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].

«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].

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.

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 pK_a > 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 (рK_a < 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.

Глава 2

• 2. Реакционная способность ароматических гетероциклических соединений
• 2.1. Реакции электрофильного присоединения к атому азота
• 2.2. Реакции электрофильного замещения при атому углерода
• 2.2.1. Механизм ароматического электрофильного замещения
• 2.2.2. Шестичленные гетероциклические соединения
• 2.2.3. Пятичленные гетероциклические соединения
• 2.3. Реакции нуклеофильного замещения при атоме углерода
• 2.3.1. Механизм реакции ароматического нуклеофильного замещения
• 2.3.2. Шестичленные гетероциклические соединения
• 2.3.3. Викариозное нуклеофильное замещение
• 2.4. Реакции радикального замещения при атоме углерода
• 2.4.1. Реакции гетероциклических соединений с нуклеофильными радикалами. Реакция Минисци
• 2.4.2. Реакции с электрофильными радикалами
• 2.5. Депротонирование атома азота
• 2.6. Металлоорганические производные
• 2.6.1. Литийорганические производные
• 2.6.1.1. Прямое литиирование (депротонирование при атоме углерода)
• 2.6.1.2. Обмен атома галогена
• 2.6.1.3. Литиирование пятичленных гетероциклических соединений
• 2.6.1.4. Литиирование шестичленных гетероциклических соединений
• 2.6.2. Магнийорганические производные
• 2.6.3. Бор-, кремний- и оловоорганические реагенты
• 2.6.3.1. Синтез
• 2.6.3.2. Реакции
• 2.6.4. Цинкорганические производные
• 2.6.5. Металлирование боковой цепи шестичленных гетероциклических соединений («латеральное металлирование»)
• 2.6.6. Металлирование боковой цепи пятичленных гетероциклических соединений
• 2.7. Реакции, катализируемые палладием
• 2.7.1. Основные процессы с участием палладийорганических соединений
• 2.7.1.1. Согласованные реакции
• 2.7.1.2. Ионные реакции
• 2.7.2. Реакции, катализируемые палладием, в химии гетероциклических соединений
• 2.7.2.1. Реакция Хека
• 2.7.2.2. Реакции сочетания
• 2.7.2.3. Реакции карбонилирования
• 2.7.2.4. Синтез бензоконденсированных гетероциклических соединений
• 2.8. Окисление и восстановление гетероциклических соединений
• 2.9. Биологические процессы в химии гетероциклических соединений

Дополнительно:

• Предисловие
• Введение
• Используемые сокращения