Вопрос 111

Общая характеристика пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом. К простейшим ароматическим пятичленным гетеро-циклическим соединениям с одним гетероатомом относятся фуран, пиррол и тиофен:

фуран	тиофен	пиррол

Способы получения. Для построения пятичленного гетеро-циклического кольца чаще всего применяют разнообразные реакции замыкания цикла, включающие внутримолекулярное образование σ -связи.

1. Синтез по Паалю–Кнорру. При проведении этого синтеза 1, 4-дикарбонильные соединения нагревают в присутствии либо серной кислоты, либо с аммиаком, либо с сульфидом, в зависимости от вещества, которое хотят получить:

В реакциях Пааля-Кнорра в качестве 1, 4-дикарбонильного соединения используют дикетоны, сложные эфиры дикарбоновых кислот, дикарбоновые кислоты или кетокислоты. Используя различные «строи-тельные блоки», этим методом можно синтезировать разнообразные гомологи и производные пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом.

2. Реакция 1, 4-диоксосоединенийс водоотнимающими соединениями. Действуют на ароматические гетероциклы с одним гетероатомом исходят из 1, 4-диоксосоединений, на которые для получения фурана и его гомологов действуют водоотнимающими веществами (Р₂О₆, СН₃СОСl), для получения тиофена и его гомологов – пятисернистым фосфором, для синтеза пиррола и его производных – аммиаком:

3. Получение пятичленных гетероциклов из продуктов окисления сахаров. Сухая перегонка слизевой кислоты ведет к пирослизевой кислоте (так называется α -фуранкарбоновая кислота), а пиролиз аммониевой соли слизевой кислоты – обычный путь синтеза пиррола. В первом случае происходит потеря одного карбоксила в виде СО₂, во втором – полное декарбоксиливование:

Для синтеза тиофена и его производных этого типа реакция не применяется, но тиофен можно получить, действуя P₂S₃. нa янтарную кислоту.

4. Взаимные превращения фурана, тиофена и пиррола. Между фураном, тиофеном и пирролом существует взаимосвязь, открытая советским ученым Ю.К. Юрьевым, которая заключается в превращении указанных гетероциклов друг в друга при температуре 450 °С в присутст-вии оксида алюминия (реакция обмена гетероатома):

5. Получение гетероциклов из олефинов. Хьюсген обобщил ряд давно известных реакций (открытых Ганчем, Димротом, Килико и др.) и нашел серию новых реакций «присоединения» к олефинам, ацетиленам, а также нитрилам, ведущих к замыканию пятичленных гетероциклов. По этой причине данный тип присоединения был назван биполярным.Присоединение по кратной связи диполярофила(так по аналогии с диено-филом называется присоединяющий диполярную триаду ацетилен, олефин и т. д.) происходит по следующему типу:

6. Синтез пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом из диацетилена (Шульте):

Электронное строение пятичленных гетероциклов на примере пиррола. Молекула пиррола плоская, что свидетельствует о гибридизации как атомов углерода, так и гетероатома азота. Причем три гибридизованные орбитали атома азота, принимающие участие в образовании σ -связей, лежат в плоскости кольца.

Негибридизованная p-орбиталь гетероатома, расположенная перпендикулярно плоскости кольца, несет неподеленную пару электронов. При перекрывании π -орбитали кольцевого азота с негибридизованными π -орбиталями четырех атомов углерода кольца, несущих по одному электрону, образуется единая π -молекулярная система, содержащая в общей сложности шесть электронов (ароматический секстет). Таким образом, пиррол, как и бензол, и пиридин, подчиняется правилу ароматичности Хюккеля.

Гетероциклы фуран и тиофен представляют собой плоские молекулы, имеющие подобный пирролу тип делокализованной структуры, где одна из неподеленных электронных пар гетероатома (кислорода и серы, соответственно) участвует в образовании ароматического секстета.

Геометрия молекул и расчеты по методу МО: длины связей в пирроле, фуране и тиофене свидетельствуют об образовании сопряженной системы, т. е. связи короче обычных (длина связи С–С = 0, 154 нм, С–N = 0, 145-0, 147 нм, С–O = 0, 140-0, 142 нм, С–S= 0, 18 нм), но длиннее двойных (длина связи С=С = 0, 134 нм):

Расчеты по методу МО в приближении Хюккеля свидетельствуют о том, что все эти системы стабилизированы вследствие циклической делокализации л-электронов. Энергия циклической делокализации зависит от электроотрицательности гетероатома и резонансного интеграла связи С–X. При увеличении электроотрицательности гетероатома энергия уменьшается.

В целом следствием высокой электроотрицательности гетероатома кислорода является уменьшение влияния +М эффекта (р, π -сопряжения), и, вероятно, поэтому фуран имеет менее выраженный ароматический характер, чем пиррол, и склонен к реакциям, характерным для сопряженных диенов.

Если для фурана и пиррола допустима только одна незаряженная предельная структура, то с тиофеном дело обстоит несколько иначе. Наименее ароматичен фуран, у него наиболее выражены диеновые свойства, так как кислород – самый электроотрицательный из трех рассматриваемых элементов, он меньше всего склонен отдавать свою электронную пару на образование ароматического секстета.

Наиболее выражены ароматические свойства у тиофена, он больше всего напоминает бензол, т. к. пара р-электронов атома серы более удалена от ядра и легче смещается для образования сопряженной p-электронной оболочки. Пиррол в этом ряду занимает промежуточное положение. Гетероатом, поставляя р-электроны в цикл, теряет долю своей электроотрицательности, в то же время имеет место повышенная нуклеофильность атомов углерода, в особенности соседних с гетероатомом. Свободная электронная пара гетероатома сдвинута на двойные связи цикла и электроны способны переходить из октета одного углеродного атома в октет другого углеродного атома.

Рисунок 1 – Общая формула пятичленных гетероциклов,

где Z = O, S, NH; 2, 5 – a-положения; 3, 4 – b-положения

Такая формула объясняет повышенную активность к электрофильному замещению атомов углерода циклов, особенно, в положениях 2, 5 (a-положения).

На полярную природу этих соединений указывает также наличие дипольных моментов в отличие от бензола, а также отсутствие выравненности углерод-углеродных связей, хотя в результате имеющегося сопряжения двойные связи в них удлинены, а простые укорочены:

Дипольный момент μ (D)

	0, 7	1, 8	1, 87

Степень ароматичности, рассматриваемых гетероциклов, можно выразить с помощью энергии сопряжения:

Распределение зарядов
Энергия сопряжения (кДж/моль)				150, 7

увеличение ароматичности

увеличение диеновой природы

Таблица 4 – Величина энергии резонанса E_R.

	Величина электронной плотности	ЭО гетероатома	ER, кДж/моль
Тиофен		2, 5
Пиррол		3, 0
Фуран		3, 5

Таблица 5 – Температура кипения гетероциклов:

Гетероатом (O, S, N) в пятичленных гетероциклах, как правило, не участвует в образовании координационных соединений, поскольку свободная пара р-электронов поставляется для образования ароматического секстета. Так, фуран, тиофен и пиррол не образуют оксониевых соединений, сульфоксидов, сульфонов, четвертичных аммонийных оснований, N-окисей. Пятичленные гетероциклы отличаются от бензола и его производных меньшей устойчивостью к агрессивным воздействиям.

Химические свойства. Для пятичленных гетероциклических соединений с одним гетероатомом характерны следующие реакции замещения, присоединения, раскрытия цикла и обмена гетероатома, обусловленные химическим строением данных соединений.

Наиболее характерными реакциями фурана, тиофена и пиррола, как и других ароматических соединений, являются реакции электрофильного замещения. Эти соединения подвергаются галогенированию, сульфированию, нитрованию, ацилированию и т.д. В реакциях электрофильного замещения пятичленные гетероциклы ведут себя активнее бензола, аналогично ароматическим аминам и фенолам. Электрофильное замещение происходит в положения 2, 5 (a-положения), т. е. по месту наибольшей электронной плотности.

1. Нитрование. Используют «мягкий» нитрующий агент – ацетилнитрит (смесь уксусного ангидрида с азотной кислотой) в пиридине, при этом образуются α -нитропроизводные:

где Z = О, NH, S

2. Сульфирование. Фуран и пиррол осмоляются при действии минеральных кислот (проявляют ацидофобные свойства), т.е. в кислой среде протон связывает неподеленную пару электронов кислорода или азота, образуется оксониевый или аммониевый ион, обладающий свойствами диена с сопряженными двойными связями, который легко полимеризуется и осмоляется:

где Z = О, NH

Поэтому сульфируют фуран и пиррол с помощью пиридинсульфотриоксида – комплекс пиридина с оксидом серы (VI) C₆H₅N× SO₃:

где Z = О, NH

3. Основность ацидофобных гетероциклов (ацидофобность от лат. acidum – кислота, гр. phobos – боязнь).

Тиофен неацидофобен, т.к. у него практически отсутствуют основные свойства.