XII.1.1.1. Способы получения

Пиррол и тиофен в небольших количествах содержатся в каменноугольной смоле; тиофен, близкий к бензолу по температуре кипения, перегоняется вместе с ним, и необходимо использовать специальные методы, чтобы их разделить (бензол, не содержащий примеси тиофена, получают не из каменноугольной смолы, а путем декарбоксилирования бензойной кислоты).

Синтетические методы получения пиррола, фурана, тиофена и их производных относятся к реакциям двух типов: I. Замыкание гетероцикла (гетероциклизация ациклических предшественников); II. Взаимные превращения гетероциклов (реакции рециклизации).

I. Методы замыкания гетероциклов.

Приведенные ниже методы относятся к двум формальным схемам формирования данных гетероциклов: А. Гетероциклизация одного ациклического предшественника, который уже содержит линейный четырехуглеродный фрагмент; при этом образуются только связи углерод – гетероатом; Б. Гетероциклизация при взаимодействии двух ациклических предшественников, каждый из которых содержит по два атома углерода; при зтом образуются как связи углерод -гетероатом, так и связи углерод - углерод.

А. Гетероциклизация четырехуглеродного фрагмента.

1. Гетероциклизация 1.4-дикарбонильных соединений. Взаимодействие 1,4-дикарбонильных соединений с дегидратирующими реагентами (например, кислотой или Р₂О₅) приводит к производным фурана; взаимодействие с N- и S-нуклеофилами – к производным, соответственно, пиррола и тиофена:

Вместо Н₂S часто используют P₂S₅.

Эти реакции уже приводились ранее (стр. 267); синтез производных пиррола таким путем - синтез Пааля-Кнорра; Использование этих реакций несколько ограничено доступностью 1,4-дикетонов.

2. Получение из углеводов и их производных. а). Альдопентозы при нагревании с разбавленными минеральными кислотами образуют альдегид фуранового ряда – фуран-2-карбальдегид или фурфурол:

Фурфурол получают в промышленных масштабах при кислотной обработке рисовой или подсолнечной шелухи; эти отходы содержат значительное количество пентозанов – полисахаридов из альдопентоз; вначале происходит кислотный гидролиз пентозанов до альдопентоз, а далее – приведенная выше реакция. Из фурфурола можно получить незамещенный гетероцикл – фуран – путем декарбонилирования при высокой температуре (400 ^оС) в присутствии цинк-хромового катализатора.

б). Гликаровые (сахарные) кислоты – продукты окисления альдогексоз - при нагревании с минеральными кислотами реагируют аналогично предыдущему варианту и образуют 2-фуранкарбоновую (пирослизевую) кислоту:

Первоначальным продуктом является 2,5-фурандикарбоновая кислота, которая в условиях реакции декарбоксилируется. В более жестких условиях можно декарбоксилировать и пирослизевую кислоту с образованием фурана.

в). При нагревании аммонийных солей тех же сахарных кислот образуется пиррол:

Р еакция отчасти аналогична предыдущим вариантам, но здесь замыкается не фурановый, а пиррольный цикл под действием аммиака, выделяющегося при нагревании аммонийных солей; промежуточно образующаяся аммонийная соль пиррол-2,5-дикарбоновой кислоты в условиях реакции полностью декарбоксилируется.

3. Высокотемпературная каталитическая гетероциклизация. Эти реакции чаще всего используются для получения тиофена и его гомологов. Это - взаимодействие соединений, содержащих линейный четырехуглеродный фрагмент, с серой или ее источниками (например, сероуглеродом) над катализаторами при температурах 200-700 ^оС. В конденсации могут участвовать насыщенные и ненасыщенные углеводороды, спирты, кетоны и другие типы соединений. Катализаторы – обычно на основе оксидов алюминия или переходных металлов. Простой пример – промышленный способ получения тиофена из н-бутана и серы:

Б. Гетероциклизация при взаимодействии двух ациклических соединений

1. Синтез пирролов по Кнорру. Это – наиболее важный способ синтеза производных пиррола, позволяющий получать наиболее интересные его производные. Способ заключается во взаимодействии аминокетонов с метиленактивными соединениями в присутствии кислот или оснований:

Предполагается, что вначале аминогруппа, как N-нуклеофил, реагирует с карбонильной группой фрагмента R³-СО с образованием связи N-C², а затем происходит взаимодействие группы СН₂ с карбонильной группой фрагмента R¹-CO по схеме альдольно-кротоновой конденсации; образуется связь С³-С⁴. В качестве метиленактивных компонент используют обычно 1,3-дикетоны или эфиры 3-кетокарбоновых кислот; метиленовая группа должна быть достаточно активна, чтобы скорость ее конденсации с карбонильной группой аминокетона была выше, чем скорость взаимодействия двух молекул аминокетона друг с другом (с замыканием 6-членного цикла). Аминокетоны получают нитрозированием кетонов по -положению (стр. 255) и последующим восстановлением оксима до аминогруппы. Достаточно часто аминокетоны получают из метиленактивных соединений - 1,3-дикетонов или -кетоэфиров (R²= CO-R, COOR); классический пример – конденсация аминоацетоуксусного эфира с ацетоуксусным эфиром с образованием производного пиррола (790, R¹=R³=CH₃, R²=COOC₂H₅, X=OC₂H₅).

2. Синтезы пирролов по Ганчу и фуранов по Файсту-Бенари. Эти синтезы происходят при взаимодействии галогенкетонов с кетоэфирами: в присутствии аммиака образуются производные пиррола, в присутствии соды или пиридина – производные фурана:

Р егионаправленность этих синтезов противоположна: у производных пиррола и фурана радикалы R¹ и R² меняются местами. Формально можно представить, что при реакции Файста-Бенари вначале происходит конденсация группы СН₂ кетоэфира и группы С=О хлоркетона по альдольно-кротоновому типу, а потом замыкание фуранового цикла; при реакции Ганча – вначале алкилирование группы СН₂ кетоэфира хлоркетоном, а затем замыкание пиррольного цикла при реакции образовавшегося 1,4-дикетона с аммиаком.

Выходы производных фурана в реакции Файста-Бенари обычно невелики; в то же время эта реакция является побочной в синтезе пирролов по Ганчу, осложняя ее протекание; поэтому реакция Ганча применяется реже, чем синтез пирролов по Кнорру.