• Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

Пиррол, фуран и тиофен являются пятичленными гетероциклическими соединениями с одним гетероатомом.

Нумерация атомов в составе гетероцикла начинается с гетероатома и идет против часовой стрелки. Положения 2- и 5-называют -положениями, 3- и 4- – -положениями.

По формальным признакам эти соединения относятся к ароматическим, так как они представляют собой сопряженные циклические -системы, в состав которых входит 6 электронов – 4 электрона диеновой системы – и пара электронов гетероатома. Цикл является практически плоским, из чего следует, что состояние гибридизации гетероатома близко к sp².

Фуран и его производные бурно реагирует с сильными, кислотами. Тиофен намного более устойчив в кислых средах, чем пиррол и фуран.

• Пиррол — ароматический пятичленный азотистый гетероцикл, обладает слабыми кислотными свойствами. Содержится вкостном масле(которое получают присухой перегонкекостей), а также вкаменноугольной смоле. Пиррольные кольца входят в составпорфиринов—хлорофилларастений,гемагемоглобиновицитохромови ряда других биологически важных соединений.

• Фуран(оксол-2,4-диен) — органическое соединение с формулой C₄H₄O. Пятичленный гетероциклс одним атомомкислорода. Представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом.

• Тиофе́н — ароматический пятичленный гетероцикл, содержащий один атом серы в цикле,

Хорошо растворим в углеводородах и др. органических растворителях, не растворим в воде. Молекула тиофена плоская.

• Получение фурана ,пиррола ,тиофена и их гомологов из 1,4-дикетонов.

Пиррол, фуран, тиофена и их производные могут быть получены из одних и тех же предшественников – 1,4-дикарбонильных соединений. Этот метод называется синтезом Пааля-Кнорра. Так, производные фурана образуются при действии на 1,4-дикетоны дегидратирующими веществами – (Р₂О₅, H₂SО₄, ZnCl₂ и др.). При взаимодействии с аммиаком или первичными аминами образуются производные пиррола. Реакция с неорганическими сульфидами, например с P₂S₅ приводит к образованию производных тиофена.

Поскольку образование гетероцикла пиррола, фурана и тиофена может происходить из одних и тех же исходных 1,4-дикарбонильных соединений, в соответствующих условиях возможны и их взаимопревращения. Эта реакция была открыта Юрьевым и носит его имя. Превращения происходят при нагревании гетероцикла в присутствие окиси алюминия при 400 °С в токе H₂S, NH₃ или H₂O, однако высокий выход достигается только в случае использования фурана в качестве исходного соединения.

Еще один общий метод получения пятичленных гетероциклов основан на использовании в качестве исходного соединения слизевой кислоты и других дикарбоновых кислот – продуктов окисления сахаров. Сухая перегонка слизевой кислоты приводит к образованию пирослизевой или -фуранкарбоновой кислоты. При пиролизе аммонийной соли слизевой кислоты образуется пиррол.

Декарбоксилирование пирослизевой кислоты является методом получения фурана.

Промышленным способом получения фурфурола – фуран-2-карбальдегида является кислотный гидролиз полисахаридов, в состав которых входят пентозы – пятиатомные сахара, содержащиеся в различном растительном сырье. Так, фурфурол получают из шелухи семян подсолнечника, кукурузных початков, соломы, отрубей, вследствие чего он и получил свое название (латинское furfur – отруби).

Далее фурфурол превращают в пирослизевую кислоту либо по реакции Канницаро, либо окислением кислородом воздуха в присутствии щелочных растворов солей меди или серебра, Полученную кислоту декарбоксилируют в фуран нагреванием до 200-250° С. Сам фурфурол так же может быть превращен в фуран нагреванием при 400 С в присутствии катализаторов – хромитов цинка или марганца.

Пиррол в промышленности получают фракционной перегонкой каменноугольной смолы и костяного масла – вещества, образующегося при сухой перегонке костей. Кроме того, его получают из фурана по методу Юрьева, а также взаимодействием ацетилена с формальдегидом и аммиаком.

Сукцинимид, по сути, является производным пиррола и может быть превращен в пиррол восстановлением цинком.

Наиболее общий лабораторный метод синтеза производных пиррола заключается во взаимодействии монооксимов -дикетонов с кетонами в уксусной кислоте в присутствие цинка (синтез Кнорра). Суть этого превращения заключается в том, что на первой стадии реакции оксимная группа восстанавливается цинком в кислой среде в аминогруппу. Кетонная группа в этих условиях не затрагивается. Далее происходит конденсация образующегося -аминокетона с кетоном, а за этим следует циклизация. Побочным продуктом в этой реакции является дигидропиразин, образующийся в результате конденсации двух молекул аминокетона между собой (стр. 68).

• ПРЕДЛОЖИТЕ МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ ДЛЯ СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ЦИКЛА В СИНТЕЗЕ ПИРРОЛОВ ПО КНОРРУ. 

ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ -АМИНОКЕТОНОВ С ЭФИРАМИ АЦЕТИЛЕНДИКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ МОГУТ БЫТЬ ПОЛУЧЕНЫ ПРОИЗВОДНЫЕ ПИРРОЛА, А ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ -ОКСИКЕТОНОВ (АЦИЛОИНОВ) С ТЕМ ЖЕ РЕАГЕНТОМ – ПРОИЗВОДНЫЕ ФУРАНА. ПРЕДЛОЖИТЕ МЕХАНИЗМ ЭТИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ОХАРАКТЕРИЗУЙТЕ УСЛОВИЯ, В КОТОРЫХ ОНИ БУДУТ ПРОИСХОДИТЬ.

С высоким выходом замещенные пирролы образуются при взаимодействии азлактонов с ацетиленами. Азлактоны -гетероциклические соединения, образующиеся при взаимодействии аминокислот с хлорангидридами карбоновых кислот. Замыкание азлактонного цикла представляет, по сути, модификацию, приводящую одновременно к увеличению кислотности С-Н связи углерода, связанного с атомом азота. Вследствие этого азлактон способен вступать в реакцию присоединения по Михаэлю по ацетиленовой кратной связи. Далее следует замыкание цикла по связи C=N в составе азлактонного цикла и отщепление молекулы CO₂, завершающее образование пиррольного цикла.

Тиофен обычно содержится в качестве примеси в бензоле, получаемом из каменноугольной смолы (до 0.5%). Температуры кипения бензола и тиофена близки (80 и 84 °С соответственно), что затрудняет их разделение перегонкой, однако бензол может быть очищен от примеси тиофена химически.

• Предложите химический метод отделения примеси тиофена от бензола, используя представления об относительной реакционной способности этих соединений.

В промышленности тиофен получают взаимодействием бутана, бутена или бутадиена с серой при высокой температуре (600°) с малым временем контакта реагирующих веществ – около 1 сек и немедленным охлаждением. При этом в реакцию вступает только часть реагентов, их отделяют от циклических продуктов, и вновь вводят в реакцию. Отметим, что сера в этой реакции выступает в качестве дегидрирующего окислителя, под действием которого гидрированные производные тиофена превращаются в тиофен.

Тиофен может быть получен в лабораторных условиях взаимодействием динатриевой соли янтарной кислоты с P₂S₃. Этот метод интересен тем, что и замещенные янтарные кислоты в тех же условиях образуют соответствующие замещенные производные тиофена.

Еще одно превращение, при котором образуется тиофен, открытое Чичибабиным, заключается во взаимодействии ацетилена с сероводородом при 400-450 °С на окиси алюминия. Эта реакция не имеет препаративного значения, однако, интересна своим сходством с реакций, тримеризации ацетилена с образованием бензола.

 

• Юрьева реакция, 

превращение фурана в его аналоги — пиррол (X = NH), тиофен (X = S), селенофен (X = Se):

Осуществляется пропусканием паров фурана соответственно с аммиаком, сероводородом или селеноводородом над окисью алюминия (Al₂O₃) при 400—450 °С. Выход 30—40%. В Ю. р. вступают также гидрированные аналоги и гомологи фурана. Например, тетрагидрофуран почти количественно превращается в тетрагидротиофен. Открыта в 1935 советским химиком Ю. К. Юрьевым (1896—1965). Применяется в органическом синтезе для получения некоторых замещенных пирролов.

• Галогенирование тиофена

• Галогенирование тиофена происходит очень быстро и как при комнатной температуре, так и при -30 °С в темноте легко проходит тетразамещение . Скорость галогенирования тиофена при 25 °С примерно в 10⁸ раз больше, чем бензола. Образование как 2,5-дибром - и 2,5-дихлортиофенов, так и 2-бром- и 2-иодтиофенов гладко происходит в различных контролируемых условиях. Контролируемое бромирование 3-бромтиофена дает 2,3-ди-бромтиофен. Трибромирование тиофена гладко протекает в 48%-ном растворе НВг. Давно известно, что при обработке полигалогенотиофенов цинком и кислотой удается селективно удалять α-галоген, что делает доступным получение 3-бромтиофена, а 3,4-дибромтиофен аналогично образуется при восстановлении тетрабромида. При использовании боргидрида натрия из 2,3,5-трибромтиофена получают 2,3-дибромтиофен (в присутствии катализатора Pd(0))или 2,4-дибромтиофен (без катализатора). Моноиодирование α-замещеиных тиофенов, независимо оттого, оказывают ли эти заместители активирующее или дезактивирующее влияние, идет по второму α-положению при действии иода и иодбензолдиацетата. 3-Алкилтио-фены можно монобромировать или моноиодировать по положению 2 при использовании N-бромсукцинимида или иода в присутствии оксида ртути(II) соответственно. Нитрование тиофена Нитрование тиофена следует проводить в отсутствие азотистой кислоты, которая может привести к взрыву; наиболее удобно использование ацетилнитрата или тетрафторбората нитрония. Наряду с преимущественным образованием 2-нитросоединения получают и 3-изомер с выходом -10%. Дальнейшее нитрование как 2-, так и 3-нитротио-фенов также приводит к образованию смесей: из 2-нитротиофена образуются эквивалентные количества 2,4- и 2,5-динитротиофенов, а из 3-изомера — в основном 2,4-динитротиофен. Аналогично, предсказуемая смесь изомеров образуется при нитровании замещенных тиофенов: например, 2-метилтиофен дает смесь 2-метил-5- и 2-метил-З-нитротиофенов, а 3-метилтиофен -4-метил-2- нитро- и 3-метил-2-нитротиофены в соотношении 4:1 в каждом случае. Сульфирование Получение тиофен-2-сульфокислоты при сульфировании серной кислотой уже давно известно, однако использование комплекса пиридинсульфотриоксид, возможно, более удобный метод. 2-Хлорсульфонилирование и 2- тиоцианирование также достаточно эффективны.

• Ацилирование Ацилирование по Фриделю-Крафтсу наиболее часто используется для тиофенов и обычно дает хорошие выходы в контролируемых условиях. Несмотря на то, что при взаимодействии тиофена с AlCl₃ получаются смолы, их образования можно избежать, если добавлять катализатор к тиофену и ацилирующему агенту. Наиболее часто в качестве катализатора используют хлорид олова. Эффективный метод — ацилирование ангидридами, катализируемое фосфорной кислотой. В реакциях с ацетил-п-толуолсульфонатами в отсутствие катализаторов с высоким выходом образуется 2-ацетилтиофен. При формилировании тиофена по Вильсмейеру получают 2-формилтиофен. 2-Формилпроизводное образуется также из 3-фенилтиофена в условиях реакции Вильсмейера.

• Гидрирование:

Гидрирование (гидрогенизация), присоединение Н₂ к органическим соединениям (обратная реакция наз.дегидрирование.). гидрирование и дегидрирование связаны подвижным равновесием, положение которого определяется температурой и давлением Н₂. Гидрирование обычно происходит при сравнительно низких температурах (20-200 °С), дегидрирование – при более высоких. Повышение давления благоприятствует гидрированию.

Обычно гидрирование осуществляют в условиях гетерогенного или гомогри гетерогенном гидрировании увеличение числа и объема заместителей при кратной связи приводит к затруднению координации соед. с пов-стью катализатора и доступа к нему Н₂. Скорость гидрирования часто определяется природой гидрируемой связи. Достаточно легко гидрируются ацетилены. олефины. нитросоединения. труднее-ароматич.углеводороды. альдегиды. кетоны. карбоновые кислоты и их производные (см. табл.). Недостаток процесса-невысокая селективность вследствие протекания побочных реакций крекинга. гидрогенолиза и т.п.енного катализа. 

• Пиридин —

шестичленный ароматический гетероцикл с одним атомом азота, бесцветная жидкость с резким неприятным запахом; смешивается с водой и органическими растворителями. Пиридин — слабоеоснование, дает соли с сильными минеральными кислотами, легко образует двойные соли и комплексные соединения.

Основные свойства гетероциклических соединений обусловлены неподеленной парой электронов гетероатома, способной присоединять протон. Такими свойствами обладает пиридиновый атом азота, у которого n-электроны находятся на sp2-гибридной орбитали и не вступают в сопряжение. Пиридин является основанием и с сильными кислотами образует пиридиниевые соли, подобные аммониевым солям.

Аналогично основные свойства проявляют и другие гетероциклы, содержащие пиридиновый атом азота. Так, имидазол и пиразол образуют соли с минеральными кислотами за счет пиридинового атома азота.

Пиррольный атом азота в молекулах имидазола, пиразола и, естественно, самого пиррола не склонен связывать протон, так как его неподеленная пара электронов является частью ароматического секстета. В результате пиррол практически лишен основных свойств.

В то же время пиррольный атом азота может служить центром кислотности. Пиррол ведет себя, как слабая NH-кислота, поэтому протон будет отщепляться только при действии очень сильных оснований, например амида натрия NaNH2 или гидрида натрия NaH. За счет пиррольного атома азота в реакциях со щелочными металлами также образуются соли, которые легко гидролизуются.

Таким образом, имидазол и пиразол могут проявлять как основные, так и кислотные свойства, т. е. являются амфотерными соединениями.

Гетероциклы, содержащие пиридиновый атом азота, проявляют и нуклеофильные свойства, т. е. способность атаковать атом углерода, несущий частичный положительный заряд (электрофильный центр). Так, взаимодействие пиридина с галогеноалканами приводит к образованиюалкилпиридиниевых солей.

• Реакции электрофильного замещения для пиридина

Реакции электрофильного замещения для пиридина идут с большим трудом, что обусловлено  -дефицитностью ядра и способностью атома азота образовывать соли с протонными кислотами и комплексы с кислотами Льюиса, что еще больше уменьшает нуклеофильность ядра. По способности к электрофильному замещению пиридин напоминает нитробензол. Атака электрофилами идет по положению 3.

Наиболее характерными для пиридина являются реакции нуклеофильного замещения, которые идут по положениям 2 и 4. Примерами таких реакций является взаимодействие пиридина с амидом натрия (реакция Чичибабаина) и со щелочами.

Окисление и восстановление

Цикл пиридина устойчив к действию окислителей.

Алкилпиридины окисляются с образованием пиридинкарбоновых кислот.

Пиридин гидрируется в жестких условиях с образованием насыщенного гетероцикла – пиперидина.

Соли алкилпиридиния легко восстанавливаются комплесными гидридами металлов

40.Ответы имеются в 39ом вопросе

42.Фотографии