ТЕМА 25
Фуран, тиофен и пирол
Хетероциклените съединения са циклични органични съединения, съдържащи в цикъла си не
само въглеродни атоми, но и атоми на други елементи (хетероатоми).
Най-разпространени в природата са пет- и шестчленните цикли, които съдържат О, N или S.
Валентните им ъгли вътре в хетероцикъла НE се различават много от тези в цикъла, изграден
само от C атоми.
Три- и четири- членните хетероцикли са напрегнати, нетрайни и лесно се отварят понеже
валентните ъгли са по-малки от 109.5о
Класифицират се според :
- природата на хетероатома
- броя на хетероатомите
- степента на наситеност на хетероцикъла - наситени, ненаситени, ароматни
Хетероатоми – многовалентните елементи, които могат да вземат участие при образуване на
пръстена на хетероциклените съединения като особено място заемат N2, O2, и S.
1. Пространствен и електронен строеж
Фуран, тиофен и пирол са петатомни хетероциклени съединения с един хетероатом.
5


3 
4
O1
2 



N
H
S1

тиофен
(тиол)
фуран
(оксол)
пирол
(азол)
H
циклопентадиениден йон

2. Получаване
Фуранът и неговите производни фурфурал и пиролигава киселина са евтини търговски продукти.
O
фуран
O
CHO
фурфурал
O
COOH
пиролигава
киселина
(furoic acid)
Фурфурал се получава удобно от природни суровини — пентозани (полизахариди, изградени от пентозни звена):
о
т
И. Иванов — Фуран, тиофен и пирол
пентозани
Н2О/Н+
пентози
H
CHO
H
CHO
HO
H
(CHOH)3
CH2OH
HO
OH
OH
CHO
+
H
-3H2O
O
CH2
Самият фуран се образува лесно при декарбонилиране на фурфурал или
декарбоксилиране на пиролигава киселина.
Тиофен се получава чрез дехидрогениране (дехидроциклизация) на бутан,
бутен или бутадиен със сяра:
CH2
CH3
+ 4S
CH2
600oC
S + 3H2S
CH3
Най-евтин пирол се изолира от каменовъгления катран.
Той може да се по-лучи също и от фуран с амоняк:
Съществува общ метод на Паал-Кнор (Paal-Knorr) за синтез на трите типа
хетероцикли от 1,4-дикарбонилни съединения:
R
P2 O 5
R
R
R
O
OH
O
OH
R
1,4-дикетон
O
NH3
NH
R
R
диенол
R
P2S5
R
S
R
3. Физични свойства
Те са безцветни течности:
фуран: т. к. 31 С; тиофен: т. к. 84 С; пирол: т. к. 131 С (само пиролът
може да образува водородни връзки).
2
И. Иванов — Фуран, тиофен и пирол
Фуранът и ти-офенът са неполярни леснолетливи течности, пиролът е
разтворим във вода.
4. Химични свойства
Разглежданите петатомни хетероцикли участват в реакции на електрофилно заместване (SE), характерни за ароматните съединения. Фуранът има
склонност да участвува и в някои реакции, типични за спрегнатите диени.
Следователно неговата ароматност е най-слабо изразена. Пиролът се отнася като активирана ароматна система (подобно на фенола). Найстабилна е ароматната система на тиофена. Обяснението трябва да се
търси в различната електроотрицателност на хетероатомите, която намалява в реда O > N > S. Колкото по-голяма е тя, толкова в по-малка степен
хетероатомът ще отдава свободната си електронна двойка за рπ-делокализация и толкова по-слабо изразена ще е ароматността.
Реакционната им способност спрямо реакциите SE намалява в реда:
NH
>
O
>
S
>>
3
И. Иванов — Фуран, тиофен и пирол
Така например, тиофенът реагира при SE-реакциите 107 пъти по-бързо от
бензена; SE-реакциите протичат предимно на -място:
S

O
C O
O 2N
(CH3CO)2O
-10oC
+ CH3
70% -NO2
5% -NO
2
смесен
анхидрид
(ацетилнитрат)
региоселективно!
(а) Ацилиране:
+ (CH3CO)2O BF3
O
COCH3
O
добив 92%
2-ацетилфуран
+ (CH3CO)2O
H3PO4
S
N
H
COCH3
S
+ (CH3CO)2O без
катал.
2-ацетилтиофен
добив 94%
COCH3
N
H
2-ацетилпирол
добив 60%
(б) Халогениране — фуранът първоначално присъединява халогена
на 1,4-място, подобно на спрегнат диен (вж. 1,3-бутадиен), след което се
елиминира халогеноводород:
25oC
+ Br2
H
O
Br
H
O
Br
-HBr
O
Br
2-бромофуран
Cl2
O
- HCl
Cl
O
2-хлорофуран (добив 64%)
+ I2 (Cl2)
S
S
I(Cl)
+ HI (HCl)
4
И. Иванов — Фуран, тиофен и пирол
Пиролът се хлорира удобно със сулфурилхлорид (Et = C2H5):
0oC
+ SO2Cl2 + Et2O
+
N
H
Cl
N
H
-
+ (Et2OH)Cl + SO2
(в) Сулфониране. Фуранът и пиролът са много чувствителни към протонови киселини (превръщат се в смоли) и не могат да се сулфонират или
нитрират при класическите условия.
H

O
 + H+
(H2SO4)
H
тъмнокафяв
полимер
(смолообразен)
O
H
O
също пирол
Само тиофенът се сулфонира директно с конц. сярна киселина и то
много по-лесно от бензена — още при стайна температура:
H2SO4
25oC
S
2-тиофенсулфонова
SO3H киселина
S
76%
(г) Нитрирането също протича региоселективно на α-място; само тиофенът се нитрира директно с азотна киселина:
HNO3
+ H2O
NO
2
S
S
Трите петатомни хетероцикли дават с ацетилнитрат следните продукти:
CH3
S
 +
C
O2N
O
NO2
(CH3CO)2O
O
S
70%
-нитротиофен
CH3CO.O.NO2
O
0oC
+
NO2
- 10 oC
NO2
O
+
S
5%
-нитротиофен
2
O2N
5
O
NO2
смес
N
H
CH3CO.O.NO2
-10oC
NO2
N
H
NO2
50% -NO2
+
N
H
+
13% -NO2
5
И. Иванов — Фуран, тиофен и пирол
Пиролът се отнася по-скоро като NH-киселина, отколкото като база, въпреки че формално представлява вторичен амин. Слабата базичност е още
едно доказателство за ароматния му строеж. С алкална основа или с
реактив на Гриняр (R-MgX) се получават съответните соли, които могат да
се използват за N-алкилиране, тъй като анионът на пирола е добър нуклеофил:
H+
H
много слаба база!!
N
H
N
H
+ КОН
- H2O
N
полимер
H
CH3I
K
N
MgX
+ K+I-
CH3
N-метилпирол
пирол-калий
+ RMgX
N
SN
+ R-H
5. Биологичноактивни производни на пирола
Порфинът представлява стабилна, напълно спрегната циклична система с
ароматен електронен строеж (18-атомен пръстен, 18 π-електрона). Порфирини се наричат природните съединения, производни на порфина, със заместители при някои от въглеродните атоми и с комплексно свързан метален катион между азотните атоми. Най-голямо значение от тях имат хлорофилът (зеленият пигмент на растенията, отговорен за фотосинтеза) и
хемът (ярко червено съединение, изолирано от хемоглобина на кръвта).
Порфинът се получава от α-пиролкарбалдехид и мравчена киселина при нагряване:
N
H
HCOOH
4
CHO
N
H
N
N
H
N
порфин
6
И. Иванов — Фуран, тиофен и пирол
Хлорофилът е магнезиев комплекс (Mg2+) с порфиновия пръстен, има пет
хирални центъра и е оптично активен. Разтворим е в неполярни органични
разтворители.
N
N
Mg
N
N
O
Хлорофил а
COOCH3
H3C
COO
За разлика от хлорофила хемът няма стереоцентрове. Той е комплекс на
двувалентното желязо (Fe2+). Подобен комплекс на тривалентното желязо е
хеминът. Като фрагмент от голямата белтъчна молекула на хемоглобина,
хеминът пренася молекулния кислород до клетките и свързва отделящия се
въглероден диоксид при дишането, тъй като желязото образува метастабилни комплекси с молекулите на тези два газа. При отравяне с алкални
цианиди или циановодород цианидните йони блокират железните йони в
хемоглобина със здрави донорно-акцепторни връзки, като по този начин
причиняват задушаване на организма.
COOH
H3 C
N
N
H3 C
Fe
COOH
N
CH3
N
CH3
Хем
Витамин В12 (цианокобаламин) също съдържа порфинов участък и представлява комплекс на кобалта (Co3+).
7
И. Иванов — Фуран, тиофен и пирол
Фуран - хетероциклично органично съединение, състоящо се от петчленен ароматен
пръстен с четири въглеродни атома и един кислород. Химичните съединения, съдържащи
такива пръстени, също се наричат фуранозни.
Фурана е безцветна, запалима, силно летлива течност с точка на кипене, близка до стайна
температура. Фураните са летливи, доста стабилни съединения с приятна миризма.
Фуранът е слабо разтворим във вода и е разтворим в обикновени органични разтворители,
включително алкохол, етер и ацетон. Той е токсичен и може да бъде канцерогенен при
хората.
Пирол (азол)– хетероциклено ароматно органично съединение, с петчленен пръстен с
молекулна формула C4H4NH. Това е безцветна летлива течност, която потъмнява лесно при
излагане на въздух. Заместените производни се наричат също пироли, например Nметилпирол, C4H4NCH3.
____________________________________________________________________________
Тиофенът е хетероциклено съединение с формула C4H4S. Състои се от петчленен
пръстен, с ароматен характер, участва в реакции на заместване.
Това е безцветна течност с миризма, наподобяваща бензен. В повечето си реакции прилича
на бензен. Съединения, аналогични на тиофен, включват фуран (C4H4O), селенофен
(C4H4Se), и пирол (C4H4NH), всеки от които варира в зависимост от хетероатома в
пръстена.
8