Реакции фурана, пиррола и тиофена
Куда идёт электрофил
linkОпора
- Урок 351. Пятичленные гетероциклы: строение и ароматичность — сравнивать фуран, пиррол и тиофен
- Урок 177. Механизм электрофильного ароматического замещения — рисовать σ-комплекс и его резонанс
Пятичленные гетероциклы урока 351 богаты электронами и вступают в электрофильное замещение (урок 177) гораздо быстрее бензола. Почти всегда электрофил входит в положение 2, рядом с гетероатомом. Реагенты при этом нужны мягкие: сильные кислоты полимеризуют фуран и пиррол.
Как предсказать место замещения
- Нарисуйте σ-комплексы атаки в C2 и в C3. После атаки в C2 положительный заряд распределён по трём атомам (C3, C5 и гетероатому), после атаки в C3 — только по двум, поэтому выгоднее атака в C2.
- Если оба α-положения (C2 и C5) заняты, электрофил идёт в C3.
- Заместитель в C2 обычно оставляет следующему электрофилу свободное α-положение C5.
- Берите мягкие реагенты (таблица): сильные кислоты полимеризуют фуран и пиррол, а \(\ce{AlCl3}\) с алкилгалогенидами не годится.
| Реакция | Реагент | Продукт |
|---|---|---|
| нитрование | \(\ce{HNO3}\) в \(\ce{Ac2O}\), −10 °C | 2-нитро- |
| бромирование | NBS или \(\ce{Br2}\) в диоксане | 2-бром- |
| ацилирование | \(\ce{Ac2O}\) с \(\ce{BF3}\) или \(\ce{SnCl4}\) | 2-ацил- |
| формилирование | \(\ce{POCl3}\), ДМФА | 2-формил- |
| сульфирование | \(\ce{SO3}\)·пиридин; тиофен — \(\ce{H2SO4}\) | сульфокислота |
| Манних, азосочетание | HCHO + \(\ce{R2NH}\); \(\ce{ArN2+}\) (пиррол) | 2-замещённые |
Примеры
1. Бромирование. 2-Метилтиофен с NBS даёт 2-бром-5-метилтиофен: бром входит в свободное α-положение.
2. Ацилирование при занятых α-положениях. 2,5-Диметилтиофен с уксусным ангидридом и \(\ce{SnCl4}\) даёт 3-ацетил-2,5-диметилтиофен: оба α-положения заняты, и электрофил входит в C3.
errorАлкилирование по Фриделю — Крафтсу не идёт
\(\ce{AlCl3}\) с алкилгалогенидом полимеризует фуран и пиррол. Ацилируют только с мягкими кислотами Льюиса (\(\ce{BF3}\), \(\ce{SnCl4}\), \(\ce{ZnCl2}\)), а пиррол — даже ангидридом без катализатора при нагревании.
edit_noteПопробуйте сами
В какое положение войдёт формильная группа при реакции 1-метилпиррола с \(\ce{POCl3}\) и ДМФА?
expand_moreПоказать решение
В положение 2: образуется 1-метилпиррол-2-карбальдегид.
Присоединение, металлирование и восстановление
Кроме замещения, у пятичленных гетероциклов есть и другие реакции. Фуран, наименее ароматичный из них, работает как диен в реакции Дильса — Альдера (урок 160). Все три гетероцикла металлируются бутиллитием в положение 2, а никель Ренея превращает тиофен в насыщенную цепь из четырёх атомов углерода.
Как использовать другие реакции
- Фуран как диен присоединяет малеиновый ангидрид, ацетилендикарбоксилаты и арины и даёт мостиковые аддукты; кислота раскрывает кислородный мостик и превращает аддукт в фенол.
- Бутиллитий отрывает протон у C2; у пиррола и индола он сначала отрывает протон N–H, поэтому азот защищают. 2-Литиевые производные реагируют с \(\ce{CO2}\), ДМФА, алкилгалогенидами и альдегидами.
- Гидрирование на палладии или никеле превращает фуран в тетрагидрофуран, а пиррол — в пирролидин; тиофен отравляет платиновые катализаторы.
- Никель Ренея обессеривает тиофен: кольцо превращается в насыщенную цепь из четырёх атомов углерода.
Примеры
1. Диеновый синтез. Фуран \(\ce{C4H4O}\) с малеиновым ангидридом при 25 °C даёт экзо-аддукт — производное 7-оксабицикло[2.2.1]гептена; при нагревании реакция идёт в обратную сторону (задача Сальникова Д.16.2к, рисунок выше).
2. Литирование. Фуран с бутиллитием, а затем с бензальдегидом даёт фуран-2-ил(фенил)метанол: литий входит в положение 2.
3. Обессеривание. 2,5-Диметилтиофен с никелем Ренея превращается в гексан.
errorПиррол сначала отдаёт протон азота
Бутиллитий, гидрид натрия и реактивы Гриньяра отрывают протон N–H пиррола и индола раньше, чем протон C–H. Чтобы литировать C2, азот защищают: берут 1-метил-, 1-Boc- или 1-триизопропилсилилпиррол.
edit_noteПопробуйте сами
Что получится из 1-метилпиррола с бутиллитием, а затем с иодметаном?
expand_moreПоказать решение
1,2-Диметилпиррол.
push_pinГлавное
Электрофил атакует C2: катион после атаки в C2 описывают три резонансные структуры, после атаки в C3 — две. Если оба α-положения заняты, замещается C3. Активность пиррол > фуран > тиофен >> бензол, поэтому реагенты берут мягкие и без сильных кислот: нитрование — ацетилнитратом (\(\ce{HNO3}\) в \(\ce{Ac2O}\), −10 °C), бромирование — NBS или \(\ce{Br2}\) в диоксане, ацилирование — ангидридом с \(\ce{BF3}\) или \(\ce{SnCl4}\), формилирование — по Вильсмайеру (\(\ce{POCl3}\), ДМФА), сульфирование — \(\ce{SO3}\)·пиридин (тиофен — даже концентрированной \(\ce{H2SO4}\)); для пиррола — ещё реакция Манниха и азосочетание. Алкилирование по Фриделю — Крафтсу не проводят. BuLi металлирует C2 (у пиррола сначала снимается N–H). Фуран — диен в реакции Дильса — Альдера; гидрирование даёт тетрагидрофуран и пирролидин; никель Ренея удаляет серу тиофена.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.