27. Трех-, четырех- и пятичленные гетероциклические соединения... 1 Лекция 23. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Важнейшими представителями этой группы соединений являют­ся пиррол, фуран и тиофен:

Названия одновалентных радикалов приведенных гетероциклов образуют с помощью суффикса -ил, указывая цифрой или буквой гре­ческого алфавита положение свободной валентности:

Способы получения

Общие способы получения пиррола, фурана и тиофена

1. Циклизация 1,4-дикарбонильных соединений (синтез Паале — Кнор- ра). При действии на 1,4-дикарбонильные соединения водоотнимаю­щих реагентов (конц. H₂S0₄, Р₂0₅) получают фуран и его производ­ные, при использовании аммиака — пиррол и его гомологи, пента­сульфида фосфора P₂S₅ — тиофен и его производные.

2. Цикл реакций Юрьева. Позволяет осуществить взаимные превра­щения фурана, пиррола и тиофена (t ~ 450 °С, катализатор — А1₂0₃).

Специфические способы получения

1. Получение пиррола:

а) из природных источников путем перегонки каменноугольной смо­лы, а также богатых белками материалов (кости, костный мозг и т. д.);

б) синтетическим путем при нагревании оиаммонийной соли слизе­вой кислоты:

в) при перегонке сукцинимида в присутствии цинковой пыли:

2.Получение фурана:

а) в лабораторных условиях фуран получают сухой перегонкой слизе­вой кислоты.

б) в промышленности фуран получают из альдопентоз, которые при нагревании с водоотнимающими средствами подвергаются внутримо­лекулярной дегидратации.

Образовавшийся фурфурол окисляют до пирослизевой кислоты, термическое декарбоксилирование которой приводит к фурану:

3.Получение тиофена. В промышленности тиофен получают дву­мя методами:

а) при парофазной циклизации бутана с серой;

б) по реакции Чичибабина при пропускании смеси ацетилена с се­роводородом над катализатором А1₂0₃:

Физические свойства

Пиррол — бесцветная жидкость с запахом, напоминающим запах хлороформа; t_кип 130 °С; мало растворим в воде, хорошо растворим в этаноле и бензоле. На воздухе темнеет и осмоляется.

Фуран — бесцветная жидкость со своеобразным запахом, напо­минающим запах хлороформа: t_кип 32 °С: нерастворим в воде, хорошо растворяется в этаноле и диэтиловом эфире.

Тиофен — бесцветная жидкость со слабым запахом сернистых со­единений; t_кип 84 °С; нерастворим в воде, хорошо растворим в этаноле, эфире и бензоле. Устойчив к высокой температуре. Окисляется на свету.

Химические свойства

Ароматичность пятичленных гетероциклов с двумя π-связями обусловлена тем, что в сопряжение с π-электронами двойных свя­зей вступает неподеленная пара электронов гетероатомов О, N или S. Образуется замк­нутая, сопряженная система, в которой число обобщенных электронов отвечаем правилу Хюккеля (4п + 2).

В молекуле пиррола атомы углерода и атом азота находятся в со­стоянии sp²-гибридизации. За счет sp²-гибридизованных орбиталей каждый атом, входящий в состав цикла, образует три σ-связи, распо­ложенные в плоскости кольца. При этом у атомов углерода и атомов азота остается по одной негибридизованной p-атомной орбитали, ко­торые расположены параллельно друг другу в плоскости, перпендику­лярной плоскости кольца. Каждая из p-атомных орбиталей атомов уг­лерода имеет один электрон, а на p-орбитали атома азота находится неподеленная пара электронов. При перекрывании р-орбиталей об­разуется единый ароматический секстет, охватывающий все атомы цикла.

Атом азота в sр²-гибридизации, имеющий электронную конфигура­цию, в которой неподеленная пара электронов занимает негибридизованную р-атомную орбиталь, называется пиррольным.

По аналогии с пирролом гетероатом, вносящий в π-электронную систему два электрона, занимающих р-АО, и образующий с другими атомами только σ-связи, называется гетероатомом пиррольного типа

Реакционная способность пиррола, фурана и тиофена определя­ется наличием в их структуре цикла с π-электроноизбыточной арома­тической системой (шесть π-электронов приходится на пять атомов цикла). Однако степень ароматичности указанных гетероциклов ниже, чем у бензола, и зависит от природы гетероатома. Тиофен по своему химическому поведению в наибольшей степени напоминает бензол.

Фуран имеет наименее выраженный ароматический характер. В не­которых реакциях фуран ведет себя как ненасыщенное (диеновое) со­единение. Пиррол занимает промежуточное положение.

Вследствие различной электроотрицательности гетероатома в мо­лекулах пиррола, фурана и тиофена, в отличие от бензола, электрон­ная плотность распределена неравномерно. Следует отметить, что на атомах углерода в α-положении электронная плотность выше, чем в β-положении, что и определяет направленность протекания реак­ции электрофильного замещения.

А. Общие химические свойства пиррола, фурана и тиофена

1. Взаимодействие с минеральными кислотами. Фуран и пиррол проявляют высокую реакционную способность в реакциях даже с та­ким слабым электрофилом, как протон. В присутствии минеральных кислот гетероциклы подвергаются протонированию, которое может осу­ществляться преимущественно по α-положению. Процесс протониро­вания сопровождается потерей ароматичности.

Образовавшиеся структуры I и II лишены ароматичности, и в даль­нейшем происходит либо разрыв цикла с образованием полимера (наи­более вероятный процесс для фурана), либо полимеризация с сохра­нением цикла.

Присоединение протона может происходить и по гетероатому с образованием фуроксониевых и пирролиевых солей с последующей их полимеризацией:

Таким образом, фуран и пиррол в присутствии минеральных кис­лот осмоляются, образуя полимерные продукты темного цвета. Такое отношение к кислотам называется ацидофобностью, от латинского acidum — кислота и греческого «фобос» — страх.

Введение в фурановое и пиррольное кольцо электроноакцептор­ных заместителей (-NO_2, -СООН, -СОН и др.) приводит к снижению ацидофобности.

Тиофен из-за своей жесткой ароматической структуры не облада­ет ацидофобностью. Это связано со способностью атома серы в дан­ных условиях изменять свою гибридизацию и неспособностью обра­зовывать сульфониевые соли.

2. Реакции электрофильного замещения (S_E). Как отмечалось выше, электронная плотность в молекулах фурана, пиррола и тиофена рас­пределена неравномерно, что связано с наличием и природой гетеро­атома. Пара электронов гетероатома сопряжена с π-электронами коль­ца, электронная плотность на гетероатоме понижается, а в α-положе­ниях — повышена (аналогично влиянию донорных заместителей в орто-положениях аренов).

В первую очередь замещается атом водорода при α-углеродном ато­ме; если это положение занято, то замещение протекает по β-положе­нию. Такая направленность замещения обусловлена тем, что при уча­стии α-углеродных атомов образуется более устойчивый σ-комплекс, благодаря большей возможности для делокализации положительного заряда.

Сульфирование. При проведении реакций S_E необходимо помнить об ацидофобности и высокой реакционной способности фурана и пиррола.

Для сульфирования фурана и пиррола используют мягкий суль­фирующий реагент — пиридинсульфотриоксид:

Пиридинсульфотриоксид не обладает кислотными свойствами, но сохраняет сульфирующее действие.

Тиофен легко сульфируется концентрированной серной кислотой на холоду:

Нитрование. Нитрование фурана, пиррола и тиофена проводят аце- тилнитратом — продуктом взаимодействия азотной кислоты с уксус­ным ангидридом:

Нитрование тиофена можно проводить концентрированной азот­ной кислотой, однако предпочтение отдают ацетилнитрату.

Ацилирование. При ацилировании ацидофобных гетероциклов в качестве ацилирующих реагентов используют ангидриды карбоновых кислот в присутствии катализаторов — кислот Льюиса (тетрахлорид олова, хлорид цинка и др.). Тиофен ацилируют хлорангидридами кар­боновых кислот в присутствии катализатора хлорида алюминия А1С1₃:

Галогенирование. Прямое галогенирование фурана и пиррола про­текает очень бурно, реакция поддается контролю с трудом и может привести к разрушению гетероциклических ядер. Галогенирование осуществляют с помощью сульфурилхлорида S0₂C1₂. Происходит по­степенное замещение атомов водорода на галогены.

Тиофен галогенируется на холоду непосредственным действием га­логена (хлора или брома). Образуются моно-, ди-, три- и тетразамещенные производные тиофена:

Реакция с йодом протекает медленно в присутствии катализатора HgO.

3. Реакции присоединения. Для пятичленных гетероциклов реакции присоединения менее характерны, чем реакции электрофильного за­мещения. Рассмотрим реакции восстановления, окисления и диено­вый синтез.

1. Реакции восстановления. Восстановление фурана происходит при высокой температуре (140 °С) при давлении 100—150 атм в при­сутствии катализатора (никель Ренея, палладий).

Восстановление тиофена происходит легко при комнатной тем­пературе и давлении в присутствии катализатора — палладия.

Частичное восстановление пиррола с образованием 2,5-дигидро­пиррола (пирролина) происходит при действии цинка в уксусной кис­лоте (водородом в момент выделения). Полное восстановление пиррольного цикла до тетрагидропиррола (пирролидина) осуществляют в условиях каталитического гидрирования над платиновым или пал­ладиевым катализатором.

2. Реакции окисления. Фуран и пиррол чрезвычайно чувствитель­ны к действию окислителей. Легко окисляются даже кислородом воз­духа. Окисление проходит с разрывом гетероциклического ядра и об­разованием пиррольных и фурановых полимерных смол. Пропуска­ние смеси фурана с воздухом над катализатором V₂0₅ и температуре 320 °С приводит к образованию малеинового ангидрида:

При окислении пиррола хромовой кислотой образуется имид ма- леиновой кислоты.

Тиофен окисляется с большим трудом.

3. Диеновый синтез. Занимая промежуточное положение между ароматическими соединениями и 1,3-диенами, фуран вступает в ха­рактерную для сопряженных диенов реакцию Дильса — Альдера:

4. Реакции, идущие с расширением цикла, а) При нагревании фури- лалкилкетонов с аммиаком получают замешенные 3-гидроксипиридины:

б) При взаимодействии пиррол-калия с хлороформом в присут­ствии этилата натрия пиррольное ядро превращается в пиридиновое. Реакция происходит через стадию образования дихлоркарбена:

5. Взаимные превращения пятичленных гетероциклов с одним гете­роатомом. Советский химик-органик Ю.К. Юрьев в 1936 г., учитывая высокую реакционную способность гетероциклов, показал возмож­ность взаимных превращений фурана, пиррола и тиофена.

Методы идентификации пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом

Для обнаружения фурана и пиррола применяют очень простой и доступный метод — окрашивание сосновой лучины: сосновая лучин­ка, смоченная хлороводородной кислотой и фураном, окрашивается в интенсивно-зеленый цвет; в парах пиррола она приобретает ярко-красную окраску.

Тиофен открывают индофениновой пробой: смесь изатина с кон­центрированной серной кислотой в присутствии даже следов тиофена окрашивается в синий цвет.

Б. Специфические химические свойства пиррола

Пиррол относится к природным соединениям. Это бесцветная жидкость с температурой кипения 130 °С, малорастворимая в воде.

Отметим свойства, характерные для пиррола и не отмеченные в общей характеристике реакционной способности пятичленных ге­тероциклов.

1. Кислотно-основные свойства пиррола и продуктов его восстанов­ления, которые не свойственны фурану и тиофену.

Пиррол — слабая NH -кислота (рКа= 17,5), пара электронов атома азота вступает в сопряжение с π-электронами, что приводит к поля­ризации NH-связи и увеличению подвижности атома водорода.

2. Соли пиррола являются peaкционноспособными веществами и широко применяются в органическом синтезе для введения в молеку­лу пиррола алкильных и арильных заместителей. Направление реак­ции зависит от температурного режима:

Наряду с хлорангидридами карбоновых кислот в реакциях ацили- рования используют сложные эфиры.