Пятичленные гетероциклы

10.1.1. Строение

 

Простейшие пятичленные гетероциклы: пиррол, фуран, тиофен - содержат один гетероатом.

В соответствии с представленными формулами каждое из этих соединений будет обладать свойствами сопряженного диена и соответственно - свойствами амина R-NH-R, простого эфира R-O-R и тиоэфира (сульфида) R-S-R. Однако пиррол не обладает основными свойствами, типичными для аминов, тиофен не вступает в реакции окисления, типичные для сульфидов. Для них характерна способность вступать в реакции электрофильного замещения: нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование по Фриделю-Крафтсу. Числовые значения теплот сгорания указывают на наличие значительной энергии резонансной стабилизации - 67-117 кДж/моль. Это несколько меньше, чем энергия резонанса бензола (153 кДж/моль), но гораздо больше, чем аналогичная величина для большинства сопряженных диенов (13 кДж/моль). Следовательно, эти соединения являются ароматическими.

Рассмотрим строение пятичленных гетероциклов на примере пиррола. Четыре атома углерода и атом азота находятся в sp²-гибридном состоянии и затрачивают три гибридные орбитали на образование двух s-связей с другими атомами кольца и одним атомом водорода. У каждого атома углерода остается один электрон, а у атома азота - два на р-орбитали. При p-перекрывании р-орбиталей образуются p-облака выше и ниже плоскости кольца, содержащие шесть электронов, - ароматический секстет.

Структура пиррола может быть представлена резонансным гибридом структур I-V.

Сравнение дипольных моментов пирролидина 5,18×10^-30 Кл×м (1,57Д) и пиррола 5,94×10^-30 Кл×м (1,8Д) показывает, что структуры II-V вносят значительный вклад в резонансный гибрид.

Данные, полученные при измерении длин связей в молекуле пиррола, дипольных моментов, УФ-спектров, теплот сгорания, подтверждают наличие делокализованной p-электронной системы.

Следствием делокализации четырех p-электронов атомов углерода и двух электронов гетероатома является склонность к реакциям электрофильного замещения, в которых сохраняется p-электронная система.

В отличие от вторичных алифатических аминов, для которых К_В»10^-3-10^-4, пиррол - более слабое основание (К_В =2,5×10^-14). Это объясняется тем, что свободная пара электронов азота, которая обусловливает основные свойства азотсодержащих соединений, вовлечена в p-электронное облако и не может быть предоставлена для образования связи с протоном.

Высокая электронная плотность в кольце пиррола обусловливает высокую реакционную способность пиррола в реакциях электрофильного замещения.

Структуры фурана и тиофена аналогичны структуре пиррола. Атом кислорода в фуране и атом серы в тиофене подают два электрона в p-электронное облако и ведут себя как высокореакционноспособные соединения, подобные бензолу.

Сравнивая электроотрицательность серы, азота и кислорода, можно ожидать, что вклад структур, подобных II - V, будет наиболее значительным для тиофена и наименее - для фурана, содержащего наиболее электроотрицательный элемент - кислород. Действительно, ароматический характер усиливается при переходе от фурана к пирролу и далее к тиофену, энергии резонанса составляют соответственно 67·10³, 88·10³, 117·10³ Дж/моль. Фуран, наименее ароматичный из этих трех соединений, вступает в реакции диенового синтеза в качестве диена.

 

Химические свойства

 

Пиррол, фуран и тиофен, как и другие ароматические соединения, вступают в реакции электрофильного замещения: нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование по Фриделю-Крафтсу.

Пиррол и фуран более реакционноспособные соединения, чем бензол, и сходны с наиболее активными производными бензола: аминами и фенолами. Тиофен менее реакционноспособен, чем пиррол и фуран, но более активен, чем бензол.

Электрофильное замещение происходит в положение 2.

В реакции электрофильного замещения лимитирующей стадией является стадия образования s-комплекса в результате присоединения электрофильного реагента к атому углерода кольца.

Распределение заряда в ионе, образующемся при атаке в положе- ние 2 - (s-комплекс-2), может быть показано с помощью трех граничных структур I-III. Распределение заряда в s-комплексе, возникающем при атаке в положение 3, изображено структурами IV-V. Это означает, что s-комплекс-2 более устойчив и, следовательно, легче образуется, чем s-комплекс-3.

Реакции электрофильного замещения в пирроле представлены на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Реакции электрофильного замещения в пирроле

Нитрование и сульфирование пиррола из-за чувствительности к протонным кислотам (это свойство называется ацидофобностью) проводят в отсутствие протонных кислот. Реакция бромирования и ацилирования по Фриделю-Крафту протекает без участия катализатора.

Фуран в реакциях электрофильного замещения напоминает пиррол. Как и пиррол, он является ацидофобным соединением: в присутствии протонных кислот кольцо фурана раскрывается. Хлорирование и бромирование фурана протекает очень бурно и с трудом поддается контролю. Ацилирование требует применения в качестве катализатора мягкой кислоты Льюиса.

Тиофен менее реакционноспособен по сравнению с фураном и пирролом, он может сульфироваться в условиях высокой кислотности. Бромирование может проводиться направленно с образованием 2-бром- и 2,4-дибромтиофена.

10.1.3. Способы получения

Некоторые замещенные фурана, тиофена и пиррола могут быть получены из ациклических соединений через реакцию циклизации, например:

Фуран, тиофен, пиррол могут взаимно превращаться друг в друга (Ю.К. Юрьев) в токе Н₂О, Н₂S и NH₃ соответственно при температуре 400-500 ^оС в присутствии Al₂O₃.

Пиридин

 

Пиридин является шестичленным ароматическим гетероциклом.

Строение пиридина

 

В пиридине атом азота, как и все атомы углерода, находится в sp²-cостоянии. Каждый из пяти атомов углерода и атом азота связаны с соседними атомами кольца с помощью двух sp²-гибридизованных орбиталей, третья sp²-гибридизованная орбиталь атома углерода затрачивается на образование связи с атомом водорода, а на третьей sp²-гибридизованной орбитали атома азота находится пара электронов. Пять негибридизованных р-облаков атомов углерода и одно р-облако атома азота, перекрываясь, образуют единую p-электронную систему: два облака - над и под плоскостью кольца.

В плоском шестиугольнике пиридина все углерод-углеродные связи имеют одинаковую длину (13,9·10^-2 нм), промежуточную между длиной простой C_sp2–C_sp2(14,8·10^-2 нм) и двойной C=C связей (13,4·10^-2 нм). Обе связи азот-углерод также имеют одинаковую длину (13,7·10^{-2 м), меньшую, чем длина простой связи С-N (14,7·10-2} нм), но большую, чем длина двойной связи С=N (12,8·10^-2 нм).

Делокализация шести р-электронов кольца пиридина обусловливает значительную устойчивость p-электронного облака. Действительно, теплота сгорания пиридина указывает на существенную энергию резонанса 96 кДж/моль.

Строение пиридина можно изобразить резонансным гибридом граничных структур I-V.

Биполярные структуры III-V вносят значительный вклад в резонансный гибрид, так как дипольный момент пиридина, равный 7,45×10^-30 Кл×м (2,26 Д), значительно больше, чем дипольный момент пиперидина 3,86×10^-30 Кл×м (1,17 Д).

Для пиридина, как для ароматического соединения, характерны реакции электрофильного замещения, в которых сохраняется устойчивая p-электронная система.

 

Химические свойства

В реакциях электрофильного замещения пиридин ведет себя как сильно дезактивированное производное бензола, подобно нитробензолу. Он нитруется, сульфируется и галогенируется только в очень жестких условиях (более жестких, чем нитробензол). Замещение происходит в положение 3.

Атака в положение 3 обусловлена следующим: в медленной стадии при атаке в положение 3 образуется более устойчивый катион (распределение заряда изображено тремя граничными структурами I-III), чем катион, образующийся при атаке в положение 4 (структуры IV-VI).

s-Комплекс, образующийся при атаке в положение 3

s-Комплекс, образующийся при атаке в положение 4

 

Низкая реакционная способность пиридина, как и нитробензола, объясняется тем, что образующиеся при атаке электрофилом любого положения кольца карбокатионы менее устойчивы, чем карбокатион, возникающий при атаке бензольного ядра, из-за присутствия в кольце электроотрицательного азота. Кроме того, в кислой среде кольцо еще более дезактивируется из-за образования иона пиридиния C₆H₅NH^Å.

Реакционная способность пиридина в реакциях нуклеофильного замещения настолько велика, что замещению подвергается даже гидрид-ион Н^Ө. Примером нуклеофильного замещения в пиридине являются реакции Чичибабина: аминирование амидом натрия и арилирование (или алкилирование) с помощью литийорганических соединений.

Атака нуклеофила протекает преимущественно в положение 2 и 4, так как при этом образуется более устойчивый анион: отрицательный заряд частично несет электротрицательный азот; s-комплекс, возникающий при атаке в положение 3, менее устойчив: ни в одной из граничных структур отрицательный заряд не принадлежит азоту (изобразите s-комплекс-3 самостоятельно).

Все эти s-комплексы более устойчивы, чем анион, через образование которого происходит нуклеофильное замещение в бензоле. Это обусловлено присутствием в ядре пиридина электроотрицательного азота.

Таким образом, одна и та же причина определяет более низкую реакционную способность пиридина в реакциях электрофильного замещения и более высокую реакционную способность его в реакциях нуклеофильного замещения по сравнению с бензолом.

В пиридине на атоме азота имеется неподеленная пара электронов, которая может обобществляться с протоном. Пиридин является более слабым основанием (К_В=2,3·10^-9), чем алифатические амины R₁R₂NH (К_В~ 10^-4). Для объяснения такой зависимости основности от строения можно провести аналогию между электроотрицательностью атома углерода в различных гибридных состояниях и электроотрицательностью атома азота в sp³- и sp²- состояниях:

¾¾¾¾¾¾¾®

Электроотрицательность увеличивается

 

Пара электронов, обусловливающая основность пиридина, занимает sp²-орбиталь атома азота, она находится ближе к ядру. Электроны удерживаются ядром сильнее и менее доступны для обобществления с протоном, чем пара электронов sp³-гибридизованного атома азота.

Благодаря наличию пары электронов на атоме азота пиридин является нуклеофилом и реагирует с галогеналканами с образованием четвертичных солей.

Восстановление. При каталитическом гидрировании пиридина образуется пиперидин С₅Н₁₁N.

Хинолин

 

Хинолин представляет собой конденсированную систему, содержащую бензольное и пиридиновое кольца.

Свойства хинолина соответствуют свойствам нафталина, содержащего электроноакцепторную группу в положении 1.

Хинолин вступает в реакции электрофильного замещения. При взаимодействии со смесью концентрированных азотной и серной кислот происходит нитрование в положения 5 и 8.

При обработке хинолина дымящей серной кислотой образуются сульфоновые кислоты.

Хинолин так же, как и пиридин, вступает в реакции нуклеофильногозамещения: взаимодействует с амидом натрия и фениллитием.

При окислении перманганатом калия образуется дикарбоновая кислота.

Наиболее удобным путем получения хинолина является метод Скраупа: взаимодействие анилина с глицерином и нитробензолом в присутствии серной кислоты и сульфата железа (II).

Синтез состоит из следующих стадий.

1). Дегидратация глицерина под действием концентрированной серной кислоты.

2). Нуклеофильное присоединение анилина к акролеину.

3). Электрофильная атака ароматического кольца электронодефицитным углеродом с последующей дегидратацией образовавшегося спирта.

4). Окисление нитробензолом.

Сульфат железа FeSO₄ сдерживает бурное течение реакции.

ГАЛОГЕНАЛКАНЫ

Галогеналканы имеют общую формулу С_nH_2n+1Х, где X - F, Cl, Br, I. Вследствие высокой электроотрицательности галогена связь галоген - углерод является сильно полярной С^d+®Х^d-. Галоген, связанный с электронодефицитным углеродом, можно легко заменить на частицу, богатую электронами, - нуклеофил Nu («ядро любящий»).

 

Нуклеофил - частица, имеющая пару электронов, которую она может отдать атому, несущему целый или частичный положительный заряд.

 

Нуклеофильными реагентами являются отрицательно заряженные ионы и нейтральные молекулы, имеющие свободную пару электронов.

Такие реакции называются реакциями нуклеофильного замещения - S_N.

Другой характерный тип превращений галогеналканов - реакции отщепления (элиминирования Е) под действием основания с образованием алкенов. Под влиянием электроотрицательного галогена связанный с ним атом углерода (С_a) приобретает некоторый положительный заряд, на соседнем атоме (С_b) также возникает заряд, но меньший. Тем не менее под влиянием частично заряженного b-углерода находящийся около него водород становится кислотным и под действием сильного основания В: может отщепиться в виде протона (dÅ>d¢Å).

Таким образом, для галогеналканов характерны два главных типа превращений: нуклеофильное замещение и элиминирование. Кроме того, галогеналканы дают магнийорганические соединения R-MgX, важные в синтетическом отношении.