Шестичленные ароматические гетероциклы на основе пиридина, пиримидина и триазина

В пиридине всего лишь один метиновый мостикСН= молекулы бензола замещен на азамостик =N-. Число я-электронов осталось таким же, т. е. равным шести. Вместе с тем атом азота принес с собой свободную пару s- электронов (несвязывающая орбиталь cp_N) и вызвал сильную поляризацию а, л-электронного облака кольца в сторону атома азота. В результате молекула становится полярной (р = 7,32- Ю" ³⁰ Кл м) с отрицательным концом диполя на атоме азота. Все атомы углерода приобретают дробные положительные заряды, значение которых приведено на молекулярной диаграмме пиридина:

На молекулярной диаграмме приведены порядки л-связей и дробные заряды на атомах. Безусловно, расчеты этих величин являются сугубо приближенными, однако они правильно отражают относительное распределение (б+)-зарядов на а-, ри у-атомах углерода.

В результате наличия значительного положительного заряда в ядре пиридина он становится инертным ко многим реакциям электрофильного замещения (алкилирование, ацилирование) и лишь с большим трудом нитруется, сульфируется, бромируется. Так, р-сульфокислота пиридина образуется только при сульфировании олеумом при 250 °С:

Из-за большого (+6)-заряда электрофильное замещение в аи уположениях не происходит. Наличие заряда создает некоторую возможность для протекания реакций нуклеофильного замещения при С_а— или С_у-атомах углерода.

Так, например, в пиридиновых растворах щелочей при 400 °C образуются феноляты пиридина:

С амидом натрия реакция проходит легче, уже при 130 °С:

По способности сопротивляться окислителям пиридин напоминает нитробензол. Поэтому алкилпиридины легко окисляются до карбоновых кислот без изменения ароматического ядра:

Однако атом азота оказывается уязвимым по отношению к пероксидам:

Механизмы реакций электрофильного и нуклеофильного замещения здесь не описываются, так как они могут быть представлены так же, как и у аренов. Схема МО пиридина, свойства ВЗМО и НСМО аналогичны замещенным бензола с элсктроноакцспторами (N0₂, СО, CN и др.).

Одним из наиболее загадочных свойств пиридина являются его сравнительно низкие основные свойства. Они несколько выше, чем у анилина СбН₅ЫН₂, но намного уступают третичным аминам R₃N. Так, показатель константы кислотной диссоциации протонированного пиридина р/Г ₄ = 5,2 (в Н₂0). Для анилина это значение равно 4,6, в то время как у триметиламина составляет 9,8. Это означает, что пиридин очень слабо удерживает протон кислоты. Еще слабее держит его анилин и очень прочно — аммиак и алкиламины. Существует несколько объяснений этим необычным фактам. Большинство теоретиков считает, что причиной тому является различная гибридизация электронных орбиталей атомов азота: в аммиаке sp³, в анилине и пиридине sp². Они считают, что по мере того, как увеличивается 5-характер электронной пары.

N, происходит понижение протонного сродства этой пары.

Возможно, что причиной является как раз обратное. В NH₃ и алкил аминах, как считают другие, нет гибридизации, а имеется /?³-валентное состояние атома азота. Только «чистая» 5-электронная пара способна к сильному перекрыванию с вакантной 5-орбиталью Н*.

В анилине электронная пара NH₂— группы имеет частично р.-характер и находится в состоянии конверсии с 5-орбиталью:

Эта конверсия является причиной потери значительной части основности атома азота, как следствие участия cp_N пары в mc-сопряжении с бензольным ядром. Таким образом, протон конкурирует с я-системой фенильного ядра за (p_N— орбиталь.

В молекуле пиридина на атоме азота находится единичный р.-электрон, который составляет с остальными я-электронами устойчивый секстет (замкнутую устойчивую я-электронную оболочку, аналогичную яр⁶-оболочке атомов элементов). Поэтому cp_N— электронная пара должна быть свободной (по классической терминологии «неподеленной»). Понижение способности этой пары перекрываться с вакантной 15-орбиталью Н⁴ может быть понято с позиций конверсии этой пары с cp_N(5) на cp_N(3p.) аналогично тому, как это происходит с электронными парами центральных атомов металлов при комплексообразовании. Так, например, ион Zn²⁺, имеющий замкнутую Зс/¹⁰— орбиталь, координируясь с ароматическими макрогетероциклами (порфирин, фталоцианин), образует плоские 35/?²4</-комплексы, предоставляя вакантную 4^-орбиталь электронной паре атомов азота ароматического макроцикла. Это равносильно возбуждению 3d^]0 -" 3Л*/² у Zn²

Аналогичное возбуждение (промотирование) может иметь место у пиридина и подобных ему ароматических гетероциклов. Мостиковые N-атомы фталоцианина, в точности повторяющие связевую ситуацию пиридина (2sp²- гибридизация связей), почти полностью теряют свои основные свойства. Накопление положительного заряда на остове ароматического цикла будет понижать энергию о л -конверсии электронов. Поэтому азотирование ароматических циклов: порфирин —? азагюрфирины, тетрабензойорфин -> фталоцианин, пиридин -" диазины —> триазины и т. п. должно с неизбежностью приводить к потере основных свойств.

Результаты применения этой концепции точно совпадают с экспериментальными фактами. У пятичленных азотистых гетероциклов, обладающих повышенной электронной плотностью в цикле, условий для (У^5: п-конверсии нет, поэтому введение в пиррол второго, третьего и т. д. атомов азота не приводит к потере основных свойств cp_N— орбиталей.

Пиридин вследствие своей полярности и образования водородных связей с Н₂0 хорошо в ней растворяется. Водные его растворы показывают щелочную реакцию с кислотно-основными индикаторами, имеющими интервалы перехода окраски в области 4—7 ед. pH (метиловый оранжевый, бромкрезолпурпурный и др.). Пиридин имеет сильный неприятный запах и очень ядовит. Среди большого числа природных соединений, производных пиридина, имеются полезные лекарственные (никотинамид, или витамин РР, витамины группы В₆ и т. д.) и ядовитые вещества. К последним относится никотин.

— один из самых вредных алкалоидов — веществ, широко распространенных среди низших растений. Никотин широко применяется для борьбы с вредителями растений как инсектицид.

Пиридин в больших количествах используется как растворитель при проведении многих химических реакций, в технологии красителей и лекарственных веществ. Основным его источником (так же как и метилпиридинов, так называемых пиколинов) является каменноугольная смола.

Из бензозамещенных пиридина имеют практическое значение 2,3- бензопиридин, или хинолин, а также дибензопиридин (акридин). Хинолин может быть извлечен из каменноугольной смолы или синтезирован из анилина и его производных в реакции с глицерином в присутствии H₂S0₄ и мягкого окислителя — нитробензола (классический синтез Скраупа):

Участвующий в реакции акролеин получается дегидратацией глицерина:

Введение

в пиридин бензольного ядра повышает /_кип со 115 (пиридин, сокращенно Ру) до 237 °C (хинолин, сокращенно XI), приводит к малой растворимости в Н₂0, дальнейшему понижению основных свойств. Пиридиновое ядро дает все реакции пиридина, однако реакции электрофильного замещения происходят в бензольном ядре в положениях 5 или 8.

Из хинолинсульфокислоты щелочным плавлением получают 8- оксихинолин (оксин), важнейший аналитический реагент на катионы металлов, с которыми он образует внутрикомплексные соли, не растворимые в воде:

Изменяя значения pH, можно избирательно проводить количественное определение солей двух-, трехи четырехзарядных катионов большинства металлов.

Хинолин, взаимодействуя с сильными окислителями, сохраняет пиридиновое кольцо, тогда как бензольное окисляется до карбоксилышх групп:

Эта реакция аналогична окислению нафталина до фталевой кислоты. Хинолин широко используется как высококипящий органический растворитель, особенно для переведения в раствор очень трудно растворимых соединений ароматического типа. Большие его количества идут на приготовление лекарственных препаратов и синтез цианиновых красителей. Выше были рассмотрены цианиновые красители на основе бензогиазола.

Цианиновые красители на основе хинолина более доступны и используются как фотосенсибилизаторы фотографических эмульсий к красным и ИКлучам, которые активируют бромид серебра в реакции восстановления. Без фотосенсибилизаторов процесс фотографирования в указанной части спектра невозможен. Синтез простейшего цианинового красителя приведен ниже:

В этом красителе два слабых ароматических хромофора хинолина связаны метановым (=СН-) или полиеновым =СН (-СН=СН)" — мостиком в единый сильный хромофор красителя, в котором все я-электроны обобщены и составляют единое я-электронное облако. По мере роста п, т. е. длины полиеновой цепи, цвет красителей углубляется. Положительный заряд равномерно распределен по обоим N-атомам. Ниже приведена современная структура этилового красного:

В природе хинолиновое ядро часто встречается в молекулах сильно действующих биологически активных веществ — алкалоидов (хинин — средство от малярии, папаверин — спазмолитическое и сосудорасширяющее средство, наркотики — морфин, кодеин, героин и т. д.).

Азотированным (один атом азота в 10-положении) аналогом антрацена является акридин (дибензопиридин). Он в отличие от пиридина и хинолина окрашен в слабо-желтый цвет и является уже твердым телом с = 110 °C. Изменение агрегатного состояния является результатом утяжеления молекулы и роста межмолекулярного тс, я-взаимодействия. Растворы акридина в органических растворителях флуоресцируют фиолетовым светом, поглощенные кванты света hv испускаются в виде квантов hv' с другой длиной волны:

Акридин по химическим свойствам напоминает хинолин, однако в результате влияния двух бензольных ядер является еще более слабым основанием. Оксии аминопроизводные его составляют класс акридиновых красителей:

Они применяются как светоустойчивые красители для окрашивания шелка и нетекстильных материалов в желтые и оранжевые цвета. Эти красители получают реакцией замещенных, и-фенилендиаминов с альдегидами в присутствии концентрированной H₂S0₄ с последующим окислением 0₂ воздуха в солянокислой среде.

Производным акридина является акрихин — сильное противомалярийное средство: