Реакции электрофильного замещения в ядре

Как уже указывалось выше, для я-избыточных гетероциклов прогнозируется повышенная реакционная способность в реакциях электрофильного замещения. Действительно, пиррол и фуран чрезвычайно реакционноспособны в этих реакциях, причем пиррол в большей степени, чем фуран; тиофен менее активен, чем пиррол и фуран, но более активен, чем бензол.

Реакции электрофильного замещения в данных гетероциклах идут по обычным механизмам ароматического замещения — с промежуточным образованием катионных а-аддуктов. Реакции, как правило, региоселективны: они предпочтительно идут по положению 2. Такую рёгионаправленность легко объяснить, если рассмотреть структуры альтернативных а-аддуктов при замещении в положениях 2 и 3:

793 а 793 Ь При замещении в положении 2 а-аддукт может быть представлен тремя резонансными структурами (792а-с), в то время, как при замещении в положении 3 — только двумя (793а, Ь); следовательно, первый а-аддукт более устойчив. Если положение 2 занято, замещение идет в положении 3. В некоторых случаях реакции идут более, чем по одному положению, вплоть до полного замещения всех атомов водорода.

Реакции электрофильного замещения для пиррола, фурана и тиофена, в принципе, те же, что и для бензоидных соединений, но условия их проведения достаточно специфичны. В частности, на пиррол и фуран нельзя действовать сильными кислотами, т.к. данные гетероциклы при этом разлагаются (они ацидофобны, см. ниже); поэтому для нитрования и сульфирования этих соединений не используют азотную и серную кислоты. Тиофен устойчив в водных растворах сильных кислот, но неустойчив в 100%-й H₂S0₄.

а. Пиридин*S0₃; b. H₂S0₄; с. ГЧ-Бромсукиинимид; d. Диоксаиднбромид; с. Димстилформамид — РОС1₂; Г. СНС1₃, КОН; g. HCN, HCI.

• 1. Нитрование фурана и пиррола проводят действием ацетилнитрата CH3CO-ONO2 — смешанного ангидрида уксусной и азотной кислот; этот мягкий нитрующий реагент получают из азотной кислоты и. уксусного ангидрида; он нитрует в нейтральной среде. Для нитрования тиофена обычно также используют ацетилнитрат. Продукты реакции — 2-нитропроизводные (794).
• 2. Сульфирование фурана и пиррола проводят, используя в качестве реагента комплекс пиридина с триоксидом серы; для сульфирования тиофена используют серную кислоту; поскольку тиофен сульфируется легче бензола, эта реакция используется для отделения примеси тиофена от «каменноугольного» бензола. Продукты сульфирования — 2-сульфопроизводные (795).
• 3. Галогенирование пиррола, фурана и тиофена галогенами обычно приводит к продуктам полизамещения. Пиррол при действии брома в этаноле образует продукт полного бромирования — 2,3,4,5-тетрабромпиррол, при взаимодействии с системой J₂/KJ — тетраиодпиррол. Даже тиофен при действии хлора образует смесь продуктов полизамещения. При действии более мягких галогенирующих реагентов галогенирование идет селективно: при действии на пиррол N-бромсукцинимида (стр. 145) образуется 2-бромпиррол (696, X=NH, Hal=Br); при действии на фуран комплекса брома с диоксаном (диоксандибромида) образуется 2-бромфуран (796, Х=0, На1=Вг).
• 4. Ацилирование проходит чаще всего при действии ангидридов карбоновых кислот; для фурана используют в качестве катализатора SnCl₄ или BF₃, для тиофена — А1С1₃. Образуются кетоны — 2-ацилпроизводные (797).

• 5. Формилироваиие — специфический частный случай ацилирования — можно (как и для фенолов) проводить по Вильсмайеру, т. е. системой димегилформамид — РОС1₃ (стр. 247, ч. 1), по Раймеру-Тиману — системой СНС1₃ — КОН (стр. 247, ч. 1) — для пиррола, а также системой HCN — НС1 (для пиррола и фурана). Продукты формилирования — альдегиды (2-формилпроизводные) (798). Особенно важное значение имеет формилироваиие производных пиррола, поскольку пиррол-2-альдегиды используются в синтезах важных природных систем — порфиринов, входящих, в частности, в состав хлорофилла и гемоглобина.
• 6. Азосочетание происходит при взаимодействии пиррола (но не фурана и тиофена) с солями арилдиазония; образуются азосоединения (799), содержащие пиррольный фрагмент. Эти реакция, как и формилироваиие, подчеркивает сходство пиррола с фенолами и ароматическими аминами.

Еще одна важная электрофильная реакция, специфичная для пиррола — конденсация с карбонильными соединениями; здесь также наблюдается аналогия с фенолами (см. конденсацию фенола с формальдегидом, стр. 245, ч. 1). Реакция идет отчасти аналогично фенол-альдегидной конденсации и может привести к образованию полимерных продуктов; однако в некоторых случаях могут быть выделены циклические тетрамеры:

В частности, при взаимодействии пиррола с бензальдегидом в кислой среде образуется циклический тетрамер (800), который под действием кислорода воздуха окисляется в тетрафенилпорфирин (801).