Шестичленні гетероциклічні сполуки. Класифікація за кількістю гетероатомів і будовою. Номенклатура та ізомерія похідних піридину

Урок 82. Шестичленні гетероциклічні сполуки. Класифікація за кількістю гетероатомів і будовою. Номенклатура та ізомерія похідних піридину

---

Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про шестичленні гетероциклічні сполуки, розібратися та набути навички складання систематичних назв похідних піридину, сформувати вміння визначати положення замісників у гетероциклі, розвивати навички розв’язування задач на обчислення за хімічним рівнянням реакції за участю піридину та його похідних, показати поширеність шестичленних гетероциклічних систем у природних барвниках і лікарських препаратах.

Очікувані результати для вчителя:

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова

• нітрогеновмісні гетероцикли
• піридин
• повне окиснення (згоряння)

План уроку

1. Мотивація (6 хв.).
2. Класифікація шестичленних гетероциклів за кількістю гетероатомів та будовою (10 хв.).
3. Ароматичний характер шестичленних гетероциклів (7 хв.).
4. Номенклатура шестичленних гетероциклів на прикладі похідних піридину (8 хв.)
5. Практикуємось (10 хв.).
6. Рефлексія (4 хв.)

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 6 хв

Шестичленними ароматичними гетероциклами називають циклічні сполуки з шістьма атомами у кільці, де один або декілька з них є гетероатомом, а загальна кількість електронів єдиної π-електронної системи дорівнює 4n+2 (правило Гюккеля).

Завдання 1. Пригадайте, дайте відповідь на питання та обговоріть їх у парах.

1. Що таке гетероатом?
2. Наведіть приклади п’ятичленних гетероциклів з одним гетероатомом. Укажіть їхні молекулярні формули
3. Чи усі циклічні сполуки є ароматичними? Сформулюйте два-три критерії ароматичності.
4. Що таке правило Гюккеля?

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 10 хв

Шестичленні гетероцикли є у складі молекул багатьох біологічно активних сполук. Багато таких речовин мають тривіальні назви. Велику групу гетероциклічних сполук становлять синтетичні барвники, що їх у великій кількості виробляє промисловість, фармацевтичні препарати, у тому числі антибіотики.

Як і п’ятичленні, шестичленні гетероцикли можна класифікувати за особливостями будови гетероциклічної системи відповідно до кількості гетероатомів, природи гетероатома та будови циклу:

Завдання 2. Піриметамін — це антипротозійний препарат, що використовується для лікування та профілактики малярії, токсоплазмозу, лейшманіозу, пригнічуючи життєдіяльність найпростіших паразитів:

Синтезований у 1950-х роках, він і сьогодні використовується у комбінації з іншими засобами або як самостійний препарат, що діє як інгібітор фолієвої кислоти, порушуючи метаболізм паразитів.

Розгляньте структурну формулу піриметаміну та виконайте завдання:

• знайдіть та виділіть (кольоровим або простим олівцем) гетероциклічний фрагмент;
• визначте кількість та тип гетероатому(-ів):_________________________________________ ;
• укажіть, за якими ознаками цей цикл можна класифікувати:___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ;
• поясніть, чому наявність гетероциклу підвищує біологічну активність сполуки (за необхідності скористайтеся додатковими джерелами інформації):

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 7 хв

Серед шестичленних гетероциклічних систем піридиновий фрагмент є одним із найбільш поширених у біологічно активних молекулах.

Атоми Карбону й атом Нітрогену (а точніше їхні валентні електронні орбіталі) перебувають у стані sp²-гібридизації. Електронна конфігурація атома Нітрогену – 1s²2s²2p³. У його зовнішньому електронному шарі п’ять електронів. В утворені гібридизованих sp²-орбіталей беруть участь орбіталі чотирьох з них: двох s- та двох р-електронів. Ще один – п’ятий – електрон заповнює негібридизовану р-орбіталь та бере участь в утворені єдиної ароматичної шестиелектронної π-системи:

По своїй електронній конфігурації атом Нітрогену піридину значно відрізняється від атома Нітрогену піролу, що обумовлює характерні йому властивості. Неподільна електрона пара на sp²-гібридизованій орбіталі атома Нітрогену, навідміну від молекули піролу, не бере участь в утворені ароматичної системи, а тому піридин виявляє сильніші основні властивості:

• С₅Н₅N + HCl → C₅H₅NH⁺Cl^‒

або

• С₅Н₅N + H⁺ → C₅H₅NH⁺

Завдання 3. Проаналізуйте електронну будову шестичленних гетероциклічних систем та зробіть висновок щодо їхнього характеру: насичені, ненасичені або ароматичні. Коротко поясніть свою відповідь.

Наявність електронної пари та основний характер молекули піридину у тому числі визначає його фізичні властивості. Піридин – безбарвна рідина з характерним запахом. Пари піридину отруйні для організму людини, вдихання яких викликає тяжкі ураження центральної нервової системи. Через полярність молекули, обумовлену у тому числі наявністю неподільної електронної пари атому Нітрогену, піридин є чудовим розчинником навіть неорганічних сполук.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 8 хв

Пригадайте! Як і у випадку п’ятичленних гетероциклічних систем, під час називання шестичленних гетероциклів необхідно дотримуватися двох основних правил, що доповнюють уже знайомі вам алгоритми для вуглеводнів:

1. Нумерацію атомів гетероциклічної системи завжди починають з гетероатома.
2. Нумерація ведеться у напрямку (за  або проти годинникової стрілки), що дає мінімальні локанти для наявних в молекулі замісників.
3. За наявності декількох гетероатомів нумерацію ведуть у напрямку від одного гетероатома до іншого, щоб їхні локанти були найменш можливими.

Розгляньмо структурну формулу речовини, яка знаходить широке застосування в якості проміжної речовини в синтетичних схемах добування різноманітних біологічно активних речовин – вітамінів, коферментів тощо. Структурна формула цього гетероциклу –

Називаємо таку сполуку:

1. циклічна система із шістьма р-електронами – п’ять р-електронів атомів Карбону та один електрон на гібридизованій р-орбіталі атому Нітрогену – є ароматичною;
2. шестичленний ароматиічний гетероцикл із одним гетероатомом, що містить атом Нітрогену, – піридин;
3. нумеруємо атоми гетероциклу, починаючи з гетероатому в напрямку до найближчого замісника: гідроксильна OH-група знаходиться симетрично від положення гетероатома в циклі і, відповідно до систематичної номенклатури, позначається суфіксом -ол;
4. називаємо сполуку, вказуючи локант замісника через дефіс – піридин-4-ол.

Завдання 4. Складіть структурні формули похідних піридину за їхніми систематичними назвами: а) 2-метилпіридин; б) піридин-3-карбонова кислота; в) 2,6-дихлоропіридин; г) 2-(гідроксиметил)піридин.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 10 хв

Завдання 5.1. Під час повного окиснення (згоряння) 3,20 г невідомої органічної речовини утворилось 3584 мл (за н.у.) карбон(IV) оксиду, 1,44 г води та деякий газ Х. Визначте молекулярну формулу органічної речовини, враховуючи що у складі її молекули міститься два гетероатоми одного типу. Висловіть припущення щодо складу газу Х.

Розв’язання:

1. Обчислюємо кількості речовин:
   • n(речовини) = ________________________________________________________ ;
   • n(CO₂) =________________________________________________________ ;
   • n(H₂O) =________________________________________________________ .
2. Утворення в якості продуктів реакції карбон(IV) оксиду та води свідчить про наявність у складі молекул органічної речовин атомів Карбону та Гідрогену. Визначимо їхні кількості речовин та маси:
   • n(C) = n(CO₂) = m(C) = ________________________________________________________ ;
   • n(H) = 2∙n(H₂O) = m(H) =________________________________________________________ .
3. Обчислюємо сумарну масу, що припадає на атоми Карбону та Гідрогену, та порівнюємо із масою органічної речовини:
   • m(C, H) = m(C) + m(H) =________________________________________________________ ;
   • ∆m = m(речовини) –m(C, H) =________________________________________________________ .

Ця маса ∆m може відповідати масі атомів Нітрогену або Сульфуру, адже саме їхня наявність у складі органічної речовин при згорянні зумовлюватиме утворення газуватого продукту Х.

4. Якщо таким гетероатомом є Нітроген, то:
   • n(N) = ∆m / M(N) =________________________________________________________ .

Найпростішу формулу речовини знаходимо за співвідношенням кількостей речовини елементів, враховуючи, що у складі її молекули може міститися два атоми Нітрогену:

• n(C) : n(H) : n(N) =________________________________________________________ .

Робимо висновок про молекулярну формулу речовини:____________________________

5. Якщо таким гетероатомом є Сульфур, то:
   • n(S) = ∆m / M(S) = ________________________________________________________ .

Найпростішу формулу речовини знаходимо за співвідношенням кількостей речовини елементів, враховуючи, що у складі її молекули може міститися два атоми Сульфуру:

• n(C) : n(H) : n(S) ________________________________________________________ = .

Робимо висновок про молекулярну формулу речовини: .

6. Газуватим продуктом Х є________________________________________________________ .

Відповідь: ________________________________________________________

Завдання 5.2.Деяка невідома органічна речовина широко застосовується у органічному синтезу. Під час повного окиснення (згоряння) 5,10 г невідомої органічної речовини утворилось 6,72 л (за н.у.) карбон(IV) оксиду, 5,94 г води та деякий газ Х. Визначте молекулярну формулу органічної речовини, враховуючи що у складі її молекули міститься лише один гетероатом. Складіть можливу структурну формулу досліджуваної органічної речовини, враховуючи її гетероциклічний характер. Висловіть припущення щодо ролі цієї сполуки у хімічних реакціях.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 4 хв

Вправа «3–2–1».

Учням пропонується назвати:

• 3 факти, які дізнався / дізналася сьогодні;
• 2 поняття, які потребують повторення;
• 1 запитання до вчителя / вчительки.

---

Користуючись додатковими джерелами інформації, проаналізуйте будову молекул, які складають діючу речовину таких фармацевтичних препаратів з антибактеріальною дією:

• триметоприм;
• рифампіцин;
• сульфаметоксазол.

Укажіть тип та кількість гетероатомів у складі молекули, а також зробіть висновок щодо ароматичного характеру їхньої гетероциклічної системи.

Урок 82. Шестичленні гетероциклічні сполуки. Класифікація за кількістю гетероатомів і будовою. Номенклатура та ізомерія похідних піридину

Робочий аркуш учнівства

---

Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про шестичленні гетероциклічні сполуки, розібратися та набути навички складання систематичних назв похідних піридину, сформувати вміння визначати положення замісників у гетероциклі, розвивати навички розв’язування задач на обчислення за хімічним рівнянням реакції за участю піридину та його похідних, показати поширеність шестичленних гетероциклічних систем у природних барвниках і лікарських препаратах.

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова

• нітрогеновмісні гетероцикли
• піридин
• повне окиснення (згоряння)

План уроку

1. Мотивація (6 хв.).
2. Класифікація шестичленних гетероциклів за кількістю гетероатомів та будовою (10 хв.).
3. Ароматичний характер шестичленних гетероциклів (7 хв.).
4. Номенклатура шестичленних гетероциклів на прикладі похідних піридину (8 хв.)
5. Практикуємось (10 хв.).
6. Рефлексія (4 хв.)

---

Шестичленними ароматичними гетероциклами називають циклічні сполуки з шістьма атомами у кільці, де один або декілька з них є гетероатомом, а загальна кількість електронів єдиної π-електронної системи дорівнює 4n+2 (правило Гюккеля).

Завдання 1. Пригадайте, дайте відповідь на питання та обговоріть їх у парах.

1. Що таке гетероатом?
2. Наведіть приклади п’ятичленних гетероциклів з одним гетероатомом. Укажіть їхні молекулярні формули
3. Чи усі циклічні сполуки є ароматичними? Сформулюйте два-три критерії ароматичності.
4. Що таке правило Гюккеля?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

Шестичленні гетероцикли є у складі молекул багатьох біологічно активних сполук. Багато таких речовин мають тривіальні назви. Велику групу гетероциклічних сполук становлять синтетичні барвники, що їх у великій кількості виробляє промисловість, фармацевтичні препарати, у тому числі антибіотики.

Як і п’ятичленні, шестичленні гетероцикли можна класифікувати за особливостями будови гетероциклічної системи відповідно до кількості гетероатомів, природи гетероатома та будови циклу:

Завдання 2. Піриметамін — це антипротозійний препарат, що використовується для лікування та профілактики малярії, токсоплазмозу, лейшманіозу, пригнічуючи життєдіяльність найпростіших паразитів:

Синтезований у 1950-х роках, він і сьогодні використовується у комбінації з іншими засобами або як самостійний препарат, що діє як інгібітор фолієвої кислоти, порушуючи метаболізм паразитів.

Розгляньте структурну формулу піриметаміну та виконайте завдання:

• знайдіть та виділіть (кольоровим або простим олівцем) гетероциклічний фрагмент;
• визначте кількість та тип гетероатому(-ів):_________________________________________ ;
• укажіть, за якими ознаками цей цикл можна класифікувати:___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ;
• поясніть, чому наявність гетероциклу підвищує біологічну активність сполуки (за необхідності скористайтеся додатковими джерелами інформації):

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

Серед шестичленних гетероциклічних систем піридиновий фрагмент є одним із найбільш поширених у біологічно активних молекулах.

Атоми Карбону й атом Нітрогену (а точніше їхні валентні електронні орбіталі) перебувають у стані sp²-гібридизації. Електронна конфігурація атома Нітрогену – 1s²2s²2p³. У його зовнішньому електронному шарі п’ять електронів. В утворені гібридизованих sp²-орбіталей беруть участь орбіталі чотирьох з них: двох s- та двох р-електронів. Ще один – п’ятий – електрон заповнює негібридизовану р-орбіталь та бере участь в утворені єдиної ароматичної шестиелектронної π-системи:

По своїй електронній конфігурації атом Нітрогену піридину значно відрізняється від атома Нітрогену піролу, що обумовлює характерні йому властивості. Неподільна електрона пара на sp²-гібридизованій орбіталі атома Нітрогену, навідміну від молекули піролу, не бере участь в утворені ароматичної системи, а тому піридин виявляє сильніші основні властивості:

• С₅Н₅N + HCl → C₅H₅NH⁺Cl^‒

або

• С₅Н₅N + H⁺ → C₅H₅NH⁺

Завдання 3. Проаналізуйте електронну будову шестичленних гетероциклічних систем та зробіть висновок щодо їхнього характеру: насичені, ненасичені або ароматичні. Коротко поясніть свою відповідь.

Наявність електронної пари та основний характер молекули піридину у тому числі визначає його фізичні властивості. Піридин – безбарвна рідина з характерним запахом. Пари піридину отруйні для організму людини, вдихання яких викликає тяжкі ураження центральної нервової системи. Через полярність молекули, обумовлену у тому числі наявністю неподільної електронної пари атому Нітрогену, піридин є чудовим розчинником навіть неорганічних сполук.

---

Пригадайте! Як і у випадку п’ятичленних гетероциклічних систем, під час називання шестичленних гетероциклів необхідно дотримуватися двох основних правил, що доповнюють уже знайомі вам алгоритми для вуглеводнів:

1. Нумерацію атомів гетероциклічної системи завжди починають з гетероатома.
2. Нумерація ведеться у напрямку (за  або проти годинникової стрілки), що дає мінімальні локанти для наявних в молекулі замісників.
3. За наявності декількох гетероатомів нумерацію ведуть у напрямку від одного гетероатома до іншого, щоб їхні локанти були найменш можливими.

Розгляньмо структурну формулу речовини, яка знаходить широке застосування в якості проміжної речовини в синтетичних схемах добування різноманітних біологічно активних речовин – вітамінів, коферментів тощо. Структурна формула цього гетероциклу –

Називаємо таку сполуку:

1. циклічна система із шістьма р-електронами – п’ять р-електронів атомів Карбону та один електрон на гібридизованій р-орбіталі атому Нітрогену – є ароматичною;
2. шестичленний ароматиічний гетероцикл із одним гетероатомом, що містить атом Нітрогену, – піридин;
3. нумеруємо атоми гетероциклу, починаючи з гетероатому в напрямку до найближчого замісника: гідроксильна OH-група знаходиться симетрично від положення гетероатома в циклі і, відповідно до систематичної номенклатури, позначається суфіксом -ол;
4. називаємо сполуку, вказуючи локант замісника через дефіс – піридин-4-ол.

Завдання 4. Складіть структурні формули похідних піридину за їхніми систематичними назвами: а) 2-метилпіридин; б) піридин-3-карбонова кислота; в) 2,6-дихлоропіридин; г) 2-(гідроксиметил)піридин.

---

Завдання 5.1. Під час повного окиснення (згоряння) 3,20 г невідомої органічної речовини утворилось 3584 мл (за н.у.) карбон(IV) оксиду, 1,44 г води та деякий газ Х. Визначте молекулярну формулу органічної речовини, враховуючи що у складі її молекули міститься два гетероатоми одного типу. Висловіть припущення щодо складу газу Х.

Розв’язання:

1. Обчислюємо кількості речовин:
   • n(речовини) = ________________________________________________________ ;
   • n(CO₂) =________________________________________________________ ;
   • n(H₂O) =________________________________________________________ .
2. Утворення в якості продуктів реакції карбон(IV) оксиду та води свідчить про наявність у складі молекул органічної речовин атомів Карбону та Гідрогену. Визначимо їхні кількості речовин та маси:
   • n(C) = n(CO₂) = m(C) = ________________________________________________________ ;
   • n(H) = 2∙n(H₂O) = m(H) =________________________________________________________ .
3. Обчислюємо сумарну масу, що припадає на атоми Карбону та Гідрогену, та порівнюємо із масою органічної речовини:
   • m(C, H) = m(C) + m(H) =________________________________________________________ ;
   • ∆m = m(речовини) –m(C, H) =________________________________________________________ .

Ця маса ∆m може відповідати масі атомів Нітрогену або Сульфуру, адже саме їхня наявність у складі органічної речовин при згорянні зумовлюватиме утворення газуватого продукту Х.

4. Якщо таким гетероатомом є Нітроген, то:
   • n(N) = ∆m / M(N) =________________________________________________________ .

Найпростішу формулу речовини знаходимо за співвідношенням кількостей речовини елементів, враховуючи, що у складі її молекули може міститися два атоми Нітрогену:

• n(C) : n(H) : n(N) =________________________________________________________ .

Робимо висновок про молекулярну формулу речовини:____________________________

5. Якщо таким гетероатомом є Сульфур, то:
   • n(S) = ∆m / M(S) = ________________________________________________________ .

Найпростішу формулу речовини знаходимо за співвідношенням кількостей речовини елементів, враховуючи, що у складі її молекули може міститися два атоми Сульфуру:

• n(C) : n(H) : n(S) ________________________________________________________ = .

Робимо висновок про молекулярну формулу речовини: .

6. Газуватим продуктом Х є________________________________________________________ .

Відповідь: ________________________________________________________

Завдання 5.2.Деяка невідома органічна речовина широко застосовується у органічному синтезу. Під час повного окиснення (згоряння) 5,10 г невідомої органічної речовини утворилось 6,72 л (за н.у.) карбон(IV) оксиду, 5,94 г води та деякий газ Х. Визначте молекулярну формулу органічної речовини, враховуючи що у складі її молекули міститься лише один гетероатом. Складіть можливу структурну формулу досліджуваної органічної речовини, враховуючи її гетероциклічний характер. Висловіть припущення щодо ролі цієї сполуки у хімічних реакціях.

---

Вправа «3–2–1».

Учням пропонується назвати:

• 3 факти, які дізнався / дізналася сьогодні;
• 2 поняття, які потребують повторення;
• 1 запитання до вчителя / вчительки.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

Користуючись додатковими джерелами інформації, проаналізуйте будову молекул, які складають діючу речовину таких фармацевтичних препаратів з антибактеріальною дією:

• триметоприм;
• рифампіцин;
• сульфаметоксазол.

Укажіть тип та кількість гетероатомів у складі молекули, а також зробіть висновок щодо ароматичного характеру їхньої гетероциклічної системи.