12.2.4. Особенности индола
Название индола как конденсированной системы, содержащей гетероциклическое кольцо пиррола, — бензо[b]пиррол.
Нумерацию атомов в индоле начинают с гетероатома, атомы углерода в пиррольном цикле могут быть обозначены также греческими буквами:
Индол и его производные — это бесцветные кристаллические вещества, не растворяющиеся в воде и имеющие своеобразный неприятный запах.
12.2.4.1. Строение
Молекула индола представляет 10--электронную бициклическую сопряжённую систему, в которой участвует гетероатом со своей неподелённой электронной парой. В результате электронодонорного мезомерного эффекта атома азота повышается электронная плотность в положениях 3, 5 и 7:
12.2.4.2. Кислотно-осόвные свойства
Сильные кислоты протонируют индол в положение 3, тем самым нарушается сопряжённая система пиррольного цикла, что приводит к его раскрытию и дальнейшим превращениям (димеризация, олигомеризация):
Индол является слабой NH-кислотой (по кислотности сравним с пирролом). Он образует соли при действии щелочей, алкоголятов и металлорганических соединений (аналогично пирролу).
12.2.4.3. Реакции с электрофилами
Ввиду выраженных ацидофобных свойств индола его реакции с сильными электрофилами в кислой среде приводят к продуктам олигомеризации. С более мягкими электрофилами осуществляется замещение в -положение. Если оно занято, то реакция протекает в -положение. Объяснить такое направление электрофильного замещения можно сравнением устойчивости образующихся -комплексов:
(Здесь не приведены граничные структуры с участием -электронной плотности бензольного кольца по причине их значительно меньшего вклада, но таких структур было бы в каждом случае на три больше.)
Как видно из приведённых направлений взаимодействия индола с электрофильной частицей, делокализация положительного заряда в случае атаки по -атому (второе направление) полнее и такой -комплекс устойчивее.
Нитрование индола осуществляется так же, как и пиррола, через образование солей, сульфирование — пиридинсульфотриоксидом, а для бромирования используется комплекс брома с диоксаном:
Алкилирование может осуществляться как по атому азота, так и по атому углерода. Направление реакции определяется главным образом температурой, а также природой металла и растворителем. Это можно изобразить схемой:
12.2.4.4. Реакции окисления
Мягкое окисление индола даёт синий краситель индиго:
индиго (синего цвета) соль белого индиго
Сильными окислителями (KMnO4) индиго окисляется до изатина:
изатин
12.2.5. Способы получения пиррола, фурана, тиофена, индола
В небольших количествах пиррол и тиофен содержатся в каменноугольной смоле. При этом тиофен выгоняется из неё вместе с бензолом.
К синтетическим способам получения можно отнести следующие.
Общим способом получения пиррола, фурана и тиофена и их производных является циклизация -дикарбонильных соединений. Механизм кислотно-катализируемого образования фуранов можно представить в следующем виде:
В синтезе пирролов необходима нуклеофильная атака аммиаком, а для получения тиофенов используются сульфиды фосфора. Например, механизм образования пирролов:
Для получения фурана и его производных используют природные моносахариды. При нагревании в присутствии минеральных кислот может образоваться фурфурол:
D-ксилоза фурфурол
или другие производные фурана в зависимости от природы исходного моносахарида (гл. 7.1.2.3).
При нагревании гликаровых (гл. 7.1.2.1) кислот образуется пирослизевая кислота:
пирослизевая кислота
Пиррол образуется при нагревании аммониевых солей гликаровых кислот:
Универсальным и удобным в практическом выполнении методом получения производных пиррола является взаимодействие -аминокетонов с кетонами, содержащими реакционноспособную метиленовую группу (синтез Кнорра*). Например:
Пиррол и тиофен могут быть получены из фурана с помощью реакций Юрьева (см. выше).
Для получения индола и его производных практическое значение имеет реакция Фишера, которая ещё называется синтезом индолов по Фишеру. Это метод получения производных индола из фенилгидразонов альдегидов или кетонов. Реакция протекает при нагревании арилгидразонов в присутствии таких катализаторов, как ZnCl2, разбавленная H2SO4, концентрированная CH3COOH, спиртовый раствор HCl:
Общепринятый в настоящее время механизм этой реакции можно представить в следующем виде:
