Материал: Лекции_51-52(а)

405

Лекции №51-52 гетероциклические соединения

План

1. Классификация.

2. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

3. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

Гетероциклическими называют соединения, молекулы которых содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько гетероатомов. Гетероциклы – самый многочисленный класс органических соединений, включающий около 2/3 всех известных природных и синтетических органических веществ.

1. Классификация

Гетероциклы классифицируют по следующим основным признакам:

• по природе и числу гетероатомов;

• по размеру цикла;

• по степени ненасыщенности.

Наибольшее распространение имеют пяти- и шестичленные гетероциклы, содержащие в качестве гетероатомов азот, кислород и серу.

По степени ненасыщенности различают насыщенные и ненасыщенные, в том числе ароматические гетероциклы. Гетероциклы неароматического характера по своим свойствам сходны с соответствующими ациклическими соединениями (аминами, амидами, простыми и сложными эфирами и т.д.). Ароматические гетероциклические соединения по свойствам близки к бензолу. Для них, как и для бензоидных систем, наиболее характерны реакции замещения. При этом гетероатом выполняет роль «внутренней функции», определяющей скорость и направление реакций замещения.

Систематическая номенклатура гетероциклов сложна. Для многих гетероциклических соединений сохраняются тривиальные названия. Ниже приведены некоторые группы ароматических гетероциклических соединений и их тривиальные названия.

П ятичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом

П ятичленные ароматические гетероциклы с двумя гетероатомами

Шестичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом

Ш естичленые ароматические гетероциклы с двумя гетероатомами

Далее будут рассмотрены пяти- и шестичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом.

2. Пятичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом Пиррол, фуран, тиофен

П ри составлении названий производных пиррола, фурана и тиофена атомы цикла нумеруют, начиная с гетероатома. Положение заместителя в кольце может быть указано также буквами греческого алфавита.

Методы получения

1. Синтез из 1,4-дикарбонильных соединений по Паалю-Кнорру.

П ри нагревании 1,4—дикарбонильных соединений с такими нуклеофильными реагентами, как аммиак или сульфиды, образуются соответственно производные пиррола и тиофена. Нагревание 1,4—дикарбонильных соединений в присутствии кислотного катализатора дает производные фурана.

2. Синтез пирролов по Кнорру.

М етод состоит в конденсации -аминокетонов с -дикарбонильными соединениями в присутствии кислотного или основного катализатора.

3. В заимные превращения (реакция Юрьева).

При нагревании (~400⁰С) над катализатором Al₂O₃ происходят превращения фурана, пиррола и тиофена друг в друга. Практическое значение имеют получение пиррола и тиофена из фурана.

Физические свойства и строение

Пиррол, фуран и тиофен – бесцветные жидкости с приятным запахом. Температура кипения пиррола (130-131⁰С) значительно превышает температуры кипения фурана (32⁰С) и тиофена (84⁰С), что обусловлено его ассоциацией за счет образования водородных связей.

Пиррол, фуран и тиофен могут быть отнесены к ароматическим соединениям, так как их молекулы содержат циклическую сопряженную систему, включающую 6 -электронов. Они являются электронными аналогами ароматического карбоцикла – циклопентадиенил-аниона (см. лек. №17). В молекуле пиррола атом азота находится в состоянии sp²-гибридизации и образует три -связи, лежащие в плоскости кольца. р-Орбиталь атома азота со свободной парой электронов взаимодействует с четырьмя р-орбиталями атомов углерода с образованием циклической -системы, содержащей секстет -электронов.

 -МО пиррола качественно похожи на орбитали циклопентадиенил-аниона. Возмущение, вызванное введением гетероатома, выражается в расщеплении уровней ₂ и ₃, которые в циклопентадиенил-анионе являются вырожденными (имеют одинаковую энергию). Более низкую энергию имеет орбиталь ₂, которая имеет больший коэффициент на атоме азота. Такое расщепление уровней является отражением частичной локализации неподеленной пары электронов на атоме азота. Ниже приведена схема -МО пиррола. Диаметр кружка пропорционален коэффициенту данной атомной орбитали в молекулярной орбитали, а наличие или отсутствие штриховки соответствует знаку волновой функции.

Атом азота в пирроле действует как электронодонор по мезомерному механизму, поэтому -электронная плотность на атомах углерода пиррола повышена по сравнению с бензолом. Такие гетероциклы называют -избыточными (на пять атомов приходится шесть -электронов).

Гетероциклы фуран и тиофен имеют аналогичную -систему, в которой одна из неподеленных пар электронов кислорода и серы соответственно участвуют в образовании ароматического секстета. Фуран и тиофен также относятся к -избыточными гетероциклическим соединениям.

Подтверждением ароматического характера пиррола, фурана и тиофена является их плоское строение и длины связей, которые имеют промежуточные значения между обычными простыми и двойными связями С-С, C-N, C-O и C-S. Эмпирические оценки и квантово-механические расчеты показывают, что пятичленные гетероциклы стабилизированы за счет делокализации -электронов, однако энергия делокализации у них ниже, чем у бензола. В наименьшей степени стабилизирован фуран, который, таким образом, обладает меньшей ароматичностью, чем пиррол и тиофен.

М олекулы пиррола, фурана и тиофена полярны. У пиррола дипольный момент направлен от атома азота на цикл. У фурана и тиофена отрицательный конец диполя, напротив, находится на гетероатоме.

=1,75D =1,95D

Пиррол, фуран и тиофен являются электронодонорными соединениями с энергиями ионизации соответственно 8,2; 8,9 и 9,0 эВ, что ниже, чем у бензола (9,24 эВ).

Химические свойства

1. Основные свойства

П иррол является чрезвычайно слабым основанием. Протонирование по атому азота означает нарушение стабильной -системы и потерю ароматичности. В действительности присоединение протона происходит по атомам углерода пиррольного кольца, преимущественно по -положению. Образующаяся таким образом сопряженная кислота атакует молекулу пиррола, в результате чего происходит полимеризация.

Фуран также полимеризуется под действием кислот. Поэтому пиррол и фуран называют ацидофобными соединениями. Введение электроноакцепторных групп снижает ацидофобность. Например, фурфурол и пирослизевая кислота устойчивы к действию кислот.

Тиофен, в отличие от пиррола и фурана, неацидофобен.

2. Кислотные свойства пиррола

Пиррол является слабой NH-кислотой (рК_а=17,5). По кислотности он превосходит амины и близок к спиртам. Соли пиррола получают взаимодействием пиррола с металлами, амидами металлов, металлоорганическим соединениями.

3. Р еакции электрофильного замещения

Пиррол, фуран и тиофен являются электронодонорными соединениями и проявляют высокую реакционную способность по отношению к электрофилам. Реакционная способность в реакциях электрофильного замещения возрастает в ряду бензол<тиофен<фуран<пиррол.

Электрофильное замещение идет преимущественно в положение 2, что вытекает из сравнения стабильности -коплексов, ведущих к продуктам 2- и 3-замещения.

(I)

(II)

Как видно из приведенной выше для пиррола схемы, в -коплексе (I) достигается более эффективная делокализации положительного заряда (три резонансные структуры), чем в -коплексе (II) (две резонансные структуры).

Взаимодействие гетероциклов с электрофилами может привести и к образованию продуктов присоединения (см. кислотные свойства). Склонность к такого рода превращениям убывает в ряду фуран>пиррол>тиофен, что соответствует степени стабилизации их ароматических систем.

Пиррол по реакционной способности по отношению к электрофилам напоминает активированные ароматические субстраты (фенол или ароматические амины). Из-за ацидифобности пиррола при проведении реакций электрофильного замещения необходимо избегать сильно кислых сред. Основные S_E-реакции пиррола суммированы на схеме.

Нитрование и сульфирование пиррола возможны только в том случае, если исключена сильнокислая среда. Нитрование проводят действием ацетилнитрата при низких температурах. Для сульфирование используют связанный в комплекс SO₃, например, пиридинсульфотриоксид. Галогенирование протекает без катализатора и дает тетрагалогенпирролы.

П иррол ацилируется ангидридами кислот в отсутствие катализатора. Как активированный субстрат пиррол вступает в реакции формилирования. Наиболее общим методом формилирования пирролов является реакция Вильсмейера-Хаака.

Ф уран, как и пиррол, ацидофобен, поэтому реакции с электрофилами проводят в отсутствие сильных кислот. Фуран ацилируется ангидридами кислот в присутствии мягких кислот Льюиса, сульфируется пиридинсульфотриоксидом, формилируется по реакции Вильсмейера-Хаака. Фуран реагирует более селективно, чем пиррол. Во всех случаях образуются исключительно продукты замещения по положению 2.

Ф уран в большей степени, чем пиррол, склонен к образованию с электрофилами продуктов не замещения, а присоединения. Даже реакции, результатом которых является замещение, могут происходить через промежуточное образование продуктов присоединения (по механизму присоединения-отщепления). При нитровании фурана ацетилнитратом можно выделить продукт 2,5-присоединения, который под действием пиридина (P_y), подвергается элиминированию с образованием в конечном итоге продукта замещения.

Т иофен, в отличие от пиррола и фурана, неацидофобен, поэтому реакции электрофильного замещения можно проводить с обычными электрофильными агентами, в том числе с использованием водных растворов минеральных кислот или в присутствии кислот Льюиса. Реакции электрофильного замещения превалируют над процессами присоединения.