12.3. Пятичленные гетероциклические

соединения с двумя гетероатомами

Среди этих гетероциклических соединений наиболее важны в практическом отношении имидазол, пиразол, оксазол, тиазол, изоксазол, изотиазол и конденсированные системы на их основе бензимидазол и бензотиазол.

имидазол пиразол оксазол тиазол изоксазол

изотиазол бензимидазол бензотиазол

12.3.1. Номенклатура имидазола и пиразола

Систематические названия имидазола и пиразола — 1,3-диазол и 1,2-диазол. Атомы цикла нумеруются начиная с гидрированного (или замещённого) азота (N–H или N–R) в направлении второго атома азота по кратчайшему пути.

Названия радикалов, образованных от этих гетероциклов, — имидазолил и пиразолил, с указанием атома, имеющего свободную валентность, цифровым локантом.

12.3.2. Строение имидазола и пиразола

Молекулы имидазола и пиразола, так же как и пиррола, являются сопряжёнными системами. Природа атомов азота, входящих в гетероцикл, различна. Один из них образует двойную связь с атомом углерода и в целом участвует в образовании двух -связей и -связи за счёт своих валентных электронов. Неподелённая электронная пара этого атома азота находится на sp²-гибридной орбитали, ось которой лежит в плоскости гетероцикла, и потому эти электроны не могут участвовать в сопряжении с -электронной системой кольца. Такой атом азота называется пиридиновым, так как по природе идентичен атому азота в шестичленном гетероцикле пиридине (см. далее).

Другой атом азота по природе является таким же, как и в пирроле и называется пиррольным. Его неподелённая электронная пара, так же как и в пирроле, участвует в сопряжении с двумя -связями кольца. В результате здесь тоже образуется циклическая сопряжённая система с шестью -электронами (четыре -электрона от двух двойных связей и два — от пиррольного атома азота). По сравнению с пирролом имидазол и пиразол имеют более ароматический характер, так как пиридиновый атом азота, являясь акцептором, способствует более полной делокализации неподелённой электронной пары пиррольного азота по кольцу, а значит, и более равномерному распределению электронной плотности в кольце.

пиридиновый азот пиррольный азот

12.3.3. Физические и химические свойства имидазола и пиразола

Имидазол и пиразол являются бесцветными кристаллическими веществами, но их N₁-производные (не содержащие связи N–H) могут быть жидкостями. Кристаллическое состояние вещества самих диазолов обусловлено наличием прочных межмолекулярных водородных связей. Например, для имидазола:

для пиразола:

Следствием этого являются как их высокие температуры кипения (например, в сравнении с пирролом), так и существенная разница этих температур для имидазола и пиразола между собой (для имидазола температура кипения составляет 529 К, для пиразола — 460 К, для пиррола — 404 К).

На химические свойства диазолов, в отличие от пиррола оказывает влияние наличие пиридинового атома азота.

12.3.3.1. Кислотно-оснόвные свойства

Имидазол и пиразол обладают амфотерными свойствами. Они являются слабыми NH-кислотами аналогично пирролу.

В результате при проявлении ими кислотных свойств в анионе атомы азота становятся идентичными друг другу.

Но в сравнении с пирролом кислотные свойства диазолов выражены несколько сильнее, что является результатом акцепторного влияния пиридинового атома азота. Поэтому ряд уменьшения кислотных свойств можно показать следующим образом (в скобках приведено значение рК_а):

пиразол (14.2)  имидазол (14.2) > пиррол (17.5).

Имидазол и пиразол обладают оснόвными свойствами средней силы за счёт пиридинового атома азота (рК_b имидазола 6.9, а рК_b пиразола 11.5). Более низкое значение основности для пиразола связано с наличием N–N-связи в его молекуле и проявлением, таким образом, сильного –I-эффекта пиррольного атома азота, понижающего основность пиридинового азота.

В результате присоединения протона образуются стабильные катионы, циклическая сопряжённая система не нарушается, а положительный заряд в равной степени делокализуется по обоим атомам азота:

В катионе атомы азота становятся идентичными друг другу.

Диазолы не обладают ацидофобностью, как и все гетероциклы с двумя гетероатомами. Ароматичность этих соединений сохраняется и в протонированной форме.

Для замещённых диазолов характерны таутомерные превращения. В результате протонного переноса меняется положение заместителей в кольце. Так, таутомерия монозамещённых диазолов легко объясняется равнозначностью атомов азота в катионной и анионной формах. Например, превращение 3-метилпиразола в 5-метилпиразол

можно представить так:

3-метилпиразол

5-метилпиразол

12.3.3.2. Реакции алкилирования и ацилирования по атому азота

Диазолы легко вступают во взаимодействие с алкилирующими и ацилирующими агентами с участием пиридинового атома азота. По механизму эти реакции — типичные реакции нуклеофильного замещения, в которых имидазол и пиразол являются нуклеофилами. При этом алкилирование избытком галогеналкана приводит к диалкильному производному, а при ацилировании образуется только моноацилированный гетероцикл. Например, взаимодействия имидазола с йодалканом и с ацилхлоридом протекают так:

12.3.3.3. Реакции электрофильного замещения

Атака электрофильного реагента может осуществляться как по атому азота, так и по атому углерода кольца. На атомах азота электронная плотность выше, однако образующиеся с азотом связи недостаточно прочны, и продукты такого взаимодействия значительно менее стабильны, чем продукты электрофильных реакций по углероду.

Многие типичные S_E-реакции протекают в кислой среде. Но имидазол и пиразол протонируются кислотами, при этом молекулы гетероциклов превращаются в мало-реакционноспособные катионы. Это снижает активность диазолов в таких реакциях, как нитрование, сульфирование, но, тем не менее, имидазол и пиразол нитруются нитрующей смесью и сульфируются в обычных условиях с удовлетворительными выходами. Имидазол образует продукты замещения по 4-му или 5-му атому кольца, пиразол — 4-замещённые продукты. Например, нитрование можно представить так:

4-нитроимидазол 5-нитроимидазол

4-нитропиразол

Однако если S_E-реакцию удаётся провести в щелочной среде, то она протекает легко. Примерами могут служить реакция бромирования и взаимодействие с некоторыми слабыми электрофилами, например, с катионом арендиазония, как показано для имидазола в следующих схемах:

2,4,5-трибромимидазол

4-арилазоимидазол

5-арилазоимидазол

Существенно отличается от имидазола и пиразола поведение тиазола и оксазола по отношению к электрофильным агентам. Тиазол не вступает в реакцию нитрования даже при использовании азотной кислоты в олеуме при 433 К, но метилтиазолы успешно нитруются, причём преимущественно образуются 5-нитро- и в меньшем количестве 4-нитропроизводные. Гораздо менее реакционноспособные оксазолы не подвергаются нитрованию вовсе.

Сульфирование тиазола протекает в жёстких условиях. Для этого требуются высокие температуры (523 К) и присутствие сульфата ртути (II) в качестве катализатора. Оксазол не сульфируется.