрафиолетовая(УФ) спектроскопия изучает поглощение органическими веществами света в ультрафиолетовой области спектра (длина волны от 200 до 400 нм).
Излучение с такой длиной волны поглощают только соединения, содержащие Π- связи ( С=С,С=О и др.).
400-750 нм — область видимого света
(область чувствительности человеческого глаза.)

Энергия электронного перехода ΔЕ связана с частотой электромагнитного излучения ν и длиной волны λ соотношением
ΔЕ= hν= hc/λ,
где h-постоянная Планка, а с-скорость света
Возможны четыре типа электронных переходов со связывающих и несвязывающих орбиталей основного состояния на разрыхляющие орбитали возбуждённого состояния:
Для этих переходов характерны разные значения ΔЕ

σ, σ* - уровни простых σ -связей: О-Н, N-Н,
С-Н, С-С, С-О, С-N, С-НаI и др.
π, π* - уровни кратных π -связей: С=С, N=N, С=N, С=О и др.
n - уровень несвязывающих неспаренных электронов, не участвующих в образовании химических связей:
О: , N ,S: , НаI: и др.
Используемые обозначения σ, σ* π, π* ,n означают следующее:
Наиболее информативны полосы поглощения, обусловленные π- π* и n - π* переходами, особенно в сопряженных системах.

Электронный спектр записывается в виде графика зависимости интенсивности поглощения (оптической плотности D ) от длины волны λ, выражаемой в нм или волнового числа ν ( 1/ λ), выражаемого в см-1.
Связь оптической активности D и молярной концентрации поглощающего вещества в растворе показывает основной закон оптической спектроскопии - закон Бугера –Ламберта –Бера-
D— оптическая плотность; ε-молярная экстинция .(молярный коэффициент погашения).
I0-интенсивность падающего света
I-интенсивность прошедшего через раствор света
С-концентрация вещества, моль/л;
I — длина пути света, см;

Электронные спектры поглощения в УФ- и видимой областях (называемые просто УФ-спектрами) характеризуются графиком в координатах D (или lg D) и λ (или ν ) .
При описании веществ обычно приводят только значения длины волны и интенсивности в максимуме полосы поглощения (λ макс и D или (ε)

Связь УФ-спектров со строением молекул
Положение полос поглощения в УФ- спектре зависит от строения молекул
Структурные группы (кратные связи, ароматические фрагменты),обусловливающие избирательное поглощение УФ-света, называются хромофорами,.
Ауксохромы - группы ,вступающие в р,π-сопряжение с хромофорами
(NH2,OH,SH и др.)
Поглощение изолированных хромофоров обусловлено π –π* и (или n-π)
электронными переходами, особенно в сопряженных системах

Ненасыщенные соединения с изолированными кратными связями имеют полосы поглощения, соответствующие π –π*переходу в области 170-200нм.
Вещества, не имеющие двойных связей, не поглощают УФ- излучения
Метод электронной спектроскопии чувствителен к наличию в молекуле сопряженных фрагментов.

УФ –спектр обычно состоит из одной широкой полосы поглощения, положение которой указывает на окружение двойной связи в молекуле. Чем большее число двойных связей в молекуле образует цепь сопряжения, тем больше длина волны поглощаемого света.
Сравним длины волн поглощаемого света в циклопентадиене (2 двойные связи и каротиноидных пигментах.
УФ-спектр циклопента-1,3-диена
1000.000
2000.000
3500.000
л/моль*см
205.00 220.00 240.00 260.00 280.00
Λмакс =240нм

Природные каротиноидные пигменты

Бензол
Соединения,содержащие бензольные кольца и гетероциклы, имеют в УФ-спектрах интенсивные полосы поглощения
Для бензола характерны три полосы поглощения:
180 нм,204 нм и в области 230-260- нм (ряд полос).
Они обусловлены π-π* переходами.

Замещённые бензолы
Если ароматическое кольцо сопряжено с электронодонорными или электроноакцепторными заместителями, а также кратными связями,то наблюдается значительное батохромное смещение ( смещение в длинноволновую часть спектра) полос поглощения с увеличением их интенсивности.
3
толуол
λ =262 нм (ε= 230)
λ =208 нм (ε~ 7.9х103)
Спектр п-нитрофенола и п-нитрофенолята

Кроме того, возможно появление полос поглощения, обусловленных электронным переходом с вкладом внутримолекулярного переноса заряда (ВПЗ).
В этих случаях происходит уменьшение электронной плотности в одном фрагменте молекулы с увеличением её- в другом.
Полосы поглощения соединений, содержащих в бензольном кольце одновременно электронодорные и электроноакцепторные заместители (например нитроанилин), имеют сложное происхождение

УФ –спектр нитроанилина
Для интерпретации таких спектров используют квантово-химические расчеты. Они позволяют идентифицировать полосы поглощения, обусловленные переходами с вкладом ВПЗ от донора к кольцу, от кольца к акцептору и от донора к акцептору.

Схема оптического cпектрометра

УФ-спектрофотометр “Lambda 35” (Perkin-Elmer, США)
УФ-спектрофотометр “Lambda 35” (Perkin-Elmer, США)
УФ-спектрофотометр “Lambda 35” (Perkin-Elmer, США)
УФ-спектрофотометр “Lambda 35” (Perkin-Elmer, США)
Спектрофотометры серии DU 800
УФ- спектрофотометры
УФ-спектрофотометр “Lambda 35” (Perkin-Elmer, США

Однолучевой спектрофотометр ЮНИКО 2800, диапазон 190-1100 нм,

Регистрация электронных спектров
Рабочий диапазон спектрометров 200-750 нм.
Можно регистрировать спектры газов, жидкостей и твердых тел.
Для получения спектра необходимо — 0.1-1 мг вещества.
Спектры обычно регистрируют в виде растворов в гексане, этаноле, воде и др. растворителях в кюветах их кварца (прозрачен до 180 нм).
Источники излучения — дейтериевые (180-400 нм), вольфрамогалогенные (400-800 нм) лампы.

Применение метода электронной спектроскопии
Идентификация органических соединений-сравнение спектра исследуемого соединения со спектрами соединений известной структуры.
Изучение кинетики и контроль за ходом реакции.
Изучение пространственного строения.
Количественный анализ содержания действующих компонентов в составе лекарственной формы