Глава 9. Шестичленные гетероциклические соединения
Вопросы к семинару:
1. Азины (пиридин, хинолин, изохинолин, акридин), диазины(пиридазин, пиримидин, пиразин) и конденсированные системы (пурин). Электронное строение на примере пиридина и пиримидина. Понятие о гетероатоме пиридинового типа и p‑дефицитных системах. Прогнозирование реакционной способности на основе анализа строения.
2. Химические свойства шестичленных гетероциклов: основные и нуклеофильные свойства, особенности протекания реакций электрофильного и нуклеофильного замещения, гидрирование. Отношение азинов и их гомологов к окислению.
3. Таутомерия гидрокси- и аминопроизводных пиридина, пиримидина, пурина. Прототропная изомеризация пурина.
4. Синтез хинолина и его производных по Скраупу.
5. Лекарственные препараты на основе пиридина и хинолина: нико-тинамид, кордиамин, тубазид, фтивазид, оксин, 5-НОК (получение, анализ реакционной способности, качественные реакции, применение).
6. Биологически активные соединения и лекарственные препараты -производные пиримидина и пурина: урацил, цитозин, тимин, аденин, гуанин - компоненты нуклеотидов. Барбитуровая кислота и барбитураты (барбитал, фенобарбитал). Гипоксантин, ксантин, мочевая кислота.
7. Шестичленные гетероциклы с атомом кислорода. Неустойчивость a- и g-пиранов, a и g-пироны. Строение катиона пирилия, его ароматичность. Бензопироны: хромон, кумарин, флавон и их гидроксипроизводные.
Опыты к лабораторной работе:
1. Осаждение пиридином гидроксида железа (III).
2. Образование пикрата пиридина.
3. Действие окислителей на пиридин.
4. Образование солей мочевой кислоты.
5. Восстанавливающие свойства мочевой кислоты.
6. Окисление мочевой кислоты сильными окислителями.
Задания к самостоятельной работе:
Вариант 1
1. Напишите формулы следующих соединений: а) оксина, б) лютеолина, в) тимина, г) никотиновой кислоты. Назовите данные вещества по систематической номенклатуре. Укажите область применения этих соединений.
2. Расположите в ряд по убыванию активности в реакциях SЕ следующие соединения: тиофен, пиридин, пиримидин. Объясните полученную последовательность и приведите примеры SЕ реакции для пиридина (не менее трех).
3. Предложите схему синтеза 5,5-диэтилбарбитуровой кислоты из соответствующего производного малоновой кислоты. На примере полученного соединения объясните понятия «лактим-лактамная таутомерия». Какая из таутомерных форм придает веществу кислый характер? Как это свойство используется в фармации?
4. Предложите способ синтеза пиридина из g-пиколина и введите его в реакцию Чичибабина. Приведите уравнения реакций. Назовите все соединения.
5. Заполните следующую схему. Назовите продукты всех реакций:
Вариант 2
1. Приведите формулы, назовите и пронумеруйте гетероциклы, лежащие в основе следующих соединений: а) барбитал, б) кверцетин, в) изониазид, г) гипоксантин.
2. Сравните электронное строение молекул бензола и пиридина. Объясните как различие в строении сказывается на химических свойствах. Ответ подтвердите примерами химических реакций.
3. Предложите метод синтеза b-гидроксипиридина (через b‑аминопиридин) из пиридина.
4. Дайте определение понятию «кето-енольная таутомерия». Объясните, почему для барбитуровой кислоты характерен этот вид таутомерии (приведите схему изомеризации), а для препарта «а» из задания 1 - нет.
5. Заполните следующую схему. Назовите продукты всех реакций:
Вариант 3
1. Назовите следующие гетероциклы, пронумеруйте атомы в циклах:
Укажите, в какие биологически активные вещества или лекарственные препараты они входят.
2. Сравните электронное строение и свойства бензола и пиримидина. Ответ проиллюстрируйте примерами химических реакций.
3. В какие соединения превращается пиридин под действием:
а) 2,4-динитрохлорбензола, б) иодистого метила, в) водорода в присутствии никеля, г) амида натрия при нагревании. Напишите уравнения соответствующих реакций, назовите продукты.
4. Предложите метод синтеза барбитала из мочевины и диэтилмалоновой кислоты. Какие виды таутомерии и почему характерны для этого препарата? Какой из таутомеров и почему используется для получения лекарственного препарата, лучше растворимого в воде, чем сам барбитал?
5. Заполните схему, назовите реакции получения продуктов А и Б, дайте определения этим реакциям:
Вариант 4
1. Назовите гетероциклы, лежащие в основе: а) акрихина, б) b‑пиколина, г) цитозина, г) мочевой кислоты.
Объясните чем будут отличаться ИК-спектры b-пиколина и лактамной формы мочевой кислоты.
2. К каким соединениям - p-избыточным, p-дефицитным или p‑амфотерным (дайте определение этим понятиям) - относится гетероцикл, лежащий в основе b-пиколина? Как электронное строение влияет на реакционную способность этого гетероцикла? Ответ подтвердите уравнениями реакций.
3. Объясните, почему 8-оксихинолин растворяется в кислотах и щелочах и вступает в реакции азосочетания. Приведите уравнения соответствующих реакций.
4. Приведите уравнение реакции разложения фенобарбитала щелочью. Какой газ выделяется при подкислении продуктов разложения? Какое значение имеют эти реакции в фарманализе?
5. Заполните следующую схему, назовите все соединения:
Вариант 5
1. Напишите формулы следующих соединений и определите в них тип гетероатомов: а) хромон, б) пурин, в) изохинолин, г) никотинамид. Чем будут отличаться ИК-спектры соединений «б» и «г» в областях 1600-1800 см-1 и 3100-3500 см-1? Ответ объясните.
2. Расположите в ряд по возрастанию активности в реакциях электрофильного замещения: бензол, пиррол, пиридин. Ответ поясните, в качестве примера приведите реакцию сульфирования указанных соединений. Укажите условия реакции.
3. Напишите уравнения реакций соединения «г» (из задания 1) с:
а) гипобромитом натрия при нагревании, б) восстановителем, в) 2,4-динитрохлорбензолом, г) водной щелочью при нагревании.
Какая из этих реакция является реакцией Гофмана?
4. Приведите схему получения 8-гидроксихинолина, используя синтез Скраупа. Назовите исходные вещества. Каким действием обладают препараты - производные 8-гидроксихинолина? Какими структурными особенностями молекул это объясняется?
5. Приведите лактимную и лактамную таутомерию гипоксантина (6‑оксипурина). Объясните причину существования лактим-лактамной таутомерии для данного соединения.
Вариант 6
1. Напишите формулы и названия гетероциклов, которые лежит в основе: а) тубазида, б) гуанина, в) кверцетина, г) 5-НОК.
2. В пурине содержатся два типа гетероатома азота, которые вносят различный вклад в p-систему. Объясните электронное строение каждого из них и дайте понятие p-амфотерности.
3. Исходя из мочевины и соответствующего производного малоновой кислоты, получите 5-этил-5-фенилбарбитуровую кислоту. Как применяется это соединение? Какой тип таутомерии (кетоенольная, лактим-лактамная) и почему для него характерен? Какой из изомеров может быть использован для получения натриевой соли? Приведите уравнение реакции.
4. Для препарата «а» (из задания 1) приведите уравнения следующих реакций: а) серебряного зеркала, б) конденсации с 4-гидрокси-3-метоксибензальдегидом, в) гидролиза в кислой и щелочной средах, г) взаимодействия с 2,4-динитрохлорбензолом. Какие из этих реакций и для каких целей используются в фармации?
5. Предложите способ получения b-аминопиридина из пиридина (с помощью последовательных реакций). Укажите типы этих реакций.
Вариант 7
1. Напишите формулы следующих соединений: а) никотиновой кислоты, б) ксантина, в) урацила, г) мочевой кислоты. Назовите данные вещества по систематической номенклатуре. Укажите значение этих соединений.
2. Сравните строение и химические свойства бензола и пиридина. Ответ проиллюстрируйте соответствующими химическими реакциями.
3. Приведите уравнения реакции следующих превращений: а) пиридин ® 4-гидроксипиридин, б) хинолин ® 2,3-пиридин-дикарбоновая кислота, в) пиримидин ® пиримидина гидрохлорид.
4. На примере 5,5-диэтилбарбитуровой кислоты объясните понятие «лактим-лактамная таутомерия». Какая из таутомерных форм придает веществу кислый характер? Как это свойство используется в фармации?
5. Заполните следующую схему, назовите все соединения:
Вариант 8
1. Приведите формулы следующих соединений, назовите их по систематической номенклатуре, укажите, какие из них содержат только p-дефицитный гетероцикл: а) g-пиколин, б) кумарин, в) аденин, г) урацил.
2. Сравните строение и химические свойства пиридина и хинолина. Ответ проиллюстрируйте примерами химических реакций.
3. Приведите схемы сульфирования, гидроксилирования, полного гидрирования пиридина. Назовите продукты. Укажите, для какого из них и почему возможна лактим-лактамная таутомерия. Приведите таутомерные формы.
4. Объясните, чем обусловлены кислотные свойства мочевой кислоты. Напишите уравнения реакций образования средней и кислой натриевых солей мочевой кислоты.
5. Заполните схему, назовите продукты превращения:
Вариант 9
1. Приведите формулы и дайте названия по международной номенклатуре следующим соединениям, определите тип гетероатомов в них: а) тимин, б) гипоксантин, в) оксин, г) никотиновая кислота.
2. Сравните электронное строение и свойства пиримидина и имидазола. Что общего и различного в их свойствах? Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
3. Рассмотрите кислотно-основные свойства соединения «г» (из задания 1) и приведите его строение в водном растворе. Какие еще биологически важные органические соединения имеют в растворах подобное строение?
4. Приведите уравнения реакций, с помощью которых можно превратить пиридин в: а) 4-гидроксипиридин, б) a-аминопиридин, в) N-метилпиридиний иодид г) 3-нитропиридин. Укажите тип каждой реакции.
5. о-Гидроксианилин ввели в реакцию Скраупа. Продукт синтеза подвергли реакции нитрования. Приведите уравнения реакций, назовите все соединения. Укажите область применения конечного продукта.
Вариант 10
1. Дайте названия следующим соединениям по тривиальной и систематической номенклатурам. Для каких из них возможна прототропная изомеризация?
2. Приведите электронное строение атома азота пиридинового типа. Объясните, почему неподеленная электронная пара атома азота не участвует в построении p-секстета?
3. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно превратить хинолин в: а) 2,3-пиридиндикарбоновую кислоту, б) 4‑аминохинолин, в) 8-сульфохинолин. Укажите тип реакций.
4. Предложите способ получения соединения «в» (задание 1), исходя из малоновой кислоты Объясните, почему полученное вещество можно рассматривать как циклический уреид. Какие виды таутомерии для него характерны (ответ подтвердите схемами)?
5. Назовите продукты «А» и «Б» в следующей схеме. Укажите область применения этих соединений:
Вариант 11
1. Назовите следующие соединения, укажите, какие из них содержат гетероатом пиридинового типа:
2. В чем сходство и различие в строении молекул пиррола и пиридина? Как эти факторы сказываются на химических свойствах? Ответ подтвердите примерами химических реакции.
3. Напишите конкретные примеры реакций: а) Чичибабина, б) Скраупа. Дайте определение этим реакциям.
4. Приведите лактимную- и лактамную форму цитозина (4-амино-2-гидроксипиримидина) и объясните причину существования лактим-лактамной таутомерии.
5. Заполните следующую схему, назовите все соединения:
Вариант 12
1. Напишите формулы следующих соединений, назовите их по систематической номенклатуре. Укажите, какие соединения содержат гетероатом пиридинового типа: а) 5-НОК, б) цитозин, в) аденин, г) g-пиколин, д) пиперидин.
2. Сравните электронное строение и химические свойства нафталина и хинолина. Что общего и разного в их свойствах? Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
3. Предложите способ синтеза фтивазида, исходя из изоникотиновой кислоты. Назовите промежуточные продукты.
4. Для соединения «г» (из задания 1) приведите уравнения реакций со следующими реагентами: а) NaNH2, б) КМnO4 водн. раствор, нагревание, в) НС1 водный раствор. Какие свойства исходного соединения подтверждают реакции а – в?
5. 5-Фенил-5-этилбарбитуровую кислоту последовательно обрабатывают: а) конц. HNО3 в смеси с H2SО4, б) цинком в соляной кислоте, в) NaNО2 в кислой среде на холоду, г) b‑нафтолом в щелочной среде. Приведите уравнения всех реакций. Как называются две последние реакции?
Вариант 13
1. Дайте названия следующим соединениям по систематической номенклатуре. Укажите, какое из них содержит p-амфотерный гетероцикл:
2. Сравните электронное строение и химические свойства пиридина и изохинолина. Что общего и различного в их свойствах? Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
3. Используя b-пиколин, предложите способ синтеза диэтиламида никотиновой кислоты - составной части кордиамина. Назовите промежуточные соединения.
4. Укажите, какой вид таутомерии характерен для ксантина. Объясните причину существования таутомерных форм. Какие из них и почему будут реагировать с: а) NaOH, б) НС1? Приведите уравнения реакций.
5. Назовите реагенты в следующей схеме. Укажите область применения конечного продукта.
Вариант 14
1. Дайте названия следующим соединениям по систематической номенклатуре:
Для каких соединений возможна лактим-лактамная таутомерия. Приведите таутомерные формы.
2. Сравните электронное строение и свойства пиридина и пиразола. Что общего и различного в их свойствах (ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций).
3. Приведите примеры реакций (не менее двух на каждый тип), доказывающих: а) основные свойства пиридина, б) нуклеофильные свойства пиридина. Объясните разницу между этими понятиями.
4. Из следующих соединений - 2,6-дихлоранилина, 2-сульфоанилина, 4‑метоксифенола - выберите вещество, которое можно использовать в качестве исходного в синтезе Скраупа. Почему два других вещества для этой цели не подходят?
5. Установите строение исходного соединения. Укажите область применения конечного продукта.
Напишите уравнение реакции серебряного зеркала для тубазида.
Вариант 15
1. Напишите формулы следующих соединений: а) оксин, б) b-пиколин, в) пурин, г) кумарин. Назовите данные вещества по систематической номенклатуре. Укажите, для каких соединений и почему характерна прототропная изомеризация. Приведите таутомерные формы.
2. Сравните электронное строение и свойства пиразина и пиридина. Что общего и различного в их свойствах? Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
3. Напишите формулы соединений, которые необходимо ввести в реакцию Скраупа, чтобы получить: а) хинолин, б) 8-гидрокси-7-иод-5-хлорхинолин, в) 8-гидроксихинолин. Для соединения «б» приведите схему синтеза по Скраупу.
4. Приведите уравнения реакций, с помощью которых можно превратить пиридин в: а) пиридина гидрохлорид, б) пиперидин, в) b‑нитропиридин, г) 4-гидроксипиридин. Укажите тип реакций.
4. Никотин [3-(N-метил-2-пирролидил)-пиридин] окислили, продукт реакции обработали пятихлористым фосфором, затем - диэтиламином. Приведите уравнения реакций, назовите все соединения. Укажите область применения конечного продукта.
5.
Вопросы для самоконтроля:
В заданиях 1-12 для каждого незаконченного утверждения напишите букву, соответствующую правильному ответу, учитывая, что ответ может быть использован один раз, несколько раз, или не использован совсем.
| 1. Гетероцикл, лежащий в основе тубазида, называется… 2. Гетероцикл, лежащий в основе ксантина, называется… 3. Гетероцикл, лежащий в основе барбитала, называется… | а) пиридин б)пиримидин в) пиридазин г) пиразин д) пурин |
| 4. Барбитуровая кислота по заместительной номенклатуре называется…. 5. Аденин по заместительной номенклатуре называется…. 6. Урацил по заместительной номенклатуре называется…. | а) никотиновая кислота б) 2,4-дигидроксипиримидин в) 4-амино-2- гидроксипиримидин г) 6-аминопурин д)2,4,6-тригидроксипиримидин |
| 7. Продуктом окисления хинолина является… 8. В результате синтеза Скраупа о-аминобензойная кислота превращается в …. 9. При взаимодействии пиридина с этилиодидом образутся… | а) 3-этилпиридин б) 8-хинолинкарбоновая кислота в) пиридин-2,3-дикарбоновая кислота г) N-этилпиридиний иодид д) 8-аминохинолин |
| 10. Кордиамин используют как средство… 11. Фтивазид применяют как средство… 12. Фенобарбитал используют как средство… | а) снотворное б) анестезирующее в) антирахитическое г) противотуберкулезное д) стимулятор ЦНС |
В заданиях 13-17 для каждого незаконченного утверждения следует несколько ответов. Выберите один правильный ответ, дайте буквенное обозначение.
13. Кето-енольная таутомерия характерна для: а) никотиновой кислоты, б) мочевой кислоты, в) барбитуровой кислоты, г) фенобарбитала, д) гуанина.
14. Бромирование пиридина идет преимущественное по: а) гетероатому, б) a-положению, в) b-положению, г) g-положению.
15. Нуклеофильные свойства хинолина проявляются при взаимодействии с: а) водородом, б) гидроксидом калия, в) соляной кислотой, г) серной кислотой, д)этилиодидом.
16. Водный раствор вещества (25%), полученного в результате последовательного окисления 3-метилпиридина, действия тионилхлорида и диэтиламина, называется: а) никотинамид, б) кордиамин, в) тубазид, г) фтивазид, д) новокаин.
17. Аналитическим эффектом гидролиза фтивазида в кислой среде является: а) окрашивание раствора, б) характерный запах, в) образование осадка, г) выделение газообразных продуктов.
В заданиях 18-22 для каждого утверждения один или несколько ответов являются верными. Напишите букву, соответствующую правильной комбинации ответов:
А- если верно 1,3,4
В - если верно 2,4,5
С - если верно 1,3
Д - если верно 2,5
Е - если верно 2.
18. Пиридин является ароматическим соединением, потому что его молекула: 1) содержит в цикле шесть атомов 2) плоская, 3) содержит гетероатом пиридинового типа, 4) замкнута в цикл, 5) имеет электронную систему из 6 электронов.
19. Ядро пурина состоит из гетероциклов: 1) пиридина, 2) пиримидина, 3) пиразина, 4) пиразола, 5) имидазола.
20. В качестве исходного вещества в синтезе Скраупа можно использовать: 1) N,N-диметиланилин, 2) п-метоксианилин, 3) 2,6‑диметиланилин, 4) п-нитрофенол, 5) пиридин.
21. В реакцию нуклеофильного замещения пиридин вступает с: 1) раствором гидроксида калия, 2) безводным гидроксидом калия, 3) аммиаком, 4) ацетилхлоридом, 5) амидом натрия.
22. В реакцию электрофильного замещения хинолин вступает с: 1) олеумом, 2) концентрированной соляной кислотой, 3) нитрующей смесью, 4) бромом в присутствии катализатора, 5) метилбромидом.
В заданиях 23-26 каждое предложение представляет собой два утверждения, связанных словами "потому что". Определите достоверность каждого из утверждений и причинно-следственную связь между ними. Напишите букву, соответствующую правильному ответу:
| Ответ | Утверждение 1 | Утверждение 2 | Связь |
| А | верно | верно | верно |
| В | верно | верно | неверно |
| С | верно | неверно | неверно |
| Д | неверно | верно | неверно |
| Е | неверно | неверно | неверно |
23. Пиримидин легко вступает в реакции электрофильного замещения, потому что является p-дефицитной системой
24. Для пурина возможна прототропная изомеризация, потому что его молекула содержит гетероатомы и пиррольного и пиридинового типов.
25. Барбитураты проявляют кислотные свойства, потому что одна из таутомерных форм содержит фенольный гидроксил.
26. В реакциях азосочетания оксин является азосоставляющей, потому что содержит хинолиновый цикл.
В заданиях 27-30 закончить ответы.
27. Продукт конденсации 2,2-диэтилмалонового эфира с мочевиной имеет тривиальное название...
28. Соединение С7Н9N в схеме превращений по заместительной номенклатуре называется...
29. Взаимодействие пиридина с соляной кислотой описывается уравнением…
30. Тубазид гидролизуется в присутствии гидроксида калия по схеме...
Ответы
| 1. а 2. д 3. б 4. д | 5. г 6. б 7. в 8. б | 9. г 10.д 11.г 12.а | 13.в 14.в 15.д 16.б | 17.б 18.В 19.Д 20.Е | 21.Д 22.А 23.Д 24.А | 25.А 26.В 27. барбитал 28. 3‑этилпиридин | |||
| 29. |  | ||||||||
| 30. |  | ||||||||