2. Общие способы получения

1) Синтез Кнорра является наиболее важным и широко используемым методом получения пиррола, основан на взаимодействии аминокетонов с ацетоуксусным эфиром:

2) Синтез Ганча представляет собой реакцию α-галогенкетонов с β-кетоэфирами и аммиаком:

В качестве побочного продукта может образовываться фуран.

3) Синтез фуранов по Фейсту – Бенари

4) Реакция Пааля – Кнорре (циклизация дикарбонильных соединений). Пятичленные гетероциклы и большинство их замещенных могут быть получены циклизацией дикарбонильных соединений.

Реакцию проводят в запаянных трубках без растворителя.

Пример:

5) Реакция Юрьева. Гетероциклы при определенных условиях могут переходить друг в друга. Условиями этого взаимного перехода являются температура 450°С, катализатор Al₂O₃:

Практическое значение имеет синтез пиррола и тиофена из более доступного фурана.

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.

Тиофен – бесцветная жидкость с т. кип. 84,1°С, обладает слабым запахом, не растворяется в воде, смешивается с органическими растворителями.

Строение пятичленных гетероциклов

Молекулы всех пятичленных ароматических циклов имеют плоское строение:

Каждый из атомов углерода и гетероатомов в этих соединениях находится в состоянии sp² – гибридизации и имеет по одной негибридизованной р_z-орбитали, ориентированной перпендику-лярно 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_z-орбиталях. Ниже представлена атомно-орбитальная модель тиофена.

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 является причиной их повышенной реакционной способности, особенно в реакциях электрофильного замещения. Относительная активность пятичленных гетероциклов в реакциях S_E понижается в 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:

Общие 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:

Сопряженные кислоты атакуют молекулу пиррола или фурана, что приводит к образованию полимера:

Ацидофобные свойства фурана и пиррола ограничивают возможность проведения реакции в кислых средах, так как в этих условиях протекают реакции окисления, осмоления, полимеризации.

Тиофен не дает таких солей, как фуран и пиррол, и в кислой среде не утрачивает своих ароматических свойств.

Фуран и тиофен устойчивы к действию щелочей, а пиррол является слабой кислотой и при взаимодействии со щелочами образует соли:

Пиррол – примерно в 10¹⁸ раз более сильная кислота, чем аммиак или первичные амины.

2. Реакции присоединения

1) Присоединение водорода

Фуран и тиофен атомарным водородом не гидрируются. При взаимодействии тиофена с [H] разрушается кольцо с образованием бутана.

Пиррол гидрируется и Н₂, и [H]

2) Присоединение галогенов

Пиррол устойчивых продуктов присоединения галогенов не образует.

3. Реакции окисления

Тиофен окисляется с большим трудом, а пиррол и фуран – довольно легко, с сохранением циклической системы.

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 реакции 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:

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.

Электрофильное замещение в тиофене и его гомологах

1) Хлорирование тиофена производится хлористым сульфурилом:

2) Сульфирование. Сульфируется тиофен 96%-ной серной кислотой с образованием 2-тиофенсульфокислоты:

3) Нитрование осуществляется ацетилнитратом:

Ацетилнитрат может быть получен при взаимодействии азотной кислоты или медных солей с уксусным ангидридом.

4) Ацилирование. Тиофен легко ацилируется:

5) Формилирование проводят диметилформамидом в присутствии POCl₃: