Гетероциклические соединения
Гетероциклическими называют соединения с замкнутой цепью, содержащей, помимо атомов углерода, атомы других элементов. Любой атом, способный образовать по крайней мере две ковалентные связи, может участвовать в образовании кольца. Элементы, которые участвуют вместе с углеродом в образовании цикла, называют гетероатомами. Наиболее хорошо изученными и широко распространенными являются циклические соединения кислорода, серы и азота.
Гетероциклы могут содержать три, четыре, пять, шесть и большее число атомов в цикле. Также как и карбоциклические соединения, пяти и шестичленные гетероциклы наиболее устойчивы. Число возможных гетероциклических систем очень велико за счет большого числа вариантов взаимного расположения гетероатомов в цикле и существованию гетероциклов с конденсированными ядрами.
Гетероциклические соединения широко распространены в природе - это витамины, алкалоиды, пигменты, компоненты ДНК и РНК, ферментов и многие другие.
Ряд гетероциклических соединений проявляет ароматический характер и сходны в химическом поведении с бензолом. Как правило, эти гетероциклы рассматриваются отдельно.
Номенклатура гетероциклов
. Природа гетероатома обозначается префиксами -окс(а)- (О), -тиа- (8), -аз(а)- (N), размер цикла — корнями -ир- (З), -ет-(4), -ол- (5), -ин- (6), степень насыщенности — суффиксами -идин- (насыщенный цикл с атомом Н), -ан- (без атома N), -ин (ненасыщенный цикл). Например:
Если гетероатом в гетероцикле один, нумерация атомов начинается с него, например:
или
Часто для обозначения атомов углерода в цикле пользуются греческими буквами. Для различия одинаковых по удалению от гетероатома атомов углерода применяют штриховую индикацию, например:
или
При наличии в цикле нескольких разных гетероатомов нумерацию ведут в направлении O - S - NH - N, например:
Для распространенных гетероциклических соединений преимущественно используют тривиальные названия, например:
Простейшие пятичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом
К простейшим пятичленным ароматическим гетероциклам с одним гетероатомом относятся фуран тиофен и пиррол:
В их молекулах шесть p-электронов (четыре электрона двух 
-связей и два электрона гетероатома, не затраченных на образование связей) образуют кольцевую сопряженную систему. Так как цикл плоский, то выполняется правило Хюккеля и соединение приобретает ароматический характер. На рисунке показано расположение p-орбиталей в молекулах этих гетероциклов:
Ароматический характер этих гетероциклов позволяет изображать их строение аналогично строению бензола, обозначая сопряженную систему кольцом:
В фуране, тиофене и пирроле 6 электронов сопряженной системы, в отличие от бензола, приходятся только на 5 атомов, поэтому электронная плотность на атомах углерода в цикле выше, чем в бензоле. Эта электронная плотность распределена не равномерно: в 
-положении она больше, чем в 
, вследствии общего смещения электронной плотности в сторону гетероатома, который обладает большей электроотрицательностью, чем углерод.
Общие физические и химические свойства
Фуран, тиофен и пиррол — бесцветные жидкости, практически нерастворимые в воде. Температура их кипения значительно выше, чем у соответствующих им по числу углеродных атомов соединений жирного ряда - эфиров, сульфидов и аминов, а дипольные моменты ниже.
Химические свойства пятичленных гетероциклов определяются присутствием двойных связей, ароматического цикла и гетероатомов. Для фурана, тиофена и пиррола характерны следующие реакции:
1) кислотно-основные превращения с участием гетероатома
2) реакции присоединения
3) реакции замещения
4) реакции расширения цикла
5) реакции замены гетероатома
Кислотно-основные превращения
Кислотно-основные превращения гетероциклов определяют возможность и условия проведения всех других реакций с их участием.
В кислой среде фуран и пиррол легко протонируются в -положение, утрачивая при этом ароматичность вследстивии разрушения сопряженной системы:
Образующийся карбкатион обладает несколькими резонансными структурами:
В результате происходит или разрыв цикла, или полимеризация образовавшегося замещенного диена.
Фуран расщепляется концентрированной серной кислотой, хлоридом алюминия уже на хололу, с другими минеральными кислотами при нагревании. С разбавленной соляной кислотой фуран образует бурый осадок. С метанолом, насыщенным НСI, он образует ацеталь янтарного альдегида:
Так же реагирует с концентрированными кислотами и пиррол, образуя окрашенный полимер.
Фуран и пиррол, как и многие их производные, проявляют ацидофобные свойства. Это резко ограничивает возможность проведения различных реакций. Тиофен в отличие от фурана и пиррола в кислой среде не утрачивает ароматических свойств.
Фуран и тиофен устойчивы к действию щелочей и щелочных металлов. Пиррол является очень слабой кислотой, более слабой, чем фенол. Он реагирует с калием с выделением водород и образованием соли пиррола - пирролкалия:
Пирролкалий может быть получен сплавлением пиррола с КОН:
1. Присоединение водорода. Фуран присоединяет водород на никелевом катализаторе при температуре 100-150оС и давлении 10-15 МПа, образуя тетрагидрофуран:
Присоединение водорода к тиофену происходит при 0,2-0,4 МПа и комнатной температуре в присутствии палладиевого катализатора с образованием тетрагидротиофена (тиофана):
Гидрирование тиофена на никелевом катализаторе приводит к образованию н-бутана (десульфирование):
Пиррол, в отличии от фурана и тиофена, пиррол можно прогидрировать водородом в момент выделения, например при действии цинка и уксусной кислоты. При этом реакция протекает как 1,4-присоединение к диенам, водород присоединяется в 2,5-положения пиррола и образуется пирролин - 2,5-дигидропиррол:
При гидрировании пиррола на платиновом катализаторе образуется пирролидин:
2. Присоединение галогенов. При низкой температуре галогены присоединяются к фурану в 2,5-положения. Продукты присоединения легко теряют молекулу галогенводорода и переходят в 2-галогенфураны:
3. Диеновый синтез. Фуран вступает в реакцию диенового синтеза как обычный диен. Например, реакция с диенофилом - малеиновым ангидридом:
Пиррол в этих условиях образует продукт присоединения по двойной С-С связи малеинового ангидрида:
4. Окисление. В условиях, исключающих раскрытие кольца, в нейтральной или слабощелочной среде, фуран окисляется в малеиновый ангидрид:
пиррол — в имид малеиновой кислоты:
Тиофен окисляется значительно треднее.
5. Замещение гетероатома. Фуран, тиофен и пиррол могут переходить друг в друга (реакция Юрьева). Реакция протекает с небольшими выходами при 450оС, катализатор - оксид алюминия:
6. Озонолиз. Фуран и пиррол легко подвергаются озонолизу, образуя при этом глиоксаль:
Фуран, тиофен и пиррол вступают в характерные для ароматических соединений реакции электрофильного замещения легче, чем бензол. Замещение во всех случаях происходит в первую очередь в -положение и только если это положение занято — в -положение. Мета-ориентирующие группы, такие, как нитро-, карбонильная, сульфогруппа, находящиеся в одном из -положений, не препятствуют вхождению следующего заместителя во второе -положение. Если оба -положения заняты, замещение происходит в одно издвух -положеннй в зависимости от характера заместителей в -положении.
При выборе условий для проведения реакций электрофильного замещения необходимо учитывать ацидофобность фурана и пиррола. При введении в фурановое или пиррольное кольцо электроноакцепторных заместителей ацидофобные свойства значительно ослабляются и такие соединения можно вводить в реакции электрофильного замещения в обычных условиях. Это относится, например, к фуран- и пирролкарбоновым кислотам, карбонильным соединениям и т. д.
1. Галогенирование. Галогенирование фурана, тиофена и пиррола приводит сначала к образованию 2-, затем 2,5-замещенных. Возможно замещение и всех атомов водорода. Хлорирование обычно осуществляется с помощью хлористого сульфурила, бромирование — комплексом брома с диоксаном.
2. Нитрование. Нитрование азотной кислотой возможно только для тиофена в мягких условиях. В случае фурана и пиррола нитрование проводят ацетилнитратом при низкой температуре, например:
3. Сульфирование. Тиофен легко сульфируется серной кислотой, легче, чем бензол. Фуран и пиррол можно сульфировать комплексом SO3 с пиридином в пиридине.
4. Реакции с хлорной ртутью. Для всех пятичленных гетероциклов характерна реакция с HgCl2 с замещением водорода в -положении, например:
5. Ацилирование. Ацилирование фурана в пиррола осуществляется ангидридами кислот под влиянием мягко действующих катализаторов, например, хлорида цинка или хлорида олова (IV). Ацилирование тиофена возможно не только ангидридами, но и хлорангидридами кислот в присутствии хлорида алюминия. Во всех случаях замещение идет -положение:
5. Расширение цикла. Для пятичленных гетероциклов значительно легче, чем в ароматическом ряду, идут реакции с расширением цикла. Пиррольное кольцо превращается в пиридиновое кольцо при реакции пирролкалия с хлороформом в присутствии этилата натрия.
