Ч.3 Курс лекций по ОХ

А. РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

Для фурана, тиофена и пиррола, как и для аренов, наиболее характерны реакции электрофильного замещения (SЕ). Эти соединения подвергаются нитрованию, галогенированию, сульфированию, ацилиро-

ванию и т.д. Замещение осуществляется в -положении. Здесь ГЦС ведут себя активнее бензола; так как они менее устойчивы, то требуют более мягких реагентов и условий проведения реакций. Так нитрование осуществляется не НNО3, а ацетилнитратом СН3–СООNО2 (смешанным ангидридом азотной и уксусной кислот); сульфирование – не Н2SО4, а только пиридинсульфоксидом С5Н5N∙SO3

HC

CH

CH3COONO2

HC

CH

HC

CH

CH3COOH

HC

C

NO2

NH

NH

пиррол

2-нитропиррол

HC

CH

HC

CH

C5H5N SO3

+ CC H N

HC

HC

C

H

C

SO3H

5 5

O

O

фуран

2-фурансульфокислота

пиридин

Повышенная устойчивость тиофена позволяет сульфировать его

серной кислотой, но на холоде

HC

CH

H2SO4 (холод)

HC

CH

HC

CH

HC

C

SO3H

H2O

S

S

тиофен

2-тиофенсульфокислота

Галогенирование ведется на холоду. Используются Вr2 или SO2Cl2

HC	CH		HC	CH					HC	CH
		SO2Cl2					SO2Cl2
HC	CH		HC	C		Cl	Cl		C	C	Cl
	S			S						S
тиофен			2-хлортиофен					2,5-дихлортиофен
				41

HC	CH				HC	CH
				Br2
HC	CH			HBr	HC	C		Br
	O					O
фуран					2-бромфуран

Ацилирование по Фриделю–Крафтсу фурана и пиррола проводится с более мягкими катализаторами, чем АlCl3 (ZnCl2, SnCl2, SnCl4), используя в качестве ацилирующего агента не галогенангидриды, а просто ангидриды кислот

HC

CH

(CH3CO)2O (ZnCl2)

HC

CH

O

HC

CH

HC

C

CH3COOH

C

CH3

NH

O

пиррол

2-ацетилпиррол

Тиофен, как более устойчивый гетероцикл, требует все-таки АlCl3 и хлорангидрида

HC	CH	CH3COCl (AlCl3)			HC	CH	O
HC	CH				HC	C
				HCl			C				CH3
	S					S
тиофен					2-ацетилтиофен

Б. РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Гидрирование приводит к насыщенным ГЦС, лишенным ароматических свойств

HC	CH		H2C CH2
		[H] (Ni)
HC	CH		H2C	CH2
	O			O
фуран			тетрагидрофуран (ТГФ)

ТГФ – очень ценный растворитель.

42

HC	CH	[H] (C2H5OH + Na)	H2C CH2
HC	CH		H2C	CH2
	S			S
тиофен				тиофан

Тиофан и его гомологи содержатся в сернистых нефтях. Пиррол восстанавливается постадийно:

HC CH

HC CH

NH

пиррол

[H]H](CHCH3COOHOOH++Zn)n)

2

HC	CH		H2C CH2
		[H]
H2C	CH2		H2C	CH2
	NH			NH
пирролин			пирролидин

Оба продукта – бесцветные жидкости с сильным аммиачным запахом.

В. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Различия в свойствах описываемых гетероциклов связаны с различной электроотрицательностью их гетероатомов (О – 3,5; N – 3,0; S – 2,5).

Наиболее ярко ароматические свойства проявляются у тиофена, который наиболее устойчив, а его непредельные свойства наименее выражены.

Важнейшей специфической реакцией тиофена является его восстановительная десульфуризация, позволяющая получать из него и его гомологов самые разнообразные соединения; алифатические карбоновые кислоты и оксикислоты, высшие спирты, кетоны и ацетали, аминоспирты, аминокислоты, лактамы и др.

R1

C

C

R2

[H] (Ni)

CH2

CH

CH

CH2

R

C

C

R3

R

R1

R2

R3

H2S

S

алкан

Окисляется тиофен до сульфона

43

HC

CH

HC

CH

2 H2O2

R

C

C

R

2 H2O

R

C

C

R

S

S

O

O

Кислород в составе фурана сильнее (чем N или S) удерживает свои электроны, и участие его неподеленной электронной пары в ароматическом сопряжении значительно слабее. Наибольшая непредельность фурана проявляется в реакции типа диенового синтеза с малеиновым ангидридом

						O
HC	CH	HC	CH			C
HC	CH	+ O C	C O	O		O
	O		O
						C
фуран		малеиновый ангидрид			аддукт	O

Фурановое кольцо очень чувствительно к окислению (ароматичность наименее выражена). Уже на воздухе фуран окисляется

HC

CH

HC

CH

HC

CH

воздух, V2O5

t

oC

HC

CH

O

C

C

O

H2O

O

C

C

O

O

O

OH

OH

фуран

малеиновый ангидрид

малеиновая кислота

Наиважнейшим для биохимии гетероциклом является пиррол. Поскольку неподеленная пара электронов азота втянута в ароматический электронный секстет, – водород, связанный с азотом, обладает повышенной подвижностью и даже способен замещаться на металл при действии на пиррол не только металлического калия, но даже концентрированного КОН

HC

CH

HC

CH

HC

CH

t oC

HC

CH

KOH

R-I

изомеризация

HC

CH

H2O

HC

CH

KI

HC

CH

HC

C

R

N

N

N

N

H

K

R

H

пиррол

пирролкалий

N-алкилпиррол

-алкилпиррол

44

Образующийся пирролкалий (или натрий) легко гидролизуется (регенерируется пиррол) и, главное, используется для получения N-алкилпирролов, изомеризующихся при нагревании в - алкилпирролы (см. выше).

При иодировании пиррола образуется тетраиодопиррол – иодол, являющийся хорошим антисептиком

HC

CH

4 I2

I

C

C

I

C

C

HC

CH

4 HI

I

I

N

N

H

H

иодол

иодол

Окисляется пиррол раствором KMnO4

до имида малеиновой кислоты

HC

CH

KMnO4 (H+)

O

HC

CH

O

NH

NH

Важными являются реакции расширения кольца пиррола

HC

CH

CH2Cl2 (NaOH)

HC

CH

NaCl, H2O

NH

N

пиррол

пиридиниридин

пиррол

HC CH

t oC

HC

C

CH3

H2

NH

N

α-метилпиррол

пиридин

-м

п риди

Из других -алкилпирролов получаются –алкилпиридины

HC

CH

t oC

HC

C CH2

NH

N

-бензилпиррол

-фенилпиридин

45

17.3. ПОРФИН И ПОРФИРИНЫ

Интереснейшим разделом органической химии является химия порфиринов – природных пигментов, играющих огромную роль в процессах жизнедеятельности растений и животных. Это, прежде всего, хлорофиллы и гемоглобины, витамин В12.

В основе молекул порфиринов лежит п о р ф и н, содержащий замкнутый цикл из четырех пиррольных колец, связанных метиновыми

мостиками. В порфине -атомы водорода пиррольных колец (пронумерованы на формуле порфина) могут быть замещены различными группами.

Установил структуру порфина и впервые его синтезировал из-пирролальдегида в 1935 г. Ганс Фишер

			O			
					
		C				
	N		H	N	N	N
H	O	H	H	C O	+ 2[H]	H
				H	4 H2O
	C
		H	H			H
	N			N	N	N
			O			
					
			H C			
	α-	ми				порфинорфин
	-ффорр		лпирролпиррол

Порфин – устойчивое соединение ароматического характера; легко вступает в реакции электрофильного замещения в позиции 1-8. Могут также замещаться и атомы водорода метиновых групп СН, соединяющих пиррольные кольца в порфине.

Еще одна особенность порфина: два оставшихся пиррольных атома водорода могут замещаться на ионы металлов (Fe2+, Mg2+, Co2+, Cu2+) с образованием внутрикомплексных соединений (две связи металла с азотами ионные, две – донорно-акцепторные).

Строение гема гемоглобина крови (С34Н32О4N4Fe), сине-зеле- ного хлорофилла (С55Н72О5N4Mg) и желто-зеленого хлорофилла

(С55Н70О6N4Mg) установил также Г. Фишер. Он же в 1945 г. синтезировал гем. Хлорофиллы (а и б) синтезировал Р.Б. Вудворд в 1960 г.

Хлорофилл (а) является оптически активным веществом: его молекула содержит три асимметрических атома углерода.

46

Витамин В12 – кобальтовый комплекс порфина; гемоцианин (голубой пигмент крови кальмаров) – медный комплекс. Различаются все эти комплексы еще и боковыми заместителями.

HC CH	CH3		HC CH		CH
2			2		3
H3C	CH CH	H3C			CH	CH
	2				2	3
N	N		N	N
Fe2+			Mg2+
N	N		N	N
H3C	CH3	H3C	*		CH3
			*
CH2CH2COOH	CH2CH2COOH		CH2
			CH2	*	C O
гем гемоглобина крови			O	O C
			C
		H39C20	O	OCH3

хлорофилл а

(зеленый пигмент растений, катализатор фотосинтеза)

17.4.ГРУППА ИНДОЛА

Кэтой группе ГЦС относятся пятичленные гетероциклы, сконденсированные с бензольным кольцом

 )

N		S
	O
индол H	кумарин	тионафтен
(бензопиррол)	(бензофуран)	(бензотиофен)

Наибольший интерес представляет индол.

Название индол получил потому, что впервые был получен из природного синего красителя индиго. Также найден в каменноугольной смоле; образуется при гниении белков; содержится в цветах жасмина и апельсина.

47

ПОЛУЧЕНИЕ (СИНТЕЗЫ)

1. Синтез А.Е. Чичибабина (1915) заключается в конденсации анилина с ацетиленом или с алкинами-1

H		C R	R
	+
H
			H2
		CH
			N
N	H
			H
анилин		алкилацетилен	-алкилиндол

С ацетиленом получается сам индол, с алкилацетиленами – производные индола.

2. Синтез Э. Фишера (1886) – нагрев фенилгидразонов альдегидов (а) или кетонов (б) с ZnCl2, H2SO4 или Н3РО4 (образуются только производные индола):

а)

NH

NH2

+

O

CH

CH2CH3

H2O

пропаналь

фенилгидразин

H

H

CH3

CH

CH3

H

t

oC

C

NH3

N

NH

N

H

фенилгидразон

-метилиндол

пропаналя

(скатол)

б)

NH

NH2

+

O

C

CH3

H2O

фенилгидразин

CH3

ацетон

48

H

H

CH

H

t oC

C CH3

NH3

CH3

NH N

N

H

фенилгидразон

-метилиндол

ацетона

(изоскатол)

3. Циклизация оксопроизводных орто-толуидина

CH2

C

H

tt oC

CH2

O

H2O

CH

NH

NH2

N

(о-аминофенилофенил- -

(изоиндолол) )

(индол)

бензальдегид)

(индол)

ацетальдегид

СВОЙСТВА

Индол – бесцветное кристаллическое вещество; Тпл = 52,5 оС; Ткип =

= 255 оС.

По химическим свойствам напоминает пиррол.

1. Образует индолкалий, который легко алкилируется

K

R

Cl

t oC

1/2H2

KCl

R

N

N

N

N

H

K

R

H

индол

индолкалий

N-алкилиндол

-алкилиндол

2. Реакция расширения пиррольного кольца индола

Cl

O

C

CHCl3

(KOH)

+

H

N

N

N

H

H

индол

-хлорхинолин

-индолальдегид

3. Электрофильное замещение в индоле идет преимущественно в - положение (исключение – реакции сульфирования), если же оно занято, то в -положение пиррольного кольца индола

49

			Cl
	SO2Cl2	Cl SO2Cl2
		N	N Cl
		H	H
		-хлориндол	-дихлориндол
	C2H5ONO2	NO2
N	C2H5OH	N
H		H
индол		-нитроиндол

C5H5N SO3

NSO3H

H

-индолсульфокислота

4. Реакции с реактивами Гриньяра имеют большое препаративное значение

	CH3MgI		R	I, t oC		R
N	CH4		N	MgI2	N
H			MgI		H
индол		N-магнийиодиндол			-алкилиндол
			CH CN		CH2 COOH
	ClCH2CN		2
			HOH
N	MgICl	N	NH3		N
MgI		H			H
N-магнийиодиндол			-индолилуксусная кислота
				(гетероауксин)

Гетероауксин – гормон роста растений. Другим важным производным индола является триптофан, – одна из незаменимых α-аминокислот, при бактериальном расщеплении которой микро-

флорой кишечника образуются индол и скатол ( -метилиндол) – но-

50