Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом
1. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом
`
Z=O фуран, Z=S тиофен, Z=N пиррол
Типы образующихся связей
C-Z |
C(3)-C(4) |
C(2)-C(3) |
C(2)-C(3)+C(4)-C(5) |
1.1. Общие методы синтеза с образованием связи С-Z
Взаимодействие 1,4-дикарбонильных соединений с NH3 , RNH 2, H3O+, P2S5 (синтез Пааля-Кнорра)
Использование в реакциях с 1,4-дикарбонильными соединениями аммиака или первичных аминов позволяет получать N-незамещенные или N-алкилпирролы с хорошими выходами.
На основе общепринятых положений
первоначально можно
Однако исследования последних лет, основанные на спектральных методах и изучении кинетики процесса внесли коррективы в эти представления (Katrizky A.R.// Tetrahedron. - 1987. - Vol. 43. - P. 5171):
Аналогично происходит образование фуранов (Z=O) из 1,4-дикарбонильных соединений в кислой среде:
Наглядно роль кислотного катализа можно продемонстрировать следующей схемой:
Ограничения метода связаны лишь с доступностью 1,4-дикарбонильных соединений. Если они есть, то циклоконденсация идет с очень высокими выходами, например ((Дж.Джоуль, Г.Смит, Основы химии гетероиклических соединений, М: Мир,1975,С.280)
Очевидно, что использование 1,4-диальдегидов дает возможность получать незамещенные фураны.
Аналогично по методу Пааля-Кнорра происходит и образование тиофенов ((Дж.Джоуль, Г.Смит, Основы химии гетероциклических соединений, М: Мир,1975,С.262).
Выходы значительно растут при использовании в качестве осерняющего агента реактива Лоуссона (Tetrah.Lett. - 1990. - Vol. 31(1). - P. 123):
Для синтеза тиофенов могут быть использованы не только сами 1,4-дикарбонильные соединения, но и их эквиваленты по степени окисления. Так, в последнее время найден путь синтеза через диацетилены, которые взаимодействуют с анионами SH - в мягких условиях ((Дж.Джоуль, Г.Смит, Основы химии гетероциклических соединений, М: Мир,1975,С.262):
Видимо процессы биоситеза тиофенов связаны с этой реакцией, так как тиофены образуются в тех частях растений, где сконцентрированы полиацетилены.
Использование P2S3, обладающего восстановительными свойствами, позволяет в процессе реакции восстанавливать карбоксильную группу и применять в качестве исходных соединений производные карбоновых кислот:
Взаимные превращения
В 1936 году Юрий Константинович Юрьев - профессор нашего университета - обнаружил взаимные превращения фурана, пиррола и тиофена друг в друга (типичные реакции с образованием связи C-Z). Наилучшие результаты дают превращения фуранов.
По улучшенному методу синтеза пиррола из фурана в качестве промежуточных веществ получают 2,5-диалкокситетрагидрофураны, которые легко и с хорошими выходами образуются по следующей схеме:
1.2. Специфические методы синтеза с образованием связи C-Z
Получение пиррола из аммонийной соли слизевой кислоты
Нагревание аммонийной соли слизевой кислоты в глицерине проходит через следующие стадии: 1) диссоциация до свободной кислоты, 2) дегидратация, 3) декарбоксилирование, 4) циклизация с участием аммиака. В результате с умеренным выходом образуется незамещенный пиррол. (Khotinsky E.// Ber. - 1909. - Bd 42. - S. 2506).
Получение пиррола по реакции [4+1] присоединения аминов к активированным бутадиенам
Новая стратегия в синтезе пирролов - реакция [4+1] присоединения аминов к бутадиену (Padwa A., Norman B.H.// Tetrah.Lett. - 1988. - Vol. 29. - P. 3041)
Для осуществления процесса необходима
активация диена к
Первоначально происходит присоединение
амина по положению 1 бутадиена,
последующая циклизация с участием второй
двойной связи идет стереоспецифично
и приводит к транс-3,4-ди(фенилсульфонил)
Этим методом можно получать и 3-ацилпирролы в мягких условиях:
Расширение азиридинового
(обзор Ohshiro Y., Hirao T.// Heterocycles. - 1984. - Vol. 22. - P. 859)
Синтез фурана из фурфурола
Кислотный гидролиз пентозосодержащих полисахаридов, добываемых из доступного природного сырья (оболочки семян, овес, капуста, кукурузные початки, сахарный тростник) , с количественным выходом приводит к образованию фуран-2-альдегида (фурфурола) по следующей схеме:
Образующийся фурфурол может быть двумя путями превращен в незамещенный фуран (Л..Пакетт, стр. 102).
Синтез фуранов из окиси мезитила
Под действием концентрированной H2SO4 в уксусном ангидриде окись мезитила (продукт конденсации двух молекул ацетона) претерпевает ряд превращений, результатом которых является образование шестичленного кислород- и серусодержащего гетероцикла. Обессеривание последнего в жестких уловиях в писутствии СаО в хинолине приводит с хорошим выходом к образованю 2,4-диметилфурана ((Дж.Джоуль, Г.Смит, Основы химии гетероциклических соединений, М: Мир,1975,С.282).
Синтез фуранов из
меркурпроизводных
При меркурировании ацилпропаргиловых
спиртов первоначально
Так, например, использование палладиевого катализатора, CO, MeOH, Et3N позволяет замещать хлормеркургруппу на метоксикарбонильную (Larock R.C.//Heterocycles. - 1982. - Vol. 18. - P. 397).
Промышленные синтезы тиофена из бутана, бутена или бутадиена
Промышленный метод синтеза тиофенов из алканов и серы требует очень жестких условий:
По-видимому на первой стадии происходит хорошо известное дегидрирование углеводорода серой с последующим присоединением сероводорода к ненасыщенным структурам. Способ применим для углеводородов, содержащих не более 5 атомов углерода, для остальных углеводородов идет крекинг.
Аналогичным способом можно получать и арилтиофены:
(Дж.Джоуль, Г.Смит, Основы химии гетероциклических соединений, М: Мир,1975,С.263)
1.3.Синтезы с образованием связи С(3)-С(4)
При одновременном образовании образовании связей С-С и С-Z за основу классификации выбирают образование углерод-углеродной связи.
Образование связи С(3)-С(4) , как правило, предполагает двухкомпонентный синтез из фрагментов
Двухкомпонентный синтез пирролов из фрагментов С(3)-С(2)-N (
Для предотвращения димеризации свободных -аминокарбонильных соединений в пиразины их используют в виде солей. Аминокетоны выделяются in situ за счет основания в реакционной среде. Процесс идет по следующей схеме:
Трудности, связанные с применением -аминокарбонильных соединений, можно преодолеть, синтезируя их в реакционной среде в присутствии второго компонента (1,3-дикарбонильного соединения). Например, в качестве предшественника аминокетона можно использовать монооксим -кетоальдегида, восстанавливая его цинком в уксусной кислоте или дитионатом натрия. Последовательность стадий в этом процессе точно не установлена.
Эта
модификация позволяет
Независимо от того, какая связь образуется раньше С-N или С(3)-С(4), несомненно одно, если есть возможность выбора, аминогруппа будет всегда реагировать с наиболее электрофильной карбонильной группой второго компонента ((Дж.Джоуль, Г.Смит, Основы химии гетероциклических соединений, М: Мир,1975,С.239-240).
Синтез пирролов и фуранов из ацетилендикарбонового эфира и
Первой стадией процесса синтеза пирролов и -аминокарбонильных соединений и ацетилендикарбонового эфира является присоединение аминогруппы к тройной связи по реакции Михаэля. Замыкание цикла происходит за счет атаки -положением енаминного фрагмента по карбонильному атому углерода. Элиминирование молекулы воды с последующей миграцией протона приводит к ароматизации образующегося пирролина.
Аналогичная реакция с -оксикарбонильными соединениями приводит к образованию фуранов с высокими выходами (Пакетт, стр. 108).
Синтезы пирролов по Ганчу и фуранов по Фейсту-Бенари - взаимодействие
В присутствии оснований -хлоркарбонильные и 1,3-дикарбонильные соединения конденсируются с образованием фуранов (Фейст-Бенари)
Если в качестве основания использовать
в этой реакции аммиак, то образуются
пирролы (Ганч). Следует отметить иную
по сравнению с синтезом Фейста-Бенари
региоориентацию
Процесс образования фуранов упрощенно включает в себя альдольную конденсацию, причем в роли карбонильной компоненты выступает -хлоркетон, а метиленовой - 1,3-дикарбонильное соединение. Затем происходит внутримолекулярная циклизация (нуклеофильное замещение хлора енолят-анионом) и ароматизация с отщеплением воды
Иногда удается выделить интермедиат процесса - оксипроизводное.
Для синтеза , -незамещенных фуранов нужен хлорацетальдегид. Так как он чрезвычайно неустойчив, используют его скрытую форму - дихлордиэтиловый эфир.
Следует иметь ввиду, что необходимые для синтеза фуранов по Паалю-Кнорру 1,4-дикарбонильные соединения получают реакцией 1,3-дикарбонильных соединений с -галогенкарбонильными соединениями. На примере реакции хлорацетона с ацетоуксусным эфиром показано, что можно, в зависимости от условий процесса, сначала получить 1,4-дикарбонильное соединение и из него фуран (Пааль-Кнорр),или сразу синтезировать фуран по Фейсту-Бенари (получаются изомерные фураны) Водная среда способствует альдольной конденсации (Дж.Джоуль, Г.Смит, Основы химии гетероциклических соединений, М: Мир,1975,С.280-281).
Синтез пирролов из кетоксимов и ацетилена (реакция Трофимова)
Конденсация кетоксимов с ацетиленом требует применения суперосновных сред, в качестве которых используют гидроксиды щелочных металлов или тетраалкиламмония в диметилсульфоксиде. (Реакция может сопровождаться винилированием образующихся пирролов).
Предложено три возможных
1. Нуклеофильная атака ацетилена карбанионом кетоксима
2. 1,3-Дегидратация кетоксима и присоединение 1,3-диполя (или отвечающего ему винилнитрена) к ацетилену
3. [3,3]-Сигматропный сдвиг в
Экспериментальные данные последних лет свидетельствуют в пользу [3,3]-сигматропного механизма. Так, на примере оксимов 3-ацетилиндолов удалось выделить промежуточные О-винилоксимы, а затем превратить их в соответствующие пирролы:
[предыдущий раздел] |
[содержание] |
[следующий раздел] |
1.4. Образование связи С(2) - С(3)
Синтез тиофенов из 1,3-дикарбонильных соеднений и меркаптоацетатов
Меркаптоуксусные эфиры
По-видимому, при реакции 2-этоксиметиленциклогексанона с меркаптоэтилацетатом в присутствии этилата натрия сначала идет нуклеофильное присоединение меркаптогруппы по связи С=С, а затем внутримолекулярная конденсация Кляйзена. (Собственно образование связи С(2)-С(3)). Последующеее отщепление воды и спирта приводит к ароматизации насыщенного интермедиата.
Аналогично идет реакция с ацетилендикарбоновым эфиром.
Синтез фуранов из хлорметилоксиранов и ацетилена
Последовательность
( (Дж.Джоуль, Г.Смит, Основы химии гетероциклических соединений, М: Мир,1975,С.263-264)
Синтез фуранов из аллилмагнийгалогенидов и ортоэфиров
Процесс включает в себя образование
ацеталя непредельного
1.5. Образование связей С(2)-С(3) и С(4)-С(5)
Синтез фуранов из 1,2-дикарбонильных соединений и диэтилтиодиацетата (метод Хинсберга)
Диэтилтиодиацетаты способны реагировать
с 1,2-дикарбонильными
(Дж.Джоуль, Г.Смит, Основы химии гетероциклических соединений, М: Мир,1975,С.263)
Механизм процесса можно представить себе следующим образом:
(Пакетт, стр. 107)
1.6.Химические свойства пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом
Пиррол, фуран и тиофен - 6 -электронные -избыточные системы, образованные за счет -электронов двойных связей и неподеленной пары электронов гетероатома - подчиняются правилу ароматичности Хюккеля, причем 6 -электронов приходятся на пять атомов кольца, что существенно повышает электронную плотность на каждом кольцевом атоме.
Электроотрицательности
N 3,1
O 3,5
S 2,4
Чем
меньше электроотрицательность гетероатома,
тем легче элемент
Химические свойства пиррола
Пиррол представляет собой слабую NH-кислоту (рКа=17,5). Величина рКа значительно уменьшается при введении в ядро акцепторных заместителей:
Синтетическое применение NH-кислотности пиррола заключается в N-металлировании и использовании металических производнях для контролируемых реакций электрофильного замещения. Регионаправленность замещения зависит от степени ковалентности связи азот-металл и от способности растворителя сольватировать катионы металла. Соли Na и К - ионные соединения, а Li и Mg - ковалентные, если в среде не присутствует диполярный апротонный растворитель (типа ГМФТА).
Для
ковалентных солей
Для ионных солей алкилирование и ацилирование идет по атому азота при действии на пиррол, например, t-BuOK и использовании 18-краун-6 в качестве катализатора:
Электрофильное замещение по атомам углерода
Электрофильное замещение идет, как правило, по положению 2 пиррольного ядра.
Как видно из приведенной выше схемы, в случае замещения по положению 2 в делокализации промежуточного карбокатиона участвуют три мезомерные структуры, тогда как при реакции по положению 3 - только 2. Кроме того, ВЗМО имеет наибольшие коэффициенты именно на атомах С(2) и С(5).
По реакционной способности по отношению к электрофилам пиррол напоминает активированные ароматические субстраты (фенол или ароматические амины), например, он ацилируется в отсутствие катализатора, дает реакцию азосочетания.
Особенностью пиррола является его ацидофобность, обусловленная тем, что в кислых средах образующийся при протонировании катион электрофильно атакует следующую молекулу пиррола, вновь образующийся катион снова атакует непротонированную молекулу и т.д. В конечном итоге такой процесс приводит к полимеризации.
Поэтому успех электрофильного замещения зависит от выбора электрофильного агента и условий реакции, т.е. совершенно необходимо избегать сильно кислых сред.
Вводимая функциональ-ная |
Условия и реагенты |
Продукты замещения | ||
2- |
3- |
2,5- | ||
NO2 |
HNO3, Ac2O, 20oC |
+ |
+* |
|
Cl |
SOCl2, эфир |
+ |
+ | |
Br |
N-Br-сукцинимид |
+ |
||
CHO |
Me2NCHO, POCl3 |
+ |
||
COMe |
+ |
|||
CH2CH2COMe |
H2C=CHCOMe, BF3 |
+ |
+ | |
CH2NMe2 |
CH2O, Me2NH, H+ |
+ |
||
SO3H |
SO3-Py |
+ |
||
MeS |
MeSCl, K2CO3 |
+ |
+ | |
N=NPh |
PhN2+ Cl- |
+ |
||
* Соотношение изомеров 14:1
Качественной реакцией на пирролы, обусловленной нуклеофильностью положения 2 молекулы, является образование окрашенных соединений с реактивом Эрлиха (п-диметиламинобензальдегидом в слабокислой среде). Окраска образующихся продуктов конденсации вызвана образованием хиноидных структур:
Объемные или сильно электроноакцепторные группы у атома азота пиррола ориентируют электрофильное замещение в положение 3 (Synthesis. - 1985. - P. 353):
Для получения 3-замещенных пирролов часто используют N-триалкилсилилированные производные с объемными алкильными радикалами:
1-Пирролилмагнийгалогениды в
Использование металлированных по
положению 2 N-диметиламинопирролов открывает
широкие синтетические
Химические свойства фуранов
В силу особенностей электронного строения
(большая
По сравнению с пирролом уменьшается стабильность кольца - фуран раскрывается и полимеризуется под действием конц. H2SO4 и AlCl3.
Стабильный катион образуется только при протонировании по положению 2, раскрытие же фуранового кольца в кислой среде обусловлено образованием нестабильного катиона, образующегося при протонировании положения 3, который быстро присоединяет нуклеофил:
Раскрытие фуранового цикла в кислой срде часто используется в синтетических целях. Примером может служить синтез цис-жасмона, природного кетона, ответственного за запах жасмина:
цис-жасмон
Окислительное расщепление 2,5-диалкилфуранов м-хлорпербензойной кислотой или хлорхроматом пиридиния приводит к образованию непредельных дикетонов:
К аналогичному результату приводит кислотное расщепление продукта присоединения к фурану брома в метаноле.
Очень
часто, особенно при низких температурах
в присутствии нуклеофила происходит
процесс присоединения-
Продукты присоединения могут элиминировать нуклеофил, тогда результатом процесса будет электрофильное замещение:
Разница в выходах при прямом электрофильном замещении (использование борфторида нитрония) и при процессах присоединения-элиминирования, говорит о преимуществе протекания последних в ряду фурана.
Остальные реакции электрофильного замещения, такие как реакция Вильсмейера, ацетилирование, сульфирование идут исключительно по положению 2:
Более низкая реакционная способность фурана в реакциях электрофильного замещения приводит к тому, что реакции со слабыми электрофилами (реакция Манниха, азосочетание) не идут. Реакцию Манниха удается осуществить только при использовании иминиевой соли (Tetrah.Lett. - 1988. - Vol. 29. - P. 2377):
Фураны с акцепторными заместителями в реакциях нуклеофильного замещения проявляют большую реакционную способность, чем соответствующие производные бензола.
Легкость нуклеофильного замещения
нитрогруппы в 5-нитрофурфуроле определяется
эффективной стабилизацией
Увеличение доли "диенового характера"
фурана по сравнению с другими
пятичленными гетероциклами с одним
гетероатомом приводит к возможности
использования его в качестве
диена в реакции Дильса-
При использовании в качестве диенофила
ацетилендикарбонового эфира
Химические свойства тиофена
Тиофен менее
Особенностью химии тиофена является восстановительная десульфуризация, которая используется в синтетических целях для получения, например, трудно доступных другими методами макроциклических кетонов.
2. Конденсированные пятичленные
гетероциклы с одним
2.1. Синтезы индолов
Все синтезы индолов можно разделить
на три основных типа
1. Аннелирование пиррольного цикла
2. Аннелирование бензольного цикла
3. Одновременное образование пиррольного
и бензольного колец
Аннелирование пиррольного цикла
Типы образующихся связей
Образование связи С(2)-N
Образование связи С(2)-N при синтезе индолов предполагает использование анилиновых синтонов или их предшественников, содержащих в орто-положении заместитель с функциональной группой или кратной связью.
а) Синтез индолов по Рейсерту
- восстановительная конденсация
о- нитрофенилпировиноградной
Исходный эфир о-нитрофенилпировиноградной кислоты получают конденсацией диэтилоксалата с активированной метильной группой о-нитротолуола. Последующий гидролиз и восстановительная циклизация приводят к замыканию пиррольного цикла и образованию соответствующего 2-карбоксииндола, термическое декарбоксилирование которого дает 2,3-незамещенный индол (Джоуль и Смит, стр. 315).
Существует современная
б) Восстановительная конденсация 2,
Модифицированная восстановител
Исходные
2,
-динитростиролы могут быть легко получены
конденсацией о-нитротолуолов с нитроалканами
в щелочной среде. (J.Org.Chem.-1983.-Vol.48.-P.
в) Синтез индолов по Леймгруберу-Бачо
- восстановительная конденсация
Этот метод очень похож на два предыдущих
с той разницей, что енаминная группировка
вводится с использованием диметилацеталя
диметилформамида (Heterocycles.-1984.-Vol.22.P.
г) Циклизация о-алкиниланилинов. Современные методы введения алкинильного заместителя