ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Азотсодержащие пятичленные гетероциклы из "Физические методы в химии гетероциклических соединений" Для этих соединений мы рассмотрим только реакции электрофильного замещения, так как нуклеофильное замещение, по-видимому, не имеет места, если только циклическое сопряжение не нарушено присоединением протона. Основность рассматриваемых соединений не очень велика, так что электрофильное замещение может происходить либо в нейтральных молекулах, либо в их сопряженных основаниях, которые образуются при уходе протона от азота иминогруппы. Имеются кинетические данные, показывающие, что в нейтральных и кислых средах в реакции замещения вступает нейтральная молекула во-первых, в интервале pH 4—6 скорость азосочетания индола не зависит от pH [8], и, во-вторых, при замене водорода иминогруппы метильной группой скорость иодирования некоторых замещенных пирролов увеличивается очень незначительно [48]. В более основных средах преобладающим может стать электрофильное замещение в сопряженных основаниях. [c.151] Электрофильное замещение в индоле, по-видимому, происходит наиболее легко в положение 3. Выводы о том, что азосочетание и иодирование индола направляются в положение 3, основаны главным образом на том, что 2-метилпндол может вступать в обе эти реакции, в то время как 3-метилиндол к ним неспособен. Вывод о большей реакционной способности положения 3 подтверждается изучением протонизации замещенных индолов по данным ЯМР, это положение является наиболее основным [63]. Тем не менее известны реакции замещения, протекающие в положение 2. К ним относятся хлорирование хлористым сульфурилом и сульфирование, которое, как сообщалось, происходит в положения 1, 2 или 3, в зависимости от условий. Вероятно, по своей электрофильной реакционной способности положение 2 занимает следующее место за положением 3. [c.152] В карбазоле наиболее реакционноспособным в электрофильном замещении является положение 3, хотя реакционная способность положения 1 лишь незначительно меньше. На схеме 7 показаны факторы парциальных скоростей для реакции нитрования в уксусном ангидриде [47]. [c.152] Некоторые реакции рассматриваемых соединений протекают в сильно основных средах, но продукты этих реакций и их механизм изучены, по-видимому, не настолько хорошо, чтобы можно было с уверенностью обсуждать реакционную способность сопряженных оснований по отношению к электрофильным реагентам. Очевидно, сопряженное основание пиррола может подвергаться замещению в положения 1, 2 или 3, в зависимости от реагента и условий реак ции сопряженное основание индола обычно реагирует в положения 1 или 3. Обстоятельные, хотя и несколько противоречивые дан-ные по ориентации в этих реакциях, суммированы Катрицким и Лаговской [71Ь]. При этих реакциях часто и с большим выходом образуются продукты замещения водорода иминогруппы [ср. 91, 102]. Это становится понятным, если учесть, что в сопряженных основаниях (но не в нейтральных молекулах) атом азота является наиболее основным центром. [c.153] Кислотно-основное равновесие имидазола было изображено на схеме 1 (стр. 129). Сопряженное основание и сопряженная кислота имидазола имеют плоскость симметрии, которая перпендикулярна плоскости молекулы и делит пополам связь 4—5 таким образом, положения 4 и 5 эквивалентны. Они эквивалентны и в ней-тральной молекуле, вследствие таутомерии амидиновой системы —ЫН—СН = Ы—, но перестают быть эквивалентными в М-заме-щенных имидазолах. Очевидно, в реакции электрофильного замещения могут вступать и сопряженная кислота, и нейтральная молекула, и сопряженное основание имидазола. [c.153] Электрофильное замещение в сопряженной кислоте происходит, по-видимому, только в положение 4(5). Лучше всего это подтверждается реакцией нитрования, кинетическое уравнение которой соответствует участию в реакции сопряженной кислоты [12] при этом образуется 4 (5)-нитроимидазол. В продуктах реакции не обнаружено 2-нитроимидазола. Считается, что 4, 5-диметилимидазол не вступает в реакцию нитрования. Та же самая ориентация наблюдается при сульфировании. [c.153] Как уже было показано, к такого рода реакциям относятся азосочетание и иодирование. Азосочетание описывается простым кинетическим уравнением и протекает предпочтительнее всего в положение 2 без заметного изотопного эффекта [22, 57а, Ь]. Иодирование протекает с большим изотопным эффектом ( н/ о = 4) и кинетика реакции более сложна. Как уже отмечалось (раздел I, А, 2 и 3), по своей кинетике иодирование имидазола весьма сходно с иодированием сопряженного основания фенола [57Ь]. В условиях исследования кинетики при иодировании получается 2,4-ди-иодимидазол, но вначале, в отличие от азосочетания, замещается, по-видимому, положение 4 [57а, Ь]. Различный изотопный эффект этих реакций показывает, что при азосочетании определяющей является первая стадия в уравнении 1 (раздел I, А, 3), а при иодировании — вторая (ср. [57а]). В обеих реакциях различие между реакционной способностью различных положений, вероятно, невелико и обе они легко приводят к образованию дизамещенных соединений. [c.154] Дейтерирование имидазола в сильноосновных средах первоначально происходит в положение 2 в эту реакцию, возможно, также вступает сопряженное основание [56] . [c.154] Эти соединения по своим кислотно-основным свойствам и, следовательно, по разнообразию вступающих в реакцию форм весьма сходны с имидазолом. Однако механизмы реакции замещения в этих диазолах изучены значительно менее подробно и поэтому рассматриваются здесь в самых общих чертах. [c.154] Более сложная ориентация наблюдается при электрофильном замещении в бензимидазоле и индазоле. При нитровании бенз-имидазола образуется, по-видимому, только 5 (6)-нитропроизводное [103]. Сообщалось, что 2-метилбензимидазол в уксусной кислоте бромируется в положение 4, однако повторное исследование показало, что при этом получается 5(6)-бромпроизводное [103]. В слабощелочной среде дейтерирование бензимидазола наиболее легко протекает в положение 2 [96]. Вероятно, в это же положение направляется и иодирование. Эти результаты позволяют предполагать, что электрофильное замещение в нейтральной молекуле и, возможно, в сопряженной кислоте бензимидазола направляется главным образом в положение 5(6), в то время как в сопряженном основании — главным образом в положение 2. Несомненно, здесь желательно дальнейшее изучение механизмов реакций . [c.155] Индазол нитруется в положение 5, но в слабощелочной среде некоторые реакции (например, азосочетание) происходят в положение 3. Было показано, что в эту реакцию вступает сопряженное основание индазола [21]. Замещение в положение 3 может происходить не только в сопряженном основании, так как при бромировании 1-метилиндазола получается 3,5-дибромпроиз-водное. [c.155] Принять совершенно другое значение кулоновского интеграла [27Ь]. В самом деле, если из молекулы пиридина и из молекулы Пиррола удалить по бл-электронов, то получились бы ионы с зарядом -Ьб но в то время как в катионе из пиридина заряд атома азота был бы -Ь1, в катионе из пиррола он был бы н-2. Следовательно, пиррольный азот является более электроотрицательным. При переходе от этих катионов к нейтральным молекулам различие в электроотрицательности атомов азота частично компенсируется большей я-электронной плотностью у пиррольного азота, но недавние неэмпирические расчеты показали, что в пирроле кулоновский интеграл для атома азота, вероятно, должен все-таки быть значительно более отрицательным, чем в пиридине. Для него были предложены значения кулоновского интеграла a-M,9 и вспомогательного индуктивного параметра 0,3 [27Ь]. [c.156] Одно время считали, что в сопряженном основании пиррола кулоновский интеграл атома азота менее отрицателен, чем кулоновский интеграл смежных с ним атомов углерода (обращение электроотрицательности). Однако недавние неэмпирические расчеты показали, что в этом анионе я-электроны почти равномерно распределены по всем пяти атомам [27с], так что в расчетах по простому методу МО для атомов углерода и азота должны быть приняты одинаковые значения кулоновских интегралов. [c.156] Для нейтральной молекулы пиразола наибольшая электронная плотность в положении 5 (схема 8) также не соответствует химическим данным. Тот факт, что электрофильное замещение происходит в положение 4, пытались объяснить перемещением протона между 1 и 2 положениями во время приближения электрофильного агента. Считалось, что это ведет к выравниванию электронной плотности в 3 и 5 положениях, так что наибольшая электронная плотность оказывается в положении 4. Однако это не объясняет, почему галогенирование N-замещенных пиразолов также происходит в положение 4. [c.157] Судя по я-электронным плотностям, в сопряженной кислоте бензимидазола электрофильное замещение должно направляться в положение 4, в нейтральной молекуле — в положения 4 и 5, а в сопряженном основании — в положение 2 [25]. Это не соответствует исключительному замещению в положение 5 при нитровании бензимидазола. Таким образом, взятые вместе данные этого раздела подтверждают сделанный ранее вывод (раздел П,Г, 2), что в общем не существует соответствия между распределением я-электронов и химической реакционной способностью. Возможность существования ограниченных корреляций, применимых только к весьма реакционноспособным ароматическим гетероциклам, будет рассмотрена в дальнейшем (раздел V, А). [c.157] Эти величины известны для пиррола, индола и карбазола. При их расчете использовались различные значения кулоновского интеграла атома азота, но вспомогательный индуктивный параметр к всюду принимался равным нулю [20]. При А = 2,0 расчеты правильно предсказывают реакционную способность пиррола и индола по отношению к электрофильным реагентам, но они оказываются не вполне верными в случае карбазола (предсказанный порядок замещения 1 4 3 2 экспериментальные данные см. на схеме 7, стр. 152). [c.158] Энергии локализации для электрофильного замещения в бензимидазоле предсказывают, что все три реакционноспособных формы должны замещаться в положение 4 [25]. Это не соответствует образованию 5-нитро- или 2-дейтеропроизводных. Сомнительно, чтобы какая-либо реакция электрофильного замещения протекала предпочтительнее в положение 4. [c.159] Вернуться к основной статье