Основы химии гетероциклических соединений

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический факультет

Кафедра химии природных и высокомолекулярных соединений

К. Ф. Суздалев

ОСНОВЫ ХИМИИ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ

СОЕДИНЕНИЙ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 547.8
ББК 24.23я73
       С89

Выпускается по решению кафедры химии природных и высокомолекулярных соединений, протокол № 3-2017-2018 от 19 декабря 2017 г.

Рецензенты:
доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой  химии природных и 
высокомолекулярных соединений ЮФУ С. В. Курбатов
кандидат химических наук, старший научный сотрудник ЮНЦ РАН 
Е. Н. Шепеленко

С89

Суздалев, К. Ф.
 
Основы химии гетероциклических соединений : [Электронный ресурс] : 
учебное пособие / К. Ф. Суздалев ; Южный федеральный университет. – 
Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2018.  –  Текстовое (символьное) электронное издание (8,84 Мб).  – 1 электрон. опт. 
диск (CDR). – Системные требования: процессор с тактовой частотой 1,5 ГГц 
и выше, 1 Гб оперативной памяти, Windows 7 SP1, Windows 8, 8.1, Windows 10 
(32- и 64-разрядные версии), Acrobat Reader DC, привод DVD-ROM.

ISBN 978-5-9275-2850-9
Учебное пособие «Основы химии гетероциклических соединений» нацелено на оптимизацию учебного процесса в ЮФУ, быстрого и удобного доступа студентов к учебным материалам. Издание обусловлено необходимостью обеспечить образовательные программы 
«фундаментальная и прикладная химия 04.05.01» (специалитет) по дисциплине «избранные главы фундаментальной химии. Гетероциклы» и «химия 04.03.01» (бакалавриат) по 
дисциплине «основы химии гетероциклов».  
Целью изучения дисциплины является получение знаний и систематизизация представлений о строении, свойствах, способах получения и применении пяти- и шестичленных 
гетероциклов, главным образом, ароматического характера, а также конденсированных 
систем на их основе. Гетероциклические соединения занимают одно из лидирующих мест 
среди органических соединений, которые присутствуют в живых организмах и используются человеком в различных областях деятельности. Особенно важны знания химии гетероциклов специалистам в области медицинской химии, фармакологии. Многие лекарства, 
природные алкалоиды, антибиотики представляют собой производные гетероциклов. Для 
результативного поиска новых синтетических лекарств требуется не только знание строения соединения, но также умение строить прогнозы о биологической активности вещества 
на основе анализа и нахождения аналогий и с известными биологическими объектами. 
В курсе изложены современные представления о гетероциклах, их типах, строении, 
номенклатуре, общих путях замыкания гетерокольца. Рассмотрены структура, свойства и 
способы ароматических гетероциклов с одним и двумя гетероатомами, а также биядерных 
систем, в которых гетероцикл аннелирован с бензольным кольцом.  
УДК 547.8
ББК 24.23я73
ISBN 978-5-9275-2850-9 
© Южный федеральный университет, 2018
© Суздалев К. Ф., 2018
© Оформление. Макет. Издательство 
Южного федерального университета, 2018

Содержание

1. Введение .........................................................................................................6

1.1. Основные определения ............................................................................6
1.2. Необходимость предмета «Химия
гетероциклических соединений» ....................................................................6

2. Номенклатура гетероциклических соединений ..............................11

2.1. Важнейшие гетероциклы с одним и двумя
гетероатомами ................................................................................................11
2.2. Принципы номенклатуры гетероциклических
соединений Ганча – Видмана ......................................................................12

3. Общие принципы химии гетероциклических
соединений.......................................................................................................14

3.1. Ароматические гетероциклы. Типы гетероатомов
в гетероциклах – пиррольный и пиридиновый
атомы азота .....................................................................................................14
3.2. Ацидофобность пятичленных гетероциклов .......................................15
3.3. Сравнение свойств фурана, пиррола и тиофена .................................15
3.4. Сравнение свойств нитробензола и пиридина ....................................16
3.5. Сравнение пиррола и индола ................................................................17
3.6. Изоиндол ..................................................................................................17
3.7. Индолизин ...............................................................................................18
3.8. Катион пирилия ......................................................................................18
3.9. Имидазол .................................................................................................18
3.10. Физические характеристики гетероциклов .......................................19
3.10.1. Дипольные моменты .........................................................................19
3.10.2. Спектры ЯМР 1Н и 13С .......................................................................20

4. Химия пиридина .........................................................................................23

4.1. Наиболее важные области применения пиридина
и его производных ..........................................................................................23
4.2. Действие пиридина на организм ..........................................................24
4.3. Промышленные методы получения пиридина
и его гомологов ...............................................................................................24
4.3.1. Синтез Чичибабина .............................................................................24
4.3.2. Дезалкилирование алкилпиридинов ................................................25
4.3.3. Синтез Боннеманна .............................................................................25
4.4. Лабораторные синтезы производных пиридина .................................25
4.4.1. Пиридины из 1,5-дикарбонильных соединений ..............................25
4.4.2. Синтез пиридинов из солей пирилия ................................................26

4.4.3. Синтез пиридинов по Ганчу ...............................................................27
4.4.4. Синтез пиридинов по Гуарески  .........................................................27
4.4.5. Синтез пиридинов реакциями циклоприсоединения .....................28
4.5. Химические свойства пиридинов ..........................................................30
4.5.1. Реакции пиридина с электрофилами  ...............................................30
4.5.2. Реакции пиридина с нуклеофилами .................................................33
4.5.3. Реакции N-окиси пиридина ................................................................36
4.5.4. Реакции алкилпиридинов ..................................................................37
4.5.5. Окисление алкильных групп пиридинов .........................................38
4.5.6. Реакции кросс-сочетания в ряду пиридина,
катализируемые палладием.........................................................................38
4.5.7. Свободнорадикальные реакции пиридинов .....................................39
4.5.8. Соли пиридиния. Получение и свойства ..........................................40

5. Химия хинолина .........................................................................................43

5.1. Методы синтеза хинолинов ...................................................................43
5.1.1. Реакция Скраупа  ................................................................................43
5.1.2. Синтез Фридлендера ...........................................................................43
5.1.3. Реакция Пфитцингера ........................................................................44
5.2. Свойства хинолинов ...............................................................................44
5.2.1. Реакции электрофильного замещения .............................................44
5.2.2. Реакции хинолинов с нуклеофилами ................................................45
5.2.3. Реакции хинолиниевых солей с нуклеофилами ..............................46

6. Химия изохинолина ..................................................................................47

6.1. Синтез изохинолинов .............................................................................47
6.1.1. Реакция Померанца – Фрича .............................................................47
6.1.2. Реакция Бишлера – Напиральского .................................................47
6.1.3. Реакция Пикте – Шпенглера .............................................................48
6.2. Свойства изохинолинов ..........................................................................48
6.2.1. Реакции с электрофилами  .................................................................48
6.2.2. Реакции с нуклеофилами  ..................................................................49
6.2.3. Реакции солей изохинолиния  ...........................................................49

7. Соли пирилия ..............................................................................................51

7.1. Получение солей пирилия .....................................................................52
7.1.1. Из соединений, имеющих пирановую структуру (синтезы С5) ......52
7.1.2. Циклизация 1, 5-дикарбонильных соединений (синтезы С5) ........52
7.1.3. Кислотная конденсация халконов с кетонами
(синтезы С2 + С3) ...........................................................................................53
7.1.4. Кислотная конденсация 1, 3-дикетонов с кетонами
(синтезы С2 + С3) ...........................................................................................54
7.1.5. Кислотная конденсация β-хлорвинилальдегидов с кетонами
(синтезы С2 + С3) ...........................................................................................54

7.1.6. Кислотная конденсация ортомуравьиного эфира с кетонами –
реакция Дорофеенко – Межерицкого (синтез С2+С1+С2) ........................55
7.1.7. Кислотная конденсация ацеталей и альдегидов с кетонами
(синтез С2+С1+С2) .........................................................................................56
7.1.8. Синтез солей пирилия ацилированием α, β-ненасыщенных
β-алкил кетонов (синтез С4 + С1) .................................................................56
7.1.9. Синтез солей пирилия бис-ацилированием олефинов
(синтез С1 + С3 + С1) .....................................................................................57
7.2. Химические свойства солей пирилия ...................................................58
7.2.1. Реакции с раскрытием пирилиевого цикла .....................................58
7.2.2. Реакции рециклизации пирилиевых солей .....................................58

8. Диазины ........................................................................................................69

8.1. Синтез диазинов .....................................................................................70
8.2. Химические свойства диазинов .............................................................71
8.2.1. Реакции диазинов с электрофилами .................................................71
8.2.2. Реакции диазинов с нуклеофилами ..................................................72
8.3. Электроциклические реакции диазинов .............................................72
8.4. Реакции галогенпроизводных диазинов ..............................................73

9. Пятичленные гетероциклы .....................................................................75

9.1. Пиррол .....................................................................................................76
9.1.1. Синтез пирролов ..................................................................................76
9.1.2. Свойства пирролов ...............................................................................78
9.2. Фуран .......................................................................................................82
9.2.1. Синтез фуранов ....................................................................................83
9.2.2. Реакции фуранов .................................................................................84
9.3. Тиофен ......................................................................................................88
9.3.1. Синтез тиофенов ..................................................................................88
9.3.2. Реакции тиофенов ................................................................................90
9.4. Индол........................................................................................................94
9.4.1. Синтез индолов ....................................................................................95
9.4.2. Свойства индолов .................................................................................97

Литература .....................................................................................................102

1. Введение1

1.1. Основные определения

Химия гетероциклических соединений – это раздел органической хи
мии, исследующий гетероциклические соединения (гетероциклы).

Гетероциклические соединения – это органические вещества, содержа
щие циклы, в состав которых наряду с углеродом входят атомы других элементов.

Гетероатом – атом отличного от углерода элемента, входящий в состав 

гетерокольца.

Насыщенные гетероциклические соединения – гетероциклы, содержа
щие атомы углерода только в состоянии sp3-гибридизации.

Ненасыщенные гетероциклические соединения – гетероциклы, в моле
кулах которых содержатся атомы углерода в состоянии sp2- или sp-гибридизации (или кратные связи).

Ароматические гетероциклические соединения – гетероциклы, в циклах 

которых содержатся атомы углерода только в состоянии sp2-гибридизации, 
и которые удовлетворяют правилу Хюккеля.

1.2. Необходимость предмета «Химия

гетероциклических соединений»

Гетероциклические соединения широко распространены в живой приро
де. Без них невозможна жизнь. Например, организм человека представляет 
собой «кладовую» гетероциклов (рис. 1).

Рис. 1. Гетероциклические соединения в организме человека

1  Раздел написан с использованием материалов введений к учебникам [1–4].

1. Введение

Наши ткани состоят из белков, в которых содержатся гетероциклические 

аминокислоты, такие как триптофан, гистидин и пролин. Наша кровь переносит кислород благодаря наличию в ней гемоглобина, основу которого составляет порфириновая система – четыре связанных через атомы углерода 
пиррольных цикла. Наш мозг работает благодаря наличию в нем нейромедиатора серотонина, представляющего собой производное индола. Буквально 
в каждой клетке нашего организма содержатся огромные полимерные молекулы ДНК, состоящие из гетероциклических азотистых оснований и дезоксирибозы, так же содержащей фурановое гетерокольцо, соединенных остатками 
фосфорной кислоты. 

Необходимо отметить, что малейшее нарушение количества гетеро
циклических соединений в организме приводит к заболеваниям. Например, 
недостаток серотонина приводит к агрессии, а его дисбаланс приводит к 
психическим расстройствам. Избыточное потребление сахаров (являющихся пяти- и шестичленными гетероциклами) приводит к ожирению и возникновению на этом фоне сердечно-сосудистых заболеваний и диабета. 

Схема 1. Формула хлорофилла

Гетероциклы входят в состав ферментов – сложных белковых молекул 

или молекул РНК, ускоряющих химические реакции в живых системах. Гетероциклические соединения содержатся также в растениях. Хлорофилл – 
вещество зеленого цвета, обусловливающее цвет листьев, содержит 4 пиррольных кольца в порфириновой системе, в центре которой содержится 
атом магния. Хлорофилл способствует процессу фотосинтеза и присутствует 
во всех фотосинтезирующих организмах – высших растениях, водорослях, 
фотоавтотрофных простейших (протистах) и бактериях.  

Особо необходимо отметить применение гетероциклических соединений 

в медицине. Более 60 % лекарств – гетероциклические соединения. В качестве примеров можно привести пенициллины – производные азетидина и 
тиазола, анальгин – производное пиразола, арбидол – производное индола 
(схема 2). 

Схема 2. Примеры лекарств-гетероциклов

1. Введение

Многие витамины являются гетероциклическими соединениями. На 

схеме 3 представлены витамины В12, В6, РР, В1.

Схема 3. Примеры гетероциклов-витаминов

Помимо положительных примеров использования гетероциклических 

соединений необходимо отметить, что большинство наркотиков являются гетероциклами. В качестве примеров можно привести наркотики с 
анальгетическим эффектом морфин и кокаин, галюциногены LSD-25 и 
псилицибин, тетрагидроканнабинол – действующее начало марихуаны 
(схема 4). 

Схема 4. Примеры гетероциклов-наркотиков

Модификация молекул наркотических веществ позволяет получить 

ценные лекарственные средства, например лекарство от кашля кодеин (на 
основе морфина) и метисергид – средство от мигрени (на основе LSD).

Многие гетероциклические соединения являются красителями и на
ходят соответствующее применение. Один из ярких примеров – индиго – 
темно-синий краситель, использующийся для окраски джинсов. Индиго 
является производным индола. Собственно само название гетероцикла 
«индол» происходит от «индиго» (рис. 2). Ранее индиго добывали из тропического растения, произрастающего в Индии, отсюда и происхождение 
слова. 

Из других известных красителей можно упомянуть метиленовый синий 

(синьку), применяемый после стирки белого белья. 

1. Введение

Рис. 2. Индиго, экспонат Технического университета Дрездена

Рис. 3. Метиленовый синий

Большое распространение получили полиметинцианиновые красители. 

Они содержат множество кратных связей, сопряженных с гетероциклическими кольцами, и окрашены в самые разные цвета. Окраска таких красителей зависит от строения гетероциклических остатков и соединяющего их 
мостика, заметно реагирует на характер электронного влияния заместителей, присоединенных к сопряженной системе. Потому для полиметиновых 
красителей характерно необычайное разнообразие цветовой гаммы. 
На рисунке 4 приведена формула красителей, содержащих остаток бензотиазола. 

Рис. 4. Полиметинцианиновые красители

1. Введение

Большое значение имеют фталоцианиновые красители. Они названы 

так потому, что содержат четыре фрагмента фталимида, связанные в единое 
кольцо, и атом металла (часто атом меди). Эти красители исключительно стабильны. Высокая свето- и термостойкость, красивые и чистые оттенки делают пигменты на их основе исключительно ценными для полиграфии (цветная печать), лакокрасочной промышленности (окраска автомобилей и т. п.),
для крашения резины, пластических масс (рис. 5). 

Рис. 5. Фталоцианиновые красители