Глава 8. Пятичленные гетероциклические соединения

Вопросы к семинару:

1. Гетероциклические соединения: определение, классификация. Понятие о гетероатоме пиррольного типа и p-избыточных системах. Электронное строение пиррола, фурана, тиофена. Влияние природы гетероатома на ароматичность и реакционную способность этих гетероциклов.

2. Химические свойства: кислотные свойства пиррола, ацидофоб-ность фурана и пиррола, особенности протекания реакций электрофильного замещения, реакции гидрирования.

4. Способы получении пиррола, фурана, тиофена. Превращение пятичленных гетероциклов по Юрьеву.

5. Диазолы: определение, классификация. Понятие о гетероатоме пиридинового типа и амфотерных системах. Прогнозирование реакционной способности на основе анализа строения.

6. Химические свойстве диазолов: кислотно-основные свойства, прототропная таутомерия и ее причины, реакции электрофильного и нуклеофильного замещения, реакции гидрирования.

7. Биологически активные соединения и лекарственные препараты: хлорофилл, гемин, триптофан, гистидин, норсульфазол, пенициллины, дибазол (получение, анализ реакционной способности, качественные реакции, применение).

Опыты к лабораторной работе:

1. Получение фурфурола из древесных опилок

2. Разложение фурфурола кислотами

3. Реакция фурфурола с фуксинсернистой кислотой

4. Окисление фурфурола

5. Конденсация фурфурола с фенилгидразином

6. Взаимодействие антипирина и амидопирина с азотистой кислотой

7. Взаимодействие антипирина и амидопирина с хлоридом железа (III).

Задания к самостоятельной работе:

Вариант 1

1. Напишите возможные структурные формулы гомологов тиофена состав С₆Н₈S. Назовите их. Объясните, почему тиофен является p‑избыточной системой.

2. Сравните строение и химические свойства имидазола и пиррола. Объясните причины ароматичности этих соединений.

3. Напишите схемы реакций: а) пиразола с соляной кислотой, б) пиррола с калием в жидком аммиаке, в) имидазола с иодистым метилом.

4. Заполните схемы превращений, назовите реагенты и продукты реакций. Укажите тип каждой реакции:

5. Напишите структурные формулы продуктов А, Б и В в схеме превращений:

6. Приведите схему щелочного гидролиза фурацилина, назовите все продукты, укажите, какой из них определяют в продуктах гидролиза.

Вариант 2

1. Напишите структурные формулы следующих гетероциклических соединений: а) 3-этилпиррол, б) 4(5)-метилимидазол, в) 6-нитро-3-этилиндол, г) пирролин. Объясните значение цифр 4 и 5 в названии соединения «б».

2. Объясните значение электронного вклада гетероатома в формирование делокализованной p-электронной системы в молекулах фурана, пиррола и тиофена. Как природа гетероатома сказывается на ароматичности указанных гетероциклов?

3. Напишите схемы реакций: а) пиррола с амидом натрия, б) пиразола с иодистым метилом, в) имидазола с соляной кислотой. Укажите в каких из них проявляются кислотные, основные, нуклеофильные свойства гетероциклов.

4. Напишите уравнения реакций сульфирования и нитрования пиррола и имидазола. Объясните, почему в этих реакциях надо использовать разные (какие?) сульфирующие и нитрующие средства.

5. Напишите структурные формулы продуктов «А» и «Б» в схеме превращений, укажите область применения конечного продукта:

6. Приведите формулы, названия по систематической номенклатуре для антипирина и амидопирина. Перечислите качественные реакции на эти препараты, укажите аналитический эффект.

Вариант 3

1. Напишите структурные формулы следующих гетероциклических соединений: а) 2-аминотиазол, б) a-метилпиррол, в) 6-бром-3-этилиндол, г) a-нитротетрагидрофуран. В какой лекарственный препарат входит соединение «а»?

2. Что общего и разного в условиях проведения реакции нитрования пиррола и фурана по сравнению с условиями нитрования бензола?

3. Напишите схемы реакций: а) пиррола с метилмагнийбромидом, б) имидазола с амидом натрия, в) пиразола с соляной кислотой. Какие свойства указанных гетероциклов иллюстрируют эти реакции?

4. Объясните, почему для тиазола возможны реакции S_E, S_N, А_Е. Подтвердите соответствующими уравнениями.

5. Заполните схему превращений, назовите все соединения:

6. Приведите схему синтеза амидопирина из антипирина. Опишите ход выполнения качественных реакций на амидопирин, укажите аналитические эффекты.

Вариант 4

1. Назовите приведенные соединения:

2. Сравните электронное строение и химические свойства пиррола и пиразола. Объясните, для какого из этих гетероциклов и почему характерна прототропная таутомерия.

3. Запишите формулами, заполните схему:

4. Напишите уравнения реакций (не менее 4-х), отражающих химические свойства имидазола.

5. Напишите структурные формулы продуктов А, Б и В в схеме превращений, назовите их:

6. Приведите формулы и назовите лекарственные препараты, содержащие ядро тиазола и тиазолидина. Укажите область применения.

Вариант 5

1. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 2‑метил-5-нитротиазол, б) гетероауксин, в) 4‑гидрокси­фурфурол, г) 4-метокси-5-хлорпиразол.

2. Приведите формулы и названия пятичленных гетерециклов, содержащих в цикле атом "пиррольного типа". Объясните строение атома "пиррольного типа".

3. Запишите уравнениями реакций следующие превращения:

4. Поясните термин «С-ацилирование и N-ацилирование» и объясните, почему при взаимодействии с ацетилхлоридом пиррол дает продукт С-ацилирования, а имидазол - N-ацилирования. Подтвердите уравнениями реакций.

5. Заполните схему превращений, назовите продукты реакций:

6. В состав каких биологически активных веществ и лекарственных препаратов входит ядро индола и бензимидазола? Приведите формулы и названия этих соединений по заместительной номенклатуре. Укажите их применение.

Вариант 6

1. Назовите следующие соединения:

2. Приведите формулы (не менее пяти) и названия пятичленных гетероциклов, содержащих атом азота «пиридинового типа». Объясните строение гетероатома «пиридинового типа».

3. Предложите одностадийные синтезы 2-аминотиазола, 5-нитрофурфурола, 2-метилпирролина, 3-ацетилимидазолий хлорида из соответствующих гетероциклических соединений. Укажите тип каждой реакции.

4. Антипирин обработали нитритом натрия в уксусной кислоте. На продукт реакции подействовали цинком в соляной кислоте, а затем избытком иодистого метила. Напишите уравнения реакций, назовите все соединения по заместительной номенклатуре. Перечислите цветные качественные реакции на исходное вещество и конечный продукт превращения.

5. Запишите формулами, укажите под действием каких реагентов протекают следующие превращения:

6. Проанализировав строение норсульфазола, объясните его способность к гидролизу. Приведите уравнения реакций гидролиза в кислой и щелочной средах.

Вариант 7

1. Приведите структурные формулы следующих соединений: а) 3,4‑диметилфурандикарбоновая кислота, б) 5-гидрокси-3(2-аминоэтил)индол, в) 2,5-диметил-6-этилбензимидазол.

2. Какими структурными особенностями обусловлен ароматический характер и тиофена и фурана? Какой из этих гетероциклов более ароматичен и почему?

3. Приведите схемы превращений: а) фурана в тиофен, б) a‑метилфурана в a-метилпиррол, в) 5-нитрофурфурола в фурацилин.

4. Предложите одностадийные способы получения 3-броминдола, тиазолидина, 3-пропилимидазолий иодида, 5-нитрофурфурола из соответствующих гетероциклических соединений. Укажите тип каждой реакции.

5. Заполните схему, назовите все соединения:

6. На примере пиразола объясните явление прототропной изомеризации. Приведите формулы и названия (тривиальные и по систематической номенклатуре) двух лекарственных препаратов, содержащих ядро пиразола. Укажите область их применения.

Вариант 8

1. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 3,4‑диметилтиофен, б) 4-гидроксипиразол, в)a-амино-b-[4(5)-имидазолил] пропионовая кислота, г) 5-изопропилтиазол. Отнесите гетероциклы, лежащие в основе этих соединений, к p‑избыточным или p-амфотерным. Дайте определение этим понятиям.

2. Сравните электронное строение и химические свойства пиразола и бензола. Объясните причину общих и разных свойств.

3. Приведите структурные формулы лекарственных препаратов, содержащих ядра пиразола и бензола (по два примера). Назовите их. Предложите реакции, позволяющие отличить эти вещества.

4. Напишите схемы реакций, назовите все соединения:

5. Напишите уравнения реакций бромирования, нитрования и сульфирования 2-метилфурана. Обоснуйте выбор реагентов для этих реакций.

6. 1,2-Диаминобензол ввели в реакцию циклизации с фенилуксусной кислотой, полученный продукт обработали хлороводородом. Напишите уравнения реакций, назовите соединения по систематической номенклатуре. Под каким названием и для каких целей применяется конечный продукт превращения?

Вариант 9

1. Назовите следующие соединения:

2. Сравните электронное строение и химические свойства пиррола и имидазола. Для какого гетероцикла и почему характерно образование ассоциатов?

3. Приведите схемы превращений: а) фурана в тиофен, б) a-метил-пиррола в a-метилфуран, в) тиазола в 2-аминотиазол.

4. Расположите следующие соединения в ряд по возрастанию легкости протекания реакций электрофильного замещения, ответ поясните: а) пиррол, б) бензол, в) толуол, г) тиофен. Приведите примеры указанных реакций для каждого из них.

5. Предложите способ получения фурацилина из пентоз, назовите все промежуточные продукты.

6. Укажите в молекуле фурацилина гидролитически неустойчивые группировки и приведите уравнение реакций гидролиза в щелочной среде. Объясните, какой газ будет выделяться при подкислении продуктов гидролиза.

Вариант 10

1. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 1,4-диметилпиррол, б) 4-гидроксипиразол, в) a-амино-b-(3-индолил) пропионовая кислота г) 2-[4(5)-имидазолил]этанамин Дайте тривиальные названия соединениям «в» и «г», укажите их биологическую роль.

2. Какими структурными особенностями обусловлен ароматический характер тиофена и фурана? Какой из этих гетероциклов более ароматичен и почему?

3. Приведите уравнения реакций, приводящих к исчезновению ароматических свойств пиррола. Объясните, как при этом изменяются кислотно-основные свойства.

4. Напишите уравнения реакций. Определите тип каждой реакции:

5. Заполните схему превращений, назовите продукты:

6. Проанализировав строение норсульфазола, объясните, почему он:
а) растворяется в кислотах и щелочах, б) гидролизуется, в) диазотируется. Подтвердите уравнениями реакций.

Вариант 11

1. Назовите приведенные соединения:

2. Сравните электронное строение и химические свойства пиразола и бензола.

3. Предложите способ получения 2-бромфурана из рибозы (путем последовательных реакций).

4. Приведите уравнения известных Вам реакций электрофильного замещения для имидазола. Назовите продукты реакций.

5. Заполните схему превращений:

6. Укажите в молекуле пенициллинов гидролитически неустойчивые группировки и приведите схемы гидролиза в кислой и щелочной средах.

Вариант 12

1. Приведите структурные формулы следующих соединений:
а) 1,4-диэтилимидазол, б) 5-гидроксиизооксазол, в) 2-амино-тиазолидин, г) гетероауксин.

2. Сравните электронное строение пиррола, бензола и пиразола. Объясните, какой из приведенных гетероциклов будет p‑избыточным, а какой p-амфотерным.

3. Напишите уравнения реакций и назовите соединения, в которые превратится пиррол под действием: а) амида натрия в жидком аммиаке, б) диоксандибромида, в) пиридинсульфотриоксида.

4. Заполните схемы превращений, назовите реагенты и продукты реакций. Укажите тип каждой реакции:

5. Напишите структурные формулы продуктов А, Б, В, Г в схеме превращений:

6. В состав каких лекарственных препаратов входит ядро тиазола и тиазолидина? Приведите формулы этих препаратов и укажите их применение в медицине. Объясните, в ИК-спектрах каких из этих препаратов и почему будет наблюдаться поглощение в области 1700-1800 см^-1, в области 3400-3500 см^-1(2 полосы).

Вариант 13

1. Назовите приведенные соединения:

2. Объясните различия в электронном строении гетероатомов пиррольного и пиридинового типов. Напишите формулы тиофена, оксазола, пирролина, тиазолидина и укажите, в каких из этих соединениях данные атомы отсутствуют.

3. Предложите способ получения 2-нитротиофена из ксилозы (путем последовательных реакций).

4. Напишите структурные формулы и названия соединений, в которые превратится пиразол под действием: а) метилмагнийиодида, б) иодистого метила, в) концентрированной серной кислоты при нагревании.

5. Заполните схему превращений, назовите соединения А и Б:

6. Напишите формулы и назовите пятичленные гетероциклы, входящие в состав дибазола, антипирина, норсульфазола. Обясните, для каких из них характерны; а) основные свойства, б) кислотные свойства, в) прототропная таутомерия. Подтвердите уравнениями реакций.

Вариант 14

1. Приведите структурные формулы следующих соединений: а) 5‑изопропилфурфурол б) (3-индолил)уксусная кислота, в) 2‑аминотиазол, г) a-амино-b-[4(5)-имидазолил] пропионовая кислота. Объясните значение цифр 4, 5 в названии соединения «г».

2. Какое соединение из задания 1 и почему может существовать в виде пары энантиомеров (поясните этот термин). Постройте для этого вещества проекционные формулы Фишера, соответствующие R- и S-стереоизомерам.

3. Приведите реакции получения из арабинозы пиррола, а затем его сульфопроизводного.

4. Напишите уравнения реакций сульфирования, нитрования, бромирования, аминирования тиазола. Укажите тип реакций.

5. Запишите формулами, заполните схему:

6. Напишите формулу гетероцикла, входящего в антипирин и амидопирин, пронумеруйте его. Опишите ход выполнения и аналитические эффекты цветных реакций на эти вещества.

Вариант 15

1. Назовите приведенные соединения:

2. Сравните электронное строение и химические свойстве пиразола и бензола.

3. Приведите реакции превращения: а) a-этилпиррола в a-этилфуран, б) тиофена в пиррол, в) b-изопропилфурана в b-изопропилтиофен.

4. Заполните схемы превращений, назовите реагенты и продукты реакций. Укажите тип каждой реакции:

5. Используя структурные формулы, заполните схему превращений:

6. Приведите формулы антипирина, дибазола, норсульфазола и предложите метод анализа, позволяющий различить эти препараты. Напишите уравнения реакций, укажите аналитические эффекты.

Вопросы для самоконтроля:

В заданиях 1-16 для каждого незаконченного утверждения напишите букву, соответствующую правильному ответу, учитывая, что ответ может быть использован один раз, несколько раз или не использован совсем.

1.Соединение, имеющее формулу называется…   2.Соединение, имеющее формулу называется…		а) имидазол б) пиразол в) тиазол г) тиазолидин д) пиразолин
3.Взаимодействие тиофена с хлорангидридом уксусной кислоты относится к реакциям… 4. Взаимодействие имидазола с хлорангидридом уксусной кислоты относится к реакциям… 5. Превращение фурана в тетрагидрофуран происходит в результате реакции…	а) присоединения б) отщепления в) замещения
6. При взаимодействии антипирина с хлоридом железа (III) образуется раствор… 7. При взаимодействии амидопирина с хлоридом железа (III) образуется раствор… 8. При взаимодействии амидопирина с азотистой кислотой образуется раствор…	а) бесцветный б) голубой в) красный г) зеленый д) фиолетовый
9. Продукт полного гидрирования пиразола называется… 10. В основе дибазола лежит гетероцикл, который называется… 11. При взаимодействии фурана и аммиака в присутствии оксида алюминия образуется…	а) пиррол б) пиразолон в) пиразолидин г) индол д) бензимидазол
12. Фурацилин обладает следующим действием… 13. Амидопирин используют как средство… 14. Дибазол применяют как средство…	а) коронаро­расширяющее б) гипотензивное в) жаропонижающее г) антимикробное
15. Гетероатом пиррольного типа дает в общую p-электронную систему… 16. Гетероатом пиридинового типа имеет на свободной sp2-гибридной орбитали…	а) ноль электронов б)1 электрон в) 2 электрона 3) 3 электрона

В заданиях 17-20 для каждого незаконченного утверждения один или несколько ответов являются верными. Напишите букву, соответствующую правильной комбинации ответов:

А - если верно 1,2,3

В - если верно 1 3

С- если верно 2,4

Д - если верно 3

Е- если верно все

17. Одновременно гетероатомы пиррольного и пиридинового типов содержат: 1) пирразол, 2) имидазол 3) тиазол, 4) индол, 5) пиразолин.

18. Прототропная изомеризация характерна для: 1) фурана, 2) тиазола, 3) имидазола, 4) пиррола, 5) оксазола.

19. Ацидофобными являются: 1) тиофен, 2) пиррол, 3) пиразол, 4) фуран, 5) тетрагидрофуран.

20. В реакцию присоединения тиазол вступает со следующими реагентами: 1) соляная кислота, 2) иодистый этил, 3) ацетилхлорид, 4) амид калия, 5) гидроксид калия.

В заданиях 21-25 каждое предложение представляет собой два утверждения, связанных словами "потому что". Определите достоверность каждого утверждения и причинно-следственную связь между ними. Напишите букву, соответствующую правильному ответу:

Ответ	Утверждение 1	Утверждение 2	Связь
А	верно	верно	верно
В	верно	верно	неверно
С	верно	неверно	неверно
Д	неверно	верно	неверно
Е	неверно	неверно	неверно

21. Норсульфазол вступает в реакцию диазотирования, потому что содержит ядро тиазола.

22. Пиррол является p-избыточным гетероциклом, потому что содержит гетероатом пиррольного типа.

23. Пиразол обладает NН-кислотностью, потому что содержит гетероатом пиридинового типа.

24. Имидазол является ацидофобным гетероциклом, потому что при взаимодействии с кислотами разрушается.

25. Фурфурол реагирует с семикарбазидом, потому что является производным азотсодержащего гетероцикла.

В заданиях 26-30 закончить ответы.

26. Фуран обработали диоксандибромидом, а затем смесью азотной и уксусной кислот. Конечный продукт называется...

27. Соединение «А» в следующей схеме называется..

28. Сероводород и фуран ввели в реакцию Юрьева, полученное органическое вещество нагрели с концентрированной серной кислотой. Конечный продукт превращения имеет формулу...

29. Фурацилин получают из пентоз с помощью последовательных реакций по схеме...

30. Получение амидопирина из антипирина выражается схемой...

Ответы

1. а 2. в 3. в 4. а 5. а

6. в 7. д 8. д 9. в 10. д

11. а 12. г 13. в 14. б 15. в

16. в 17. А 18. Д 19. С 20. А

21. В 22. А 23. В 24. Е 25. С

26. 2-бром-5-нитрофуран

27. пирролнатрий.

28.
29.
30.