П’ятичленні гетероциклічні сполуки

До п’ятичленних гетероциклів з одним гетероатомом належать такі найважливіші сполуки:

фуран тіофен пірол

Ядра фурану, тіофену та піролу часто зображують простими символами, випускаючи в формулах позначення метинових груп. Фуран, тіофен і пірол виявляють ароматичний характер: здатні заміщувати атоми водню при галогенуванні, сульфуванні та ацилуванні.

Ароматичний характер цих сполук визначається наявністю в них секстету p-електронів: чотирьох p-електронів від чотирьох атомів вуглецю і двох електронів неподіленої пари гетероатома, подібно до бензолу, який має секстет p-електронів, що утворюють замкнену електронну систему. Ароматичні властивості будуть зменшуватись у такій послідовності: тіофен > пірол > фуран.

Зараз розроблені різні синтетичні методи одержання фурану, тіофену та піролу, а також різних їх похідних. Так, Ю.К. Юр’єв встановив, що при пропусканні пари фурану з надлишком NH₃ над А1₂О₃ при 450° утворюється пірол. Далі від піролу дією H₂S можна перейти до тіофену, а від останнього дією парів води до фурану:

.

Група фурану. З п’ятичленних кисневих гетероциклічних сполук велике значення мають фуран та його похідне фурфурол.

Фуран та його найближчі гомологи – 1-метилфуран (сильван) і 1,5-диметилфуран – містяться в легких фракціях сухої перегонки дерева. Чистий фуран добувають сухою перегонкою пірослизової кислоти.

Вперше фуран був добутий з фурфуролу у 1881р. походження його назви пов’язане з латинським словом «фурфур», що означає «висівки», з яких добувають фурфурол.

Фуран – безбарвна рідина із своєрідним неприємним запахом, що нагадує хлороформ. Подібно до бензолу, він має ароматичні властивості. Незважаючи на два подвійних зв’язки, фуран гідрогенізується надзвичайно важко; при реакції з галогенами відбувається не приєднання за місцем подвійних зв’язків, а заміщення атомів водню. Але фуран не стійкий до впливу кислот; він осмолюється під впливом сірчаної кислоти, азотна кислота перетворює його в малеїнову, тому фуран не можна сульфувати або нітрувати в звичайних умовах.

1. М’яке нітрування ацетилнітратом в піриновому розчині:

2. Бромування.

3. Гідрування в присутності каталізаторів (Ni) та при високій температурі.

Чутливою якісною реакцією на фуран є фарбування соснової тріски в зелений колір при змочуванні її соляною кислотою.

Фурфурол добувають при нагріванні з розведеними кислотами речовин, які містять пентозани, такі, як висівки, соняшникова лузга, тирса, солома та ін. Фурфурол – безбарвна рідина з запахом свіжого хлібу, яка швидко темнішає і осмолюється від світла, під дією тепла, повітря і мінеральних кислот. За своїми хімічними властивостями фурфурол дуже подібний до ароматичних альдегідів, наприклад до бензальдегіду. Як і останній, він під дією ціаністого калію зазнає “бензоїнової конденсації”, утворюючи фуроїн.

Фурфурол використовують в органічному синтезі хімічних продуктів: фурилового спирту, тетрагідрофурану, малеїнового ангідриду, ендоталю і багатьох інших. З фурфуролу виробляють пластичні маси, синтетичні смоли і волокно найлон, а також цінні лікарські препарати і антибіотики. Фурфурол як розчинник широко застосовують для відокремлення і очищення продуктів крекінгу, гасу, рослинних олій, каніфолі.

Фуранові похідні містяться у природних сполуках: 2-метилфуран – у скипидарі; 5-метилфурфурол, фарфуриловий спирт – у смаженій каві.

Група тіофену. Найпростішими п’ятичленними сульфурвмісними гетероциклічними сполуками є тіофен та його похідні.

Тіофен та його похідні містяться в кам’яновугільному дьогті, сірчистих нафтах і особливо в сланцевій смолі. Тому тіофен можна добути термічним розкладом горючих сланців та коксуванням кам’яного вугілля.

Синтетично тіофен можна добути різними способами. Із значним виходом його добувають пропусканням ацетилену або пари фурану з сірководнем над оксидом алюмінію при 400 – 450°.

Його можна також синтезувати пропусканням ацетилену над нагрітим піритом та іншими способами. Гомологи тіофену, як і гомологи бензолу, можна синтезувати звичайними для ароматичних сполук способами.

Тіофен – безбарвна легкорухома рідина з характерним запахом. Тіофен забарвлює розчин ізатину в концентрованій сульфатній кислоті у синій колір. За допомогою цієї реакції можна виявити домішки тіофену в бензені. Оскільки з камяновугільної смоли він переганяється разом з бензеном.

Багатьма властивостями він подібний до бензолу: легко хлорується і сульфується в a-положенні, стійкий по відношенню до відновників, а також до перманганату калію. Нітрування тіофену відбувається важко; найкраще воно провадиться при дії на тіофен суміші азотної кислоти з оцтовим ангідридом або при пропусканні пари тіофену над димлячою азотною кислотою. На відміну від бензену, тіофен сульфується сульфатною кислотою на холоді. Ця реакція використовується для очищення кам’яновугільного бензену від домішок тіофену.

Тіофен досить добре алкілюється в досить м'яких умовах та при використанні більш активних третинних та вторинних (але аж ніяк не первинних) алкілгалогенідів.

Тіофен за наявності замісників орієнтантів I роду досить легко ацилюються в присутності SnCl₄ чи SnCl₂ в бензолі, який за даних умов не ацилюється.

Гідрування в ряду тіофенів відбувається дуже важко, це пов'язано із отравляючою дією сірки на більшість каталізаторів. Але все ж тіофен в присутності Pd/C, MoS перетворюється в тетрагідротіофен (тіофан). Гомологи тіофену та більшість його похідних перетворюються у відповідні похідні тіофану за умов йонного гідрування, наприклад при дії трифтороцтової кислоти та триетилсилану. Дигідротіофен утворюється при відновленні тіофену Na в рідкому NH₃. При аналогічному відновленні гомологів тіофену та його похідних процес зазвичай не зупиняється на стадії утворення дигідропохідного, а відбувається розщеплення циклу з утворенням відповідних сполук аліфатичного ряду.

Важливими природними сполуками, які містять тіофанове кільце, є α- і β-біотин (вітамін Н), біоцин:

β-біотин

Біотин сприяє нормальному росту організму, але для людини проблема додаткового одержання вітаміну Н не є дуже важливою, оскільки організм людини виробляє біотину в десять разів більше, ніж потрібно. Біотин бере участь у пуриновому синтезі, тому має велике значення для процесів життєдіяльності.

Група піролу. З п’ятичленних азотистих гетероциклічних сполук найбільш поширений пірол. Він лежить в основі структури гему крові, зеленого рослинного пігменту – хлорофілу, багатьох алкалоїдів (нікотину, кокаїну, атропіну) та ін.

Пірол міститься в кістковому маслі, яке добувають сухою перегонкою свіжих кісток, та в кам’яновугільній смолі. Синтетично його можна добути за методом Юр’єва дією аміаку на фуран, а також дією аміаку на ацетилен.

Пірол – безбарвна рідина з температурою кипіння 131°С. Пари піролу та його нижчих гомологів мають властивість забарвлювати в яскраво-червоний колір соснову тріску, змочену концентрованою соляною кислотою. Незважаючи на присутність NH-групи, основні властивості піролу виражені дуже слабо, з кислотами він не утворює стійких солей. Це можна пояснити взаємодією вільної пари електронів атома азоту з p-електронами двох спряжених подвійних зв’язків, що містяться в молекулі, внаслідок чого спостерігається ароматичний характер кільця і ускладнюється приєднання протона до атома азоту.

Ароматичний характер піролу виявляється в тому, що за рядом властивостей він нагадує фенол. Пірол легко окислюється. У звичайних умовах він не сульфується і не нітрується концентрована сірчана кислота викликає інтенсивне осмолювання. При дії на пірол продукту приєднання сірчаного ангідриду до піридину утворюється 1-піросульфонова кислота.

Заміщення піролу здійснюється переважно в α-положенні, тому що в цьому випадку утворюється стійкіший σ-комплекс. З інших реакцій заміщення можна відмітити галогенування, яке відбувається легко, без каталізатора з утворенням 2,3,4,5-тетрагалогенопохідних і ацилування за методом Фріделя-Крафтса, яке відбувається без каталізатора.

Порфірини – природні і синтетичні тетрапірольні сполуки, формально – похідні порфіну, азотовмісні пігменти, входять до складу небілкової частини молекули гемоглобіну, хлорофілу, ряду ферментів. Відносяться до вищих гетероциклів. Завдяки унікальному набору фізичних і хімічних властивостей порфірини та їх аналоги привертають інтерес дослідників у галузі хімії, біології, медицини, оптики і матеріалознавства. На основі порфіринів створені каталізатори, сенсори, лікарські засоби, органічні напівпровідники, рідкі кристали та матеріали для нелінійної оптики.

Гем, один з представників порфіринів, є простетичною групою гемоглобіну, міоглобіну, цитохрому c, цитохрому Р₄₅₀ та ін.

Порфіриновий скелет також лежить в основі структур рослинних пігментів (хлорофілу, феофітину, феоборбіду) внаслідок чого порфірини можна широко використовувати при дослідженні та моделюванні деяких стадій фотосинтезу.

Особливо важливими похідними піролу є гемоглобін і хлорофіл.

Гемоглобін – червона речовина крові, яка виконує в організмі вищих тварин і людини функцію переносника кисню з органів дихання до тканин. За своєю хімічною природою гемоглобін є хромопротеїдом, який складається з білкової частини – глобіну та простетичної групи небілкової природи – гему:

Молекула гему містить чотири пірольних ядра, зв’язаних між собою метиновими групами (СН=), а також з атомом заліза.

Гем – небілкова простетична група гемоглобіну та цитохромів, що містить двовалентний атом заліза, закріплений в центрі великого гетерициклічного органічного кільця – порфірину. Не всі порфірини містять залізо, проте значна доля металопротеїнів, що містять порфірин, мають гем в якості своєї простетичної групи. Ця група білків називається гемопротеїнами.

Хребетні тварини синтезують гем з найбільш простих азотистих сполук (гліцину та сукцинату) та з резервного залізобілкового комплексу – феритину, який знаходиться в селезінці, печінці та червоному кістковому мозку. Гем, виділений з крові різних хребетних тварин, має однаковий хімічний склад.

Вільний гем легко окиснюється на повітрі до гематину, в якому атом заліза тривалентний. Багаторічні дослідження структури гема закінчились синтезом геміна – солянокислого гематину (Герман Фішер, 1929 рік). Досягнення в цій сфері були відзначені Нобелівською премією (1960р.)

Хлорофіл – зелений пігмент рослин, необхідний у процесі фотосинтезу, тобто поглинання енергії світла і перетворення CO₂ повітря в органічні речовини.

Колір листя фотосинтезуючих рослин обумовлений високою концентрацією хлорофілу.

Хлорофіл присутній у всіх фотосинтезуючих організмах – вищих рослинах, водоростях, синьо-зелених водоростях (ціанобактеріях), фотоавтотрофних найпростіших (інша назва – найпростіші; систематична група перетинається з водоростями) і фотоавтотрофних бактеріях. Деякі вищі рослини, навпаки, позбавлені хлорофілу (Петрів хрест).

Хоча максимум безперервного спектру сонячного випромінювання розташований в «зеленій» області 550 нм (де знаходиться і максимум чутливості ока), поглинається хлорофілом переважно синє, частково – червоне світло із сонячного спектра (чим і обумовлюється зелений колір відбитого світла).

Рослини можуть використовувати і світло з тими довжинами хвиль, які слабо поглинаються хлорофілом. Енергію фотонів при цьому вловлюють інші фотосинтетичні пігменти, які потім передають енергію хлорофілу. Цим пояснюється різноманітність забарвлення рослин (та інших фотосинтезуючих організмів) і її залежність від спектрального складу падаючого світла.

Хлорофіли можна розглядати як похідні протопорфірину – порфірину з двома карбоксильними групами (вільними або етерифікованими). Так, хлорофіл А має карбоксиметилову групу на 10С, фітоловий ефір пропіонової кислоти – на 7С:

Видалення магнію, легко досягається м'якою кислотною обробкою, при цьому утворюється продукт, відомий як феофітин.

Всі ці сполуки інтенсивно забарвлені і сильно флуоресціюють, крім тих випадків, коли вони розчинені в органічних розчинниках в суворо безводних умовах. Вони мають характерні спектри поглинання, придатні для якісного та кількісного визначення складу пігментів. Хлорофіли нестійкі на світлі, вони можуть окиснюватися до аломерних хлорофілів на повітрі в розчині метанолу або етанолу.

Хлорофіли утворюють комплекси з білками in vivo і можуть бути виділені в такому вигляді. У складі комплексів їх спектри поглинання значно відрізняються від спектрів вільних хлорофілів в органічних розчинниках.

Вітамін В₁₂ є дуже складним кобальтовим комплексом порфіринової структури. Він відіграє значну роль у запобіганні злоякісним пухлинам. У промислових масштабах його добувають мікробіологічним синтезом, культивуючи актиноміцети, які продукують цей вітамін.