1. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом и их производные.

Наиболее важными пятичленными гетероциклами с одним гетероатомом являются кислородсодержащий фуран, серусодержащий тиофен и азотсодержащий пиррол.

Эти соединения близки по строению и имеют ряд сходных признаков. Как видно из приведенных формул, они содержат сопряженные двойные связи. Благодаря этому эти гетероциклы напоминают по химическим свойствам бензол: обладают ароматическими свойствами. Они вступают в реакции замещения, т.е. подвергаются галогенированию, нитрованию, сульфированию. Наиболее легко замещается водород в α─положении.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

В основном все пятичленные гетероциклы получают фракционной перегонкой каменноугольной смолы.

Пятичленные гетероциклы способны взаимообменивать свои гетероатомы. Это было показано Юрьевым при пропускании паров гетероцикла в смеси с сероводородом, аммиаком или парами воды над оксидом алюминия при 400^оС:

ГРУППА ФУРАНА

Фуран- бесцветная жидкость с запахом хлороформа. Не растворим в воде. Окрашивает лучину, смоченную соляной кислотой, в зеленый цвет.

Радикал С₄Н₃О называется фурил, а радикал С₄Н₃О-СН₂- фурфурил

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

Фуран , его гомологи и производные обладают ароматическими свойствами, однако фурановое кольцо не имеет такой прочности, как бензольное или некоторые гетероциклические кольца. Ароматические свойства фурана выражены меньше, чем пиррола и тиофена. Это связано с тем, что большая электроотрицательность атома кислорода по сравнению с азотом и серой значительно уменьшает равномерное распределение π-электронной плотности в фурановом кольце. В тоже время реакции у фурана протекают легче, чем у бензола, пиррола и тиофена.

Щелочи не влияют на фурановые соединения, но фуран и его гомологи легко разрушаются от воздействия сильных кислот и окислителей: фурановый цикл неустойчив к действию минеральных кислот

1. Реакции замещения. Практически все реакции замещения фурана идут в α-положение, если оно не занято. Мето-ориентирующие группы, находящиеся в одном α-положении, не припятствуют вхождению следующего заместителя во второе α-положение. Если оба эти положения заняты, то замещение происходит водно из β-положений в зависимости от характера заместителей α-положений.

Для фурана характерны реакции замещения, но при соблюдении определенных условий. Например, азотная кислота разрушает фуран, поэтому прямое нитрование его не возможно и для этого применяют более мягкий нитрирующий реагент- ацетилнитрат ( он образуется при смешивании уксусного ангидрида с азотной кислотой) в пиридиновом растворе:

Бромируют фуран, действуя диоксанбромидом (продукт присоединения брома к диоксану):

2. Ацилирование фурана и реакции присоединения происходят очень легко при помощи мягких конденсирующих агентов-хлористый цинк,олово, титан хлорная ртуть и т.д.

3. Восстановление фурана: Фурановое кольцо содержит реакционноспособные двойные связи, которые напоминают сопряженную диеновую систему. Пониженная ароматичность фуранового кольца приводит к тому, что фуран легче, чем тиофен и пиррол, вступает в реакции присоединения. Так, при каталитическом гидрировании фуран превращается в тетрагидрофуран:

4.Реакция раскрытия цикла. Минеральные кислоты являются наиболее обычными реагентами, вызывающими раскрытие кольца фурана.

Фуран с концентрированной соляной кислотой реагирует взрывоподобно и дает окрашивание красного цвета, с разбавленной соляной кислотой фуран дает бурый осадок, с метанолом, насыщенным хлороводородом, он образует ацеталь янтарного альдегида:

ПОЛУЧЕНИЕ ФУРАНА.

1. Фуран, вместе с его гомологами содержится в продуктах сухой перегонки некоторых пород дерева.

2. Сам фуран может быть получен декарбоксилированием α-фуранкарбоновой кислоты (пирослизевой). Это один из лучших способов получения фурана.

Реакцию ведут в присутствии металлической или сернокислой меди в качестве катализатора:

3.Аналогично слизевая кислота легко превращается в пирослизевую:

4.Общим способом получения гомологов фурана является дегидратация соответствующих 1,4-дикетонов или диальдегидов:

5. Важнейшим производным фурана является его альдегид- фурфурол, который легко получается при нагревании с разбавленными кислотами пентозосодержащих веществ (отходы древесины, солома, отруби, подсолнечная лузга, кукурузные кочерыжки и т.д.) Из него также очень легко можно получить фуран.

Фурфурол (от лат. furfur- отруби)- это бледно-зеленая жидкость, имеет запах свежеиспеченного ржаного хлеба. Слабо растворим в воде. Применяется как селективный растворитель при очистке нефтяных фракций, для получения пластмасс, фумаровой кислоты и многих соединений с фурановфм кольцом, в частности лекарственных препаратов.

На воздухе быстро темнеет и под действием воздуха, света, повышенной температуры быстро осмоляется. Малые количества фурфурола в какой-либо смеси могут быть обнаружены по возникновению малиновой окраски от действия ацетона и крепкой серной кислоты. С уксусным анилином дает красное окрашивание, а с флороглюцином образует черно-зеленое нерастворимое соединение. Фурфурол получают дегидратацией пентоз:

По химическим свойствам фурфурол сходен с бензальдегидом и дает все характерные реакции на альдегидную группу:

При взаимоджействии с аммиаком образует фурфурамид:

ПРЕВРАЩЕНИЯ ФУРФУРОЛА:

ГРУППА ТИОФЕНА.

Тиофен- бесцветная жидкость, содержится в каменноугольной смоле. Не растворяется в воде. По запаху похож на бензол (его много содержится в техническом бензоле). Это типично ароматическое соединение. Его ароматические свойства выражены гораздо сильнее, чем у фурана и пиррола.

Радикал C₄H₃Sназывается тиенилом

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

1. Реакции присоединения.

Последовательное галогенирование приводит к образованию моно-, ди- и тетрахлорзамещенных производных тиофена:

Продукт присоединения хлора к тиофену выделяется в виде кристаллов.

Серная и хлорсульфоновая кислоты, а также комплекс пиридина с SO₂превращает тиофен в 2-сульфокислоту:

Нитрование тиофена удается с трудом. Обычно его пропускают в дымящую азотную кислоту. Нитрогруппа вступает в α-положение. При сульфировании тиофен превращается в α-тиофенсульфокислоту. Введение трех нитрогрупп пока не удается.

2.Ацилирование тиофена: Тиофен бурно реагирует с хлорангидридами кислот в присутствии хлористого алюминия (реакция Фриделя-Крафтса):

3.Алкилирование тиофена проводят с изобутиленом, при этом получаются равные количества 2- и 3-трет-бутилтиофенов:

ПОЛУЧЕНИЕ ТИОФЕНА.

Тиофен получается с хорошим выходом по реакции Юрьева из фурана действием на него сероводородом.

Кроме того, тиофен может быть синтезирован различными другими метолами, например пропусканием смеси ацетилена и сероводорода над оксидом алюминия:

ПРЕВРАЩЕНИЯ ТИОФЕНА:

ГРУППА ПИРРОЛА.

Пиррол- бесцветная жидкость, малорастворимая в воде. По запаху напоминает хлороформ. На воздухе бурее из-за окисления. Весьма чувствительной реакцией на пиррол и его производные является: сосновая лучинка, смоченная в соляной кислоте, окрашивается парами пиррола в красный цвет. От этой реакции произошло название пиррола (pyrrol- красное масло).

Производные пиррола имеют большое биологические значение. К ним относятся такие вещества, как хлорофилл растений, гемин крови, пигменты желчи. Восстановленной кольцо пиррола (пирролидиновое) присутствует во многих алкалоидах и аминокислотах.

Дигидропирролы называют пирролинами. Полностью восстановленные пирролы называются пирролидинами, кетопирролы называются пирролонами и кетопирролидины- пирролидонами:

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ:

1.Наиболее часто пиррол и его гомологи получают из 1,4-дикарбонильных соединений:

2.Аммониевая соль сахарной или слизевой кислоты при нагревании с глицерином до 200^оС дает пиррол:

3.В промышленности пиррол получают из фурана и аммиака.

4. При пропускании аммиака и паров бутиндиола-1,4 над смесью окиси алюминия образуется пиррол с высоким выходом:

5.Строение пиррола наиболее наглядно доказывается его образованием при перегонке имида янтарной кислоты с цинковой пылью:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Пиррол обладает слабыми основными свойствами. Со слабыми кислотами дает солеобразные продукты. Сильные кислоты осмоляют и частично полимеризуют его.

1. Пиррол является очень слобой кислотой, более слабой, чем фенол. Он реагирует с калием, освобождая водород и образуя соль пиррола. В отсутствии влаги пиррокалий может быть получен сплавлением пиррола с едким кали:

Соли других металлов получают в жидком аммиаке.

2. Для пиррола характерны ароматические свойства, но они выражены гораздо слабее, чем у тиофена. В обычных условиях он не сульфируется, а азотная кислота разрушает пиррольное кольцо.

3.Галогены легко замещают водород в кольце пиррола.

3. Вследствии чувствительности к кислотам напосредственное нитрование в ряду пиррола не применяется. Однако в определенных условиях эти реакции могут быть проведены.Так, например с колмплексом серного ангидрида и пиридина:

5.Амил нитрат реагирует с пирролом в присутствии этилата натрия с образоваием натриевой соли 3-нитропиррола:

4. При восстановлении в мягких условиях реакция идет последовательно:

Пирролин- сильное основание, аналогичное ненасыщенным аминам жирного ряда. Пирролидин по свойствам подобен насыщенным вторичным амингам.

Кольцо пирролидина содержится в молекуле никотина и некоторых других алкалоидов. Пиррольные кольца входят в состав гемоглобина и хлорофилла.

Гемоглобин- красный пигмент, содержащийся в красных кровяных шариках человека и животных. Играет исключительную роль в жизнедеятельности организмов как переносчик кислорода.

Хлорофилл- зеленый пигмент, содержащийся в листьях растений вместе с желтыми красителями- каротиноидами, относящимися к группе распространенных в растительном мире липохромов. Хлорофилл регулирует процессы поглощения растениями углекислого газа из воздуха под действием света. В пищевой промышленности применяется как безвредная зеленая краска.

Гемоглобин и хлорофилл относятся к группе природных красящих веществ, в основе которых лежит сложная полигетероциклическая группировка- ядро порфина. Последние состоят из четырех пиррольных колец, связанных между собой четырьмя метиновыми группами СН-:

Замещенные порфины называются порфиринами.

Гемоглобин состоит из растворимого в воде белка- глобина и красящего вещества гемма, в котором содержится двузвалентное железо, комплексно связанное с порфириновой группировкой.

В организме гемоглобин ( с двухвалентным железом), соединяясь с кислородом, превращается в оксигемоглобин ( трехвалентным железом). Последний, отдавая кислород, вновь переходит в гемоглобин. На этом основан перенос кислорода кровью в живом организме.

В хлорофилле порфириновая группировка комплексно связана не с железом, как в гемоглобине, а с магнием. Кроме того, она отличается от порфириновой группировки в гемме некоторыми радикалами и функциональными группами в пирольных кольцах: в четвертом пиррольном кольце хлорофилла имеется эфирно связанный остаток высокомолекулярного спирта фитола С₂₀Н₃₉ОН.

ГРУППА ИНДОЛА.

Значительный интерес представляет гетероциклическое соединение- индол. В молекуле этого вещества имеется пятичленное пиррольное кольцо, конденсированное(т.е. имеющее два общих углеродных атома) с шестичленным кольцом бензола- поэтому индол иначе называют бензпирролом.

Индол- бесцветное кристаллическое вещество. Перегоняется водяным паром. Входит в состав душистого масла жасмина, померанца, белой акации. Как добавка к смеси других душистых веществ применяется в парфюмерии. Однако чистый индол имеет сильный неприятный запах экскрементов. Название индола происходит от названия красителя индиго, из которого он впервые был получен перегонкой с цинковой пылью.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

1. Внутримолекулярная конденсация формил-ο-толуидина:

ο-толуидина

2. Внутримолекулярная конденсация различных других ο-замещенных анилинов, например ο-аминофенилацетальдегида с выделением воды:

3. Реакция Фишера. Это наиболее общий способ получения индола и его замещенных производных. Фенилидразоны альдегидов и кетонов нагревают с хлористым цинком или серной кислотой:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

По химическим свойствам индол во многом сходен с пирролом. Почти не проявляет основных свойств. По отношению к минеральным кислотам индол более стоек, чем пиррол; осмоляется ими только при нагревании.

По реакционной способности два ядра в индоле неравноценны: пиррольное ядро активнее бензольного. Поэтому заместитель вступает в реакции сначала в пиррольное кольцо, а затем в бензольное. Обычно реакции замещения водорода протекают у индола предпочтительно в β-положении.

1. Индол образует металлические производные- индол-калий и индол-нирий:

2. Галогенировать индол можно только в мягких условиях, например с помощью хлористого сульфурила:

3. Соли диазония дают с индолом 3-азопроизводные:

4. При осторожном окислении индола образуется его производное- индоксил:

Индоксил относительно устойчив в слабокислых растворах, но в слабощелочных быстро окисляется уже кислородом воздуха, образуя краситель индиго. Это его важнейшее свойство.

Индиго- краситель, известный еще с глубокой древности. Один из самых красивых и прочных красителей. В индии индиго добывали из так называемых индигоносных растений рода Indigofera. В Европе, в частности в России, индиго получали из растений вайда. В этих растениях содержится глюкозид индикан-соединение индоксила с глюкозой. Растительное сырье загружали в емкости и сбраживали. На воздухе две молекулы индоксила соединяются и получается индиго:

Индиго- темно-синий порошок, приобретающий при растирании медно-красный блеск. Пары его пурпурно-красного цвета.

При действии восстановителей в щелочной среде нерастворимое синее индиго превращается в растворимое белое индиго; последнее же кислородом воздуха

превращается опять в синее.

Это превращение используют, применяя нерастворимое синее индиго для крашения. В баках (кубах) действием восстановителей в щелочном растворе готовят раствор белого индиго, пропитывают в нем окрашиваемую ткань, а затем вывешивают на воздух. Белое индиго прямо на ткани окисляется в синее индиго, и ткань приобретает прочную синюю окраску.

Способ крашения, основанный на этом, называют кубовым крашением, а красители, соответственно- кубовыми красителями.

Триптофан. Одним из важнейших производных индола является аминокислота- триптофан. Его можно рассматривать как аланин, в котором имеется остаток индола.

Биохимическое значение триптофана очень велико. Он участвует в построении полипептидных цепей многих животных белков. Из него образуются все производные индола при гниении белков.