Гетероциклы: Часть 1

Видео

Конспект

Гетероциклическими соединениями, или гетероциклами, называются органические соединения, содержащие циклический фрагмент, в построении которого принимают участие неуглеродные атомы – гетероатомы. В качестве гетероатомов чаще всего встречаются атомы азота, кислорода и серы.

Гетероциклические соединения по наличию ароматичности можно разделить на ароматические и неароматические. Неароматические гетероциклы не имеют циклической сопряжённой системы (4n+2) \pi -электронов.

20image1 Для этих соединений характерны свойства, типичные для ациклических соединений соответствующих классов. Например, ТГФ и 1,4-диоксан обладают свойствами простых эфиров, а пирролидин и пиперидин – свойствами вторичных аминов.

В свою очередь, ароматические гетероциклические соединения содержат сопряжённую систему (4n+2) \pi -электронов в циклах.

20image2 Их свойства в некоторой степени аналогичны свойствам ароматических углеводородов, однако отличаются рядом особенностей, что привлекает особый интерес. Гетероатомы ароматических гетероциклов по способу их участия в сопряжении можно разбить на две группы:

гетероатомы пиррольного типа (пиррол): неподелённая пара электронов гетероатома располагается на негибридной p-орбитали, перпендикулярной плоскости цикла, и участвует в образовании ароматической \pi -электронной системы;

20image3

гетероатомы пиридинового типа (пиридин): неподелённая пара электронов гетероатома находится на sp^{2} -гибридной орбитали, перпендикулярной ароматической \pi -системе и не участвует в сопряжении.

20image4

Гетероциклические соединения могут отличаться числом гетероатомов в цикле. Так, например, имидазол содержит один атом азота пиррольного, другой – пиридинового типа.

20image5 Подобно обычным ароматическим соединениям, ароматические гетероциклы могут быть конденсированными, то есть состоять из нескольких циклических фрагментов. Примером служит индол:

20image6 Пятичленные гетероциклические соединения

К наиболее известным пятичленным ароматическим гетероциклам относятся:

20image7 Пиррол, фуран и тиофен представляют собой бесцветные жидкости с характерным запахом. Плохо растворяются в воде, но хорошо смешиваются с органическими растворителями. Пиррол на воздухе и на свету быстро окрашивается в красно-коричневый цвет, со временем – осмоляется.

Электронная плотность в пятичленных гетероциклах выше, чем в бензоле. Шесть электронов \pi -системы приходятся на пять атомов цикла, что и делает их электроноизбыточными. Наиболее электронобогощённым среди рассматриваемых гетероциклов является пиррол, что объясняется ярко выраженным +M -эффектом атома азота. Поскольку от кислорода к сере электроотрицательность уменьшается, при движении от фурана к тиофену растёт равномерность распределения электронной плотности в кольце, а значит увеличивается ароматичность.

Химические свойства

Реакции электрофильного замещения. Повышенная электронная плотность в кольце определяет высокую реакционную способность пятичленных гетероциклов в реакциях электрофильного ароматического замещения. Относительная активность пятичленных гетероциклов в превращениях данного типа снижается в ряду:

пиррол > фуран > тиофен

Атака электрофилов идёт преимущественно в \alpha -положение – положение, соседнее с гетероатомом. Это объясняется резонансной стабилизацией соответствующего \sigma -комплекса:

20image8

Особенностью пиррола и фурана является их ацидофобность. В присутствии кислот или кислот Льюиса они претерпевают гидролиз или полимеризацию и осмоление. В этой связи успех процесса электрофильного замещения с участием пиррола и фурана во многом зависит от выбора электрофильного агента, катализатора и условий реакции. Тиофен устойчив к действию кислот.

Рассмотрим основные реакции электрофильного замещения с участием пятичленных гетероциклических соединений:

галогенирование: галогенирование пятичленных гетероциклов протекает очень легко и часто приводит к продуктам полигалогенирования: обработка пиррола и тиофена бромом в CCl_{4} даёт тетрабромпиррол и 2,5-дибромтиофен соответственно; такие мягкие реагенты, как SOCl_{2} , NBS или I_{2}/HgO (для тиофена), позволяют останавливать процессы на продуктах моногалогенирования.

нитрование: для нитрования пятичленных гетероциклов применяют мягкие нитрующие агенты, например, ацетилнитрат; ацетилнитрат, как правило, получают взаимодействием уксусного ангидрида с азотной кислотой.

сульфирование: сульфирование пятичленных гетероциклов проводят с помощью комплекса оксида серы(VI) и пиридина.

ацилирование: для ацилирования пятичленных гетероциклов применяют уксусный ангидрид в присутствии кислоты Льюиса; ацилирование пиррола протекает без катализатора, при нагревании.

формилирование: будучи электронодонорными системами, пятичленные гетероциклы вступают в реакцию формилирование Вильсмейера-Хаака (ДМФА, POCl_{3} ).

азосочетание и реакция Манниха: пиррол способен реагировать с такими слабыми электрофилами как соли арендиазония и иминиевые соли в реакции Манниха.

Особенности пиррола. Пиррол представляет собой слабую NH-кислоту. Синтетическое применение NH-кислотности заключается в N-металлировании и использовании металлорганических производных в реакциях алкилирования. Направление процесса определяется степенью ковалентности связи азот-металл: соли Na и K – ионные соединения, соли Li и Mg – ковалентные. Для ковалентных солей алкилирование протекает по атому углерода. Для ионных солей реакция идёт по атому азота.

Особенности фурана. В силу особенностей электронного строения фуран обладает наименьшей ароматичностью и проявляет свойства диена. При наличии в растворе нуклеофила фуран может вступать в реакции сопряжённого присоединения:

20image9

Более того, фуран и его производные легко вступают в реакцию Дильса-Альдера:

20image10

Особенности тиофена. Особенностью химии тиофена является восстановительная десульфуризация. При гидрировании тиофена и его производных происходит не только восстановление двойных связей, но и обессеривание.

20image11

Способы получения

Реакция Юрьева. При пропускании смеси паров пятичленных гетероциклов и реагентов над Al_{2}O_{3} при температурах 350-400^{о}С происходят взаимные превращения между представителями данного семейства.

20image12

Представленные процессы обратимы. Практическое значение имеют синтезы пиррола и тиофена из фурана.

Промышленные методы получения:

пиррол: пиррол является доступным гетероароматическим соединением, его получают при фракционной перегонке каменноугольной смолы.

фуран: фуран и его производные в значительных количествах доступны при переработке растительного сырья; кислотным гидролизом пентозосодержащих растительных отходов получают фурфурол, каталитическое декарбонилирование фурфурола приводит к фурану.

тиофен: тиофен в промышленных масштабах получают взаимодействием алканов с серой при высокой температуре:

20image13

Лабораторные методы получения. Общий метод получения пятичленных гетероциклов основан на использовании в качестве исходных 1,4-дикарбонильных соединения. Данный подход получил название синтеза по Паалю-Кнорру.

20image14

Возможный механизм реакции на примере фурана:

20image15

Особенности имидазола

Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами носят общее название азолы. По взаимному расположению атомов в цикле различают 1,2- и 1,3-азолы. Наибольший интерес среди них представляет 1,3-азол – имидазол. Имидазол содержит пиррольный и пиридиновый атомы азота одновременно. Это обусловливает его химические свойства.

Прежде всего, имидазол является сильным основанием, что находит широкое применение в лабораторной практике. Высокая основность имидазола порождена повышенной устойчивостью сопряжённой кислоты. Резонансная стабилизация катиона, образующегося при присоединении протона к пиридиновому атому азота имидазола, объясняется делокализацией заряда между двумя гетероатомами.

За счёт наличия двух атомов азота, для имидазола и его производных характерно существование двух таутомерных форм. В некоторых случаях один таутомер является более стабильным, чем другой, однако разделить их в любом случае невозможно.

20image16 Помимо основных свойств, имидазол проявляет сильные нуклеофильные свойства, легко вступает в реакции алкилирования и ацилирования. N-ацилимидазолы представляют собой ацилирующие агенты, сравнимые по ацилирующей способности с ангидридами и галогенангидридами кислот.

Шестичленные гетероциклические соединения

Среди шестичленных ароматических гетероциклов наибольшее значение имеют пиридин и его производные.

Пиридин представляет собой бесцветную жидкость с неприятным запахом. Смешивается в любых соотношениях с водой, этанолом, диэтиловым эфиром. Устойчив при хранении.

Пиридин является ароматической 6\pi -электронной системой, которая образуется за счёт \pi -электронов трёх двойных связей кольца. НЭП атома азота лежит в плоскости, ортогональной плоскости \pi -системы кольца и не принимает участия в создании ароматического секстета. Отсюда вытекает два ключевых следствия для химии пиридина:

атом азота обладает основными и нуклеофильными свойствами,

за счёт высокой электроотрицательности атома азота ядро пиридина приобретает электронодефицитность, так как электронная плотность в кольце распределена неравномерно и частично локализована на атоме азота.