4.1 Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом

Общая характеристика пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом. К простейшим ароматическим пятичленным гетеро-циклическим соединениям с одним гетероатомом относятся фуран, пиррол и тиофен:

фуран	тиофен	пиррол

Способы получения. Для построения пятичленного гетеро-циклического кольца чаще всего применяют разнообразные реакции замыкания цикла, включающие внутримолекулярное образование σ-связи.

1. Синтез по Паалю–Кнорру. При проведении этого синтеза 1,4-дикарбонильные соединения нагревают в присутствии либо серной кислоты, либо с аммиаком, либо с сульфидом, в зависимости от вещества, которое хотят получить:

В реакциях Пааля-Кнорра в качестве 1,4-дикарбонильного соединения используют дикетоны, сложные эфиры дикарбоновых кислот, дикарбоновые кислоты или кетокислоты. Используя различные «строи-тельные блоки», этим методом можно синтезировать разнообразные гомологи и производные пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом.

2. Реакция 1,4-диоксосоединенийс водоотнимающими соединениями. Действуют на ароматические гетероциклы с одним гетероатомом исходят из 1,4-диоксосоединений, на которые для получения фурана и его гомологов действуют водоотнимающими веществами (Р₂О₆, СН₃СОСl), для получения тиофена и его гомологов – пятисернистым фосфором, для синтеза пиррола и его производных – аммиаком:

3. Получение пятичленных гетероциклов из продуктов окисления сахаров. Сухая перегонка слизевой кислоты ведет к пирослизевой кислоте (так называется α-фуранкарбоновая кислота), а пиролиз аммониевой соли слизевой кислоты – обычный путь синтеза пиррола. В первом случае происходит потеря одного карбоксила в виде СО₂, во втором – полное декарбоксиливование:

Для синтеза тиофена и его производных этого типа реакция не применяется, но тиофен можно получить, действуя P₂S₃. нa янтарную кислоту.

4. Взаимные превращения фурана, тиофена и пиррола. Между фураном, тиофеном и пирролом существует взаимосвязь, открытая советским ученым Ю.К. Юрьевым, которая заключается в превращении указанных гетероциклов друг в друга при температуре 450 С в присутст-вии оксида алюминия (реакция обмена гетероатома):

5. Получение гетероциклов из олефинов. Хьюсген обобщил ряд давно известных реакций (открытых Ганчем, Димротом, Килико и др.) и нашел серию новых реакций «присоединения» к олефинам, ацетиленам, а также нитрилам, ведущих к замыканию пятичленных гетероциклов. По этой причине данный тип присоединения был назван биполярным. Присоединение по кратной связи диполярофила (так по аналогии с диено-филом называется присоединяющий диполярную триаду ацетилен, олефин и т. д.) происходит по следующему типу:

6. Синтез пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом из диацетилена (Шульте):

Электронное строениепятичленных гетероциклов на примере пиррола. Молекула пиррола плоская, что свидетельствует о гибридизации как атомов углерода, так и гетероатома азота. Причем три гибридизованные орбитали атома азота, принимающие участие в образованииσ-связей, лежат в плоскости кольца.

Негибридизованная p-орбиталь гетероатома, расположенная перпендикулярно плоскости кольца, несет неподеленную пару электронов. При перекрывании π-орбитали кольцевого азота с негибридизованными π-орбиталями четырех атомов углерода кольца, несущих по одному электрону, образуется единая π-молекулярная система, содержащая в общей сложности шесть электронов (ароматический секстет). Таким образом, пиррол, как и бензол, и пиридин, подчиняется правилу ароматичности Хюккеля.

Гетероциклы фуран и тиофен представляют собой плоские молекулы, имеющие подобный пирролу тип делокализованной структуры, где одна из неподеленных электронных пар гетероатома (кислорода и серы, соответственно) участвует в образовании ароматического секстета.

Геометрия молекул и расчеты по методу МО: длины связей в пирроле, фуране и тиофене свидетельствуют об образовании сопряженной системы, т. е. связи короче обычных (длина связи С–С = 0,154 нм, С–N = 0,145-0,147 нм, С–O = 0,140-0,142 нм, С–S = 0,18 нм), но длиннее двойных (длина связи С=С = 0,134 нм):

Расчеты по методу МО в приближении Хюккеля свидетельствуют о том, что все эти системы стабилизированы вследствие циклической делокализации л-электронов. Энергия циклической делокализации зависит от электроотрицательности гетероатома и резонансного интеграла связи С–X. При увеличении электроотрицательности гетероатома энергия уменьшается.

В целом следствием высокой электроотрицательности гетероатома кислорода является уменьшение влияния +Мэффекта (р, π-сопряжения), и, вероятно, поэтому фуран имеет менее выраженный ароматический характер, чем пиррол, и склонен к реакциям, характерным для сопряженных диенов.

Если для фурана и пиррола допустима только одна незаряженная предельная структура, то с тиофеном дело обстоит несколько иначе. Наименее ароматичен фуран, у него наиболее выражены диеновые свойства, так как кислород – самый электроотрицательный из трех рассматриваемых элементов, он меньше всего склонен отдавать свою электронную пару на образование ароматического секстета.

Наиболее выражены ароматические свойства у тиофена, он больше всего напоминает бензол, т. к. пара р-электронов атома серы более удалена от ядра и легче смещается для образования сопряженной-электронной оболочки. Пиррол в этом ряду занимает промежуточное положение. Гетероатом, поставляяр-электроны в цикл, теряет долю своей электроотрицательности, в то же время имеет место повышенная нуклеофильность атомов углерода, в особенности соседних с гетероатомом. Свободная электронная пара гетероатома сдвинута на двойные связи цикла и электроны способны переходить из октета одного углеродного атома в октет другого углеродного атома.

Рисунок 1 – Общая формула пятичленных гетероциклов,

где Z = O, S, NH; 2, 5 – -положения; 3, 4 – -положения

Такая формула объясняет повышенную активность к электрофильному замещению атомов углерода циклов, особенно, в положениях 2, 5(-положения).

На полярную природу этих соединений указывает также наличие дипольных моментов в отличие от бензола, а также отсутствие выравненности углерод-углеродных связей, хотя в результате имеющегося сопряжения двойные связи в них удлинены, а простые укорочены:

Дипольный момент μ (D)

0	0,7	1,8	1,87

Степень ароматичности, рассматриваемых гетероциклов, можно выразить с помощью энергии сопряжения:

Распределение зарядов
Энергия сопряжения (кДж/моль)	92	109	118	150,7

увеличение ароматичности

увеличение диеновой природы

Таблица 4 – Величина энергии резонанса E_R.

	Величина электронной плотности	ЭО гетероатома	ER, кДж/моль
Тиофен		2,5	120
Пиррол		3,0	100
Фуран		3,5	92

Таблица 5 – Температура кипения гетероциклов:

Представители	Т. кип., ^оС	Молекулярная масса
Фуран	31,83	68,1
Пиррол	130,0	67,0
Пирролидин	86,6	71,0

Гетероатом (O,S,N) в пятичленных гетероциклах, как правило, не участвует в образовании координационных соединений, поскольку свободная парар-электронов поставляется для образования ароматического секстета. Так, фуран, тиофен и пиррол не образуют оксониевых соединений, сульфоксидов, сульфонов, четвертичных аммонийных оснований,N-окисей. Пятичленные гетероциклы отличаются от бензола и его производных меньшей устойчивостью к агрессивным воздействиям.

Химические свойства. Для пятичленных гетероциклических соединений с одним гетероатомом характерны следующие реакции замещения, присоединения, раскрытия цикла и обмена гетероатома, обусловленные химическим строением данных соединений.

Наиболее характерными реакциями фурана, тиофена и пиррола, как и других ароматических соединений, являются реакции электрофильного замещения. Эти соединения подвергаются галогенированию, сульфированию, нитрованию, ацилированию и т.д. В реакциях электрофильного замещения пятичленные гетероциклы ведут себя активнее бензола, аналогично ароматическим аминам и фенолам. Электрофильное замещение происходит в положения 2,5 (-положения), т. е. по месту наибольшей электронной плотности.

1. Нитрование. Используют «мягкий» нитрующий агент – ацетилнитрит (смесь уксусного ангидрида с азотной кислотой) в пиридине, при этом образуются α-нитропроизводные:

где Z = О, NH, S

2. Сульфирование.Фуран и пиррол осмоляются при действии минеральных кислот (проявляют ацидофобные свойства), т.е. в кислой среде протон связывает неподеленную пару электронов кислорода или азота, образуется оксониевый или аммониевый ион, обладающий свойствами диена с сопряженными двойными связями, который легко полимеризуется и осмоляется:

где Z = О, NH

Поэтому сульфируют фуран и пиррол с помощью пиридинсульфотриоксида – комплекс пиридина с оксидом серы (VI) C₆H₅NSO₃:

где Z = О, NH

3. Основность ацидофобных гетероциклов (ацидофобность от лат. acidum – кислота, гр. phobos – боязнь).

Тиофен неацидофобен, т.к. у него практически отсутствуют основные свойства.

Представители пятичленных гетероциклических соединений с одним гетероатомом

Фуран представляет собой пятичленный ароматический гетероцикл с атомом кислорода в кольце:

Важное место в ряду фурана занимают бензофуран и дибензофуран – соединения, в которых фурановое кольцо сконденсировано с одним или двумя бензольными кольцами:

бензофуран	дибензофуран

Электронная структура фурана. Фуран является ароматическим соединением с энергией делокализации, равной 92,4 кДж/моль. Ароматические свойства фурана определяются наличием кольцевого секстета π-электронов. Секстет электронов образуется за счет 4 π-электронов двух двойных углерод-углеродных связей и неподеленной пары электронов, поставляемой атомом кислорода. Другая неподеленная пара электронов кислорода остается свободной и в определенных условиях может участвовать в образовании оксониевых соединений. Состояние электронов в атоме кислорода при вхождении его в фурановый цикл соответствует состоянию sp²-гибридизации. Две тригональные гибридные орбитали образуют две δ-связи с соседними атомами углерода. На третьей тригональной орбитали располагается первая неподеленная пара электронов. Все три тригональные орбитали согласно представлениям о sр²-гибридизации лежат в одной плоскости, совпадающей с плоскостью фуранового цикла. Вторая неподеленная пара электронов кислорода находится на чистой р-орбитали, перпендикулярной к плоскости фуранового кольца. Эта неподеленная пара электронов и участвует в сопряжении с π-электронами двойных связей фурана, образуя ароматический секстет электронов. Таким образом, атом кислорода предоставляет для образования фуранового кольца два электрона и одну атомную орбиталь:

Физические свойства. Фуран представляет собой дважды ненасыщенное гетероциклическое соединение, содержащее 4 атома углерода и 1 атом кислорода, значение которых все более возрастает. Это соединение упоминалось ранее под названием фурфуран, но впоследствии за ним твердо укоренилось наименование фуран.

Таблица 6 – Основные физические характеристики

Свойства С4Н4О	Показатели
агрегатное состояние	жидкость
молярная масса	68,03
температура кипения	31-32^оС (760٠мм.рт.ст)
растворимость в воде	нерастворим
растворимость в спирте и эфире	легко растворим
запах	хлороформа
цвет	бесцветный

Основные методы получения фурана. В настоящее время известно большое число методов получения фурана и его производных.

1. Замыкание в цикл диенольной формы 1,4-дикарбонильных соединений с выделением молекулы воды:

Значение этого метода ограничивается доступностью исходных дикарбонильных соединений.

2. Получение фурана из углеводов. Промышленным сырьем для получения фурана и его производных являются природные углеводы – пентозы, которые могут быть выделены при переработке растительного сырья в различных сельскохозяйственных и текстильных производствах.

Первым продуктом фуранового ряда, получаемым из пентоз, является фурфурол – простейший фурановый альдегид. Фурфурол с хорошим выходом получается при действии разбавленной минеральной кислоты (H₂SО₄ или Н₃РО₄) на пентозы: при действии разбавленной минеральной кислоты (H₂SО₄ или Н₃РО₄) на пентозы:

Следующая стадия заключается в декарбонилировании фурфурола. Эта реакция протекает также с хорошим выходом в условиях гетерогенного катализа при температуре 440–460 °С. В качестве катализаторов обычно используются хромит цинка и железа, окись марганца, окись кальция:

3. Сухая перегонка пирослизевой кислоты.При сухой перегонке слизевой кислоты (2,3,4,5-тетрагидроксигександиовой) образуется пирослизевая кислота, при декарбоксилировании которой (при нагревании в запаянной трубке) получается фуран:

Химические свойства фурана. Наиболее характерными реакциями фурана являются реакции электрофильного замещения. Для фурана характерны реакции галогенирования, сульфирования, нитрования, ацилирования и т.д. Во всех этих реакциях фуран ведёт себя активнее бензола, аналогично ароматическим аминам и фенолам. Электрофильное замещение происходит в положения 2, 5 (-положения), т. е. по месту наибольшей электронной плотности.

1. Реакция галогенирования. Взаимодействие фурана с галогенами при низкой температуре происходит через промежуточную стадию присоединения молекулы галогена в положения 2, 5 фуранового кольца. Образующиеся продукты присоединения отщепляют галогеноводород и дают -галогенфураны. При повышенных температурах для галогенирования используют комплексы галогенов с пиридином или диоксаном.

2. Реакция нитрования. Для нитрования используют «мягкий» нитрующий агент – ацетилнитрит (смесь уксусного ангидрида с азотной кислотой) в пиридине, при этом образуются -нитропроизводные:

3.Реакция ацилирования. Реакцию ацилирования по Фриделю-Крафтсу проводят используя более «мягкие» катализаторы (SnCl₂, SnCl₄, ZnCl₂, BF₃) и с помощью ангидридов кислот:

4. Реакция сульфирования. В качестве «мягкого» сульфирующего агента в ряду фурана применяется пиридинсульфотриоксид. Методика применения этого реагента была тщательно разработана А.П. Терентьевым с сотрудниками. При наличии в фурановом кольце электроноакцепторного заместителя можно осуществить сульфирование, применяя непосредственно концентрированную серную кислоту. Фуран-2-карбоновая кислота сульфируется таким образом до фуран-2-карбоновой-5-сульфокислоты с хорошим выходом.

4. Реакция гидрирования. Гидрирование фурана приводит к насыщенным гетероциклическим системам, лишенным ароматических свойств. Фуран гидрируется над никелевым или платиновым катализатором до тетрагидрофурана (ТГФ):

5. Реакция окисления.Фурановое кольцо чувствительно к действию окислителей. Уже на воздухе фуран самоокисляется, одновременно полимеризуясь. В условиях каталитического окисления он с хорошим выходом превращается в малеиновый ангидрид: