Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Функциональные производные углеводородов. Учебное пособие
.pdf
По природе гетероатома
азириди
н
пирро
лNпиридин
фуран
н
Азотсодержащие гетероциклические соединения имеют атом
азота в цикле
H
N
N
H
Кислородсодержащие гетероциклические соединения имеют
атом кислорода в цикле
O
оксиран
оксетан
O
O
фуран
и так далее.
По наличию ароматичности
Неароматические гетероциклические соединения не имеют
плоской циклической сопряженной системы, содержащей (4n+2) πэлектронов, где n=0, 1, 2, 3…
O
O
тетрагидро-
O
1,4-диоксан
N
H
пирролидин
N
H
пипериди
Для этих соединений характерны свойства, типичные для
ациклических соединений соответствующих классов. Например,
тетрагидрофуран и 1,4-диоксан обладают свойствами простых
эфиров, а пирролидин и пиперидин – свойствами вторичных аминов.
Ароматические гетероциклические (гетероароматические)
соединения представляют собой плоские сопряженные системы,
содержащие (4n+2) π-электронов в циклах.
..
O
..
фуран
..
S
..
тиофен
191
N
..
пиридин
По числу гетероатомов и конденсированных циклов
4
4
6
8
пурин
(β) 3
пиразол
N
3
4
оксазол
3
4
Гетероциклические соединения могут различаться числом
гетероатомов в цикле и числом конденсированных циклов в
молекуле.
5
6
N
2
N
1
пиримидин
3
3
5
6
7
N
1
H
1
2
N
2
N
3
индол
7
5
N
N
4
9
H
8.2. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ.
ПИРРОЛ, ФУРАН, ТИОФЕН
Ниже показаны структурные формулы некоторых пятичленных
ароматических гетероциклических соединений с одним и двумя
гетероатомами и нумерация атомов в их молекулах.
5 (α)
..
O
..
1
фуран
(β) 3
(α) 2
5 (α)
..
N
1
H
пиррол
(α) 2 (α) 2
5 (α)
тиофен
N
(β) 34 (β) 4 (β) 4 (β)
..
S
..
1
34
H
N
2
1
5
2
O
1
5
N
2
N
1
5
H
имидазол
8.2.1. Способы получения
1) Промышленные источники и способы получения
пятичленных гетероциклов
Пиррол и тиофен в небольших количествах содержатся в
каменноугольной смоле (менее 1%).
Пиррол получают из лактозы или галактозы:
CHOH CHOH
лактоза,
галактоза
CHOH
CO2NH
CHOH
CO2NH
4
- NH3, -2CO2, -4H2O
4
toC
N
H
192
Фуран содержится в пентазансодержащем сырье (шелуха семян
S
овса, солома, древесина, целлюлоза). При кислотном гидролизе
стеблей кукурузы и других растительных отходов получают
фурфурол, а из него фуран:
Тиофен в промышленности может быть получен при
взаимодействии бутана с серой при температуре 560°С:
CH3CH2CH2CH
3
+ 4 S
560oC
+ 3 H2S
2) Общие способы получения
а) Синтез Кнорра является наиболее важным и широко
используемым методом получения пиррола, основан на
взаимодействии α-аминокетонов с ацетоуксусным эфиром:
б) Синтез Ганча представляет собой реакцию α-галогенкетонов
с β-кетоэфирами и аммиаком:
В качестве побочного продукта может образовываться
соответствующий фуран.
в) Синтез фуранов по Фейсту – Бенари
R
1
пиридин
+
R1COCH2Cl
R2COCH2COOC2H
193
5
- H2O,
.
- Py HCl
O
COOC2H
R
2
5
г) Реакция Пааля–Кнорра (циклизация дикарбонильных
O
соединений). Пятичленные гетероциклы и большинство их
замещенных могут быть получены циклизацией дикарбонильных
соединений.
P2S5, t
RR
RR
RR
R C
CH CH
O
O
S
NH3, t
C R
N
H
P2O5, t
Реакцию проводят в запаянных трубках без растворителя.
д) Реакция Юрьева. Гетероциклы при определенных условиях
могут переходить друг в друга. Условиями этого взаимного перехода
являются температура 450°С, катализатор Al
2O3
:
Практическое значение имеет синтез пиррола и тиофена из более
доступного фурана.
8.2.2. Физические свойства
Пиррол – бесцветная жидкость с т. кип. 130°С, с характерным
запахом, на воздухе и на свету окрашивается в красно-коричневый
цвет и осмоляется.
Фуран – бесцветная жидкость с т. кип. 31°С, имеет запах
хлороформа, в воде не растворяется.
194
Тиофен – бесцветная жидкость с т. кип. 84.1°С, обладает слабым
H
запахом, не растворяется в воде, смешивается с органическими
растворителями.
8.2.3. Строение пятичленных гетероциклов
Молекулы всех пятичленных ароматических циклов имеют
плоское строение
Каждый из атомов углерода и гетероатомов в этих соединениях
находится в состоянии sp
2
-гибридизации и имеет по одной
негибридизованной р
-орбитали, ориентированной перпендикулярно
z
плоскости цикла. Ароматический секстет π-электронов в этих
молекулах образуется за счет π-электронов атомов углерода и
неподеленной пары электронов гетероатома, находящихся на
негибридизованных р
-орбиталях. Ниже представлена атомно-
z
орбитальная модель тиофена
H
. .
H
H
. .
H
S
..
..
S
Пятичленные гетероциклы обладают ароматичностью, однако у
фурана, тиофена и пиррола она выражена слабее, чем у бензола.
Ароматичность пятичленных гетероциклов зависит от
электроотрицательности атомов азота, кислорода и серы и
уменьшается в ряду: тиофен > пиррол > фуран. Это проявляется в
химических свойствах: они склонны к реакциям окисления и
присоединения.
Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом относятся к
типу электроноизбыточных систем: шесть π-электронов в их
молекулах делокализованы между пятью атомами цикла. Это
195
является причиной их повышенной реакционной способности,
H
O
особенно в реакциях электрофильного замещения. Относительная
активность пятичленных гетероциклов в реакциях S
понижается в
E
ряду: пиррол > фуран > тиофен.
Кроме того, электронная плотность в молекулах пятичленных
гетероциклов распределена неравномерно. Наибольший
отрицательный заряд сосредоточен в α-положении, так как
гетероатом отдает свои электроны в кольцо:
8.2.4. Химические свойства
1) Кислотно-основные превращения (взаимодействие с
кислотами и щелочами)
Каждый гетероцикл может выступать в качестве основания,
присоединяя протон или вступая в реакцию по гетероатому с
кислотой Льюиса.
Сила пиррола и фурана как оснований не может быть определена
точно, так как они полимеризуются в кислом растворе.
Протонирование происходит предпочтительно по α-углеродным
атомам кольца:
H
H
H
H
N
H
O
H
H
H
H
O
..
N
H
..
δ−
δ−
+ H
+ H
+
N
+
H
H
H
H
N
H
O
Ацидофобные свойства фурана и пиррола ограничивают
возможность проведения реакции в кислых средах, так как в этих
условиях протекают реакции окисления, осмоления, полимеризации.
Тиофен в кислой среде не утрачивает своих ароматических
свойств.
196
Фуран и тиофен устойчивы к действию щелочей, а пиррол
является слабой кислотой и при взаимодействии со щелочами
образует соли:
К или КОН (сплавление)
N
H
CH3MgBr
N
MgBr
N
K
+ CH
4
Пиррол более сильная кислота, чем аммиак или первичные
амины.
2) Присоединение водорода (восстановление)
Ni
+ 2 H
2
O
+ 2 H
S
100-150oC
Ni
2
2-5 атм.
O
S
тетрагидрофуран (ТГФ)
тетрагидротиофен (ТГТ)
Фуран и тиофен атомарным водородом не гидрируются.
Восстановление тиофена при помощи никеля Ренея приводит к
разрушению кольца с образованием бутана.
Пиррол гидрируется и молекулярным водородом, и водородом в
момент выделения.
3) Реакции окисления
Тиофен окисляется с большим трудом, а пиррол и фуран –
довольно легко, с сохранением циклической системы.
197
O
Под действием надкислот тиофен окисляется в тиофен 1,1диоксид.
2 RCOOOH
S
- 2 RCOOH
S
O
4) Реакции электрофильного замещения
Пятичленные гетероциклы вступают в реакции электрофильного
замещения. К ним относятся реакции нитрования, сульфирования,
галогенирования, ацилирования и алкилирования.
Для пятичленных гетероциклов они протекают в более мягких
условиях, чем для бензола, так как пиррол, фуран и тиофен являются
электроноизбыточными системами, что способствует
электрофильному замещению. В связи с повышенной
чувствительностью пятичленных гетероароматических соединений к
сильным кислотам для реакций электрофильного замещения
применяют модифицированные электрофильные реагенты, при
использовании которых исключается кислая среда. С использованием
таких реагентов реакции с пятичленными гетероциклами протекают в
мягких условиях и с хорошими выходами. Реакции замещения идут в
положение 2 (5) цикла.
Атака в положение 2:
Атака в положение 3:
198
S
S
C
l
S
S
S
N
O
2
H
O
В первом случае σ-комплекс более стабилен (3 резонансные
структуры), во втором случае менее стабилен (2 резонансные
структуры).
Рассмотрим реакции электрофильного замещения отдельно для
каждого гетероцикла.
а) Электрофильное замещение в тиофене и его гомологах.
1. Хлорирование тиофена производится хлористым сульфурилом:
+ SO2Cl
2
+ SO2 + HCl
2. Сульфируется тиофен 96%-ной серной кислотой с
образованием 2-тиофенсульфокислоты:
S
+ H2SO
4
SO3H
+ H2O
3. Нитрование осуществляется ацетилнитратом:
+ CH3COONO
10oC
2
(CH3CO)2O
+ CH3COO
Ацетилнитрат может быть получен при взаимодействии азотной
кислоты или нитрата меди (II) с уксусным ангидридом.
4. Тиофен легко ацилируется уксусным ангидридом в
присутствии хлорной кислоты:
HClO
(CH3CO)2O
+
S
комн. t
4
C
S
CH
+ CH3COOH
3
5. Формилирование проводят диметилформамидом в присутствии
POCl3:
199
6. Получение ртутных производных:
O
O
O
O
O2N
5-нитро-2-ацетилтиофе
н
4-нитро-2-ацетилтиофе
н
7. Бромирование:
+ Br
S
48% HBr
2
- 5oС
Br
S
Для бромирования тиофена также можно использовать Nбромсукцинимид:
+
S
N
Br N
Br
S
H+
8. Йодирование проводят йодом в присутствии азотной кислоты.
В качестве растворителя используют диоксан или низшие
спирты.
При нитровании 2-ацетилтиофена азотной кислотой в уксусном
ангидриде образуется смесь изомеров:
O
C
S
CH
+ HNO
3
(CH3CO)2O
3
O2N
S
48%
C
O
CH
C
32%
O
CH
3
+
S
3
Использование различных условий позволяет изменить
соотношение изомеров. Если реакцию проводить в сильнокислой
среде, то будет образовываться 25% 5-нитро-2-ацетилтиофена и 75%
4-нитро-2-ацетилтиофена.
200
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]