Гетероциклические соединения. 
Химия

Замкнутые структуры циклических органических соединений строятся не только из атомов углерода. В них могут участвовать и другие атомы: как неметаллы, так и металлы. Так, в комплексе меди с глицерином (см. пример 9.3) имеются два цикла с двумя атомами углерода и кислорода и с атомом меди, общим для обоих циклов. Очень часто в органических циклах присутствует азот. Соединения с циклами без сопряженных связей имеют вполне обычные свойства, характерные для соответствующего класса веществ.

Пример 10.3.

Азотсодержащее соединение пирролидин C₄H₉N имеет пятичленное кольцо из одного атома азота и четырех атомов углерода. Охарактеризуйте это соединение. Напишите пример химической реакции.

Вещество имеет структурную формулу.

Из формулы следует, что вещество представляет собой вторичный циклический амин. Напишем реакцию с бромметаном, которая идет так же, как с вторичным нециклическим амином:

Особые свойства возникают у гетероциклических соединений с ароматической системой л-связей. Вещества именно этого типа играют исключительно важную роль в биологии: они обеспечивают хранение и передачу наследственной информации, синтез сложных молекул белков, поглощение кислорода воздуха в легких и др.

Простейшие ароматические гетероциклические соединения, содержащие азот, — пиридин C₅H₅N и пиррол C₄H₅N:

Эти вещества представляют собой жидкости с температурой кипения выше, чем у воды. Растворимость пиррола невелика, а пиридин неограниченно смешивается с водой. Запах пиррола напоминает хлороформ; запах пиридина своеобразный, очень неприятный.

В обоих соединениях атом азота находится в состоянии sp²- гибридизации. В пиридине он дает в сопряженную систему электронов один электрон и сохраняет свободную пару электронов. Вещество имеет основные свойства, однако значительно ослабленные влиянием ароматического кольца. Атом азота такого типа в гетероциклических соединениях называют пиридиновым. В пирроле четыре атома углерода имеют по одному электрону на негибридных р-орбиталях, и до ароматического комплекта недостает уже двух электронов. Этот недостаток восполняет азот, но при этом у него не остается свободной электронной пары. Такой атом азота называют пиррольным. Он не придает веществу основных свойств. Атом водорода, связанный с пиррольным атомом азота, приобретает способность к замещению на атом металла, т. е. соединение становится кислотой, хотя и крайне слабой — приблизительно как этанол. При сильном нагревании пиррола с твердым гидроксидом калия происходит замещение водорода, и образуется соединение состава C₄H₄NK. При действии кислот пиррол превращается в смолу неопределенного состава.

Пиридин и пиррол легко вступают в реакции замещения и образуют многочисленные производные. У пиридина замещение идет преимущественно на атомах углерода 3 и 5 ((3-положение относительно азота), а у пиррола — на атомах 2 и 5 (a-положение относительно азота).

В ароматических гетероциклических соединениях может содержаться два и более атомов азота. К таким структурам относятся пиримидин C₄H₄N₂ и имидазол C₃H₄N₂:

Пиримидин и имидазол также дают биологически важные производные.

Известны и многоядерные гетероциклические соединения, наиболее важным из которых является пурин C₅H₄N₄:

Рассматривая формулу пурина, можно заметить, что он сочетает кольца пиримидина и имидазола, причем у них имеются общие атомы углерода: четвертый и пятый.

Вопросы и задания

• 1. Какие вещества называют гетероциклическими?
• 2. Проявляют ли азотсодержащие гетероциклические соединения свойства ароматичности?
• 3. Напишите реакции пиридина и пиррола с хлорэтаном в присутствии хлорида алюминия.
• 4. Определите, какого типа атомы азота имеются в пиримидине и имидазоле.
• 5. Чем отличаются химические связи азота в пиридине и пирроле?
• 6. Приведите примеры азотсодержащих гетероциклических соединений с двумя атомами азота.
• 7. Охарактеризуйте особенности строения молекулы гетероциклического соединения пурин.
• 8. Какова биологическая роль азотсодержащих гетероциклических соединений?