12.2. Пятичленные гетероциклические

соединения с одним гетероатомом

Наиболее важны в практическом отношении такие пятичленные гетероциклы, как пиррол, фуран, тиофен и конденсированные системы на их основе: индол, кумарон и карбазол.

пиррол фуран тиофен

индол кумарон карбазол

12.2.1. Номенклатура пиррола, фурана и тиофена и их производных

Пиррол, фуран и тиофен могут иметь систематические названия по номенклатуре гетероциклов азол, оксол и тиол соответственно или по заменительной номенклатуре 1-азациклопентадиен-2,4, 1-оксациклопентадиен-2,4, 1-тиациклопентадиен-2,4 соответственно. Но систематические названия практически не используются.

Положение заместителей указывается греческими буквами или цифровыми локантами:

Например:

2-бром-5-метилпиррол 2-фуранкарбальдегид 2,4-диметилтиофен

-бром-’-метилпиррол-фуранкарбальдегид,’-диметилтиофен

фурфурол

Радикалы, образованные от пиррола, фурана, тиофена и их производных, имеют следующие тривиальные названия:

-пиррил -пиррил-тиенил-тиенил

-фурил -фурил фурфурил

12.2.2. Строение пиррола, фурана и тиофена

Молекулы пиррола, фурана и тиофена содержат систему сопряжённых связей и атом с неподелённой электронной парой. В результате образуется циклическая сопряжённая система с шестью -электронами (четыре -электрона от двух двойных связей и два — от гетероатома). Поэтому можно считать, что эти соединения имеют ароматический характер.

За счёт неподелённой электронной пары гетероатом в этом кольце является электронодонором, поэтому на углеродных атомах электронная плотность повышена (по сравнению с бензолом) и пятичленные гетероциклы в целом являются -избыточными ароматическими системами. Циклическую делокализацию неподелённой пары электронов гетероатома можно показать с помощью граничных структур:

Квантово-химическими расчётами показано, что величина электронной плотности в -положении больше, чем в-положении.

В пространстве молекула такого соединения представляет плоский пятиугольник, однако длины связей и валентные углы неодинаковы. Это связано с неравномерностью распределения -электронной плотности в кольце и зависит от природы гетероатома. Чем электроотрицательнее гетероатом, тем более неравномерно распределена электронная плотность и, следовательно, меньшей ароматичностью обладает система. Поэтому ряд уменьшения ароматичности (по сравнению с бензолом) можно показать следующим образом (в скобках приведена энергия делокализации ароматической системы в кДж/моль):

бензол (151) > тиофен (122) > пиррол (90) > фуран (68).

12.2.3. Физические и химические свойства пиррола, фурана и тиофена

Пиррол, фуран и тиофен являются бесцветными жидкостями с приятным запахом, практически нерастворимы в воде.

Химические свойства пятичленных гетероциклических соединений определяются как наличием ароматического цикла, так и наличием гетероатома.

12.2.3.1. Кислотно-оснόвные свойства

Пиррол, фуран и тиофен взаимодействуют с сильными кислотами. В случае пиррола, фурана и их алкилпроизводных обычно происходит «осмоление» (олигомеризация и полимеризация), тиофеновое кольцо к разрушению под действием холодных кислот устойчиво. Данное свойство пиррола, фурана и отчасти тиофена и их производных называется ацидофобностью. Ацидофобность связана с присоединением протона в большинстве случаев к -углеродному атому, разрушением ароматической системы и дальнейшим превращением активной диеновой системы:

Наибольшей основностью обладает пиррол, он легче всего протонируется. Самым слабым основанием из рассматриваемых гетероциклов является тиофен, он наиболее трудно протонируется, поэтому он наименее ацидофобен.

Введение в молекулу электроноакцепторных заместителей уменьшает электронную плотность на ароматическом кольце и тем самым снижает ацидофобность. При наличии сильных электроноакцепторов в гетероциклическом кольце соединение может и вовсе быть устойчиво к действию кислот, как, например, молекула пирослизевой кислоты:

пирослизевая кислота

К действию оснований фуран и тиофен устойчивы, так как не содержат подвижных атомов водорода, а пиррол является слабой NH-кислотой (рК_а = 17.5) и при сплавлении со щелочами образует соли:

пиррил-калий

По кислотности пиррол сравним со спиртами, и поэтому для получения его солей могут использоваться также алкоголяты или металлорганические соединения, как, например, при взаимодействии с реактивом Гриньяра:

бромид N-пиррилмагния

Соли пиррола используются для алкилирования (и ацилирования) молекулы пиррола соответствующими алкилгалогенидами (или ацилгалогенидами). Реакция протекает по азоту или по -углеродному атому:

12.2.3.2. Реакции электрофильного замещения

В общем случае электрофильное замещение для пиррола, фурана и тиофена протекает легче, чем для бензола в связи с большей величиной -электронной плотности в молекуле гетероциклов. При этом на атомах углерода в наибольшей степени повышена электронная плотность в кольце пиррола по причине большего +М-эффекта атома азота по сравнению с другими гетероатомами. Поэтому реакционная способность по отношению к электрофилам будет увеличиваться в ряду: бензол < тиофен < фуран < пиррол.

Электрофильное замещение в пирроле, фуране и тиофене протекает селективно в -положение, но когда оно занято, то реакция идёт по -углеродному атому. Направление реакции в -положение объясняется сравнением устойчивости образующихся -комплексов (и подтверждается квантово-химическими расчётами):

Влияние заместителей в гетероциклическом кольце на направление электрофильного замещения проявляется только в том случае, если оба -положения заняты, либо оба -положения свободны, а заместитель находится в -положении. В этих случаях электрофильная атака протекает в соответствии с влиянием заместителей на распределение электронной плотности в данном ароматическом кольце. Например:

Для нитрования пиррола, фурана и тиофена азотная кислота не используется по причине ацидофобности этих соединений. Нитрование фурана и тиофена проводят ацетилнитратом CH₃COONO₂, для чего используют раствор азотной кислоты в уксусном ангидриде:

,

хотя возможно использование и других смешанных ангидридов или эфиров азотной кислоты. При этом фуран первоначально образует продукт присоединения ввиду своего выраженного диенового характера, а затем отщепляет молекулу уксусной кислоты (обычно под действием органического основания) и превращается в продукт замещения:

2-нитрофуран

-Нитропиррол в отличие от нитропроизводных фурана и тиофена получают через соли пиррола. Например, при использовании этилнитрата:

2-нитропиррол

Сульфировать серной кислотой можно только тиофен:

тиофен-2-сульфокислота

(Механизм сульфирования здесь такой же, как и механизм взаимодействия с холодной концентрированной серной кислотой бензола и его производных.)

Для сульфирования пиррола и фурана по причине их ацидофобности используют комплексы триоксида серы с электронодонорами, обычно пиридинсульфотриоксид или диоксансульфотриоксид:

пиридинсульфотриоксид диоксансульфотриоксид

Механизм сульфирования такими комплексами аналогичен механизму сульфирования триоксидом серы:

Пиридин (или диоксан) в качестве донора электронной пары необходим для связывания отщепляющегося протона.

Галогенирование (хлорирование, бромирование, йодирование) пиррола и тиофена протекает настолько легко, что если специальным образом не контролировать течение реакции, образуются тетрагалогенопроизводные. Так, например, бромирование пиррола раствором брома в этаноле при 273 К даёт тетрабромпиррол:

Получение монобромпиррола (-изомер) представляет определённую трудность, и необходимо специальным образом контролировать течение реакции или использовать специальные бромирующие агенты. Для получения монобромтиофена применяют достаточно низкие температуры (248—268 К). Для хлорирования используют сульфурилхлорид SO₂Cl₂ или тетрахлорид олова SnCl₄. Йодирование осуществляется молекулярным йодом (или KI + H₂O₂) в присутствии кислотного катализатора.

Галогенирование фурана протекает через реакцию присоединения (с последующим отщеплением галогеноводорода) — в этом проявляется диеновый характер этого гетероцикла. Здесь возможно хлорирование (газообразным хлором) или бромирование с образованием полигалогенопроизводных, но не йодирование. Фуран не реагирует с йодом.

Ацилирование пиррола, фурана и тиофена осуществляют ангидридами (реже галогенангидридами) карбоновых кислот.

Алкилирование фурана и пиррола не проводят, так как вероятные продукты этой реакции ещё более ацидофобны и полимеризуются за счёт выделяющегося галогеноводорода.

Высокая активность пиррола иллюстрируется его способностью реагировать со слабыми электрофилами, например с солями арендиазония, диоксидом углерода, альдегидами. Скорость азосочетания сильно зависит от рН среды. При значениях рН ниже 8 в реакцию сочетания с катионом бензолдиазония вступает нейтральная молекула пиррола, а при значениях рН раствора выше 10 в реакции участвует пиррил-анион, и она в этом случае протекает в 10⁸ раз быстрее. В более щелочных условиях происходит образование 2,5-бис-диазопроизводных.

Взаимодействие пиррил-калия с диоксидом углерода протекает по механизму, аналогичному реакции Кольбе–Шмитта (гл. 10.5.3.3), с образованием пиррол-2-карбоновой кислоты.

12.2.3.3. Реакции присоединения

В этих реакциях проявляется диеновый характер гетероциклов. Поэтому такие реакции наиболее характерны для фурана. Примерами могут быть присоединение водорода, галогенов и реакция диенового синтеза.

Водород присоединяется в присутствии катализаторов (Ni, Pd, Pt) при нагревании и под давлением. Из пиррола, фурана и тиофена образуются соответствующие тетрагидропроизводные — пирролидин, тетрагидрофуран и тиофан:

(X = NR, O, S)

Труднее всех гидрируется тиофен и его производные, а легче — фуран.

Присоединение галогенов наиболее характерно для фурана, причём продукт присоединения может отщеплять молекулу галогеноводорода, давая продукт формального замещения, например:

2,5-дибром-2,5-дигидрофуран 2-бромфуран

Реакции диенового синтеза характерны, главным образом, для фурана. Это, например, взаимодействие с малеиновым ангидридом:

Тиофен с малеиновым ангидридом не реагирует, но он может быть введён в реакцию Дильса–Альдера при использовании очень реакционноспособных алкинов, например дицианоацетилена; но продукт присоединения легко теряет атом серы и превращается во фталодинитрил:

Пиррол взаимодействует с малеиновым ангидридом как с электрофилом:

12.2.3.4. Реакции замены гетероатома

Эти реакции представляют взаимное превращение пиррола, фурана и тиофена:

Они были открыты в 1936 году Ю.К. Юрьевым и называются также синтезом Юрьева или циклом Юрьева.

Реакции осуществляются при температуре 670—770 К в присутствии катализатора Al₂O₃. Практическое значение имеют только превращения фурана в пиррол и тиофен:

В остальных четырёх реакциях (с участием пиррола и тиофена) выход продуктов не превышает 2%.

Причиной предпочтительного участия фурана во взаимопревращениях в другие гетероциклы можно считать его меньшую ароматичность, а также наибольшую жёсткость атома кислорода как оснόвного центра (по Р. Пирсону) в сравнении с азотом и серой в пирроле и тиофене. Тогда механизм превращения фурана, например в тиофен, можно представить в следующем виде:

(2 HAlO₂  Al₂O₃ + H₂O)