Учебно-методическое пособие Авт сост. В. А. Трофимов Нижний Тагил 2006 ббк 24. 236я73 Г44 (стр. 4 из 10)
пирролидин пиррол пирролин
(тетрагидропиррол) (дигидропиррол)
Практическое значение производных пятичленных
гетероциклических соединений c одним гетероатомом
Соединения фуранового ряда
Фуран:
− в виде аддукта с малеиновым ангидридом используется как дефолиант для удаления листвы у хлопчатника;
− эффективный репеллент (в виде аддукта с бутадиеном).
Фурфурол:
− разделение растительных масел (льняное и соевое);
− экстракция витамина А из печени рыб и канифоли из сосновой живицы;
− очистка смазочных масел от сопутствующих продуктов нефтепереработки;
− производство фумаровых смол;
− производство фумаровой кислоты и лекарственных препаратов.
Тетрагидрофуран:
− растворитель для синтетических каучуков, поливинилхлорида, эфиров целлюлозы;
− пластификатор в производстве ряда ВМС;
− полупродукт в производстве найлона и капрона.
Нитропроизводные фурана:
− препараты, обладающие сильным бактерицидным действием (фурациллин, фуразолидон и др.).
Бензофуран (кумарин):
− производство инден-кумароновых смол.
Пирослизевая кислота:
− сырье для получения фурана.
Важнейшие производные фуранового ряда
фурфурол пирослизевая кислота кумарин
(α-фуранальдегид) (α-фуранкарбоновая кислота) (бензофуран)
Соединения пиррольного ряда
− пирролидин (тетрагидропиррол) – структурное звено многих биологически активных соединений (алкалоиды, аминокислота пролин);
− тетрапирролы с циклической структурой образуют основу порфиринов, входящих в состав металлокомплексных соединений (гемм, хлорофилл);
− тетрапирролы с открытой цепью составляют основу желчного пигмента билирубина;
− производные пиррола – фталоцианины (фталоцианиновые красители в типографском производстве, катализаторы в реакциях разложения пероксида водорода, синтез радиоактивных изотопов).
Важнейшие производные пиррольного ряда
имидазол пиразол
карбазол (дибензопиррол) индол (бензопиррол)
Соединения тиофенового ряда
− тетрагидротиофен (тиофан) содержится в каменноугольной смоле и является составной частью витамина Н;
− тиоиндоксил – промежуточный продукт для синтеза кубовых тиоиндигоидных красителей;
− витамин Н (биотин) способствует нормальному росту организмов, в процессах жизнедеятельности играет роль фиксатора диоксида углерода;
− производные тиазола используются при синтезе инсектицидов.
Важнейшие производные тиофенового ряда
тиазол тетрагидротиофен
тиофен
тиоиндоксил биотин (витамин Н)
3.2. Индол
Индол является бензоаналогом пиррола и отвечает формуле:
Основным природным источником его является каменноугольная смола. Индол – кристаллическое соединение, легко возгоняется при нагревании и хорошо растворяется в органических растворителях и горячей воде. Он содержит бициклическую планарную сопряженную систему, включающую 10 р-электронов, что соответствует правилу Хюккеля при n = 2. Как электронодонорное соединение индол довольно легко вступает в реакции электрофильного замещения, которые ориентированы в положение 3. Одновременно индол является слабой NH-кислотой и способен образовывать соли.
Индол используется в органическом синтезе для получения физиологически активных соединений и в парфюмерии. Важнейшими производными индола являются:
α-аминокислота триптофан (индолилаланин);
– биогенный амин серотин, образующийся в организме из триптофана и участвующий в процессе передачи нервных импульсов в центральной нервной системе
скатол (β-метилиндол) – вещество с неприятным запахом, используется в парфюмерии для придания духам стойкости запаха;
β-индолилуксусная кислота (гетероауксин);
индоксил (3-гидроксииндол) существует в двух таутомерных формах и является промежуточным соединением в производстве темно-синего кубового красителя индиго.
индоксил
кето-форма енольная форма
Синтез синего индиго
индоксил лейкоиндиго
синее индиго (транс-форма)
4. Пятичленные гетероциклические соединения
с двумя гетероатомами
Из большого класса этих соединений мы рассмотрим в сжатой форме лишь моноциклические соединения с двумя гетероатомами, один из которых – атом азота. Эти гетероциклы получили название азолов:
1,2-оксазол 1,2-диазол 1,2-тиазол 1,3-диазол
(пиразол) (имидазол)
Широкое применение в медицине, промышленности и сельском хозяйстве нашли диазолы – имидазол и пиразол.
Пиразольный и имидазольный циклы представляют собой сопряженные системы с циклической делокализацией шести р-электронов (три электрона дают три атома углерода, один – атом азота при π-связи и пару электронов – второй атом азота). При этом соблюдается правило Хюккеля и осуществляется стабилизация системы. Однако введение второго гетероатома в пятичленный цикл значительно больше нарушает симметричное распределение электронной плотности в кольце по сравнению с пятичленными гетероциклами с одним гетероатомом. Следствием этого является увеличение дипольного момента в этих структурах (для пиррола µ=1,8D, а для имидазола – 3,8D). В имидазоле и пирроле неподеленная пара электронов одного атома азота в значительно большей степени (по сравнению с пирролом) вовлечена в циклическую делокализацию, и поэтому у этих гетероциклов свойства, характерные для ароматических соединений, выражены ярче. Наличие в цикле второго гетероатома с «внешней» неподеленной парой электронов придает пиразолу и имидазолу ряд специфических свойств: усиленную склонность к комплексообразованию, способность не только к электрофильному, но и к нуклеофильному замещению, склонность к образованию прочных межмолекулярных водородных связей. Так, имидазол способен образовывать достаточно длинные линейные ассоциаты, содержащие до 20 молекул:
Поэтому, в отличие от пиррола, имидазол (и пиразол) являются кристаллическими веществами с высокими температурами кипения и плавления. Пиразол и имидазол обладают более сильными основными свойствами по сравнению с пирролом и одновременно проявляют слабые кислотные свойства.
К производным имидазола относятся незаменимая α-аминокислота гистидин (имидазолилаланин), являющаяся необходимым компонентом пищи для животных и человека,
и витамин Н (бигетероцикл, содержащий ядро имидазола и тиофена), лекарственные препараты (дибазол). Ряд производных пиразола составляют основу анальгетиков (анальгин, амидопирин).
5. Шестичленные гетероциклические соединения
с одним гетероатомом
Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом можно рассматривать как аналоги бензола, в котором метиновая группа −СН= может быть заменена на один гетероатом. Из этой группы соединений широкое применение нашли азотсодержащие гетероциклы – пиридин и его конденсированные с бензолом аналоги – хинолин и акридин:
пиридин хинолин акридин
Пиридин
Пиридин представляет собой легкокипящую жидкость (tкип. 115 °С) с резким неприятным запахом, хорошо растворимую в воде и органических растворителях.
Способы получения
В промышленных масштабах пиридин и его метильные гомологи – пиколины, лутидины и коллидины
α-пиколин α,γ-лутидин симм.-коллидин
выделяются из фракций оснований каменноугольной смолы. Из синтетических методов получения пиридина и его гомологов следует отметить каталитическую конденсацию ацетилена с аммиаком или с синильной кислотой: