Синтез Пааля — Кнорра
Три гетероцикла из одного дикетона
linkОпора
- Урок 351. Пятичленные гетероциклы: строение и ароматичность — сравнивать фуран, пиррол и тиофен
- Урок 238. Имины и енамины — предсказывать продукт реакции с первичным и вторичным амином
Синтез Пааля — Кнорра — самый прямой путь к пятичленным гетероциклам урока 351. Амин присоединяется к двум группам C=O 1,4-дикетона так же, как при образовании имина (урок 238), а кислота или сульфид фосфора замыкают тот же дикетон в фуран или тиофен. Так из одного исходного вещества получаются три разных кольца.
Как получить гетероцикл по Паалю — Кнорру
- Найдите в исходном веществе две группы C=O в положении 1,4.
- Выберите реагент: кислота (TsOH, \(\ce{H2SO4}\), \(\ce{P2O5}\)) даёт фуран; аммиак, ацетат или карбонат аммония или первичный амин — пиррол; \(\ce{P4S10}\) или реагент Лавессона — тиофен.
- Карбонильные атомы станут атомами C2 и C5 вместе со своими заместителями, атомы между ними — C3 и C4, а гетероатом замкнёт кольцо.
- Азот первичного амина входит в кольцо вместе со своим заместителем, и получается 1-замещённый пиррол.
Примеры
1. Заместитель у C3. 3-Метилгексан-2,5-дион с ацетатом аммония даёт 2,3,5-триметилпиррол: метильная группа из середины цепи оказывается у атома C3.
2. Тиофен. Нонан-4,7-дион с сульфидом фосфора \(\ce{P4S10}\) при нагревании даёт 2,5-дипропилтиофен.
errorГруппы C=O должны стоять в положении 1,4
1,3-Дикетон с аммиаком даёт не пиррол, а енаминокетон, а с гидразином — пиразол (урок 356); 1,5-дикетон с аммиаком замыкается в шестичленный цикл (урок 358).
edit_noteПопробуйте сами
Сколько атомов углерода окажется в кольце пиррола, полученного из гексан-2,5-диона и метиламина, и сколько — вне кольца?
expand_moreПоказать решение
В кольце четыре атома углерода, а вне кольца три: две метильные группы у C2 и C5 и метил у атома азота.
Механизм и ретросинтез
Чтобы спланировать синтез, пятичленный гетероцикл мысленно раскрывают обратно в 1,4-дикарбонильное соединение. Гетероатом и два соседних атома углерода подсказывают, где стояли карбонильные группы. А механизм реакции объясняет, почему вторичный амин пиррол не даёт.
Как найти 1,4-дикетон для заданного гетероцикла
- Отметьте гетероатом и два соседних атома углерода (C2 и C5): это бывшие карбонильные атомы.
- Мысленно разорвите связи гетероатома с C2 и C5 и поставьте на эти атомы группы C=O: получится 1,4-дикарбонильное соединение.
- Соберите дикарбонильное соединение известными реакциями: алкилированием ацетоуксусного эфира α-галогенкетоном (затем гидролиз и декарбоксилирование), алкилированием енамина или реакцией Штеттера (альдегид и енон с тиазолиевым катализатором).
- В механизме образования пиррола амин присоединяется к одной группе C=O (полуаминаль), азот атакует вторую группу и замыкает 2,5-дигидроксипирролидин, а две дегидратации дают ароматический пиррол.
Примеры
1. Фуран с четырьмя заместителями. 3,4-Диэтил-2,5-диметилфуран раскрывается в 3,4-диэтилгексан-2,5-дион, который кислота замыкает обратно в фуран.
2. Сборка дикетона. Ацетоуксусный эфир алкилируют хлорацетоном в присутствии этилата натрия, а гидролиз и декарбоксилирование дают гексан-2,5-дион.
errorВторичный амин пиррол не даёт
Атом азота пиррола связан с тремя атомами: C2, C5 и заместителем. У вторичного амина уже две связи с углеродом, и после замыкания кольца азоту не хватает связи для ароматизации: получается иминиевый ион или енамин.
edit_noteПопробуйте сами
Какой 1,4-дикетон нужен для 3-метил-2,5-дифенилфурана?
expand_moreПоказать решение
2-Метил-1,4-дифенилбутан-1,4-дион \(\ce{C6H5COCH(CH3)CH2COC6H5}\).
push_pinГлавное
1,4-Дикарбонильное соединение замыкается в пятичленный гетероцикл: с кислотой (TsOH, \(\ce{P2O5}\)) — в фуран, с аммиаком, первичным амином или ацетатом аммония — в пиррол (заместитель у азота — из амина), с \(\ce{P4S10}\) или реагентом Лавессона — в тиофен. Механизм для пиррола: амин присоединяется к одной группе C=O (полуаминаль), азот атакует вторую (циклический 2,5-дигидроксипирролидин), уходят две молекулы воды. Ретросинтез: заместители при C2 и C5 — от двух карбонильных групп, при C3 и C4 — от атомов между ними; 1,4-дикетон собирают из ацетоуксусного эфира и α-галогенкетона, из енамина и α-галогенкетона или реакцией Штеттера. Вторичный амин пиррола не даёт.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.