26. гетероциклы I

Лекция 26

ГЕТЕРОЦИКЛЫ I

(трехчленные циклы, пятичленные циклы с одним гетероатомом)

Гетероциклическими называются соединения, имеющие циклическую структуру и содержащие в цикле не углеродные атомы (гетероатомы).

Классификация и номенклатура гетероциклов

Гетероциклы классифицируются 1) по величине цикла и 2) по виду и количеству гетероатомов.

Номенклатура Ганча

Наибольшее распространение и практическое значение имеют пяти и шестичленные циклы, содержащие в качестве гетероатомов кислород, серу и азот.

Величина цикла		Гетероатомы
Общее количество атомов в цикле	Суффикс в названии	Вид гетероатома	Суффикс в названии
3	-ирин	O	-окс(а)-
5	-ол	S	-тиа-
6	-ин	N	-аз(а)-
7	-епин

Правила нумерации:

Старшинство атомов: O>S>N

1) Нумерация начинается от самого старшего атома к наименее старшему по кратчайшему пути.

2) Из возможных вариантов предпочтителен тот, в котором № положения заместителя наименьший.

Примеры:

ТРЕХЧЛЕННЫЕ ЦИКЛЫ

Наиболее важна окись этилена

Способы получения

Общий способ:

Промышленный способ получения окиси этилена:

Химические свойства

Напряженность трехчленного цикла усугубляется поляризацией связей под действием гетероатома. Циклические атомы углерода приобретают δ+ -заряды и могут быть атакованы нуклеофилом:

Правило Красуского: При присоединении к эпоксидному циклу нуклеофил атакует наименее замещенный атом углерода:

ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ОДНИМ ГЕТЕРОАТОМОМ

НАСЫЩЕННЫЕ ЦИКЛЫ

По своим химическим свойствам и методам получения эти соединения вполне аналогичны простым эфирам, тиоэфирам и вторичным аминам соответственно.

АРОМАТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

У всех трех соединений гетероатомы имеют неподеленную пару электронов, которая с π-электронами четырех углеродных атомов образует циклическую сопряженную систему – ароматический секстет:

Средняя π-электронная плотность (в расчете на 1 атом) в циклах фурана, тиофена и пиррола больше, чем в бензоле, поэтому эти циклы называются π-избыточными. По химическим свойствам – это типичные ароматические соединения, отличающиеся тем, что из-за π-избыточности скорость их электрофильных реакций повы-шена и они сравнительно легко окисляются.

Сравнительная ароматичность фурана, тиофена и пиррола

Из всех трех циклов тиофен наиболее ароматичен, т.к. его энергия сопряжения выше (дополнительная резонансная структура за счет d-орбиталей атома серы).

Наименее ароматичен фуран – его молекула наиболее полярна.

Общие методы получения фурана, тиофена и пиррола

1) Синтез Кнорре

2) Реакция Юрьева

Значительные количества тиофена получают из бензольной фракции каменноугольной смолы.

Химические свойства

Пиррол

1) NH-кислотность

Из-за включения неподеленной электронной пары азота в ароматическую систему пиррол почти лишен основности, В то же время, связь N-H ослаблена, под действием сильных оснований происходит отрыв протона и образование стабилизированного сопряжением пиррил-аниона:

2) Ацидофобность

В сильно кислой среде пиррольный атом азота протонируется и ароматическая система превращается в сопряженный диен, который затем полимеризуется, образуя темного цвета смолу. Качественная реакция на пиррол: окрашивание смоченной соляной кислотой сосновой лучины в красный цвет.

3) Реакции электрофильного замещения

Из-за ацидофобности пиррола для сульфирования и нитрования применяются апротонные реагенты: пиридин-N-сульфотриоксид и ацетилнитрат (смешанный ангидрид азотной и уксусной кислот). При галогенировании пиррола даже при 0^о образуются только тетрагалогенопроизводные.

4) Окисление

5) Восстановление (гидрирование)

ПРИРОДНЫЕ ТЕТРАПИРРОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Порфирины – производные порфина – ароматические циклы (11 двойных связей и 2 неподеленные пары электронов). Металлокомплексы порфиринов – это природные соединения: гем (Me=Fe) – составная часть гемоглобина крови, мышечных миоглобинов, ОВ ферментов цитохромов; хлорофилл растений (Me=Mg).

Коррин – тетрапиррольный макроцикл, по структуре близкий к порфиринам. Кобальтовый комплекс коррина – витамин В₁₂.

Фуран

Производные фурана получаются при сухой перегонке древесины:

Фуран – ароматический цикл, вступающий в реакции электрофильного замещения:

Пониженная ароматичность фурана выражается в том, что он может проявлять свойства 1,3-диена и вступать в реакцию диенового синтеза:

Тиофен

Тиофен – жидкость, по физическим и химическим свойствам очень похожая на бензол (т.кип. бензола и тиофена почти совпадают). В отличие от пиррола, тиофен не ацидофобен и легко (легче, чем бензол) сульфируется обычной серной кислотой:

Образующийся α-сульфотиофен растворим в воде, и эта реакция применяется для очистки бензола от тиофена.

В присутствии кислот Льюиса тиофен ацилируется:

Биотин (витамин Н, кофактор биохимического карбоксилирования) – природное соединение, содержащее гидрированный цикл тиофена:

ИНДОЛ

Индол – аналог пиррола, содержащий конденсированный бензольный цикл.

Индол – кристаллическое вещество с т.пл. 52^о с характерным запахом, напоминающим в большом разведении цветочный (масло жасмина), применяется в парфюмерии.

Индол впервые получен расщеплением (перегонка с цинковой пылью) красителя индиго, привезенного из Индии – отсюда произошли названия.

Источник индола – каменноугольная смола.

Открытие синтеза индола из доступных исходных продуктов сделало его доступным:

Химические свойства

По химическим свойствам индол во многом является аналогом пиррола. Это ароматическое π-избыточное (в пиррольном кольце) соединение. Индол подобно пирролу почти лишен основности и ацидофобен. Обладает NH-кислотностью, близкой к кислотности спиртов. Склонен к реакциям элетрофильного замещения и к окислению.

1) Реакции S_E идут по пиррольному циклу в положение 3, при этом промежуточный σ-комплекс стабилизирован сопряжением:

Примеры:

2) Окисление

Другие природные соединения индола

ЛИТЕРАТУРА:

Основная

1. Тюкавкина Н.А., Зурабян С.Э., Белобородов В.Л. и др. – Органическая химия (специальный курс), кн.2 – Дрофа, М., 2008 г., с. 41-60.

Дополнительная

1. Н.А.Тюкавкина, Ю.И.Бауков – Биоорганическая химия – ДРОФА, М., 2007 г., с. 278-292.

25.09.09

11