Гетероциклические соединения. Алкалоиды. Нуклеозиды. Нуклеотиды.

1. Пятичленные гетероциклические соединения названы в примерах:

–1. азин;

+2. диазол-1,3;

–3. диазепин-1,2;

–4. оксазин;

+5. тиазол-1,3.

При построении систематического названия моноциклических соединений, содержащих один или несколько гетероатомов в цикле комбинируют подходящий префикс (или префиксы), обозначающий природу гетероатома, с корнем, обозначающим размер цикла и суффиксом, обозначающим насыщенность цикла. Согласно правилам IUPAC пятичленные гетероциклы обозначаются в названии корнем «-ол». Диазол-1,3 является пятичленным гетероциклом с двумя гетероатомами азота. Тиазол-1,3 – пятичленный гетероцикл, содержащий гетероатомы серы и азота.

2. Шестичленные гетероциклические соединения названы в примерах:

+1. азин;

+2. оксазин-1,2;

–3. оксазол-1,3;

–4. оксиран;

–5. 3Н-адепин.

При построении систематического названия шестичленных гетероциклов размер цикла отражается в названии корнем «-ин». К шестичленным гетероциклам относятся азин, содержащий гетероатом азота и оксазин-1,2, содержащий гетероатомы кислорода и азота.

3. Семичленные гетероциклические соединения названы в примерах:

–1. тиазин-1,4;

+2. 1Н-азепин;

+3. диазепин-1,4;

–4. оксазол-1,3;

–5. оксазин-1,4.

В систематической номенклатуре семичленных гетероциклов корень названия отражает размер цикла и обозначается «епин». 1Н – азепин относится к семичленным гетероциклам с одним гетероатомом азота, диазепин-1,4 содержит два гетероатома азота.

4. Только азотсодержащие гетероциклические соединения названы в примерах:

–1. оксол;

–2. тиофен;

+3. азин;

+4. диазепин-1,3;

+5. диазол-1,2.

В систематической номенклатуре гетероциклов префикс указывает на природу гетероатома, в частности, «аз» обозначает присутствие атома азота в гетероцикле, множительная приставка «ди» указывает на присутствие в гетероцикле двух гетероатомов азота. Азин является шестичленным гетероциклом с одним гетероатомом азота, диазепин-1,3 – семичленным гетероциклом с двумя гетероатомами азота, диазол-1,2 – пятичленным гетероциклом с двумя гетероатомами азота.

5. В составе гетероцикла есть и азот, и кислород в примерах:

–1. азол;

+2. оксазол-1,3;

–3. тиазол-1,3;

+4. оксазин-1,4;

–5. тиазин-1,4.

Наличие гетероатома кислорода в систематической номенклатуре гетероциклов обозначается префиксом «окса-«, наличие гетероатома азота – префиксом «аза» (опуская «а», так, как корень «-ол» и «-ин» начинаются с гласной буквы). Оксазол является пятичленным гетероциклом, содержащим гетероатомы кислорода и азота, оксазин-1,4 - шестичленный гетероцикл с гетероатомами кислорода и азота.

6. В составе гетероцикла есть и сера, и азот:

–1. диазол-1,3;

+2. тиазол-1,3;

–3. диазин-1,3;

+4. фенотиазин;

–5. феноксазин.

Наличие гетероатома серы в систематической номенклатуре гетероциклов обозначается префиксом «тиа-«, тогда как присутствие гетероатома азота – префиксом «аза» (опуская «а», там где это необходимо). Тиазол-1,3 относится к пятичленным гетероциклам, содержащим гетероатомы серы и азота, фенотиазин – конденсированная гетероциклическая система гетероатома серы и азота.

7. Пирролу соответствует систематическое название:

–1. диазол-1,3;

–2. азин;

–3. диазин-1,3;

+4. азол;

–5. тиазол.

Пиррол относится к пятичленным ароматическим гетероциклам с одним гетероатомом азота. В систематической номенклатуре азотсодержащих пятичленных гетероциклов природа гетероатома отражается префиксом «аза», тогда как размер пятичленного гетероцикла отражается корнем «ол», в связи с чем пирролу соответствует систематическое название азол.

8. Пиримидину соответствует систематическое название:

–1. диазол-1,3;

+2. диазин-1,3;

–3. диазепин-1,4;

–4. азин;

–5. азол.

Пиримидин относится к шестичленным ароматическим гетероциклам с двумя гетероатомами азота. В систематической номенклатуре азотсодержащих шестичленных гетероциклов природа гетероатома отражается префиксом «аза», множительная приставка «ди» указывает на присутствие двух гетероатомов азота в положениях 1 и 3 гетероцикла. Размер шестичленного гетероцикла отражается корнем «ин» в систематической номенклатуре.

9. Имидазолу соответствует систематическое название:

+1. диазол-1,3;

–2. азин;

–3. диазин-1,3;

–4. азол;

–5. тиазол.

Имидазол является пятичленным ароматическим гетероциклом с двумя гетероатомами азота. В систематической номенклатуре имидазола направление номерации цикла производится от пиррольного гетероатома азота к пиридиновому. Природа гетероатомов азота обозначается префиксом «аза», множительная приставка «ди» указывает на присутствие двух гетероатомов азота в положения 1 и 3 гетероцикла. Размер пятичленного гетероцикла обозначается в названии корнем «-ол».

10. К алкалоидам группы пиридина следует отнести:

–1. хинин;

+2. никотин;

–3. морфин;

–4. кокаин;

–5. анибазин.

Алкалоиды – гетероциклические азотсодержащие основания растительного происхождения. Классификация алкалоидов осуществляется либо по растениям, в которых они встречаются, либо по типу гетероциклической системы, лежащей в основе их строения. В составе никотина содержится ароматическое кольцо пиридина, связанное с N-метилпирролидиновым кольцом, что позволяет отнести его к группе пиридина.

11. К алкалоидам группы хинолина следует отнести:

+1. хинин;

–2. кофеин;

–3. папаверин;

–4. кодеин;

–5. атропин.

Методами деструкции было установлено, что хинин содержит одно хинолиновое и одно хинуклидиновое кольцо, что позволило отнести хинин к алкалоидам группы хинолина.

12. К алкалоидам группы тропана следует отнести:

+1. кокаин;

–2. теофиллин;

+3. атропин;

–4. анабазин;

–5. кодеин.

В основе строения алкалоидов кокаина и атропина лежит структура тропана (8-метил-8-азабицикло [3,2,1] октана), что позволяет их отнести к группе алкалоидов, тропанового ряда. Атропин представляет собой сложный эфир, при гидролизе дающий спирт тропин и (R, S) – троповую кислоту. Кокаин гидролизуется разбавленными растворами кислот и щелочей, до экгонина (тропин-2-карбоновая кислота), бензойной кислоты и метанола.

13. N-H кислотный реакционный центр имеют молекулы:

–1. фурана;

+2. пиррола;

+3. имидазола;

–4. пиримидина;

–5. хинолина.

В составе ароматических гетероциклов N-H-кислотный реакционный центр характерен для гетероатомов азота пиррольного строения. Пиррол относится к пятичленным ароматическим гетероциклам с одним гетероатомом азота, который обеспечивает ароматичность гетероцикла, принимая пиррольное состояние. Пара электронов пиррольного гетероатома азота принимает участие в образовании циклической сопряженной системе, поэтому пиррол практически лишен основных свойств и проявляет слабые NH-кислотные свойства (рКа=16,5). В составе имидазола N-H-кислотные свойства также связаны с наличием пиррольного гетероатома азота (рКа=14,5), слабые основные свойства имидазола обеспечиваются наличием второго атома азота пиридинового строения (рК_ВН⁺ – 7,0).

14. Кислотные свойства гетероциклических соединений проявляются в их реакциях с:

–1. галогенпроизводными углеводородов;

+2. основаниями;

–3. кислотами;

–4. ацилгалогенидами.

–5. спиртами.

Кислотные свойства не являются абсолютными, они относительны. Кислотные свойства обнаруживаются лишь в присутствии оснований, и, наоборот, основные – в присутствии кислот.

15. Проявляют кислотные свойства и образуют соли в реакциях с сильными основаниями:

+1. пиррол;

–2. тиофен;

–3. пиридин;

+4. барбитуровая кислота;

–5. оксазол.

Кислотные свойства пиррола обусловлены наличием N-H-кислотного центра гетероатома азота пиррольного строения. Кислотные свойства барбитуровой кислоты связаны с присутствием О-Н-кислотного центра в составе ее лактимной таутомерной формы. Оба соединения реагируют с сильными основаниями с образованием анионных солей.

16. Кислотные свойства имидазола (1,3-диазол) выражены больше, чем у:

–1. барбитуровая кислота;

–2. 2,4-дигидроксипиримидин;

–3. серная кислота;

+4. пиррол;

–5. мочевая кислота.

Кислотные свойства имидазола и пиррола обусловлены наличием NH-кислотного центра при гетероатоме азота пиррольного строения. NH-кислотные свойства имидазола (рКа=14,5) более выражены по сравнению с NH-кислотными свойствами пиррола (рКа=16,5), что можно объяснить большей полярностью ионизируемой N-H-связи в составе имидазола из-за электроноакцепторного влияния второго пиридинового гетероатома азота. Другие же приведенные здесь кислоты являются более сильными кислотами, т.к. они относятся либо к неорганическим (серная кислота), либо к ОН-кислотам (барбитуровая и мочевая кислоты).

17. Барбитуровая кислота (2,4,6-тригидроксипиримидин) в реакции с гидроксидом натрия при комнатной температуре образует:

–1. продукты расщепления цикла;

–2. соль малоновой кислоты, аммиак и карбонат натрия;

–3. аммиак и карбонат натрия;

+4. натриевую соль барбитуровой кислоты;

–5. отсутствует реакция в этих условиях.

При комнатной температуре барбитуровая кислота вступает в реакцию солеобразования с основаниями по ОН-кислотному центру в составе ее лактимной таутомерной формы. В реакции с гидроксидом натрия при комнатной температуре барбитуровая кислота образует мононатриевую соль.

18. В реакциях образования солей барбитуровая кислота (2,4,6-тригидроксипиримидин) ведет себя как:

–1. однокислотное основание;

+2. одноосновная кислота;

–3. двухосновная кислота;

–4. трехосновная кислота;

–5. солей не образует.

Барбитуровая кислота (рКа=4) несколько сильнее уксусной кислоты, ведет себя как одноосновная кислота и образует с основанием монозамещенные соли. Наиболее выражены, вероятно, кислотные свойства ОН-кислотного центра при С₂ в лактимной таутомерной форме, что объясняется наличием двух электроноакцепторных гетероатомов азота пиридинового строения в положениях 1 и 3 гетероцикла, которые увеличивают полярность ионизируемой ОН^+δ –связи.

19. В реакциях образования солей с основаниями мочевая кислота (2,6,8-тригидроксипурин) ведет себя как:

–1. одноосновная кислота;

+2. двухосновная кислота;

–3. трехосновная кислота;

–4. невозможно образование солей с основаниями;

–5. субстрат реакций S_N.

Мочевая кислота ведет себя как слабая двухосновная кислота (рКа₁ = 5,75; рКа₂ = 10,3), так как существует в форме 2,8-дигидрокси-7Н, 9Н-пуринона-6. Такая форма обусловлена возможностью образования внутримолекулярной водородной связи между NH^δ+ кислотным центром при N₇ имидазольного цикла и n-основным центром пиридинового атома кислорода оксогруппы при С₆ пиримидинового цикла.

20. В реакциях с основаниями при обычных условиях мочевая кислота (2,6,8-тригидроксипурин) образует соли:

–1. соли аммония;

–2. барбитураты;

–3. соли азотистых оснований;

+4. кислые и средние ураты;

–5. соли пирилия.

Будучи двухосновной кислотой, мочевая кислота образует два ряда солей: кислые - с одним молем эквивалентов щелочи; средние – с двумя молями эквивалентов щелочи, соли мочевой кислоты называются уратами.

21. Основные свойства гетероциклических соединений проявляются в их реакциях:

–1. с основаниями;

+2. с кислотами;

–3. с гидрокарбонатами;

–4. с галогенопроизводными углеводородов;

–5. ацилгалогенидами.

Основные свойства гетероциклических соединений связаны, как правило, с наличием гетероатомов пиридинового строения в качестве основных центров. Основные свойства гетероциклов проявляются в реакциях с кислотами.

22. Не образуют солей с кислотами:

–1. хинолин;

+2. фуран;

+3. пиррол;

–4. имидазол;

–5. пиридин.

В качестве гетероатома в составе пиррола содержится пиррольный атом азота, в составе фурана – пиррольный гетероатом кислорода, пара электронов которых находится на p_z орбитали и, участвуя в формировании циклической сопряженной системы, обеспечивает ароматичность гетероциклов. Поэтому пиррол и фуран практически лишены основных свойств и не образуют солей с кислотами. По этой же причине пиррол и фуран ацидофобны – «боятся» кислот. В присутствии сильных минеральных кислот они теряют свою ароматичность и разрушаются (полимеризуются, осмоляются).

23. Являются основаниями и образуют соли в реакциях с кислотами:

–1. нафталин;

–2. фуран;

+3. хинолин;

+4. хинин;

+5. алкалоиды.

Проявляют основные свойства и образуют соли в реакциях с кислотами хинолин, а также хинин и другие алкалоиды. Основные свойства хинолина обеспечиваются наличием Nsp² пиридинового строения, хинин содержит 2 основных центра – Nsp³ в составе хинуклидинового кольца и Nsp²-пиридиновый в составе хинолинового кольца. Другие алкалоиды проявляют основные свойства за счет основных центров, представленных Nsp³ либо Nsp² пиридинового строения.

24. Основные свойства максимально выражены в ряду предложенных соединений у:

–1. пиррол;

+2. имидазол (диазол-1,3);

–3. пиридин;

–4. пиримидин (диазин-1,3);

–5. оксазол-1,3.

Максимально выражены основные свойства среди предложенных у имидазола. В составе имидазола основные свойства пиридинового гетероатома азота усилены за счет присутствия электронодонорного Nsp² пиррольного строения. В молекуле оксазола-1,3 основным центром является пиридиновый гетероатом азота, на который пиррольный атом кислорода оказывает более слабое (чем пиррольный азот) электронодонорное влияние. Пиридин и пиримидин в качестве основного центра содержат Nsp²-пиридиновый, но у пиримидина в ароматическом цикле присутствует второй гетероатом Nsp²-пиридиновый, который является акцептором и снижает активность основного центра. Пиррол содержит в цикле Nsp²-пиррольный, у которого пара электронов вступает в сопряжение и является частью ароматической π-электронной системы соединения, вследствие чего пиррол не образует солей с кислотами.

25. Ацидофобными называют ароматические гетероциклические соединения, которые при действии на них:

–1. сильных кислот образуют устойчивые соли;

–2. не взаимодействуют ни кислотами, ни с основаниями;

–3. сильных оснований образуют соли;

+4. сильных кислот «осмоляются», т.к. происходит нарушение их ароматического строения;

–5. ацилгалогенидов подвергаются реакциям S_E.

Ацидофобность (боязнь кислоты) – это нарушение ароматичности гетероциклов в присутствии сильных минеральных кислот, обусловленное присоединением протона. Пятичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом, имеющие низкую ароматичность разрушаются, полимеризуются (осмоляются) под действием минеральных кислот и являются ацидофобными.

26. Ацидофобными гетероциклическими соединениями являются:

–1. тиофен;

+2. пиррол;

+3. фуран;

–4. тетрагидрофуран;

–5. имидазол (диазол-1,3).

Ацидофобность (боязнь кислоты) проявляют пятичленные гетероциклические соединения, с одним гетероатомом, которые имеют низкую ароматичность из-за высокой электроотрицательности гетероатома (пиррол, фуран). Их циклы менее устойчивы и разрушаются (осмоляются) под действием сильных минеральных кислот. Тиофен не является ацидофобным из-за низкой основности атома серы, имидазол содержит Nsp²-пиридиновый, который является основным центром, образует соли с кислотами без потери ароматичности гетероцикла.

27. Таутомерия возможна для гетероциклических соединений, в молекулах которых присутствуют одновременно реакционные центры:

–1. два кислотных;

+2. кислотный и основный;

–3. два основных;

–4. основный и электрофильный;

–5. электрофильный и нуклеофильный.

Таутомерия – это явление существования в равновесной смеси двух изомеров, спонтанно превращающихся друг в друга. Для гетероциклических соединений таутомерные превращения связаны с присутствием в одном и том же цикле кислотного и основного центров. В результате внутримолекулярного переноса протона от кислотного к основному центру наблюдается явление таутомерии.

28. Таутомерные превращения возможны для следующих гетероциклических соединений:

–1. фуран;

–2. пиридин;

–3. пиррол;

+4. имидазол (диазол-1,3);

+5. барбитуровая кислота.

Таутомерные превращения связаны с одновременным присутствием кислотного и основного центров в составе одного и того же гетероциклического соединения. В цикле имидазола наблюдается явление прототропной таутомерии, связанное с обратимым переносом протона от NH-кислотного центра к основному (пиридиновому гетероатому азота). Для барбитуровой кислоты характерны явления лактим-лактамной и кето-енольной таутомерии, обусловленные обратимым переходом протона от ОН-кислотного центра лактимной и енольной формы к основному центру.

29. Лактим-лактамная таутомерия характерна для гетероциклических соединений:

–1. изохинолин;

+2. цитозин;

+3. тимин;

+4. мочевая кислота (2,6,8-тригидроксипурин);

–5. имидазол (диазол-1,3).

Лактим-лактамная таутомерия характерна для гидроксипроизводных шестичленных ароматических гетероциклов с гетероатомами азота. В растворе существует смесь таутомерных форм, возникающих в результате внутримолекулярного обратимого переноса протона от ОН-кислотного центра к основному центру представленному пиридиновым гетероатомом азота. Цитозин (4-амино-2-гидроксипиримидин), тимин (2,4-дигидрокси-5-метилпиримидин) и мочевая кислота (2,6,8-тригидроксипурин) содержат в лактимной форме ОН-кислотные центры и способны к лактим-лактамной таутомерии.

30. Ароматическое строение молекулы пиррола обеспечено тем, что:

+1. σ-скелет имеет плоское циклическое строение;

+2. сопряженная π-система замкнута;

+3. неподеленная электронная пара атома азота участвует в образовании сопряженной системы;

+4. число π-электронов равно 6 = 4n + 2;

–5. число π-электронов равно 4 = 4n + 2.

Ароматичность – это совокупность признаков, определяющих термодинамическую устойчивость ненасыщенных органических соединений: 1) все атомы цикла находятся в состоянии sp²-гибридизации; 2) σ-скелет молекулы плоский, замкнутый; 3) p_z орбитали расположены перпендикулярно плоскости σ-скелета и образуют циклическую сопряженную систему; 4) в результате циклического сопряжения выделяется энергия сопряжения; 5) количество электронов, вступающих в сопряжение подчиняется правилу Хюккеля N = 4n + 2. Пиррол соответствует всем критериям ароматичности. Число сопряженных р-электронов в цикле пиррола равно 6, вследствие того, что пиррольный гетероатом азота вносит в сопряжение р_z-орбиталь с парой электронов.

31. Для ароматического строения молекулы пиридина характерно то, что:

+1. σ-скелет имеет плоское циклическое строение;

–2. неподеленная электронная пара атома азота участвует в образовании циклической сопряженной π-электронной системы;

+3. число π-электронов равно 6 = 4n + 2;

+4. неподеленная электронная пара атома азота не участвует в сопряжении и расположена на гибридной орбитали в плоскости цикла;

–5. число π-электронов равно 8 = 4n + 2.

Пиридин изоэлектронен бензолу, и соответствует всем критериям ароматичности, т.к. в составе гетероцикла содержится пиридиновый гетероатом азота, неподеленная пара электронов которого расположена на гибридной орбитали в плоскости цикла и не участвует в сопряженной системе. Поэтому число р-электронов соответствует правилу Хюккеля и равно 6.

32. Для ароматического строения молекулы хинолина (бензо-[b]-пиридин) характерно то, что:

+1. σ-скелет имеет плоское циклическое строение;

+2. неподеленная электронная пара атома азота не участвует в образовании циклической сопряженной π-электронной системы;

–3. число π-электронов равно 12 = 4n + 2;

–4. неподеленная электронная пара атома азота участвует в сопряжении и образовании циклической сопряженной системы;

+5. число π-электронов равно 10= 4n + 2.

Хинолин изоэлектронен нафталину. Он соответствует всем критериям ароматичности, т.к. неподеленная пара электронов пиридинового атома азота не участвует в сопряжении и располагается на гибридной орбитали в плоскости цикла. Число сопряженных р-электронов соответствует правилу Хюккеля и равно 10.

33. Для ароматического строения пурина характерно то, что:

+1. σ-скелет имеет плоское циклическое строение;

+2. неподеленная электронная пара только одного из четырех атомов азота участвует в сопряжении и образовании циклической сопряженной π-электронной системы;

+3. число π-электронов равно 10 = 4n + 2;

–4. число π-электронов равно 8 = 4n + 2;

–5. число π-электронов равно 16 = 4n + 2.

Пурин является конденсированной системой из двух гетероциклов – пиримидина и имидазола. В составе пурина находятся три пиридиновых гетероатома азота, которые вносят в сопряжение на р_z орбитали по одному электрону как атомы углерода и один пиррольный гетероатом азота, который вносит в циклическую сопряженную систему два электрона на р_z орбитали. Пурин соответствует всем критериям ароматичности, число сопряженных р-электронов равно 10, что соответствует правилу Хюккеля.

34. -Пиран (2Н-пиран, 1,2-оксин) является гетероциклическим соединением:

–1. азотсодержащим;

+2. кислородсодержащим;

–3. ароматическим;

+4. содержащим открытую цепь сопряжения;

+5. ненасыщенным.

-Пиран (2Н-пиран) относится к шестичленным кислородсодержащим гетероциклам с максимальной ненасыщенностью. -Пиран не является ароматическим соединением, т.к. не соответствует критериям ароматичности: в его составе присутствует sp³-гибридный атом углерода во втором положении цикла и поэтому отсутствует циклическая сопряженная система р-орбиталей. В составе -пирана присутствует открытая цепь сопряжения включающая пиррольный гетероатом кислорода и две π-связи.

35. π-Избыточную электронную систему имеют гетероциклические соединения:

–1. насыщенные пятичленные с одним гетероатомом в цикле;

+2. ароматические пятичленные с одним гетероатомом в цикле;

–3. насыщенные шестичленные с одним гетероатомом в цикле;

–4. ароматические шестичленные с одним гетероатомом в цикле;

–5. ароматические шестичленные с двумя гетероатомами в цикле.

По количеству сопряженных р-электронов в циклической π-системе ароматические пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом изоэлектронны бензолу, число π-электронов у них равно 6. Однако, ароматические пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом π-избыточны по отношению к бензолу, у которого 6 π-электронов приходится на 6 атомов цикла, тогда как у пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом 6 электронов приходится на 5 атомов цикла.

36. π-Избыточную электронную систему имеют гетероциклические соединения:

+1. пиррол;

–2. пиридин;

+3. тиофен;

+4. фуран;

–5. пиримидин.

Пятичленные ароматические гетероциклы (пиррол, тиофен, фуран) содержат в своем составе пиррольные гетероатомы азота, серы и кислорода, в связи с чем в циклической π-электронной системе у них сопряжены 6 электронов. По количеству р-электронов данные циклы изоэлектроны бензолу, однако 6 р-электронов у бензола приходится на 6 атомов цикла, а у пиррола, тиофена и фурана – на 5 атомов цикла, в связи с чем они являются π-избыточными.

37. π-Недостаточность электронной системы выражена максимально у:

–1. пиридина;

–2. пиррола;

–3. тиофена;

+4. пиримидина (диазин-1,3);

–5. имидазола (диазол-1,3).

π-Недостаточность сопряженной π-электронной системы у шестичленных гетероциклов, изоэлектронных бензолу, связана с присутствием гетероатомов пиридинового строения. Данные гетероатомы являются сильными электроноакцепторами и, смещая электронную плотность в π-электронной системе, вызывают уменьшение ее на атомах углерода в цикле. В связи с этим электронная плотность на атомах углерода в цикле меньше, чем у бензола. Наиболее π-недостаточным из всех перечисленных гетероциклов является пиримидин, у которого в цикле содержится два электроноакцепторных пиридиновых гетероатома азота.

38. Реакции электрофильного замещения (S_E) протекают с максимальной скоростью и в наиболее мягких условиях у соединений:

–1. бензол и его гомологи;

+2. π-избыточные ароматические гетероциклы;

–3. алканы и циклоалканы;

–4. π-недостаточные ароматические гетероциклы;

–5. алкены и циклоалкены.

π-Избыточность ароматических гетероциклов приводит к увеличению электронной плотности в цикле, что обеспечивает высокую скорость реакций электрофильного замещения в ароматическом ядре. Реакции электрофильного замещения у π-избыточных гетероциклов протекают в мягких условиях и с большей скоростью по сравнению с бензолом и его гомологами.

39. Реакции электрофильного замещения (S_E) протекают с минимальной скоростью у:

–1. толуола (метилбензол);

+2. пиримидина (диазин-1,3);

–3. пиридина;

–4. фурана;

–5. пиразола (диазол-1,2).

Реакции электрофильного замещения затруднены у π-недостаточных систем, каковыми являются шестичленные гетероциклы с пиридиновыми гетероатомами в цикле (пиридин, пиримидин). Гетероциклы с двумя гетероатомами (пиримидин) практически не участвуют в реакциях S_E, такая возможность возникает только при введении в кольцо сильных электронодоноров.

40. Скорость реакций электрофильного замещения (S_E) уменьшается в ряду соединений слева направо:

–1. пиридин, пиррол, бензол;

–2. бензол, пиррол, пиридин;

–3. бензол, пиридин, пиррол;

–4. пиридин, бензол, пиррол;

+5. пиррол, бензол, пиридин.

Скорость реакций электрофильного замещения снижается с уменьшением π-электронной плотности в ароматическом ядре. Большая скорость реакций S_E у π-избыточных гетероциклов (пиррол), меньшая – у π-недостаточных гетероциклов (пиридин). Бензол занимает промежуточное положение.

41. Реакции сульфирования пиррола соответствует информация:

–1. протекает в жестких условиях, при нагревании в присутствии Н₂SO₄ конц. или олеума;

+2. в смеси продуктов преобладает пирролсульфокислота-2;

+3. протекает в мягких условиях при комнатной температуре, в присутствии пиридинсульфотриоксида;

+4. протекает по механизму S_E;

–5. характерен S_N механизм.

Сульфирование пиррола как и других ароматических соединений протекает по механизму S_E. Характеризуется рядом особенностей, которые обусловлены π-избыточностью и ацидофобностью пиррола, а также его пониженной ароматичностью по сравнению с бензолом. π-Избыточность пиррола обеспечивает высокую скорость реакций S_E, поэтому они протекают в мягких условиях, при комнатной температуре. Ацидофобность пиррола налагает ограничения на условия проведения S_E реакций. В реакции сульфирования невозможно применять H₂SO₄ (конц.), т.к. это вызывает разрушение пиррольного цикла, потерю ароматических свойств, полимеризацию и осмоление. В связи с этим сульфирование осуществляется особыми сульфирующими агентами, такими как пиридинсульфотриоксид. Реакция S_E протекает через образование π-комплекса, который превращается в σ-комплекс и далее в продукт. Более устойчив σ-комплекс, образующийся при атаке электрофила в -положение, поэтому он формируется с большей скоростью и в смеси продуктов преобладает пирролсульфокислота-2.

42. Продуктами бромирования фурана в присутствии оснований являются:

+1. 2-бромфуран;

+2. 2,5-дибромфуран;

+3. 2,3,4,5-тетрабромфуран;

+4. 2,5-дигидро-2,5-дибромфуран;

–5. реакция бромирования невозможна.

Особенности реакции бромирования фурана по механизму S_E обусловлены его π-избыточностью и низкой ароматичностью. Реакция S_E протекает с большей скоростью в -положении, поэтому в смеси продуктов преобладают 2-бромфуран и 2,5-дибромфуран. Но, поскольку, фуран π-избыточен, то при избытке реагента реакция бромирования (S_E) может протекать и по β-положению с образованием 2,3,4,5-тетрабромфурана. Низкая ароматичность фурана является причиной протекания A_E реакций. В этих реакциях фуран ведет себя как сопряженный диеновый углеводород, у которого бромирование осуществляется по концам сопряженной цепи с образованием 2,5-дигидро-2,5-дибромфурана.

43. Реакция алкилирования пиррола протекает с образованием продуктов:

–1. N-алкилпиррола;

+2. 2-алкилпиррола;

+3. 2,5-диалкилпиррола;

–4. N,N-диалкилпиррола;

–5. реакция невозможна.

Реакция алкилирования пиррола протекает по механизму S_E в ароматическом кольце, преимущественно в -положении, с образованием 2-алкилпиррола или 2,5-диалкилпиррола.

44. Реакции ацилирования имидазола соотвествует информация:

+1. протекает по механизму S_N;

–2. протекает по механизму S_E;

+3. образуется продукт реакции N-ацилимидазол;

–4. образуется продукт реакции N,N-диацилимидазол;

–5. реакция невозможна.

Имидазол (1,3-диазол) содержит в гетероцикле 2 гетероатома азота, один из которых имеет пиридиновое строение, Пиридиновый гетероатом азота является электроноакцептором, в связи с чем на нем концентрируется избыток электронной плотности (больше чем на атомах углерода гетероцикла). Кроме того, пиридиновый гетероатом азота содержит на валентном уровне свободную пару электронов расположенную на sp²-гибридной орбитали. В связи с этим атом азота пиридинового типа проявляет нуклеофильные свойства более сильные, чем атомы углерода в составе имидазола и выступает в реакции ацилирования в качестве нуклеофильного реагента. Ацилгалогениды в этой реакции являются электрофильными субстратами, реакция протекает по механизму S_N.

45. По механизму S_E протекают реакции пиридина со следующими реагентами:

–1. CH₃I;

+2. KNO₃, H₂SO₄ (конц.), t^o;

+3. H₂SO₄ (SO₃), t^o;

–4. (CH₃CO)₂O;

+5. Br₂ (кат.).

Пиридин является неацидофобным ароматическим гетероциклом, поэтому для реакций S_E не требуется особых реагентов, сульфирование и нитрование протекают в присутствии концентрированных H₂SO₄ и HNO₃ (либо KNO₃ + H₂SO₄ (конц.)). π-Недостаточность ароматического гетероцикла пиридина обусловливает жесткие условия протекания S_E – нагревание, либо наличие катализатора (Br₂ )кат.)). Реакции алкилирования (с CH₃I) и ацилирования (c (CH₃CO)₂O) протекают не по атомам углерода ароматического кольца, а по атому азота, на котором повышена электронная плотность. Поэтому последние реакции протекают по S_N механизму.

46. По механизму S_N протекают реакции пиридина со следующими реагентами:

+1. KOH, t^o, сплавл.;

+2. KNH₂ (NH₃ жидк.);

–3. H₂SO₄, t^o;

–4. KNO₃, H₂SO₄, t^o;

–5. HCl.

У π-недостаточной системы пиридина возникает способность к реакциям S_N в ароматическом кольце, которая связана с электроноакцепторным влиянием атома азота пиридинового типа. Благодаря этому влиянию, электронная плотность особенно понижена в положениях 2, 4 и 6 пиридинового кольца, здесь возникают электрофильные центры, на которые направлена атака нуклеофильных реагентов (ОН^-, NH₂^- и др.). Поэтому реакции S_N протекают в пиридиновое кольцо в положения 2, 4 или 6 (с КОН, при нагревании в безводной среде, с KNH₂ в растворе NH₃).

47. Реакция хинолина с КОН при нагревании в безводной среде (S_N) протекает:

+1. в -положение пиридинового кольца;

–2. в β-положение пиридинового кольца;

+3. в γ-положение пиридинового кольца;

–4. в бензольное кольцо по 5 и 8 атома углерода;

–5. в бензольное кольцо по 6 и 7 атомам углерода.

Реакции хинолина с нуклеофильными реагентами протекают по электронодефицитному пиридиновому кольцу в - и γ-положения, где понижена электронная плотность. За счет электроноакцепторного влияния Nsp²-пиридинового атома в - и γ-положениях возникают электрофильные центры по которым протекают S_N реакции.

48. Реакция сульфирования хинолина (S_E) H₂SO₄ (конц.) при t^o <200^о протекает предпочтительно:

–1. в бензольное кольцо по 6 и 7 атомам углерода;

–2. в бензольное кольцо по 5 атому углерода;

+3. в бензольное кольцо по 8 атому углерода;

–4. в - и γ-положение пиридинового кольца;

–5. в β-положение пиридинового кольца.

Реакции S_Е у хинолина протекают в бензольном кольце, в котором электронная плотность повышена по сравнению с пиридиновым кольцом. Ориентация электрофила предпочтительна в 5 и 8 положения бензольного кольца. В реакции сульфирования при t^o <200^о объемная сульфогруппа ориентируется предпочтительно в 8 положение, т.к. в 5 положении ориентация затруднена из-за пространственной помехи, связанной с присутствием атома водорода в 4 положении пиридинового кольца. В 8 положении пространственные затруднения отсутствуют.

49. Никотиновая кислота (пиридин-3-карбоновая кислота) может быть получена при:

–1. восстановлении пиридина;

–2. окислении 4-метилпиридина;

–3. ацилировании пиридина;

+4. окислении 3-метилпиридина;

+5. окислении 3-этилпиридина.

Никотиновая кислота получается при окислении 3-метилпиридина и 3-этилпиридина KMnO₄ в присутствии концентрированной серной кислоты при нагревании. Ароматический гетероцикл пиридина устойчив к окислению (подобно бензолу). В указанных условиях окислению подвергаются гомологи пиридина по -углеродному атому с образованием пиридинкарбоновых кислот.

50. Возможность протекания реакций нуклеофильного замещения (S_N) максимальна в ряду ароматических соединений, для которых характерно:

–1. электронное строение бензола;

+2. π-недостаточное электронное строение;

–3. электронное строение фурана;

–4. π-избыточное электронной строение;

–5. электронное строение пиразола (диазол-1,2).

Способность к реакциям S_N возникает в ароматическом цикле π-недостаточных гетероциклов и связана с электроноакцепторным влиянием гетероатомов пиридинового строения. В отличие от бензола, электронная плотность в различных положениях, например, пиридинового ядра неодинакова. Максимальна электронная плотность на атоме азота, а в положениях 2,4 и 6 - минимальна, что обеспечивает протекание реакции S_N в этих положениях в кольце пиридина.

51. Возможность протекания реакций нуклеофильного замещения (S_N) уменьшается в ряду соединений слева направо:

–1. пиридин, пиримидин, пиридазин;

–2. пиррол, оксазол, бензол;

–3. пиридин, бензол, пиримидин;

–4. бензол, пиридин, пиридазин;

+5. пиридазин, пиридин, бензол.

Максимальная скорость реакций S_N у пиридазина, т.к. он является более π-недостаточной системой, чем пиридин из-за присутствия в цикле двух электроноакцепторных гетероатомов азота пиридинового строения. Пиридин проявляет способность к реакциям S_N, т.к. содержит в цикле один электроноакцепторной атом азота пиридинового строения. Наименее склонен к таким реакциям бензол.

52. Мурексидная реакция характерна для:

–1. барбитуровой кислоты;

+2. теофиллина;

–3. хинина;

–4. атропина;

+5. мочевой кислоты.

Мурексидная проба является качественной реакцией на все гидроксипроизводные пурина. Среди предложенных соединений таковыми являются теофиллин (1,3-диметилксантин) и мочевая кислота (2,6,8-тригидрокси-7Н-пурин). Если нагреть эти соединения с азотной кислотой, а после охлаждения обработать аммиаком, то раствор окрашивается в фиолетовый цвет за счет образования соли пурпурной кислоты – мурексида.

53. Талейохинная реакция характерна для:

–1. теобромина;

–2. пиррола;

3. пиридина;

+4. хинина;

–5. кофеина.

Талейохинная реакция применяется для обнаружения хинина. При прибавлении к раствору хинина или его солей концентрированной бромной воды, а затем раствора аммиака появляется интенсивное зеленое окрашивание. Продукт взаимодействия хинина с бромной водой называется талейохином. В связи с этим реакция носит название «талейохинная проба».

54. Цианидиновая реакция характерна для:

–1. хинина;

+2. кверцетина;

–3. мочевой кислоты;

–4. пуриновых алкалоидов;

–5. пиримидина.

Цианидиновая проба применяется для обнаружения флавоноидов, в данном случае кверцетина. При восстановлении кверцетина атомарным водородом в момент его выделения (Mg + HCl) и последующей дегидратации образуется цианидинхлорид, окрашивающий раствор в розовый цвет в кислой среде.

55. Общие алкалоидные реакции характерны для:

–1. пиррола;

–2. барбитуровой кислоты;

+3. атропина;

+4. папаверина;

+5. никотина.

Существует ряд реакций, носящих название общеалкалоидных, при помощи которых можно осадить алкалоиды в виде нерастворимых простых или двойных солей. Простые соли образуются в реакции алкалоидов с танином и пикриновой кислотой, двойные соли – в растворе йода в йодиде калия. В каждом случае реакция сопровождается образованием осадка с характерной окраской – белой, желтой, шоколадно-коричневой, соответственно.