А Е Щеголев Органическая химия 2016 / 12 Гетероциклические соединения

Глава 12. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Гетероциклические соединения — это вещества, молекулы которых содержат циклы, построенные из атомов разных химических элементов. Обычно такими гетероатомами являются азот, кислород, сера, но могут быть фосфор, кремний, селен, бор и др. Циклы могут быть ароматическими, насыщенными и ненасыщенными.

Гетероциклические соединения чрезвычайно распространены как в животном, так и в растительном мире. Очень многие биологически важные вещества содержат в своѐм составе гетероциклические фрагменты.

12.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА

Гетероциклические соединения могут быть классифицированы:

1)по размеру цикла,

2)по природе гетероатома,

3)по числу гетероатомов в цикле.

Тривиальные названия здесь широко распространены. Примерами гетероциклических соединений (и их тривиальных названий), относящихся к разным группам, являются следующие вещества:

Согласно номенклатурным правилам ИЮПАК (номенклатура гетероциклических соединений) присутствие гетероатома в цикле указывается приставками окс(а)- (О), ти(а)- (S), селен(а)- (Se), аз(а)- (N), фосф(а)- (Р),

арс(а)- (As), сил(а)- (Si). (Буква «а» может быть опущена для благозвучия.) Число одинаковых гетероатомов обозначается количественными приставками ди-, три-, тетра- и т.д. Если в гетероцикле несколько разных гете-

600

роатомов, то их называют в определѐнной последовательности: окса-,

тиа-, селена-, аза-, фосфа-, арса-, сила-.

Размер цикла обозначается с помощью корня слова: трѐхчленные циклы — -ир, четырѐхчленные — -ет, пятичленные — -ол, шестичленные

—-ин, семичленные — -епин.

Вназвании гетероциклических соединений отражают и степень гидрирования (насыщенности) атомов гетероцикла. Основное название (без суффиксов) относится к соединению с максимально возможным числом двойных связей в цикле, но исключение составляют трѐхчленные циклы

—для обозначения их ненасыщенности добавляется суффикс -ен (для азотосодержащих — -ин).

Полностью гидрированное соединение обозначают суффиксами -идин (для азотосодержащих гетероциклов) или -ан (для кислородо- и серосодержащих гетероциклов), но для циклов с числом атомов 6 и более может быть использована приставка пергидро-. Для частично гидрированных соединений используют приставки дигидро-, тетрагидро-, при этом цифровыми локантами указываются атомы цикла, к которым присоединены атомы водорода. Если водородный атом присоединѐн только к одному из гетероатомов, это обозначается буквой Н и цифрой, указывающей гидрированный атом.

Для названия производных гетероциклических соединений необходимо пронумеровать атомы цикла. Обычно нумерация начинается с гетероатома. Если имеется несколько гетероатомов, то используют ряд убы-

вающего старшинства: O, S, Se, Te, N, P, As, Sb, Bi, Si, Ge, Sn, Pb, B, Hg.

Для некоторых гетероциклических соединений сохраняется особый вид нумерации. Примеры названий некоторых соединений:

Гетероциклы могут быть названы и по заменительной номенклатуре. При этом заменительные приставки окса-, тиа-, аза- и др. присоединяются к названию карбоциклического соединения, например:

601

12.2. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ

Наиболее важны в практическом отношении такие пятичленные гетероциклы, как пиррол, фуран, тиофен и конденсированные системы на их основе: индол, кумарон и карбазол.

12.2.1.НОМЕНКЛАТУРА ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ

Пиррол, фуран и тиофен могут иметь систематические названия по номенклатуре гетероциклов азол, оксол и тиол, но такие систематические названия практически не используются, и в качестве родоначальных названий этих гетероциклов рекомендуются тривиальные названия.

Положение заместителей указывается греческими буквами или цифровыми локантами:

Например:

603

Радикалы, образованные от пиррола, фурана, тиофена и их производных, имеют следующие тривиальные названия:

12.2.2. СТРОЕНИЕ ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА

Молекулы пиррола, фурана и тиофена содержат систему сопряжѐнных связей и атом с неподелѐнной электронной парой. В результате образуется циклическая сопряжѐнная система с шестью -электронами (четыре-электрона от двух двойных связей и два — от гетероатома). Поэтому данные соединения имеют ароматический характер.

За счѐт неподелѐнной электронной пары гетероатом в этом кольце является электронодонором, на углеродных атомах электронная плотность повышена (по сравнению с бензолом), и пятичленные гетероциклы в целом являются -избыточными ароматическими системами. Циклическую делокализацию неподелѐнной пары электронов гетероатома можно показать с помощью граничных структур:

Квантово-химическими расчѐтами показано, что величина электронной плотности в -положении больше, чем в -положении.

В пространстве молекула такого соединения представляет плоский пятиугольник, однако длины связей и валентные углы неодинаковы. Это связано с неравномерностью распределения -электронной плотности в

604

кольце и зависит от природы гетероатома. Чем электроотрицательнее гетероатом, тем более неравномерно распределена электронная плотность и, следовательно, меньшей ароматичностью обладает система. Поэтому ряд уменьшения ароматичности (по сравнению с бензолом) можно показать следующим образом (в скобках приведена энергия делокализации ароматической системы в кДж/моль):

бензол (151) > тиофен (122) > пиррол (90) > фуран (68).

12.2.3.ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРРОЛА, ФУРАНА И ТИОФЕНА

Пиррол, фуран и тиофен являются бесцветными жидкостями с приятным запахом, практически нерастворимы в воде.

Химические свойства пятичленных гетероциклических соединений определяются как наличием ароматического цикла, так и наличием гетероатома.

12.2.3.1. Кислотно-оснόвные свойства

Пиррол, фуран и тиофен взаимодействуют с сильными кислотами. В случае пиррола, фурана и их алкилпроизводных обычно происходит «осмоление» (олигомеризация и полимеризация), тиофеновое кольцо к разрушению под действием холодных кислот устойчиво. Данное свойство пиррола, фурана и отчасти тиофена и их производных называется ацидофобностью. Ацидофобность связана с присоединением протона в большинстве случаев к -углеродному атому, разрушением ароматической системы и дальнейшим превращением активной диеновой системы:

Наибольшей основностью обладает пиррол, он легче всего протонируется. Самым слабым основанием из рассматриваемых гетероциклов является тиофен, он наиболее трудно протонируется, поэтому он наименее ацидофобен.

Введение в молекулу электроноакцепторных заместителей уменьшает электронную плотность на ароматическом кольце и тем самым снижает ацидофобность. При наличии сильных электроноакцепторов в гетероциклическом кольце соединение может и вовсе быть устойчиво к действию кислот, как, например, молекула пирослизевой кислоты:

605

пирослизевая кислота

К действию оснований фуран и тиофен устойчивы, так как не содержат подвижных атомов водорода, а пиррол является слабой NH-кислотой (рКа = 17.5) и при сплавлении со щелочами образует соли:

пирролид калия

По кислотности пиррол сравним со спиртами, и поэтому для получения его солей могут использоваться также алкоголяты или металлорганические соединения, как, например, при взаимодействии с реактивом Гриньяра:

бромид-пирролид магния

Соли пиррола используются для алкилирования (и ацилирования) молекулы пиррола соответствующими алкилгалогенидами (или ацилгалогенидами). Реакция протекает по азоту или по -углеродному атому:

12.2.3.2. Реакции электрофильного замещения

В общем случае электрофильное замещение для пиррола, фурана и тиофена протекает легче, чем для бензола в связи с большей величиной - электронной плотности в молекуле гетероциклов. При этом на атомах углерода в наибольшей степени повышена электронная плотность в кольце пиррола по причине большего +М-эффекта атома азота по сравнению с другими гетероатомами. Поэтому реакционная способность по отношению к электрофилам будет увеличиваться в ряду:

бензол < тиофен < фуран < пиррол.

606

Электрофильное замещение в пирроле, фуране и тиофене протекает селективно в -положение, но когда оно занято, то реакция идѐт по-углеродному атому. Направление реакции в -положение объясняется сравнением устойчивости образующихся -комплексов (и подтверждается

Влияние заместителей в гетероциклическом кольце на направление электрофильного замещения проявляется только в том случае, если оба-положения заняты, либо оба -положения свободны, а заместитель находится в -положении. В этих случаях электрофильная атака протекает в соответствии с влиянием заместителей на распределение электронной плотности в данном ароматическом кольце. Например:

Для нитрования пиррола, фурана и тиофена азотная кислота не используется по причине ацидофобности этих соединений. Нитрование фурана и тиофена проводят ацетилнитратом CH3COONO2, для чего используют раствор азотной кислоты в уксусном ангидриде:

хотя возможно использование и других смешанных ангидридов или эфиров азотной кислоты. При этом фуран первоначально образует продукт присоединения ввиду своего выраженного диенового характера, а затем отщепляет молекулу уксусной кислоты (обычно под действием органического основания) и превращается в продукт замещения:

607

Пиридин (или диоксан) в качестве донора электронной пары необходим для связывания отщепляющегося протона.

Галогенирование (хлорирование, бромирование, йодирование) пиррола и тиофена протекает настолько легко, что если специальным образом не контролировать течение реакции, образуются тетрагалогенопроизводные. Так, например, бромирование пиррола раствором брома в этаноле при 0 С даѐт тетрабромпиррол:

Получение монобромпиррола ( -изомер) представляет определѐнную трудность, и для этих целей обычно используют специальные бромирующие агенты. Для получения монобромтиофена применяют достаточно низкие температуры (-5 -15 С). Для хлорирования используют сульфурилхлорид SO2Cl2 или тетрахлорид олова SnCl4. Йодирование осуществляется молекулярным йодом (или KI + H2O2) в присутствии кислотного катализатора.

Галогенирование фурана протекает через реакцию присоединения (с последующим отщеплением галогеноводорода) — в этом проявляется диеновый характер этого гетероцикла. Здесь возможно хлорирование (газообразным хлором) или бромирование с образованием полигалогенопроизводных, но не йодирование. Фуран не реагирует с йодом.

Ацилирование пиррола, фурана и тиофена осуществляют ангидридами (реже галогенангидридами) карбоновых кислот.

Алкилирование фурана и пиррола не проводят, так как вероятные продукты этой реакции ещѐ более ацидофобны и полимеризуются за счѐт выделяющегося галогеноводорода.

Высокая активность пиррола иллюстрируется его способностью реагировать со слабыми электрофилами, например с солями арендиазония, диоксидом углерода, альдегидами. Скорость азосочетания сильно зависит от рН среды. При значениях рН ниже 8 в реакцию сочетания с катионом бензолдиазония вступает нейтральная молекула пиррола, а при значениях

609