• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Бакалавриат 2021/2022

Химия гетероциклических соединений

Статус: Курс по выбору (Химия)
Направление: 04.03.01. Химия
Кто читает: Факультет химии
Когда читается: 3-й курс, 1 модуль
Формат изучения: без онлайн-курса
Охват аудитории: для своего кампуса
Язык: русский
Кредиты: 3

Программа дисциплины

Аннотация

По своему содержанию курс представляет собой сжатое изложение общих вопросов строения, синтеза и реакционной способности гетероциклических соединений, в первую очередь пяти- и шестичленных гетероароматических систем. В основу классификации материала положена концепция пи-избыточности и пи-дефицитности гетероароматических систем; эта исходная посылка и явилась главным фактором, определяющим общую структуру курса. По своей структуре курс состоит из введения и трех разделов: 1) введение; 2) пи-дефицитные шестичленные гетероциклы (пиридин, азины, бензазины, катионы азиниев, пириллия и т.д.); 3) пи-избыточные пятичленные гетероциклы (пиррол, фуран, тиофен и их бензпроизводные) и 4) азолы и их бензпроизводные ("пи-амфотерные" системы). Вопросы синтеза гетероциклов рассматриваются главным образом с ретросинтетической точки зрения в максимально общем виде в конце второго и четвертого разделов (соответственно, как общие синтетические приемы для шести- и пятичленных циклов). Расположение и объем обсуждаемого материала внутри каждого раздела диктовались, в первую очередь, значимостью того или иного типа реакционной способности для данного класса гетероциклов. (Так, при обсуждении химии пи-дефицитных гетероциклов доминируют вопросы, посвященные реакциям нуклеофильного присоединения и замещения, а также ANRORC-процессам, тогда как в случае пи-избыточных систем на передний план выступает обсуждение проблематики реакций с электрофилами.)
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Основной целью учебной дисциплины «Химия гетероциклов» является ознакомление с современными представлениями о специфике синтеза и реакционной способности гетероциклических систем, дополняющее базовый курс органической химии. Основными задачами дисциплины являются: -ознакомление с фундаментальной классификацией гетероароматических пи-систем на три типа (см. содержание курса) и использование этой классификации как для объяснения известных фактов их реакционой способности, так и для самостоятельного планирования реакций с участием гетероциклов; -ознакомление с базовой концепцией ретросинтеза гетероциклов на основе типа полярности использованных реагентов (консонантные-диссонантные) для классификации гигантского массива уже известных (в том числе именных) методов синтеза гетероциклов и самостоятельного планирования синтеза сложных структур.
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • Применяет знания о химических свойствах азолов в органическом синтезе.
  • Показывает знание химии ароматических гетероциклических соединений, включая циклы, обогащенные электронами.
  • Показывает знание химии ароматических гетероциклических соединений, включая циклы, обедненные электронами.
  • Способен делать вывод о типе реакционной способности гетероцикла, исходя из его структурной формулы, делать вывод о способе синтеза целевой структуры путем введения и модификации функций в различные положения гетероцикла.
  • Показывает знание базовых концепций ароматичности и антиароматичности, электронного строения гетероциклов
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Введение. Базовые концепции химии гетероциклов и их классификация
    1.1. Введение. Краткая история химии гетероциклов. Условность выделения в отдельную главу. Преимущественное значение азота, кислорода и серы как гетероатомов. Классификация гетероциклов: по размеру цикла, по гетероатомам, их числу и взаимному расположению в цикле. . Номенклатура гетероциклов: тривиальные названия; система Ганча-Вильдмана и номенклатура IUPAC; заместительная номенклатура 1.2. Ароматичность и правило Хюккеля; метод МОХ и его применение для анализа ароматичности пи-систем. Гетероароматичность. Гетероатомы пиррольного и пиридинового типа; исключения, показывающие условность такого деления. Ароматичность систем с конденсированными и пери-конденсированными циклами (индолизин, хинолизиний, перимидин, циклазины). Ароматичность гетероаннуленов и сиднонов. Антиароматические системы. 1.4.2. Качественные и количественные критерии ароматичности: структурные, магнитные, энергетические и химические критерии. Шкалы ароматичности гетаренов. 1.3. Концепция пи-избыточности и пи-дефицитности гетаренов (Альберти). Достоинства и недостатки концепции; общая и локальная пи-избыточность и дефицитность; пи-амфотерность (Пожарский); примеры соответствующих гетероароматических систем. Таутомерия гетероциклов.
  • пи-Дефицитные системы: шестичленные гетарены.
    2.1. Общая характеристика электронного строения, ароматичности и реакционной способности шестичленных гетаренов. Пиридин, азины и бензазины. Катионы пиридиния, азиниев, пириллия и тиапириллия и их бензпроизводные. Пиридоны, пироны и их аналоги. N-Окиси пиридина и его аналогов; илиды и мезоионные системы, 1,3- и 1,4-диполи; ангидрооснования. Антиароматические шестичленные гетероциклы. Общие закономерности передачи влияния заместителей в ядре пиридина; различие в свойствах заместителей в альфа-, бета- и гамма-положениях пиридина. Таутомерия замещенных пиридинов: влияние природы альфа-, бета- и гамма-заместителя (OH-, SH-, NH2-, CH3-групп) на положение таутомерного равновесия. Эффект бензаннелирования (различное влияние на примере изомерных изохинолонов). Эффект аза-замещения (на примере природных оксипиримидинов). 2.2. Реакции с нуклеофилами. . Присоединение нуклеофилов к нейтральным гетероциклам: образование анионных сигма-комплексов (динитропиридины), ковалентная гидратация (птеридины). Присоединение нуклеофилов к гетероциклическим катионам: образование псевдооснований; соединения Рейссерта. Гетарилирование. Проблема альфа/гамма-селективности. Типы механизмов нуклеофильного замещения в ряду пиридина и его аналогов: SN2Ar и SNH, EA и AE , кине- и теле-замещение, SN-ANRORC. Примеры реакций нуклеофильного замещения галогена, нитро- и гидроксильной групп. Реакция Чичибабина. Селективность и легкость протекания реакции в ряду азинов. Использование внешних окислителей. 2.3.3. Реакции раскрытия цикла и рециклизации. Гидролитическая нестабильность азинов. Расщепление пиридиниевого цикла под действием щелочи и аминов. Гидролиз солей пириллия и тиапириллия. Нуклеофильное замещение, сопровождаемое рециклизацией; конкуренция процессов SNANRORC и SN2Ar. Молекулярные перегруппировки, протекающие по механизму ANRORC. Перегруппировка Димрота и ее аналоги (Кост, Сагитуллин); перегруппировки в аннелированнных системах. Реакции рециклизации с включением фрагмента нуклеофила: трансформация пириллиевых солей в производные пиридина и бензола. Рециклизация пиридинов, пиримидинов, триазинов и их солей. Рециклизации с расширением и сужением цикла. Индолы из солей нитропиридиния. 2.3. Реакции с электрофилами. . Основность пиридинов, азинов и их бензпроизводных; влияние заместителей. . Азины как основания Льюиса. Электрофильная атака по атому азота: типы электрофилов, влияние заместителей, стерические факторы; селективность атаки в несиметричных бензазинах. Комплексы пиридина с электрофилами как мягкие электрофильные агенты. Электрофильное замещение в пиридиновом ядре: ориентация; примеры реакций, протекающих по механизму SNAr. Факторы, затрудняющие протекание реакций (пи-дефицитность, протонирование субстрата, координация с электрофилом) и их нивелирование (введение активирующих легко удаляемых групп, катализ солями металлов). Влияние заместителей: ориентация, легкость протекания, стерические эффекты. Основность субстрата как фактор, определяющий структуру интермедиата и глубину протекания процесса(на примере нитрования метоксипиридинов). Влияние аза-замещения и бензаннелирования. N-Окись пиридина в реакциях с электрофилами; проблема селективности. Электрофильная атака по функциональной группе. Проблема селективности в реакциях пиридонов и аминопиридинов. Амино-, окси- и алкилпиридины: кислотность, конденсация с карбонильными соединениями, амбидентные свойства анионов. Электрофильное замещение в бензольном ядре бензазинов и трифенилпириллия. . Аномальные механизмы электрофильного замещения: илидный механизм (дейтерообмен, реакция Гаммика); замещение в ковалентных гидратах; замещение через присоединение. 2.4. Шестичленные гетарены в реакциях циклоприсоединения как аналоги диенов (пироны, тиапироны, пиридоны, 1,2,4,5-тетразины), как 1,3-диполи (N-окиси, илиды и бетаины азинов). Окисление и восстановление шестичленных гетероциклов. Реакции в гетероароматическом ядре и заместителях. Общая стратегия синтеза шестичленных гетаренов.
  • пи-Избыточные системы: пятичленные гетарены
    3.1. Общая характеристика электронного строения, ароматичности и реакционной способности пятичленных гетаренов; сравнение с винильными аналогами и насыщенными циклами. Пиррол и его бензпроизводные: индол, изоиндол, индолизин, карбазол. Фуран, тиофен, селенофен и их бензпроизводные. Порфирин и фталоцианин. пи-Комплексы. Реакции с электрофилами. . Протонирование. Стабильные катионные сигма-комплексы в ряду индола, индолизина, тиофена, алкилпирролов. Сравнительная основность гетероатома, альфа- и бета-положений; закономерности кислотного дейтерообмена, корреляция с основностью. Ацидофобность фурана и пиррола. Влияние заместителей на направление протонирования; ипсо- комплексы, протодефункционализация. 3.2.. Электрофильное присоединение; аналогия с енаминами и виниловыми эфирами. Аномальное алкилирование по гетероатому (тиофен, карбазол). Образование сигма-комплексов Уэланда при алкилировании (пиррол, индол, индолизин, тиофен); альфа/бета-селективность. Перегруппировки в сигма-комплексах тиофена и индола. . Электрофильное замещение. Общие закономерности. Проблема альфа/бета-селективности: индексы реакционной способности, влияние природы гетероатома, бензаннелирования (примеры инверси селективности). Нетрадиционные механизмы. С-электрофилы: алкилирование, ацилирование, реакция Михаэля. Конденсация с карбонильными соединениями; олиго- и полимеризация пиррола и фурана. Аномальное алкилирование пирролов алкоголятами. Другие типы электрофилов. Нитрование, нитрозирование, азосочетание, сульфирование, галоидирование, меркурирование. Требования к подбору условий и реагентов. Реакции ипсо-замещения. Общие закономерности передачи влияния заместителей в пятичленных гетаренах. Ориентирующий эффект одного и нескольких заместителей. Пиррол и индол как NН-кислоты; селективность электрофильной атаки в анионах; роль координации катиона. альфа-Металлирование пятичленных гетаренов; использование карбанионов в реакциях с электрофилами. Электрофильное замещение с участием заместителей. Атака в безольное ядро в ряду бензпроизводных. Электрофильное замещение в боковой цепи. Таутомерия окси- и аминосоединений, направление электрофильной атаки. 3.3. Реакции с нуклеофилами. Нуклеофильное замещение в ядре, боковой цепи и аннелированных циклах. Раскрытие пятичленного цикла под действием нуклеофильных агентов. Реакции рециклизации с включением нуклеофила: реакция типа Юрьева. ANRORC-процессы: молекулярные перегруппировки в ряду фурана, пиррола, индола и тиофена. Реакции циклоприсоединения: пятичленные гетарены как диены; роль ароматичности и влияние природы гетероатома; конкуренция циклоприсоединения и нуклеофильного присоединения. Присоединение карбенов: реакции расширения цикла. Реакции окисления и восстановления пятичленных гетероциклов. Десульфуризация производных тиофена. Азолы и конденсированные азолоазины.
  • Азолы и конденсированные азолоазины
    4.1. Общая характеристика: электронное строение и реакционная способность; азолы как пи-амфотерные системы. 1,3-Азолы (имидазол, оксазол, тиазол); 1,2-азолы (пиразол, изоксазол, изотиазол) и их бензпроизводные. Триазолы и тетразол. Конденсированные азолоазины. Кислотно-основные свойства. Таутомерия 4(5)-замещенных имидазолов, пиразолов; влияние природы заместителя на положение таутомерного равновесия.. Таутомерия амино-, окси- и тио-производных азолов. Реакции с нуклеофилами. Сравнение с азинами. . Реакция с основаниями. Кислотные свойства имидазола (сравнение с пирролом). Влияние аза-замещения (число и положение аза-групп) и бензаннелирования. Азолы как СН-кислоты. Присоединение нуклеофилов к солям азолиев. Примеры нуклеофильного замещения в ряду 1,2- и 1,3-азолов и их катионов. Реакция Чичибабина. Легкость раскрытия цикла в катионах азолиев и СН-депротонированных анионах. Реакция Юрьева; перегруппировка Димрота. Другие перегруппировки с раскрытием азольного цикла (перегруппировка Корнфорта; перегруппировки Боултона-Катрицкого; трансформации фуроксанов). 4.2. Реакции с электрофилами. Сравнение с азинами и пятичленными пи-избыточными системами. Основность азолов: влияние природы гетероатома пиррольного типа, числа и положения аза-групп, бензаннелирования. Направление протонирования. Электрофильная атака по атому азота в азолах и азолил-анионах. Электрофильное замещение в азолах, катионах азолия. Селективность реакций. Роль илидных интермедиатов. Электрофильная атака по функциональной группе. Реакции таутомерных соединений. Кислотность альфа-алкильных групп. Азолы в реакциях циклоприсоединения. Окисление и восстановление азолов. Общие закономерности синтеза 5- и 6-членных гетероциклов.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Контрольная работа 1
  • неблокирующий Контрольная работа 2
  • неблокирующий Контрольная работа 3
  • неблокирующий Контрольная работа 4
  • неблокирующий Экзамен
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (1 модуль)
    0.1 * Контрольная работа 1 + 0.1 * Контрольная работа 2 + 0.1 * Контрольная работа 3 + 0.1 * Контрольная работа 4 + 0.6 * Экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Суздалев, К.Ф. Основы химии гетероциклических соединений : учеб. пособие / К.Ф. Суздалев ; Южный федеральный университет. — Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. — 103 с. - ISBN 978-5-9275-2850-9. - Режим доступа: https://new.znanium.com/catalog/product/1039699

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Сироткин Р.О. - Физикохимия гомо- и гетероядерных бинарных веществ и материалов на их основе (особенности комплексного влияния элементного состава - Русайнс - 2018 - 236с. - ISBN: 978-5-4365-2539-6 - Текст электронный // ЭБС BOOKRU - URL: https://book.ru/book/929820