II. Реакции электрофильного замещения в ядре.

Как уже указывалось выше, для избыточных гетероциклов прогнозируется повышенная реакционная способность в реакциях электрофильного замещения. Действительно, пиррол и фуран чрезвычайно реакционноспособны в этих реакциях, причем пиррол в большей степени, чем фуран; тиофен менее активен, чем пиррол и фуран, но более активен, чем бензол.

Реакции электрофильного замещения в данных гетероциклах идут по обычным механизмам ароматического замещения – с промежуточным образованием катионных аддуктов. Реакции, как правило, региоселективны: они предпочтительно идут по положению 2. Такую регионаправленность легко объяснить, если рассмотреть структуры альтернативных -аддуктов при замещении в положениях 2 и 3:

П ри замещении в положении 2 -аддукт может быть представлен тремя резонансными структурами (792а-с), в то время, как при замещении в положении 3 – только двумя (793а,b); следовательно, первый -аддукт более устойчив. Если положение 2 занято, замещение идет в положении 3. В некоторых случаях реакции идут более, чем по одному положению, вплоть до полного замещения всех атомов водорода.

Реакции электрофильного замещения для пиррола, фурана и тиофена, в принципе, те же, что и для бензоидных соединений, но условия их проведения достаточно специфичны. В частности, на пиррол и фуран нельзя действовать сильными кислотами, т.к. данные гетероциклы при этом разлагаются (они ацидофобны, см. выше); поэтому для нитрования и сульфирования этих соединений не используют азотную и серную кислоты. Тиофен устойчив в водных растворах сильных кислот, но неустойчив в 100%-й H₂SO₄.

1. Нитрование фурана и пиррола проводят действием ацетилнитрата СН₃СО-ONO₂ - смешанного ангидрида уксусной и азотной кислот; этот мягкий нитрующий реагент получают из азотной кислоты и уксусного ангидрида; он нитрует в нейтральной среде. Для нитрования тиофена обычно также используют ацетилнитрат. Продукты реакции – 2-нит- ропроизводные (794).

2. Сульфирование фурана и пиррола проводят, используя в качестве реагента комплекс пиридина с триоксидом серы; для сульфирования тиофена используют серную кислоту; поскольку тиофен сульфируется легче бензола, эта реакция используется для отделения примеси тиофена от «каменноугольного» бензола. Продукты сульфирования – 2-сульфо- производные (795).

3. Галогенирование пиррола, фурана и тиофена галогенами обычно приводит к продуктам полизамещения. Пиррол при действии брома в этаноле образует продукт полного бромирования – 2,3,4,5-тетрабромпиррол, при взаимодействии с системой J₂/KJ – тетраиодпиррол. Даже тиофен при действии хлора образует смесь продуктов полизамещения. При действии более мягких галогенирующих реагентов галогенирование идет селективно: при действии на пиррол N-бромсукцинимида (стр. 93) образуется 2-бромпиррол (696, Х=NH, Hal=Br); при действии на фуран комплекса брома с диоксаном (диоксандибромида) образуется 2-бромфуран (796, X=O, Hal=Br).

4. Ацилирование проходит чаще всего при действии ангидридов карбоновых кислот; для фурана используют в качестве катализатора SnCl₄ или BF₃, для тиофена – AlCl₃. Образуются кетоны – 2-ацилпроизводные (797).

5. Формилирование – специфический частный случай ацилирования – можно (как и для фенолов) проводить по Вильсмайеру, т.е. системой диметилформамид – РОС1₃ (стр. 243), по Раймеру-Тиману – системой СНС1₃ – КОН (стр. 243) – для пиррола, а также системой НСN – HCl (для пиррола и фурана). Продукты формилирования – альдегиды (2-формилпроизводные) (798). Особенно важное значение имеет формилирование производных пиррола, поскольку пиррол-2-альдегиды используются в синтезах важных природных систем – порфиринов, входящих, в частности, в состав хлорофилла и гемоглобина.

6. Азосочетание происходит при взаимодействии пиррола (но не фурана и тиофена) с солями арилдиазония; образуются азосоединения (799), содержащие пиррольный фрагмент. Эти реакция, как и формилирование, подчеркивает сходство пиррола с фенолами и ароматическими аминами.

Еще одна важная электрофильная реакция, специфичная для пиррола – конденсация с карбонильными соединениями; здесь также наблюдается аналогия с фенолами (см. конденсацию фенола с формальдегидом, стр. 200). Реакция идет отчасти аналогично фенол-альдегидной конденсации и может привести к образованию полимерных продуктов; однако в некоторых случаях могут быть выделены циклические тетрамеры:

В частности, при взаимодействии пиррола с бензальдегидом в кислой среде образуется циклический тетрамер (800), который под действием кислорода воздуха окисляется в тетрафенилпорфирин (801).