| Главная » Химия |
|
Введение Гетероциклическими называют соединения, содержащие циклы, включающие один или несколько гетероатомов. Это один из самых обширных и важных в практическом отношении классов органических соединений. Наиболее устойчивыми являются пяти- и шестичленные циклы. Они широко распространены в природе, где играют огромную роль. Так же гетероциклические соединения производятся в больших масштабах в промышленности. Вот некоторые из соединений, содержащие пятичленные гетероциклы, которые мы часто используем в жизни: ) Семикарбазоном 5-нитрофурфурола является фурацилин - средство для полоскания горла. ) Тиамин - витамин В1 ) Никотин В данной курсовой работе будут рассмотрены синтезы соединений с пятичленными циклами, поскольку их производные распространены в природе и часто являются промышленными продуктами. 1. Классификация гетероциклических соединений с пятичленными циклами В зависимости от природы гетероатома различают кислород-, азот- и серосодержащие соединения (Таб. 1). Так же гетероциклические соединения делятся на насыщенные (Таб. 1 -А) соединения и ненасыщенные (Таб. 1-В), т.е. содержащие кратные связи. Существуют и соединения, в составе которых есть одновременно несколько одинаковых или различных гетероатомов (Таб. 2). В зависимости от числа циклических фрагментов в молекуле различают моноядерные - моноциклические соединения (Таб. 1-А, 1-В, 2-А)и полиядерные - содержащие несколько циклов(Таб. 1-С, 2-В). Таблица 1: А С D Тетрагидрофуран Фуран <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Benzofuran2.sv> <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Isobenzofuran.sv> Бензофуран Изобензофуран Пирролидин Пиррол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Indol2.sv> <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Isoindol.sv> Индол Изоиндол Тетрагидротиофен Тиофен <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Benzothiophen.sv> <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Benzo_c_thiophen.sv> Бензотиофен Изобензотиофен Таблица 2: А В <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Imidazol.sv>Имидазол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Benzimidazol.sv>Бензимидазол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Pyrazol.sv>Пиразол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Indazol.sv> Индазол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Oxazol.sv>Оксазол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Benzoxazol.sv> Бензоксазол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Isoxazol.sv>Изоксазол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Benzisoxazol.sv> Бензизоксазол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Thiazol.sv> Тиазол <http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Benzothiazol.sv> Бензотиазол Существуют и другие соединения, например: 2. Методы синтеза моноядерных насыщенных пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом Все представители этого класса (пирролидин, тетрагидрофуран, тетрагидротиофен) получаются из своих ненасыщенных аналогов каталитическим гидрированием. Каталитическое гидрирование пиррола или 3-пирролина. [1] Декарбонилирование фурфурола с последуюшим гидрированием образующегося фурана. Катализатор первой стадии - Cu(CrO2)2 или Сu-Аl, Cu-Cr-Al, второй- Ni с добавками Сr. Поскольку в этом методе используется возобновляемый ресурс (растительное сырье), этот метод находит все более широкое применение. Метод получения фурана из фурфурола будет рассмотрен ниже. Так же как и тетрагидрофуран тетрагидротиофен можно получить гидрированием тиофена при Т = 240-260oС, Р = 0,5-2,0 МПа, используется катализатор дисульфид вольфрама формулы WS2. [2] Кроме общего метода получения у каждого из соединений существуют свои способы синтеза. Пирролидин получают циклизацией 1-амино-4-галогенбутанов под действием щелочи. Или пирролизом гидрохлорида 1,4-тетраметилендиамина ( путресцина) [3] Тетрогидрофуран производится промышленностью в количестве порядка десятков тысяч тонн в год несколькими способами. Например, синтез по Реппе реакции. Конденсация ацетилена и его монозамещенных гомологов с альдегидами или кетонами, восстановление до бутандиола, с дальнейшей дегидратацией спирта катализируемой кислотой. Тетрагидрофуран можно получить окислением n-бутана до малеинового ангидрида, который в дальнейшем подвергается каталитическому гидрогенированию. [4] Ещё один метод синеза тетрагидротиофена основан на взаимодействие 1,4-дигалогенбутанов с сульфидом натрия при нагревании.[5] . Методы синтеза пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом Общий метод синтеза таких гетероциклов основан на использовании в качестве исходных 1,4-дикарбонильных соединений (метод Пааля-Кнорра). Пирролы образуются по схеме: Аналогично происходит образование фуранов (Z=O) из 1,4-дикарбонильных соединений в кислой среде: Ограничения метода связаны лишь с доступностью 1,4-дикарбонильных соединений. Если они доступны, то циклоконденсация идет с очень высокими выходами, например: Очевидно, что использование 1,4-диальдегидов (или их скрытых форм, например, ацеталей) дает возможность получать 2,5-незамещенные фураны [6]: Аналогично по методу Пааля-Кнорра 1,4 - дикарбонильные соединения реагируют с источниками серы с образованием тиофенов[7]: Выходы значительно растут при использовании в качестве осерняющего агента реактива Лоуссона. Ю.К. Юрьев открыл реакции взаимопревращений пятичленных гетероциклов, которые также применяют с целью их получения. Реакция идет в токе сероводорода, аммиака и воды, при высоких температурах, над окисью алюминия. Наилучшие результаты дают превращения фурана. При превращениях пиррола и тиофена выходы новых гетероциклических соединений очень низкие. Перечисленные выше способы являются общими методами синтеза всех трех пятичленных гетероциклов. Однако для каждого из них в отдельности существуют и специфические методы получения. [8] В лаборатории пиррол получают пиролизом аммонийной соли слизевой кислоты. Так, слизевокислый аммоний при нагревании превращается в свободную кислоту, которая последовательно дегидратируется, декарбоксилируется и циклизуется с участием аммиака, давая пиррол. Широко известен метод синтеза фурфурола (фуран-2-карбальдегида) кислотным гидролизом пентозосодержащих полисахаридов, добываемых из доступного природного сырья (оболочки семян, овес, кукурузные початки, капуста, сахарный тростник). Процесс идет с количественным выходом по схеме [9]: Образующийся фурфурол может быть двумя путями превращен в незамещенный фуран: Реакция Канниццарро позволяет с хорошим выходом превратить фурфурол в фуран-2-карбоновую кислоту, которая термически декарбоксилируется с образованием фурана (путь А), в результате каталитического декарбонилирования фурфурола (в качестве катализатора используется никель) также образуется фуран (путь В). Основное сырье для синтеза тиофенов - углеводороды нефтяных фракций С4 и С5. Их получают циклизацией бутана или бутилена в парах серы при 700оС. По-видимому, на первой стадии происходит хорошо известное дегидрирование углеводородов серой с последующим присоединением сероводорода к ненасыщенным структурам. Способ применим для углеводородов, содержащих не более 5 атомов углерода, для остальных в этих условиях идет крекинг. В промышленности также используют метод получения из ацетилена с сероводородом при 400оС. . Методы синтеза конденсированных пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом Наиболее удобным и распространенным методом построения индольного бицикла служит аннелирование пиррольного кольца к бензольному. Это определяется доступностью, стабильностью и возможностью получения разнообразных функциональных производных бензольного ряда (в основном производных анилина и их синтетических предшественников). К таким методам относится прежде всего синтез Фишера - циклизация арилгидразонов под действием кислых агентов - один из самых известных методов получения широкого круга производных индола. Под действием кислых агентов происходит изомеризация гидразонов в енгидразины, протонирование енаминного атома азота, [3,3]-сигматропная перегруппировка с разрывом связи N-N и образованием связи С-С, циклизация и ароматизация с элиминированием молекулы аммиака. Катализаторами реакции Фишера служат многочисленные кислотные агенты различной природы. Так, известно применение протонных кислот (неорганических и п-толуолсульфокислоты в толуоле), кислот Льюиса (ZnCl2, PCl3), спиртовых растворов HCl, SOCl2 и т.п. Метод имеет один недостаток: при использовании в реакции не симметричных кетонов образуется смесь индолов, если заместитель R2 так же имеет а-метиленовую группу. В других случаях направление циклизации можно контролировать выбором катализатора. Так же индолы можно получить по реакции Бишлера. Метод основан на взаимодействие ариламинов с a-галоген- или a-гидроксикарбонильными соединениями. Процесс усложняется тем, что в присутствии избытка амина и кислого катализатора ариламино кетон может изомеризоваться прежде, чем произойдет циклизация. Это может привести к образованию смеси индолов, если заместители R 1 и R2 не индентичны. Существует много других доступных методов синтеза, но большинство из них ограничено синтезом определенных групп индолов.[10] Бензофуран встречается в каменноугольной смоле, но в полупромышленных масштабах его получают циклизацией 2-этилфенола. Так же могут быть получены простейшие алкилбензофураны. Все синтезы простых производных бензофурана включают стадию замыкания фуранового цикла, происходящую по одному из следующих трёх типов: [11] Синтез кольца обеспечивает более лёгкий путь к продукту, чем электрофильное замещение в исходном гетероцикле. ,3-Бензофуран (I) получают в промышленных масштабах из о-нитроэтилбензола: Наиболее распространенный метод синтеза бензотиофенов состоит в циклизации орто-замещенных бензолов. Например, 2-ацетилбензотиофен можно получить аналогично соотвествующему бензофурану, как было описано выше. Так же можно синтезировать из монозамещенных бензолов внутримолекулярной конденсацией по типу реакции Фриделя-Крафтса. Например, получение 3-метилбензотиофена: Для синтезирования производных изоиндола, изобензотиофена и изобензофурана используют различные реакции циклизации, но ни одна из них не подходит для получения незамещенных соединений. Нестабильные незамещенные гетероциклы лучше всего получать с помощью техники газового пиролиза при пониженном давлении. [12] 5. Методы синтеза пятичленных гетероциклов с двумя гетероатомомами Не существует широко применяемого метода синтеза имидазольного кольца. Впервые имидазол был получен в 1858 году Генрихом Дебюсом конденсацией глиоксаля с аммиаком и формальдегидом: Производные имидазола так же можно получить этим методом, действую аммиаком и формальдегидов на производные глиоксаля. Один из методов получения 2-незамещённых имидазолов является реакция Бредерека, в которой а-гидроксикетон или а-галогенкетон нагревают с формальдегидом. Взаимодействие а-аминокетонов с тиоцианатами или изотиоцианатами приводит к образованию имидазолтиолов-2 (Синтез Марквальда). Сера легко может быть удалена при окислении. [13] Имидадолы можно получить из аминонитрилов и альдегидов. Реакция протекает легко, но её применяют только для синтеза 2,4-дизамещенных имидазолов. [14] В классической методике, разработанной H. Pechmann в 1898 году, пиразол был получен из ацетилена и диазометана. Наиболее общий метод получения пиразолов основан на реакции α, β-ненасыщенных альдегидов с гидразином и последующего дегидрировании. Недостаток этого метода заключается в том, что несимметричные дикарбонильные соединения или их производные могут давать смеси изомерных пиразолов. Хорошие выходы получаются в реакции а-галогеннокетонов с гидразидом ХСSNHNH2 (Х=SR или NR2). В ходе реакции образуются тиадиазины, которые либо самопроизвольно, либо при обработке кислотами элиминируют атом серы и превращаются в пиразолы. [15] Некоторые основные методы синтеза оксазолов и тиазолов аналогичны синтезам для фуранов и тиофенов. Таковым можно назвать метод получения оксазолов - реакция Робинсона-Габриеля. Этот метод аналогичен синтезу фуранов дегидратацией 1,4-дикетонов. Метод заключается в в циклодегидратации а-ациламинокетонов. [16] Некоторые тиазолы (включая незамещенные) получают аналогичным способом реакцией а-ациламинокетонов с пентасульфидом фосфора: Где: 3-HCO2H; 4-Р2S5 Выше уже был описан синтез Бредерека (реакция а-галогенокетонов с формамидом), как путь получения имидазолов, но в присутствии кислоты интермедиаты могут циклизоваться в оксазолы.[17] Существует два наиболее широко применяемых метода построения циклической системы изоксазола: 1) Взаимодействие гидроксиамина с 1,3-дикарбонильными соединениями. Причем из несимметричного карбонильного соединения образуются два изомерных изоксазола. ) 1,3-диполярное циклоприсоединение нитрилоксида к алкенам и алкинам. Этим способом можно получить самые разные изоксазолы варьированием заместителей обоих реагентов. гетероциклический синтез пятичленный гетероатом Общие методы получения изоксазолов не могут быть с легкостью применены для синтеза изотиазолов. Тиогидроксиламино-S-сульфонат калия реагирует по карбонильной группе пропаргилового альдегида, который может циклизоваться в изотиазол в присутствии бикарбоната натрия. Метод получения изотиазолов 1,3-диполярным циклоприсоединением нитрилсульфидов аналогичен получению изоксазолов, но эти реакции более ограничены числом заместителей, которые можно было бы ввести в молекулы. Изотиазолы также могут быть получены из соответствующих изоксазолов восстановительным раскрытием цикла с последующим превращением в тиоамид и окислительной циклизацией. [18] Где: 3- H2/ Ni; 4-Р2О5; 5-хлоранил . Методы синтеза конденсированных пятичленных гетероциклов с двумя гетероатомомами Почти во всех синтезах индазолов исходными соединениями являются производные бензола. Пиразольный цикл может заключаться одним из четырёх возможных способов: Большинство индазолов получают замыканием кольца по типу III, поэтому ниже будут приведены примеры этого типа: 1) Получают индазол и его замещенные из о-гидразинокоричной, o-гидразинобензойной или о-гидразинофенилглиоксалевой кислот. 2) Циклизацией N-нитрозо-N-ацетил-о-толуидина (получают действием азотной кислотой на N-ацетил-о-толуидина), которая протекает с выделением уксусной кислоты.[19] Бензимидазолы получают из о-фенилендиаминов или замещенных о-фенилендиаминов и кислот или их производных. Ланденбург первым отметил,что монозамещенные производные о-фенилендиамина при простом нагревании легко переходят в соотвествующие бензимидазолы. Так как моноацильные производные легкодоступны,этот метод является удобным для синтеза бензимидазолов. Первая стадия реакции сходна с другими реакциями аминолиза карбонильных соединений, когда происходит присоединение группы N-H к карбонильной группе. На этой стадии происходит образование циклического соединения (дигидробензимидазола), которое теряет молекулу воды и переходит в нужный бензимидазол. [20] Бензоксазол получают взаимодействие о-аминофенола с карбоновыми кислотами и их производными при нагревании. [21] Бензотиазол получается при нагревании о-аминотиофенола (получают путём расщепления бензотиазолин-2-тиона щелочью при высоких температурах) с ортомуравьиным эфиром в присутствии каталитического количества серной кислоты образуется бензотиазол. А так же по реакции о-аминотиофенола с хлорангидридами и ангидридами кислот. Промежуточными соединениями являются о-ациламинотиофенолы, которые легко подвергаются циклизации. Некоторые общие методы, используемые для получения конденсированных систем, приведены ниже: Методы синтеза бензизотиазолов родственны способам получения моноциклическим системам, в которых связь N-S образуется при окислении. Для метода получения бензизоксазолов, было установлено, что кольцевой атом кислорода образуется из нитро-, а не из карбонильной группы. [22] . Экспериментальная часть: получение индазола Индазол получали циклизацией N-нитрозо-N-ацетил-о-толуидина (который был получен действием азотной кислотой на N-ацетил-о-толуидина), которая протекает с выделением уксусной кислоты. . Получение N-ацетил-о-толуидина В круглодонной двугорловой колбе, снабженной магнитной мешалкой и обратным холодильником, растворяли 15 г о-толуидина в 27 мл бензола. Затем осторожно в течение 15 мин приливали из капельной воронки 14,4 г уксусного ангидрида. При этом реакционная смесь разогревалась до кипения. По окончании прибавления уксусного ангидрида смеси давали охладиться. По мере охлаждения содержимое колбы закристаллизовывалось. К смеси добавляли равный объем воды и выпавшие кристаллы отсасывали на воронке Бюхнера, промывали холодной водой. Полученный продукт высушивали на воздухе. Выход 15,4 г (74%) 2. Получение N-нитрозо-N-ацетил-о-толуидина. В стакане, снабжённом мешалкой, суспендировали 15,4 г N-ацетил-о-толуидина в 103 мл толуола и смесь охлаждали до 0-5 оС. При интенсивном перемешивании приливали 18 мл концентрированной НCl и, следя за тем, чтобы температура реакционной массы не поднималась выше 5 оС, порциями прибавляли 10,8 г твердого нитрита натрия (Тяга!). После этого содержимое стакана перемешивали ещё 2 час при температуре 5 оС и выливали в 103 мл холодной воды. Толуольный слой отделяли, промывали 26 мл 10%-ного раствора Na2CO3. Водой (26 мл) и в течение 20 мин сушили хлоридом кальция. . Получение индазола. Раствор N-нитрозо-N-ацетил-о-толуидина перенесли в пол-литровую круглодонную колбу обратным холодильником и осторожно нагревали до начала экзотермической реакции циклизации. После прекращения самопроизвольного кипения, смесь нагревали ещё 5 мин. Затем отгоняли с водяным паром большую часть толуола, добавили 20,5 18%-ной HCl и продолжили отгонять остатки толуола водяным паром. Колбу охлаждали, водный раствор гидрохлорида индазола нейтрализовали NH4OH. Выпавший осадок индазола отфильтровывают, промывают холодной водой (20 мл). Перекристаллизовывали из 50 частей воды[23]. Выход: 6,5 г (79%) Тпл= 151оС Вывод В ходе курсовой работы были рассмотрены методы синтеза некоторых гетероциклических соединений с пятичленными циклами. Были описаны общие методы получения группы соединений, синтезы применяемые в промышленности и в лабораториях. Был проведен опыт по получению одного из гетероциклических соединений с пятичленным циклом, а именно, индазола. В данной курсовой работе было обобщено большое количество методов получения веществ и выбраны наиболее полезные для практического применения. Список литературы 1. Моррисон, Бойд. "Органическая химия", (1974 г.) стр. 1022 . http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4398.html . http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3368.html . http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4398.html . Моррисон, Бойд. "Органическая химия", (1974 г.) стр. 1022 . http://www.chem.msu.su/rus/teaching/urovskaja/getero.pdf . Джоуль, Миллс "Химия гетероциклических соединений" (2004 г.) стр. 368 . http://www.chem.msu.su/rus/teaching/urovskaja/getero.pdf . Моррисон, Бойд. "Органическая химия", (1974 г) стр. 1018 . Джоуль, Миллс "Химия гетероциклических соединений" (2004 г.) стр. 268-271 11. Эльдерфилд "Гетероциклические соединения", том 2, (1954 г.) стр. 6 . Джилкрист Т. "Химия гетероциклических соединений", (1996 г.) стр. 281-283 . Джилкрист Т. "Химия гетероциклических соединений", (1996 г.) стр. 347 . Эльдерфилд "Гетероциклические соединения", том 5, (1961 г.) стр. 179 . Джилкрист Т. "Химия гетероциклических соединений", (1996 г.) стр. 352 . Эльдерфилд "Гетероциклические соединения", том 5, (1961 г) стр. 243 . Джилкрист Т. "Химия гетероциклических соединений", (1996 г) стр. 366-367 . Джилкрист Т. "Химия гетероциклических соединений", (1996 г) стр. 375-377 . Эльдерфилд "Гетероциклические соединения", том 5, (1961 г.) стр. 136-138 . Эльдерфилд "Гетероциклические соединения", том 5, (1961 г.) стр. 217 . Эльдерфилд "Гетероциклические соединения", том 5, (1961 г.) стр. 349 . Джилкрист Т. "Химия гетероциклических соединений", (1996 г.) стр. 377 . Пожарский А.Ф. Анисимова В.А., "Практические работы по химии гетероциклов" (1988 г.) стр. 77-78 Скачать архив (450.8 Kb) Схожие материалы: |
| Всего комментариев: 0 | |