ЛЕКЦИИ КУРСА "Органическая химия"

для студентов химического факультета специальности "Биохимия"

Часть 5. Гетероциклы.

Лекции № 28 - 29. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ.

28.1. Ведение

Гетероциклические соединения – это такие соединения, в молекулах которых один или несколько атомов из цикла являются гетероатомами, в основном это О, N и S. Они принадлежат к одним из наиболее распространенных природных соединений (алкалоиды, пигменты, витамины, нуклеиновые кислоты и др.).

Условно гетероциклы подразделяют на насыщенные, ненасыщенные и ароматические. Их еще классифицируют по размерам циклов и по природе гетероатома. Не имея времени останавливаться на классификации всех циклов и на их номенклатуре, остановимся только на тех, которые имеют значение в природе, т.е. на 5-ти и 6-ти членных ароматических гетероциклах. С насыщенными гетероциклами студенты уже сталкивались, например, с лактонами, лактамами и др.

28.2. Пятичленные гетероциклы с одни гетероатомом.

Строение гетероцикла можно показать на примере фурана:

На формуле указан порядок нумерации атомов цикла, причем, положения 2 и 5 эквивалентны и обозначаются как  - положения, эквивалентными являются также положения 3 и 4, которые в свою очередь обозначаются как  - положения.

Всего таких гетероциклов три (показаны формулы в упрощенном варианте):

фуран пиррол тиофен

Их структура удовлетворяет всем требованиям ароматичности: плоские, циклически замкнутые с цепочкой сопряженных связей структуры, содержащие в соответствии с правилом Хюккеля 6 -электронов (на формулах внутри цикла). Свойства у них ароматические – характерны реакции электрофильного замещения. С другой стороны фуран не имеет свойств простого эфира, пиррол – свойств амина, а тиофен – свойств сульфида.

По энергии стабилизации и свойствам гетероциклы по сравнению с бензолом располагаются в ряд в порядке уменьшения их ароматичности:

Э нергия стабилизации в кДж/моль; 152 120 119 92

Электроотрицательность атомов С(2,5) S(2,5) N(3,0) О(3,5)

Как видим, ароматичность уменьшается с увеличением электроотрицательности гетероатомов. Оттягивая электроны от ароматической системы, гетероатом тем самым уменьшает ее ароматичность.

28.2.1. Методы получения.

28.2.1. Декарбоксилирование природных продуктов:

фурфурол пирослизевая к-та

28.2.2. Реакции ацетилена :

28.2.3. Взаимное превращение по Юрьеву (450^оС, Al₂O₃):

28.2.4. Циклизация 1,4-дикарбонильных соединений.

При взаимодействии 1,4-дикарбонильных соединений (диальдегидов или дикетонов) с аммиаком при нагревании образуется пиррол или его производные:

Аналогично из того же диальдегида под действием Р₂О₅ или P₂S₅ получают фуран или тиофен.

28.3. Химические свойства

28.3.1. Ацидофобные свойства фурана и пиррола.

Как наименее ароматичные соединения, фуран и пиррол в кислой среде неустойчивы вследствие присоединения протона к -положению и потери ароматических свойств:

В этих условиях они ведут себя как диены, полимеризуясь в смолы.

28.3.2. Свойства тиофена.

Тиофен, как наиболее близкий по ароматичности к бензолу, похож на бензол своими свойствами, т.е. вступает в реакции электрофильного замещения, причем, в этих реакциях он активнее бензола, так же как и фуран и пиррол, вследствие сопряжения и появления отрицательного заряда на атомах углерода:

Тиофен бромируется Br₂ даже без электрофильного катализатора, нитруется раствором HNO₃ в уксусном ангидриде (без воды), сульфируется безводной серной кислотой, алкилируется и ацилируется алкил- и ацилгалогенидами (в присутствии электрофильных катализаторов типа AlCl₃), конденсируется с формальдегидом в присутствии НСl. При этом эти реакции идут в -положение:

М еханизм этих реакций S_E :

-замещение

-замещение

Замещение идет в -положение, поскольку образующийся в этом случае -комплекс стабильнее (описывается тремя резонансными структурами), чем соответствующий -комплекс, образующийся при замещении в -положение (описывается двумя резонансными структурами).

Реакции присоединения идут с трудом, например, гидрирование:

Тиофен стоек к окислению, не окисляется даже марганцевокислым калием при нагревании, но гидрированный тиофен (тифан) легко окисляется до сульфоксида и сульфона:

тиофан- тиофансульфодиоксид,

сульфоксид сульфон (или сульфолан)

28.3.3. Свойства фурана.

Для фурана также характерны реакции S_E, но при этом, поскольку он наименее ароматичен, то его бромирование и нитрование идут через присоединение – отщепление. Также вследствие ацидофильности его нельзя нитровать азотной кислотой и сульфировать серной кислотой. Нитрование проводят ацетилнитратом СН₃СООNO₂ (смешанный ангидрид уксусной и азотной кислот), а сульфирование можно проводить SO₃ с пиридином или диоксаном:

Примеры реакций:

Фуран легче гидрируется, чем тиофен:

тетрагидрофуран

Вследствие невысокой ароматичности фуран проявляет свойства сопряженного диена и реагирует с диенофилами типа малеинового ангидрида (реакция диенового синтеза Дильса – Альдера):

28.3.. Свойства пиррола.

По своим кислотным свойствам пиррол напоминает фенол, т.е. ведет себя как слабая кислота, причина – сопряжение:

Сопряжение электронной пары азота с соседними непредельными связями вызывает появление на атоме азота положительного заряда, что и обеспечивает кислотный характер пиррольного водорода.

Пиррол может реагировать со щелочными металлами, сухим КОН, алкоксидами металлов, реактивом Гриньяра. Примеры реакций:

N-метилпиррол -метилпиррол

N-ацетил- -ацетилпиррол

пиррол (метил--пиррилкетон)

Реакции электрофильного замещения с участием пиррола аналогичны тем, в которые вступает фуран.

В реакции присоединения пиррол вступает труднее фурана:

пирролидин (тетрагидропиррол)

Из производных пирролидинов важное значение имеет пирролидон (лактам -аминомасляной кислоты) и N-винилпирролидон. Пирролидон синтезируют неполным восстановлеием сукцинимида (имида янтарной кислоты):

Пирролидон полимеризуется, в результате чего образуется синтетическое волокно найлон-4:

Щелочь является инициатором полимеризации:

N-Винилпирролидон получают взаимодействием ацетилена с пирролидоном:

Поливинилпирролидон

Получаемый таким способом полимер используют как клей, а также в качестве заменителя плазмы крови.

При нагревании -пирролкарбоальдегида с муравьиной кислотой происходит конденсация с частичным восстановлением:

порфин

Порфин – небензоидное ароматическое соединение, содержащее 26

-электронов (n = 6, N = 4n + 2 = 26), т.е. 11 двойных связей + 4 р-электрона двух атомов N.

Переносчик кислорода в крови – гемоглобин (и красящее вещество крови) состоит из белка глобина и гема, который в свою очередь является комплексным соединением Fe²⁺ c cоответствующим порфирином, т.е. производным порфина:

Пигмент листьев и катализатор ассимиляции углекислого газа хлорофилл имеет немного отличающеееся от гема строение с несколько другими боковыми заместителями в порфиновом ядре, которое связано с Mg²⁺ (вместо Fe²⁺).