background image

 

26. H E T E R O C Y K L I C Z N E Z W I Ą Z K I    A R O M A T Y C Z N E 

                                                                                

Aleksander Kołodziejczyk

                                 

                          2009 wrzesień

 

 

Cykliczne związki organiczne zawierające w pierścieniu heteroatomy, czyli atomy inne niż atom 
węgla (jeden lub więcej, najczęściej  NO lub S) oraz odpowiednią liczbę podwójnych wiązań, 
tak  żeby  spełnić  regułę  Hückla  (ewentualnie  razem  z  wolną  parą  heteroatomu)  wykazują 
właściwości aromatyczne. 

Należą do nich heterocykle pięciocio- lub sześcioczłonowe

 

 
26.1 Pięcioczłonowe heterocykle aromatyczne 

 

Przykłady pięcioczłonowych heterocykli aromatycznych

N

O

S

H

..

..

..

C

-

..

..

pirol

furan

tiofen

anion cyklo-
pentadienowy

azacyklopentadien

(

)

oksacyklopentadien

(

)

tiacyklopentadien

(

)

..

 

 

Warto zwrócić uwagę, że podobną, spełniającą regułę  Hückla strukturę  elektronową ma  anion 
cyklopentadienowy
. Oczywiście wszystkie przedstawione pierścienie są płaskie.  

 

Heterocykle aromatyczne mogą zawierać więcej heteroatomów. 

N

N

O

N

S

N

H

N

N

H

N

N

N

H

..

..

..

..

..

..

..

oksazol

tiazol

imidazol

pirazol

triazol

(1,3,5-triazol)

 

 

Znane  są  też  heterocykle  pięcioczłonowe  skondensowane  z  innymi  pierścieniami    homo-  lub 
heterocyklicznymi. 

N

H

N

H

N

N

N

H

N

indol

puryna

karbazol

 

 

 

26.1.1 Występowanie 

Pięcioczłonowe,  heterocykliczne  pierścienie  znajdują  się  w  wielu  związkach  naturalnych. 
Przykładem  mogą  być  aminokwasy  – 

tryptofan

  i 

histydyna

,  aminy  biogenne,  np. 

tryptamina

histamina

 czy 

skatol

alkaloidy, np. alkaloidy sporyszu (pochodne 

kwasu lizerginowego

), LSD-

25  (syntetyczna  pochodna 

kwasu  lizerginowego

), 

johimbina

strychnina

  (zawierają  układ 

indolowy),  alkaloidy  purynowe  (

kofeina

  i  analogi),  aminy  wchodzące  w  skład  kwasów 

nukleinowych,  np. 

guanina

,  związki  zawierające 

hem

,  np. 

hemoglobina

chlorofil

tiamina

 

(witamina  B

1

)  i  wiele  innych. 

Kwas  indolilo-3-octowy

  jest  hormonem  ułatwiającym  wzrost 

korzeni  roślin.  Stymuluje  on  ukorzenienie  już  przy  stężeniu  10

-12

  g;  po  przekroczeniu  stężenia 

optymalnego staje się inhibitorem wzrostu korzeni. W handlu jest dostępny preparat zawierający 

kwas indolilo-3-octowy

, stosowany przy przesadzaniu roślin w celu ułatwiania ich ukorzeniania. 

 

Kwasy i aminokwasy

N

H

N CH

2

CHCOOH

NH

2

N

H

CH

2

CHCOOH
NH

2

N

H

CH

2

COOH

tryptofan

histydyna

kwas indolilo-3-octowy

 

 

aminy biogenne

background image

 

N

H

CH

2

CH

2

NH

2

N

H

N CH

2

CH

2

NH

2

N

H

CH

3

N

H

CH

2

N(CH

3

)

2

N

H

CH

2

CH

2

NH

2

O

H

tryptamina

histamina

skatol

gramina

serotonina

 

 

Histamina

  powstaje  z 

histydyny

  w  trakcie 

dekarboksylacji

  białek.  Należy  do  hormonów 

tkankowych,  pojawia  się  w  skórze,  płucach  i  komórkach  tucznych.  Jest  składnikiem  wielu 
toksyn,  np.  pszczół,  os,  niektórych  toksycznych  ryb.  Wywołuje  reakcje  alergiczne  oraz  obniża 
ciśnienie krwi. Tego rodzaju objawy wymagają podania leków antyhistaminowych. 

 

Skatol

  występuje  w  kale;  tworzy  się  z 

tryptofanu

  z  procesach  gnilnych.  Ma  niezwykle 

nieprzyjemny zapach. Jego zapach w roztworze wodnym wyczuwalny jest przy stężeniu 10 ppb
Znajduje się także w aromacie niektórych serów. 

 

Tryptamina

 także należy do produktów degradacji biologicznej 

tryptofanu

, powstaje również ze 

strychniny

  pod  wpływem  silnych  zasad.  Jest  szeroko  rozpowszechniona  w  przyrodzie. 

Znaleziono ją w grzybach, w wyższych roślinach i u zwierząt. Znajduje się w owocach jadalnych, 
np. ananasach, pomarańczach, śliwkach i pomidorach.  

 

Gramina

  należy  do  alkaloidów  grupy  indoliloalkiloamin.  Została  wyodrębniona  ze  zbóż  (z 

jęczmienia). Powstaje w wyniku biodegradacji 

tryptofanu

. Jest toksyczna. 

 

Serotonina

  jest  aminą  biogenną  często  występującą  zarówno  w  roślinach,  jak  i  u  zwierząt. 

Znajduje się w owocach jadalnych, np. bananach, ananasach, pokrzywach, a także w  groźnych 
toksynach. U saków, w  tym  u ludzi  pełni rolę 

neuroprzekaźnika

  działającego  w  ośrodkowym 

układzie nerwowym i układzie pokarmowym, występuje też w trombocytach. 

 

Pewne  czynności  związane  z  odczuwaniem  przyjemności,  np.  jedzenie  czekolady  wywołują 
zwiększone wydzielanie 

serotoniny

Serotonina

 bierze aktywny udział w procesie zasypiania - u 

zwierząt  doświadczalnych  blokowanie  jej  syntezy  wywoływało  bezsenność.  Wpływa  na  popęd 
seksualny,  zachowania  impulsywne  i  apetyt.  Niektóre  narkotyki,  w  tym  opioidy,  meskalina  i 
LSD  przyspieszają  syntezę  i  uwalnianie 

serotoniny

  w  mózgu  lub  zastępują  ją  w  roli 

neuroprzekaźnika.  

 

                  alkaloidy sporyszu                                                       LSD-25 i strychnina

 

 

N

N

H

COOH

CH

3

N

N

H

CO

CH

3

NH CH CH

2

OH

CH

3

N

N

H

CON(Et)

2

CH

3

N

N

O

O

H

H

H

H

H

H

kwas
lizerginowy

ergometryna

H

LSD-25

strychnina

 

 
                   alkaloidy purynowe 

N

N

N

N

N

N

N

N

OH

OH

O

H

N

N

N

N

O

O

O

N

N

N

N

O

O

O

CH

3

C

H

3

CH

3

H

H

H

puryna

H

H

H

H

kwas moczowy

kofeina

 

 
 
 

background image

 

                            hem                                                                 chlorofil i tiamina 

N

N

N

N

N

N

N

N

COOH

COOH

..

..

..

..

N

N

N

N

O

OC

CO

O

C

20

H

39

O

N S

N

N

NH

3

OH

H

H

tetrapirol

Fe

hem

Mg

CH

3

+

-

Cl

chlorofil a

tiamina

 

 

Zadanie: wskaż i nazwij heterocykliczne ugrupowania w związkach naturalnych prezentowanych powyżej 

 

26.1.2 Otrzymywanie 

Ogólna metoda otrzymywania pięcioczłonowych heterocykli zarówno 

pirolu

furanu

tiofenu

, jak 

i  ich  analogów  polega  na  ogrzewaniu  związków  1,4-dikarbonylowych  z  odpowiednimi 
reagentami. 

Furan

 i jego homologi powstają w wyniku ich odwodnienia, np. za pomocą P

2

O

5

. Do 

otrzymania  pierścienia  pirolowego  potrzebny  jest  amoniak  lub  jego  sole,  a 

tiofen

  i  analogi 

zawierające w pierścieniu atom  S tworzą się w obecności siarczków fosforu, np. pentasiarczku 
fosforu –  P

4

S

10

.  

R

R

z

O

R

R

O

Z

związki
1.4-dikarbonylowe

związki
heterocykliczne

 

 

acetonyloacetonu

  (

heksa-2,5-dionu

) można w ten sposób otrzymać 2,5-dimetylowe pochodne 

pięcioczłonowych heterocykli

O

CH

3

C

H

3

O

CH

3

C

H

3

O

N

H

CH

3

C

H

3

S

CH

3

C

H

3

acetonyloaceton

P

2

O

5

(NH

4

)

2

CO

3

100

o

C

P

4

S

10

2,4-dimetylofuran

2,4-dimetylopirol

2,4-dimetylotiofen

 

 

Pirol

  i 

tiofen

  występują  w  smole  węglowej  i  z  niej  są  wyodrębniane. 

Pirol

  powstaje  w  trakcie 

pirolizy

  produktów  naturalnych  zawierających  białka.  Można  go  też  otrzymać  z 

furanu

  w 

reakcji z amoniakiem w temp. 400

o

C, wobec katalizatora, jakim jest tlenek glinu.

 

O

N

H

NH

3

.

aq

Al

2

O

3

, 400

o

C

furan

pirol

 

 

Polecaną metodą otrzymywania 

pirolu

 jest 

piroliza

 

galaktaronianu amonu

 (soli amonowej 

kwasu 

galaktarowego

, zwanego inaczej 

kwasem śluzowym

). 

N

H

CH(OH)

CH

(OH)HC

CH(OH)

O

O

pirol

(OH)

C

- 2 CO

2

, - NH

3

, - HOH

(37%)

+

-

galaktaronian amonu

NH

4

OO C

NH

4

 

 

N-metylowane pochodne pirolu powstają w podobnej jak wyżej reakcji z 

soli metyloamoniowej 

kwasu arowego

background image

 

C-Alkilowe pochodne pirolu tworzą się w reakcji kondensacji 

-aminoketonów (aldehydów) ze 

związkami karbonylowymi

O

N

H

H

H

H

O

H

N

H

C

C

H

C

C

- 2 HOH

homologi

pirolu

aminoketon

keton

 

 

Furan

 powstaje w reakcji 

dekarbonylowania

 (

eliminacji

 CO

furfuralu

Furfural

 natomiast jest 

produktem 

pirolizy

 pentoz

O

CHOH

CH

HOC

CHOH

O

O

CHO

furan

HO

CH

,

kat.

- CO

H

2

- HOH

+

H, 

furfural

pentoza

 

 

furfuralu

  można  otrzymać 

kwas  furano-2-karboksylowy

,  z  niego  w  reakcji 

dekarboksylacji

 

tworzy się 

furan

.

 

O

O

CHO

O

COOH

furan

,

kat.

- CO

2

[O]

 

                                       

furfural              kwas furano-2-karboksylowy

 

 

Tiofen

  występuje  w  smole  węglowej,  we  frakcji  benzenowej,  przez  co  utrudnia  otrzymanie 

czystego 

benzenu

  –  trudno  rozdzielić  te  dwa  związki  z  uwagi  ich  na  zbliżone  temperatury 

wrzenia. Oczyszczenie 

benzenu

 poprzez usunięcie 

tiofenu

 wymaga metod opartych na reakcjach 

chemicznych.  Podczas 

sulfonowania

  w  łagodnych  warunkach  tej  mieszaniny  powstaje  jedynie 

kwas tiofenosulfonowy

, który łatwo usuwa się poprzez wymycie wodą.  

 

Tiofen

  jest  głównym  produktem  reakcji 

1,3-butadienu

  z  siarką  w  wysokiej  temperaturze.  Do 

otrzymywania 

tiofenu

 można również wykorzystać 

etyn

 

S

S

S, 600

o

C

1,3-butadien

tiofen

- H

2

S

S, 300

o

C

tiofen

+

etyn

 

 

Przemysłowa metoda otrzymywania 

tiofenu

 polega ogrzewaniu 

n-butanu

 z siarką. Także z 

kwasu 

bursztynowego

 powstaje 

tiofen

S

S

O

OH

O

H

O

S,

n-butan

tiofen

560

o

C

- 2 H

2

S

P

4

S

10

kwas
bursztynowy

tiofen

 

 

W laboratorium zamiast siarki można stosować pentasiarczek fosforu lub odczynnik Lawessona. 

P

OMe

S

S

P

OMe

S

S

odczynnik Lawessona

 

 

Skatol

 otrzymuje się syntetycznie z 

fenylohydrazonu propanalu

.  

NH N

CH

CH

2

CH

3

N

H

CH

3

- NH

3

skatol

fenylohydrazon
propanalu

 

 

26.1.3 Właściwości fizyczne i fizjologiczne

 

Pirol

furan

  i 

tiofen

  są  bezbarwnymi,  hydrofobowymi  (trudno  rozpuszczalnymi  w  wodzie) 

cieczami,  o  temperaturach  wrzenia  odpowiednio:  130,  31  i  84 

o

C.  Temperatura  wrzenia 

furanu

 

background image

 

jest zbliżona do tw. wrzenia 

eteru dietylowego

 (34,5

o

C). Wysoka tw. 

pirolu

 jest rezultatem jego 

zdolności, podobnie jak i innych amin 1

o

 i 2

o

, do tworzenia wiązań wodorowych; wrze wyżej niż 

dietyloamina

  (56

o

C).  Natomiast  wyższa  tw. 

tiofenu

  w  porównaniu  z 

furanem

  wynika  z  jego 

wyższej masy cząsteczkowej (tw. 

sulfidu dietylowego

 wynosi 92

o

C).  

 

Wszystkie  trzy  omawiane  związki  i  ich  homologi  mieszają  się  z  większością  popularnych 
rozpuszczalników organicznych. 

 

Pirol

  na  świetle  i  przy  dostępie  powietrza  szybko  ciemnie.  Jest  bardzo  słabą  zasadą,  pod 

wpływem mocnych kwasów polimeryzuje.  

 

Zapach 

tiofenu

 jest słaby, mało charakterystyczny. Zapach 

furanu

 jest również słaby, przypomina 

chloroform

.  Charakterystyczny  zapach  ma 

pirol

Skatol

  należy  do  związków  o  bardzo 

nieprzyjemnym zapachu, jest głównym składnikiem zapachowym kału.  

 

26.1.4 Właściwości chemiczne

 

Pięcioczłonowe heterocykle nie wykazują charakterystycznych właściwości sprzężonych dienów 
pomimo  tego,  iż  zawierają  dwa  sprzężone  podwójne  wiązania  –  nie  ulegają 

addycji

,  nie

 

polimeryzują

 i nie reagują z dienofilami. W środowisku mocnych kwasów 

pirol

 jednak szybko 

polimeryzuje

,  jakby  pod  ich  wpływem  tracił  jakąś  osłonę  zabezpieczającą  go  przed  tą  reakcją. 

Te nadzwyczajne właściwości heterocykli wynikają z ich charakteru aromatycznego. Pierścienie 
hetrocykli  są  płaskie,  a  dwa  sprzężone  wiązania 

  razem  z  wolną  parą  elektronową  na 

heteroatomie  tworzą  sekstet  elektronowy;  spełniają  one  zatem  reguły  aromatyczności  Hückla
Energia aromatyzacji 

pirolu

 wynosi 92 kJ/mol (22 kcal/mol). 

 

Wolna  para  elektronowa  na  heteroatomie,  tak  jak  i  elektrony  na  atomach  węgla  sp

2

  zajmują 

orbitale p, prostopadłe do płaszczyzny pierścienia. Elektrony walencyjne heteroatomu i atomów 
węgla przyjmują hybrydyzację sp

N

H

H

H

H

H

N

H

H

H

H

H

.

.

.

.

..

 

Rys. 26.1 Aromatyczne sprzężenie elektronów 

 i wolnej pary elektronowej w 

pirolu

 

 

Podobnie jest w 

furanie

 i 

tiofenie

. Druga wolna para elektronów nie przeszkadza w sprzężeniu. 

 

O

H

H

H

H

S

H

H

H

H

. .

.

.

..

. .

.

.

:

:

furan

tiofen

 

Rys. 26.2 Aromatyczne sprzężenie elektronów 

 oraz wolnej pary elektronowej w 

furanie 

i

 tiofenie

 

 

Wzory  mezomeryczne,  wynikające  ze  sprzężenia  elektronów 

  i  wolnej  pary  elektronów 

przypominają wzory mezomeryczne 

benzenu

; nie są one jednak równocenne. 

z

z

z

z

z

..

..

+

-

..

+

-

..

+

-

..

+

-

 

 

Furan

  ma  słabsze  właściwości  aromatyczne  w  porównaniu  z 

pirolem

  i 

tiofenem

,  z  uwagi  na 

silniejsze właściwości elektroujemne atomu tlenu, który w większym stopniu wyciąga elektrony 

background image

 

z pierścienia niż atomy N czy S. Te różnice przejawiają się chociażby w reakcjach 

cykloaddycji

 

(Dielsa-Adlera), 

furan

 stosunkowo łatwo jej ulega, podczas gdy 

pirol

 i 

tiofen

 bardzo trudno.   

 
Z  powyższej  przedstawionych  wzorów  mezomerycznych  wynika,  że  cząsteczki  heterocykli,  w 
przeciwieństwie  do  cząsteczki 

benzenu

,  powinny  wykazywać  moment  dipolowy,  ponieważ  w 

pozycjach 

  i 

  zgromadzony  jest  ładunek  ujemny,  a  na  heteroatomie  dodatni.  Faktycznie,  np. 

pirol

  czy 

furan

 wykazują moment  dipolowy o wartościach odpowiednio  1,6  i  0,7D, skierowany 

zgodnie z oczekiwaniem, tzn. z dodatnim biegunem na atomie tlenu.  

O

O

N
H

..

..

 =  1,6D

furan

..

..

tetrahydrofuran

..

piran

0,7D

1,7D

 

Warto  zwrócić  uwagę,  że 

tetrahydrofuran

,  uwodorniony  analog 

furanu

,  ma  biegun  ujemny 

zlokalizowany  na  atomie  tlenu,  jako  że  atom  tlenu  jest  w  tej  cząsteczce  najbardziej 
elektroujemny, a żadne efekty nie zakłócają rozmieszczenia elektronów. 

O

O

..

furan

..

..

tetrahydrofuran

+

+

+

-

-

-

-

-

 

 

26.1.5 Właściwości kwasowo-zasadowe

 

 

26.1.5.1 Zasadowość 

Pirol

  z  uwagi  na  obecność  wolnej  pary  elektronową  na  atomie  azotu  powinien,  jak  wszystkie 

aminy,  wykazywać  właściwości  zasadowe,  tzn.  przyłączać  protony.  Elektrony  te  jednak  są 
zaangażowane  w  utworzenie  aromatycznego  sekstetu  i  nie  przejawiają  powinowactwa  do 
protonów. Przyłączenie przez nie protonu wiąże się z utratą energii rezonansu,

 

która dla układów 

aromatycznych  jest  rzędu  wartości  energii  wiązania  kowalencyjnego.  Pod  wpływem  silnych 
kwasów 

pirol

  ulega  jednak  protonowaniu,  a  tracąc  przy  tym  aromatyczność  odzyskuje 

właściwości sprzężonego dienu i szybko polimeryzuje. 

N

H

N

H

H

..

polimeryzacja

polimer

+

H

+

pirol

 

 

Z  silnymi  kwasami  etery  też  tworzą  sole  (oksoniowe),  dlatego 

furan

  w  środowisku  silnie 

kwaśnym również 

polimeryzuje

O

O
H

..

polimeryzacja

polimer

+

H

+

furan

..

..

 

 

Zasadowość  heterocykli

  bardzo  zależy  od  budowy  cząsteczki.  Poniżej  podano  wartości  pK

a

 

kationów  kilku  najbardziej  znanych  heterocykli.  Z  podanych  danych  wynika,  że  najmniej 
zasadowy jest 

pirol

.

 

Wartości stałych pK

a

 kationów 

N

N

N

N

N

NH

2

N

H

H

H

H

..

..

..

..

..

sp

3

sp

3

sp

3

sp

2

sp

2

sp

2

..

..

11,27

11,2

6,95

5,25

4,63

0,4

 

   pirolidyniowego      piperydyniowego       imidazolidyniowego      pirydyniowego           aniliniowego             piroliowego 

 

26.1.5.2 Kwasowość 

background image

 

Atom wodoru związany z atomem azotu 

pirolu

  jest  znacznie  bardziej  kwaśny  niż  w  amoniaku, 

czy  aminach.  pK

a

 

Pirolu

  wynosi  17,5;  dla  porównania  pK

a

  amoniaku  dochodzi  do  36,  a 

pirolidyny

  27

Pirol

  tworzy  sole  z  wodorotlenkami  metali  alkalicznych,  a  ze  związkami 

Grignarda reaguje, tak jak kwasy czy związki o właściwościach kwasowych. 

N

H

N

N

..

..

KOH

CH

3

MgBr

..

-

K

+

HOH

..

..

-

MgBr

+

+       CH

4

pirol

metan

pK

a

 = 17,5

 

 

Jak  wynika  ze  struktur  mezomerycznych  anion  powstały  z 

pirolu

  jest 

nukleofilem 

ambidentnym

N

N

N

N

N

struktury mezomeryczne 
anionu

..

..

-

..

..

-

..

..

-

.. ..

-

..

..

-

pirolu

 

 

Ambidentny 

charakter  anionu 

pirolu

  przejawia  się  w  tym,  że  ulega  on  zarówno  N,  jak  i  C 

alkilowaniu

. Kierunek reakcji zależy głównie od właściwości odczynnika alkilującego, a także 

od  rodzaju  rozpuszczalnika  oraz  towarzyszącego  kationu. 

Acylowanie

  anionu 

pirolu

  prowadzi 

do pochodnej zawierającej resztę acylową w pozycji 1 i 2

 

N

N
H

Me

N
Me

N
H

C-CH

3

O

N
C=O

C

H

3

N
Me

N
H

Me

..

..

-

MgBr

+

TosOMe

MeI

AcCl

..

..

..

N-metylopirol

2-metylopirol

3-metylopirol

2-acetylopirol

N-metylopirol

+

+

..

N-acetylopirol

..

..

+

 

 

Silne zasady (BuLiPhNa itp.) są w stanie oderwać protony z pierścienia N-alkilopirolu

furanu

 

tiofenu

. Oderwaniu (deprotonacji) w pierwszej kolejności ulega proton w pozycji 2, a następnie 

4.  Deprotonowane  heterocykle  (aniony)  wchodzą  w  typowe  reakcje,  np. 

acylowania

  czy 

alkilowania

O

O

O COOH

furan

..
..

+  PhNa

..

..

: Na

+

-

- C

6

H

6

1. CO

2

2. H

+

..
..

fenylosód

kwas furano-2-karboksylowy

 

 

S

CH

3

S

CH

3

Li

S

CH

3

HOOC

3-metylotiofen

..
..

BuLi

..
..

..
..

1. 

CO

2

2. 

H

+

3-metylotiofenylo-5-lit

kwas 3-metylotiofeno-5-karboksylowy

 

 

26.1.5.3 Polimeryzacja 

Pod  wpływem  silnych  kwasów 

pirol

  i 

furan

  tracą  właściwości  aromatyczne  i  szybko 

polimeryzują

, czyli ulegają reakcji charakterystycznej dla sprzężonych dienów.  

N

H

N

H

H

..

polimeryzacja

polimer

+

H

+

pirol

 

 

Mechanizm polimeryzacji  

Protonowany 

pirol

  staje  się  elektrofilem  i  reaguje  z  drugą  cząsteczką 

pirolu

  wg  typowego 

mechanizmu reakcji S

E

background image

 

N

H

N

H

H

N

H

H

N

H

N

H

H

N

H

N

H

H

H H

..

+  H

+

+

+

H

..

+

+

H

+

H

tautomeria

 

 

Zadanie: przedstaw mechanizm 

polimeryzacji

 

furanu

 

26.1.5.4 Substytucja elektrofilowa S

E

 

Właściwości  aromatyczne  heterocykli  pięcioczłonowych  przejawiają  się  w  ich  podatności  na 

substytucję  elektrofilową

Pirol

furan

  i 

tiofen

  ulegają  reakcją  S

E

  znacznie  łatwiej  niż 

benzen

Obecność  heteroatomu  w  pierścieniu  aktywuje  te  związki  w  reakcjach  S

E

  podobnie  jak 

przyłączona  do  pierścienia  benzenowego  grupa  aminowa  czy  fenolowa. 

Halogenowanie

nitrowanie

sulfonowanie

 czy 

acylowanie

 heterocykli pięcioczłonowych prowadzi się w niskich 

temperaturach,  głównie  dlatego  żeby  zapewnić  selektywność  reakcji  (ograniczyć  podstawienie 
kolejnych  atomów  wodoru).  Monopodstawienie  następuje  w  pozycji  2,  pod  warunkiem,  że  nie 
jest  ona  zajęta.  Reaktywność  heterocykli  pięcioczłonowych  zmienia  się  wg  następującego 
szeregu: 

tiofen

  > 

pirol

  > 

furan

.  Mechanizm  reakcji  S

E

  tych  związków  jest  bardziej 

skomplikowany  niż  prosta 

addycja/eliminacja

,  jak  to  ma  miejsce  w  reakcjach  arenów 

homocyklicznych

 

26.1.5.4.1 Halogenowanie 

Halogenowanie

, podobnie jak w przypadku 

aniliny

 i 

fenolu

 nie wymaga stosowania katalizatora 

i w pewnych warunkach następuje wyczerpujące 

bromowanie

N

N

Br

Br

Br

Br

O

O

Br

+  4 Br

2

etanol

0

o

C

+  4 HBr

furan

+  Br

2

dioksan

0

o

C, - HBr

2-bromofuran

(90%)

pirol

2,3,4,5-tetrabromopirol

 

 

26.1.5.4.2 Sulfonowanie 

Najdogodniejszym  czynnikiem  sulfonującym  jest  tritlenek  siarki.  Kwas  siarkowy  powoduje 
polimeryzację 

pirolu

 i 

furanu

O

O

SO

3

H

+  SO

3

pirydyna

0

o

C

furan

kwas furano-2-
-karboksylowy

 

 

Tiofen

  znacznie  łatwiej  ulega 

sulfonowaniu

  niż 

benzen

,  dlatego  oczyszczanie 

benzenu

 

zawierającego 

tiofen

 polega na działaniu na taką mieszaninę kwasem siarkowym w temperaturze 

pokojowej. W tych warunkach jedynie 

tiofen

 zostaje przekształcony w kwas sulfonowy (

tiofeno-

2-sulfonowy

), który jest łatwo oddzielany od 

benzenu

 poprzez przemycie wodą. 

 

26.1.5.4.3 Nitrowanie 

W  mieszaninie  nitrującej  zamiast  kwasu  siarkowego  stosuje  się 

bezwodnik  octowy

,  którego 

głównym zadaniem jest wiązanie wydzielającej się wody.  

N

H

N

H

NO

2

+  HNO

3

Ac

2

O

0

o

C

pirol

2-nitropirol

(83%)

 

 

Można również do tego celu wykorzystać 

octan nitrozylu

. Nitrowanie 

tiofenu

 

octanem nitrozylu

 

daje jeden izomer. 

N

H

N

H

NO

2

N

H

NO

2

S

S

NO

2

+  AcO

-

NO

2

+

-10

o

C

pirol

(61%)

(13%)

+

0

o

C

tiofen

2-nitrotiofen

2-nitropirol

3-nitropirol

octan nitrozylu

+  AcO

-

NO

2

+

 

 

26.1.5.4.4 Acylowanie 

background image

 

Acylowanie

 heterocykli pięcioczłonowych prowadzi się typowymi odczynnikami acylującymi, a 

więc  chlorkami  kwasowymi  i  bezwodnikami,  można  jednak  stosować  inne  niż  chlorek  glinu 
katalizatory.

 

O

O

O

CH

3

S

S

O

Ac

2

O

BF

3

furan

2-acetylofuran

C

PhCOCl

SnCl

4

tiofen

2-benzoilotiofen

C

 

 

26.1.5.4.5 Sprzęganie 

Sole  diazoniowe  łatwo 

sprzęgają

  się  z  pięcioczłonowymi  heterocyklami.  Podstawienie  grupą 

azową następuje w najbardziej reaktywnym miejscu, czyli w pozycji 2.  

N

H

N

H

N N

N N

SnCl

4

pirol

2-(fenyloazo)pirol

+ -

Cl

 

 

Analiza stanów granicznych adduktu po przyłączeniu elektrofila do pięcioczłonowego związku z 
jednym  heteroatomem  wyjaśnia, dlaczego do substytucji dochodzi  w pozycji  2. Dla  adduktu  w 
pozycji  3  można  napisać  tylko  2  wzory  mezomeryczne,  przy  czym  drugi  jest  niekorzystny 
energetycznie,  ponieważ  ładunek  dodatni  jest  zlokalizowany  na  heteroatomie,  czyli  bardziej 
elektroujemnym atomie niż atom węgla.

 

z

z

Y

H

z

Y

H

z

Y

H

z

Y

H

z

Y

H

N

N

Y

H

N

H

Y

N

H

Y

N

Y

H

N

Y

H

N

Y

H

Z: O; S lub NH

atak na
pozycję 2

atak na
pozycję 3

..

Y +

+

+

+

+

+

..

..

..

atak na
pozycję 2

atak na
pozycję 3

Y +

+

.. H

.. H

..

H

+

H

+

+

.. H

+

.. H

+

.. H

indol

 

indolu

, analogu 

pirolu

 substytucja S

E

 dokonuje się w pozycji 3 pierścienia heterocyklicznego, 

ponieważ addukt w tej pozycji zapewnia pełny sekstet eletronów 

 w pierścieniu benzenowym. 

 

26.1.6 Barwniki pirolowe  

 

26.1.6.1 Barwniki dipirylometenowe 

Reakcja 

metanalu 

z

  pirolem

  (podobnie  jak  z

  fenolem

)  prowadzi  do  produktów  kondensacji. 

Kondensaty  liniowe  są  wykorzystywane  jako  barwniki,  tzw. 

pirometany

  (inaczej 

barwniki 

dipirylometenowe

); mają one zabarwienie żółte lub pomarańczowe. W środowisku zasadowym 

reakcja 

pirolu

 i jego pochodnych z 

metanalem

 zatrzymuje się na etapie alkoholi 1

o

N

H

N

H

CH

2

OH

+ CH

2

O

-

OH

pirol

2-hydroksy-
metylopirol

 

background image

 

10 

N

H

CH

2

C

H

3

CH

3

N

H

CH

3

N

H

CH

C

H

3

CH

3

N

CH

3

[O]

CH

3

CH

3

 

Natomiast  w  środowisku  kwaśnym  powstały  alkohol  1

o

  reaguje  z  drugą  cząsteczką 

pirolu

  lub 

jego homologiem tworząc odpowiedni dipirylometan

N

H

CH

2

OH

C

H

3

CH

3

N

H

CH

3

C

H

3

N

H

CH

2

C

H

3

CH

3

N

H

CH

3

H

+

+

CH

3

2,5-dimetylopirol

2-hydroksymetylo-
3,5-dimetylopirol

2,5,2',5'-dimetylopirolo
tetrametylopirylometan

 

 

Dipirylometany  łatwo  ulegają  odwodornieniu  do  dipirylometenów.  Siłą  napędową  reakcji 

odwodornienia

 jest rozszerzanie układu sprzężenia.  

 
 
2,5,2
,5-tetrametylopirylomet

an

                                    

2,5,2,5-tetrametylopirylomet

en

            

 

 

 

Inny kolor końcówek nazw pokazuje różnice w budowie tych związków. 

 

Dipirylometeny są silnymi zasadami; z kwasami dają łatwo krystalizujące sole. Kationy tych soli 
są stabilizowane mezomerycznie. 
 

26.1.6.2  Barwniki porfirynowe 

Pirol

  i  jego  pochodne  tworzą  makrocykliczne  pierścienie  składające  się  z  czterech  reszt 

pirolowych.  Noszą  one  nazwę 

porfiryn

.  Najprostszą 

porfirynę

  można  otrzymać  w  wyniku 

kondensacji 

pirolo-2-karboaldehydu

.

 

Przestrzenna  budowa  rosnącego  oligomeru  sprzyja 

zamykaniu się w pierścień tetrameru. 

N

CH

N

H CHO
N

CH

N

H

OHC

O

O

N

N

H

N

H

N

- 4 HOH

porfiryna

H

H

+

pirolo-2-
-karboaldehyd

:

:

:

:

 

 

Porfiryna

  jest  związkiem  krystalicznym,  który  nie  topnieje,  lecz  rozkłada  się  w  temperaturze 

360

o

C.  Ma  zabarwienie  ciemnoczerwone.  Jest  cząsteczką  płaską,  a  jej  11  wiązań  podwójnych 

C=C  lub  C=N  i  4  wolne  pary  elektronów  atomów  azotu  tworzą  nieprzerwaną  sieć  układu 
sprzężonego, składającą się w sumie z 30 elektronów. Liczba ta spełnia regułę aromatyczności 
Hückla
  (n  =  7).  Sprzężenie  elektronów  w 

porfirynie

  daje  energię  rezonansu  równą  250  kcal

Cztery  pierścienie  pirolowe  są  równocenne

,  a  atomy  wodoru  przy  atomach  azotu  zajmują 

miejsce  nieokreślone.  Można  napisać  szereg  struktur  mezomerycznych,  przy  czym  dwie  są 
najważniejsze,  wykazują  one  równocenność  pierścieni  pirolowych  i  nieokreśloną  pozycję 
atomów wodoru. 

N

N

H

N

H

N

N

N

N

N

: :

:

:

: :

:

:

H

H

 

 

N

H

R

CH

R

N

R

R

N

R

CH

R

N

R

R

N

R

CH

R

N

H

R

R

HBr

H

+

H

H

..

..

..

+

H

Br

-

bromek dipirylometeniowy

dipirylometen

background image

 

11 

Układ porfiryny znajduje się w wielu związkach biologicznie czynnych, takich jak hemoglobina 
(w części zwanej hemem), chlorofilwitaminia B

12 

i inne.  

 

Hemoglobina

 jest białkiem złożonym. W jej skład wchodzą cztery elementy zbudowane jedynie z 

aminokwasów,  zwane  globulinami  (fragmenty  białkowe)  i 

hem

  –  pochodna 

porfiryny

 

zawierająca dodatkowo podstawniki i grupy funkcyjne oraz skoordynowany kation Fe

+2

.  

N

N

N

N

COOH

COOH

:

Fe

:

hem

 

 

Cztery  atomy  azotu 

hemu

  są  równocenne.  Rola 

hemoglobiny

  polega  na  przenoszeniu  tlenu  z 

płuc,  gdzie  jego  stężenie  jest  wysokie  do  komórek,  gdzie  jego  stężenie  jest  niższe.  Tlen  z 

hemoglobiny

 przekazywany jest do 

mioglobiny

, która stanowi magazyn tlenu w komórkach i w 

miarę potrzeby przekazuje go do reakcji utleniania. 

Hemoglobina

 w drodze powrotnej odbiera z 

komórek  CO

2

  i  w  płucach  wymienia  go  na  tlen.  Żelazo  w  trakcie  tych  procesów  nie  zmienia 

stopnia  utlenienia;  tlen  i  CO

2

  łączy  się  koordynacyjnie  z  atomem  żelazem 

hemu

Hemoglobina

 

zawierająca cząsteczkę tlenu nazywa się 

hemoglobiną utlenowaną 

lub 

oksyhemoglobiną

  (

nie 

utlenioną

).  

 

Hem

 można wyizolować; tworzy on brunatne, krystaliczne igły; łatwo ulega utlenieniu. Produkt 

utlenienia  jonu  żelaza  w 

hemoglobinie

  do  Fe

+3

  nosi  nazwę 

met

hemoglobiny

  lub 

ferri

hemoglobiny

,  w  odróżnieniu  od 

hemoglobiny

  zawierającej  Fe

+2

,  nazywanej  również 

ferro

hemoglobiną

Methemoglobina

 jest nieczynna w procesie przenoszenia tlenu. 

 

Hem

  w  zależności  od  otaczających  go  białek  może  pełnić  różne  funkcje,  oprócz  przenoszenia 

tlenu  i  ditlenku  węgla  (w 

hemoglobinie

),  magazynowaniu  tlenu  (w 

mioglobinie

),  jest  także 

przenośnikiem elektronów (w 

cytrochromie c

), bierze też udział w rozkładzie nadtlenku wodoru 

(w 

katalazie

).  

 

chlorofilu

  znajduje  się 

magnezoporfiryna

, która bierze udział w procesach 

fotosyntezy

  (jest 

fotoakceptorem). 

O

N

N

N

N

C=O

O

O=C

Mg

chlorofil a

OCH

3

 

 

background image

 

12 

Syntetyczne analogi porfiryn znalazły zastosowanie jako barwniki. Należą do nich ftalocyjaniny
Niebieski barwnik z tej grupy powstaje w reakcji ogrzewania 

dinitrylu kwasy ftalowego

 z solami 

miedzi. Można je otrzymać także z 

bezwodnika ftalowego

 pod wpływem mocznika. 

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

O

O

O

O

NH

2

NH

2

C

C

4

Cu

2

Cl

2

lub Cu

Cu

Cu

2

Cl

2

H

3

BO

3

+ 8

C

dinitryl kwasu ftalowego

ftalocyjanina

bezwodnik ftalowy

mocznik

 

 

 

Ftalocyjaniny  są  stosowane  jako  pigmenty  do  wyrobu  farb  poligraficznych,  olejnych,  do 
barwienia 

kauczuku

 i tworzyw syntetycznych

 

26.1.6.3  Indygo 

Do  najstarszych  naturalnych  barwników

   

należy

  indygo 

(

indygotyna

).  Było  stosowane  w 

starożytnym  Egipcie  i  w  dawnych  Indiach.  Do  Europy  zaczęto  je  sprowadzać  w  XVI  wieku. 
Wydobywa  się  je  z  roślin  gatunku  Indigofera.  Od  XIX  w. 

indygo

  stało  się  popularnym 

barwnikiem,  ponieważ  opracowano  syntetyczne  metody  jego  otrzymywania.  Służy  między 
innymi do barwienia niebieskich dżinsów. 

 

W  stanie  naturalnym 

indygo

  występuje  w  postaci  glukozydu  – 

3-glukozyloindolu

,  zwanego 

indykanem

,  który  pod  wpływem  enzymów  jest  rozkładany  (

hydrolizuje

)  do 

indoksylu

.  Tlen  z 

powietrza

 

utlenia

  indoksyl

  do  rodnika,  a  ten  z  kolei 

dimeryzuje

  i  tworzy  się  bezbarwne 

leukoindygo

, z niego zaś w dalszym procesie 

utleniania

 powstaje barwne 

indygo

O

O

H

O

H

OH

O

N

H

N

H

OH

N

H

O

N

H

O

H

N

H

O

H

N

H

O

H

N

H

O

H

H

N

H

O

N

H

O

H

H

N

H

O

N

H

O

indykan

hydroliza
enzymatyczna

lub kwaśna

O

2

.

.

rodnik

indoksyl

O

2

dimeryzacja

0,5 O

2

- HOH

odwodornienie

indygo

glukozyd indoksylu

OH

leukoindygo

indygotyna

(

)

(

)

 

 

Rys. 26.3 Przekształcanie surowca roślinnego w 

indygo

 

 

Opracowano  wiele  metod  syntezy 

indygo

.  W  jednej  z  nich  surowcem  jest 

kwas  antranilowy

który  w  reakcji 

N-alkilowania

  solą 

kwasu  chlorooctowego

  zostaje  przekształcony  w 

o-

karboksyfenyloglicynę

.

 

Z kolei po jej

 cyklizacji

 i 

dekarboksylacji

 tworzy się 

indoksyl

, który po 

utlenieniu przechodzi 

indygo

N

H

OH

N

H

O

N

H

O

N

H

O

NH

2

COOH

N

COOH

CH

2

COOH

N

H

OH

COOK

O

2

indoksyl

indygo

+ ClCH

2

COOH

1. 

Na

2

CO

3

KOH

260

o

C

H

2. 

H

+

- CO

2

o-karboksy-N-fenyloglicyna

kwas antranilowy

(39%)

(55%)

 

 

background image

 

13 

Barwienie

  za  pomocą 

indygo

  dokonuje  się 

technika  kadziową

.  Najpierw  nierozpuszczalne  w 

wodzie 

indygo

  redukuje  się  za  pomocą  ditionianu  sodu  do  rozpuszczalnej  formy,  która  nosi 

nazwę 

leukoindygo

.  Klarownym  roztworem  (

kadzią

)  nasącza  się  tkaniny,  które  schnąc  na 

powietrzu zabarwiają się pod wpływem tlenu (

leukoindygo

 zostaje 

utlenione

 do 

indygo

)

N

H

O

N

H

O

N

H

O

N

H

O

indygo

-

-

leukoindygo

Na

2

S

2

O

4

[H]

powietrze [O]

 

 

Zanik barwy w 

leukoindygo

 jest spowodowany zmianą układu sprzężonych wiązań podwójnych. 

 
 

26.1.7  Nasycone, pięcioczłonowe związki heterocykliczne 

 

Pirol

  redukowany  wodorem  na  Ni  traci  aromatyczność  i  przekształca  się  w  cykliczną  aminę 

alifatyczną  – 

pirolidynę

.  Widoczna  jest  ogromna  różnica  w  zasadowości  obu  związków. 

Zarówno 

pirolidyna

, jak i 

piperydyna

 znalazły zastosowanie w chemii organicznej jako zasady, a 

przede  wszystkim  do  otrzymywania  enamin,  które  są  wykorzystywane  w  syntezie  pochodnych 
związków karbonylowych. 

N

H

N

H

H

2

/Ni

pirol

pirolidyna

pK

~ 14

pK

~ 3

 

 

Podobnie z 

furanu

 powstaje 

tetrahydrofuran

 (THF), popularny rozpuszczalnik eterowy. 

O

O

H

2

/Ni

furan

tetrahydrofuran

 

 

Tetrahydrotiofen

  najłatwiej  otrzymać  w  reakcji 

1,4-dibromobutanu

  z  siarczkiem  sodu. 

Tetrahydrotiofen

 ma właściwości typowych sulfidów

Br

Br

S

Na

2

S

tetrahydrotiofen

1,4-dibromobutan

 

 
26.2

  

Sześcioczłonowe heterocykle aromatyczne 

 

Do  głównych  przedstawicieli  tej  grupy  związków  należy 

pirydyna

  (

azabenzen

).  Jej  analogi 

tlenowe  – 

pirany

  –  są  nietrwałe;  nie  mają  właściwości  aromatycznych,  szybko  polimeryzują. 

Trwałe są dihydro- i tetrahydropirany

N

O

O

pirydyna

-piran

-piran

..

..

..

..

..

2H-piran

(

)

4H-piran

(

)

 

 

Znane są dialkilowe pochodne piranów i 

kation piryliowy

, który ma właściwości aromatyczne. 

O

R

R

O

R

R

O

..

..

..

..

..

+

X

-

dialkilowe pochodne

- i 

-piranu

kation
piryliowy

 

 

Sole kationu pirylowego 
powstają w wyniku 

odwodnienia

 odpowiednich 

1,5-dialdehydów lub 1,5-diketonów

O

CHO

O

H

..

+

Cl

-

POCl

3

- 2 HOH

aldehyd glutakonowy

chlorek piryliowy

(penta-2,4-dien-1,5-dial)

background image

 

14 

26.2.1  Budowa cząsteczki pirydyny

 

Kształt  cząsteczki 

pirydyny

  różni  się  nieco  od  kształtu  cząsteczki 

benzenu

,  który  odpowiada 

regularnemu sześciokątowi. W 

pirydynie

 wiązania C-N (0,134 nm) są krótsze niż C-C (0,14 nm). 

Ta  różnica  wynika  z  większej  elektroujemności  atomu  azotu  w  porównaniu  do  atomu  węgla  i 
wpływa na rozkład gęstości elektronów; jest większa wokół atomu N. W 

pirydynie

 podobnie jak 

benzenie

  wszystkie  atomy  tworzące  pierścień  mają  hybrydyzację  sp

2

,  przy  czym  wolna  para 

elektronów  atomu  azotu  obsadzająca  orbital  sp

2

  może  być  akceptorem  protonu,  a  przez  to 

pirydyna

  wykazuje  właściwości  zasadowe.  Cząsteczka 

pirydyny

  jest  polarna,  jej  moment 

dipolowy  wynosi  2,2 D, podczas  gdy benzenu 

  = 0. Na atomie azotu  skupiony jest cząstkowy 

ładunek  ujemny,  a  na  atomach  węgla  C2,  C4  i  C6  cząstkowy  ładunek  dodatni.  Do  takiego 
wniosku można dojść porównując wynikające z mezomerii 

formy kanoniczne

 

pirydyny

N

N

N

N

+

-

+

-

+

-

 

 

26.2.2  Występowanie

 

Pirydyna

 znajduje się w smole pogazowej, natomiast wiele jej analogów i pochodnych występuje 

w  naturze.  Pierścień  pirydynowy  wchodzi  skład  wielu  alkaloidów,  np. 

rycyniny

  (w  nasionach 

olejodajnej  rośliny  –  rącznika)  czy 

nikotyny

.  Uwodorniony  pierścień  odnajdujemy  w 

koniinie

lobelinie

 (w stroiczce rozdętej) czy w alkaloidach palmy areki (np. 

arekaidyna

).  

N

O

CH

3

CN

N

N

H

CH

3

N

H

CH

2

CH

2

CH

3

N

OH

O

CH

3

N

COOH

CH

3

OCH

3

rycynina

(-)-(S)-nikotyna

(+)-(S)-koniina

lobelina

arekaidyna

 

 

Pierścień  pirydynowy  znajduje  się  w 

chinolinie

  i 

izochinolinie

.  Pochodnymi  tych  związków  są 

między innymi, takie alkaloidy, jak 

chinina

 i 

papaweryna

.

 

N

N

O

H

N

CH

3

O

CH

3

O

CH

3

O

chinina

papaweryna

H

2

C

OCH

3

OCH

3

 

 
Kwas nikotynowy

 i jego 

amid

 (pochodne 

pirydyny

)  

należą do grupy witaminy B.  
Kwas  ten  otrzymał  nazwę 

nikotynowy

,  ponieważ  po  raz 

pierwszy został otrzymany w wyniku utlenienia 

nikotyny

 

Nikotynamid

  wchodzi  w  skład 

dinukleotydu  nikotynoamidoadeninowego

  (NAD

+

),  koenzymu 

ATP.  NAD

+

  jest  ważnym  biochemicznym  utleniaczem.  W  trakcie 

redukcji

  przekształca  się  w 

zredukowany dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy

 (NADH). 

N

O

CH

2

-O-P-O-P-O-CH

2

NH

2

O

OH

O

H

O

O

O

O

O

O

H

OH

N

N

N

N

NH

2

+

-

-

nikotynamid

adenina

 

N

COOH

kwas nikotynowy

background image

 

15 

 

26.2.3  Otrzymywanie pirydyny

 

Głównym, a właściwie jedynym źródłem 

pirydyny

 jest smoła pogazowa, w której jej zawartość 

dochodzi  do  0,1%.  Wyodrębnia  się  ją  za  pomocą  destylacji.  Znajduje  się  we  frakcji  zwanej 
olejem  lekkim,  w  której  towarzyszą  jej  homologi:  trzy  metylopirydyny  –  zwane  pikolinami
dimetylopirydyny, tzw. lutydyny i kolidyny, czyli trimetylopirydyny

 

Zadanie: narysuj wzory i nazwij homologi 

pirydyny

 

Nie ma prostej syntezy 

pirydyny

.  

3-Pikolina

 powstaje w reakcji 

akroleiny

  

z amoniakiem w temperaturze 350

o

C,  

w obecności katalizatorów. 

 

 

26.2.4  Właściwości fizyczne pirydyny

 

Pirydyna  jest  cieczą  wrzącą  w  temperaturze  115

o

C,  topnieje  w  -41

o

C.  Miesza  się  całkowicie  z 

wodą. Ma nieprzyjemny zapach, trochę przypominający tytoń. 

 

26.2.5  Właściwości chemiczne pirydyny

 

Pirydyna

  ma  właściwości  związków  aromatycznych.  Aromatyczność 

pirydyny

  wynika  z 

planarnej budowy jej cząsteczki i sprzężenia 6 elektronów 



 Pięć atomów węgla i atom azotu w 

pierścieniu 

pirydyny

 mają hybrydyzację sp

2

. Wolna para elektronów atomu azotu znajduje się na 

orbitalu sp

2

, a więc inaczej niż w 

pirolu

 i nie bierze udziału w sprzężeniu. 

N

H

H

N

H

H

H

.

.

.

.

.

.

:

wolna para
na orbitalu sp

2

pirydyna

 

 

Kąty  pomiędzy  wiązaniami  C-C  i  C-N  wynoszą  po  120

o

,  wiązania 

tworzące  pierścień  są  jednakowej  długości  –  1,39  Å

Pirydynę

  można 

przedstawić za pomocą wzorów mezomerycznych.  

 

26.2.5.1  

Reakcje substytucji elektrofilowej, S

E

 

Pirydyna

  jest  znacznie  mniej  aktywna  w  reakcjach 

substytucji  elektrofilowej

,  nie  tylko  w 

porównaniu  z  aromatycznymi  heterocyklami  pięcioczłonowymi,  ale  również  w  porównaniu  z 

benzenem

.  Reakcje  S

E

 

pirydyny

  wymagają  drastycznych  warunków  (wysokiej  temperatury).  W 

reakcjach Friedel-Craftsa 

pirydyna

 jest nieaktywna. 

N

N

Br

N

SO

3

H

N

NO

2

Br

2

300

o

C

+  HBr

SO

3

, HgSO

4

H

2

SO

4

,220

o

C

HNO

3

NaNO

3

, 370

o

C

RX lub RCOX

AlCl

3

brak reakcji

+  HOH

3-bromopirydyna

30%

kwas 
3-pirydynosulfonowy

70%

3-nitropirydyna

5%

pirydyna

 

 

N

N

CH
CH

CH

2

O

CH
CH

CH

2

O

N

CH

3

NH

3

+

350

o

C, kat.

- 2 HOH

3-pikolina

akroleina

background image

 

16 

Substytucja  elektrofilowa

  w 

pirydynie

  zachodzi  w  pozycji  3,  ponieważ  pozycja  2  i  4  jest 

dezaktywowana. We wzorach mezomerycznych po ataku odczynnika elektrofilowego na pozycję 
2 i 4 obserwuje się ładunek dodatni na atomie azotu, co jest niekorzystne, z uwagi na to, że atom 
azotu jest bardziej elektroujemny od atomu węgla. 

N

N

Y

H

N

Y

H

N

H

Y

N

Y

H

N

H

Y

N

Y

H

N

Y

H

N

Y

H

N

H

Y

Y

+

2

3

4

+

+

..

..

..

..

+

..

+

+

..

+

+

..

..

+

+

..

 

 

Obniżona  reaktywność 

pirydyny

  spowodowana  jest  wyciąganiem  elektronów  z  pierścienia  i 

skupienie się ładunku ujemnego na atomie azotu, co dezaktywuje pierścień na atak nukleofilowy. 
Stosunkowo do najmniejszej utraty elektronów dochodzi w położeniu 3 oraz 5 i w tych miejscach 
dochodzi  do 

substytucji

. Duża wartość momentu dipolowego, z ujemnym biegunem na atomie 

azotu, świadczy o przesunięciu elektronów w stronę atomu azotu. 

 

N

N
H

 = 2,26D

-

+

+

+

+

+

..

+

pirydyna
protonowana

 

Ponadto  reakcje  S

E

  biegną  często  w  środowisku  kwaśnym,  co  powoduje 

protonowanie

  atomu 

azotu i utworzenie ładunku dodatniego, a więc jeszcze silniejszą dezaktywację. 

 

26.2.5.2  

Reakcje substytucji nukleofilowej 

Częściowy  ładunek  dodatni  w  cząsteczce 

pirydyny

  w  położeniach  2,  4  i  6  czyni  te  miejsca 

podatne  na  atak  silnych  nukleofili.  Odpowiednie  pochodne  pirydyny  ułatwiają  reakcję  z 
nukleofilami. 

N

Cl

N

OC

2

H

5

N

Br

N

NH

2

Na

+

OEt

-

EtOH

4-chloropirydyna

4-etoksypirydyna

(75%)

NaNH

2

NH3

2-bromopirydyna

2-aminopirydyna

(67%)

 

 

W podwyższonej temperaturze nawet sam amoniak jest zdolny wymieć atom halogenu. 

N

Cl

N

NH

2

N

Cl

N

NH

2

NH

3

180

o

C

4-chloropirydyna

4-aminopirydyna

NH

3

2-chloropirydyna

2-aminopirydyna

180

o

C

 

 

Mechanizm reakcji 

Powyższe reakcje biegną wg typowego mechanizmu 

aromatycznej substytucji nukleofilowej

 – 

addycja-eliminacja. Obecność atomu azotu w pierścieniu 

pirydyny

 aktywuje położenie 2 na atak 

nukleofilowy. Po 

addycji

 nukleofila następuje 

eliminacja

 halogenu.  

N

Cl

N

Cl

N

NH

2

N

Cl

N

Cl

NH

2

N

NH

2

+   NH

2

: ..

..

-

..

-

..

..

- Cl

-

NH

2

+   NH

2

: ..

..

-

..

-

..

..

- Cl

-

4-chloropirydyna

4-aminopirydyna

2-chloropirydyna

2-aminopirydyna

 

background image

 

17 

 

Warto  zwrócić  uwagę  na  to,  że  powyższy  mechanizm  przypomina  mechanizm  reakcji 

substytucji

  w  grupie  karbonylowej  pochodnych  kwasów  karboksylowych,  np. 

amonolizę

 

chlorków kwasowych do amidów

R

Cl

O

R

Cl

O

NH

2

R

NH

2

O

C

+   NH

2

:

..

..

-

..

..

- Cl

-

C

:

:

-

C

..

:

chlorek kwasowy

amid

 

 

Oczywiście chlorki kwasowe są znacznie aktywniejsze niż 

chloropirydyny

 i ulegają 

amonolizie

 

amoniakiem  lub  aminami  już  w  obniżonej  temperaturze;  nie  trzeba  stosować  drastycznych 
warunków ani tak silnych nukleofili jak amidki. 

 

Substytucji  nukleofilowej

  nie  ulegają  pochodne 

pirydyny

  zawierające  grupę  odchodząca  w 

położeniu 3.

 

 

26.2.5.3  

Reakcja Cziczibabina 

Pod  wpływem  silnych  nukleofili  dochodzi  do  podstawienia  atomu  wodoru  w  niepodstawionej 

pirydynie

,  a  powstaje  głównie 

2-aminopirydyna

,  ponieważ  pozycja  2-  jest  najbardziej 

uprzywilejowana na atak nukleofila.

  

N

N

NH

2

N

N

..

1. 

NaNH

2

/140

o

C

2. 

HOH

+  H

2

pirydyna

2-aminopirydyna

..

1.

 

PhLi/100

o

C

pirydyna

2-fenylopirydyna

2. HOH

+  H

2

 

 

Mechanizm reakcji 

Reakcja polega na 

addycji

  nukleofila w pozycji  2 

pirydyny

, odszczepienie jonu  wodorkowego, 

utworzenie cząsteczki H

2

 z protonem oderwanym z grupy aminowej i przekształcenie adduktu w 

stabilizowany mezomerycznie anion aminopirydyniowy. Pod wpływem wody z anionu powstaje 

2-aminopirydyna

. Reakcja jest wolniejsza niż z halogenopochodnymi pirydyny, ponieważ anion 

wodorkowy jest znacznie trudniej odchodząca grupą niż anion halogenkowy. 

N

N

NH

2

H

N

NH

H

N

NH

N

NH

N

NH

2

2-aminopirydyna

..

-  H

2

..

+  NH

2

:..

-

..

..

..

..

+  H

-

:

..

..
..

-

..

..

.
.

-

-

..

pirydyna

HOH

 

 

Aminopirydyny występują głównie w formie aminowej, a nie iminowej. 

 

Zadanie: przedstaw schemat tautomeryzacji 

2-aminopirydyny

 z formy aminowej do iminowej. 

 

26.2.5.4  Reakcja 2-pikoliny z aldehydami 

Atomy 

-wodoru w alkilopirydynach mają właściwości kwasowe i pod wpływem zasad ulegają 

odszczepieniu.  Powstały  w  ten  sposób  karboanion  reaguje  ze  związkami  karbonylowymi  jako 
donor elektronów. Produkty addycji – hydroksypochodne – łatwo tracą cząsteczkę wody tworząc 
nowe wiązanie C=C, sprzężone z aromatycznymi elektronami 

background image

 

18 

N

CH

3

HC

O

N

CH CH

N

CH

2

N

CH

2

HC

O

N

CH CH
H

OH

NaOH

..

..

..

-

OH

..

-

..

..

-

..

- HOH

2-pikolina

1-fenylo-2-(2-pirydylo)eten

1-fenylo-1-hydroksy-2(2-pirydylo)etan

 

 

26.2.5.5 

Hydroksypirydyny 

Znane  są  trzy  hydroksypirydyny  – 

2-hydroksypirydyna

,

  3-hydroksypirydyna

  i 

4-

hydroksypirydyna

.  Izomery  2-  i  3-  można  otrzymać  podobnie  jak 

fenol

  poprzez 

diazowanie

 

aminopirydyn i 

reakcję

 

zagotowania

 lub w wyniku

 stapiania

 kwasów pirydynosulfonowych z 

wodorotlenkiem sodu.  

 

Zadanie:  napisz  schematy  reakcji  otrzymywania  hydroksypirydyn  za  pomocą 

reakcji  zagotowania

  i 

reakcji 

stapiania

 

Hydroksypirydyny  powstają  również  w  wyniku  bezpośredniego 

hydroksylowania

 

pirydyny

 

wodorotlenkiem  sodu  w  podwyższonej  temperaturze.  Jest  to  reakcja  zbliżona  do  reakcji 
Cziczibabina

N

N

OH

NaOH

..

pirydyna

..

2-hydroksypirydyna

 

 

Synteza izomeru 3 jest bardziej skomplikowana. 

 

Wszystkie  hydroksypirydyny  mają  właściwości  zbliżone  do 

fenolu

.  Łatwiej  ulegają  reakcjom 

substytucji  elektrofilowej  niż  sama 

pirydyna

2-

  i 

4-Hydroksypirydyny

  są  w  równowadze 

tautomerycznej 

z  odpowiednimi 

pirydonami

Odmiany  pirydonowe 

przeważają  w 

rozpuszczalnikach protonowych i w takiej formie krystalizują. 

N

O

N

OH

H

N

O

N

OH

H

pirydyn-2-on

.
.

2-hydroksypirydyna

(pirydyn-2-ol)

(pirydyn-4-ol)

pirydyn-4-on

.

.

4-hydroksypirydyna

 

 

hydroksypirydyn

  można  otrzymać  pochodne  obu  tautomerów. 

Diazometan

  przekształca 

2-

hydroksypirydynę

  w 

2-metoksypirydynę

,  a 

alkilowanie

 

jodkiem  metylu

  prowadzi  do 

N-

metylopiryd-2-onu

N

OH

N

N

O

CH

3

CH

2

N

2

OCH

3

2-metoksypirydyna

2-hydroksypirydyna

N-metylo-
pirydyn-2-on

CH

3

I

 

 

Znane są również tiolowe pochodne 

pirydyny

. One także  

występują w stanie równowagi z formą tautomeryczną. 

 

N

SH

..

2-merkaptopirydyna

(pirydyno-2-tiol)

background image

 

19 

Zadanie: narysuj wzór tiolowej pochodnej 

pirydyny

 i przedstaw przemianę jej tautomeryczną.

 

 

26.2.5.6 Utlenianie pirydyny i jej pochodnych

 

Pirydyna

 jest odporna na działanie wielu utleniaczy. Podobnie jak w  arenach homocyklicznych 

łatwo daje się 

utlenić

 jej łańcuch boczny. 

N

CH

3

N

COOH

KMnO

4

2-pikolona

kwas 2-pikolinowy

 

 

Kwas  3-pikolinowy

  znany  jest  pod  nazwą 

kwasu  nikotynowego

,  ponieważ  powstaje  w  wyniku 

utlenienia

 nie tylko 

3-pikoliny

, ale i 

nikotyny

, z której zresztą został otrzymany po raz pierwszy. 

N

CH

3

N

COOH

N

N

CH

3

H

KMnO

4

KMnO

4

 

                        

3-pikolina                             kwas nikotynowy 

(

kwas 3-pikolinowy

)

            nikotyna 

                                        

Pirydyna

  jest  bardziej  odporna  na 

utlenienie

  niż 

benzen

,  dlatego  z  chinoliny  pod  wpływem 

nadmanganianu  potasu  powstaje 

kwas  chinolinowy

  –  zostaje  zachowany  pierścień 

heterocykliczny. 

N

N

COOH

COOH

KMnO

4

chinolina

kwas chinolinowy

 

 

Pirydyna

 

utleniana

 za pomocą nadkwasów zostaje przekształcona w 

1-tlenek pirydyny

 (

N-tlenek 

pirydyny

). 

N

N

O

CH

3

COOOH

-

+

- CH

3

COOH

pirydyna

1-tlenek pirydyny

 

 

1-Tlenek  pirydyny

  zachowuje  właściwości  aromatyczne,  z  tym  że  rozkład  ładunków  w 

pierścieniu  jest  inny  niż  w 

pirydynie

.  Z  poniżej  przedstawionych  wzorów  mezomerycznych 

wynika,  że  reakcje 

substytucji  elektrofilowej 

1-tlenku  pirydyny

  powinny  zachodzić  w 

pozycjach 2 i 4 (inaczej niż w 

pirydynie

).  

N

O

N

O

N

O

N

O

-

+

-

+

: :

..

..

-

+

..

: :

: :

-

+

..

: :

1-tlenek pirydyny

 

 

Z innych wzorów mezomerycznych wynika, że 

1-tlenek pirydyny

 powinien być aktywniejszy niż 

pirydyna

 w reakcjach 

substytucji nukleofilowej

N

O

N

O

N

O

N

O

1-tlenek pirydyny

-

+

-

+

: :

..

..

: :

..

+

..

: :

..

+

..

: :

..

-

-

 

 

Poprzez 

utlenienie

 

pirydyny

  do  jej  N-tlenku  można  zsyntezować  wiele  pochodnych 

niemożliwych do otrzymania bezpośrednio z 

pirydyny

. Powrót z 

tlenku pirydyny

 (lub tlenku jej 

pochodnych) do 

pirydyny

 (jej pochodnych) dokonuje się w reakcji z PCl

3

background image

 

20 

N

N

O

N

NO

2

O

O

N
O
CH

3

N

N

NO

2

: :

..

+

-

[O]

HNO

3

/

H

2

SO

4

100

o

C

PhMgBr

CH

3

I

: :

..

+

-

: :

..

+

-

: :

+

-

I

PCl

3

1-tlenek 
4-nitropirydyny

pirydyna

1-tlenek pirydyny

1-tlenek 2-fenylopirydyny

jodek 1-metoksypirydyniowy

4-nitropirydyna

 

 

Natomiast 

sulfonowanie

  za  pomocą  oleum  i 

bromowanie

  bromem  w  oleum  prowadzi  do 

pochodnych w położeniu 3. 

N
O

N

HO

3

S

O

N

Br

O

+

-

+

-

+

-

oleum/HgSO

4

240

o

C

70

o

C

Br

2

/oleum

1-tlenek pirydyny

1-tlenek 3-bromopirydyny

1-tlenek kwasu 
pirydyno-3-sulfonowego

 

 

26.2.5.7 Sole pirydyniowe

 

 

W  wyniku 

alkilowania

 

pirydyny

  tworzą  się  sole  pirydyniowe,  które  stosunkowo  łatwo  ulegają 

redukcji

  reduktorami  przenoszącymi  aniony  wodorkowe  (wodorkami)  do  pochodnych  1,2-

dihydropirydyny.  

N

R

N

R

H

H

+

X

-

LiAlH

4

- HX

..

N-alkilo-1,2-dihydropirydyna

kationN-alkilopirydyniowy

 

 

Redukcja  soli  pirydyniowych  za  pomocą  LiAlH

4

  w  rozpuszczalnikach  aprotycznych  prowadzi 

wyłącznie do pochodnych 1,2-dihydro-, natomiast użycie mniej aktywnego reduktora, jakim jest 
NaBH

4

,  ale  w 

etanolu

  (w  rozpuszczalniku  protycznym)  daje  możliwość  uzyskania  1,2,5,6-

tetrahydropochodnych

N

R

N

R

N

R

N

R

N

R

..

kation
N-alkilo-
pirydyniowy

+

X

-

NaBH

4

EtOH/HOH

+

HOH

- HO

-

NaBH

4

H

2

, Pd/C

N-alkilo-
piperydyna

(N-alkilo-1,2,5,6-
tetrahydropirydyna
)

 

 

Reakcja 

redukcji

 kationu N-alkilopirydyniowego do 

N-alkilo-1,2-dihydropirydyny

 i odwrotna –

utleniania

 do związku wyjściowego – są wykorzystywane w procesach biochemicznych. Bierze 

w  nich  udział  koenzym  zwany 

dinukleotydem  nikotynoamidoadeninowym

  (NAD

+

)  i  jego 

zredukowana  forma  – 

zredukowany  dinukleotyd  nikotynoamidoadeninowy

  (NADH).  NAD

+

 

utlenia

 alkohole do aldehydów lub ketonów, a także uczestniczy w „spalaniu” (w metabolizmie) 

kwasów tłuszczowych

background image

 

21 

N

O

OH

O

H

CH

2

H H

O P O P O

O

O

H

OH

CH

2

N

N

N

N

NH

2

O

NH

2

O

O

O

O

N

O

OH

O

H

CH

2

O P O P O

O

O

H

OH

CH

2

N

N

N

N

NH

2

O

NH

2

O

O

O

O

[H]

[O]

C

-

-

dihydronikotynoamid

zredukowany dinukleotyd nikotynoamidoadeniny (NADH)

H

+

+

C

+

-

-

nikotynoamid

dinukleotyd nikotynoamidoadeniny (NAD

+

)

reszta adeniny

 

 

Zmiany zachodzą na reszcie 

amidu kwasu nikotynowego

N

R

O

NH

2

N

H

H

R

O

NH

2

..

+

C

+ 2 H

+

C

+ H

NAD

+

+ 2 H

NADH  +  H

+

 

 

Dinukleotyd  nikotynoamidoadeninowy

  (NAD

+

)  jest  głównym  akceptorem  elektronów 

(utleniaczem) w procesach 

utleniania

 substratów oddechowych. 

 

Na podobnej zasadzie, co NAD

+

 działa regent nazwany 

estrem Bartona

 

Sir Derek H. R. Barton (ur. w 1918 r. w Gravelsend, Anglia); doktorat i habilitacja w Londynie; prof. w Birkbeck 
College, Harvard, Glasgow, Imperial College, Institut de Chimie des Substances Naturelles, Texas A&M,; Nagroda 
Nobla (1969). 

 

Estrem Bartona nazywany jest 

O-acetylo-1-tlenek 2-pirydynotiolu

N

SH

O

N

S

O

H

N

S

O

N

S

O

O

Cl

N

S

O

O

R

+

-

: :

..

-

: :

..

..

..

..

:

NaH

+

-

: :

..

..

..

:

: :

..:

..

-

R C

: :

..:

C

ester Bartona

1-tlenek pirydyno-2-tiolu

 

 

Ester  Bartona  służy  między  innymi  do  otrzymywania  pochodnych  cynoorganicznych
Trialkilocyna  pod  wpływem  czynników  rodnikotwórczych  zostaje  przekształcona  w  rodnik
który z kolei ulega addycji do estru Bartona. Stabilizacja adduktu następuje poprzez eliminację 
rodnika acyliowego i jego rozkład na CO

2

 i rodnik alkilowy

CH

3

CN

CH

3

CN

CN

C

H

3

CH

3

H

CN

C

H

3

CH

3

N

S

O

O

R

..

N

S Sn

CH

3

-C-N=N-C-CH

3

80

o

C

C

2

.

+   N

2

Sn

+

C

.

Sn

.

+  (CH

3

)

2

CHCN

C

:

:

..

Sn

.

..

+  CO

2

  +  R

.

..

..

..

 

 

26.2.5.8 Redukcja pirydyny

 

Pirydynę

,  podobnie  jak 

benzen

  najlepiej 

redukuje

  się  wodorem  wobec  katalizatora  niklowego, 

można  również  użyć  platyny,  jako  katalizatora.  Produktem 

redukcji

 

pirydyny

  jest 

piperydyna

 

(

azacykloheksan

). 

background image

 

22 

N

N

H

H

2

/Pt, H

+

3 at, 25

o

C

pirydyna

piperydyna

 

Zastosowanie  tańszego  katalizatora  niklowego  wymaga  podniesienie  temperatury  reakcji  do 
200

o

C

 

26.2.3 Chinolina

 

Chinolina

  jest  żółtawym,  trudno  rozpuszczalny  w  wodzie  syropem,  wrzącym  w  temperaturze 

238

o

C.  Pod  wpływem  światła  i  powietrza  brunatnieje.  Z  silnymi  kwasami  tworzy  sole;  jest 

słabszą  zasadą  niż 

anilina

Izochinolina

,  izomer  konstytucyjny 

chinoliny

  różni  się  od  niej 

miejscem  położenia  atomu  azotu; 

chinolina

  jest 

benzo[b]pirydyną

,  a 

izochinolina

 

benzo[c]pirydyną

N

N

N

chinolina

izochinolina

benzo[b]pirydyna

benzo[c]pirydyna

(

)

(

)

[a]

[b]

[c]

 

 

26.2.3.1 Otrzymywanie

 

Chinolinę

 otrzymuje się za pomocą syntezy Skraupa. Powstaje ona w reakcji Michaela 

aniliny

 z 

akroleiną

Akroleina

  tworzy  się  in  situ  z 

glicerolu

  pod  wpływem  kwasu  siarkowego  i 

podwyższonej  temperatury.  Produkt  addycji 

akroleiny

  do 

aniliny

  ulega 

cyklizacji

,  a  potem 

dehydratacji

  do 

1,2-dihydrochinoliny

,  którą 

nitrobenzen

 

utlenia

  (reakcja 

odwodornienia

)  do 

chinoliny

. Mogą być stosowane inne utleniacze, np. kwas azotowy.  

OH OH OH

CH

2

-CH-CH

2

H

2

SO

4

CH

2

=CH-CHO + 

2

 HOH

glicerol

akroleina

 

 

NH

CH
CH

2

O

H

N

H

OH

N

OH

H

N

H

NO

2

NH

2

N

H

N

O

H

+

C

H

+

CH

..

- HOH

anilina

akroleina

4-hydroksy-1,2,3,4-
tetrahydrochinolina

-

- HOH

chinolina

(88%)

CH

1,2-dihydrochinolina

+ H

+

,

..

 

 

Zadanie: napisz stechiometrycznie równanie przekształcenia 

1,2-dihydrochinoliny

 w 

chinolinę 

 

26.2.3.2 Substytucja elektrofilowa chinoliny

 

Pierścień  benzenowy  jest  bardziej  podatny  na  reakcje  S

E

  niż  pirydynowy,  dlatego  też  do 

podstawienia  atomów  wodoru  elektrofilami  w 

chinolinie

  dochodzi  w  części  homocyklicznej. 

Chinolina

 w reakcjach S

E

 jest mniej aktywna niż 

benzen

N

N

Br

N

Br

chinolina

Br

2

H

2

SO

4

+

5-bromochinolina

8-bromochinolina

 

 

Oba  izomery  bromochinoliny  powstają  prawie  w  jednakowych  ilościach,  natomiast 

5-

nitrochinolina

 powstaje ze znacznie większą wydajnością niż izomer 8. 

N

N

NO

2

N

NO

2

chinolina

HNO

3

H

2

SO

4

+

5-nitrochinolina

8-nitrochinolina

10          :            1

 

 

background image

 

23 

W środowisku mniej kwaśnym, np. w reakcji 

chinoliny

 z 

azotanem (V) acetylu

 powstaje głównie 

3-nitrochinolina

. Być może w środowisku mniej kwaśnym w reakcji  S

E

  bierze  udział 

chinolina

 

nieprotonowana,  a  w  bardziej  kwaśnych  kation  chinoliniowy,  który  dezaktywuje  pierścień 
zawierający atom azotu i do nitrowania dochodzi głównie w pierścieniu homocyklicznym, wobec 
czego tworzy się 5- i 8-pochodna. 

N

N

NO

2

N

NO

2

N

NO

2

HNO

3

/Ac

2

O

20

o

C

dym. HNO

3

H

2

SO

4

 stęż.

3-nitrochinolina

5-nitrochinolina

8-nitrochinolina

(35%)

(43%)

+

 

 

Halogenki  alkilowe  i  acylowe 

alkilują

  bądź 

acylują

  chinolinowy  atom  azotu.  N-alkilowe 

pochodne 

chinoliny

  są  trwałe,  podczas  gdy  N-acylowe  są  bardzo  reaktywne,  ulegają  np. 

hydrolizie

 już pod wpływem wilgoci z powietrza. 

 

Zadanie: napisz schemat reakcji otrzymywania 

N-etylochinoliny