Основные термины и их определения: Представители пятичленная гетероциклических соединений с одним гетероатомом
пиррол
фуран
тиофен
Способы получения
Общие способы получения пиррола, фурана и тиофена
1. Циклизация 1,4-дикарбонильних соединений (синтез Паале - Кнорра). При действии на 1,4-дикарбонильные соединения водоотнимающих реагентов (конц. H2SO4, P2O5) 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 фуранов, пиррола и тиофена (t ~ 450 ° C, катализатор - А12О3).
Специфические способы получения
1. Получение пиррола: из природных источников путем перегонки каменноугольной смолы, а также богатых белками материалов (кости, костный мозг и т. Д.); синтетическим путем при нагревании диаммонийной соли слизевои кислоты:
2. Получение фуранов: в лабораторных условиях фуран получают сухой перегонкой слизистой кислоты:
3. Получение тиофена. В промышленности тиофен получают двумя методами: при парофазный циклизации Бутана с серой; по реакции Чичибабина при пропускании смеси ацетилена с сероводородом над катализатором А12О3:
Физические свойства
Пиррол, фуран и тиофен - бесцветные жидкости с запахом; малорозчини в воде, хорошо растворимые в этаноле и неполярных растворителях. На воздухе окисляются и осмоляються.
Ароматичность пятичленных гетероциклов.
Наличие плоского цикла.
В сопряжение вступает неподеленная пара электронов гетероатомов.
Число обобщенных электронов соответствует правилу Хюккеля (4n + 2)
Атом азота в Sр2-гибридизации, который имеет электронную конфигурацию, в которой неподеленная пара электронов занимает негибридизованную атомную орбиталь, называется пиррольным. По аналогии с пирролом гетероатом, вносящий в π-электронную систему два электрона, называется гетероатом пиррольного типа.
Системы пиррола, фурана и тиофена относятся к π-электроноизбыточным ароматическим системам (шесть π-электронов приходится на пять атомов цикла). Тиофен по своему химическому поведению в наибольшей степени напоминает бензол. Фуран имеет наименее выраженный ароматический характер. Пиррол занимает промежуточное положение.
Общие химические свойства пиррола, фурана и тиофена
1. Взаимодействие с минеральными кислотами. Фуран и пиррол в присутствии минеральных кислот подвергаются протонированию. Процесс протонирования сопровождается потерей ароматичности и образованием полимерных продуктов темного цвета. Такое отношение к кислотам называется ацидофобностью, от латинского «acidum» – кислота и греческого «фобос» – страх. Тиофен не является ацидофобным. Введение в фурановое и пиррольное кольцо электроноакцепторных заместителей (-NO2, -COOH, -СОН и др.) Приводит к снижению ацидофобности.
2. Реакции электрофильного замещения (SE). В первую очередь замещается атом водорода при -атоме углерода.
Сульфирования. Для сульфирования фурана и пиррола используют мягкий сульфирующий реагент – пиридинсульфотриоксид, не имеющий кислотных свойств, но сохраняет сульфирующее действие:
Тиофен легко сульфируется концентрированной серной кислотой на холоде.
Нитрование. Нитрование фурана, пиррола и тиофена проводят ацетилнитратом – продуктом взаимодействия азотной кислоты с уксусным ангидридом:
Нитрование тиофена можно проводить концентрированной азотной кислотой.
Ацилирование. При ацилировании ацидофильных гетероциклов используют ангидриды карбоновых кислот в присутствии катализатора хлорида алюминия А1С13:
Галогенирование осуществляют с помощью сульфурилхлорида SO2C12. Происходит постепенное замещения атомов водорода на галогены.
Тиофен галогенируется на холоде непосредственным действием галогена.
Реакция с йодом протекает медленно в присутствии катализатора HgO.
3. Реакции присоединения.
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 (пиролиза) происходит при действии цинка в уксусной кислоте (водородом в момент выделения).
2) Реакции окисления. Фуран и пиррол легко окисляются даже кислородом воздуха. Окисление фурана приводит к образованию малеинового ангидрида:
При окислении пиррола образуется амид малеиновой кислоты.
Специфические химические свойства пиррола
1. Кислотно-основные свойства пиррола. Пирольний атом азота сообщает ароматической системе свойства кислоты и в реакциях с основаниями способен замещаться на металл с образованием солей – пирролидов.
Химические свойства пирролида калия
Соли пиррола является реакционно активными веществами. Направление реакции зависит от температурного режима:
Алкилирование
Ацилирование
В условиях реакции Кольбе - Шмитта пирролид натрия карбоксилируется оксидом углерода (IV):
Пирролид натрия формилируется в условиях реакция Раймера - Тимана:
Методы идентификации пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом
В парах фурана сосновая лучина, смоченная соляной кислотой, окрашивается в интенсивно-зеленый цвет;
в парах пиррола - ярко-красный.
Тиофен открывают индофениновой пробой: смесь изатина с концентрированной серной кислотой в присутствии тиофена окрашивается в синий цвет.
3. Граф логической структуры
4. Источники информации
Органическая химия. Учебник для высших фармацевтических учебных заведений. В 3 кн. / В.П. Черных, Б.С., Зименковський И.С., Гриценко. - Харьков: Основа, 1997. - Кн. 3 - с. 22-47.
Лекции по органической химии В.П. Черных: Учеб. пособие для студ. вузов. - М .: Издательство НФаУ: Золотые страницы, 2005, с. 332-344.
Общий практикум по органической химии / В.П. Черных и др. - Харьков: Изд-во НФАУ; Золотые страницы, 2002. - с. 331-337.
Сборник тестов по органической химии / Под ред. В.П.Черных. - Харьков 2005, с. 244-264.
ОРИЕНТИРОВОЧНАЯ ОСНОВА ДЕЙСТВИЙ (ООД)
Алгоритм обнаружения признаков ароматичности гетероциклических соединений
учебные ЗадаНИЯ
Задание 1
Используя алгоритм выявления признаков ароматичности докажите, что пиррола, фурана и тиофена является ароматическими соединениями.
Задание 2
На основании электронного строения объясните, почему пиррол, фуран и тиофен является π-избыточными электронными системами и как это вытекает на их реакционную способность.
Задание 3
Определите и назовите гетероциклические соединения, образующиеся при нагревании: а) гександиону-2,5 и фосфора (V) оксида; б) янтарного альдегида и конц. серной кислоты; в) гептандиону-2,5 и аммиака. Составьте схемы добычи.
Задание 4
Напишите схемы реакций и назовите продукты взаимодействия пиррола со следующими реагентами: а) NaNH2, б) H2O (Al2O3, 450oC, в) 2H2 (Pt), г) H2CrO4,
задания для проверки достижения конкретных целей обучения
1. В синтезе лекарственного средства была использована гетероциклическая нитрогеновмисна соединение, отвечающее всем признакам ароматичности. Выберите такое соединение.
A.
B.
C.
D.
E.
2. Пятичленна гетероциклических соединений по строению максимально насыщенной с атомом азота пирольного типа. Выберите такое соединение.
A.
B.
C.
D.
E.
3. Добыча пятичленного гетероцикла с одним гетероатомом проводят по методу Пааль-Кнорра по схеме:
В результате реакции получают производные:
фурана
пиррола
пиразола
имидизола
индола
4. Добыча тиофена проводят с помощью синтеза Юрьева. Выберите ответную реакцию:
A.
B.
C.
D.
E.
5. Пиролид калия принимает участие в органическое синтезе и реагирует с уксусным хлорангидридом при нагревании по схеме:
Определите продукт реакции.
A.
B.
C.
D.
E.
6. Пиррол сульфаты мягким сульфуючим агентом - пиридинсульфотриоксид по схеме:
Определите продукт реакции.
А
В
С
D.
Е
7. С каким из приведенных реагентов пиррол образует соль?
Амидом калия
Хлоридом калия
Сульфатом калия
Сульфатной кислотой
Хлоридной кислотой
8. При извлечении фуранов, его наличие можно идентифицировать в момент образования. По каким признакам это можно сделать?
выпадение синего осадка
окраску пламени в красный цвет
появление белых пар
окраски сосновой лучины в зеленый цвет
выделение газа с характерным запахом
Эталоны ответов:
1.А, 2.E, 3.B, 4.C, 5.E, 6.C, 7.A, 8.D.