А Е Щеголев Органическая химия 2016 / 12 Гетероциклические соединения

рН раствора выше 10 в реакции участвует пирролид-анион, и она в этом случае протекает в 108 раз быстрее. В более щелочных условиях происходит образование 2,5-бис-диазопроизводных.

N

+

N N N N N N N

H N N H N

Взаимодействие пирролида калия с диоксидом углерода протекает по механизму, аналогичному реакции Кольбе–Шмитта (гл. 10.5.3.3), с образованием пиррол-2-карбоновой кислоты.

12.2.3.3. Реакции присоединения

В этих реакциях проявляется диеновый характер гетероциклов. Поэтому такие реакции наиболее характерны для фурана. Примерами могут быть присоединение водорода, галогенов и реакция диенового синтеза.

Водород присоединяется в присутствии катализаторов (Ni, Pd, Pt) при нагревании и под давлением. Из пиррола, фурана и тиофена образуются соответствующие тетрагидропроизводные — пирролидин, тетрагидрофуран и тиофан:

H2 / kat, P, T

X X

(X = NR, O, S)

Труднее всех гидрируется тиофен и его производные, а легче — фуран. Присоединение галогенов наиболее характерно для фурана, причѐм

продукт присоединения может отщеплять молекулу галогеноводорода, давая продукт формального замещения, например:

610

Реакции диенового синтеза характерны, главным образом, для фурана. Это, например, взаимодействие с малеиновым ангидридом:

Тиофен с малеиновым ангидридом не реагирует, но он может быть введѐн в реакцию Дильса–Альдера при использовании очень реакционноспособных алкинов, например дицианоацетилена; но продукт присоединения легко теряет атом серы и превращается во фталодинитрил:

Пиррол взаимодействует с малеиновым ангидридом как с электрофилом:

12.2.3.4. Реакции замены гетероатома

Эти реакции представляют взаимное превращение пиррола, фурана и тиофена:

NH3

S

Они были открыты в 1936 году Ю.К. Юрьевым* и называются также син-

тезом Юрьева или циклом Юрьева.

611

Реакции осуществляются при температуре 400 500 С в присутствии катализатора Al2O3. Практическое значение имеют только превращения фурана в пиррол и тиофен (с выходом 40%):

В остальных четырѐх реакциях (с участием пиррола и тиофена) выход продуктов не превышает 2%.

Причиной предпочтительного участия фурана во взаимопревращениях в другие гетероциклы можно считать его меньшую ароматичность, а также наибольшую жѐсткость атома кислорода как оснόвного центра (по Р. Пирсону) в сравнении с азотом и серой в пирроле и тиофене. Тогда механизм превращения фурана, например в тиофен, можно представить в следующем виде:

(2 HAlO2 Al2O3 + H2O)

612

12.2.4. ОСОБЕННОСТИ ИНДОЛА

Название индола как конденсированной системы, содержащей гетероциклическое кольцо пиррола, — бензо[b]пиррол.

ba N

H

Нумерацию атомов в индоле начинают с гетероатома, атомы углерода в пиррольном цикле могут быть обозначены также греческими буквами:

Индол и его производные — это бесцветные кристаллические вещества, не растворяющиеся в воде и имеющие своеобразный неприятный запах.

12.2.4.1. Строение

Молекула индола представляет 10- -электронную бициклическую сопряжѐнную систему, в которой участвует гетероатом со своей неподелѐнной электронной парой. В результате электронодонорного мезомерного эффекта атома азота повышается электронная плотность в положениях

3, 5 и 7:

-

-

N- H

12.2.4.2. Кислотно-осόвные свойства

Сильные кислоты протонируют индол в положение 3, тем самым нарушается сопряжѐнная система пиррольного цикла, что приводит к его раскрытию и дальнейшим превращениям (димеризация, олигомеризация):

613

Алкилирование может осуществляться как по атому азота, так и по атому углерода. Направление реакции определяется главным образом температурой, а также природой металла и растворителем. Это можно изобразить схемой:

R

12.2.4.4. Реакции окисления

Мягкое окисление индола даѐт синий краситель индиго:

Сильными окислителями (KMnO4) индиго окисляется до изатина:

615

изатин

12.2.5.СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПИРРОЛА, ФУРАНА, ТИОФЕНА, ИНДОЛА

Внебольших количествах пиррол и тиофен содержатся в каменноугольной смоле. При этом тиофен выгоняется из неѐ вместе с бензолом.

К синтетическим способам получения можно отнести следующие.

1. Общим способом получения пиррола, фурана и тиофена и их производных является циклизация -дикарбонильных соединений. Механизм кислотно-катализируемого образования фуранов можно представить в следующем виде:

В синтезе пирролов необходима нуклеофильная атака аммиаком, а для получения тиофенов используются сульфиды фосфора. Например, механизм образования пирролов:

616

H

2. Для получения фурана и его производных используют природные моносахариды. При нагревании в присутствии минеральных кислот может образоваться фурфурол:

или другие производные фурана в зависимости от природы исходного моносахарида (гл. 7.1.2.3).

3. При нагревании гликаровых (гл. 7.1.2.1) кислот образуется пирослизевая кислота:

пирослизевая кислота

4. Пиррол образуется при нагревании аммониевых солей гликаровых кислот:

5. Универсальным и удобным в практическом выполнении методом получения производных пиррола является взаимодействие -амино-

617

кетонов с кетонами, содержащими реакционноспособную метиленовую группу (синтез Кнорра*). Например:

6. При получении производных пиррола по Ганчу* в отличие от синтеза Кнорра используют конденсацию -хлоркетонов с аммиаком (или аминами) и ацетоуксусным эфиром.

H

7.Пиррол и тиофен могут быть получены из фурана с помощью ре-

акций Юрьева (см. выше).

8.Для получения индола и его производных практическое значение имеет реакция Фишера, которая ещѐ называется синтезом индолов по Фи-

шеру. Это метод получения производных индола из фенилгидразонов альдегидов или кетонов. Реакция протекает при нагревании арилгидразонов в

присутствии таких катализаторов, как ZnCl2, разбавленная H2SO4, концентрированная CH3COOH, спиртовый раствор HCl:

Общепринятый в настоящее время механизм этой реакции можно представить в следующем виде:

618

12.2.6.ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Пиррол — бесцветная жидкость с запахом хлороформа с температурой кипения 130 С, малорастворим в воде.

Пирролидинкарбоновые кислоты (пролин и гидроксипролин) являют-

ся важными протеиногенными аминокислотами гл. 6.9.

Порфин — тѐмно-красное кристаллическое вещество. Его молекула содержит четыре пиррольных кольца:

N

N: HH :N

N

За счѐт двух водородных атомов (у атомов азота), которые могут быть замещены металлом, образуются устойчивые комплексы, в которых ион металла образует связи одновременно с четырьмя атомами азота.

Замещѐнные порфины называются порфиринами. Они лежат в основе очень важных природных соединений. Например, гем — небелковая часть красного вещества крови гемоглобина. По химическому составу гем является порфирином, содержащим катион Fe2+.

619