Учебник Органическая химия Щеголев 2016

12.2.4.3. Реакции с электрофилами

Ввиду выраженных ацидофобных свойств индола его реакции с сильными электрофилами в кислой среде приводят к продуктам олигомеризации. С более мягкими электрофилами осуществляется замещение в-положение. Если оно занято, то реакция протекает в -положение. Объяснить такое направление электрофильного замещения можно сравнением устойчивости образующихся -комплексов:

(Здесь не приведены граничные структуры с участием -электронной плотности бензольного кольца по причине их значительно меньшего вклада, но таких структур было бы в каждом случае на три больше.)

Как видно из приведѐнных направлений взаимодействия индола с электрофильной частицей, делокализация положительного заряда в случае атаки по -атому (второе направление) полнее и такой -комплекс устойчивее.

Нитрование индола осуществляется так же, как и пиррола, через образование солей, сульфирование — пиридинсульфотриоксидом, а для бромирования используется комплекс брома с диоксаном:

NO2

631

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:

632

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.

4. 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:

633

H

5. 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 моно-

сахарида (гл. 7.1.2.3).

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

пирослизевая кислота

7. Пиррол образуется при нагревании аммониевых солей гликаровых кислот:

8. Универсальным и удобным в практическом выполнении методом получения производных пиррола является взаимодействие -амино-кетонов с кетонами, содержащими реакционноспособную метиленовую группу (син-

тез Кнорра*). Например:

634

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) являются 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+.

636

H3C HC CH2

H3C N CH3

N:Fe :N

CH2

HOOC-CH2-CH2 CH3

гем

Другой пример — зелѐный пигмент растений хлорофилл, содержащий катион Mg2+. Из растений выделены хлорофилл а (сине-чѐрные кристаллы) и хлорофилл b (тѐмно-зелѐные кристаллы). Хлорофиллы были выделены Р.М. Вильштеттером*, им же была установлена формула хлорофилла а и структура его отдельных фрагментов. За эти работы Р.М. Вильштеттер был удостоен в 1915 году Нобелевской премии.

Витамин В12 (кобаламины: природные — оксикобаламин и метилко-

баламин, лекарственная форма — цианкобаламин) — тѐмно-красные кристаллические вещества, растворимые в воде. В основе молекул лежит фрагмент, структурно похожий на порфириновый, содержащий четыре пиррольных кольца и катион Co2+. Витамин В12 является активным средством против анемии, его применяют для лечения злокачественного малокровия, заболеваний нервной системы и печени.

Билирубиноиды — окрашенные вещества, которые содержат четыре бензольных кольца и встречаются в организмах позвоночных, а также некоторых беспозвоночных и даже в водорослях. Они образуются при биологическом окислении гемоглобина и родственных соединений. Важнейшим их

637

представителем является окрашенный в оранжевый цвет билирубин. Он встречается в желчи, а также в желчных камнях и выделяется с калом и мочой.

Фуран — бесцветная жидкость с запахом хлороформа; температура кипения 31 С, малорастворим в воде.

Получают фуран из фурфурола (в промышленности) или пирослизевой кислоты (в лаборатории).

Фурфурол — бесцветная или слегка желтоватая жидкость с запахом корочки свежеиспечѐнного ржаного хлеба; температура кипения 162 С, умеренно растворим в воде (10 г на 100 г воды).

Фурфурол образуется при нагревании некоторых моносахаридов (в частности, ксилозы) с минеральными кислотами (гл. 7.1.2.3). Поэтому фурфурол получают из растительного сырья.

Фурфурол является очень важным исходным веществом для органического синтеза. Каталитическим окислением из него получают малеиновый ангидрид:

Нитрование фурфурола лежит в основе производства таких бактерицидных препаратов, как фурацилин, фуразолидон, фурадонин:

638

Тиофен — бесцветная жидкость с запахом, похожим на бензол; температура кипения 84 С, нерастворим в воде. Получают из каменноугольной смолы.

Индол — бесцветное кристаллическое вещество с неприятным запахом; температура плавления 52 С, температура кипения 253 С, нерастворим в воде. Используют в органическом синтезе и в парфюмерии.

Триптофан — одна из незаменимых протеиногенных -ами-нокислот

(гл. 6.9).

Триптамин — «биогенный амин», образующийся в организме человека и животных при декарбоксилировании аминокислоты триптофана под действием ферментов — декарбоксилаз.

Скатол (3-метилиндол) является конечным продуктом биологических превращений триптофана. Он обладает пронзительным запахом фекалий, однако в очень больших разбавлениях имеет цветочный запах и поэтому добавляется к цветочным композициям.

Серотонин (3-аминоэтил-5-гидроксииндол) является «биогенным амином». Он обладает высокой биологической активностью, содержится в сыворотке теплокровных, участвует в поддержании тонуса сосудов и процессе

639

передачи нервных импульсов в центральной нервной системе. В организме образуется из триптофана.

Буфотенин был впервые выделен из кожи жаб. Кроме того, он содержится в некоторых растениях. Вызывает повышение кровяного давления и парализует дыхательные центры головного и спинного мозга.

Псилоцин является психоактивным веществом, выделенным из мексиканского священного гриба Teonanacatl. Он повышает психическую возбудимость и вызывает галлюцинации.

12.3. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ДВУМЯ ГЕТЕРОАТОМАМИ

Среди этих гетероциклических соединений наиболее важны в практическом отношении имидазол, пиразол, оксазол, тиазол, изоксазол, изотиазол и конденсированные системы на их основе бензимидазол и бензотиазол.

12.3.1. НОМЕНКЛАТУРА ИМИДАЗОЛА И ПИРАЗОЛА

Систематические названия имидазола и пиразола — 1,3-диазол и 1,2- диазол. Атомы цикла нумеруются начиная с гидрированного (или замещѐн-

640