ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

 

Содержание главы:

1. Общие сведения, распространение и значимость

2. Классификация и номенклатура

3. Строение гетероциклов

4. Пиррол

5. Индол

6. Фуран

7. Тиофен

8. Взаимопревращение пятичленных гетероциклов

9. Пиридин

Классификация и номенклатура

Гетероциклические соединения классифицируют по размеру кольца, по типу гетероатомов и их количеству. Наиболее распространенные моноядерные ненасыщенные гетероциклы имеют тривиальные названия, которые используются в качестве основы для названия их производных и конденсированных гетеросистем. За основу берется название гетероцикла, имеющего наибольшее количество кратных связей, нередко такой гетероцикл является ароматическим.

Многие полностью или частично гидрированные гетероциклы тоже имеют свои тривиальные названия.

Ароматические шестичленные гетероциклы, содержащие хотябы один атом азота, объединяют под общим названием «азины»; в соответствии с количеством гетероатомов различают моно-, ди-, три- и т.д.

Пятичленные азотистые гетероциклы с более чем одним гетероатомом называют азолами. К ним относятся соединения следующих типов:

Нумерация атомов в ядре гетероциклов проводится от гетероатома так, чтобы сумма локантов гетероатомов была наименьшей; если есть варианты, то наименьший номер должен иметь более старший гетероатом. Правила старшинства гетероатомов:

1. N > O > S.

2. Атом азота «пиррольного» типа старше такового «пиридинового» типа.

Последнее определяется по типу связей, которые атом образует с соседями: если в основной граничной структуре гетероатом образует только s-связи, то он «пиррольный», если две s- и одну p-связь, то «пиридиновый».

Аналогичные требования распространяются на атомы других элементов.

Имеет применение также более старая номенклатура: атомы обозначают буквами греческого алфавита, начиная от соседнего с гетероатомом. Такой способ нумерации чаще всего используется для гетерокольца симметричного строения с одним гетероатомом и при наличии одного заместителя к кольце.

Гетероциклическая молекула может состоять из двух и более колец, карбоциклических и гетероциклических. Многоядерные гетероциклы называют следующим образом:

1. За основу принимают название старшего гетероцикла, название младшего прибавляют как приставку с окончанием буквой «о».

2. Правила старшинства: а) любой гетероцикл старше бензола; б) чем больше гетероатомов, тем гетероцикл старше; в) при одинаковом количестве гетероатомов старшим является гетероцикл большего размера; г) если гетероатомы одинаковые, то цикл тем старше, чем ближе они находятся (пиридазин старше пиримидина); д) при одинаковом количестве гетероатомов старшинство определяется старшинством гетероатомов.

3. Положение связи, по которой аннелированы кольца, указывается в квадратных скобках через дефис. Связь старшего цикла обозначают буквой латинского алфавита, связь младшего – номерами атомов с разделение запятой, соответствующими нумерации в изолированном ядре. Последовательность номеров выбирают таким образом, чтобы направление отсчета связей в обоих ядрах совпадало:

4. Нумерация атомов аннелированного гетероцикла производится так, чтобы сумма номеров гетероатомов была наименьшей, причем при наличии вариантов наименьшие номера должны принадлежать более старшим гетероатомам.

Примеры:

в начало страницы

Строение гетероциклов

Азолы

В молекулах диазолов (пиразола и имидазола) имеются гетероатомы как «пиррольного», так и «пиридинового» типов, в связи с чем соединения такого типа в рамках концепции p-избыточных (пиррол) и p-дефицитных (пиридин) гетероциклов называют p-амфотерными. Среди полярных граничных структур, описывающих состояние молекул имидазола и пиразола, имеются структуры как с положительными, так и с отрицательными зарядами на атомах углерода.

В действительности, химическое поведение азолов иллюстрирует их амфотерность – они способны к реакциям и с электрофилами, и с нуклеофилами.

в начало страницы

Пиррол

Основность

Неподеленная пара электронов пиррольного азота в значительной степени вовлечена в циклическое p-сопряжение, она малодоступна и поэтому пиррол проявляет весьма низкую основность (pK_a сопряженной кислоты = – 3, 8). Расчеты показывают, что среди возможных катионов пирролия термодинамически наиболее выгоден резонансно-стабилизированный катион I – результат протонирования атома углерода в a‑ положениях. N-катион III наименее стабилен, т.к. во-первых, заряд в нем сосредоточен на одном атоме, и, во-вторых, нарушена ароматическая система сопряжения: это – фактически диен. Катион II занимает промежуточное положение.

Тем не менее, в кислой среде возможно протонирование всех атомов ядра. Кристаллические соли, соответствующие катионам типа I, могут быть выделены при пропускании сухого HCl через растворы полиалкилпирролов в инертных растворителях. Доказательством образования катиона III является легкий дейтерообмен протона при пиррольном атоме азота в кислой среде. Несмотря на то, что катион III наименее устойчив, он образуется и разрушается быстрее, чем катионы I и II, поэтому NH-протон пиррола дейтерируется быстрее, чем CH-протоны. Это явление называется кинетической основностью. Кинетическая основность азота всегда выше, чем углерода. С-катион II отвечает за процесс полимеризации пиррола в кислой среде, когда образуется полимер переменного строения «пиррол-красный». Механизм первых стадий этой реакции подтверждается строением выделенного тримера.

Склонность пирролов к полимеризации под действием кислот накладывает серьезные ограничения на участие пирролов в реакциях с электрофилами, т.к. эти превращения протекают зачастую в кислой среде.

Реакции по атому азота

Кислотность пиррола (рК_а 17, 0) близка к кислотности этанола (рК_а 15, 9) и сильные основания способны превратить его пиррил-ион, который представляет собой высоко p‑ избыточный гетероаналог циклопентадиенила. Получаемые действием амидов металлов или щелочных металлов натриевые и калиевые соли пиррола легко взаимодействуют с электрофилами – алкилируются и ацилируются по атому азота, тогда как смешанные N-пиррилмагнийгалогениды (связь N–Mg менее ионная, чем N-Na) реагируют преимущественно по a-положению ядра.

Кинетический продукт ацилирования N-ацилпиррол в отсутствии катализатора при нагревании перегруппировывается в более устойчивый термодинамический продукт – 2-ацетилпиррол.

Реакции по атомам углерода

В нейтральной и кислой среде пирролы почти никогда не реагируют с электрофилами по атому азота. Электрофильная атака направляется, главным образом, в a‑ положения ядра. Это объясняется тем, что образующиеся при этом s-комплексы типа I, как и в случае протонирования, наиболее стабильны среди всех возможных.

Нитрование

Нитрующая смесь вызывают быстрое разложение пиррола, поэтому для нитрования используют специальные реагенты: ацетилнитрат, приготавливаемый заранее из 70%-ной HNO₃ и уксусного ангидрида, либо кристаллический тетрафторборат нитрония в неводных растворителях. Во втором случае (более мягкий реагент) выходы выше. Соотношение a- и b-изомеров составляет примерно 4: 1.

Сульфирование

Сульфирование пиррола по причине его ацидофобности олеумом невозможно; однако, пиррол-2-сульфокислота образуется с хорошим выходом при использовании комплекса SO₃ с пиридином, который называется пиридинсульфотриоксидом.

Ацилирование

Ацилирование пирролов по атомам углерода, в отличие от бензола, не требует применения катализаторов, используемых обычно в реакции Фриделя-Крафтса. Пиррол настолько активен, что реагирует при нагревании с уксусным ангидридом, при этом легко могут быть получены как 2-ацил-, так и 2, 5-диацилпирролы.

Алкилирование пиррола по Фриделю-Крафтсу редко применяется в синтетических целях, т.к. при этом быстро образуются полиалкилпроизводные.

Галогенирование

Взаимодействие пирролов с молекулярными галогенами приводит, как правило, к замещению всех атомов водорода при свободных С-атомах, в то же время, сульфурилхлорид при охлаждении монохлорирует пиррол в a-положение.

Моногалогенпирролы, в отличие от полизамещенных соединений, неустойчивы.

Галогенирование пирролов протекает столь активно, что зачастую сопровождается отщеплением заместителей, например, карбоксильной группы. В свою очередь атом галогена, чаще всего иода, легко удаляется при гидрировании. Это позволяет получить незамещенное положение в ядре в том случае, когда более доступным в качестве исходного соединения оказывается замещенный пиррол, например:

Индол

Индол представляет собой конденсированную биядерную систему, состоящую из ядра пиррола и бензола. Систематическое название индола – бензо[b]пиррол. Химические свойства пиррола и индола во многом схожи, но имеются и различия.

Как и пиррол, индол обладает NH-кислотностью (pK_a » 17), его N-анион, генерируемый сильными основаниями (EtONa, t-BuOK, и т.д.), проявляет схожую с пиррил-ионом активность: натриевые и калиевые соли алкилируются и ацилируются по азоту, тогда как смешанные магнийгалогенидные N-производные – по атому С(3), т.е. по b-положению, но не по a-углеродному атому, как это происходит в пирроле.

Последнее обстоятельство объясняется тем, что в анионе, как и в нейтральной молекуле индола, отрицательный заряд сосредоточен в большей степени на углеродном атоме в положении 3, чем на С(2)-атоме. Это легко легко видеть в наборе резонансных структур, описывающих N-анион индола:

Очевидно, что перенос заряда на атом 2 невыгоден (структура IV), потому что при этом нарушается ароматичность бензольного ядра, тогда как структуры I и II содержат ароматическое бензольное кольцо.

Наличие электроноакцепторных заместителей в положении 3 сильно повышает кислотность, и алкилирование можно проводить в присутствии значительно более слабых оснований.

Индол проявляет высокую активность в реакциях с разнообразными электрофилами, причем замещение ориентируется также в положение 3, но не по a-углеродному атому, как это имеет место в пирроле. Резонансные структуры для s-комплексов индола с участием a- и b-углеродных атомов приводят к тем же выводам, что вышеприведенная схема для N-анионов: s-комплекс, образующийся в результате присоединения электрофила к атому 3, более выгоден.

Нитрование

Индолы, не имеющие заместителей в положениях 2 и 3, аналогично пирролу полимеризуются под действием сильных кислот, поэтому нитрование таких соединений проводят слабыми нитрующими реагентами – этилнитратом в присутствии метилата натрия (реагирует анион индола) или бензоилнитратом в нейтральной среде

2-Метилиндол более устойчив в кислой среде, чем индол, поэтому он успешно нитруется в жестких условиях действием азотной кислоты. В молекулу можно ввести до трех нитрогрупп, однако для синтеза чистого мононитропроизводного следует использовать ацилнитраты.

Интересно протекает реакция 2-метилиндола с нитрующей смесью: ввиду того, что соединение нацело протонировано, реакция по гетероциклическому ядру не идет вовсе, а промежуточный ковалентный аддукт с серной кислотой реагирует в сопряженное с атомом азота положение 5 бензольного ядра.

Сульфирование

Сульфирование индола, как и пиррола, проводят действием не кислотного реагента пиридинсульфотриоксида. Если в положении 3 присутствует заместитель, например, метильная группа, то реакция ориентируется в положение 2.

Галогенирование

Галогенирование индолов протекает очень легко в положение 3, однако получаемые галогениндолы не устойчивы к действию кислот, поэтому для успешного галогенирования используют реагенты, в ходе реакции с которыми HHal по возможности не выделяется: N-бромсукцинимид (NBS), SO₂Cl₂, KI₃, пербромид пиридиния.

Если при С-атоме в положении 3 стоит заместитель, то первоначально по этому атому образуется катионный аддукт с галогеном, который затем трансформируется в результате нуклеофильной атаки растворителем, что приводит к 2-оксииндолам либо их производным.

Кроме перечисленных выше превращений, индолы способны вступать в реакции электрофильного ацилирования, формилирования по Вильсмайеру, азосочетания и конденсации с карбонильными соединениями. Все реакции идут в мягких условиях и ориентируются в положение 3.

Примеры:

Замещающая группа в положении 3, как правило, не препятствует электрофильной атаке в это положение и превращение завершается замещением этой группы электрофилами (ипсо-замещение).

Исключение составляют соли диазония, которые в эту реакцию не вступают.

в начало страницы

Фуран

Из трех рассмотренных пятичленных гетероциклов фуран является наименее ароматичным и во многих реакциях заметно проявляется его диеновый характер.

Реакции электрофильного ароматического замещения для фурана известны, однако они требуют специальных реагентов, т. к. под действием протонных кислот фурановое кольцо разрушается намного легче, чем пиррол и тем более индол. А в общих чертах, фуран в этих реакциях значительно похож на пиррол – весьма активен и реагирует преимущественно a-положениями.

Сульфирование

Сульфирование фурана, как и пиррола, можно провести с помощью пиридинсульфотриоксида в органическом растворителе. В реакции образуется небольшая примесь фуран-2, 5-дисульфокислоты.

Выделение фуран-2-сульфокислоты осуществляют, разрушая образующийся 2-фурилсульфонат пиридиния карбонатом бария, и получают нерастворимую бариевую соль.

Нитрование

Как и пиррол, фуран нельзя подвергать действию нитрующей смеси, однако можно использовать ацетилнитрат в пиридине. Реакция идет медленнее, чем в случае пиррола, причем промежуточно образуется ковалентный продукт присоединения реагента в положения 2 и 5.

Фураны, имеющие электроноакцепторные заместители, менее ацидофобны, поэтому они нитруются и сульфируются обычными реагентами.

Галогенирование

Взаимодействие фурана с галогенами (бромом и, особенно, с хлором) протекает бурно и приводит к образованию полигалогенпроизводных. Моногалогенфураны могут быть получены лишь в мягких условиях, например, действием диоксандибромида. Существуют разногласия по поводу механизма реакций галогенирования фурана: не исключено, что они протекают как присоединение молекулы галогена к положениям 2 и 5 и последующее отщепление молекулы галогеноводорода.

В качестве подтверждения механизма присоединения-отщепления рассматривается действие брома на фуран в метанольном растворе, в результате которого образуется 2, 5-диметокси-2, 5-дигидрофуран.

Промежуточное образование аддуктов доказывается также на примере реакции бромирования 2, 5-дибромфурана.

Формилирование

Формилирование фурана по Вильсмайеру протекает также гладко, как и в случае пиррола, тогда как ацилирование требует обязательного прибавления катализатора Фриделя-Крафтса.

Реакция Дильса-Альдера

Существуют превращения, в которых проявляется диеновый характер фурана. Наиболее характерным превращением является реакция диенового синтеза (Дильс-Альдер). Сам фуран и многие его производные легко реагируют с малеиновым ангидридом, дегидробензолом и другими диенофилами.

в начало страницы

Тиофен

Среди рассматриваемых гетероциклов тиофен является наиболее ароматичным и по своим свойствам во многом напоминает бензол. Производные тиофена сопутствутствуют производным бензола в продуктах каменноугольной смолы и весьма на них похожи, зачастую имеют даже похожий запах.

Тиофен намного устойчивее к действию кислот, чем пиррол и фуран, поэтому он может быть введен в разнообразные реакции электрофильного замещения. которые ориентируются в a-положение.

При нагревании со 100%-ной H₃PO₄ тиофен тримеризуется, реакция начинается с образования a-протонированного катиона, который подвергается атаке нейтральной молекулой тиофена.

Сульфирование

С электрофилами тиофен реагирует по механизму обычного ароматического электрофильного замещения. Его можно сульфировать серной кислотой при комнатной температуре, что применяется для выделения тиофена из каменноугольного бензола в промышленности.

Нитрование

Для мононитрования тиофена в a-положение лучше всего применять борфторид нитрония: ацетилнитрат дает до 20% примеси 3-нитротиофена, тогда как азотная кислота реагирует слишком бурно, иногда со взрывом. После появления в ядре одной нитрогруппы активность понижается настолько, что дальнейшее нитрование требует применения дымящей HNO₃.

Галогенирование

Тиофен легко бромируется и иодируется (в отличие от фурана) в a-положение. Действие хлора приводит к смеси продуктов.

Ацилирование

Тиофен ацилируется по Фриделю-Крафтсу только в присутствии кислот Льюиса, причем реакция сопровождается частичным осмолением из-за самоконденсации образующихся кетонов.

Реакция Вильсмайера протекает с хорошим выходом, но при высокой температуре. Промежуточную соль иминия можно выделить.

Расширение цикла

Для замещенных тиофенов известна реакция расширения цикла, не характерная для пиррола и фурана; механизм этого превращения не известен. Интересно, что в результате наблюдается довольно редкое явление – превращение ароматического соединения в антиароматическое.

Реакции по атому серы

Тиофен вступает в своеобразные реакции по атому серы: алкилирование и окисление надкислотами.

Если соли S-алкилтиофения являются устойчивыми и, судя по спектральным и химическим свойствам, ароматическими соединениями, то S, S-диоксиды тиофена не ароматичны, и могут быть получены только для a, a-дизамещенных субстратов. Эти соединения реагируют с диенофилами.

в начало страницы

Пиридин

Превращения по атому азота

Пиридин – основание средней силы с величиной рК_а= 5, 2, измеренной в воде, (основность алифатических аминов колеблется в интервале pK_a 9-11). Пиридин образует кристаллические соли с большинством протонных кислот и часто применяется как основный катализатор или растворитель, способствующий связыванию кислот, выделяющихся в ходе той или иной химической реакции.

Как нуклеофил, пиридин реагирует с алкилгалогенидами и другими алкилирующими реагентами по механизму S_N2 или S_N1 в зависимости от природы субстрата.

Соли N‑ алкилпиридиния являются ароматическими соединениями, т.к. неподеленная электронная пара, использующаяся для образования новой связи, не участвует в ароматическом сопряжении. Эти устойчивые вещества проявляют склонность к реакциям с нуклеофилами из-за высокой p-дефицитности. Например, нуклеофильное гидроксилирование действием едкого кали дает a-пиридоны.

При взаимодействии пиридинов с ацилгалогенидами образуются N-ацилиевые соли. Эти соединения мало устойчивы, и легко гидролизуются обратно.

Именно по причине низкой устойчивости ацилпиридиниевые соли имеют важное значение для синтетической химии как мягкие ацилирующие реагенты. Например, отметим О-ацилирование кетоенолов – реакция протекающая по необычному механизму с промежуточным образованием аддукта по a‑ положению гетероцикла.

При обработке пиридина и его производных надкислотами образуются N-оксиды пиридинов, о свойствах которых будет сказано отдельно.

Реакции по атомам углерода

Нитрование

Нитрование собственно пиридина, особенно, нитрующей смесью, когда гетероцикл нацело протонирован, протекает чрезвычайно трудно и практического значения не имеет.

2, 6-Диметил- и 2, 4, 6-триметилпиридины, аминопиридины и пиридоны намного активнее нитруются в форме катионов.

2, 6-Дигалогенпроизводные пиридина, которые как основания слабее пиридина, реагируют легче, т. к. пиридиновый атом азота протонирован в меньшей степени – концентрация свободного основания больше. Нитрование протекает легче в случае использования апротонного нитрующего реагента, например:

Сульфирование

Сульфирование пиридина серной кислотой протекает несколько легче, чем нитрование, но тоже возможно лишь в жестких условиях. При еще более высоких температурах возможна перегруппировка в 4‑ сульфокислоту.

Любопытный продукт может быть получен при сульфировании 2, 6‑ ди‑ трет‑ бутилпиридина. Собственно сульфирование протекает легко, т. к. объемные заместители препятствуют комплексообразованию SO₃ по атому азота. Образующаяся 2, 6‑ ди‑ трет‑ бутилпиридин-3-сульфокислота при нагревании превращается в циклический сульфон за счет одной из метильных групп трет-бутильного заместителя.

Галогенирование

Пиридины могут быть прогалогенированы. Ввести атом иода с удовлетворительным выходом не удается, однако бром- и хлорпиримидины синтезируются получены весьма просто.

N-Оксиды пиридина проявляют большую активность в реакциях с электрофилами, чем сам пиридин. Существуют два типа электрофильного замещения в N-оксидах: первый вариант (без добавления нуклеофила) приводит, в основном, к N-оксидам 4-замещенных пиридинов. Это на первый взгляд странное обстоятельство связано с замечательной электронной природой N-оксидной функции, которая может проявлять себя одновременно не только как акцептор, но и как донор электронов. Это иллюстрирует приведенная ниже схема.

Поэтому N-оксид любого замещенного пиридина, имеющего свободным положение 4, можно нитровать дымящей HNO₃ с хорошим выходом.

Другой подход к использованию N-оксидов – проведение реакции в присутствии слабых нуклеофилов, которые могут входить в состав реагента, например, ацетилнитрата. При этом N-оксид превращается в неароматический аддукт, который и атакуется электрофилом. Можно сказать, что пиридиновый атом азота на время становится донором электронов. Реакция позволяет получать 3-нитро- и 3, 5-динитропиридины с хорошими выходами.

Аналогично происходит вступление в положение 5 еще одной нитрогруппы

Нуклеофильное замещение

Характерными превращениями пиридина являются реакции нуклеофильного замещения. Реакция аминирования пиридина при нагревании с амидом натрия (реакция Чичибабина) приводит к образованию a-аминопиридина.

Реакция замещения атома водорода в пиридине аминогруппой действием амида натрия всегда ориентируется в положение 2. Превращение имеет сложный механизм: ходе реакции выделяется молекулярный водород, что заставляет предположить промежуточное образование гидрида натрия. Этот факт, а также отсутствие продуктов замещения водорода в положении 4 объясняют предварительной координацией атома натрия с пиридиновым атомом азота.

Обработка пиридинов свежеплавленным едким кали приводит к гидроксилированию до a‑ пиридонов, которые являются более устойчивой формой существования a- и g-гидроксипиридинов.

Реакции нуклеофильного замещения галогена в пиридине протекают по таким же двум альтернативным механизмам, как и в галогенаренах (см. главу Галогенарены) – присоединение-отщепление (АЕ) и отщепление-присоединение (ЕА). Реакция АЕ (присоединение нуклеофила с образованием s-комплекса, и отщепление уходящей группы) протекают преимущественно по атомам 2, 4 и 6, в которых сосредоточен максимальный положительный заряд. Кроме того, атом азота участвует в делокализации отрицательного заряда соответствующих s-комплексов, как нитрогруппа в случае нитрохлорбензолов (см. главу Галогенарены). Легко видеть, что наиболее стабильными являются анионные s-комплексы I и III.

С помощью реакции типа нуклеофильного АЕ в молекулу пиридина можно ввести самые разнообразные заместители. Вот несколько примеров:

N-оксиды пиридина и N-алкилпиридиниевые соли вступают в те же реакции легче самого пиридина. Особенно интересны N-оксиды a-галогенпиридинов, сразу превращающиеся при действии некоторых нуклеофилов в конденсированные биядерные гетероциклы, образование которых протекает с участием N-оксидной группы.

Если галоген находится в положении 3, то реакция пиридинов с нуклеофилами чаще идет по механизму ЕА через промежуточное образование гетероаналога дегидробензола – гетарина.

Свободнорадикальные реакции

При действии атомарных хлора и (высокие температуры) брома на пиридин происходит свободнорадикальное галогенирование, которое, в отличие от электрофильного, ориентируется в положения 2 и 6.

Для препаративных целей имеют значение реакции пиридина с нуклеофильными радикалами (реакция Миниши). Источниками радикалов служат различные органические соединения в присутствии перекисей и соли железа (II), катион которого служит в качестве переносчика электронов.

Механизм реакции включает стадии гомолитического разложения перекиси, превращения реагента в свободный радикал и его присоединение к пиридину и последующую ароматизацию.

Таким путем в положения 2 и 4 пиридина и хинолина можно ввести гидроксиметильную группу, диалкиламидную и другие функциональные группы.

 

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

 

Содержание главы:

1. Общие сведения, распространение и значимость

2. Классификация и номенклатура

3. Строение гетероциклов

4. Пиррол

5. Индол

6. Фуран

7. Тиофен

8. Взаимопревращение пятичленных гетероциклов

9. Пиридин

123456Следующая ⇒

Поделиться: