Фуран представляет собой пятичленное гетероциклическое соединение с одной кислородной атомной позицией в кольце. Химическая формула фурана — C₄H₄O. Кольцо фурана состоит из четырёх атомов углерода и одного атома кислорода, обладающего неподелённой электронной парой, которая участвует в делокализации π-электронов по всему кольцу. Это придаёт молекуле ароматические свойства, схожие с бензольными производными, однако с повышенной реакционной способностью по отношению к электрофилам.
Геометрия и электронная структура: Фуран плоский, угол при атомах углерода близок к 109–110°, что обусловлено гибридизацией sp². Делокализация π-электронов через атом кислорода делает фуран более электронно-насыщенным, чем пиррол или тиофен, и способствует его высокой реакционной способности при электрофильных замещениях.
1. Синтез из 1,4-дикетонов Классический метод — циклизация 1,4-дикетонов при нагревании с кислотными или основными катализаторами. Процесс сопровождается дегидратацией и образованием ароматического кольца. Пример: конденсация 2,5-гидрокси-1,4-дикетонов.
2. Пиролиз тетрагидрофурана Тетрагидрофуран (THF) при высокой температуре под действием кислот или переходных металлов дегидрируется с образованием фурана. Этот метод применим преимущественно в промышленных масштабах.
3. Синтез Вюрца-Фурфурола Фурфурол (2-фуранкаральдегид), получаемый из растительных исходных материалов (пентозы), подвергается восстановлению и циклизации, образуя фуран. Этот путь особенно актуален для использования возобновляемого сырья.
Фуран — бесцветная жидкость с характерным запахом, плотность 0,936 г/см³, температура кипения 31,4 °C. Хорошо растворим в органических растворителях, таких как эфиры и спирты, плохо — в воде. Легковоспламеняем, требует осторожного обращения при лабораторных и промышленных процессах.
Ароматические реакции: Фуран проявляет свойства ароматического соединения, подвержен электрофильным ароматическим замещениям, преимущественно в 2- и 5-положениях:
Восстановительные и окислительные реакции: Фуран легко окисляется кислородом воздуха или пероксидами, образуя диоксофураны или открытые карбонильные соединения. Реакции гидрирования ведут к образованию тетрагидрофурана, который широко используется как растворитель.
Реакции полимеризации: Фуран способен к полимеризации при нагревании с кислотными катализаторами, образуя линейные или сшитые полимеры. Эти материалы применяются как смолы и клеящие вещества.
Фуран и его производные имеют широкое использование в химической промышленности:
Фуран является токсичным соединением, способным вызывать поражение печени и нервной системы при хроническом воздействии. Он легко воспламеняется, требует работы в вытяжных шкафах, использования перчаток и защитной одежды. При работе с производными необходимо учитывать их специфическую химическую активность, особенно при взаимодействии с окислителями и кислотами.
Фуран — ключевое соединение органической химии, сочетающее ароматические свойства с высокой химической реакционной способностью, что делает его ценным как в синтетической, так и в промышленной химии.