3.4. Індол

Молекула індолу (бензо[b]піролу) являє собою конденсовану гете­роциклічну систему, що складається з пірольного та бензольного кілець. Нумерацію атомів у індолі починають з гетероатома, атоми вугле­цю у пірольному циклі позначають також літе­рами α та β.

3.4.1. Способи добування

Індол міститься у невеликих кількостях (3-5%) у кам'яновугільній смолі, звідки його можна виділити в чистому вигляді.,

З синтетичних методів добування індолу та його гомологів най­важливішими є такі:

1. Циклізація N-форміл-о-толуїдину. Реакція проходить у присут­ності сильної основи (третинного бутилоксиду калію або аміду на­трію) та відноситься до реакцій конденсації кротонового типу.

2. Перегрупування фенілгідразонів альдегідів або кетонів у присут­ності кислотного каталізапіора (метод Фішера). Цей спосіб застосо­вують для синтезу гомологів індолу з алкільними замісниками в пірольному ядрі. Реакція проходить при нагріванні фенілгідразонів альдегідів (за виключенням формальдегіду і ацетальдегіду) або ке­тонів у присутності H₂SО₄ або ZnCl наприклад:

Механізм реакції можна подати у вигляді такої схеми:

3.4.2. Фізичні властивості

Індол — безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 52 °С), зі своєрід­ним неприємним запахом; добре розчинний в етанолі, ефірі, толуолі, практично не розчинний у воді. В малих концентраціях індол має приємний квітковий запах.

3.4.3. Хімічні властивості

Індол є ароматичною сполукою. За хімічними властивостями він нагадує пірол. Під дією мінеральних кислот індол осмолюється, що вказує на його ацидофобність. Подібно до піролу, в реакціях з силь­ними основами (лужними металами, лугами, алкоксидами металів, магнійорганічними сполуками) індол поводиться як слабка NH-кислота (рК_α 16,97).

Металічні похідні індолу, аналогічно піролу (див. розд. 3.3.3, Б), широко застосовують у різних синтезах.

В реакціях електрофільного заміщення у молекулі індолу більш реакційноздатним є гетероциклічне кільце, але на відміну від піролу замісник вступає в β-положення. Це можна пояснити тим, що утворення σ-комплексу за β-положенням є для індолу вигіднішим процесом (у порівнянні до α-положення), оскільки у цьому випадку позитивний заряд може бути делокалізований без порушення арома­тичної системи бензольного ядра.

При атаці електрофільним реагентом α-положення утворюється σ-комплекс, у якому делокалізація позитивного заряду може бути здійснена тільки з порушенням ароматичної системи бензольного кільця, що енергетично не вигідно для молекули.

Якщо β-положення зайняте, то електрофільне заміщення відбу­вається в α-положенні.

Так, при нітруванні індолу бензоїлнітратом, сульфуванні піридин-сульфотриоксидом, галогенуванні хлористим сульфурилом і азосполученні утворюються відповідні β-заміщені.

При відновленні індолу воднем у присутності платинового каталізатора утворюється 2,3-дигідроіндол:

3.4.4. Найважливіші похідні індолу

Індоксил (3-гідроксііндол. 3-оксоіндолін). Жовта кристалічна ре­човина (т. пл. 85 °С) з сильним фенольним запахом, розчинна у воді, спиртах, ацетоні, ефірі та бензолі. В розчинах індоксил існує у двох таутомерних фор­мах — кетонній і енольній (кето-енольна таутомерія), в кристаліч­ному стані знаходиться в кетоформі (3-оксоіндолін). Добувають індоксил у промисловості взаємодією аніліну з натрієвою сіллю хлороцтової кислоти. Натрієва сіль N-феніламінооцтової кислоти, що утворюється у процесі реакції, при нагріванні (180-200 °С) з амідом натрію перетворюється на індоксил.

Індоксил легко вступає в реакції, характерні для карбонільних сполук і фенолів. В лужному середовищі індоксил легко окислюється киснем повітря, утворюючи синій барвник – індиго.

Індиго. Темно-синя з мідним полиском кристалічна речовина (т. пл.

390-392 °С з розкладенням), розчинна в хлороформі, нітробензолі, аніліні, льо­дяній оцтовій кислоті, не розчинна у воді, спиртах і ефірі.

Індиго — один з найдавніших ор­ганічних барвників, який відрізняється яскравим забарвленням і високою світлостійкістю. Він був відомий ще стародавнім єгиптянам і народам Індії, котрі добували його з тропічних рослин роду indigofera. Синте­тичним шляхом індиго було вперше, добуто в 1896 р. За теперішнього часу найбільше розповсюдження дістав спосіб, який ґрунтується на взаємодії аніліну з натрієвою сіллю хлороцтової кислоти з наступним окисленням індоксилу, що утворюється, киснем повітря (див. індок­сил, стор. 45).

Молекула індиго має транс-будову та утворює між групами С=О та NH два внутрішньомолекулярні водневі зв'язки.

У присутності відновників (глюкоза, дитіонат натрію Na₂S₂О₄) синє індиго легко відновлюється з утворенням безбарвної легкооснови — білого індиго, котре, на відміну від синього, добре розчинне у воді. На повітрі дуже легко відбувається зворотний процес —біле індиго окислюється до синього.

Цю властивість індиго використовують при фарбуванні тканин. Оскільки синє індиго не розчиняється у воді, його спочатку відновлюють Na₂S₂О₄ у біле індиго (розчинна форма) та цим розчи­ном обробляють тканину. Потім на повітрі відбувається окислення білого індиго в синє та тканина при цьому забарвлюється на синій колір. Метод фарбування, при якому барвник утворюється на тканині з безбарвної сполуки, називають кубовим фарбуванням, а індиго відносять до кубових барвників.

При сульфуванні індиго концентрованою сірчаною кислотою утворюється індиго-5,5'-дисульфокислота, динатрієва сіль якої відома під назвою індигокармін.

Індигокармін використовується у харчовій промисловості як барвник, а також як індикатор в аналітичній практиці (перехід забар­влення при рН 11,7-14,0). При окисленні індиго азотною або хромо­вою кислотами утворюється ізатин.

Ізатин. Яскраво-червона кристалічна речовина (т. пл. 203 °С), роз­чинна в гарячій воді, ацетоні, бензолі та метанолі. За будовою ізатин є внутрішньомолекулярним циклічним амідом (лактам) о-амінофенілгліоксилової кислоти (ізатинова кислота). У присутності лугу він гідролізується з утворенням солі ізатинової кислоти. При підкисленні розчину солі виділяється ізатинова кислота, яка, будучи малостійкою речовиною, легко циклізується в ізатин.

Для ізатину притаманна лактам-лактимна таутомерія, з перева­гою у рівноважній суміші лактамної форми.

Ізатин виявляє властивості карбонільних сполук, причому в ре­акціях бере участь (3-карбонільна група. Активність карбонільної групи в α-положенні значно знижена внаслідок +М-ефекту групи NH. Так, ізатин вступає в реакцію з гідроксиламіном і фенілгідразином. утворюючи відповідно оксим і гідразон.

Атом водню групи NH у молекулі ізатину, як і в індолі, виявляє значну рухливість і може заміщуватись на лужний метал. Ізатин ши­роко застосовується в органічному синтезі, а також як аналітичний реагент для фотометричного виявлення домішки тіофену в бензолі.

Триптофан [2-аміно-3-(β-індоліл)пропіонова кислота]. Кристалічна речовина (т. пл. 289 °С), розчинна в гарячій воді та спирті, нерозчинна у хло­роформі. Триптофан містить один асимет­ричний атом вуглецю та існує у вигляді двох оптично активних енантіомерів і од­ного рацемату. L-Триптофан є незамінною α-амінокислотою, що входить до складу білків.

Серотонін [5-гідрокси-3-(β-аміноетил)індол]. Кристалічна речовина (т. пл. 207-212 °С), розчинна у воді, нерозчинна в органічних розчинни­ках. Серотонін є біогенним аміном, який виконує важливу роль у проце­сах життєдіяльності організму. Він бере участь у передачі нервових імпульсів, викликає скорочування гладкої мускулатури внутрішніх органів і звуження кровоносних судин, підвищує стійкість капілярів і кількість тромбоцитів у крові. В організмі утворюється з триптофану. З порушенням обміну серо­тоніну пов'язують виникнення симптомів шизофренії. У вигляді солі з адипіновою кислотою серотонін застосовують у медицині як антигеморагічний засіб.

β-Індолілоцтова кислота (гетероауксин). Кристалічна речовина (т. пл. 168-169 °С), розчинна у воді та етиловому спирті. Гетероауксин є продуктом окиснювального дезамінування триптофану. Він справляє стимулюючий вплив на ріст рослин (гормон росту) та з цією метою широко застосовується в сільському господарстві. На основі β-індолілоцтової кислоти створено лікарський препарат індометацин, який виявляє сильну протизапальну дію.