Электрофильное замещение пиррола

В то время как пиррол и его производные не склонны к реакциям нуклеофильного присоединения и замещения, они очень чувствительны к электрофильным реагентам, и реакции пирролов с такими реагентами протекают практически исключительно как реакции замещения. Незамещенный пиррол, N- и С-моноалкилпирролы и в наименьшей степени С,С-диалкилпроизводные полимеризуются в сильнокислых средах, поэтому большинство электрофильных реагентов, использующихся в случае производных бензола, не применимы для пиррола и его алкилпроизводных.

Однако при наличии в пиррольном цикле электроноакцепторных групп, препятствующих полимеризации, например, таких, как сложноэфирная, становится возможным использование сильнокислых сред, нитрующих и сульфирующих агентов.

 

Протонирование

В растворе наблюдается обратимое присоединение протона по всем положениям пиррольного цикла. Наиболее быстро протонируется атом азота, присоединение протона по положению 2 проходит в два раза быстрее, чем по положению 3. В газовой фазе при использовании кислот умеренной силы, таких, как C₄H₉⁺ и NH₄⁺, пиррол протонируется исключительно по атомам углерода, причем склонность к присоединению протона по положению 2 выше, чем по положению 3. Наиболее термодинамически стабильный катион - 2Н-пирролиевый ион - образуется при присоединении протона по положению 2 и определяемое значение рК_а для пиррола связано именно с этим катионом. Слабая N-основность пиррола обусловлена отсутствием возможности для мезомерной делокализации положительного заряда в 1H-пирролиевом катионе.

 

Значение рК_а определено для большого числа производных пиррола, а сам незамещенный пиррол — чрезвычайно слабое основание со значением рК_а -3,8. Основность пиррольного цикла весьма быстро увеличивается при введении алкильных заместителей, и для 2,3,4,5-тетраметилпиррола рК_а равен +3,7, что соответствует полному протонированию всех молекул пиррола в вышеприведенных условиях (для сравнения рКа анилина +4,6). Таким образом, алкильные группы оказывают необычайное стабилизирующее влияние на катионы - пирролы, содержащие трет-бутильные группы, при протонировании образуют стабильные кристаллические соли.

 

 

Реакции протонированных пирролов

2Н- и ЗН-Пирролиевые катионы в сущности представляют собой иминиевые ионы и, следовательно, обладают свойствами электрофилов. Эти катионы играют ключевую роль в процессах полимеризации и восстановления пирролов в присутствии кислот. При взаимодействии пирролов с гидрохлоридом гидроксиламина, сопровождающимся раскрытием цикла и образованием 1,4-диоксимов, вероятно, образуется более реакционноспособный ЗН-пирролиевый катион. Для защиты аминогруппы первичных аминов могут быть превращены в 1-К-2,5-диметилпирролы, затем защитная группа может быть удалена с помощью описанной выше реакции с гидроксиламином.

Нитрование

Нитрующую смесь, применяемую для нитрования производных бензола, нельзя использовать в случае пиррола, поскольку это приводит к его полному разложению. Однако нитрование пиррола возможно при использовании ацетилнитрата при низких температурах, причем преимущественно образуется 2-нитро-пиррол. Ацетилнитрат получают при смешивании дымящей азотной кислоты с уксусным ангидридом, и в результате образуется уксусная кислота и достигается удаление сильной минеральной кислоты. При нитровании пиррола с использованием ацетилнитрата активность положения 2 в 1,3 • 10⁵, а положения 3 в 3 • 10⁴ раза выше активности бензола.

Введение заместителя к атому азота увеличивает долю продукта нитрования по положению 3 в смеси продуктов реакции: так, введение метального заместителя обусловливает получение смеси продуктов β- и α-нитрования в соотношении 1:3. Более объемная трет-бутильная группа приводит даже к обращению относительной реакционной способности — продукты β- и α-нитрования образуются в соотношении 4:1. Полного подавления реакции нитрования по α-положению пиррола можно достигнуть при введение к атому азота триизопропилсилильной (TIPS) группы; использование последней чрезвычайно важно при синтезе 3-производных, так как в последствии она может быть легко

.

 

Сульфирование и реакции с использованием других серосодержащих электрофильных реагентов

Для сульфирования пирролов используются мягкие сульфирующие агенты, не обладающие свойствами кислоты; так, комплекс пиридин — триоксид серы мягко превращает пиррол в пиррол-2-сульфонат.

Реакции с использованием других серосодержащих электрофильных реагентов, например сульфинилирование пиррола, тиоцианирование пиррола и 1-фенилсульфоиилпиррола, позволяют получать серосодержащие производные пиррола с атомом серы в более низкой степени окисления.

 

Катализируемая кислотой перегруппировка производных пиррола, содержащих серосодержащий заместитель в α-положении (продукт кинетически контролируемого электрофильного замещения), позволяет получать соответствующие β-изомеры.