Общие методы синтеза пятичленных гетероциклов

Лекция 15,16. Гетероциклические соединения

Пятичленные гетероциклические соединения

Гетероциклические соединения весьма многочисленны, широко распространены в природе и имеют большое практическое значение. Многие из этих соединений выполняют важные физиологические функции в организмах растений и животных. Так, кислородсодержащие гетероциклы входят в состав углеводов, а азотсодержащие - в состав нуклеиновых кислот, аминокислот, пептидов, белков.

Основу многих природных соединений, таких как алкалоиды: никотин, атропин, кокаин; антибиотиков, лекарственных препаратов, витаминов: РР₁, В₁, В₆, В₁₂; хлорофилла, гемина крови также составляют гетероциклические соединения.

Наиболее важны и чаще всего встречаются гетероциклические соединения, в которых гетероатомами являются атомы кислорода, серы, азота.

Предметом нашего рассмотрения являются пятичленные гетероциклические соединения. Гетероциклические соединения делятся на моноциклические соединения и соединения с конденсированными циклами, например:

Моноциклические соединения могут быть классифицированы:

а) по признаку входящих в них гетероатомов: O,S,N.

б)по числу гетероатомов в цикле

Для большинства часто встречающихся гетероциклических соединений употребляются тривиальные названия.

Если есть заместители, то в гетероциклах с одним гетероатомом нумерацию начинают с этого гетероатома. Когда в цикле имеется несколько гетероциклов, то их нумеруют в следующем порядке: О, S, N. В пятичленных гетероциклах положения 2 и 5 часто обозначают a, a', а 3 и 4- b, b'. В шестичленных гетероциклах 4-ое положение - g. Для соединений с конденсированными циклами обычно пользуются специальными названиями.

Эти соединения могут быть названы и по циклу, из которых построены их молекулы. Для этого перед названием гетероцикла ставятся приставки бензо-, нафто- и т.д., отвечающие негетероциклическому ядру.

Ароматичность

Гетероциклические соединения можно условно разбить на два основных типа. К первому принадлежат системы, содержащие наряду с гетероатомом метиленовые группы и представляющие собой гетероциклические аналоги ациклических соединений:

Такого рода насыщенные соединения с атомами O,S,N в цикле в значительной степени близки к аналогичным соединениям жирного ряда /простым эфирам, аминам, сульфидам/ и здесь нами, в основном, рассматриваться не будут. Ко второму типу относятся гетероциклические соединения, содержащие двойные связи в цикле и обладающие "ароматическим характером", объясняемым сопряжением двойных связей С=С с неподеленными электронными парами гетероатома. Ароматический характер бензола, в основном, определяется наличием секстета p-электронов и выравненностью всех связей. В случае пятичленных ненасыщенных гетероциклических соединений /фурана, пиррола, тиофена/ возможно образование секстета p-электронов за счет 4р-электронов от четырех атомов углерода и двух электронов неподеленной пары гетероатома.

Шесть p-электронов образуют, как в бензоле, общее электронное облако

В результате p-p-сопряжения кольцо становится плоским, простые связи укорачиваются.

Наличие общего электронного облака приводит к сходству фурана, тиофена, пиррола и их производных с бензолом.

Поскольку электроотрицательность гетероатомов изменяется в следующем ряду: кислород>азот>сера, ароматичность изменяется в ряду бензол >тиофен>пиррол > фуран. Кислород менее склонен отдавать свою электронную пару, следовательно, фуран является наименее ароматичным из этих трех гетероциклов.

Фуран, пиррол и тиофен, как и бензол, будучи непредельными соединениями, ведут себя как предельные. Это выражается в особой легкости реакций электрофильного замещения (сульфирования, нитрования, ацилирования) и меньшей реакционной способности двойных связей.

Способы получения

Общие методы синтеза пятичленных гетероциклов

Реакция циклизации 1,4-диоксосоединений, на которые для получения фурана и его гомологов действуют водоотнимающим средством (Р₂О₅, СН₃СОС1), для получения тиофена и его гомологов - пятисернистым фосфором, для синтеза пиррола и его производных - аммиаком:

- Реакция Ю.К.Юрьева - реакция взаимопревращения гетероциклических соединений - ароматических и гидрированных над дегидратирующим катализатором (Al₂ O₃) при 400⁰ С в токе H₂S, NH₃ или Н₂О, соответственно.

Однако, с хорошим выходом идут только превращения фурана и тетрагидрофурана:

Фуран часто получают из его альдегида - фурфурола пропусканием его с парами воды над катализатором (оксид хрома, цинка, марганца) при температуре 400-450⁰С.

При кислотном гидролизе полисахаридов (содержащихся в оболочке семян овса или других природных соединениях), имеющих пентозансодержащие фрагменты (капуста, кукурузные початки) образуется фурфурол.

Фурфурол может быть превращен в 2-фуранкарбоновую (пирослизевую) кислоту по реакции Канниццаро или окислением воздухом в присутствии щелочных солей меди и серебра. Кислоту затем можно термически декарбоксилировать в фуран:

Тиофен - бесцветная жидкость с Т.кип. 84,1⁰С - содержится (0,5%) в техническом бензоле, получаемом из каменного угля. Впервые его открыл как примесь к бензолу (индефениновой реакцией) В.Мейер в 1882 году и установил строение. В промышленности тиофен получают из бутана и паров серы:

Реакция идет через бутадиен. Для образования бутадиена требуется высокая температура.

Пиррол - бесцветная жидкость с Т.кип. 130⁰С при хранении окрашивается и окисляется. Название пиррола (красное масло) было дано Рунге (1834 г.), обнаружившим его в костяном масле (продукт сухой перегонки костей) и в небольшом количестве в каменноугольной смоле. Название пиррол связано с покраснением сосновой лучинки, смоченной соляной кислотой. Строение было установлено А.Байером в 1870 году. Пиррол в промышленности получают из фурана и аммиака (реакция Юрьева).

Химические свойства

Общая характеристика

Химические свойства непредельных гетероциклических соединений тесно связаны с их строением.

Наличие общего электронного облака приводит к сходству этих соединений с бензолом, т.е. они, как и бензол, легче вступают в реакцию электрофильного замещения по сравнению с реакциями присоединения. Труднее окисляются.

Гетероциклические соединения в реакциях электрофильного замещения по активности близки к ароматическим фенолам и аминам. Замещение, как правило, идет во второе положение, а если оно занято, в пятое положение гетероцикла По активности в реакциях электрофильного замещения (сульфирования, нитрования, ацилирования, галогенирования) гетероциклические соединения могут быть расположены в следующий ряд

Гетероциклические соединения не способны к реакциям нуклеофильного замещения: в них электронная плотность выше, чем в бензоле, и на 5 атомов приходится 6 электронов.