Содержание

Определение

Строение и свойства

- Кислотность и металлирование

- Электрофильное замещение

Методы синтеза

Нахождение в природе

Применение

Производные пиррола

 Определение

Пиррол — это ароматический пятичленный азотистый гетероцикл, обладает слабыми основными свойствами.

Содержится в костном масле (которое получают при сухой перегонке костей), а также в каменноугольной смоле.

Пиррольные кольца входят в состав порфиринов — хлорофилла растений, гема гемоглобинов и цитохромов и ряда других биологически важных соединений.

Структуру пиррола предложил в 1870 г. Байер, а впервые был открыт F. F. Рунге в 1834 в каменно-угольной смоле основываясь на его окислении хромовой кислотой в малеинимид и образовании его при перегонке сукцинимида с цинковой пылью.

Название свое пиррол получил от греческого слова. Πΰρ (огонь) по той причине, что его пары окрашивают сосновую лучинку, смоченную соляной кислотой, в ярко-красный цвет. Кольчатое строение пиррола представляется формулой, приближающей его к тиофену и фурфурану, в которых вместо группы NH стоит в первом атом серы, а во втором атом кислорода.

 Строение и свойства

Электронное строение молекулы пиррола объясняет его свойства как слабой кислоты и ароматического соединения.

Атомы углерода и азота находятся в состоянии sp2-гибридизации.

σ-Связи C–C, C–H и C–N образованы гибридными орбиталями. Цикл имеет плоское строение. На негибридной р-орбитали азота находится неподеленная пара электронов, которые вступают в сопряжение с четырьмя р-электронами атомов углерода. Таким образом, в циклической системе сопряжения находится 6 электронов, что определяет ароматические свойства пиррола.

Пиррол значительно активнее бензола в реакциях электрофильного замещения, т.к. Атом азота, предоставляя в систему сопряжения два электрона (+М-эффект), повышает электронную плотность в цикле.

Пример - замещение 4-х атомов водорода при иодировании:

Устойчивость пиррола как ароматической структуры значительно меньше, чем бензола. Под действием сильных минеральных кислот электронная пара азота все же используется для солеобразования, и свойства пиррола резко меняются: ароматичность исчезает (в системе сопряжения остается всего 4 электрона). При этом проявляются свойства диена, например, способность к полимеризации.

Связывание неподеленной электронной пары атома азота системой сопряжения приводит к резкому ослаблению основных и проявлению кислотных свойств. Как слабая кислота пиррол вступает в реакцию с металлическим калием, образуя соль – пиррол-калий:

Пиррол может участвовать в реакциях присоединения:

Гидрирование приводит к образованию пирролидина

Под действием сильных минеральных кислот пиррол вступает в реакции полимеризации.

Пиррол представляет собой бесцветную жидкость, напоминающую по запаху хлороформ, медленно темнеющую при стоянии на воздухе. На воздухе он быстро буреет и осмоляется.

Он слегка гигроскопичен, немного растворим в воде и хорошо растворим в большинстве органических растворителей.

Молекулярная масса - 67,09;

Температура кипения - 130°С,

Температура плавления - 23,40C; 

0,9698; 1,5086; m 5,17·10-30 Кл·м (чистое вещество), 6,00 · 10-30 Кл · м (раствор в бензоле, циклогексане); — 2364,2 кДж/моль.

Гигроскопичен, смешивается во всех отношениях с большинством органических растворителей, плохо растворим в воде (6 г в 100 г воды при 250C).

Молекула пиррола плоская, полярная, направление диполя - от атома N внутрь кольца.

Пиррол - гетероароматическое соединение; ароматическая система образована 2 парами электронов от двойных связей и неподеленной парой электронов атома N (p-избыточный гетероцикл).

Пиррол - NH-кислота (рКа 17,5, вода).

- Кислотность и металлирование

Пиррол является слабой NH-кислотой (pKa 17,5 в воде) и реагирует с щелочными металлами и их амидами в жидком аммиаке или инертных растворителях с депротонированием по положению 1 и образованием соответствующих солей. Аналогично проходит и реакция с реактивами Гриньяра, при которой образуются N-магниевые соли.

N-замещённый пирролы реагируют с бутил- и фениллитием, металлируясь в α-положение.

- Электрофильное замещение

Пиррол превращается в неустойчивое непредельное соединение, легко полимеризующееся, если на него подействовать сильными минеральными кислотами. При этом пара азота как бы вытягивается из ароматического кольца, а пиррол теряет ароматические свойства. Рассмотрим ароматические свойства пиррола, которые он проявляет в реакциях электрофильного замещения.

а) реакция галогенирования

в) восстановление пиррола с образованием насыщенного цикла — пиролидина — в присутствии Катализаторов Pd, Ni и др.

По своему химическому характеру пиррол напоминает отчасти анилин, так как растворяется, хотя и медленно, в разведенных кислотах, с другой же стороны, он имеет и кислые свойства, напоминающие фенолы.

Следовательно, с этой точки зрения пиррол резко отличается от вышеупомянутых тиофена и фурфурана, которые индифферентны; однако пиррол имеет и реакции, приближающие его к этим телам; наиболее характерная из них - это образование индигово-синего вещества не определенного еще строения при растворении пиррола в крепкой серной кислоте в присутствии изатина или фенантренхинона.

При кипячении раствора пиррола в слабых кислотах он совершенно разрушается, выделяется NH3 и красное порошкообразное вещество переменного состава, известное под названием "Pyrrolroth". Эта уже реакция показывает непрочность кольца пиррола, которое особенно нестойко в кислых средах, где пиррол сначала всегда подвергается полимеризации и затем уже более глубокому изменению частицы.

По этой же причине солей пиррола неизвестно, получены же только соли три-пиррола, (С4Н4-NH)3, которые при стоянии в растворе полимеризуются еще далее, а при нагревании распадаются на пиррол, бензопиррол или индол и аммиак. Такой распад три-пиррола характерен тем, что указывает на стремление кольца пиррола перейти в шестиатомное кольцо. Еще более резко выражается эта тенденция при реакции пиррол-калия с хлороформом, когда образуется хлорпиридин.

Оригинально также действие гидроксиламина на пиррол; здесь опять наблюдается разрыв замкнутого комплекса и образование сукциндиальдоксима:

Ввиду непостоянства кольца пиррола в кислых жидкостях галоидо- и нитрозамещенные пирролы обыкновенно готовятся: первые - из галоидозамещенных имидов жирных кислот, а вторые нитрованием пиррол-кетонов или пиррол-карбоновых кислот.

Исключение представляет тетраиодпиррол, или иодол, C4J4NH, получающийся непосредственно обработкой пиррола йодом в присутствии КОН. Это вещество обладает антисептическими свойствами, подобно йодоформу, почему и было предложено употреблять его вместо последнего, так как он совершенно не имеет запаха.

Пиррол является электронобогащённой ароматической системой (π-избыточным гетероциклом), в которой ароматический секстет электронов распределяется по пяти атомам цикла. Вследствие этого проявляет сильные нуклеофильные свойства: для него характерны реакции электрофильного замещения, идущие преимущественно по α-положениям. Пиррол чувствителен к сильным кислотам: его протонирование ведёт к потере ароматичности, образующийся при этом протонированный катион атакует нейтральные молекулы пиррола, что ведёт к полимеризации с образованием смолистых продуктов, окрашенных в красный цвет (так называемый пиррол-красный).

Нитрование и сульфирование вследствие чувствительности пиррола к кислотам проводят нейтральными агентами — ацетилнитратом (образуется преимущественно 2-нитропиррол с примесью 3-нитропроизводного) и комплексом серный ангидрид-пиридин (образуется 2-пирролсульфокислота).

Пиррол галогенируется в мягких условиях, образуя тертрагалогенпирролы и вступает с солями диазония в реакцию диазосочетания, образуя в слабокислой и нейтральной среде 2-азопроизводные, а в щелочной — бис-2,5-диазопроизводные.

Незамещённый пиррол реагирует с углеродными электрофилами, образуя продукты замещения.

Так, пиррол ацилируется уксусным ангидридом при 100 °C, образуя смесь 2-ацетил- и 2,5-диацетилпирролов; формилируется по положению 2 по Вильсмейеру-Хааку (диметилформамид и POCl3) и Раймеру-Тиману (хлороформ и NaOH); в реакции Манниха (формальдегид и диалкиламины) образует 2-диалкиламинопирролы; реагирует с активированными карбонильной или нитрильной группой алкенами (акрилаты, малеиновый ангидрид, акрилонитрил) по типу присоединения по Михаэлю, образуя продукты алкилирования по α-положениям.

Активированными алкилгалогениды (аллил- и бензилгалогениды) в присутствии слабых оснований пиррол алкилируется по α-положениям, йодистым метилом в жестких условиях 100—150°C — также и в положения 3 и 4.

Пиррол является настолько сильным нуклеофилом, что реагирует даже с таким слабым электрофилом, как CO2, карбоксилируясь при нагревании под давлением с водным раствором карбоната аммония с образованием аммониевой соли пиррол-2-карбоновой кислоты.

При обработке Na или К или их амидами в жидком NH3, а также реакцией с металлом в инертном растворителе получают Na- и К-соли пиррола, которые алкилируются и ацилируются по атому N.

Литиевую соль получают взаимодействием пиррола с Li в жидком NH3 или с бутил- или фениллитием в эфирном растворе.

N-Замещенные пиррола металлируются бутил- или фениллитием в положение 2.

С реактивами Гриньяра в эфире пиррол легко образует N-пирролмагниевые производные, которые алкилируются и ацилируются по атому С-2.

Для пиррола характерны реакции электрофильного замещения, которые преимщественно идут по a-углеродным атомам.

Протонирование пиррола минеральными кислотами приводит к нарушению ароматичности системы и вызывает полимеризацию (образуется так называемый пиррол-красный). 

Нитрование пиррола ацетилнитратом приводит к 2-нитропирролу с примесью 3-нитропроизводного; сульфирование комплексом пиридин-SO3 при 1000C - к образованию пиррол-2-сульфо-кислоты.

При реакции пиррола с галогенами очень легко образуется тетрагалогенпиррол. Активные алкилгалогениды (аллил- и бензилгалогениды) в присутствии слабых оснований алкилируют пиррол в положения 2 и 5, CH3I при 100-1500C - также и в положения 3 и 4.

 Ацилирование пиррола уксусным ангидридом при 1000C приводит к смеси 2-ацетил- и 2,5-диацетилпирролов. Наличие в положении 1 электроноакцепторной фенилсульфонильной группы изменяет ориентацию электрофильного замещения: ацилирование 1-фенилсульфонилпиррола по Фриделю-Крафтсу селективно идет по положению 3.

Под действием HCN, HCl и POCl3 в ДМФА или CHCl3 в щелочной среде пиррол форматируется с образованием 2-формил-пиррола. При использовании CHCl3 из-за образования дихлоркарбена идет побочная реакция с образованием 3-хлорпиридина:

По реакции Манниха пиррол превращается в 2-диалкиламинометил-пирролы.

С активированными алкенами (эфиры акриловой кислоты, акрилонитрил, малеиновый ангидрид и др.) в присутствии кислот или оснований пиррол вступает в реакцию, подобную реакции Михаэля, с образованием продуктов алкилирования в положения 2 и 5.

При нагревании с водным раствором (NH4)2CO3 под давлением пиррол карбоксилируется до аммониевой соли пиррол-2-карбоновой кислоты. В нейтральной или слабокислой среде вступает в реакцию азосочетания с образованием 2-азопроизводного, в щелочных средах дает бис-азопроизводное, например:

С ацетоном в кислой среде пиррол образует циклический тетрамер формулы I.

При умеренных температуре и давлении пиррол легко гидрируется в пирролидин (Катализаторы - Pt, Pd, Ni-Ренея). При восстановлении с помощью Zn и HCl может быть выделен 3-пирролин. Воздухом на свету пиррол окисляется в имид янтарной кислоты, хромовой кислотой - в малеинимид.

В солянокислом растворе n-диметиламинобензальдегида (реактив Эрлиха) пиррол дает красную окраску, с SeO2 в водном растворе - фиолетовую, с изатином образует синий осадок. Идентифицируют пиррол обычно в виде комплекса с HgCl2 (температура плавления 1430C).

Методы синтеза

Получается пиррол главным образом из костяного масла, лучше всего - добытого сухой перегонкой необезжиренных костей.

Такое масло содержит нитрилы жирных кислот, от которых оно легко освобождается обмыливанием щелочью, ароматические углеводороды и пиррол с гомологами, происходящими через замещение атомов водорода метинных групп жирными радикалами.

Свободный пиррол выделяется из порции масла, кипящей при 115-130°, при помощи его калиевой соли (см. ниже). Синтетических реакций, дающих хорошие выходы пиррола нет, и они интересны только с теоретической точки зрения, как устанавливающие его строение.

Эти реакции следующие:

1) перегонка аммиачных солей сахарной или слизевой кислот, особенно с прибавкою глицерина (тогда достаточно нагревать только до 2000):

CH(OH) 4-(CO2NH4)2 = CH4-NH + NH3 + 4H2O + 2СO2;

Прибавка глицерина, вероятно, может быть объяснена тем, что при 200° он отчасти будет давать акролеин, соединяющийся с образующимся при реакции аммиаком.

2) Соединение ацетилена и аммиака при пропускании их через раскаленные трубки:

2C2H2 + NH3 = C4H4NH + H2 и

3) воcстановление сукцинимида цинковой пылью:

CH4O2-NH + 2H2 = C4H4NH + 2H2O.

Гомологи пиррола получаются подобными же способами, заменяя аммиак аминами; но к ним еще нужно прибавить весьма интересный синтез, основанный на необыкновенной способности атомов водорода метильных групп пиррола кольца к реагированию. Эти водороды с большею легкостью обмениваются на жирные радикалы, чем даже водород NH-группы, а потому при нагревании п-производных пиррола они переходят в с-гомологи. 

Мало того, при пропускании паров пиррола и какого-либо спирта через раскаленные трубки образуются с-гомологи по равенству:

C4H4-NH + R-OH = C4H3R-NH + H2О.

Замещённые пирролы синтезируются по Паалю-Кнорру реакцией 1,4-дикетонов с аммиаком или первичными аминами.

Исторически наиболее значимый лабораторный синтез пиррода — пиролиз аммониевой соли слизевой кислоты (легко получаемой окислением галактозы), этот синтез представляет собой вариант синтеза Пааля-Кнорра:

Получают пиррол перегонкой аммониевой соли слизевой кислоты (вариант синтеза Пааля-Кнорра, реакция 1), перегонкой имида янтарной кислоты с цинковой пылью (2), пропусканием ацетилена и NH3 через прокаленную трубку в присутствии оксидов Fe (III) или Pb (3), каталитическим аммонолизом фурана или тиофена в присутствии Al2O3 (реакция Юрьева):

1. Пиррол содержится в каменноугольной смоле, откуда его выделяют фракционной перегонкой.

2. Получение пиррола из фурана (реакция Ю. К. Юрьева).

3. Получение пиррола путем пропускания ацетилена с аммиаком через раскаленную трубку.

 Нахождение в природе

Цикл пиррола - структурный фрагмент природных пигментов (например, гема, хлорофиллов, желчи, витамина B12, некоторых антибиотиков), а также некоторых светостойких фталоцианиновых красителей.

 Применение

Пиррол умеренно токсичен; его пары вызывают стойкое и упорное повышение температуры тела; ЛД50 - 74 мг/кг (кролики, перорально).

Пиррол используют для синтеза пирролидина и некоторых лекарственных средств. Пиррол применяют для синтеза различных органических веществ.

Пиррол — важный товар для получения пирролидина путем каталитического гидрирования.

Огромное значение в жизни растений и животных имеет ядро пиррола, которое является составной частью гемоглобина и хлорофилла.

 Производные пиррола

Производные пиррола обыкновенно разделяют на два класса: п-производные, получающиеся замещением водорода NH-группы, и с-производные - замещением водорода СН-групп.

п-Алкил-пирролы легко получаются из замещенных имидов кислот. При нагревании они переходят в с-производные.

При действии хлорангидридов жирных кислот получаются п-ацидил-пиррол; из них наиболее интересен карбонил-пиррол (С4Н4N)2 =СО, получающийся при действии фосгена СОСl2 на пиррол; он представляет твердое тело, плавящееся при 63° и кипящее без разложения при 238°.

При нагревании карбонил-пиррола претерпевает характерную для всех ацидил-пирролов перегруппировку атомов: он превращается с одной стороны в дипиррилкетон, или пиррон, (C4H3NH)2 CO (температура плавления 100°) и в пирроилпиррол С4Н4N-СО (температура плавления 63°).

Пиррол-карбоновые кислоты получаются аналогично бензолкарбоновым кислотам, только при действии углекислоты на феноляты образуются оксиароматические кислоты, здесь же при действии СО2 на пиррол-калий получаются просто карбоновые кислоты. α-пиррол-карбоновая кислота C4H2NH-СО2Н, в которой карбоксил связан с соседним с азотом атомом углерода, плавится при 192° и при нагревании с уксусным ангидридом переходит в пиррокол C10H6N2O2 (температура плавления 268°), получающийся также при сухой перегонке клея, откуда и его название.

При восстановлении пиррола и его производные переходят в дигидро-пиррола, или пирролины, а затем и в тетрагидро-пиррол., или пирролидины.

Вместе с этим переходом резко изменяется и характер П. кольца: из соединений с едва выраженными основными свойствами они переходят в сильные основания, аналогичные вторичным аминам жирного ряда, дающие все реакции, характерные для этих последних.

Пирролин C4H6-NH, растворимая в воде жидкость, кипящая при 91°; имеет запах, напоминающий аммиак, с HNO2 дает нитрозосоединение C4H6N-NO, с йодистым метилом четверичное основание C4H6NH-JCH3.

Пирролидин, или тетраметиленимин, C4H8-NH рассматривается обыкновенно как жирное соединение.

Что касается прочности колец пирролидинов, то здесь подмечается довольно любопытный факт: выше было указано, что в пирроле, имеющем в своем кольце максимум (для пятиатомного ядра) двойных связей, наблюдается стремление переходить в более устойчивый тип шестиатомных колец пиридина или бензола. Когда же кольцо пиррола вполне гидрогенизовано, следующих, не имеет двойных связей, то, напротив, оно кажется более устойчивым, и вполне гидрогенизованные шестиатомные кольца пиперидинов имеют наклонность переходить в пирролидины, подобно тому как гексагидробензол переходит в метилпентаметилен.

Совершенно точно так же водная окись диметилпиперидиния при перегонке, теряя воду, превращается в буталлилкарбиндиметиламин, который с НСl дает δ-хлорамилдиметиламин, легко изомеризующийся в п, а-производное пирролидина:

 Источники

Общая органическая химия, пер. с англ., т. 8, M., 1985, с. 332-88;

Gossauer A., Die Chemie der pyrrole, В., 1974; J ones R. А., Be a n G. P., The chemistry of pyrroles, N. Y.-L., 1977;

Anderson H. J., Loader C. E., "Synthesis", 1985, N 4, p. 353-64. M. А. Юровская.

Эльдерфилд Р. (ред.) Гетероциклические соединения // М. — ГИзИЛ 1953 том 1 сс. 219—269

Опубликовано на forexAW.com: Пятница, 15 Январь, 2010 года — 15:00.

Последнее редактирование: Воскресенье, 22 Май, 2011 года — 18:46.