Пятичленные гетероциклические соединения

2.2.3. Пятичленные гетероциклические соединения

Реакции электрофильного ароматического замещения гораздо чаще используются в случае пятичленных электроноизбыточных ароматических соединений [12]. Такие соединения, как пиррол, тиофен и фуран, с чрезвычайной лёгкостью вступают в реакции электрофильного замещения, причём замещение проходит по любому положению цикла, однако предпочтительнее по положению, ближайшему к гетероатому, то есть по α-положениям. Такие реакции облегчаются электронодонорными свойствами гетероатома, поэтому пиррол более реакционноспособен, чем фуран, который в свою очередь более реакционноспособен, чем тиофен.

Количественное сравнение [13] реакционной способности этих гетероциклических соединений зависит от электрофильного реагента: например, соотношение скоростей трифторацетилирования пиррола, тиофена и фурана равно, 5×107:1,5×102:1 [14], формилирование фурана проходит в 12 раз быстрее, чем тиофена [15], а ацилирование — в 9,3 раза [16]. Парциальные факторы скоростей протонного обмена по положениям α и β 1-метилпиррола [17] равны соответственно 3,9×1010 и 2,0×1010, в случае фурана — 1,6×108 и 3,2×104, в случае тиофена — 3,9×108 и 1,0×105 [18]. Соотношение скорости замещения по α- и β-положениям тиофена существенно различаются (от 100:1 до 1000:1) в зависимости от электрофильного агента [19]. Относительная реакционная способность пятичленных гетероциклических соединений изменяется параллельно региоселективности α:β замещения в следующем порядке: фуран > тиофен > пиррол [20]. Прекрасной иллюстрацией такого соотношения могут служить реакции ацилирования субстратов, содержащих два связанных гетероциклических фрагмента [21].

Рисунок 1. Раздел 2.2.3. Пятичленные гетероциклические соединения

Региоселективность электрофильной атаки пиррольного цикла может быть изменена введением в положение 1 объёмного заместителя, например 1-(трет-бутилдиметилилсилил)пиррол и 1-(три-изо-пропилсилил)пиррол атакуются электрофильными реагентами исключительно по β-положению [22]. Сильные электрофильные реагенты, такие, как триметилсилилтрифлат, также атакуют пиррол исключительно по β-положению [23].

Индолы лишь немногим менее активны в реакциях электрофильного замещения по сравнению с пирролами, и такие реакции проходят по β-положению гетероциклического фрагмента. Скорости ацетилирования в условиях реакции Вильсмейера (N,N-диметилацетамид — фосген) индола и пиррола соотносятся как 1:3 [24]. В противоположность пирролу, для индола наблюдается очень высокая региоселективность при реакциях электрофильного замещения; так, при ацетилировании в условиях реакции Вильсмейера соотношение скоростей атаки по β- и α-положениям равно 2600:1. Индол вступает в реакции с электрофилами по β-положению в 5×1013 раз быстрее, чем бензол [25]. Иллюстрацией различия в реакционной способности индола и фурана может служить приведённая ниже [26] реакция формилирования.

Рисунок 2. Раздел 2.2.3. Пятичленные гетероциклические соединения

Реакционная способность индола аналогична реакционной способности фенола: как и фенол, индол (и пиррол) вступает в реакции со слабыми электрофилами типа катиона фенилдиазония. В зависимости от pH среды индол способен вступать в такие реакции в виде соответствующего аниона, образующегося в результате N-депротонирования (разд. 2.5.) и присутствующего в небольшой равновесной концентрации. Очевидно, что реакция индолил-аниона с катионом фенилдиазония — ещё более быстрый процесс, который проходит в 108 раз быстрее, чем с нейтральной молекулой [27].

Реакция Манниха (электрофил CH2 = N+Me2) 5- и 6-гидроксииндолов идёт по положению, соседнему с гидроксильной группой, а не по β-положению индола [28]. Сравнение реакционной способности фурана и бензо[b]фурана, с одной стороны, и тиофена и бензо[b]тиофена, с другой, в реакциях электрофильного замещения показывает, что бициклические системы менее активны в таких превращениях, чем моноциклические, хотя степень различия существенно зависит от природы электрофила [29].

Для 1,2- и 1,3-азолов характерны свойства как пятичленных электроноизбыточных гетероциклических соединений, так и гетероциклических соединений, содержащих иминный атом азота. Присутствие иминного фрагмента в азолах понижает их активность в реакциях электрофильного замещения по атому углерода как в результате индуктивного, так и мезомерного влияния. Кроме того, присутствие основного атома азота способствует образованию солей азолов в кислых средах. Например, в зависимости от кислотности среды нитрование пиразола может проходить либо через предварительное образование пиразолиевого катиона [30], либо с участием свободного основания [31].

Изучение протонного обмена, катализируемого кислотой, обнаружило следующий порядок реакционной способности: пиразол > изоксазол > изотиазол. Среди пятичленных гетероциклических соединений с одним гетероатомом порядок активности в реакциях протонного обмена следующий: пиррол > фуран > тиофен, причём каждое из этих соединений более активно в таких превращениях, чем гетероциклические соединения, содержащие иминный атом азота. При этом азолы более активны в реакциях протонного обмена, чем бензол, парциальные факторы скоростей для реакций по положению 4 пиразола, изоксазола и изотиазола равны 6,3×109, 2,0×104 и 4,0×103 соответственно. Нитрование тиофена проходит в 3×105 раз быстрее, чем нитрование 4-метилтиазола [32]. Относительная активность тиофенового и тиазольного циклов в реакциях нитрования иллюстрируется приведённой ниже реакцией [33]:

Рисунок 3. Раздел 2.2.3. Пятичленные гетероциклические соединения


2.2.3. Пятичленные гетероциклические соединения

Список литературы к главе 2

Глава 2

Дополнительно:


Сплавы железа с алюминием / Воспроизведено в оригинальной авторской орфографии издания 1919 года (издательство «Санкт-Петербург»).Сплавы железа с алюминием
Воспроизведено в оригинальной авторской орфографии издания 1919 года ...
Структурные исследования макромолекул спектроскопическими методами / Книга представляет собой монографию коллектива авторов. Отдельные статьи монографии посвящены спектроскопическому исследованию химического строения, конформаций и динамики макромолекул, структуры и морфологии полимерных кристаллов, строения поверхности полимеров. В ней рассматриваются все основные сСтруктурные исследования макромолекул спектроскопическими методами
Книга представляет собой монографию коллектива авторов. Отдельные статьи ...
Методы определения молекулярных весов и полидисперсности высокомолекулярных соединений / При написании данного методического руководства авторы имели в виду прежде всего запросы не специализированных физико-химических лабораторий, а широких кругов химиков, работающих по синтезу высокомолекулярных соединений, и студентов старших курсов, специализирующихся в области химии полимеров. ПоэтоМетоды определения молекулярных весов и полидисперсности высокомолекулярных соединений
При написании данного методического руководства авторы имели в виду прежде всего ...
Химические волокна / В книге содержатся основные сведения о свойствах, способах производства и переработки химических волокон. Дано краткое описание применения химических волокон в промышленности. Книга рассчитана на работников промышленности, перерабатывающей химические волокна. Она может служить также учебным пособиемХимические волокна
В книге содержатся основные сведения о свойствах, способах производства и ...