Гетероциклические соединения

- 2 -



Гетероциклические соединения



К гетероциклическим относятся соединения, содержащие циклы, в которых один или два (несколько) атомов являются элементами, отличными от углерода. Гетероциклические системы многообразны. Элементы, которые участвуют в образовании цикла, называют гетероатомами. В соответствии с количеством гетероатомов циклы разделяют на моно-, ди-, тригетероатомные кольца. 

Гетероциклы могут содержать три, четыре, пять и более атомов. Как и в случае карбоциклических соединений, наиболее устойчивы циклы с пятью и шестью атомами.







Число возможных гетероциклических систем увеличивается из-за существования конденсированных ядер.





Широко распространены гетероциклические системы в природе, являются побочными продуктами при коксовании угля, переработки нефти и сланцев. 

Наиболее важны гетероциклические системы, обладающие ароматическими свойствами. Простейшие из них содержат по одном гетероатому:







Если исходить из этих структур, то можно было бы ожидать, что каждое соединение будет обладать свойствами сопряженных диенов и свойствами амина, простого эфира, сульфида. Но для указанных соединений не характерны реакции, которые можно ожидать из-за наличия гетероатомов. 

Для пятичленных циклов типичными являются реакции электрофильного замещения: нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование, сочетание с солями диазония. Поэтому пиррол, фуран и тиофен можно считать ароматическими соединениями.

Рассмотрим строение тиофена исходя из молекулярных орбиталей. Каждый атом кольца связан -связями с тремя другими атомами. Для образования этих связей атом использует три sp2-орбитали, которые лежат в плоскости под углом 120о. Каждый атом затрачивает один электрон на образование -связи, после чего у атома углерода остается один электрон, а у атома серы - два электрона. Эти электроны занимают p-орбитали. Перекрывание p-орбиталей приводит к возникновению -облаков выше и ниже плоскости кольца. Эти -облака содержат в сумме шесть -электронов (ароматический секстет).





Делокализация -электронов стабилизирует кольцо. В результате этого тиофен вступает в реакции с сохранением кольца, т.е. в реакции замещения.

Номенклатура и изомерия

Нумерация всегда начинается с гетероатома. Если в цикле имеется несколько гетероатомов, то их нумеруют в следующем порядке: O, S, N. Если имеется третичный азот и NH, то нумерацию начинают с NH.







Положения 2 и 5 часто обозначают  и ’, а положения 3 и 4 -  и ’. По рациональной номенклатуре названия гетероциклов: фуран, тиофен, пиррол, имидазол, тиазол. В систематической номенклатуре природа гетероатома обозначается приставками:



O

окса-

S

тиа-

N

аза-



размер цикла 



3

-ир

4

-ет

5

-ол

6

-ин

7

-ен

8

-ок





Соответственно суффиксами обозначается степень ненасыщенности:

-идин

насыщенный цикл с атомом N

-ан

насыщенный цикл без атома N

-ин

ненасыщенный цикл с атомом N



Допускаются упрощения названий. 

Методы получения пятичленных гетероциклов

Пиррол и тиофен содержатся в каменноугольной смоле. Фракционной перегонкой смолы тиофен (Тпл 84 оС) перегоняется вместе с бензолом (Ткип 80 оС) и содержание его в бензоле 0,5% (1884 г., В.Мейер). Тиофен в промышленности может быть получен при взаимодействии бутана с серой при 560 оС:







Гомологи получают при нагревании 1,4-дикарбонильных соединений:







Фуран:









Пентозы, претерпевая дегидратацию и циклизацию, образуют фурфурол. При нагревании его с окисным катализатором образуется фуран. При сухой перегонке соли пирослизевой кислоты:







Большинство замещенных тиофена и фурана получают циклизацией:







Пятичленные циклы могут взаимно переходить друг в друга (реакция Юрьева) при нагревании над Al2O3 при 450 оС:



Электрофильное замещение, реакционная способность, ориентация

Фуран, пиррол и тиофен обладают значительной реакционной способностью по отношению к электрофильным реагентам. Это вызвано несимметричным распределением заряда в этих гетероциклах, из-за чего на углеродных атомах в цикле сосредоточен больший отрицательный заряд, чем в бензоле. Фуран обладает несколько большей реакционной способностью, чем пиррол. 







Фуран бурно реагирует с сильными кислотами с образованием смолистых веществ, пиррол в результате протонирования по атому азота также неустойчив в кислых средах и полимеризуется. Тиофен более устойчив по отношению к кислотам, что позволяет использовать кислые реагенты при выборе условий для реакций электрофильного замещения.

Механизм электрофильного замещения в пятичленных гетероциклах существенно не отличается от общепринятого механизма замещения в ароматических соединениях, который предполагает изменение гибридизации атакуемого атома углерода от sp2 в sp3 и образование комплексов, являющимися промежуточными соединениями. Образование -комплекса является стадией, определяющей скорость реакции.

В настоящее время основные пятичленные гетероциклы расположены в ряд по реакционной способности:

пиррол  фуран > теллурофен > селенофен > тиофен

Электрофильное замещение по -положению происходит легче, чем в -положение, так как в возникающем при этом промежуточном переходном состоянии в результате присоединения по -положению резонансная стабилизация больше, чем в катионе, являющаяся результатом присоединения по -положению.







В катионе (2) двойная связь не может участвовать в мезомерной делокализации положительного заряда. 

Скорость замещения зависит от различия энергий основного и переходного состояний, и более высокую скорость будет иметь тот процесс, который протекает через более стабильное переходное состояние.

Реакционная способность - и -положений сильно зависит от электрофильного агента и экспериментальных условий. Чем меньше сила электрофильного агента, тем выше величина :. Это соотношение зависит также от гетероатома. 2-Монозамещенные производные образуют с элктрофильными реагентами смеси изомеров. Положения 2 и 5 находятся в сопряжении подобно п-положениям в бензоле, поэтому возможно резонансное взаимодействие реакционного центра в положении 5 с заместителем в положении 2. Положения 2 и 4 являются положениями мета-типа, между которыми невозможно резонансное взаимодействие. Если в положении 2 находятся орто-пара-ориентирующие группы, то замещение протекает в положении 5, которое является -положением по отношению к гетероатому и пара-положением по отношению к заместителю. Если мета-ориентирующий заместитель находится в положении 2, возникает конкуренция между ориентирующим влиянием гетероатома и заместителя. В фуране и тиофене, для которых соотношение : велико, -ориентирующий эффект гетероатома преобладает и замещение протекает, главным образом, в положении 5. В пирроле образуется смесь изомеров с преобладанием 4-изомера.

Реакции электрофильного замещения в фуране

		Бромирование диоксандибромидом:







		Сульфирование комплексом SO3 с пиридином (А.П. Терентьев, Л.А. Яновская):







3. Ацилирование 







4. Нитрование фурана ацетилнитратом с обработкой продукта присоединения пиридином







Реакции электрофильного замещения тиофена

Хлорирование тиофена сульфурилхлоридом:





Тиофен легко сульфируется H2SO4 (95%) с образованием 2-тиофенсульфокислоты:







Нитрование ацетилнитратом приводит к смеси 2- и 3-нитротиофенов в соотношении 6:1.







Введение альдегидной группировки в тиофен может быть достигнуто при взаимодействии тиофена с комплексом POCl3 и N,N-диметилформамида.







Бромирование тиофена может протекать при взаимодействии с бромом:







Лучшие выходы достигаются при бромировании N-сукцинимидом







Ацилирование тиофена в положение 2:







Реакции электрофильного замещения пиррола

Для пиррола также характерны реакции электрофильного замещения в мягких условиях. Кислотность пиррольного водорода намного выше, чем кислотность алифатических аминов. При нагревании с сухим KOH пиррол депротонируется. 

1. Соли пиррола со щелочными металлами получают действием калия или натрия в жидком аммиаке:







2. Пирролнатрий легко вступает в реакции замещения натрия на алкилы с образованием N-алкилпиррола





3. При нагревании N-алкилпиррол изомеризуется в С-алкилпирролы:







4. Амилнитрат реагирует с пирролом в присутствии этилата натрия с образованием натриевой соли 3-нитропиррола: