Реакции присоединения

Тиофен, по сравнению с фураном и пирролом, менее охотно вступает в реакции присоединения, предъявляет особые требования к катализаторам, продукты присоединения не отличаются устойчивостью.

Как диен тиофен способен реагировать в условиях реакции Дильса-Альдера только с очень активными диенофилами, например, с диметиловым эфиром ацетилендикарбоновой кислоты

Продукт реакции легко теряет серу и превращается в диметиловый эфир о-фталевой кислоты. Подобным же образом идет реакция с участием дицианацетилена.

Уже при 30⁰С тиофен присоединяет хлор с образованием тетрахлортиофана, который при обработке щелочью превращается в смесь дихлортиофенов

В отличие от бензола тиофен способен восстанавливаться по Берчу металлическим натрием в жидком аммиаке, содержащим метанол, тиофен образует 2- и 3-тиолены

Общий выход тиоленов в этой реакции не превышает 40%, т.к. дигидротиофены восстанавливаются дальше с раскрытием кольца и образованием бутентиолов.

Каталитическое гидрирование тиофена представляет определенные трудности. Это связано с тем, что, как и любое серосодержащее соединение, тиофен «отравляет» катализатор, особенно Ni и Pt. Реакцию удается осуществить только с Pd, взятым с большим избытком

В связи со сказанным, особенно замещенные тиофаны предпочитают получать не из тиофена, а иными способами, например, реакцией 1,4-дигалогеналканов с сульфидом натрия

Тиофаны легко окисляются по атому серы до сульфоксидов и сульфонов

И в этом случае продукты окисления тиофана лучше получать не окислением тиофана, а синтезом из бутадиена и диоксида серы

Сульфолан – прекрасный диполярный и апротонный растворитель. Тиофановый фрагмент входит в молекулу природного вещества биотина (витамина Н), который необходим для роста микроорганизмов

Биотин был выделен Кюглем и дю Виньо в 1942 г. из яичного белка и печени.

Большое синтетическое значение имеет реакция гидрирования тиофена в присутствии никеля Ренея. В ходе этой реакции происходит удаление серы и, одновременно, восстановление углеродного скелета гетероцикла – восстановительная десульфуризация

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что на основе рассматриваемой реакции появляется возможность введения в молекулу органического соединения фрагмента из четырех углеродных атомов. Сочетание в синтезе реакций электрофильного замещения тиофена с последующей восстановительной десульфуризацией позволяет получать длинноцепочечные алифатические моно- и дикарбоновые кислоты, амины, аминокислоты и др. Например,

11.5. Пиридин

Пиридин – представитель шестичленных гетероциклов с одним гетероатомом, в качестве которого выступает атом азота

Монометилпиридины называются пиколинами, диметилпиридины – лутидинами, триметилпиридины – коллидинами. Насыщенный пиридиновый цикл носит название пиперидина.

Пиридин стал известен с 1851 г., когда его выделили из костяного масла, а несколько позже – из каменноугольной смолы (1854 г.)

Методы получения. Как уже было отмечено, пиридин выделяется из каменноугольной смолы. К сожалению, содержание его в этом источнике не превышает 0,1%.

Из синтетических методов получения пиридина значение имеют методы, основанные на превращениях акролеина и насыщенных и ненасыщенных альдегидов.

По методу Чичибабина (1937 г.) замещенные пиридины получают из альдегидов и аммиака (лучше использовать альдегидоаммиаки) при нагревании при 250^оCв присутствии ацетата аммония

В реакцию с аммиаком может вступить и непредельные альдегиды

Практически важный синтез замещенных пиридинов основан на нагревании смеси диенового углеводорода и нитрила при 400^оС

Метод получения пиридина из ацетилена и аммиака был разработан Реппе. Реакция протекает в присутствии сложных никелевых или кобальтовых катализаторов

Соединение с насыщенным пиридиновым кольцом – пиперидин – можно получить нагреванием гидрохлорида пентаметилендиамина

Из более сложных синтезов приведем синтез коллидина по Ганчу. В этом синтезе из ацетоуксусного эфира и альдегида (в виде альдегидоаммика) получают этиловый эфир 2,4,6-триметил-1,4-дигидропиридин-3,5-дикарбоновой кислоты. В полученном продукте азотистой кислотой окисляют два водорода и создают, тем самым, замещенное пиридиновое кольцо. Затем следует стадия гидролиза и декарбоксилирования

Химические свойства. Пиридин представляет собой почти правильный шестиугольник, все атомы которого лежат в одной плоскости. По геометрическим параметрам пиридиновое кольцо похоже на бензольное

Атомы углерода в пиридине находятся в sp²-гибридном состоянии. На образование ароматического секстета пять углеродов дают по одному р-электрону, а шестой электрон поставляет атом азота, тот, который не участвует в гибридизации. Ось этой орбитали перпендикулярна к плоскости расположения всех атомов и связей пиридинового кольца. Из трех гибридных орбиталей азота две используются на образование σ-связей с двумя соседними атомами углерода, а на третьей орбитали находится неподеленная пара электронов

В соответствии с приведенным строением – пиридин представляет собой циклическое, плоское образование с хюккелевским числом р-электронов (4n+2=6 при n=1) и обладает ароматическим характером. Кроме того, за счет неподеленной пары электронов азота – основностью.

Картину строения пиридина дополняет значительный дипольный момент (2,26 D) пиридина, обусловленный большой электроотрицательностью атома азота, а также неравномерное распределение плотности π-электронного облака у атомов гетероцикла. Методом молекулярных орбиталей Хюккеля получено следующее распределение π-зарядов на атомах пиридинового кольца

Отсюда видно, что пиридиновое кольцо обеднено электронами, особенно 2- и 4-положения. При этом имеется незначительная π-электронная избыточность в β-положениях.

Известно, что пиридин способен вступать:

- в реакции присоединения с участием атома азота,

- в реакции электрофильного замещения,

- в реакции нуклеофильного замещения,

- проявить основность.

Рассмотрим превращения пиридина более подробно.

Реакции электрофильного присоединения по азоту

В основе электрофильного присоединения и основности пиридина лежит одна и та же причина – наличие у азота свободной электронной пары.

В реакциях электрофильного присоединения по азоту ароматический характер пиридинового кольца сохраняется.

Пиридин способен алкилироваться по азоту. При взаимодействии этого гетероцикла с алкилгалогенидом образуются N-алкилпиридиниевые соли

Подобные реакции оказались весьма чувствительными к наличию любых по электронным эффектам заместителей во 2- и 6-положениях кольца. Создаваемые заместителями пространственные затруднения приводят к тому, что, например, 2-трет-бутилпиридин вообще не алкилируется по атому азота. Интересно при этом, что при алкилировании по углеродным атомам пиридина, стерический фактор не столь существенен.

Подобно алкилированию протекает и N-ацилирование пиридина с образованием N-ацилпиридиниевых солей

Для таких солей было найдено неожиданное применение. Установлено, что они могут служить ацилирующими средствами. Их ценность заключается в том, что указанные производные пиридина можно использовать при ацилировании ацидофобных соединений

Раньше было показано, что для сульфирования ацидофобных соединений (фуран, пиррол) часто применяется пиридинсульфотриоксид, представляющий собой продукт сульфирования пиридина триоксидом серы по атому азота

Пиридинсульфотриоксид гидролизуется горячей водой в пиридиний-гидросульфат

Для целей введения нитрогруппы в пиридин использование азотной кислоты нежелательно, т.к. при этом гетероцикл выступает просто как основание и дает соответствующую соль. К нитрованию по атому азота ведет использование оксида азота, нитрониевых солей, например, борфторида нитрония

Это производное пиридина является мягкодействующим нитрующим агентом.