Шестичленные гетероциклические соединения

2.2.2. Шестичленные гетероциклические соединения

При рассмотрении реакций ароматического электрофильного замещения следует разделить гетероциклические соединения на две группы: к первой группе относятся те, которые проявляют свойства оснований, ко второй — те, которые не проявляют основных свойств. Для представителей первой группы характерно взаимодействие неподелённой пары электронов атома азота с электрофильными реагентами (разд. 2.1.), присутствующими в реакционной смеси (протон в случае нитрующей смеси, хлорид алюминия в случае реакции Фриделя — Крафтса), которое проходит быстрее, чем какое-либо замещение при атоме углерода, и превращает субстрат в положительно заряженный катион, склонность которого к взаимодействию с электрофильной частицей Х+ существенно понижена.

Стоит вспомнить понижение скорости реакции электрофильного замещения при переходе от незамещённого бензола к катиону N,N,N-триметиланилиния (PhN+Me3) в 108 раз, хотя в этом случае фрагмент, несущий положительный заряд, лишь присоединён к ароматической системе, а не является её частью. Таким образом, все гетероциклические соединения, содержащие атом азота пиридинового типа (то есть фрагмент C=N), с трудом вступают в реакции электрофильного замещения, если (а) в молекуле отсутствуют заместители, активирующие кольцо к атаке электрофилами, (б) в молекуле нет конденсированного бензольного кольца, в котором могут проходить реакции электрофильного замещения, или (в) молекула представляет собой пятичленный гетероцикл с двумя гетероатомами и второй гетероатом повышает электронную плотность в цикле. Например, простые производные пиридина не вступают в реакции электрофильного замещения, однако хинолины и изохинолины склонны к замещению в бензольном кольце.

По оценочным данным, истинная реакционная способность пиридина в реакциях электрофильного замещения приблизительно в 107 раз меньше, чем реакционная способность бензола в подобные реакциях, то есть такая же, как и у нитробензола.

При нитровании хинолина или изохинолина электрофильной атаке подвергается бензольное кольцо протонированного гетероцикла, и, хотя замещение проходит в бензольном кольце, такие процессы неизбежно протекают с участием дважды положительно заряженного интермедиата. Вследствие этого замещение реализуется в таких системах значительно труднее, чем в случае нафталина, положения 5 и 8 хинолиниевого катиона атакуются электрофильными частицами приблизительно в 1010 раз медленнее, чем положение 1 нафталина, и по оценочным данным нитрование пиридиниевого катиона проходит ещё медленнее в 105 раз [7]. Изучение процесса бромирования метилпиридинов позволило оценить парциальный фактор скорости бромирования пиридиниевого катиона как 10-13 [8].

Рисунок 1. Раздел 2.2.2. Шестичленные гетероциклические соединения

«Активирующие заместители» [9], то есть группы, увеличивающие электронную плотность в пиридиновом цикле в результате как индуктивного, так и мезомерного влияния, приводят к ускорению процессов электрофильного замещения: например, 4-пиридон нитруется в положение 3 с промежуточным образованием протонированной по атому кислорода соли [10]. Для того чтобы понять активирующее влияние заместителя в этом случае, полезно рассмотреть процесс как электрофильную атаку по протонированному субстрату, аналогичному фенолу. Электрофильная атака непротонированного пиридона лучшим образом иллюстрируется аналогичной реакцией по енамидному фрагменту. Диметоксипиридины также нитруются через предварительное образование катиона, однако так происходит не всегда: например, 2-аминопиридин бромируется по положению 5 в кислой среде без предварительного протонирования [11].

Рисунок 2. Раздел 2.2.2. Шестичленные гетероциклические соединения

В том случае, если активирующие заместители присутствуют в положении C(2) пиридина, атака электрофилами идёт по положениям C(3) и C(5), а если такие группы расположены в положении C(3), электрофил атакует положение 2, но не положение 4, а если активирующий заместитель находится в положении C(4), то электрофильная атака направляется по положению 3.

Рисунок 3. Раздел 2.2.2. Шестичленные гетероциклические соединения

Заместители, понижающие основность пиридинового атома азота, также оказывают влияние на склонность производных пиридина к реакциям электрофильного замещения, что связано в этом случае с увеличением концентрации нейтральных (более реакционно-способных) молекул в равновесной смеси. Так, 2,6-дихлорпиридин нитруется в положении 3 в виде свободного основания лишь в 103 раз медленнее, чем 1,3-дихлорбензол. Эмпирически установленное правило таково: (а) производные пиридина со значением pKa > 1 нитруются в виде соответствующих катионов, причём медленно, и если отсутствуют сильные активирующие группы, реакции проходят по α- или β-положениям в зависимости от природы заместителя; (б) производные пиридина, проявляющие свойства слабых оснований (рKa < 2,5), нитруются в виде свободных оснований по α- или β-положениям в зависимости от природы заместителя [11].

Производные пиридина, содержащие сильные электроноакцепторные группы, или гетероциклические соединения с дополнительным гетероатомом, например диазины, настолько дезактивированы, что вовсе не вступают в реакции электрофильного замещения.


2.2.2. Шестичленные гетероциклические соединения

Список литературы к главе 2

Глава 2

Дополнительно:


Основы количественной теории органических реакций / В данной книге обобщены и систематизированы некоторые аспекты современной количественной теории реакционной способности органических соединений и представлений о механизмах органических реакций. В книге рассмотрены важные теоретические проблемы, связанные с обоснованием и использованием корреляционнОсновы количественной теории органических реакций
В данной книге обобщены и систематизированы некоторые аспекты современной ...
Биографии великих химиков / В книгу, написанную коллективом авторов из ГДР, включены биографические очерки о выдающихся химиках XVIII, XIX и XX столетий. Очерки написаны в живой, увлекательной форме.Биографии великих химиков
В книгу, написанную коллективом авторов из ГДР, включены биографические очерки о ...
Неорганическая стереохимия / Монография австралийского химика Д. Киперта посвящена стереохимии координационных соединений, и является обобщением оригинальных работ автора. Предложен новый подход к рассмотрению геометрических особенностей комплексных соединений. Приведён большой фактический материал по структурам координационныхНеорганическая стереохимия
Монография австралийского химика Д. Киперта посвящена стереохимии ...
ЛЕННИИХИММАШ. Труды том 8. Вопросы прочности химической аппаратуры / В сборнике освещены результаты работ по исследованию прочности, герметичности и динамики элементов и узлов химических аппаратов. Большинство статей посвящено расчёту напряжённо-деформированного состояния наиболее распространённых элементов и узлов сварных корпусов аппаратов, работающих под внутренниЛЕННИИХИММАШ. Труды том 8. Вопросы прочности химической аппаратуры
В сборнике освещены результаты работ по исследованию прочности, герметичности и ...