Страница 155 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

4.109. Расположите следующие соединения в порядке увеличения ароматичности:

1) пиррол

2) тиофен

3) бензол

4) фуран

Решение

Для того чтобы расположить соединения в порядке увеличения ароматичности, необходимо сравнить их относительную термодинамическую стабильность, обусловленную делокализацией $\pi$-электронов. Все четыре соединения (бензол, пиррол, тиофен, фуран) являются ароматическими, так как они соответствуют критериям Хюккеля: они являются циклическими, плоскими молекулами и содержат $4n+2$ $\pi$-электронов в сопряженной системе (в данном случае 6 $\pi$-электронов, что соответствует $n=1$).

Степень ароматичности количественно выражается энергией резонансной стабилизации (или энергией ароматизации). Чем выше эта энергия, тем более ароматичным является соединение. Сравним данные соединения.

4) фуран

Ароматическая система фурана включает 4 $\pi$-электрона от атомов углерода и неподеленную электронную пару атома кислорода. Кислород — самый электроотрицательный из всех представленных гетероатомов. Он сильно удерживает свои электроны, что затрудняет их включение в общую $\pi$-систему цикла. Вследствие этого делокализация электронов в фуране наименее эффективна, и он обладает самой низкой энергией резонанса в этом ряду (около 67 кДж/моль). Это делает фуран наименее ароматичным соединением.

1) пиррол

Атом азота в пирроле менее электроотрицателен, чем атом кислорода в фуране. Поэтому неподеленная электронная пара азота легче вступает в сопряжение с $\pi$-электронами цикла. Это приводит к более эффективной делокализации и большей энергии резонанса (около 88 кДж/моль) по сравнению с фураном. Следовательно, пиррол является более ароматичным соединением, чем фуран.

2) тиофен

Атом серы в тиофене имеет еще меньшую электроотрицательность, чем азот. Хотя 3p-орбиталь серы хуже перекрывается с 2p-орбиталями углерода из-за разницы в размерах и энергии, низкая электроотрицательность серы и возможное участие ее вакантных d-орбиталей в сопряжении приводят к значительной стабилизации. Энергия резонанса тиофена (около 121 кДж/моль) выше, чем у пиррола и фурана, что делает его более ароматичным.

3) бензол

Бензол является эталоном ароматичности. Его шестичленный цикл состоит только из одинаковых атомов углерода ($sp^2$-гибридизованных), что обеспечивает идеальную, симметричную делокализацию шести $\pi$-электронов по всему кольцу. Это приводит к максимальной энергии резонансной стабилизации среди всех представленных соединений (около 150 кДж/моль). Бензол — самое ароматичное соединение в данном списке.

Таким образом, располагая соединения в порядке увеличения их энергии резонанса, а значит и ароматичности, мы получаем следующий ряд: фуран < пиррол < тиофен < бензол.

Ответ: 4) фуран < 1) пиррол < 2) тиофен < 3) бензол.

4.110. Установите соответствие между гетероциклом и реагентом, который нужно добавить к гександиону-2,5, чтобы получить указанный гетероцикл.

Решение

Для решения данной задачи необходимо знать методы синтеза пятичленных гетероциклических соединений из 1,4-дикарбонильных соединений, известные как синтез Пааля-Кнорра. Исходным веществом является гександион-2,5, имеющий следующую структуру:

$CH_3-C(O)-CH_2-CH_2-C(O)-CH_3$

Это соединение способно к кето-енольной таутомерии, и его диенольная форма является ключевым интермедиатом в реакциях циклизации:

$CH_3-C(O)-CH_2-CH_2-C(O)-CH_3 \rightleftharpoons CH_3-C(OH)=CH-CH=C(OH)-CH_3$

А) 2,5-диметилфуран

2,5-диметилфуран — это пятичленный гетероцикл с атомом кислорода. Его получают из гександиона-2,5 путем внутримолекулярной дегидратации (отщепления воды) его диенольной формы. Этот процесс обычно катализируется сильной кислотой (например, серной или соляной) при нагревании. Кислота протонирует гидроксильные группы енола, облегчая их уход в виде молекулы воды и последующее замыкание цикла.

Схема реакции:

$CH_3C(O)CH_2CH_2C(O)CH_3 \xrightarrow{H^+, \Delta} \text{2,5-диметилфуран} + H_2O$

Таким образом, для получения 2,5-диметилфурана к гександиону-2,5 необходимо добавить кислоту.

Ответ: 2) кислота

Б) 2,5-диметилпиррол

2,5-диметилпиррол — это пятичленный гетероцикл с атомом азота. По методу Пааля-Кнорра, пирролы синтезируют реакцией 1,4-дикарбонильных соединений с аммиаком ($NH_3$) или первичными аминами. Атом азота из аммиака встраивается в цикл, замещая атомы кислорода карбонильных групп. Реакция включает стадии образования имина, циклизации и дегидратации.

Схема реакции:

$CH_3C(O)CH_2CH_2C(O)CH_3 + NH_3 \xrightarrow{\Delta} \text{2,5-диметилпиррол} + 2H_2O$

Следовательно, для получения 2,5-диметилпиррола необходим аммиак.

Ответ: 3) аммиак

В) 2,5-диметилтиофен

2,5-диметилтиофен — это пятичленный гетероцикл с атомом серы. Для его синтеза по методу Пааля-Кнорра необходимо заменить атомы кислорода в гександионе-2,5 на атомы серы. Для этого используют сульфирующие (тионирующие) реагенты. Классическим реагентом для такого превращения является сульфид фосфора(V) ($P_2S_5$, который существует в виде димера $P_4S_{10}$). Он эффективно заменяет карбонильные атомы кислорода на серу, после чего происходит циклизация.

Схема реакции (упрощенно):

$CH_3C(O)CH_2CH_2C(O)CH_3 + P_2S_5 \xrightarrow{\Delta} \text{2,5-диметилтиофен}$

Таким образом, для синтеза 2,5-диметилтиофена используют сульфид фосфора(V).

Ответ: 5) сульфид фосфора (V)

4.111. Установите соответствие между реагентом и продуктом его взаимодействия с пиридином.

А) амид натрия

Взаимодействие пиридина с амидом натрия ($NaNH_2$) в жидком аммиаке или инертном растворителе при нагревании — это именная реакция А. Е. Чичибабина. Она представляет собой прямое аминирование гетероцикла. Амид-анион ($NH_2^-$) является очень сильным нуклеофилом и атакует электронодефицитное пиридиновое кольцо. Атака преимущественно направлена в положение 2 (α-положение), так как оно наиболее электрофильное. В результате реакции после обработки водой образуется 2-аминопиридин.

Ответ: 2

Б) бромэтан

Атом азота в молекуле пиридина имеет неподеленную электронную пару, что обуславливает его основные и нуклеофильные свойства. Бромэтан ($C_2H_5Br$) является алкилирующим агентом. При их взаимодействии происходит реакция N-алкилирования по механизму нуклеофильного замещения ($S_N2$). Нуклеофильный атом азота атакует атом углерода в бромэтане, связанный с атомом брома, что приводит к отщеплению бромид-иона и образованию четвертичной аммониевой соли — соли N-этилпиридиния (в данном случае, бромида N-этилпиридиния).

Ответ: 1

В) бром/олеум

Пиридиновое кольцо является электронодефицитной ароматической системой, поэтому реакции электрофильного замещения для него затруднены и требуют жестких условий. В сильнокислой среде (олеум — раствор $SO_3$ в $H_2SO_4$) пиридин протонируется, образуя пиридиниевый катион $[C_5H_5NH]^+$, который еще более дезактивирован к электрофильной атаке. Электрофильное замещение (в данном случае бромирование) протекает в наименее дезактивированное положение 3 (β-положение). Таким образом, продуктом реакции является 3-бромпиридин.

Ответ: 6

Г) мета-хлорпербензойная кислота

Мета-хлорпербензойная кислота (м-ХПБК) является надкислотой и широко используется в органическом синтезе в качестве мягкого окислителя. Она способна окислять нуклеофильные центры, в том числе и атом азота в пиридине с его неподеленной электронной парой. В результате этой реакции происходит N-окисление, и образуется пиридин-N-оксид.

Ответ: 7

4.112. Почему пиррол в реакциях электрофильного замещения в основном реагирует по $\mathrm{\alpha }$-положению, а индол по $\mathrm{\beta }$-положению?

Решение

Направление реакций электрофильного замещения в ароматических гетероциклах определяется относительной стабильностью промежуточно образующихся σ-комплексов (арениевых ионов). Атака электрофила происходит по тому положению, которое ведет к образованию наиболее стабильного катиона, то есть катиона, чей положительный заряд в наибольшей степени делокализован.

Пиррол

В молекуле пиррола имеются два типа положений для атаки: α-положения (C2 и C5) и β-положения (C3 и C4).

1. Атака электрофила (E⁺) по α-положению (C2):

При присоединении электрофила к атому C2 образуется σ-комплекс, стабильность которого обеспечивается делокализацией положительного заряда по трем атомам. Это можно представить с помощью трех основных резонансных структур. В одной из этих структур каждый атом (кроме водорода) имеет завершенную электронную оболочку (октет), что вносит особенно большой вклад в стабилизацию.

2. Атака электрофила (E⁺) по β-положению (C3):

При атаке по атому C3 образуется σ-комплекс, в котором положительный заряд делокализован только между двумя атомами. Соответственно, его можно описать только двумя основными резонансными структурами. Этот интермедиат является менее стабильным по сравнению с интермедиатом от α-атаки.

Таким образом, поскольку атака по α-положению приводит к более стабильному σ-комплексу (больше резонансных структур), реакции электрофильного замещения для пиррола идут преимущественно в α-положение.

Индол

В молекуле индола электрофильное замещение происходит в более электронно-избыточном пиррольном кольце. Наиболее вероятными положениями для атаки являются C2 (α-положение) и C3 (β-положение).

1. Атака электрофила (E⁺) по β-положению (C3):

Присоединение электрофила к атому C3 приводит к образованию катиона, в котором положительный заряд на атоме C2 эффективно стабилизируется за счет неподеленной электронной пары атома азота. Важнейшим фактором является то, что при этой стабилизации не нарушается ароматическая система конденсированного бензольного кольца. Ароматичность бензольного кольца вносит огромный вклад в общую стабильность молекулы, и ее сохранение энергетически очень выгодно.

2. Атака электрофила (E⁺) по α-положению (C2):

При атаке по атому C2 положительный заряд возникает на атоме C3. Стабилизация этого катиона за счет неподеленной пары электронов атома азота возможна, но она неизбежно приводит к нарушению ароматичности бензольного кольца. Образующийся интермедиат (индолениниевый ион) теряет значительную энергию стабилизации, связанную с ароматическим секстетом бензольного ядра, и поэтому является гораздо менее стабильным, чем интермедиат от β-атаки.

Следовательно, атака по β-положению индола является предпочтительной, так как она ведет к образованию более стабильного интермедиата, в котором сохраняется ароматичность бензольного кольца.

Ответ: Пиррол реагирует по α-положению, так как промежуточный σ-комплекс в этом случае стабилизирован большим числом резонансных структур (три) по сравнению с атакой по β-положению (две структуры), что делает его энергетически более выгодным. Индол реагирует по β-положению, потому что образующийся при этом σ-комплекс стабилизируется неподеленной парой электронов азота без нарушения ароматической системы конденсированного бензольного кольца. Атака по α-положению индола привела бы к интермедиату, в котором ароматичность бензольного кольца нарушается, что энергетически крайне невыгодно.

4.113. Как повысить способность пиридина участвовать в реакциях электрофильного ароматического замещения?

Способность пиридина участвовать в реакциях электрофильного ароматического замещения ($S_EAr$) крайне низка. Это объясняется, во-первых, тем, что атом азота, будучи более электроотрицательным, чем углерод, стягивает на себя электронную плотность из ароматического кольца (проявляет отрицательный индуктивный эффект, -I), что дезактивирует кольцо по отношению к атаке электрофилами. Во-вторых, в условиях проведения многих реакций $S_EAr$ (сильнокислая среда) атом азота протонируется, образуя катион пиридиния. Положительно заряженный атом азота в катионе пиридиния дезактивирует кольцо еще сильнее, делая электрофильное замещение практически невозможным.

Чтобы повысить реакционную способность пиридинового кольца, необходимо увеличить на нем электронную плотность. Это можно сделать следующими способами.

1. Введение электронодонорных заместителей в кольцо

Заместители, проявляющие положительный индуктивный (+I), а в особенности положительный мезомерный (+M) эффект, активируют ароматическое кольцо. К таким заместителям относятся алкильные группы (-R), аминогруппы (-NH₂), гидроксильные группы (-OH) и алкоксильные группы (-OR). Например, 2-аминопиридин или 4-метилпиридин значительно активнее в реакциях электрофильного замещения, чем сам пиридин.

2. Превращение пиридина в N-оксид пиридина

Это наиболее эффективный и широко используемый метод. Пиридин окисляют пероксикислотами (например, надуксусной кислотой $CH_3CO_3H$) до N-оксида пиридина. В N-оксиде пиридина ($C_5H_5N^+-O^-$) атом кислорода проявляет сильный положительный мезомерный эффект (+M), донируя электронную плотность в кольцо. Этот эффект перевешивает его отрицательный индуктивный эффект (-I). В результате электронная плотность в кольце, особенно в положениях 4 (пара) и 2, 6 (орто), значительно возрастает. Это делает N-оксид пиридина гораздо более реакционноспособным, чем пиридин. Например, его нитрование до 4-нитро-N-оксида пиридина проходит в сравнительно мягких условиях. Ключевым преимуществом этого метода является то, что после проведения реакции замещения, N-оксидную группу можно легко восстановить обратно до атома азота с помощью реагентов, таких как $PCl_3$, тем самым получая необходимый замещенный пиридин.

Ответ: Чтобы повысить способность пиридина участвовать в реакциях электрофильного ароматического замещения, необходимо увеличить электронную плотность в его ароматическом кольце. Основные способы для этого: 1) введение в кольцо электронодонорных (активирующих) заместителей, таких как амино- или алкильные группы; 2) превращение пиридина в N-оксид пиридина, который значительно более активен в данных реакциях благодаря донирующему эффекту N-оксидной группы, с последующим ее восстановлением после реакции замещения.

4.114. Какими особенностями обладают насыщенные гетероциклы с малым размером цикла? Приведите необходимые уравнения реакций.

Насыщенные гетероциклы с малым размером цикла (трех- и четырехчленные) обладают рядом характерных особенностей, главной из которых является высокое напряжение цикла. Это напряжение обусловлено искажением валентных углов и невыгодными конформациями.

Это напряжение складывается из двух основных компонентов:

• Угловое напряжение (напряжение Байера): Валентные углы в цикле значительно отклоняются от нормального тетраэдрического угла ($109.5^\circ$) для $sp^3$-гибридизованных атомов. Например, в трехчленном цикле внутренние углы составляют около $60^\circ$.
• Торсионное напряжение (напряжение Питцера): Возникает из-за заслоненной (эклипсной) конформации, в которой атомы водорода или другие заместители у соседних атомов цикла находятся друг напротив друга, что приводит к отталкиванию.

Высокое напряжение делает малые циклы термодинамически нестабильными и, как следствие, очень реакционноспособными. Основной тип реакций для них — реакции с раскрытием цикла, которые приводят к снятию напряжения и образованию более стабильных ациклических соединений.

Трехчленные гетероциклы

Трехчленные циклы (оксираны, азиридины, тиираны) обладают наибольшим напряжением и чрезвычайно склонны к реакциям раскрытия цикла. Реакции могут быть инициированы как электрофилами (например, протоном в кислой среде), так и нуклеофилами.

Примеры:

1. Оксираны (эпоксиды). Раскрытие их цикла является важным методом синтеза 1,2-дифункциональных соединений.

• Кислотно-катализируемое раскрытие. В кислой среде происходит протонирование атома кислорода, что делает атомы углерода цикла более электрофильными. Последующая атака слабого нуклеофила (например, воды) направляется, как правило, к наиболее замещенному атому углерода (где лучше стабилизируется образующийся частичный положительный заряд).

  Уравнение реакции гидролиза оксирана (этиленоксида):

  $\ce{ \underset{оксиран}{(CH2)2O} + H2O ->[H^+] \underset{этан-1,2-диол}{HOCH2CH2OH} }$

• Нуклеофильное раскрытие (в основной среде). Сильный нуклеофил атакует один из атомов углерода по механизму $S_N2$. Атака происходит с обратной стороны и направляется к наименее стерически затрудненному атому углерода.

  Уравнение реакции оксирана с метилатом натрия (с последующей обработкой водой):

  $\ce{ \underset{оксиран}{(CH2)2O} + CH3ONa ->[CH3OH] \underset{2-метоксиэтанол}{CH3OCH2CH2OH} }$

2. Азиридины. Подобно оксиранам, легко вступают в реакции с раскрытием цикла. Атом азота является основной и легко протонируется в кислой среде.

Уравнение реакции кислотного гидролиза азиридина:

$\ce{ \underset{азиридин}{(CH2)2NH} + H2O ->[H^+] \underset{этаноламин}{HOCH2CH2NH2} }$

Четырехчленные гетероциклы

Четырехчленные циклы (оксетаны, азетидины) менее напряжены, чем трехчленные, но все же более реакционноспособны, чем их ациклические аналоги или 5- и 6-членные гетероциклы. Для их раскрытия обычно требуются более жесткие условия (например, более сильные кислоты или более высокая температура).

Примеры:

1. Оксетаны. Раскрываются под действием сильных кислот, таких как галогеноводороды.

Уравнение реакции оксетана с бромоводородной кислотой:

$\ce{ \underset{оксетан}{(CH2)3O} + HBr -> \underset{3-бромпропан-1-ол}{BrCH2CH2CH2OH} }$

2. β-Лактамы (2-азетидиноны). Это исключительно важный класс четырехчленных гетероциклов, к которому относятся пенициллиновые и цефалоспориновые антибиотики. Напряжение в β-лактамном цикле значительно усилено из-за наличия эндоциклической амидной группы, которая стремится к плоской геометрии, несовместимой с четырехчленным циклом. Это делает карбонильный углерод очень восприимчивым к нуклеофильной атаке, приводящей к разрыву цикла. На этом свойстве основано их биологическое действие.

Уравнение реакции (схематический гидролиз простейшего β-лактама):

$\ce{ \underset{азетидин-2-он}{(CH2)2C(O)NH} + H2O ->[H^+ / OH^-] \underset{β-аланин}{HOOC-CH2-CH2-NH2} }$

Ответ: Насыщенные гетероциклы с малым размером цикла (трех- и четырехчленные) характеризуются высоким циклическим напряжением (угловым и торсионным). Это напряжение обусловливает их низкую термодинамическую стабильность и высокую реакционную способность. Главной химической особенностью является склонность к реакциям присоединения с раскрытием цикла под действием электрофильных (например, в кислой среде) или нуклеофильных реагентов. Эти реакции приводят к снятию напряжения и образованию стабильных ациклических соединений с функциональными группами, разнесенными на 1,2- или 1,3-положения.