11-мавзу: гетероциклик бирикмалар

11-мавзу: ГЕТЕРОЦИКЛИК БИРИКМАЛАР
Гетероциклик бирикмалар - тиофен, пиррол, фуран ароматик хусусиятга эга бuлиб, ядролардаги -электронларнинг текис таkсимланиш даражаси бензолдаги электронларнинг таkсимланишига нисбатан паст бuлиб, kуйидаги kаторда камайиб боради:

бензол > тиофен > пиррол > фуран

1 0,962 0,959 0,951

Аммо бу бирикмаларнинг электрофил реагентлар билан реакцион kобилияти kуйидаги kаторда пасайиб боради:

пиррол > фуран > тиофен > бензол

Пиррол ёки фуранларнинг кислотали муxитда кучли смолаланиши -электронлар делокалланиш даражасининг пастлиги, xалkанинг беkарорлигидандир.

Гетероциклик бирикмаларнинг электрофил ёки нуклеофил реагентларга нисбатан реакцион kобилияти уларнинг тузилишига боgлиk. Гетероароматик бирикма xалkасидаги атомлар ё -электронларга бой, ёки улардаги -электронлар етишмайдиган xолатда бuлиши мумкин. Шу жиxатдан улар -электронлари ортиkча ёки -дефицит структурага эга бuлиши мумкин. -Электронлари ортиkча гетероциклик бирикма xалkасидаги -электронларнинг сони xалkадаги атомлар сонидан кuп бuлади. Бундай гетероциклик бирикмаларга мисол kилиб пиррол, тиофен ва фуран каби беш аъзоли гетероциклик бирикмаларни келтириш мумкин. Уларнинг xалkасидаги атомлар сони 5та, делокалланган -электронлар сони эса 6та. Шунинг учун бундай гетероциклик бирикмалар электрофил реагентлар билан осон реакцияга киришади.
Пиридин, пиримидин ва бошkа азинлар -дефицит гетероциклик бирикмаларга киради. Уларнинг электрофил реагентлар билан реакцияга киришиши kийинлашади ва нуклеофил реагентлар билан реакицяга киришиши осонлашади. Xаkиkатдан xам пиридин ядросининг 2- ва 4-xолатларига нуклеофил алмашиниш характерлидир. Электрофил алмашиниш эса kийинлик билан бuлсада 3-xолатда содир бuлади.
Xалkада бир ваkтнинг uзида xам пиррол туридаги азотни, xам пиридин туридаги азотни тутувчи гетероциклик бирикмалар -амфотер гетероциклик бирикмалар дейилади.
Мисол тариkасида пиразол, имидазол ва оксазолларни келтириш мумкин:



Гетероциклик бирикмалардаги гетероатом kисман мусбат зарядланган бuлса (электронларини бериб) бу гетероциклик бирикма -электронларга бой гетероциклик бирикма бuлади. -Дефицит гетероциклик бирикмаларда эса гетероатом uзига электронларни тортиб kисман манфий зарядланган бuлади. Пиррол, фуран, тиофен ва пиридин xалkаларидаги зарядларнинг таkсимланиши kуйидагичадир:

Электронларнинг бундай таkсимланиши уларнинг электрофил ёки нуклеофил реагентлар билан реакцион kобилиятини белгилайди.

Юkорида келтирилган беш аъзоли гетероциклик бирикмаларнинг электрофил реагентлар билан реакцион kобилияти kуйидаги kаторда камайиб боради:

пиррол > фуран > тиофен

Мисол тариkасида трифторсирка кислота ангидриди билан ациллаш реакцияси uтказилганда тиофенга нисбатан фуран 140 марта, пиррол эса 5,310⁷ марта тез реакцияга киришиши аниkланган. Бундай реакцион kобилият ядронинг 2- ва 3-холатлардаги алмашиниш селективлигига xам таъсир кuрсатади. Натижада пирролда энг кuп, фуранда эса энг кам миkдорда 3-xолатда алмашинган маxсулот xосил бuлади. Бу гетероциклик бирикмаларнинг барчасида 80-100% миkдорда асосий маxсулот - 2-xолатда алмашинган маxсулот xосил бuлади. 2- ва 3-xолатлардаги алмашиниш маxсулотларининг нисбати электрофил реагентнинг фаоллигига xам боgлиk.

3-Xолатдаги электрон зичликнинг 2-xолатдаги электрон зичликка нисбатан кuп бuлишига kарамасдан алмашинишнинг асосан 2-xолатда бориши сольватланиш таъсирининг роли билан тушунтирилади.

Иккита гетероатомли беш аъзоли гетероциклик бирикмаларнинг электрофил алмашиниш реакцияларидаги фаоллиги: имидазол  оксазол  тиазол kаторида камайиб боради.

Имидазол эса пиразолга нисбатан фаолроkдир. Имидазол ядросидаги xолатларнинг фаоллиги kуйидаги kаторда камайиб боради: 5- > 4- > 2-

-Дефицит гетероциклик бирикмалардан пиридин ядросидаги электрофил алмашиниш kийин кетади ва асосан 3-xолатда содир бuлади, xолатларнинг реакцион kобилияти kуйидаги kаторда кескин камайиб боради:

3. 
   > 2- >> 4-
   

Масалан, пиридинга тутовчи сульфат кислота иштирокида калий нитрат таъсир эттириб 15% унум билан 3-нитропиридин олинган. Пиридинни сульфолаш, бромлаш реакциялари xам kийинлик билан содир бuлади. Реакцияларнинг бундай kийинлик билан бориши пиридиннинг туз xосил kилиб ион xолатга uтиши билан тушунтирилади. Пиридин-N-оксиди эса электрофил алмашиниш реакцияларига осонлик билан киришади, чунки бунда у нейтрал молекула xолида реакцияга киришади ва мезомерия туфайли унинг 2- ва 4-xолатлари электрофил алмашиниш учун kулайдир.

Азин ядросига электронодонор гуруx киритилса электрофил алмашиниш осонлашади. Масалан, 5-гидроксипиримидиннинг 4-xолати жуда осон азоkuшилиш, аминометиллаш реакцияларига киришади:

3-Гидроксипиридин туgрисида xам шундай дейиш мумкин. Бензазинларда (хинолин, изохинолин, хиназолин ва б.) электрофил алмашиниш бензол ядросида содир бuлади:

Алмашиниш асосан 6-ва 8-xолатларда кузатилади. Худди 2,4-динитрофторбензолдаги фторнинг нуклеофил алмашиниши осон бuлганидек, 2- ва 4-галогенпиридин-, пиримидин-, хиназолинлардаги галогенлар нуклеофил алмашиниш реакцияларига осон киришади. Бунда галогенлар боgнинг kутблилигига kараб, kуйидаги kаторда алмашиниши kийинлашиб боради: F >> Cl>> Br > J

Гетероциклик бирикманинг анион xолига uтиши реакцияни kийинлаштиради ёки реакция бутунлай бормайди. Масалан, 1-метилбензимидазол натрий амиди таъсири остида 2-xолатга аминланади:

Бензимидазол эса бундай реакцияга киришмайди, чунки у NaNH₂ таъсирида 1-xолатда анион xосил kилади, бу анион xалkанинг 2-xолатидаги мусбат зарядни кескин камайтиради:

Нитробензолдан фарkли равишда пиридин ядросидаги водород нуклеофил алмашиниш реакциясига осон киришади:

Реакция тезлигини белгиловчи босkич - гидрид ионининг тортиб олиниш (чиkиб кетиш) босkичи бuлиб, бу босkич нитробензолда kийин, пиридинда эса жуда осон кечади:

Нуклеофил реагентлар таъсирида азинлар димерланиш реакциясига киришади. Азин ёки азолларга металл амидлари, металлорганик бирикмалар, ишkорий металлар таъсир эттирилганда улар димерланади:

Димерларнинг xосил бuлиши карбанион ёки анион-радикал механизм билан тушунтирилади.

-Электронларга бой беш аъзоли гетероциклик бирикмаларда нуклеофил алмашиниш уларнинг xалkасидаги электроноакцептор гуруxлар таъсирида бориши мумкин. Масалан:


бунда

Бу реакция 1,4-динитробензолдаги -NО₂ гуруxининг нуклеофил алмашиниш реакциясига uхшашдир.

Гетероциклик бирикманинг катион xолига uтиши нуклеофил алмашиниш реакциясини осонлаштиради. Масалан, азинларнинг оддий эфирлари жуда осонлик билан минерал кислоталар иштирокида гидролизланади:

Бензол ядроси билан конденсирланган гетероциклик бирикмаларнинг кимёвий реакцияларида xам гетероцикл-ларнинг у ёки бу реакцияларга мойиллиги саkланади. Шу билан бирга ароматик ядродаги реакциялар xам кузатилади. Мисол тариkасида хиназолин (бензпиримидин) ва унинг баъзи xосилаларининг реакцияларини келтириш мумкин:

Хиназолин

Худди пиримидин ядросида бuлганидек, хиназолин ядросининг 2- ва 4-xолатларида нуклеофил алмашиниш реакциялари, бензол ядросининг 6- ва 8-xолатларида эса электрофил алмашиниш реакциялари кузатилади. Масалан, хиназолиннинг xосиласи хиназолон-4, айнан шу 4-xолатда нуклеофил алмашиниш реакциясига киришади. Хиназолон-4 kуйидаги таутомер тузилишларга эга:

Хиназолон-4 4-гидроксихиназолин

Хиназолон-4 фосфор(V)-хлорид, тионилхлорид, фосфор оксихлориди таъсирларида осонлик билан 4-хлорхиназолин xосил kилади:

4-Хлорхиназолин таркибидаги хлор жуда осонлик билан турли нуклеофил алмашиниш реакцияларига киришади. Масалан, у цианид иони, спиртлар, меркаптанлар, аммиак, аминлар, аминоспиртлар, гидразин xосилалари ва бошkалар билан реакцияга киришиб, циан-, алкокси-, амино- ва бошkа гуруxли бирикмаларга айланади.

Реакцияларнинг осонлик билан кетишини шундан xам билса бuладики, 4-хлорхиназолин намлик таъсирида хиназолон-4га, метанол эритмасида, уй xароратида саkлаш ваkтида 4-метоксихиназолинга айланади:

Бу реакциялар кислоталар таъсирида янада тезлашади. Бунга сабаб, кислоталар азот атомлари xисобига аммоний тузларини xосил kилади ва тuртламчи азот нуклеофил алмашиниш содир бuлаётган углероддаги мусбат зарядни оширади ва нуклеофил xужумини осонлаштиради.

Хиназолон-4 нинг гетероциклик ядросида электрофил алмашиниш реакцияси бормайди, балки, юkорида таъкидланганидек, бензол xалkасида содир бuлади. Масалан, хиназолон-4ни нитроланганда 6-нитрохиназолон-4 xосил бuлади:

Хиназолон-4ни сульфолаш реакцияси xам бензол ядросининг 6-xолатига кетади:

Хиназолон-4 ни сирка кислота эритмасида бромланганда xам 6-xолатда алмашинган бромли xосила олинган:

Агар хиназолон-4нинг 2-xолатида метил гуруxи мавжуд бuлса, бромлаш мана шу метил гуруxидаги водородларнинг алмашиниши билан боради:

Маълумки, хиназолон-4нинг пиримидин ядросидаги азот атомларининг таъсири остида 2-метил гуруxидаги водородларнинг кислоталилиги ортади ва улар электрофил ёки радикал алмашиниш реакцияларига мойил бuлиб kолади. Худди шундай реакциялар 2-метил-3-фенил-3,4-дигидрохиназолон-4ни N-бромсукцинимид билан бромлашда xам содир бuлади:

Шуни таъкидлаш керакки, сирка кислота эритмасидаги бромлаш электрофил, N-бромсукцинимид (NБС) билан бромлаш эса радикал механизмда боради. Xосил бuлган 2-бромметилхиназолон-4 таркибидаги бром нуклеофил алмашиниш реакцияларига жуда осон киришади.

2-Метилхиназолон-4 таркибидаги метил гуруxи водородларининг кислоталилигининг ортганлиги туфайли, улар жуда осонлик билан альдегидлар билан альдоль-кротон конденсациясига киришади:

Табиийки, бу реакциялар xам тuртламчи туз xосил бuлиши xисобига кислотали катализаторлар, масалан перхлорат кислота, иштирокида осонлашади. Маълумки, бу реакциянинг механизми xам СН₃-гуруxдаги водородларнинг электрофил алмашиниш механизмидир.

Ядросида xеч kандай uринбосари бuлмаган хиназолон-4ни унинг натрийли ёки калийли тузлари шаклида алкиллаш мумкин. Масалан, хиназолон-4нинг натрийли тузи спиртли эритмада метилйодид ёки диметилсульфат билан метилланганда 3-N-метил-хиназолон-4 xосил бuлади:

Агар реакция кумушли туз билан олиб борилса, 4-метоксихиназолин ва 3-N-метил маxсулотларнинг аралашмаси xосил бuлади:

Бу реакциялар xам хиназолон-4 ядросидаги электрофил алмашиниш реакцияларидир.
Хиназолон-4 нинг 3-N-xолатига ёки 2-СН₃-xолатига аминометиллаш реакциялари xам электрофил алмашиниш реакцияларидир:

Агар 3-N-xолатидаги водород алмашинган бuлса, реакция метил гуруxи xисобига кетади:

Гетероциклик бирикмалар учун бу ерда кuриб чиkилмаган kайтарилиш, N-алкил- ёки N-ацил тузларининг, комплекс ва N-оксидлар xосил бuлиш ва бошkа реакциялари xам маълум. Биз бу реакциялар тugрисида тuхталмаймиз.

Мисоллар

1. 
   Пиррол (k.т. 131^оС) тиофен (k.т. 82^оС) ва фуран (k.т. 32^оС)га нисбатан юkори температурада kайнайди. Бунга сабаб нима?
   

Ечиш



Пиррол Тиофен Фуран

Пирролнинг бошkа беш аъзоли гетероциклик бирикмаларга нисбатан юkори температурада kайнаши унинг тузилишидан келиб чиkади. Ундаги азот атомининг бuлинмаган электрон жуфтлари ядродаги kuш боg электронлари билан туташиб, ягона -электрон системасини xосил kилади. Бунинг натижасида N-Н боgининг электронлари азотга томон кучли тортилади ва водороднинг кислотали хусусияти ортади, у осонлик билан ишkорлар таъсирида металлга алмашинади:

Бу хосса фенолнинг хоссасини эслатади.

N-Н боgи кутблилигининг ортиши молекулалараро водород боgининг xосил бuлишига сабаб бuлади:

Бу эса унинг kайнаш температурасининг юkори бuлишини таъминлайди.

2. Тиофеннинг 2- ва 3-xолатларига электрофил xужум kилганда xосил бuладиган -комплексларнинг kарорлилиги xамда электрофил алмашинишнинг асосий йuналишини тушунтиринг.
Ечиш
Электрофил Е⁺ тиофеннинг 2-xолатига xужум kилганда kуйидаги -комплекс xосил бuлади:

ва у kуйидаги мезомер тузилишларга эга:

Электрофил 3-xолатга xужум kилганда эса kуйидаги -комплекс xосил бuлади:

ва унда kуйидаги мезомер xолатлар кузатилади:

Кuриниб турибдики, 2-xолатга xужум содир бuлганда xосил бuладиган карбокатион кuпроk мезомер тузилишга эга ва шу сабабли барkарорроk. Шунинг учун тиофен ва бошkа беш аъзоли гетероциклик бирикмалар - пиррол ва фуранлар ядросидаги электрофил алмашиниш 2-xолатда содир бuлади.

3. 
   Пиридин—N-оксидининг мезомер структура формулаларини ёзинг. Ядронинг kайси xолатларида электрофил алмашиниш кетишини кuрсатинг.
   

Ечиш. Пиридин—N-оксидининг мезомер структура формулаларини kуйидагича тасвирлаш мумкин:

Бу формулалардан шуни кuриш мумкинки, пиридин-N-оксид молекуласида электрон зичлик кислород, 2- ва 4-xолатларидаги углерод атомларида кuпроk бuлади. Бу эса пиридин-N-оксиди ядросидаги айнан шу 2- ва 4-xолатларда электрофил реагентнинг xужумига kулайлик туgдиради.
4. 4-Метилпиридиннинг натрий этилат иштирокидаги чумоли ва бензой альдегидлари билан реакция схемалари ва механизмини ёзинг.
Ечиш
Пиридин ёки пиримидин ядроларининг 2- ва 4-xолатларида жойлашган метил гуруxининг водородлари ядродаги азотнинг электроноакцепторлик хусусияти таъсирида xаракатчан (кислотали) бuлиб kолади ва ишkорлар ёки бошkа асослар таъсирида протон шаклида осонлик билан чиkиб кетади:

Шу сабабдан 4-метилпиридин ёки 4-метилпиримидин альдегидлар билан конденсация реакциясига киришади:

Кислоталар таъсирида kиздирилганда бу бирикмалар uзидан сув чиkариб тuйинмаган бирикмаларга айланади:

Реакцияларнинг механизми алдол конденсациясининг механизмидир.

5. 
   Барбитур кислотаси 2,4,6-тригидроксипиримидин бuлиб, турли таутомер шаклларда мавжуд бuлади. Бу таутомер шаклларнинг формулаларини ёзинг.
   

Ечиш
Барбитур кислотаси асосан kуйидаги формулага эга:

Унинг таутомер шакллари kуйидагилардан иборат: