Пятичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом

Фуран

Фуран (оксол–2, 4-диен) — органическое соединение с формулой C₄H₄O. Пятичленный гетероцикл с одним атомом кислорода. Представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом. Родоначальник большой группы органических соединений, многие из которых имеют практическое значение, например фурфурол, тетрагидрофуран, α -метилфуран (сильван). Фуран был впервые синтезирован в 1870 году.

Свойства фурана:

Молярная масса=8, 075; Бесцветная горючая жидкость с запахом хлороформа, t_кип.31, 33⁰C; t_пл.= -85, 6⁰C; d=0, 937; n=1, 4214; уравнения температурной зависимости давления пара: lg p = 8, 4768 - 1671, 4/Т (198-259 К); lg p = 7, 6506-1457, 7/T(276-366 К); р_крит=5, 15МПа; t_крит =214⁰C; d_крит0, 312 г/см³.

Смешивается во всех отношениях с ацетоном, бензолом, СНСl₃ и другими органическими растворителями. Слабо растворяется в воде (при 25⁰C в 100 г. воды растворяется 1 г. фурана); в 100 г фурана растворяется 0, 3 г. воды. Образует азеотропные смеси с водой (98, 8% фурана по массе, т. кип. 30, 5⁰C) и 2-метилбутаном (92% фурана, т. кип. 27, 95⁰C). Фуран является ароматическим соединением с шестью p–электронами. Фуран устойчив к действию щелочей, разлагается кислотами.

Фуран – гетероароматическое соединение, свойства которого определяются наличием кольцевого секстета p-электронов, образованных 4 p-электронами двух связей С = С и неподеленной электронной пары гетероатома; другая неподеленная пара электронов атома кислорода остается свободной и может участвовать в образовании оксониевых соединений.

Для фурана характерны реакции электрофильного замещенеия, то есть галогенирование, нитрование, сульфирование, ацилирование, меркурирование и т.д. Низкая устойчивость цикла требует проведения этих реакций в " мягких" условиях.

Введение электронно-акцепторных заместителей повышает устойчивость ядра фурана; так, например, 2–фуранкарбоновая (пирослизевая) кислота (t_пл.133⁰C, t_кип.230⁰C, 141-144/20 мм рт. ст.) легко нитруется конц. HNO₃ в соответствующее 5-нитропроизводное, в то время как фуран в этих условиях разрушается. Реакция фурана с бромцианом приводит к смеси 2-бром- и 2-цианофуранов, формилирование к фурфуролу, озонирование – к смеси глиоксаля и формальдегида, окисление H₂O₂ в присутствии катализатора Os₂O₈– к малеиновому ангидриду.

Фуран проявляет также свойства диена и может участвовать в диеновом синтезе, например.:

В случае менее активных диенофилов, например акролеина, имеет место заместительное присоединение:

Фуран и его замещенные легко вступают в реакции металлирования. Это используют в препаративных целях, например, для синтеза сульфидов:

Гидрирование фурана над Ni-Ренея (100-160 ⁰C, 16 МПа) приводит к тетрагидрофурану. При более высоких температурах происходит гидрогенолиз фуранового кольца. При действии H₂S или NH₃(450-500 ⁰C, Al₂O₃) фуран превращается в тиофен или пиррол (реакция Юрьева).

Фуран вместе с 2-метилфураном (сильваном) содержится в продуктах сухой перегонки некоторых пород древесины.

В лаборатории фуран обычно получают декарбоксилированием пирослизевой кислоты, в промышленности – декарбонилированием фурфурола:

Для получения тиофена, пиррола, селенофена и малеинового ангидрида, а также в качестве растворителя и экстрагента масел и жиров применяют фуран. Производные фурана используют как лекарственные средства и средства защиты растений.

Кислотные свойства фурана усиливаются за счет электронно-акцепторной способности нитрогруппы и карбонильного кислорода. Так, фурацилин и фурадонин относятся к NH–кислотам. Производные фурана как и кислоты взаимодействуют с органическими и неорганическими основаниями.

Реакции с разбавленными щелочами приводят к изменению окраски.

Для фурадонина характерна прототропная (лактам-лактимная и кетонольная) таутомерия, поэтому взаимодействие с разбавленной щелочью протекает с образованием соответствующих солей.

Все рассматриваемые производные фурана образуют продукты разного состава, но близкие по окраске (разные оттенки красного цвета). Поэтому реакция со щелочью используется как общегрупповая при определении подлинности.

Такие кислоты Льюиса, как Ag⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, образуют окрашенные нерастворимые комплексные соли.

Препарат предварительно растворяют в 0, 1 % растворе щелочи, взятой, в строго эквивалентном количестве для переведения веществ в ионное состояние и затем, добавляют 2–3 капли раствора солей. Например, в щелочном спиртовом растворе с ионом меди фурацилин дает осадок темно-красного цвета, фурадонин – болотного цвета, фуразолидон – зеленого цвета.

Гидролитическое расщепление. Взаимодействие ЛВ, производных фурана, с концентрированными щелочами приводит к разрыву фуранового цикла и образованию тех или иных продуктов расщепления в зависимости от характера заместителя. Например, фурацилин можно обнаружить по образующемуся продукту разложения – аммиаку.

Окислительно-восстановительные свойства ЛВ рассматриваемой группы, содержащие в молекуле гидразиновую группу =N—NH—, обладают восстановительными свойствами. Поэтому для их количественного определения может быть использована йодометрия. Для этого ЛВ, например фурацилин, растворяют в воде с добавлением NаСl, нагревают, далее добавляют избыток титрованного 0, 01М раствора йода и 0, 1 мл 10 % раствора щелочи, затем выдерживают 3–4 мин и подкисляют серной кислотой. Избыток йода оттитровывают раствором Na₂S₂O₃:

Испытания на чистоту. Смешать 1, 0 г ЛВ со 100 мл, встряхнуть и отфильтровать. Фильтр должен иметь рН 5, 0–7, 0.

Родственные примеси, например нитрофуран, определяют методом ЖХ.

Потеря массы при высушивании–не более 0, 5 % при навеске 1, 000 г (Г=100-105 °С); сульфатная зола – не более 0, 1 %.

Количественное определение. Проводят методом УФ-спектрофотометрии: готовят раствор, как описано при определении подлинности (в защищенном от яркого света месте). При приготовлении раствора используют стандартный образец нитрофурала. Измерение абсорбции проводят для обоих растворов.

Тиофен

Тиофен– органическое соединение с формулой C₄H₄S. Подобно бензолу, тиофен является представителем большой группы соединений. По физическим и химическим свойствам тиофен весьма сходен с бензолом, а производные тиофена, как по способам образования, так и по другим свойствам близко стоят к соответственным производным бензола. Бензол и его производные, получаемые из природных продуктов, обыкновенно сопровождаются примесями тиофена или соответственных производных группы тиофена. Открыт тиофен был Виктором Мейером в 1883 году в бензоле, полученном из каменного дегтя. В. Мейер показал, что прежде приписываемая бензолу реакция окрашивания в синий цвет от прибавки изатина и серной кислоты происходит на счет примеси к бензолу тиофена в количестве около 0, 5%. Бензол, полученный перегонкой соли бензойной кислоты, не обнаруживает реакции с изатином. Выделение тиофена из раствора его в бензоле основано на более легкой способности тиофена, реагировать с серной кислотой. Для выделения и очищения тиофена, сульфосоединение переводится в свинцовую соль действием углекислого свинца. Свинцовую соль сульфотиофена подвергают сухой перегонке с эквивалентным количеством нашатыря. Дистиллят растворяют в 100 объемов лигроина(предварительно очистив последний взбалтыванием с дымящей серной кислотой) и взбалтывают лигроинный раствор с крепкой серной кислотой в продолжении двух часов (10 объемов кислоты на 1 объем дистиллята). Затем кислый слой сразу разбавляют водой, нейтрализуют углекислым свинцом и свинцовую соль сульфотиофена снова разлагают, как уже описано выше. Полученный таким образом тиофен фракционируют. Для того чтобы получить тиофен без примеси бензола нужно взбалтывать бензол из каменноугольного дегтя с малым количеством крепкой серной кислотоы, напиример четыре части кислоты на сто частей бензола. Вместо усреднения сульфосоединения и разложения соли можно разбавлять сульфосоединение двумя или тремя объемами воды и отгонять тиофен водяным паром. Синтетически тиофен можно получить при пропускании сернистого этилена или ацетилена в кипящую серу; при пропускании сернистого этила через накаленную трубку; при пропускании этилена, светильного газа или паров лигроина через накаленный пирит; при кипячении кротоновой, нормальной масляной кислоты или паральдегида с сернистым фосфором; действием сернистого фосфора на эритрит. Лучше всего получать синтетический тиофен из ангидрида янтарной кислоты действием трехсернистого фосфора на натровую соль янтарной кислоты (Фольхардт и Эрдман). Тиофен представляет собой бесцветную жидкость, которая имеет слабый запах и кипит при температуре 84 и застывающая в охладительной смеси из твердой угольной кислоты и эфира. Удельный вес тиофена равен 1, 08844. Молекулярная теплота горения составляет 669, 5 калорий. Большинство химических реакций, характеризующих бензол, протекают также аналогично идля тиофена. Так хлор, бром, йод, азотная кислота и серная кислота действуют на тиофен, образуя галоидозамещенные нитросоединения и сульфосоединения тиофена. При кипячении с натрием тиофен не изменяется. Действиемнатрия на йодтиофен и йодистый метил образуется метилтиофен C₄H₃SCH₃. При окислении метилтиофена образуется тиофенкарбоновая кислота C₄H₃SCOOH, аналогичная бензойной кислоте. Нитротиофен C₄H₃SNO₂восстанавливается в аминотиофен C₄H₃SNH₂. При кипячении трифенилкарбинола с тиофеном образуется трифенилтиенилметан (C₆H₅)₃CC₄H₃S( остаток тиофена C₄H₃S аналогичный фенилу при бензоле называется тиенил). Подобно бензолу, тиофен склонен к уплотнениям, например с бензойным альдегидом при действии фосфорного ангидрида тиофен образует дитиенилфенилметан (C₄H₃S)₂CHC₆H₅. С хлористым бензоилом в присутствии хлористого алюминия из тиофена получается тиенилфенилкетон C₄H₃S—CO—C₆H₅. При стоянии тиофена с насыщенным водным раствором сулемы в присутствии уксуснокислого натрия и спирта образуются в виде осадков соединения C₄H₃SHgCl и C₄H₂S(HgCl)₂. При кипячении с водой первое соединение переходит в раствор. При действии концентрированной хлористоводородной кислоты этиртутные соединения тиофена разлагаются на сулему и тиофен. С хлорангидридами кислот они с легкостью образуют кетоны типа C₄H₃S—CO—R. С раствором сернокислой ртути тиофен образует осадок. Эта реакция служит для количественного определения тиофена в бензоле. Кроме упомянутой уже ранее индофенинной реакции (изатин и серная кислота), тиофен можно характеризовать еще несколькими цветными реакциями, так например, с небольшим количеством азотистокислого эфира изоамилового спирта в присутствии серной кислоты происходит темно-красное, затем переходящее в темно–фиолетовое окрашивание. С нитрозосерной кислотой зеленое окрашивание переходит в синее окрашивание. С веществами типа R—CO—CO—R' в присутствии серной кислоты тиофена дает окрашенные продукты уплотнения. Аналогия бензола тиофена в реакциях дала повод к заключению о строении тиофена, подобном строению бензола. Вследствии аналогичности бензолу, Виктор Мейер принял строение тиофена циклическим с заменой в бензоле двуэквивалентной группы —СН=СН— двуэквивалентным атомом серы:

Такое строение тиофена подтверждается способностью его образовавать два ряда однозамещенных производных α и β, четыре ряда двузамещенных производных при одинаковых заместителях (один α α, один β β и два α β ) и т.д. В пользу указанного строения тиофена можно привести еще образование как самого тиофена, так и его производных при действии сернистых соединений фосфора на вещества с открытой углеродной цепью, имеющие карбонильные группы в положении 1, 4, т.е. – СО-С-СО, например янтарная кислота, левулиновая кислота, ацетонилацетон и др. Итак, тиофен нужно отнести к гетероциклическим соединениям, т.е. к соединениям с замкнутой цепью, звеньями которой являются разнородные атомы. Номенклатура производных в группе тиофена построена так же как в производных группы бензола. Метилтиофен называется тиотоленом, диметилтиофен называется тиоксеном и т.д. Производные тиофена являются спутниками производных бензола, например, тиотолен и тиоксен мжно выделить соответственно из толуола и ксилола, полученных из каменноугольного дегтя. Основанием для определения ряда однозамещенных производных α -или β служат синтетические реакции, например.: из метилянтарной кислоты получается β –тиотолен, а из левулиновой α -тиотолен:

Из ацетонилацетона получается α α –тиоксен, а из метиллевулиновой кислоты α β -тиоксен. Получен также тилфен, пропилфен, бутилфен и октилфен. Все четыре возможные по теории изомерные тиоксены. Также получены триметилтиофен из диметиллевулиновой кислоты. Фенилтиофен C₆H₅—C₄H₃S получен из бензоилпропионовой кислоты. При пропускании тиофена через накаленную трубку образуется дитиенил C₄H₃S—C₄H₃S, аналогичный дифенилу. Продукты замещения образуются у тиофена легче, чем у бензола.

Так, если в тиофене имеется боковая цепь, то заместить водород боковой цепи галоидами нельзя. Водороды тиофенного кольца всегда замещаются, а в ряде бензола при высокой температуре замещается водород боковой цепи. При пропускании в тиофен хлора можно получить монохлортиофен, дихлортиофен, трихлортиофен и тетрахлортиофен. Характерные реакции окрашивания для тиофена повторяются и в его производных. При действии едкого калии спирта динитротиофен дает интенсивное окрашивание ярко красного цвета. Реакция настолько чувствительна, что можнл обнаружить 0, 0000001 г динитротиофена в двух кубических сантиметрах раствора. Из аминотиофена, называемого аналогично анилину тиофенином, получены азокраски. Действием азотистой кислоты на тиофенин получен тиенол C₄H₃SOH аналог фенола. Известны также тиениловый спирт C₄H₃SCH₂OH, альдегид C₄H₃SCHO и кислота C₄H₃SCOOH. Аналог нафталина, тиофен, получен действием сернистого фосфора на лимонную кислоту:

Итак, несмотря на существенную разницу по химическому составу соединений тиофеновой бензольной групп, можно наблюдать полное сходство, как типов соединений, так и превращений веществ в обеих группах. Это дает право сделать заключение, что в некоторых случаях свойства и превращения органических веществ зависят от группировки атомов в частице в гораздо большей степени, чем от химического состава соединения.

Пиррол

Пиррол С₄H₄NН – пятичленный гетероцикл с одним атомом азота.

Бесцветная жидкость с температурой кипения 130°С, плохо растворимая в воде, на воздухе быстро окисляется и темнеет.

Электронное строение молекулы пиррола объясняет его свойства как слабой кислоты и ароматического соединения.

Атомы углерода и азота находятся в состоянии sp²–гибридизации.
s-Связи C–C, C–H и C–N образованы гибридными орбиталями. Цикл имеет плоское строение. На негибридной р–орбитали азота находится неподеленная пара электронов, которые вступают в сопряжение с четырьмя р–электронами атомов углерода. Таким образом, в циклической системе сопряжения находится 6 электронов, что определяет ароматические свойства пиррола. Пиррол значительно активнее бензола в реакциях электрофильного замещения, т.к. атом азота, предоставляя в систему сопряжения два электрона (+М-эффект), повышает электронную плотность в цикле. Пример – замещение 4-х атомов водорода при йодировании:

Устойчивость пиррола как ароматической структуры значительно меньше, чем бензола. Под действием сильных минеральных кислот электронная пара азота все же используется для солеобразования и свойства пиррола резко меняются: ароматичность исчезает (в системе сопряжения остается всего 4 электрона) и проявляются свойства диена, например, способность к полимеризации.

Связывание неподеленной электронной пары атома азота системой сопряжения приводит к резкому ослаблению основных и проявлению кислотных свойств. Как слабая кислота пиррол вступает в реакцию с металлическим калием, образуя соль – пиррол–калий:

Пиррол может участвовать в реакциях присоединения:

гидрирование приводит к образованию пирролидина

под действием сильных минеральных кислот пиррол вступает в реакции полимеризации.

Пиррол применяют для синтеза различных органических веществ. Пиррольные структуры содержатся в гемоглобине, хлорофилле, витамине В₁₂ и некоторых других природных соединениях. В состав молекул этих сложных веществ входит тетрапиррольный фрагмент (порфин) в виде комплекса с металлом:

где, Ме – металл (Fe в гемоглобине, Mg в хлорофилле, Co в витамине В₁₂).

Химические свойства

1.Сильные минеральные кислоты могут вытягивать электронную пару атома азота из ароматической системы, при этом ароматичность нарушается, и пиррол превращается в неустойчивое соединение, которое сразу полимеризуется. Неустойчивость пиррола в кислой среде называется «ацилофобностью».

2.Пиррол проявляет свойства очень слабой кислоты. Он реагирует с калием, образуя пирролкалий:

3.Пиррол как ароматическое соединение склонен к реакциям электрофильного замещения, которые протекают преимущественно у α -атома углерода (соседнего с атомом азота). Поскольку пиррол под действием кислот полимеризуется, то для проведения замещения используют реагенты, не содержащие протонов.

Так, для нитрования пиррол а используют ацетилнитрат:

а для сульфирования – комплекс пиридина с оксидом серы (VI):

4.При гидрировании пиррола образуется пирролидин – циклический вторичный амин, проявляющий значительные основные свойства.

Интересными свойствами обладают пятичленные ароматические гетероциклы, содержащие два атома азота, имидазол и пиразол C₃H₄N₂:

Эти соединения амфотерны. Один атом азота (пиридинового типа) в них проявляет слабые основные свойства и способен принимать протон, а другой атом азота (пиррольного типа) входит в состав группы NH, которая проявляет слабые кислотные свойства и способна отдавать протон. Благодаря этому появляется возможность переноса протона между двумя атомами азота, и некоторые производные имидазола и пиразола могут существовать в виде быстро переходящих друг в друга таутомерных форм:

Индол

Индол (бензопиррол, 2, 3-бензпиррол). Внешний вид: бесцветные листовидные кристаллы Брутто – формула: C₈H₇N Молекулярная масса: 117, 15 Бесцветное кристаллическое вещество с запахом нафталина, растворимое в горячей воде; температура плавления 52°C. Температура кипения: 254. Бесцветные кристаллы с запахом, напоминающим запах капусты. Индольное ядро входит во множество биохимических природных соединений. Как индивидуальное вещество содержится в каменноугольной смоле, и в некоторых эфирных маслах, например, в масле жасмина. Бесцветные листовидные кристаллы с запахом гнилой капустной кочерыжки. Химические свойства индола аналогичны свойствам пиррола.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒