Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Органикалық сақиналық қосылыс (C₄H₄NH)
Organic ring compound (C₄H₄NH)
Пирол – гетероциклді, ароматты, органикалық қосылыс, бес мүшелі сақина, формуласы C₄H₄NH. Бұл ауаға ұшырағанда тез қараңғыланатын, түссіз ұшқыш сұйықтық. Алмастырылған туындылары да пирольдер деп аталады, мысалы, N-метилпироль, C₄H₄NCH₃. Порфобилиноген – үш алмасқан пирол, гем сияқты көптеген табиғи заттардың биосинтетикалық алдынан түсетіні. Пирольдер күрделі макроциклдердің құрамына кіреді, оның ішінде порфирогендер және олардан алынған өнімдер, гема порфириндері, хлориндер, бактериохлориндер және хлорофиллдер.
Pyrrole is a heterocyclic, aromatic, organic compound, a five membered ring with the formula |C4H4NH. It is a colorless volatile liquid that darkens readily upon exposure to air. Substituted derivatives are also called pyrroles, e. g., N methylpyrrole, |C4H4NCH3. Porphobilinogen, a trisubstituted pyrrole, is the biosynthetic precursor to many natural products such as heme. Pyrroles are components of more complex macrocycles, including the porphyrinogens and products derived therefrom, including porphyrins of heme, the chlorins, bacteriochlorins, and chlorophylls.
Қасиеттері, құрылымы, біріктірілуі
Пирол – ауаға түскенде тез қараңғыланатын, түссіз ұшқыш сұйықтық. Әдетте, қолдану алдында дистилляция арқылы тазартады. Пиролдың жаңғақтың иісі бар. Пирол – фуран мен тиофен сияқты 5 мүшелі ароматты гетероцикл. Фуран мен тиофеннен өзгешелігі, оның диполінің оң ұшы гетероатом жағында орналасқан, ал дипольдік моменті 1,58 D-ге тең. CDCl3-де ол 6,68 (H2, H5) және 6,22 (H3, H4) химиялық ығысуларын көрсетеді. Пирол – амин үшін өте әлсіз негіз, конъюгацияланған қышқылының pKa көрсеткіші −3,8-ге тең. Ең термодинамикалық тұрақты пиролий катионы (C4H6N+) 2-ші орында протондалу арқылы түзіледі. Пиролдың алкильдік топтармен алмастырылуы негізділігі жоғары молекула береді, мысалы, тетраметилпиролдың конъюгацияланған қышқылының pKa көрсеткіші +3,7-ге тең. Пирол N–H позициясында да әлсіз қышқыл, pKa көрсеткіші 16,5-ке тең. Сутектік байланыс жасайтын Льюис қышқылы ретінде ол қатаң қышқылға жатқызылады және ECW моделі оның қышқылдық параметрлерін EA = 1,38 және CA = 0,68 деп көрсетеді. Пиролдың ароматикалық сипаты бар, себебі азот атомындағы жұптасқан электрондар сақинаға ішінара де локалданып, 4n + 2 ароматикалық жүйені құрайды (Хюкель ережесін қараңыз). Ароматикалық қасиеттері бойынша пирол бензолға қарағанда төмен, бірақ тиофен мен фуран сияқты ұқсас гетероциклдермен салыстыруға болады. Бензолдың, пиролдың, тиофеннің және фуранның резонанстық энергиялары тиісінше 152, 88, 121 және 67 кДж/моль (36, 21, 29 және 16 ккал/моль) құрайды. Молекула жазық.
Pyrrole is a colorless volatile liquid that darkens readily upon exposure to air, and is usually purified by distillation immediately before use. Pyrrole has a nutty odor. Pyrrole is a 5 membered aromatic heterocycle, like furan and thiophene. Unlike furan and thiophene, it has a dipole in which the positive end lies on the side of the heteroatom, with a dipole moment of 1.58 D. In CDCl3, it has chemical shifts at 6.68 (H2, H5) and 6.22 (H3, H4). Pyrrole is an extremely weak base for an amine, with a conjugate acid pKa of −3.8. The most thermodynamically stable pyrrolium cation (C4H6N+) is formed by protonation at the 2 position. Substitution of pyrrole with alkyl substituents provides a more basic molecule—for example, tetramethylpyrrole has a conjugate acid pKa of +3.7. Pyrrole is also weakly acidic at the N–H position, with a pKa of 16.5. As a hydrogen bonding Lewis acid it is classified as a hard acid and the ECW model lists its acid parameters as EA = 1.38 and CA = 0.68. Pyrrole has aromatic character because the lone pairs of electrons on the nitrogen atom is partially delocalized into the ring, creating a 4n + 2 aromatic system (see Hückel's rule). In terms of its aromaticity, pyrrole's is modest relative to benzene but comparable to related heterocycles thiophene and furan. The resonance energies of benzene, pyrrole, thiophene, and furan are, respectively, 152, 88, 121, and 67 kJ/mol (36, 21, 29, and 16 kcal/mol). The molecule is flat.
Тарих
Пирол алғаш рет 1834 жылы Ф. Ф. Рунге көмір шарының құрамында табылды. 1857 жылы ол сүйектің пиролизінен бөліп алынды. Оның атауы грек тіліндегі "пиррос" (πυρρός, "қызыл, отты") сөзінен шыққан, себебі оны анықтау үшін қолданылатын реакцияда тұз қышқылымен ылғалданған кезде ағаш қызыл түске боялады.
Pyrrole was first detected by F. F. Runge in 1834, as a constituent of coal tar. In 1857, it was isolated from the pyrolysate of bone. Its name comes from the Greek pyrrhos (πυρρός, "reddish, fiery"), from the reaction used to detect it—the red color that it imparts to wood when moistened with hydrochloric acid.
Табиғатта кездеседі
Пиролдың өзі табиғатта кездеспейді, бірақ оның көптеген туындылары әртүрлі кофакторларда және табиғи заттарда табылады. Пиррол сақинасын қамтитын табиғи молекулаларға В12 витамині, билирубин және биливердин сияқты өт пигменттері, гемнің, хлорофиллдің, хлориндердің, бактериохлориндердің және порфирогендердің порфириндері жатады.
Pyrrole itself is not naturally occurring, but many of its derivatives are found in a variety of cofactors and natural products. Common naturally produced molecules containing pyrroles include vitamin B12, bile pigments like bilirubin and biliverdin, and the porphyrins of heme, chlorophyll, chlorins, bacteriochlorins, and porphyrinogens.
Синтез
Пироль өнеркәсіптік түрде фуранды аммиакпен, SiO2 және Al2O3 сияқты қатты қышқыл катализаторларының қатысуымен өңдеу арқылы дайындалады. Басымдық құрайтын үш жол бар, бірақ көптеген басқа да әдістер қолданылады.
Pyrrole is prepared industrially by treatment of furan with ammonia in the presence of solid acid catalysts, like SiO2 and Al2O3. Three routes dominate, but many other methods exist.
Ханцш пиролының синтезі
Ханцш пирроль синтезі – β-кетоэстерлердің (1) аммиакпен (немесе біріншілік аминдермен) және α-галокетондармен (2) реакцияласып, орны толтырылған пиррольдерді (3) түзілуі.
The Hantzsch pyrrole synthesis is the reaction of β ketoesters (1) with ammonia (or primary amines) and α haloketones (2) to give substituted pyrroles (3).
Норр пиролының синтезі
Кнорр пирролының синтезі α-аминкетон немесе α-амин β-кетоэстердің белсенділенген метилендік қосылыспен өзара әрекеттесуін қамтиды. Бұл әдіс α-аминкетонды (1) және карбонил тобына (2) α-позициясында (келесі көміртекке байланысқан) метилен тобын қамтитын қосылысты реакцияға түсіруді қарастырады.
The Knorr pyrrole synthesis involves the reaction of an α amino ketone or an α amino β ketoester with an activated methylene compound. The method involves the reaction of an α aminoketone (1) and a compound containing a methylene group α to (bonded to the next carbon to) a carbonyl group (2).
Паал-Кнорр пиролының синтезі
Паал-Кнорр пиррол синтезінде 1,4 дикарбонилді қосылыс аммиак немесе біріншілік аминмен реакцияласып, субституцияланған пиррол түзеді.
In the Paal–Knorr pyrrole synthesis, a 1,4 dicarbonyl compound reacts with ammonia or a primary amine to form a substituted pyrrole.
Биосинтез
Пиррольдік сақиналардың биосинтезі глицин мен сукцинил-КоА-дан синтезделетін аминолевулин қышқылынан (АЛҚ) басталады. АЛҚ дегидратазасы екі АЛҚ молекуласының конденсациясын Кнорр типті сақиналы синтез арқылы порфобилиногенді (PBG) түзету үшін катализдейді. Бұл кейіннен, мысалы, гема және хлорофилл макроцикльдерін қалыптастыру үшін реакцияға түседі. Пролин L-глутамат аминқышқылынан биосинтездік жолмен туындайды. Глутамат-5-жартылай альдегиді алдымен АТФ-ге тәуелді глютамат-5-киназа және НАДН немесе НАДФ қажеттілігі бар глютамат-5-жартылай альдегид дегидрогеназасы арқылы түзіледі. Бұл 1-пирролин-5-карбоксил қышқылына спонтанды түрде айналып, пирролин-5-карбоксилат редуктазасы (НАДН немесе НАДФ қолданып) арқылы пролинге дейін тотығуы мүмкін, немесе орнитин аминотрансферазасы арқылы орнитинге айналып, содан кейін пролин түзу үшін орнитин циклодеаминазасымен циклға түседі. Пролин екіншілік табиғи өнімдерде, мысалы, продигиозиндерде ароматты пиррольдердің прекурсоры ретінде қолданылуы мүмкін. Продигиозиннің биосинтезі L-пролин, L-серин, L-метионин, пируват және 2-октеналдан үш пиррольді сақинаның (1-суретте A, B және C деп белгіленген) конвергентті бірігуін қамтиды. А сақинасы L-пролиннен рибосомаға тәуелді емес пептид синтезасы (NRPS) жолы арқылы (2-сурет) синтезделеді, онда пролиннің пирролидин сақинасы FAD+ арқылы екі рет тотықтырылып, пиррольді А сақинасын береді. Содан кейін А сақинасы поликетид синтезасы жолымен кеңейтіліп, L-серині В сақинасына қосады (3-сурет). А фрагменті KS домені арқылы пептидил тасымалдаушы ақуыздан (PCP) ацил тасымалдаушы ақуызға (ACP) ауыстырылады, содан кейін декарбоксилдеуші Клайзен конденсациясы арқылы малонил-ACP-ге ауыстырылады. Бұл фрагмент L-сериннің PLP-тәуелді декарбоксиляциясынан түзілген маскаланған карбанионмен реакцияға түседі, ол екінші пирроль сақинасын алу үшін дегидратациялық реакцияда циклға түседі. Бұл аралық зат метилдеу (L-метиониннен 6-позициядағы спиртке метил тобын қосу) және негізгі спиртті альдегидке тотықтыру арқылы өзгертіледі, нәтижесінде негізгі А–В сақиналық құрылымдар пайда болады.
The biosynthesis of pyrrole rings begins with aminolevulinic acid (ALA), which is synthesized from glycine and succinyl CoA. ALA dehydratase catalyzes the condensation of two ALA molecules via a Knorr type ring synthesis to form porphobilinogen (PBG). This later reacts to form, for example, the macrocycles heme and chlorophyll. Proline is biosynthetically derived from the amino acid L glutamate. Glutamate 5 semialdehyde is first formed by glutamate 5 kinase (ATP dependent) and glutamate 5 semialdehyde dehydrogenase (which requires NADH or NADPH). This can then either spontaneously cyclize to form 1 pyrroline 5 carboxylic acid, which is reduced to proline by pyrroline 5 carboxylate reductase (using NADH or NADPH), or turned into ornithine by ornithine aminotransferase, followed by cyclisation by ornithine cyclodeaminase to form proline. Proline can be used as precursor of aromatic pyrroles in secondary natural products, as in prodigiosins. The biosynthesis of Prodigiosin involves the convergent coupling of three pyrrole type rings (labeled A, B, and C in figure 1) from L proline, L serine, L methionine, pyruvate, and 2 octenal. Ring A is synthesized from L proline through the nonribosomal peptide synthase (NRPS) pathway (figure 2), wherein the pyrrolidine ring of proline is oxidized twice through FAD+ to yield pyrrole ring A. Ring A is then expanded via the polyketide synthase pathway to incorporate L serine into ring B (figure 3). Ring A fragment is transferred from the peptidyl carrier protein (PCP) to the Acyl Carrier Protein (ACP) by a KS domain, followed by transfer to malonyl ACP via decarboxylative Claisen condensation. This fragment is then able to react with the masked carbanion formed from the PLP mediated decarboxylation of L serine, which cyclizes in a dehydration reaction to yield the second pyrrole ring. This intermediate is then modified by methylation (which incorporates a methyl group from L methionine onto the alcohol at the 6 position) and oxidation of the primary alcohol to the aldehyde to yield the core A–B ring structures.
Реакциялар және реактивтілік
Ароматтық қасиеттеріне байланысты пирролдың гидрленуі қиын, ол Диелс-Альдер реакцияларында диен ретінде оңай реакцияға түспейді және әдеттегі олефин реакцияларына қатыспайды. Оның реакциялық қабілеті бензол мен анилинге ұқсас, сондықтан алкилдеу және ацилдеу оңай жүзеге асырылады. Қышқыл ортада пирролдар полипирролға оңай тотығады, демек бензол химиясында қолданылатын көптеген электрофильді реагенттер пирролдар үшін қолданылмайды. Керісінше, субституцияланған пирролдар (қорғалған пирролдарды қоса) кең ауқымды түрлендірулерде қолданылған. Галогендеу көбінесе полигалогенделген пирролдарды береді, бірақ моногалогендеуді де жүргізуге болады. Пирролдарға электрофильді қосылуларға тәндей, галогендеу әдетте 2-орында жүреді, бірақ азотты силилдеу арқылы 3-орында да жүруі мүмкін. Бұл, әдетте реакциялық қабілеті төмен 3-орынды одан әрі функционализациялау үшін пайдалы әдіс.
Due to its aromatic character, pyrrole is difficult to hydrogenate, does not easily react as a diene in Diels–Alder reactions, and does not undergo usual olefin reactions. Its reactivity is similar to that of benzene and aniline, in that it is easy to alkylate and acylate. Under acidic conditions, pyrroles oxidize easily to polypyrrole, and thus many electrophilic reagents that are used in benzene chemistry are not applicable to pyrroles. In contrast, substituted pyrroles (including protected pyrroles) have been used in a broad range of transformations. Halogenation generally provides polyhalogenated pyrroles, but monohalogenation can be performed. As is typical for electrophilic additions to pyrroles, halogenation generally occurs at the 2 position, but can also occur at the 3 position by silation of the nitrogen. This is a useful method for further functionalization of the generally less reactive 3 position.
Ацилирлеу
Ациляция әдетте, әр түрлі әдістерді қолдану арқылы 2-орында жүзеге асырылады. Қышқыл ангидридтерімен және қышқыл хлоридтерімен ацилдену катализатордың болуымен немесе болмауымен жүруі мүмкін. 2-Ацилпирролдар нитрилдермен Хоубен-Хош реакциясы арқылы да алынады. Пиррол альдегидтерін Vilsmeier–Haack реакциясы арқылы жасауға болады.
Acylation generally occurs at the 2 position, through the use of various methods. Acylation with acid anhydrides and acid chlorides can occur with or without a catalyst. 2 Acylpyrroles are also obtained from reaction with nitriles, by the Houben–Hoesch reaction. Pyrrole aldehydes can be formed by a Vilsmeier–Haack reaction.
Протонсыз пирролдың реакциясы
Пирольдегі NH протоны орташа қышқыл, pKa-сы 17,5-ке тең. Пиролды бутиллитий және натрий гидриді сияқты күшті негіздермен депротондауға болады. Соның нәтижесінде алынған сілтілі пирролид нуклеофилді болады. Бұл конъюгатты негізді иодометан сияқты электрофилмен өңдегенде N-метилпиррол пайда болады. N-металданған пиррол координациялық металға байланысты N немесе C позицияларында электрофилдермен реакцияға түсе алады. Литий, натрий және калий сияқты көбірек иондық азот-металл байланыстары және жақсы ерітетін еріткіштер N-алкилдеуге алып келеді. MgX сияқты нитрофильді металдар азот атомына жоғары деңгейде координацияланғандықтан C (негізінен C2) позициясында алкилдеуге себеп болады. N-субституцияланған пирролдарда көміртектерді металдандыру оңайрақ жүзеге асырылады. Алкил топтары электрофилдер ретінде немесе кросс-байланыс реакциялары арқылы енгізілуі мүмкін. C3 позициясын ауыстыру үшін N-субституцияланған 3-бромопирролды қолдануға болады, оны N-силилпирролды NBS-мен бромдау арқылы синтездеуге болады.
The NH proton in pyrroles is moderately acidic with a pKa of 17.5. Pyrrole can be deprotonated with strong bases such as butyllithium and sodium hydride. The resulting alkali pyrrolide is nucleophilic. Treating this conjugate base with an electrophile such as iodomethane gives N methylpyrrole. N Metalated pyrrole can react with electrophiles at the N or C positions, depending on the coordinating metal. More ionic nitrogen–metal bonds (such as with lithium, sodium, and potassium) and more solvating solvents lead to N alkylation. Nitrophilic metals, such as MgX, lead to alkylation at C (mainly C2), due to a higher degree of coordination to the nitrogen atom. In the cases of N substituted pyrroles, metalation of the carbons is more facile. Alkyl groups can be introduced as electrophiles, or by cross coupling reactions. Substitution at C3 can be achieved through the use of N substituted 3 bromopyrrole, which can be synthesized by bromination of N silylpyrrole with NBS.
Төлемдерді азайту
Пиррольдер пиролидиндерге және пиролиндерге тотығудан өтуі мүмкін. Мысалы, пиррол эфирлері мен амидтерінің Бёрч тотығуы пиролиндерді береді, мұнда аймақтық таңдау электрондарды тартып алу тобының орнына байланысты болады.
Pyrroles can undergo reductions to pyrrolidines and to pyrrolines. For example, Birch reduction of pyrrole esters and amides produced pyrrolines, with the regioselectivity depending on the position of the electron withdrawing group.
Циклдендіру реакциялары
N-алмастырылған пиррольдер [4+2], [2+2] және [2+1] циклдеу сияқты циклоаддиция реакцияларына түсуі мүмкін. Диелс-Альдер циклдеуі пиррольдің диен ретінде қатысуымен жүзеге асуы мүмкін, әсіресе азот атомында электронды қабылдағыш топ болғанда. Винилпиррольдер де диендер ретінде әрекет ете алады. Пиррольдер карбендермен, мысалы дихлорокарбенмен [2+1] циклоаддиция арқылы реакцияласады. Дихлорокарбенмен дихлороциклопропан аралық қосылысы түзіледі, ол 3-хлоропиридинге (Циамициан-Деннштедт қайта орналасуы) ыдырайды.
Pyrroles with N substitution can undergo cycloaddition reactions such as [4+2] , [2+2] , and [2+1] cyclizations. Diels Alder cyclizations can occur with the pyrrole acting as a diene, especially in the presence of an electron withdrawing group on the nitrogen. Vinylpyrroles can also act as dienes. Pyrroles can react with carbenes, such as dichlorocarbene, in a [2+1] cycloaddition. With dichlorocarbene, a dichlorocyclopropane intermediate is formed, which breaks down to form 3 chloropyridine (the Ciamician–Dennstedt rearrangement).
Коммерциялық пайдалану
Полипирролдің белгілі бір коммерциялық құны бар. N-метилпирроль – фармацевтикалық химиядағы құрылыс блогы болып табылатын N-метилпирролькарбон қышқылының алдындағы зат.
Polypyrrole is of some commercial value. N Methylpyrrole is a precursor to N methylpyrrolecarboxylic acid, a building block in pharmaceutical chemistry.