Введение
Гетероциклическими называют соединения, содержащие циклы, включающие один или несколько гетероатомов. Наиболее устойчивыми являются пяти- и шестичленные циклы.
Гетероциклические соединения встречаются во многих природных соединениях и производятся в больших масштабах в промышленности. В данной главе мы будем рассматривать главным образом гетероциклические соединения, обладающие ароматическим характером. Такие гетероциклы называют гетероароматическими.
Существуют пятичленные, шестичленные и т.д. гетероциклы, обладающие ароматическим характером. Наиболее изученными из них являются пяти- и шестичленные соединения, поскольку их производные особенно распространены в природе и часто являются промышленными продуктами. В циклы этих соединений могут входить один, два и большее количество гетероатомов, причем как одинаковых, так и разных. Большинство из них имеют традиционные названия.
 | |||
 | |||
Большое значение имеют такие соединения, в которых указанные гетероциклы сконденсированы с другими кольцами.
Урацил Тимин Цитозин Индол Хинолин
Фуран
Получение
Наиболее доступным производным фурана является фурфурол. Его получают из растительных отходов, содержащих пентозаны, обработкой их разбавленной серной кислотой с последующей перегонкой с водяным паром.
(26)
Пентозаны Пентоза Фурфурол
Каталитическим декарбоксилированием фурфурола получают фуран:
(27)
Фурфурол Фуран
Свойства
Фуран проявляет ацидофобные свойства. При действии концентрированной серной кислоты он полимеризуются. Разбавленные кислоты вызывают гидролитическое расщепление кольца с образованием 1,4-дикарбонильных соединений.
(28)
Фуран вступает в обычные для ароматических соединений реакции электрофильного замещения, причем легче, чем бензол.
 |
(М 3)
 |
При атаке электрофила по b-положению образуется катион, в котором положительный заряд делокализуется лишь на два атома, в то время как при атаке по a-положению – на три:
 |
Они проходят также легко, как и в фенолах, но проводить их следует лишь в нейтральной и щелочной среде. Так, действие галогенидов в спиртовых растворах приводит к полному замещению атомов водорода:
 |
(29)
Моногалогенпроизводные фурана можно получить лишь через меркуропроизводные, из которых получают также многие другие монопроизводные:
 |  | ||
Нитрование фурана проводится ацетилнитратом в пиридине, а сульфирование -- комплексом триоксида серы с пиридином.
(33)
a-Нитрофуран
(34)
a-Фурансульфокислота
 |
(35)
Фуран a-Ацетилфуран
Фуран ведет себя как 1,3-диен в реакциях диенового синтеза:
(36)
Упр.10. Составьте схему реакции получения фурфурола из пентозанов.
Упр.11. Напишите реакции фурана с веществами:
(а) пиридинсульфотриоксидом, (б) ацетилнитратом, (в) уксусным ангидридом,
(г) бромом. Опишите механизмы этих реакций? Почему фуран нельзя сульфировать серной кислотой и ацилировать хлористым ацетилом.
Семикарбазоном 5-нитрофурфурола является фурацилин - средство для полоскания горла.
ТИОФЕН
Тиофен содержится в каменноугольной смоле и является спутником коксохимического бензола (присутствует в количестве 0,5%). По ряду физических и химических свойств тиофен очень близок к бензолу: температура кипения тиофена 84оС, бензола 80оС; запах чистого тиофена напоминает запах бензола, очень близка их склонность к реакциям нуклеофильного замещения. Тиофен - наиболе аромаатический из пятичленных гетероциклов.
Получение
В промышленности тиофен производят по реакции ацетилена с сероводородом при 400оС или из н-бутана и серы в газовой фазе:
 |
(37)
Свойства
Тиофен, в отличие от фурана и пиррола, не дает с обычными кислотами тиониевых солей и, следовательно, в кислой среде не утрачивает ароматических свойств. Он не обладает ацидофобностью.
Тиофен легко вступает в характерные для ароматических соединений реакции электрофильного замещения. Механизм этих реакций аналогичен механизму соответствующих реакций фурана:
 |
(М 4)
Поскольку тиофен, в отличие от фурана, не чувствителен к воздействию кислот, эти реакции могут осуществляться в присутствии протонодонорных реагентов. Нужно иметь в виду, что атом серы может быть окислен азотной кислотой. Поэтому тиофен нельзя нитровать азотной кислотой, а только ацетилнитратом.
(38)
Тиофен a-Нитротиофен
Тиофен легко на холоде сульфируется концентрированной серной кислотой c образованием тиофен-2-сульфокислоты:
(39)
a-Тиофенсульфокислота
Поскольку бензол в аналогичных условиях не сульфируется, эта реакция используется для очистки бензола от тиофена.
В отличие от фурана тиофен замещает на хлор и бром лишь два атома. С иодм в присутствии оксида ртути замещается только один атом водорода.
(40)
2,5-Дибромтиофен
При бромировании тиофена N-бромсукцинимидом образуется 2-бромтиофен:
(41)
Реакцию Фриделя-Крафтса в случае тиофена приходится осуществлять не с AlCl3, а с более мягко действующими SnCl4 или SiCl4. Возможно также ацилирование тиофена:
 |
(42)
Тиофен почти совсем не обнаруживает ненасыщенного характера и не полимеризуется под действием кислот. Гидрирование тиофена в присутствии палладиевого катализатора приводит к образованию тиофана, в присутствии же никелевого катализатора гидрирование сопровождается десульфурированием:
 |
(43)
Тиофан
Тиолан может быть окислен в сульфоноксид (сульфан) или в тиоландиоксид (сульфолан)
 |
Упр.12. Промышленный синтез тиофена осуществляется пропусканием (1 сек) через раскаленную трубку при температуре 600оС смеси серы с бутаном, бутадиеном или бутенами. Напишите соответствующие реакции.
Упр.13. Напишите следующие реакции тиофена: (а) сульфирования (серной кислотой и хлорсульфоновой кислотой), (б) нитрования (ацетилнитратом), (в) ацилирования (фталевым ангидридом), (г) хлорирования (хлористым сульфурилом), (д) бромирования (бромом). Опишите механизм этих реакций.
ПИРРОЛ
Пиррольное кольцо входит в структуру многих важных природных соединений, таких как гемин, хлорофил и др.
Получение
Пиррол содержится в каменноугольной смоле и костном масле. В лаборатории его можно получать сухой перегонкой аммонийной соли слизевой кислоты или перегонкой сукцинимида с цинковой пылью:
(46, 47 )
Пиррол может быть получен действием аммиака на фуран в присутствии оксида алюминия (рнакция Юрьева):
 |
(48)
Свойства
Пиррол представляет собой бесцветную темнеющую на воздухе жидкость с т. кип. 131оС. Характерной для соединений ряда пиррола является их способность окрашивать в красный цвет смоченную в соляной кислоте сосновую лучину. Отсюда и название “пиррол” [“красное масло”].
Кислотно-основные свойства
Пиррол, как и фуран, проявляет ацидофобные свойства. При действии кислот он протонируется и полимеризуется.Пиррол является слабым основанием и одновременно очень слабой кислотой, более слабой, чем фенол. Он реагирует с КОН при сплавлении:
 |
(49)
Пирролкалий Пиррол Пирролмагнийгалогенид
Пирролкалий реагирует с диоксидом углерода с образованием калиевой соли
пиррол-2-карбоновой кислоты:
(50)
Пирролкалий Пиррол-2-карбонат калия
Пирролмагнийбромид реагирует с алкилгалогенидами образуя 2- и
3-алкилпирролы:
 |
(51)
Пирролмагнийбромид a-Этилпиррол b-Этилпиррол