Гетероциклічні сполки. Поняття гетероатома. Класифікація гетероциклічних сполук

Урок 79. Гетероциклічні сполки. Поняття гетероатома. Класифікація гетероциклічних сполук

---

Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про гетероциклічні сполуки та способи їхньої класифікації, пояснити ароматичний характер п’яти- та шестичленних гетероциклів на прикладі піролу та піридину, познайомитися із електронним критерієм ароматичності.

Очікувані результати для вчителя:

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова

• гетероатом
• гетероцикл
• ароматичність
• піридин
• пірол

План уроку

1. Мотивація (7 хв.).
2. Класифікація гетероциклічних сполук (10 хв.).
3. Ароматичні гетероциклічні системи (15 хв.)
4. Практикуємось (9 хв.).
5. Рефлексія (4 хв.).

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 7 хв

Циклічну будову молекул мають уже відомі вам циклоалкани та арени. Ці речовини називають карбоциклічними, адже їхні молекули утворені циклічно з’їднаними один з одним атомами Карбону.

Завдання 1. Укажіть число структурних ізомерів, молекулярна формула яких С₅Н₁₀, а їхні молекули мають циклічну будову. Складіть відповідні структурні формули та дайте їм систематичні назви.

Окрім атомів Карбону в утворенні органічних речовин циклічної будови можуть брати участь атоми Нітрогену, Оксигену або деяких інших елементів, тобто гетероатомів (від давн. грец. «ἕτερος» – інший). Такі сполуки називають гетероциклічними.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 10 хв

За розміром циклу найпоширенішими є п’яти- та шестичленні гетероцикли, а за видом гетероатома – нітрогено-, оксигено-, сульфуровмісні системи. Число гетероатомів у циклі може бути різним, а в деяких випадках навіть переважати число атомів Карбону.

У природі поширені гетероциклічні сполуки з п’яти- та шестичленними циклами, що містять один або два гетероатоми:

Гетероцикли входять до складу багатьох природних біологічно активних речовин. Так, серед речовин , що стимулюють роботу центральної нервової системи людини, є кофеїн. Він міститься у листках чаю, зернах кави та какао. А от нікотин – надзвичайно отруйна речовина, що виділяється з тютюну й негативно впливає на здоров’я не лише курців, а й тим, хто перебуває поруч.

• Карбон, Нітроген, Оксиген, Сульфур та деякі інші хімічні елементи називають елементами-органогенами. Доведіть, що ця назва є виправданою.

Завдання 2. Нижче наведено структурні формули найпростіших ароматичних гетероциклічних сполук. Охарактеризуйте їх за розміром циклу та видом гетероатому.

За розміром циклу:

• п’ятичленні -___________________________________________________________________________________________ ;
• шестичленні -___________________________________________________________________________________________ .

За видом гетероатому:

• оксигеновмісні -___________________________________________________________________________________________ ;
• нітрогеновмісні -___________________________________________________________________________________________ ;
• сульфуровмісні -___________________________________________________________________________________________ .

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 15 хв

Як і бензен, молекули деяких гетероциклічних сполук – фуран, пірол або піридин – мають плоску будову, що є одним із наслідків їхньої ароматичності. Такі речовини називають гетероароматичними сполуками.

Відомий ще алхімікам піридин був науково описаний у 1851 році шотландським хіміком Томасом Андерсоном, який виділив його під час дослідження костяної олії. Пізніше, у 1869 році німецький хімік Вільгельм Кернер висловив припущення про те, що його молекулу можна розглядати як бензен, в якому одна група –СН- заміщена на атом Нітрогену, що знайшло своє підтвердження уже за рік стараннями шотландського хіміка Джеймса Дюара.

У молекулі піридину атоми Карбону та Нітрогену перебувають у стані sp²-гібридизації. Але гідридизація електронних орбіталей атома Нітрогену має деякі особливості порівняно з атомом Карбону. Зовнішній електронний шар атома Нітрогену містить п’ять електронів – 1s²2s²2p³. У sp²-гібридизації беруть участь орбіталі чотирьох з них – два електрони однієї s-орбіталі та два електрони двох р-орбіталей. П’ятий електрон залишається на негібридизованій p-орбіталі. Отже, одна з гібридних електронних орбіталей атома Нітрогену містить електронну пару, що не бере участь в утворені ковалентних зв’язків в молекулі піридину. (див. рисунок).

Негібридизовані р-орбіталі атома Нітрогену та Карбону гетероциклічної системи перекриваються між собою над і під площиною молекули піридину, утворюючи єдину π-електронну систему, як у молекулі бензену.

У п’ятичленних гетероциклічних системах з одним гетероатомом – Нітрогеном, Оксигеном або Сульфуром – ароматизація здійснюється інакше. Структуру відкритого у 1834 році німецьким хіміком Фоідлібом Рунге під час сухої дистиляції тваринних кісток піролу вдалося встановити лише у 1870 році іншим німецьким хіміком Адольфом Байєром.

Атом Нітрогену в молекулі піролу, як і в молекулі піридину, перебуває в стані sp²-гібридизації. Але, на відміну від піридину, негібридизована р-орбіталь містить не один електрон, а два – електронну пару. Перекриваючись із негібридизованими р-орбіталями атомів Карбону гетероциклу, така р-орбіталь Нітрогену постачає в єдину π-електронну систему два електрони, зумовлюючи виникнення ароматичності (див. рисунок).

Завдання 3. Одним із найважливіших критеріїв ароматичності є електронний критерій, так зване правило Гюккеля, відповідно до якого ароматичною вважається плоска циклічна система з єдиною π-електронною густиною, що об’єднує 4n+2 електрони. Наприклад, правило Гюккеля виконується для ароматичних вуглеводнів бензену та нафтену:

Доведіть, що π-електронні системи піролу, фурану, тіофену та піридину (див. рисунки вище) також відповідають правилу Гюккеля.

Завдання 4. У 1883 році данський хімік Йоган К’єльдаль запропонував метод визначення вмісту Нітрогену у складі органічних речовин, який і сьогодні застосовують у лабораторному практикумі. Метод передбачає розчинення зразка у концентрованій сульфатній кислоті, під час якого «зв’язаний» Нітроген перетворюється у катіон амонію. Потім утворений розчин обробляють надлишком концентрованого розчину натрій гідроксиду, а виділений при цьому амоніак поглинають хлоридною кислотою. 

1. Складіть схему (без коефіцієнтів) реакції, що ілюструє перетворення «зв’язаного» Нітрогену під час розчинення у сульфатній кислоті, якщо аналізу піддали піридин, а серед продуктів реакції є карбон(IV) оксид, сульфур(IV) оксид, амоній сульфат та вода.
2. Складіть рівняння реакції амоній сульфату, утвореного на першій стадії аналізу, із натрій гідроксидом.
3. Складіть рівняння реакції виділеного у п. 4.2 амоніаку із хлоридною кислотою.
4. Обчисліть об’єм (мл) розчину хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 36,5 % (густина розчину 1,19 г/мл), яка знадобиться для поглинання усього амоніаку (див. п. 4.3), якщо аналізу піддали 3,95 г піридину. Вважайте, що на кожній стадії аналізу (п.п. 4.1-4.3) відносний вихід продуктів реакцій становить 100%.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 9 хв

4. 1. Прочитайте твердження та позначте правильні з них.

• Нітроген – гетероатом у молекулі піридину;
• молекула піридину не є ароматичною;
• серед гетероциклічних сполук є насичені, ненасичені та ароматичні;
• кількість гетероатомів у гетероциклі не може перевищувати одного;
• атом Нітрогену у молекулі піролу перебуває в стані sp³-гібридизації;
• електронна пара атому Нітрогену в молекулі піридину не бере участь в утворенні єдиної π-електронної системи;
• фуран – це п’ятичленний ароматичний гетероцикл із атомом Оксигену у циклі;
• у молекулі піридину довжини зв’язків С-N – однакові;
• електронна пара атому Нітрогену в молекулі піролу не бере участь в утворенні єдиної π-електронної системи;
• гетероциклічні системи можуть міститися у складі біологічно активних речовин.

4. 2. Продукти повного окиснення органічної речовини кількістю речовини 0,5 моль – карбон(IV) оксид об’ємом 44,8 л (за н.у.), вода масою 22,5 г та азот об’ємом 5,6 л (за н.у.).
   • 1. Виведіть молекулярну формулу органічної речовини, якщо відомо, що її молекули містять атоми трьох хімічних елементів. Складіть структурну формулу речовини, враховуючи її гетероциклічний характер.
   • 2. Обчисліть масу (г) органічної речовини, яку піддали повному окисненню.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 4 хв

Вправа «Мікрофон».

Учитель передає «уявний мікрофон», а учні по черзі завершують речення:

• Сьогодні я зрозумів(ла), що…
• Мене здивувало…
• Я тепер зможу пояснити, чому…

---

1. Користуючись додатковими джерелами інформації, наведіть приклади 3-4 природніх сполук, які містять у своєму складі гетероцикли. Складіть їхні структурні формули.
2. Порівняйте будову молекули піридину та бензену. Що є між ними спільного? Чим вони відрізняються?

Урок 79. Гетероциклічні сполки. Поняття гетероатома. Класифікація гетероциклічних сполук

Робочий аркуш учнівства

---

Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про гетероциклічні сполуки та способи їхньої класифікації, пояснити ароматичний характер п’яти- та шестичленних гетероциклів на прикладі піролу та піридину, познайомитися із електронним критерієм ароматичності.

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова

• гетероатом
• гетероцикл
• ароматичність
• піридин
• пірол

План уроку

1. Мотивація (7 хв.).
2. Класифікація гетероциклічних сполук (10 хв.).
3. Ароматичні гетероциклічні системи (15 хв.)
4. Практикуємось (9 хв.).
5. Рефлексія (4 хв.).

---

Циклічну будову молекул мають уже відомі вам циклоалкани та арени. Ці речовини називають карбоциклічними, адже їхні молекули утворені циклічно з’їднаними один з одним атомами Карбону.

Завдання 1. Укажіть число структурних ізомерів, молекулярна формула яких С₅Н₁₀, а їхні молекули мають циклічну будову. Складіть відповідні структурні формули та дайте їм систематичні назви.

Окрім атомів Карбону в утворенні органічних речовин циклічної будови можуть брати участь атоми Нітрогену, Оксигену або деяких інших елементів, тобто гетероатомів (від давн. грец. «ἕτερος» – інший). Такі сполуки називають гетероциклічними.

---

За розміром циклу найпоширенішими є п’яти- та шестичленні гетероцикли, а за видом гетероатома – нітрогено-, оксигено-, сульфуровмісні системи. Число гетероатомів у циклі може бути різним, а в деяких випадках навіть переважати число атомів Карбону.

У природі поширені гетероциклічні сполуки з п’яти- та шестичленними циклами, що містять один або два гетероатоми:

Гетероцикли входять до складу багатьох природних біологічно активних речовин. Так, серед речовин , що стимулюють роботу центральної нервової системи людини, є кофеїн. Він міститься у листках чаю, зернах кави та какао. А от нікотин – надзвичайно отруйна речовина, що виділяється з тютюну й негативно впливає на здоров’я не лише курців, а й тим, хто перебуває поруч.

• Карбон, Нітроген, Оксиген, Сульфур та деякі інші хімічні елементи називають елементами-органогенами. Доведіть, що ця назва є виправданою.

Завдання 2. Нижче наведено структурні формули найпростіших ароматичних гетероциклічних сполук. Охарактеризуйте їх за розміром циклу та видом гетероатому.

За розміром циклу:

• п’ятичленні -___________________________________________________________________________________________ ;
• шестичленні -___________________________________________________________________________________________ .

За видом гетероатому:

• оксигеновмісні -___________________________________________________________________________________________ ;
• нітрогеновмісні -___________________________________________________________________________________________ ;
• сульфуровмісні -___________________________________________________________________________________________ .

---

Як і бензен, молекули деяких гетероциклічних сполук – фуран, пірол або піридин – мають плоску будову, що є одним із наслідків їхньої ароматичності. Такі речовини називають гетероароматичними сполуками.

Відомий ще алхімікам піридин був науково описаний у 1851 році шотландським хіміком Томасом Андерсоном, який виділив його під час дослідження костяної олії. Пізніше, у 1869 році німецький хімік Вільгельм Кернер висловив припущення про те, що його молекулу можна розглядати як бензен, в якому одна група –СН- заміщена на атом Нітрогену, що знайшло своє підтвердження уже за рік стараннями шотландського хіміка Джеймса Дюара.

У молекулі піридину атоми Карбону та Нітрогену перебувають у стані sp²-гібридизації. Але гідридизація електронних орбіталей атома Нітрогену має деякі особливості порівняно з атомом Карбону. Зовнішній електронний шар атома Нітрогену містить п’ять електронів – 1s²2s²2p³. У sp²-гібридизації беруть участь орбіталі чотирьох з них – два електрони однієї s-орбіталі та два електрони двох р-орбіталей. П’ятий електрон залишається на негібридизованій p-орбіталі. Отже, одна з гібридних електронних орбіталей атома Нітрогену містить електронну пару, що не бере участь в утворені ковалентних зв’язків в молекулі піридину. (див. рисунок).

Негібридизовані р-орбіталі атома Нітрогену та Карбону гетероциклічної системи перекриваються між собою над і під площиною молекули піридину, утворюючи єдину π-електронну систему, як у молекулі бензену.

У п’ятичленних гетероциклічних системах з одним гетероатомом – Нітрогеном, Оксигеном або Сульфуром – ароматизація здійснюється інакше. Структуру відкритого у 1834 році німецьким хіміком Фоідлібом Рунге під час сухої дистиляції тваринних кісток піролу вдалося встановити лише у 1870 році іншим німецьким хіміком Адольфом Байєром.

Атом Нітрогену в молекулі піролу, як і в молекулі піридину, перебуває в стані sp²-гібридизації. Але, на відміну від піридину, негібридизована р-орбіталь містить не один електрон, а два – електронну пару. Перекриваючись із негібридизованими р-орбіталями атомів Карбону гетероциклу, така р-орбіталь Нітрогену постачає в єдину π-електронну систему два електрони, зумовлюючи виникнення ароматичності (див. рисунок).

Завдання 3. Одним із найважливіших критеріїв ароматичності є електронний критерій, так зване правило Гюккеля, відповідно до якого ароматичною вважається плоска циклічна система з єдиною π-електронною густиною, що об’єднує 4n+2 електрони. Наприклад, правило Гюккеля виконується для ароматичних вуглеводнів бензену та нафтену:

Доведіть, що π-електронні системи піролу, фурану, тіофену та піридину (див. рисунки вище) також відповідають правилу Гюккеля.

Завдання 4. У 1883 році данський хімік Йоган К’єльдаль запропонував метод визначення вмісту Нітрогену у складі органічних речовин, який і сьогодні застосовують у лабораторному практикумі. Метод передбачає розчинення зразка у концентрованій сульфатній кислоті, під час якого «зв’язаний» Нітроген перетворюється у катіон амонію. Потім утворений розчин обробляють надлишком концентрованого розчину натрій гідроксиду, а виділений при цьому амоніак поглинають хлоридною кислотою. 

1. Складіть схему (без коефіцієнтів) реакції, що ілюструє перетворення «зв’язаного» Нітрогену під час розчинення у сульфатній кислоті, якщо аналізу піддали піридин, а серед продуктів реакції є карбон(IV) оксид, сульфур(IV) оксид, амоній сульфат та вода.
2. Складіть рівняння реакції амоній сульфату, утвореного на першій стадії аналізу, із натрій гідроксидом.
3. Складіть рівняння реакції виділеного у п. 4.2 амоніаку із хлоридною кислотою.
4. Обчисліть об’єм (мл) розчину хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 36,5 % (густина розчину 1,19 г/мл), яка знадобиться для поглинання усього амоніаку (див. п. 4.3), якщо аналізу піддали 3,95 г піридину. Вважайте, що на кожній стадії аналізу (п.п. 4.1-4.3) відносний вихід продуктів реакцій становить 100%.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

4. 1. Прочитайте твердження та позначте правильні з них.

• Нітроген – гетероатом у молекулі піридину;
• молекула піридину не є ароматичною;
• серед гетероциклічних сполук є насичені, ненасичені та ароматичні;
• кількість гетероатомів у гетероциклі не може перевищувати одного;
• атом Нітрогену у молекулі піролу перебуває в стані sp³-гібридизації;
• електронна пара атому Нітрогену в молекулі піридину не бере участь в утворенні єдиної π-електронної системи;
• фуран – це п’ятичленний ароматичний гетероцикл із атомом Оксигену у циклі;
• у молекулі піридину довжини зв’язків С-N – однакові;
• електронна пара атому Нітрогену в молекулі піролу не бере участь в утворенні єдиної π-електронної системи;
• гетероциклічні системи можуть міститися у складі біологічно активних речовин.

4. 2. Продукти повного окиснення органічної речовини кількістю речовини 0,5 моль – карбон(IV) оксид об’ємом 44,8 л (за н.у.), вода масою 22,5 г та азот об’ємом 5,6 л (за н.у.).
   • 1. Виведіть молекулярну формулу органічної речовини, якщо відомо, що її молекули містять атоми трьох хімічних елементів. Складіть структурну формулу речовини, враховуючи її гетероциклічний характер.
   • 2. Обчисліть масу (г) органічної речовини, яку піддали повному окисненню.

---

Вправа «Мікрофон».

Учитель передає «уявний мікрофон», а учні по черзі завершують речення:

• Сьогодні я зрозумів(ла), що…
• Мене здивувало…
• Я тепер зможу пояснити, чому…

---

1. Користуючись додатковими джерелами інформації, наведіть приклади 3-4 природніх сполук, які містять у своєму складі гетероцикли. Складіть їхні структурні формули.
2. Порівняйте будову молекули піридину та бензену. Що є між ними спільного? Чим вони відрізняються?