Гетероциклічні сполуки
До гетероциклическим відносяться сполуки, що містять цикли, в яких один або два (декілька) атомів є елементами, відмінними від вуглецю. Гетероциклічні системи різноманітні. Елементи, які беруть участь в утворенні циклу, називають гетероатомами. Відповідно до кількості гетероатомів цикли поділяють на моно -, ди -, трігетероатомние кільця.
Гетероцикли можуть містити три, чотири, п'ять і більше атомів. Як і у випадку карбоцікліческіх сполук, найбільш стійкі цикли з п'ятьма і шістьма атомами.
Число можливих гетероциклічних систем збільшується через існування конденсованих ядер.
Широко поширені гетероциклічні системи в природі, є побічними продуктами при коксуванні вугілля, переробки нафти і сланців.
Найбільш важливі гетероциклічні системи, що володіють ароматичними властивостями. Найпростіші з них містять по одному гетероатом:
Якщо виходити з цих структур, то можна було б очікувати, що кожне з'єднання буде мати властивості спряжених дієнів і властивостями аміну, простого ефіру, сульфіду. Але для зазначених сполук не характерні реакції, які можна очікувати через наявність гетероатомів.
Для п'ятичленних циклів типовими є реакції електрофільного заміщення: нітрування, сульфування, галогенування, ацилювання, поєднання з солями діазонію. Тому пірол, фуран і тіофен можна вважати ароматичними сполуками.
Розглянемо будову тиофена виходячи з молекулярних орбіталей. Кожен атом кільця пов'язаний s-зв'язками з трьома іншими атомами. Для утворення цих зв'язків атом використовує три sp 2-орбіталі, які лежать в площині під кутом 120 о. Кожен атом витрачає один електрон на освіту s-зв'язку, після чого у атома вуглецю залишається один електрон, а в атома сірки - два електрона. Ці електрони займають p-орбіталі. Перекриття p-орбіталей призводить до виникнення p-облаков вище і нижче площини кільця. Ці p-хмари містять в суму шість p-електронів (ароматичний секстет).
Делокалізація p-електронів стабілізує кільце. У результаті цього тіофен вступає в реакції з збереженням кільця, тобто у реакції заміщення.
Номенклатура і ізомерія
Нумерація завжди починається з гетероатома. Якщо в циклі є кілька гетероатомів, то їх нумерують в наступному порядку: O, S, N. Якщо є третинний азот і NH, то нумерацію починають з NH.
Положення 2 і 5 часто позначають a і a ', а положення 3 та 4 - b і b'. За раціональної номенклатурі назви гетероциклів: фуран, тіофен, пірол, імідазол, тіазол. У систематичній номенклатурі природа гетероатома позначається приставками:
O
окса-
S
тіа-
N
аза-
розмір циклу
3
-Ир
4
-Ет
5
-Ол
6
-Ін
7
-Ен
8
-Ок
Відповідно суфіксами позначається ступінь ненасиченості:
-Ідін
насичений цикл з атомом N
-Ан
насичений цикл без атома N
-Ін
ненасичений цикл з атомом N
Допускаються спрощення назв.
Методи отримання п'ятичленних гетероциклів
Пірол і тіофен містяться в кам'яновугільної смоли. Фракційною перегонкою смоли тіофен (Т пл 84 о С) переганяється разом з бензолом (Т кип 80 про С) та утримання його в бензолі 0,5% (1884 р., В. Мейер). Тіофен в промисловості може бути отриманий при взаємодії бутану з сіркою при 560 о С:
Гомологи отримують при нагріванні 1,4-дікарбонільних сполук:
Фуран:
Пентози, зазнаючи дегідратацію і циклізації, утворюють фурфурол. При нагріванні його з окисним каталізатором утворюється фуран. При сухій перегонці солі пірослізевой кислоти:
Більшість заміщених тиофена і фурану отримують циклізацією:
П'ятичленні цикли можуть взаємно переходити один в одного (реакція Юр'єва) при нагріванні над Al 2 O 3 при 450 о С:
Електрофільне заміщення, реакційна здатність, орієнтація
Фуран, пірол і тіофен володіють значною реакційною здатністю по відношенню до електрофільні реагенти. Це викликано несиметричним розподілом заряду в цих гетероциклів, через що на вуглецевих атомах в циклі зосереджений більший негативний заряд, ніж в бензолі. Фуран володіє дещо більшою реакційною здатністю, ніж пірол.
Фуран бурхливо реагує з сильними кислотами з утворенням смолистих речовин, пірол в результаті протонування по атому азоту також нестійкий в кислих середовищах і полімеризується. Тіофен більш стійкий по відношенню до кислот, що дозволяє використовувати кислі реагенти при виборі умов для реакцій електрофільного заміщення.
Механізм електрофільного заміщення в п'ятичленних гетероциклів суттєво не відрізняється від загальноприйнятого механізму заміщення в ароматичних з'єднаннях, який передбачає зміну гібридизації атакується атома вуглецю від sp 2 в sp 3 та освіта комплексів, які є проміжними сполуками. Освіта s-комплексу є стадією, що визначає швидкість реакції.
В даний час основні П'ятичленні гетероцикли розташовані в ряд по реакційної здатності:
пірол ³ фуран> теллурофен> селенофен> тіофен
Електрофільне заміщення по a-положенню відбувається легше, ніж у b-положення, так як в виникає при цьому проміжному перехідному стані в результаті приєднання по a-положенню резонансна стабілізація більше, ніж у катіоні, що є результатом приєднання по b-положенню.
У катіоні (2) подвійний зв'язок не може брати участь в мезомерного делокалізації позитивного заряду.
Швидкість заміщення залежить від відмінності енергій основного і перехідного станів, і більш високу швидкість буде мати той процес, який протікає через більш стабільне перехідний стан.
Реакційна здатність a - і b-положень сильно залежить від електрофільного агента і експериментальних умов. Чим менше сила електрофільного агента, тим вище величина a: b. Це співвідношення залежить також від гетероатома. 2-Монозамещенние похідні утворюють з елктрофільнимі реагентами суміші ізомерів. Положення 2 і 5 знаходяться в сполученні подібно п-положенням в бензолі, тому можливо резонансна взаємодія реакційного центру в положенні 5 із заступником в положенні 2. Положення 2 і 4 є положеннями мета-типу, між якими неможливо резонансна взаємодія. Якщо в положенні 2 знаходяться орто - пара-орієнтують групи, то заміщення протікає в положенні 5, яке є a-положенням по відношенню до гетероатом і пара-положенням по відношенню до заступника. Якщо мета-орієнтуючий заступник знаходиться в положенні 2, виникає конкуренція між ориентирующим впливом гетероатома і заступника. У фуранів і тіофене, для яких співвідношення a: b велике, a-орієнтуючий ефект гетероатома переважає і заміщення протікає, головним чином, в положенні 5. У піролі утворюється суміш ізомерів з переважанням 4-ізомеру.
Реакції електрофільного заміщення в фуранів
Бромування діоксандібромідом:
Сульфірованіе комплексом SO 3 з пиридином (А. П. Терентьєв, Л. А. Яновська):
3. Ацилування
4. Нітрація фурану ацетілнітратом з обробкою продукту приєднання пиридином
Реакції електрофільного заміщення тиофена
Хлорування тиофена сульфурілхлорідом:
Тіофен легко сульфірующій H 2 SO 4 (95%) з утворенням 2-тіофенсульфокіслоти:
Нітрація ацетілнітратом призводить до суміші 2 - і 3-нітротіофенов у співвідношенні 6:1.
Введення альдегідної угруповання в тіофен може бути досягнуто при взаємодії тиофена з комплексом POCl 3 та N, N-диметилформамід.
Бромування тиофена може протікати при взаємодії з бромом:
Кращі виходи досягаються при бромуванні N-сукцініміди
Ацилування тиофена в положення 2:
Реакції електрофільного заміщення піролу
Для піролу також характерні реакції електрофільного заміщення в м'яких умовах. Кислотність пиррольного водню набагато вище, ніж кислотність аліфатичних амінів. При нагріванні з сухим KOH пірол депротоніруется.
1. Солі піролу з лужними металами отримують дією калію або натрію в рідкому аміаку:
2. Пірролнатрій легко вступає в реакції заміщення натрію на алкіл з утворенням N-алкілпіррола
3. При нагріванні N-алкілпіррол ізомеризується в С-алкілпірроли:
4. Амілнітрат реагує з пірол в присутності етілат натрію з утворенням натрієвої солі 3-нітропіррола: