Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 267
Часть вторая
Циклические соединения
Глава 10
Алициклические соединения
Алифатическими циклическими соединениями, алициклическими соединениями или циклоалканами называются циклические аналоги алканов, образованные замыканием концов алифатической цепи. Понятно, что приставка али- указывает на эту генетическую связь с алифатическими соединениями и отличает их от ароматических соединений. Они также называются карбоциклическими соединениями или карбоциклами в тех случаях, когда необходимо отметить их отличие от гетероциклов.
Алициклы принято делить по числу звеньев на 4 группы:
3 – 4 – звенные - малые циклы
5 – 7 – звенные – обычные циклы
8 - 11 –звенные – средние циклы
12 и более – макроциклы
Названия алициклических углеводородов образуют из названий алифатических соединений с тем же числом атомов углерода путем добавления неотделяемого префикса цикло-.
Первые представители циклоалкананов циклопропан и циклобутан стали известны в 80-х годах ХIХ века.
В соответствии с теорией валентных связей углы между связями в алканах должны составлять 109,47º. Любое отклонение от этой величины сопровождается изменением внутренней энергии. Реально, для большинства алканов эта величина составляет 111-113º. Такое раскрытие углов связано с отталкивающим взаимодействием между водородными атомами несколько напоминающим сопротивление пружины при попытке сблизить ее концы. Таким образом, для замыкания углеводородной цепи в кольцо необходимо приложить определенное усилие, превосходящее это взаимодействие. Какова же природа связей в циклопропане и циклобутане, приводящая к значительным изменениям углов валентных связей?
В 1885г. А. Байер выдвинул теорию напряжения, объясняющую возможность существования алициклических соединений. Считая, что все атомы в цикле находятся в одной плоскости он предположил, что в трехчленном цикле валентные углы составляют 60º, в четырехчленном -90º, в пятичленном -108º, в шестичленном -120º и т.д. Таким образом, мерой напряженности цикла он предложил считать половину разности между тетраэдрическим и валентным углом. По его теории циклы, бóльшие, чем циклопентан и циклогексан, также должны быть неустойчивы, как и малые циклы.
По мере развития химии циклических соединений стали появляться факты, противоречащие этой теории. Одно из главных противоречий – энергии циклов, начиная от пятичленного и выше, оказались приблизительно одинаковым. Это несоответствие с теорией было разрешено доказательством неплоскостного (некапланарного) расположения углеродных атомов кольца, начиная с циклобутана.
Наиболее яркие изменения структуры алкана при его замыкании в цикл отражаются в молекуле циклопропана – это единственный плоский карбоцикл, у которого наименьший эндоциклический и увеличенный экзоциклический валентные углы, несколько укороченные длины С-С-связей. Эти особенности строения приводят к определенной деформации молекулы. Связи в циклопропане называют изогнутыми или «банановыми», по своему характеру они являются промежуточными между σ- и π-связями, поэтому циклопропаны в некоторых отношениях ведут себя подобно соединениям с двойной связью. Такое искажение приводит к тому, что угол в циклопропане оказывается не 60º, а 106º и угол Н-С-Н – 120º. В циклобутане «байеровское напряжение» по сравнению с циклопропаном меньше, поскольку соседние атомы углерода образуют между собой угол 90º. Более того, это напряжение частично компенсируется путем деформации кольца за счет выхода его из плоскости и существования в виде равновесных структур:
Напряжение молекулы, выводящее один из атомов из плоскости цикла, называется торсионным (поворачивающим). В отличие от циклопропана и циклобутана в циклопентане угловые искажения незначительны, однако сохраняется взаимное отталкивание пяти пар атомов водорода и коволентных электронов, находящихся в заслоненном положении, что и приводит к выходу одного из атомов углерода из плоскости кольца и существованию структуры в состоянии псевдовращения, т.е. быстрому поочередному переходу углеродных атомов из плоскости в форму конверта и полукресла; которая пробегает по циклу как волна.
Для компенсации углового напряжения циклогексан может принять две конформации - ванны (или лодки) и кресла. Следует отметить, что предпочтительность формы кресла следует из общих конформационных соображений, а энергетически она устойчивее на 24-28 кДж/моль.
Если мысленно привести во вращение структуру циклогексана, то можно наблюдать два типа С-Н-связей: 6 связей, расположенных параллельно оси вращения будут называться аксиальными, а 6 связей расположенных почти перпендикулярно оси, т.е. по экватору, соответственно, экваториальными. На самом деле, так же, как и в циклопентане происходит волнообразное по-очередное изменение по кольцу положения атомов углерода по равновесной схеме
Взаимное превращение двух форм кресла известно как инверсия конформации. При охлаждении циклогексана скорость конверсии кресло-кресло замедляется и при низких температурах (<-100ºС) становится возможным идентифицировать в спектре ЯМР 1Н два набора сигналов, отвечающих аксиальным и экваториальным атомам водорода.
В отличие от малых и обычных циклов причиной напряжения в средних циклах является «внутримолекулярная теснота». Для понимания этого рассмотрим особенности строения средних циклов на примере циклодекана. В циклодекане 14 связей ориентированы вовне и называются экстрааннулярными и 6 связей направлены внутрь кольца – это интраннулярные связи.
Именно интраннулярные связи и создают «внутримолекулярную тесноту», создающую трансаннулярное взаимодействие, обусловливающее напряжение в циклах среднего размера. Заместители, более крупные, чем атомы водорода не могут занимать интранулярных положений и являются причиной конформационных изменений молекулы.
Алициклические соединения с числом звеньев больше 12 обладают большой конформационной подвижностью и поэтому определенные конформации в этом случае трудно зафиксировать. Высшие гомологи приближаются к алканам и имеют совершенно ненапряженные формы.
10.1. Способы получения
Одним из наиболее ранних методов синтеза алициклических соединений является внутримолекулярный вариант реакции Вюрца
Дегалогенирование протекает с лучшим выходом при применении цинковой пыли в спиртовом растворе. Этот тип 1,3-элиминирования нашел широкое распространение в синтезе некоторых высоко напряженных циклопропанов
Присоединение карбенов и карбеноидов к олефинам является общим путем синтеза циклопропанов. Циклопропанирование под действием иодистого метилена и цинк-медной пары носит название реакции Симмонса-Смита
Диазосоединения так же при взаимодействии с олефинами в присутствии катализаторов дают циклопропаны через стадию образования промежуточного гетероциклического интермедиата
Циклические гидразоны, являющиеся диазоаналогами отмеченных интермедиатов, при нагревании в присутствии катализатора разлагаются с образованием циклопропанов и циклобутанов в зависимости от размера цикла
Среди других реакций, имеющих общее синтетическое значение, следует отметить реакцию [2+2]-циклоприсоединения, которая приводит к циклобутанам. Известны как термический, так и фотохимический пути. При нагревании алленов происходит их димеризация с образованием четырех членного цикла
УФ-облучение 1,3-диенов или смеси простых и сопряженных олефинов также приводит к образованию циклобутанов
Реакцией по Перкину взаимодействием α,ω-дигалоидалканов (префикс «α,ω-» применяется для обозначения функциональных групп на концах цепи) с натриймалоновым эфиром получают диэтоксикарбонильное производное циклобутана
10.2. Химические свойства
Многие из реакций алифатических соединений, рассмотренных выше, применимы также для алициклических соединений. Подобно им циклоалканы вступают в реакцию ионного и свободно-радикального галогенирования, окисления и нитрования без изменения скелета или разрыва углерод-углеродной связи. Различия в химическом поведении часто обусловлены наличием в некоторых циклических структурах избыточного углового напряжения.
Напряженность молекулы циклопропана, как уже отмечалось, приводит к тому, что С-С-связи занимают в нем промежуточное положение между обычными σ- и π-связями. В этом состоит особенность химического поведения циклопропана и циклобутана. Так, они гидрируются на никеле Ренея с разрывом С-С-связи, причем, если в циклопропане это происходит при 80ºС, то в циклобутане – только при 120ºС.
Раскрытие кольца циклопропана и циклобутана происходит также в некоторых реакциях присоединения. Так, при действии брома, бромистого водорода и серной кислоты циклопропан дает соответственно 1,3–дибромпропан, н-пропилбромид и н-пропилсульфат; циклобутан в этих реакциях менее активен
При действии хлора наряду с образованием ациклического дихлорида протекает реакция металепсии с замещением водородов и сохранением цикла
Электроноакцепторные заместители в кольце стабилизирует его, а электронодонорные, наоборот, облегчают раскрытие цикла.
Многие реакции циклопропанового кольца говорят о его аналогии с двойной связью. Так, электроноакцепторные заместители направляют реакцию гидробромирования против правила Марковникова
Аналогично α,β-ненасыщенным сопряженным системам они вступают в реакции 1,4–сопряженного присоединения. А алкилзамещенные циклопропаны легко присоединяют ацетат ртути
Хлористый водород присоединяется к сабинену по крайним атомам сопряженной системы циклопропан – двойная связь
Сопряжение циклопропана с двойной связью фиксируется и в ИК- и УФ-спектрах.
Циклопропан – газ, анестетик общего действия, применяется при хирургических операциях, не вызывает нежелательных последствий для организма.
Следует отметить, что непредельные трех- и четырехчленные циклы неустойчивы, поэтому имеют крайне ограниченное применение в органической химии.
10.3. Кислородсодержащие производные
Циклопропанон существует в неустойчивой гидратированной форме, легко изомеризующейся в пропионовую кислоту. Он получен взаимодействием кетена, диазометана и воды
В отсутствии воды эта реакция приводит через стадию взаимодействия промежуточного циклопропанона со второй молекулой диазометана к циклобутанону
Циклобутандион-1,3 получен взаимодействием этинилэтилового эфира с кетеном
Циклобутандион-1,3 представляет собой бесцветные пластинки с температурой плавления 119-120ºС. Как и все 1,3-дикетоны он заметно енолизирован.
Карбоновые кислоты циклопропанового и циклобутанового ряда являются более стабильными соединениями. Синтез эфира циклобутан-1,1-дикарбоновой кислоты по Перкину приведен выше. Димеризацией α,β-непредельных кислот получаются циклобутан-1,3-дикарбоновые кислоты
Для получения циклопропанкарбоновых кислот широко используется реакция непредельных кислот с диазосоединениями
Циклопропанкарбоновая кислота может быть получена из нитрила γ-броммасляной кислоты
Из карбоновых кислот могут быть получены другие функциональные производные циклоалканов.
Среди природных соединений, содержащих фрагмент циклопропанкарбоновой кислоты можно отметить транс-хризантемовую кислоту, эфиры которой образуют класс пиретроидов-инсектицидов малоопасных для теплокровных.
10.4. Пяти- и шестичленные циклы
10.4.1. Способы получения
Аналогично получению низших циклов циклопентан и циклогексан могут быть синтезированы из 1,5-дибромпроизводных действием амальгамы лития
Алициклические кетоны с размерами циклов от 5 до 7 с удовлетворительными выходами можно получать из солей дикарбоновых кислот (Пириа), а также сложноэфирной конденсацией их диэфиров (Дикман) или динитрилов (Торы). По реакции Дикмана образуется α-алкоксикарбонилциклические кетоны
По Тору соответствующие нитрилы, а по Пириа – пиролиз солей сопровождается одновременным декарбоксилированием с образованием циклического кетона.
При проведении смешанной сложноэфирной конденсации с использованием диэфиров различных дикислот возможно получение сложноэфирных циклических ди- и трикетонов.
Циклогексан и его простые производные можно получить каталитическим гидрированием под давлением ароматических аналогов
Важным способом синтеза производных циклогексена является диеновый синтез Дильса-Альдера
Представленная реакция имеет теоретическое значение. На практике для эффективного протекания реакции используют диен, имеющий электронодонорный заместитель и диенофил – электроноакцепторный
10.5. Циклопентан и его производные
Из природных источников циклопентана можно отметить нефть, в которой содержатся углеводороды состава CnH2n называемые нафтенами.
Циклопентановое ядро входит в состав многих биологически активных соединений, выделяемых из животных и растительных объектов.
В состав эфирных масел некоторых тропических растений входят жирные кислоты, содержащие циклопентеновое ядро. Циклопентеновое кольцо содержат также ауксины – природные стимуляторы роста растений.
Наиболее известные из циклопентенов душистые вещества жасмоны и соединения более сложной структуры простагландины, являющиеся биорегуляторами.
Производные циклопентана проще всего получать по рассмотренной выше реакции из эфиров адипиновой кислоты конденсацией Дикмана. Уже исходя из циклопентанона, используя реакции, известные для кетонов алифатического ряда, возможно получение широкого круга непредельных или функциональных производных циклопентана. Это оказывается возможным вследствие высокой стабильности цикла – циклопентановое кольцо размыкается в очень жестких условиях при 250-300ºС над платиновым катализатором.
Важным промышленным продуктом, получаемым из газов коксования, головного погона сырого бензола, продуктов пиролиза керосина или бензина, является циклопентадиен. Одной из причин необычных химических свойств циклопентадиена является настолько высокая подвижность водородных атомов метиленовой группы, что один из водородов может быть замещен на натрий. В полученном циклопентадиениле натрия все атомы углерода уже равноценны, а сам анион приобретает все признаки ароматической системы.
Обработкой циклопентадиенила натрия галоидалкилами могут быть получены гомологи циклопентадиена
Взаимодействием с хлоридами металлов могут быть получены металлоорганические соединения сэндвичевой структуры - металлоцены. Например, при взаимодействии с хлоридом железа (II) образуется ферроцен
Замещением этильной группы в этилмагнийбромиде возможно получение реактива Гриньяра на основе циклопентадиена
В качестве лиганда циклопентадиенил анион входит в состав металлокомплексных соединений, являющихся катализаторами важных процессов.
Вследствие высокой подвижности атомов водорода в ЦПД достаточно легко идет образование фульвенов в реакции конденсации с альдегидами и кетонами
Циклопентадиен является весьма активным диеном и одновременно диенофилом быстро димеризуясь при хранении
При нагревании он мономеризуется по ретро-реакции Дильса-Альдера. Достаточно легко он вступает в диеновый синтез с активными диенофилами
10.5. Циклогексан и его производные
Производные циклогексана являются наиболее распространенными в природе соединениями. Его структура входит в состав молекул терпенов, стероидов и алкалоидов. Циклогексан и его гомологи содержатся в некоторых нефтях и нефтепродуктах.
Циклогексан и его алкил производные получают гидрированием ароматических соединений над платиной или никелем (Сабатье)
В отсутствие водорода равновесие полностью сдвинуто в сторону образования бензола. Следует отметить, что дегидрогенизация гомологов циклогексана происходит в значительно более жестких условиях.
Для производных циклогексана характерны те же реакции, что и для функцианализированных алкенов.
Циклогексен может быть получен из циклогексанола любой реакцией дегидратации применяемой для алифатических спиртов. В промышленности его получают каталитической дегидратацией пропусканием паров под Аl2O3 при 350-400ºС.
Одной из особенностей химического поведения циклогексана является то, что он в присутствии платинового или палладиевого катализатора необратимо диспропорционируется на бензол и циклогексан в результате экзотермической реакции (необратимый катализ Зелинского)
По всей вероятности, это превращение является одной из промежуточных стадий дегидрогенизации циклогексана, когда выделяющийся водород гидрирует циклогексен.
Циклогексен обладает всеми свойствами алифатических алкенов и может быть гидрирован, эпоксидирован, галоидирован, гидрогалогенирован и т.д.
Циклогексадиен имеет сопряженную систему двойных связей, вступает в реакцию Дильса-Альдера и относится к типичным диенам.
Гидроксипроизводные циклогексана получают каталитическим гидрированием соответствующих ароматических гидроксипроизводных
Другой путь получения циклогексанола – это, классический способ гидратации олефинов, катализируемой кислотами:
Как и в случае алифатических спиртов окисление циклогексанола мягкими окислителями (реагентом Коллинза) приводит к получению циклогексанона
При окислении сильными реагентами происходят более глубокие превращения, рассмотренные в следующем разделе.
Гексагидроксипроизводные циклогексана образуют целый класс инозитов, состоящих из 8 геометрических изомеров подобно гексахлорциклогексану
Эти соединения широко распространены в природе и в виде производных содержатся в мышцах и различных органах животных, в семенах растений, микроорганизмах. Некоторые из них применяются в медицине.
Кроме окисления циклогексанола мягкими окислителями циклогексанон может быть получен каталитическим окислением самого циклогексана, хотя этот путь осложняется деструкцией кольца.
При окислении сильными окислителями HNO3, KMnO4, H2Cr2O7 циклогексанон образует с хорошим выходом адипиновую кислоту, а при окислении органическими надкислотами или кислотой Каро – капролактон (реакция Байера-Виллигера)
Циклогексанон и его производные под действием ультрафиолетового света в присутствии воды размыкаются с образованием капроновой кислоты или, в случае, например, α-метилциклогексанона – гептановой кислоты
Механизм реакции аналогичен фотолизу кетонов алифатического ряда и состоит в гомолитическом разрыве углерод-углеродной связи и образовании кетена, который присоединяя воду дает кислоту
1,1-Диметилциклогексадиен-3,5 (димедон) является, подобно малоновому эфиру, метиленактивным соединением и легко вступает в реакцию 1,2- и 1,4-присоединения к электрофилам. Он получается взаимодействием окиси мезитила и малонового эфира в присутствии сильного основания в результате двух последовательных реакций Михаэля и Кляйзена
Функциональным производным циклических соединений свойственна способность вступать в реакции, изменяющие размер первоначального цикла.
К реакциям расширения цикла склонны производные циклопропана и циклобутана. Расширение цикла может происходить за счет включения одного из атомов боковой цепи или внедрения реагента по связи С-С.
Дегидратация спиртов алициклического ряда часто сопровождается изменением размера цикла, например
Помимо использования сильных кислот в этих превращениях могут применяться кислоты Льюиса (ZnCl2 и AlCl3).
Изменением размера цикла в ту или другую сторону сопровождаются и реакции дезаминирования алициклических аминов азотистой кислотой
Аналогичный результат можно получить и при пинаколиновой перегруппировки вицинальных диолов ряда циклопропана или циклогексана
При нагревании с хлористым алюминием алициклические производные также претерпевают сокращения или расширения циклов. В случае метилциклопентана этот синтетический переход находится в равновесной форме
При 70-800С равновесие устанавливается при соотношении циклогексана и метилциклопентана 3:1.
В этих условиях метилциклобутан необратимо превращается в циклопентан
Циклические α-хлоркетоны при обработке щелочами претерпевают сокращение цикла, гладко превращаясь в циклоалканкарбоновые кислоты
При фотохимическом или каталитическом разложении диазосоединений в присутствии циклических кетонов происходит внедрение карбена по углерод-углеродной связи цикла, приводящее к его расширению
Следует отметить, что реакции разрыва мостиковой углерод-углеродной связи в конденсированных полициклических соединениях также протекают с расширением цикла
10.2.4. Полициклические алифатические соединения
К полициклическим алифатическим соединениям относятся алициклы, соединенные цепью, простой связью, двойной связью, имеющие общие атомы углерода, причем, циклические системы, имеющие 1 общий углеродный атом называются спиросоединениями, а 2 и более конденсированными циклическими соединениями.
Циклические соединения, разделенные цепью атомов, получаются теми же методами, что и моноциклические, а также гидрированием ароматических соединений
Алициклы, соединенные простой связью могут быть получены взаимодействием магнийорганических соединений с циклическими кетонами
Они получаются также при бимолекулярном восстановлении циклических кетонов (синтез циклических пинаконов)
Алициклы, соединенные двойной связью, могут быть получены путем альдольной конденсации соответствующих циклических кетонов:
Свойства полициклических соединений, помимо реакций, протекающих с изменением размера цикла, не отличаются от свойств алифатических соединений и аналогичны свойствам моноциклических соединений.
Спираны и конденсированные циклические системы
Как уже отмечалось выше, к спиранам относятся циклические системы из двух колец, содержащие 1 общий атом углерода. Название спиранов начинается приставкой «спиро», после которой в квадратных скобках указывается число углеродных атомов (кроме общего спиранового) В каждом цикле, начиная с меньшего, далее, если нет заместителей, следует название соответствующего общему числу атомов углерода молекулы спирана. Например:
Многие циклоалканы можно получить непосредственно, использую разнообразные методы конденсации, например по внутримолекулярной реакции Вюрца
Другой более общий путь состоит в конденсации дикарбонильных соединений аналогичного рассмотренным дибромидам строения, например, по Кляйзену
К спиранам могут приводит бициклические спирты, которые в результате пинаколиновой перегруппировки подвергаются спироциклизации
Спирановые соединения менее устойчивы, чем обычные циклические соединения и легче размыкаются в ходе различных превращений.
Циклы, имеющие более одного общего атома углерода называются конденсированными аннелированными или мостиковыми. Они могут состоять из двух, трех, четырех и т.д. и будут соответственно называться бициклами, трициклами, тетрациклами и т.д. Мостиком называют неразветвленную цепь атомов, атом или связь, соединяющую 2 узловых атома.
Нумерацию начинают от одного из узловых атомов и, ведя нумерацию по самому длинному пути ко второму узловому атому, далее идут также по самому длинному пути к первому узловому атому, затем последовательно нумеруют атомы мостика, начиная с ближнего к первому узловому атому, например:
Способы получения
– конденсация
-присоединение карбена
-реакция Дильса-Альдера
В последнем случае получается скелет камфоры, борнеола и других терпеноидов.
или трансаннулярных реакций
10.2.6. Средние циклы и макроциклы
К средним циклам относятся алициклические соединения, содержащие 7-12 звеньев. Макроциклы содержат 12и более звеньев.
Большинство методов получения малых и обычных циклов для получения циклов среднего и большого размеров малоэффективны. Наиболее распространенным способом является их синтез по Ружичке прокаливанием ториевых солей двухосновных кислот в вакууме
Другой путь, используемый для получения среднециклических кетонов - это реакции сложноэфирной конденсации по Дикману или конденсации нитрилов по Торпу. Однако эти способы неприменимы для получения 9- и 10-членных циклов. Основной проблемой синтеза средних и больших циклов является протекание межмолекулярной реакции конденсации вследствие падения вероятности столкновения концов одной молекулы. Одним из путей решения этой проблемы является сильное разбавление реакционной смеси, направленное на уменьшение возможности протекания межмолекулярных реакций.
Наиболее эффективным путем для получения циклических соединений среднего и большого размеров является ацилоиновая конденсация
Образующийся ацилоны затем можно перевести в необходимый продукт, в том числе алицикл в процессе восстановительного элиминирования.
Современным методом получения макроциклических соединений с использованием так называемого «низковалентного» титана по Макмури является внутримолекулярная циклизация дикарбонильных соединений с получением олефина
Кроме того, макроциклические соединения получаются на основе реакции метатезиса с использованием катализатора Граббса.
10.2.6.1. Производные циклогептана
Производные циклогептана получаются методами, используемыми для синтеза обычных циклов.
Из оригинальных способов получения можно отметить реакцию внедрения в молекулу бензола карбена, образующегося в результате распада диазосоединения; пиролиз промежуточного норкарана приводит к производному циклогептатриена
Полученное производное весьма реакционноспособно и в свободном виде легко полимеризуется. Его хлорпроизводное способно генерировать ароматическую систему, образуя соль тропилия
10.2.6.2. Производное циклооктана
Производные циклооктана также могут быть получены методами синтеза обычных циклов. Его непредельные производные получаются путем димеризации бутадиена на катализаторе Циглера [(Al(C2H5)3 + TiCl3]
Циклооктатетраен получается конденсацией ацетилена по Реппе при нагревании под давлением в присутствии цианида калия
При воздействии ультрафиолетового света эфиры ацетилендикарбоновой кислоты взаимодействуют с бензолом по реакции [2+2]-присоединения и дают производные циклооктадиена
Непредельные производные циклооктана исчерпывающе гидрируются над никелем Ренея, Pt или Pd до циклооктана. При прерывании реакции можно выделять из реакционной смеси все промежуточные продукты гидрирования – циклооктатриен, циклооктадиен, циклооктен и циклооктан.
Циклооктатетраен интересен тем, что содержит в своей структуре 8 углеродных атомов и 4 двойные связи и по своему графическому изображению формально напоминает бензол. Но это не так. В отличие от бензола он имеет неплоскостное строение, а самое главное, согласно правилу Хюккеля не является ароматическим, так как по формуле 4n+2 должен содержать либо 6, либо 10 π-электронов. Следовательно, чтобы придать циклооктатетраену ароматичность необходимо подать в цикл 2 электрона. Действительно, циклооктатетраен реагирует с металлическим калием и приводит к стабильной соли 2К+[C8H8]2-. По своему химическому поведению он похож на алкены: обесцвечивает холодный раствор KMnO4, реагирует с Br2/CCl4. Циклооктатетраен подвергается фотохимическому распаду с образованием бензола и ацетилена. Эти реакции позволяют прийти к выводу о строении реальной молекулы как усредненной форме 3-ёх резонансных структур
10.2.6.3. Макроциклы
К ним относятся алициклические соединения, состоящие из 12 углеродных атомов.
Многие природные макроциклические соединения являются биологически активными веществами, поэтому представляют большой практический интерес. Все высшие кетоны обладают характерным запахом. Кетоны с 10, 11 и 12 атомами в цикле пахнут камфорой, с 14-18 атомами – мускусом. За способность удерживать молекулы душистого вещества экзальтон, мускон, цибетон и другие высшие кетоны используются в парфюмерии в качестве стабилизаторов запахов
10.2.6.4. Каркасные алициклы
Помимо мостиковых циклических соединений известны объемные циклические системы, в которых каждый из циклов сконденсирован с тремя или четырьмя соседними, например
Фуллерены – соединения, состоящие исключительно из атомов углерода, соединенных в конденсированную поликарбоциклическую систему каркасного типа, состоящую из 12 пятизвенных циклов и нескольких шестизвенных.
Интересный ряд бициклических систем представляют собой катенаны. Катенаны отличаются от других бициклических алканов тем, что кольца в них связаны не валентными связями, а свободно ассоциированы, как звенья в цепи.
Разумеется, для подобных циклических соединений нет общих методов получения и в каждом случае они разрабатываются целенаправленно для конкретного объекта. Например, адамантан может быть получен изомеризацией полностью гидрированного димера циклопентадиена под действием AlCl3
10.2.6.5. Терпеноиды
Большую группу природных производных алициклических соединений представляют терпеноиды. Эти соединения выполняют важные биологические функции в живых организмах и растениях. Много лет назад было обнаружено, что активное начало запаха можно выделить из растений путем осторожного нагревания и конденсации пара на холодной поверхности. Выделяемые масла стали называть эфирными, из которых в последующем были выделены первые терпены (от немецкого terpentine). Терпены широко распространены в природе, они обнаружены не только в растениях, животных, но и в морских продуктах.
Структурное сходство многих монотерпеноидов и образование изопрена при их термическом разложении позволило предположить, что пятиуглеродный фрагмент является общей структурной единицей всех монотерпеноидов. Это структурное единство позволило Ружичке сформулировать в 1921 году известное «изопреновое правило», согласно которому углеродный скелет терпеноидов состоит из изопреновых фрагментов, связанных в определенном порядке. По мере накопления сведений о терпеноидах стали известны и примеры отступления от «изопренового» правила. Действительно, в результате метаболизма вполне допустимы перегруппировки, которые и могут приводить к отступлению от этого правила. Поэтому считается, что терпеноидами являются соединения, изначально образованные комбинацией изопреновых фрагментов, в результате которой возникают ациклические предшественники: гераниол, фарнезол,геранилгераниол, сквален и другие соединения. Таким образом, терпеноиды делятся на монотерпеноиды, в основе которых лежит С-10 углеродный скелет, сесквитерпеноиды (С-15), дитерпеноиды (С-20) и тритерпеноиды (С-30).
Все монотерпеновые соединения можно разделить на 3 основные группы: ациклические, моно-, би-, трициклические. Из ациклических моно- и сесквитерпеноидов в природе чаще всего встречаются соединения с 2,6-диметилоктановым скелетом
Гераниол и фарнезол широко распространены в природе и обнаружены в цитронелловом, розовом, апельсиновом и многих других эфирных маслах.
Наиболее интересны циклические терпеноиды. К моноциклическим терпеноидам относятся α,β-фелландрен и лимонен
Из бициклических монотерпеноидов наиболее распространены в природе α,β-пинены, ∆3-карен:
Аналогичным образом сесквитерпеноиды могут быть моно-, би- и трициклическими. Моноциклические сесквитерпеноиды α- и γ-гумулены содержат 11-членный цикл
В живицах хвойных деревьев найдены соединения группы гермакрана, содержащие 10-членный цикл
Бициклические сесквитерпеноиды широко представлены группой кадинана и другими группами, представляющими структуры, эпимерные кадинанам
Среди бициклических терпеноидов известны представители, содержащие аннелированные циклопентановые и циклогексановые, циклодекановые и циклобутановые фрагменты.
Группа лонгифолана представляет трициклические терпеноиды. Тетрациклические сесквитерпеноиды содержатся в смолах различных видов хвойных растений.
Большой класс биологически активных дитерпеноидов, обнаруженных на земле, а также выделенных из морских источников представляют многочисленные производные цембрана
По сравнению с цембраноидами бициклические дитерпеноиды лабданового ряда представлены значительно большим числом соединений
Один из производных лабдана, обладающий понижающим кровяное давление (гипертензивным) действием и эффективным современным препаратом для лечения глаукомы, является форсколин, впервые выделенный из растения, произрастающего в Индии.
К дитерпеноидам относятся новые уникальные по своим биологическим свойствам цитотоксические агенты таксол, элеутеробин, эпотилоны. На их основе созданы или находятся на стадии разработки эффективные противораковые лекарственные препараты
Таксол представляет собой тетрациклический дитерпеноид, обнаруженный в 1962 году в коре тиса Texus brevifolia.
Форсколин является примером того, что бициклические дитерпеноиды в ходе ферментативных трансформаций в биологических объектах, называемых метаболизмом, могут превращаться в трициклические. Аналогичным образом эти превращения могут происходить и между низшими и высшими терпеноидами.
Таким образом, биогенетическую связь между различными классами терпеноидов отражает схема, основанная на последовательной олигомеризации изопентенилпирофосфата
АРОМАТИЧЕСКИЙ РЯД
В органической химии существует огромная группа соединений со сходными и, как когда-то представлялось, необычными и удивительными свойствами. Общим для этих миллионов соединений является не принадлежность к какому-то определенному классу в соответствии с функциональной группой, а наличие в их молекуле стабильной группировки из шести атомов углерода, которая сохраняется при обычных химических реакциях. На это обратил внимание немецкий химик Кекуле еще в начале ХIХ века. Постепенно стало понятно, что между указанной группировкой атомов и с не укладывающимися в привычные рамки свойствами молекул, содержащими эту группировку, существует тесная связь. Сразу же отметим, что упомянутая группировка углеродных атомов получила название бензол, а органические соединения, содержащие остаток бензола в своей молекуле, составили ароматический ряд. Со временем к ароматическому ряду были отнесены и соединения с несколькими бензольными кольцами, а также соединения без бензольных колец, однако близкие к ним по своим свойствам. Отличительные свойства соединений ароматического ряда: значительная устойчивость к действию высоких температур и окислителей и легкость вступления в реакции замещения при формальной ненасыщенности их молекулы, получили обозначение как ароматический характер. Первые известные представители соединений рассматриваемого ряда имели характерный приятный запах (бальзамы, смолы и эссенции). Отсюда и возникло их общее обозначение как ароматический ряд.
Глава 11
Арены
11.1. Строение бензола
Бензол впервые был выделен М. Фарадеем в 1825 году из конденсата, выпавшего из светильного газа, используемого для освещения городских улиц Лондона. Фарадей назвал это жидкое легкоподвижное вещество с резким запахом «карбюрированным водородом» (carburated hydrogen). Важно при этом отметить, что уже тогда было установлено, что бензол состоит из равных частей углерода и водорода.
Несколько позже, в 1834 году, Митчерлих получил бензол декарбоксилированием бензойной кислоты. Он же установил элементный состав полученного соединения – С6Н6 – и предложил свое название для него – бензин. Однако с этим названием не согласился Либих. Ему показалось, что это название ставит бензол в один ряд с такими далекими от него веществами как хинин и стрихнин. По мнению Либиха более удачным названием для нового соединения является бензол, поскольку оно показывает близость бензола по свойствам к маслам (от немецкого оl – масло). Были и другие предложения. Поскольку бензол был выделен Фарадеем из светильного газа, то Лоран предложил (1837 г.) для него название фено от греческого «несущий свет». Это название не утвердилось, однако именно от него произошло название одновалентного остатка бензола – фенил.
Углеводороду Фарадея не повезло. Все предложенные для него названия оказались ущербными. Из либиховского названия «бензол» следует, что соединение содержит гидроксильную группу, которой там нет. Точно так же митчерлиховский «бензин» не содержит функциональную азотсодержащую группу. Более того, существование различных названий привело к разделению химиков. В немецкой и русской научной литературе утвердилось название «бензол», а в английской и французской – «бензен» (bensene, toluene, xylene).
На первый взгляд кажется, что установить строение бензола не представляет больших трудностей. В состав молекулы бензола входит лишь два элемента, на шесть атомов углерода приходится шесть атомов водорода. К тому же физические и химические свойства бензола изучены весьма обстоятельно. Однако эта работа затянулась на многие десятилетия и завершилась лишь в 1931 году.
Наиболее трудные барьеры к познанию структуры бензола были преодолены выдающимся немецким химиком Кекуле. С высоты современных знаний трудно понять и оценить значение выдвинутой им гипотезы, согласно которой молекула бензола имеет циклическое строение (1865 г.). Однако именно это предположение, при совокупном рассмотрении с числом изомеров у моно- и дизамещенных бензолов, привело Кекуле к известной формуле. По Кекуле бензол представляет собой шестичленное циклическое соединение с тремя чередующимися двойными связями, т.е. циклогексатриен
Именно эта структура согласуется с существованием одного и только одного монозамещенного бензола и трех изомеров дизамещенных бензолов
C момента появления структуры Кекуле началась ее критика, которую она, к сожалению, вполне заслуживала. Уже отмечалось, что характерная особенность ароматических соединений - присущий им ароматический характер. Структура Кекуле для бензола оказалась не в состоянии объяснить эту особенность ароматических соединений. В ряде случаев она не могла также объяснить отсутствия изомеров, в то время как формула циклогексатриена для бензола допускала их существование. Так, орто-замещенных бензолов может быть два изомера
однако обнаружить их не удалось. Сразу же отметим, что для преодоления этого затруднения Кекуле предложил рассматривать бензол как циклогексатриен с подвижными, не закрепленными, двойными связями. В результате быстрого преобразования I во II и наоборот бензол ведет себя как структура как бы состоящая из равных количеств I и II.
Итак, основной недостаток бензола Кекуле – невозможность объяснить на его основе ароматический характер соединений, содержащих в своей молекуле бензольное кольцо. Если бы бензол был циклогексатриеном, т.е. соединением с тремя двойными связями, то он должен был бы:
- легко окисляться даже холодным водным раствором КMnO4,
- уже при комнатной температуре присоединять бром и легко вступать в другие реакции электрофильного присоединения,
- быстро гидрироваться водородом в присутствии никеля при комнатной температуре,
В эти реакции бензол вступает неохотно, не так как алкены. А вот реакции замещения - весьма характерны для соединений ароматического ряда. Отсюда следует, что бензол не может быть циклогексатриеном и формула Кекуле не отражает истинного строения бензола. Основной недостаток бензола Кекуле – присутствие в нем двойных связей. Если бы их не было, то и не следовало бы ожидать от бензола проявления свойств, характерных для алкенов. В этой связи становится понятным, почему все дальнейшие попытки «усовершенствовать» формулу Кекуле носили форму лишить ее двойных связей, сохранив при этом за бензолом циклическое строение. Таковы формулы III – VII, предложенные Клаусом (1867 г.), Дьюаром (1867 г.), Армстронгом – Байером (1887 г.), Тиле (1899 г.) и Ладенбургом (1869 г.)
Ни одна из этих формул не могла объяснить всех свойств, присущих бензолу. Это стало возможным только с развитием квантовой химии.
Согласно современным представлениям о строении бензола его молекула представляет собой плоский правильный шестиугольник, на вершинах которого расположены углеродные атомы, находящиеся в sp2–гибридном состоянии. Каждый из шести углеродных атомов за счет трех тригональных гибридных орбиталей образует две σ-связи с соседними углеродами и еще одну связь с водородом. Все эти связи расположены в одной плоскости под углом 1200 друг к другу. В гибридизации участвуют лишь два из трех р-электронов углеродных атомов. Поэтому после образования σ-связей у каждого из шести углеродов бензольного кольца остается еще по одному р-электрону. Из истории установления строения бензола, растянувшегося на многие десятилетия, видно насколько трудно пробивало себе дорогу представление, что р-электроны способны перекрываться друг с другом не только попарно с образованием π-связей. При некоторых обстоятельствах возможно перекрывание облаков р-электронов как с соседом справа, так и с соседом слева
Это становится возможным, если молекула имеет циклическое строение, расстояния между углеродами одинаковы и оси р-электронов параллельны между собой. Последнее условие соблюдается, если молекула имеет плоское строение.
При таком построении молекулы бензола углеродные атомы связаны между собой не ординарными и не двойными связями. Эти связи, скорее всего, следовало бы отнести к «полуторным». Не лишним будет упомянуть, что согласно результатам рентгеноструктурного анализа кристаллического бензола все углерод-углеродные связи в бензоле имеют одинаковую длину 0.14 нм, которая является промежуточной между простой (0,154 нм) и двойной (0,134 нм) связями.
Таким образом, согласно современным представлениям в бензоле нет типичных двойных связей между углеродами. Следовательно, от такого соединения и не следует ожидать проявления свойств, обусловленных двойными связями. В то же время нельзя отрицать значительной непредельности молекулы бензола. Циклоалкан с шестью углеродами (циклогексан) содержит 12 водородных атомов, в то время как у бензола их всего 6. Отсюда следует, что формально бензол мог бы иметь три двойные связи и в реакциях присоединения вести себя как циклотриен. Действительно, в условиях реакций присоединения бензол присоединяет по три молекулы водорода, галогенов или озона.
В настоящее время в научно-технической литературе используется два графических изображения бензола
Одно из них подчеркивает непредельный характер бензола, а другое – его ароматичность.
Как же увязать строение бензола с его характерными свойствами, главным образом, с его ароматическим характером? Почему бензол проявляет уникальную термодинамическую устойчивость?
В свое время было показано, что алкены довольно легко присоединяют молекулу водорода и превращаются в алканы. Эта реакция протекает с выделением тепла, около 125,61 кДж на каждую двойную связь, и носит название - теплоты гидрирования. Попробуем использовать теплоту гидрирования для оценки термодинамической устойчивости бензола.
Реально существующие циклогексен, циклогексадиен и бензол гидрируются в циклогексан
Теплота гидрирования циклогексена составила 119,75 кДж. Тогда ожидаемое значение для циклогексадиена должно составить 119,75 х 2=239,50 кДж (в действительности 231,96 кДж). Если бы бензол имел три двойные связи (циклогексатриен Кекуле), то теплота гидрирования для него должна была бы быть 119,75 х 3=359,25 кДж. Экспериментальное же значение в последнем случае разительно отличается от ожидаемого. При гидрировании бензола выделяется лишь 208.51 кДж тепла, что меньше ожидаемого значения на 359,25 – 208.51=150,73 кДж. Эта энергия носит название энергии резонанса. Если при гидрировании бензола выделяется на 150,73 кДж меньше энергии от ожидаемого значения, то это означает лишь то, что сам бензол уже изначально содержит на 150,73 кДж меньше энергии, чем гипотетический циклогексатриен. Отсюда следует, что бензол не может иметь строения циклогексатриена. Стабильность молекулы бензола на величину энергии резонанса есть результат отсутствия в ней изолированных двойных связей и наличия единого электронного облака секстета р-электронов.
Приобретая благодаря выгодам своего строения высокую термодинамическую устойчивость, бензол в ходе химических реакций всячески стремится сохранить эту устойчивость. Понятно, что это может быть реализовано только при условии сохранения при химической реакции бензольного кольца в неизменном виде. Такую возможность предоставляют лишь реакции замещения и именно по этой причине для соединений ароматического ряда более характерны реакции замещения, чем присоединения. В ходе реакций электрофильного присоединения ароматическое соединение перестает быть ароматическим, теряет исключительную стабильность вместе с энергией резонанса, обуславливающей как раз эту стабильность. По этой причине ароматические соединения вступают в реакции присоединения гораздо труднее, чем, например, алкены. Другая особенность реакций присоединения с участием ароматических соединений – это их бескомпромиссность. Они либо не вступают в реакции присоединения, либо присоединяют сразу все. Об этом свидетельствует тот факт, что не удается получить из бензола продукты частичного гидрирования или хлорирования. Если уже эти реакции идут, то протекают таким образом, что сразу получаются продукты полного гидрирования или хлорирования
Такое развитие событий связано с тем, что единое электронное облако шести р-электронов у бензола или существует или не существует, промежуточные варианты для него исключены.
11.2. Ароматичность
В связи с существованием у некоторых соединений ароматического характера, обусловленного своеобразием их строения, встает вопрос, какие же особенности строения молекулы ответственны за проявления этих свойств?
Из материала предыдущего раздела понятно, что для этого необходимо, чтобы молекула содержала циклическую систему делокализованных р-электронов. По очевидным соображениям, возникновение единого облака таких электронов возможно только в том случае, если молекула циклическая (только в этом случае возможно появление кольцевой системы) и плоская (иначе нарушится параллельность осей р-электронов). Однако оказывается, что все изложенное выше необходимое, но не достаточное условие для проявления соединением ароматического характера. Определяющим фактором оказалось число р-электронов, образующих циклическую систему. У соединений, обладающих ароматическим характером, их в молекуле должно быть строго определенное число: 2, 6, 10, 14 и т.д. Как установил Э.Хюккель, единое электронное облако у ароматической системы должно насчитывать
(4n + 2)
р-электронов, где n=0, 1, 2, 3, 4 и т.д. Эта формула выведена Хюккелем из соображения заполнения различных орбиталей, образующих р-облако, и более подробно в данной книге не рассматривается.
Итак, если молекула циклическая, плоская и содержит хюккелевское число р-электронов, то она будет обладать ароматическим характером, т.е. проявлять высокую термодинамическую устойчивость и легко вступать в реакции замещения при формальной непредельности. Всем указанным требованиям удовлетворяют бензол (n=1), нафталин (n=2), антрацен и фенантрен (n=3) и другие полициклические ароматические системы
Пока вне поля зрения оставался случай с n=0, т.е. система, состоящая из двух р-электронов. Понятно, что два электрона могут составить «единую циклическую систему делокализованных электронов» не при любом размере кольца. Так, два р-электрона в циклобутановом, циклопентановом или же в циклогексановом кольце составят лишь молекулы циклобутена, циклопентена и циклогексена, не проявляющих ароматического характера
Может быть, ароматическим характером будет обладать молекула циклопропена? Оказывается, тоже нет. В молекуле циклопропена невозможна делокализация электронов. Другое дело случай циклопропенил-катиона, когда такая возможность возникает. Действительно, один из производных иона циклопропения С3Н3+, синтезированный по следующей схеме
представлял собою достаточно устойчивую при хранении соль (перхлорат), в молекуле которой все углерод-углеродные связи оказались равной длины, а р-электроны сильно делокализованы
Понятно, что рассматриваемая система обладала ароматическим характером. Следует отметить, что ион циклопропения представляет собой самый маленький цикл, которому присущ ароматический характер. Другая особенность этой системы заключается в том, что ароматический характер проявляет не нейтральная молекула, а ион. В последующем оказалось, что имеются и другие примеры подобного рода.
Циклопентадиен (1) не может быть отнесен к ароматическим системам на том основании, что содержит лишь 4 р-электрона. Это не согласуется с правилом Хюккеля. Однако положение меняется, если молекулу циклопентадиена покинет один из водородов из метиленовой группы, оставив свой электрон. Например, в результате следующей реакции
В этом случае возникнет циклопентадиенил-анион II, в котором уже возможно образование замкнутого кольца шести делокализованных р-электронов. В результате циклопентадиенил-анион, в отличие от самого циклопентадиена, должен обладать ароматичностью. Установлено, что этот анион действительно существует в виде дициклопентадиенила железа (ферроцена) III. Ферроцен имеет строение сэндвича, в котором между двумя циклопентадиенил-анионами располагается атом двухвалентного железа
Ферроцен действительно обладает ароматичностью. Все связи между углеродными атомами в циклопентадиенильных анионах выравнены и составляют 0,14 нм. Благодаря приобретению ароматичности, рассматриваемый анион проявляет повышенную устойчивость, о чем свидетельствует его высокая для углеводорода кислотность (Ка=10-15; для сравнения - для циклогептатриена Ка=10-45). Ферроцен вступает также в типичные для ароматических соединений реакции электрофильного замещения: сульфирования, алкилирования и др.
На примере циклопропенил-катиона было уже показано, что ароматичностью может обладать и катион. Другим широко известным примером такого типа ионов может послужить циклогептатриенильный катион, называемый также тропилий-ионом
Оказалось, что тропилий-катион представляет собой правильный семиугольник, в котором шесть углеродов имеют по р-электрону, необходимых для образования ароматического секстета. Еще у одного углерода имеется не занятая р-орбиталь, которая обеспечивает возможность делокализации электронов и образования единого электронного облака. Как и следовало ожидать, тропилий-катион, например, в составе бромистого тропилия, обладает ароматическим характером. Он достаточно устойчив и легко вступает в реакции замещения.
Кроме рассмотренных случаев, ароматическая система делокализованных р-электронов может возникнуть и другими способами. Примерами могут послужить хорошо известные пятичленные гетероциклические соединения: фуран, пиррол и тиофен. Казалось бы, что этим соединениям никак не попасть в число ароматических. Хотя их молекулы циклические и имеют плоское строение, однако, у них не хюккелевское число р-электронов – всего 4. В то же время у молекул этих гетероциклов стремление к образованию термодинамически устойчивой ароматической системы настолько велико, что они «добирают» необходимый секстет р-электронов за счет вовлечения в сопряжение неподеленных электронных пар атомов кислорода, азота и серы
Участие в ароматическом сопряжении неподеленных р-электронов гетероатома легко может быть доказано. Так, пиррол, в отличие от вторичных аминов, не проявляет основности. А когда неподеленные электроны азота перестают участвовать в образовании замкнутой системы р-электронов, как это имеет место в гидрированной молекуле пиррола – пирролидине, то молекула сразу же приобретает основность, присущую вторичным аминам
Как и следовало ожидать, пиррол, фуран и тиофен проявляют ароматичность. Подробнее это можно будет увидеть при рассмотрении химии этих соединений.
Наконец, отметим, что способы образования замкнутой системы делокализованных р-электронов отнюдь не исчерпываются рассмотренными примерами. Чтобы показать это рассмотрим молекулы коронена и порфина. Порфиновая система входит в молекулу важнейших природных систем, на которых построена жизнедеятельность живых организмов (гемоглобин) и растений (хлорофилл)
Из вышеприведенной формулы для коронена не следует, что это соединение будет обладать ароматичностью, т.к. не соблюдается требование правила Хюккеля относительно числа р-электронов. Здесь их всего 24, а должно быть 26 (при n=6). Между тем хорошо известно, что коронен проявляет ароматический характер. Каким же образом коронен «сделать» ароматическим по строению его молекулы? Оказывается, проблема решается, если представить коронен как бы состоящим из двух концентрических колец, причем одно из них находится внутри другого. Раздельный подсчет числа р-электронов для каждого из колец позволяет оба кольца отнести к ароматическим. Внутреннее кольцо имеет 6 электронов (n=1), внешнее кольцо включает 18 электронов (n=4). Таким образом, оба кольца содержат хюккелевское число р-электронов и должны быть отнесены к ароматическим системам.
Порфиновая ароматическая система сложена из 4 пиррольных колец, связанных между собой метиновыми группами. Формально в молекуле порфина можно насчитать 11 двойных связей, включающих 22 р-электрона. Кроме них в ароматическом сопряжении участвуют еще 8 р-электронов в составе неподеленных электронных пар у атомов азота. Суммарное число р-электронов 30 удовлетворяет требованиям правила Хюккеля при n=7.
11.3. Изомерия и номенклатура
Соединения, молекула которых включает замещенное на алкил - или алкенил бензольное кольцо, называются аренами. Арены, кроме случая бензола, относятся к жирноароматическим.
Ниже приведены наиболее часто встречающиеся арены.
Свое название простейшие арены получают по тривиальной номенклатуре или же как производные бензола. В случае аренов сложного строения название удобнее производить, взяв за основу боковую цепь.
В этом случае необходимо знать названия простейших одновалентных остатков, получающихся при отрыве водорода от соответствующих аренов
11.4. Способы получения
Известно большое число химических реакций, позволяющих получить ароматические углеводороды исходя из других классов органических соединений. Те из них, которые основаны на превращениях соединений алифатического ряда, были уже рассмотрены. К ним относятся: дегидроциклизация алканов (Зелинский, Казанский, Платэ), тримеризация ацетилена (Бертло, Зелинский), циклическая кротоновая конденсация метилкетонов, дегидрирование гидроароматических углеводородов, диспропорционирование циклогексена, циклогексадиена и их гомологов (необратимый катализ Зелинского) и др. Число методов получения аренов может быть существенно расширено за счет модификации известных реакций, а также за счет специальных реакций.
Декарбоксилирование солей ароматических карбоновых кислот при их нагревании со щелочью приводит к аренам
Оказалось, что метод создания С-С-связей по Вюрцу реакцией галогенпроизводных с щелочными металлами успешно может быть применен для синтеза гомологов бензола. Реакция в этом случае называется реакцией Вюрца-Фиттига (1864 г.)
Известно, что необходимость использования в данной реакции смеси двух разных галогенпроизводных ограничивает синтетические возможности реакции, поскольку в результате реакции получается смесь из трех соединений. Это приводит к усложнению лабораторной процедуры и напрасному расходованию исходных материалов. Однако в случае реакции Вюрца-Фиттига дело несколько упрощается, поскольку продукты реакции легко разделяются из-за значительного различия в свойствах. Так, при использовании реакции Вюрца-Фиттига с целью получения этилбензола приходится исходить из хлорбензола и этилбензола. В результате реакции получаются этилбензол (жидкость), бифенил (твердое тело) и бутан (газ), которые легко разделяются. Вместе с тем необходимо отметить, что реакция Вюрца-Фиттига имеет лишь ограниченное применение в синтезе аренов.
Среди всех способов получения аренов особое место занимает алкилирование бензольного кольца в ароматических соединениях. Эта реакция на примере бензола и хлористого метила была впервые осуществлена еще в 1877 году Фриделем и Крафтсом
Значение реакции Фриделя-Крафтса в ее универсальности и возможности использования в промышленных процессах. В последующем будет рассмотрен механизм этой реакции как частного случая реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду. Пока же обобщим феноменологические наблюдения над реакцией.
Способностью алкилироваться обладают многие ароматические соединения, но не все. Легко вступают в эту реакцию сам бензол и соединения, несущие в кольце так называемые электронодонорные заместители, в том числе и алкильные остатки. По этой причине реакция Фриделя-Крафтса сопровождается полиалкилированием, т.к. продукты первоначального алкилирования обладают большей реакционной способностью, чем исходный бензол. Попутно отметим, что последующая алкильная группа вступает в бензольное кольцо в о- и п-положение по отношению к имеющемуся заместителю
Препятствовать полиалкилированию в какой-то мере можно, используя в реакции избыток бензола.
Выше отмечалось, что в условиях реакции Фриделя-Крафтса легко алкилируются ароматические соединения, несущие в бензольном кольце электронодонорные заместители. Следует оговориться, что это не всегда так. Например, в случае анилина и замещенных аминов не удается успешно алкилировать бензольное кольцо, т.к. аминная группа как сильное основание образует с кислотой Льюиса комплекс и связывает катализатор.
Ароматические соединения с электроноакцепторными заместителями, например, нитробензол, бензолсульфокислота, в реакцию Фриделя-Крафтса практически не вступают.
Фридель и Крафтс для алкилирования бензола использовали галогеналканы. В последующем было показано, что как алкилирующие средства могут быть использованы не все галогенпроизводные. Не пригодны для этих целей соединения, в которых галоген прочно связан с остальной частью молекулы. Например, хлорбензол, хлористый винил и др.
Кроме галогеналканов, в качестве алкилирующих агентов могут быть использованы алкены и спирты. Однако независимо от природы алкилирующего агента, в результате реакции образуются продукты, у которых алкильный заместитель имеет иное строение, чем в исходном галогеналкане, спирте или алкене. Так, при алкилировании бензола хлористым пропилом, пропиленом или пропиловым спиртом получается не пропилбензол, а изопропилбензол
Классическим катализатором реакции Фриделя-Крафтса является хлористый алюминий. Однако реакцию катализируют и другие кислоты Льюиса. Чаще всего применяются трехфтористый бор, фтористоводородная и фосфорная кислоты.
Одним из способов получения аренов является трансформация уже имеющейся в ароматическом соединении боковой цепи в алкильную группу. Особенно часто этот подход осуществляется в отношении жирноароматических кетонов, легко получаемых ацилированием аренов. Благодаря особенностям строения такие кетоны способны восстанавливаться в арены по методу Клемменсена или Кижнера–Вольфа. В первом из них восстановление ведут амальгамированным цинком и соляной кислотой, во втором – гидразином и сильным основанием
Особенностью рассматриваемого способа получения аренов является то, что в этом случае не происходит перегруппировки боковой цепи и становятся доступными арены с боковыми цепями нормального строения
Для получения алкенилзамещенных аренов могут быть использованы все те реакции, которые позволяют получить алкены. В промышленности обычно используется дегидрирование алкилбензолов. Реакция проводится при высоких температурах в присутствии катализаторов дегидрирования – смеси оксидов алюминия, хрома и др.
Наиболее важный представитель алкенилбензолов - стирол получают по следующей схеме, включающей синтез этилбензола по Фриделю-Крафтсу и дегидрирование полученного этилбензола на оксидах хрома и алюминия при 6000C
Аналогичная схема используется при промышленном получении еще одного из алкенилбензолов - α-метилстирола
11.5. Химические свойства
Молекула аренов включает остаток бензольного кольца и алкильные или алкенильные группы в качестве боковой цепи. Отталкиваясь от строения аренов нетрудно предвидеть основные направления их превращений. Очевидно, что в реакциях с участием бензольного кольца они будут проявлять ароматический характер, вступать в реакции замещения. При обсуждении строения бензола было показано, что он обладает значительной непредельностью. Поэтому в определенных условиях арены могут вступать и в реакции присоединения. Боковая цепь в аренах представляет собой остаток алкана или алкена. В случае реакций с их участием арены будут вступать в реакции свободнорадикального замещения как алканы или же в реакции электрофильного замещения как алкены. Понятно, что реакции по бензольному кольцу будут протекать под влиянием боковой цепи, а реакции с участием боковой цепи будут испытывать воздействие ароматического кольца.
Реакции замещения
11.5.1. Галогенирование. Галогены в зависимости от условий проведения реакции могут реагировать как с ароматическим кольцом, так и с боковой цепью. Каталитическое галогенирование способствует реакции галогена с бензольным кольцом с замещением водородных атомов на галоген. В качестве катализаторов чаще всего используются галогениды металлов, выступающих в качестве акцепторов электронов: FeBr3, AlCl3 и ZnCl2. Роль катализатора сводится к поляризации связи между атомами галогена
Br-δ – Br+δ --- FeBr3
В результате реакции между ареном и галогеном образуется ароматическое галогенпроизводное. Интересно, что реакция может пойти и дальше, причем второй атом занимает в основном р-положение по отношению к первому
Установлено, что галогены по убыванию реакционной способности в реакции галогенирования аренов располагаются в следующий ряд
F2>Cl2>Br2>I2
Прямое введение атома галогена в ароматическое кольцо практически осуществимо лишь в случае хлора и брома. Фтор в данной реакции слишком активен. Иод, напротив, слишком пассивен. Он переходит в более активную форму (возможно, I+) лишь в присутствии окислителей, например, азотной кислоты
Как и следовало ожидать, под действием ультрафиолетового освещения действие галогена направляется в боковую цепь и реакция сводится к хорошо изученному цепному свободно-радикальному фотохимическому галогенированию. Как и в случае метана, в толуоле последовательно можно заместить на хлор все три водорода метильной группы
Интересно отметить, что при фотохимическом хлорировании в первую очередь на хлор замещаются водородные атомы ближайшего к бензольному ядру углеродного атома боковой цепи
Такое развитие событий связано с образованием в лимитирующей стадии реакции особенно устойчивого радикала бензильного типа
На образование бензильного радикала из толуола требуется лишь 326,59 кДж (для образования трет-бутильного радикала из изобутилена 381,02 кДж, для аллильного радикала 322,40 кДж). Из представленных энергий диссоциаций связей видно, что бензильный радикал содержит меньше энергии и более устойчив, чем даже трет-бутильный радикал. Это объясняет легкость образования бензильного радикала. Устойчивость радикалов бензильного типа связана с участием в делокализации электрона бензольного кольца.
11.5.2. Нитрование. При взаимодействии с азотной кислотой арены замещают свои водородные атомы на нитрогруппу
В реакцию нитрования арены вступают легче, чем сам бензол. Благодаря присутствию в толуоле электронодонорной метильной группы удается заместить на нитрогруппу все три способных к замещению водородных атома
Интересно отметить, что вступившая в кольцо нитрогруппа затрудняет дальнейшее нитрование. Известно, например, что п-нитротолуол в реакции нитрования значительно уступает в реакционной способности толуолу.
При нитровании реакция идет лучше при использовании в качестве нитрующего агента смеси азотной и серной кислот (1:2). Эта смесь называется нитрующей смесью. Установлено, что в нитрующей смеси происходит реакция между кислотами, в результате которой образуется электрофильная частица – ион-нитрония, которая и участвует в нитровании
В рассматриваемом кислотно-основном равновесии серная кислота выступает в роли сильной кислоты, а азотная кислота ведет себя как основание. Серная кислота, участвуя в вышеприведенном равновесии, способствует повышению концентрации нитроний-иона в реакционной смеси, что приводит к повышению скорости нитрования. Доказательство роли нитроний-иона при нитровании основано на том, что реакция хорошо идет и с другими источниками этого иона. Так, нитронийфторборат способен быстро нитровать бензол
На концентрацию нитроний-иона в нитрующей смеси и на результат нитрования отрицательно влияет вода, которая реагирует с ионом
По этой причине при нитровании обычно используются безводные кислоты (дымящие азотная и серная кислоты).
Кроме нитрующей смеси при нитровании могут быть использованы и другие нитрующие агенты. К ним относятся ацетилнитрат, пятиокись азота, бензоилнитрат и др. Ацетилнитрат и бензоилнитрат получают по следующим реакциям
Указанные нитрующие агенты в условиях нитрования генерируют ион-нитрония
11.5.3. Сульфирование. Уже при комнатной температуре при взаимодействии бензола со 100%-ной серной кислотой происходит реакция сульфирования – введения остатка серной кислоты в бензольное ядро. С трудом, но в бензольное кольцо удается ввести и вторую сульфогруппу, которая занимает м-положение по отношению к первой сульфогруппе
Две сульфогруппы настолько дезактивируют кольцо, что ввести в него третью сульфогруппу уже не удается.
При сульфировании образуется также вода, которая разбавляет серную кислоту. Это приводит к снижению скорости сульфирования. К тому же, рассматриваемая реакция является обратимой. С целью предотвращения разбавления серной кислоты и смещения равновесия реакции вправо, сульфирование проводится с удалением реакционной воды по ходу опыта.
Толуол содержит электронодонорную метильную группу, которая способствует сульфированию. Поэтому толуол сульфируется легче, чем бензол и образует смесь о- и п-толуолсульфокислот
11.5.4. Алкилирование и ацилирование. Алкилирование заключающееся во введении алкильного радикала в бензольное кольцо, уже рассматривалось.
Процесс введения в молекулу органического соединения, в данном случае аренов, кислотного остатка (ацила) называется ацилированием
Эта реакция приводит к получению арилзамещенных кетонов.
Поскольку углеводородные остатки активируют бензольное кольцо в реакциях замещения, то все арены достаточно легко вступают в реакцию ацилирования. При этом кислотный остаток занимает о- и п-положение по отношению к алкильному заместителю. Считается, что ароматическое соединение успешно ацилируется, если его реакционная способность не меньше, чем у галогенпроизводных бензола.
Как правило, ацилирование проводится в растворителе, в качестве которого используется сероуглерод, нитробензол или избыток арена.
В качестве ацилирующего агента возможно использование карбоновой кислоты, ее ангидрида или галогенангидрида. Наибольшей активностью обладают галогенацилы, наименьшей – сами кислоты. При ацилировании галогенацилами в качестве катализатора реакции используется хлорид алюминия или другие кислоты Льюиса. В реакции с участием кислот уже требуется использование более сильных катализаторов, например, дымящей серной кислоты.
В ходе реакций алкилирования и ацилирования много общего, они оба относятся к реакции Фриделя-Крафтса. Вместе с тем имеются и различия.
Продуктом ацилирования аренов являются жирно-ароматические кетоны. Оказалось, что они способны образовать комплекс с хлоридом алюминия, который уже не является катализатором
Образование комплекса вызывает ненужное расходование катализатора. К тому же по окончании опыта кетон, являющийся продуктом реакции, приходится выделять разрушением комплекса водой.
Еще одно следствие комплексования кетона с хлоридом алюминия заключается в том, что этот комплекс дезактивирует бензольное кольцо и делает невозможным вхождение в него второй ацильной группы.
Все сказанное остается в силе и при ацилировании в присутствии хлористого алюминия ангидридами кислот. Однако в этом случае ситуация еще более осложняется ввиду того, что и ацилирующий агент комплексуется с молекулой катализатора
Если образующийся при этом ацилий-катион участвует в реакции, то этого нельзя сказать про комплекс хлористого алюминия с карбоксилатной частью ангидрида. Таким образом, ацилирование арена ангидридом кислоты в присутствии хлористого алюминия протекает таким образом, что один моль хлорида образует комплекс с карбоксилатной частью ангидрида, второй моль дает комплекс с продуктом реакции. В результате в этом случае на моль ацилирующего агента приходится брать более двух молей катализатора.
Реакции присоединения
Среди разнообразных реакций, в которые вступают ароматические соединения с участием бензольного кольца, в первую очередь обращают на себя внимание рассмотренные выше реакции замещения. Это происходит, потому что они протекают вопреки ожиданиям. При той степени ненасыщенности, которая присуща, например, бензолу, этому углеводороду более характерными должны были быть реакции присоединения. При определенных условиях так и происходит, бензол и другие арены присоединяют водородные атомы, галогены, озон и другие способные присоединяться реагенты.
11.5.5. Гидрирование. В присутствии катализаторов гидрирования (платина, палладий, никель) бензол и его гомологи присоединяют водород и превращаются в соответствующие циклогексаны. Так, бензол гидрируется над никелевым катализатором при 100-2000C и 105 атм.:
Гидрирование аренов по сравнению с алкенами имеет две особенности. Во-первых, арены значительно уступают алкенам в реакционной способности. Для сравнения с условиями гидрирования бензола укажем, что циклогексен гидрируется в циклогексан уже при 250C и давлении в 1,4 атм. Во-вторых, бензол или не присоединяет, или присоединяет сразу три молекулы водорода. Получить гидрированием бензола продукты частичного гидрирования, такие как циклогексен или циклогексадиен, не удается.
Эти особенности при гидрировании, частном случае реакций присоединения к бензольному кольцу, обусловлены строением бензола. При превращении в циклогексан бензол перестает быть ароматической системой. Циклогексан содержит на 150,73 кДж энергии больше (энергия резонанса) и менее устойчив, чем бензол. Понятно, что перейти в это термодинамически менее устойчивое состояние бензол не склонен. Этим и объясняется меньшая реакционная способность бензола по отношению к водороду по сравнению с алкенами. Присоединение к ароматической системе возможно лишь с участием р-электронов единого электронного облака бензольного кольца. С началом процесса присоединения система перестает быть ароматической и получается богатая энергией и обладающая высокой реакционной способностью частица, которая гораздо охотнее вступает в реакцию присоединения, чем исходный арен.
11.5.6. Галогенирование. Результат взаимодействия галогена с бензолом зависит от экспериментальных условий. Каталитическое галогенирование ведет к образованию продуктов замещения. Оказалось, что ультрафиолет инициирует присоединение атомов галогена к бензольному ядру аренов. Сам бензол на свету присоединяет 6 атомов хлора и превращается в гесахлорциклогексан, представляющий смесь 9 пространственных изомеров
Один из этих изомеров, в котором 3 хлора занимают аксиальные связи, а еще 3 – экваториальные связи (γ-изомер, гексахлоран), оказался эффективным инсектицидом, средством борьбы с вредными насекомыми. Гексахлоран оказался слишком устойчивым в условиях биосферы и способным накапливаться в жировой ткани теплокровных и поэтому в настоящее время не применяется.
По своей реакционной способности по отношению к галогенам в реакциях присоединения бензол значительно уступает алкенам. Например, хлор и бром в четыреххлористом углероде даже в темноте при комнатной температуре присоединяются к циклогексену. В указанных условиях бензол не реагирует. Происходит это только при ультрафиолетовом освещении.
11.5.7. Озонирование. Озонирование - еще один пример, показывающий, что бензол как ненасыщенное соединение может вступить в реакцию присоединения. Озонирование бензола и изучение продуктов гидролиза триозонида было осуществлено еще в 1904 году (Гарриес)
Интересные результаты были получены при озонировании о-ксилола (1941 г., Вибо). Дело в том, что состав продуктов озонирования зависит от положения двойных связей в бензольном кольце. Структура 1 с двойными связями между углеродами бензольного кольца, несущими метильные заместители, при озонировании и гидролизе озонида даст 2 молекулы метилглиоксаля и молекулу глиоксаля
Альтернативная структура II для о-ксилола должна была бы образовать 2 молекулы глиоксаля и молекулу диацетила
В действительности глиоксаль, метилглиоксаль и диацетил были получены в молекулярном соотношении 3:2:1. Эти результаты свидетельствуют о том, что о-ксилол по строению не I и не II, а как бы некая структура с подвижными, не локализованными двойными связями. Согласно современным представлениям о строении бензола, он не имеет обычных двойных связей и результаты озонирования нельзя рассматривать как доказательство их существования. Эти данные говорят лишь о сильной непредельности бензола и о том, что по чисто формальным признакам ему можно приписать три двойные связи.
Реакции боковой цепи
В аренах в качестве боковых цепей выступают остатки предельных или непредельных углеводородов. Понятно, что в некоторых случаях арены могут участвовать в химических реакциях за счет своих боковых цепей. При этом алкильные заместители придадут арену способность реагировать как алканы, для которых наиболее характерными реакциями являются реакции свободно-радикального замещения. Если в боковой цепи арена находится алкенильная группа, то для него становятся возможными реакции электрофильного присоединения. Бензольное кольцо, сохраняющееся в ходе этих реакций, влияет на скорость и направление соответствующих превращений.
Некоторые из реакций с участием боковой цепи уже рассматривались. Это реакции свободно-радикального хлорирования, восстановления жирно-ароматических кетонов и дегидрирование алкилбензолов. Расширим круг этих реакций новыми примерами.
Окисление аренов. Само бензольное кольцо отличается необыкновенной устойчивостью к действию окислителей. В этом проявляется так называемый ароматический характер. Обычные окислительные реагенты: CrO3, KMnO4, H2O2, OsO4, которые применяются при окислении алкенов, окислить бензол не могут. Конечно, в очень жестких условиях можно окислить и бензольное кольцо. Для этого требуется 450-5000C и наличие катализатора – пятиокиси ванадия. При окислении бензола кислородом воздуха в указанных условиях бензольное кольцо разрушается и получается малеиновый ангидрид
Возможно, это один из лучших технических способов получения малеинового ангидрида.
Все сказанное относительно устойчивости к действию окислителей касается самого бензольного кольца, но не боковых цепей в аренах. Алкильные боковые заместители, в отличие от самих алканов, способны окисляться даже перманганатом калия в водном растворе щелочи.
Толуол окисляется уже при 950C количественным выходом в бензойную кислоту.
Интересно отметить, что при окислении аренов действие окислителя всегда направлено на ближайший к бензольному кольцу атом углерода боковой цепи. Поэтому алкилбензолы независимо от длины боковой цепи окисляются в бензойную кислоту
В то же время если этот углерод является четвертичным и не содержит водородного атома, то такой арен в обычных условиях окисления боковой цепи не способен окисляться
Если бензольное кольцо содержит несколько алкильных групп, то подбором окислителя и условий проведения реакции можно выборочно окислить только один из алкилов. Например, горячей азотной кислотой можно окислить только один из метилов в о-ксилоле
или изопропильную группу в п-цимоле
Окисление алкилбензолов широко используется для получения терефталевой кислоты из п-ксилола (мировое производство около 5 млн. т). Окисление ведут кислородом воздуха в присутствии солей кобальта
При окислении 1,2,4,5-тетраметилбензола (дурола) образуется весьма ценная четырехосновная ароматическая кислота (пиромеллитовая кислота), которая используется при получении полиэфиров
11.5.9. Реакции присоединения к алкенилбензолам. В молекуле алкенилбензолов имеется бензольное кольцо и в качестве боковой цепи – остаток непредельного углеводорода. Эти две функциональные группы относительно друг друга могут занимать различное положение. В том случае, если двойная связь далека от кольца, то эти структурные единицы будут слабо влиять на реакционную способность друг друга. Наиболее интересным представляется случай, когда кольцо и двойная связь сопряжены. При этом бензольное кольцо в наибольшей степени будет влиять на скорость и направление реакции электрофильного и радикального присоединения к кратной связи.
Рассмотрим гидробромирование 1-фенилпропена. В результате этой реакции получается 1-бром-1-фенилпропан (в отсутствии перекисей) или 2-бром-1-фенилпропан (в присутствии перекисей)
Понятно, что в случае проведения реакции в присутствии перекисей она протекает с промежуточным образованием радикалов
Ранее уже обсуждалось, что бензиловый радикал, а также радикалы бензилового типа, относятся к наиболее устойчивым радикалам. Поэтому нет ничего удивительного в том, что гомолитическое присоединение протекает через наиболее устойчивый радикал с образованием 2-бром-1-фенилпропана
Ионное присоединение также протекает с промежуточным образованием наиболее стабильного карбокатиона бензилового типа. Подсчитаем расход энергии при получении бензилового карбокатиона из толуола. Эта энергия будет складываться из энергии диссоциации толуола (326,59 кДж) и энергии ионизации бензилового радикала (749,47 кДж). Отсюда видно, что для получения бензилового карбокатиона надо затратить 1076,06 кДж. Для сравнения: для метильного карбокатиона – 1390,08 кДж, для трет-бутильного карбокатиона – 1096,99 кДж. Сравнение вышеприведенных величин показывает, что бензильный карбокатион должен обладать почти такой стабильностью, что и трет-бутильный карбокатион. Считается, что устойчивость рассматриваемого карбокатиона связана с его резонансной стабилизацией с участием бензольного ядра. Другими словами, положительный заряд бензилового иона рассредоточен с участием бензола настолько эффективно, что этот ион относится к числу наиболее устойчивых. Вспомним правило - то, что устойчиво, легче образуется. Поэтому реакция ионного гидробромирования пропенилбензола протекает с промежуточным образованием катиона бензилового типа с получением 1-бром-1-фенилпропана
Рассматривая реакции алкенилбензолов, в которых двойная связь сопряжена с бензольным ядром, отметим, что подобные соединения легко полимеризуются. Общеизвестный пример – стирол, который в присутствии следов инициатора – перекиси бензоила, полимеризуется в полистирол
11.5.10. Закономерности реакций электрофильного замещения
Реакции электрофильного замещения составляют существенную часть химии ароматических соединений. Примеры таких реакций были рассмотрены раньше. Теперь наступила пора попытаться объяснить феноменологические наблюдения над реакциями, выявить общие закономерности их протекания, предложить и обосновать механизм электрофильного замещения в ароматическом ряду и на этой основе рассмотреть влияние замесителей в кольце на ориентацию и реакционную способность.
11.5.10.1. Правила замещения. Исторически сложилось так, что первоначальные обобщения над реакциями замещения были сформулированы в виде свода правил (Голлеман). Эти правила ничего не объясняли, однако позволяли бездумно предсказывать направление замещения и продукты реакции. С тех пор теоретическая органическая химия шагнула далеко вперед, однако представляется, что правила замещения не потеряли своего значения и в наши дни именно в силу своей непритязательности и предсказательных возможностей.
Обобщение большого числа реакций замещения в ароматическом ряду показало, что имеющийся в бензольном кольце заместитель влияет как на реакционную способность соединения, так и на место вступления нового заместителя в кольцо. Оказалось, что одни заместители способствуют реакции и направляют новый заместитель в о- и п-положение по отношению к имеющемуся заместителю. Они были названы заместителями 1 рода, о- и п-ориентантами и электронодонорными заместителями. Вот они:
-NH2, -NHR, -NR2, -OH, -NHCOR, -OR, -C6H5, , алкилы, галогены
Другая группа заместителей затрудняет ход реакции, а новые заместители направляют в м-положение. Эти заместители были названы заместителями 2 рода, м-ориентантами, электроноакцепторными заместителями
-CN, -CHO, --COR, -COOH, -COOR, -SO3H, -NR3 ,-CF3, -CCl3, -NO2
В ароматическом кольце может быть и несколько заместителей. Как же в таком случае формулируются правила замещения?
В дизамещенных бензолах влияние заместителей может быть согласованным или несогласованным. Следующие ароматические соединения будут вступать в реакции замещения, испытывая согласованное влияние заместителей
Вот примеры структур с несогласованным влиянием заместителей
При участии в реакции таких соединений возможны следующие варианты:
1. Если кольцо содержит два электронодонорных заместителя, то реакция идет под ориентирующим влиянием более сильного из них.
2. Если в кольце находятся заместители 1 и 2 рода, то замещение протекает под ориентирующим влиянием первого из них.
3. По стерическим соображениям новый заместитель обычно не вступает в кольцо между заместителями, находящимися в м-положении.
Выше отмечалось, что в случае ди- или более замещенных бензолов реакции замещения протекают под активирующим и ориентирующим влиянием более «сильного» заместителя. Установлено, что заместители 1 рода по убыванию активирующей и ориентирующей силы располагаются в следующий ряд
-NH2> –OH> -OCH3> -NHCOCH3 > -C6H5> -CH3> м-ориентанты
В случае дизамещенных бензола, чем больше заместители различаются по силе, тем точнее соблюдаются правила замещения и тем выше их предсказательная сила. В противном случае результат реакции весьма неопределенен. Так, при нитровании п-хлортолуола, в котором метильная группа и хлор обладают близким ориентирующим эффектом, получаются оба возможных продукта с сопоставимыми выходами
При проведении реакций замещения с участием монозамещенных бензолов возникает вопрос о соотношении продуктов замещения в о- и п-положения. У монозамещенных бензолов одно п-положение и два о-положения. Поэтому статистически соотношение продуктов должно быть 2:1 или близко к этому. В действительности бывает и наоборот. Так, при нитровании бромбензола о-изомер получается с выходом в 38%, а п-изомера образуется 62%
Считается, что предсказанные статистикой соотношения не соблюдаются из-за пространственных факторов. Из-за них вновь вступающие в кольцо заместители стремятся расположиться как можно дальше от имеющегося заместителя.
В связи с обсуждением закономерностей реакций замещения на эмпирическом уровне отметим еще, что иногда результаты реакции становятся неожиданными из-за трансформации заместителей. Примером может послужить сульфирование анилина. Казалось бы, это соединение, содержащее один из наиболее сильных заместителей 1 рода, должно легко сульфироваться с образованием смеси о- и п-изомеров. Однако это не так, реакция идет с трудом с образованием м-изомера. Происходит это потому, что анилин, являющийся основанием, протонируется кислотой. При этом аминогруппа, являющаяся активирующим заместителем, превращается в ион аммония, который относится к дезактивирующим заместителям. Дальше реакция идет уже под контролем иона аммония
Интересно отметить, что иногда направление замещения можно изменить варьированием условий проведения реакции. Так, метилирование толуола хлористым метилом в присутствии AlCl3 при 0оC приводит к смеси о- и п-ксилолов. При проведении реакции при 80оC основным продуктом реакции становится м-ксилол
Следует отметить, что рассмотренные в данном разделе эмпирические закономерности не носят абсолютного характера. Они предсказывают лишь основное направление реакции. Так, бромирование толуола в соответствии с правилами замещения дает ожидаемую смесь о-бромтолуола (33%) и п-бромтолуола (67%). В то же время при сульфировании толуола наряду с ожидаемыми толуолсульфокислотами получается также и м-изомер (6%).
11.5.10.1. Теория резонанса
В следующем разделе будут рассматриваться современные представления о реакциях электрофильного замещения в ароматическом ряду. При этом не обойтись без теории резонанса, ставшей частью структурной теории и позволяющей в наглядной форме представить себе распределение электронной плотности в нереагирующей молекуле или в промежуточных частицах органических реакций – ионах и радикалах. Основы теории резонанса были развиты Полингом в 40-ые годы прошлого столетия.
Оперируя лишь ограниченным набором графических средств, химики творят чудеса – передают на бумаге при помощи структурных формул строение миллионов органических соединений. Однако иногда это не удается. Может быть, одним из первых примеров такого рода был бензол, свойства которого не удалось передать одной формулой. Поэтому Кекуле вынужден был для него предложить две формулы с нелокализованными двойными связями. Чтобы ясно представить себе истоки теории резонанса, рассмотрим еще несколько примеров.
Для нитрит-иона NO2- может быть предложена следующая структурная формула
Из этой формулы следует, что в нитрит-ионе имеется два разных кислорода, один из которых несет отрицательный заряд, а другой – не заряжен. Однако известно, что в нитрит-ионе нет двух разных кислородов. Чтобы преодолеть это затруднение строение иона пришлось изобразить двумя формулами
Аналогичная ситуация складывается в случае аллильного катиона, с которым мы уже встречались раньше. Для этой частицы тоже приходится использовать две формулы, которые только вместе передают все особенности строения катиона
Согласившись с необходимостью передачи строения некоторых молекул или частиц несколькими формулами, мы ставим себя перед поиском ответов на множество возникающих вопросов. Например, сколько формул передают все особенности строения частицы? Соответствуют ли подобранным формулам реальные частицы? Каково реальное распределение электронов в частице?
На эти и другие вопросы и отвечает теория резонанса на качественном уровне. Основные положения этой теории сводятся к следующему.
1. Если все тонкости строения частицы невозможно отобразить одной формулой, то это надо делать, прибегнув к нескольким структурам. Эти структуры называются резонансными, предельными, граничными, каноническими.
2. Если для частицы можно нарисовать две или больше приемлемых структур, то действительное распределение электронов не соответствует ни одной из них, а является промежуточным между ними. Реально существующая частица считается гибридом в действительности не существующих резонансных структур. Каждый из предельных структур вносит свой вклад в реальное распределение электронной плотности в частице. Этот вклад тем больше, чем ближе канонические структуры по энергии.
3. Резонансные формулы записываются с соблюдением определенных правил:
- в различных резонансных структурах положения всех атомов должны быть одинаковыми, их отличие состоит только в расположении электронов;
- граничные формулы не должны сильно отличаться по положению электронов, в противном случае вклад таких структур в резонансный гибрид будет минимальным;
- граничные структуры с существенными вкладами в резонансный гибрид должны располагать одинаковым и наименьшим числом неспаренных электронов.
4. Энергия реальной частицы меньше, чем энергия любой из предельных структур. Другими словами – резонансный гибрид стабильнее, чем любой из участвующих в резонансе структур. Такое повышение стабильности называют энергией резонанса.
Плодами качественной и наглядной теории резонанса мы воспользуемся совсем скоро - при объяснении ориентации в реакциях замещения в ароматическом ряду. Пока же отметим, что эта теория верой и правдой служит химии более 70 лет, хотя с момента публикации подвергается критике. Часто критика связана с путаными взаимоотношениями между реальной частицей и каноническими структурами. Сама теория резонанса постулирует, что канонические структуры вымышленные. Тем не менее, довольно часто им придают реальный смысл, что, конечно, не соответствует действительности. Однако при этом появляется возможность остроумно обсудить ситуацию. Так, для объяснения взаимоотношений между предельными структурами и их резонансным гибридом Т. Уэланд предложил воспользоваться биологической аналогией, которая сводится к следующему. «Когда мы говорим, что мул является гибридом осла и лошади, то при этом совсем не имеется в виду, что некоторые мулы являются ослами, а другие – лошадьми, или что каждый мул часть времени является лошадью, а другую – ослом. Мы просто имеем в виду тот факт, что мул – животное, родственное как лошади, так и ослу, и при описании его удобно сопоставить с этими знакомыми нам животными». Надо отметить, что аналогия Уэланда не вполне корректна. Ведь в отличии от предельных структур, которые в действительности не существуют, осел и лошадь – существа весьма конкретные. Кроме того, некоторые специалисты обратили внимание на субъективность отдельных постулатов теории резонанса. Продолжая обсуждение этой теории в рамках биологической аналогии Уэланда, О. А. Реутов еще в 1956 году отметил, что «концепция резонанса не может предсказать, что мул является гибридом именно лошади и осла. Это нужно знать независимым путем. В противном случае можно, например, в качестве одного из родителей взять слона и подобрать второго родителя таким образом, чтобы математически все сошлось».
В заключение отметим, что теория резонанса, несмотря на определенные недостатки, помогает химику на качественном уровне предсказать распределение электронов в молекуле или любой частице, чего, к сожалению, до сих пор не может квантовая химия.
11.5.10.2. Механизм электрофильного замещения в ароматическом ряду
Поскольку рассмотренные ранее реакции галогенирования, сульфирования, нитрования, алкилирования и ацилирования протекают с участием бензола, следует обратить внимание на особенности строения этого соединения.
В бензоле все шесть углеродов и 6 водородных атомов расположены в одной плоскости. На этой же плоскости размещаются и 12 σ-связей, которые связывают между собой углеродные и водородные атомы. При этом 6 π-электронов ароматической системы создают единое электронное облако над и под упомянутой плоскостью, связывая между собой углероды кольца. В результате бензол напоминает бутерброд, по небрежности намазанный маслом с обеих сторон (см. раздел 11.1).
Понятно, что подобная, богатая электронами структура, будет привлекательна для электронодефицитных частиц – кислых, электрофильных реагентов. Поэтому реакции замещения в ароматическом ряду чаще всего относятся к реакциям электрофильного замещения.
11.5.10.2.1. Генерирование электрофильных частиц
Все реакции электрофильного замещения включают стадию образования электрофильной частицы. Образование электрофила обычно связано с какой-нибудь реакцией кислотно–основного равновесия.
При галогенировании галогенид железа или иная кислота Льюиса вызывает ионизацию молекулы галогена. В этом сказывается способность хлорида железа принимать электрон
Не исключено, что в действительности дело, может быть, и не доходит до полной ионизации молекулы галогена. Возможно, имеет место просто поляризация с образованием комплекса галогена с катализатором
В этом случае роль электрофила выполняет положительно заряженный конец комплекса.
Интересно отметить, что при галогенировании алкенов они способны сами создавать для себя электрофильный атом галогена, без постороннего участия. Происходит это потому что π-электроны двойной связи поляризуют молекулу галогена. Такой способностью π-электроны бензольного кольца не обладают поэтому приходится использовать катализатор.
При нитровании электрофильная частица – ион-нитрония – NO2+, образуется при взаимодействии серной и азотной кислот, смесь которых называется нитрующей смесью
В этом кислотно-основном равновесии серная кислота выступает в роли кислоты, а азотная кислота – основания. То, что при этом получается ион нитрония, принимающий участие в реакции замещения как электрофил, сомнений не вызывает. Нитроний-ион хорошо изучен в виде своих солей: перхлората - (NO2+ClO4-) и тетрафторбората нитрония (NO2+BF4-).
При сульфировании, в отличие от реакций галогенирования и нитрования, в качестве электрофила выступает нейтральная частица – SO3, образующаяся при взаимодействии двух молекул серной кислоты
Серный ангидрид, хотя и является электронейтральным, относится к электрофильным частицам. В молекуле ангидрида атом серы окружен лишь шестью электронами. Нарушение правила октетов в молекуле этого соединения делает атом серы электронодефицитным, способным выступать в реакциях замещения в качестве электрофила.
При алкилировании по Фриделю-Крафтсу, независимо от природы применяемого реагента (галогенпроизводные, алкены, спирты), в качестве электрофильной частицы выступают карбокатионы. Пути их образования видны из следующих реакций
При изучении реакции Фриделя-Крафтса отмечалось, что обычно в результате реакции в бензольном кольце оказывается не тот алкил, который был в галогеналкане. Протекание реакции с участием карбокатионов легко объясняет эту особенность замещения. Во всех реакциях с участием карбокатионов они претерпевают перегруппировки в направлении образования более стабильных из них. Этот более устойчивый катион, образовавшийся из менее устойчивого по типу 1,2-алкильных (гидридных) сдвигов, и оказывается электрофилом в реакции Фриделя-Крафтса.
Рассмотрим такой пример. В реакции алкилирования с участием хлористого пропила и хлористого алюминия первоначально может образоваться только пропильный карбокатион
который дальше атакует бензол или перегруппировывается по механизму 1,2-гидридного сдвига в более устойчивый изопропильный катион
Судя по тому, что продуктом реакции является изопропилбензол, перегруппировка все-таки превалирует над реакцией алкилирования пропильным карбокатионом.
Следует отметить, в реакции Фриделя-Крафтса наряду с карбокатионами могут принимать участие также и другие электрофилы, например, полярные комплексы, образованные галогеналкилом и катализатором
При ацилировании, другой разновидности реакции Фриделя-Крафтса, электрофилами являются ацилий-катионы, образующиеся при взаимодействии ацилгалогенида или ангидрида карбоновой кислоты с катализатором
11.5.10.2.2. Общий механизм электрофильного замещения
Согласно устоявшимся воззрениям, электрофильное замещение в ароматическом ряду протекает в две элементарные стадии. На первой стадии богатое электронами бензольное ядро подвергается атаке электрофильной частицей – катионом или положительно заряженным концом сильно поляризованного комплекса катализатора с реагентом. При этом возникает ковалентная связь между электрофилом и одним из углеродов бензольного кольца за счет двух из шести его π-электронов
Следует внимательно рассмотреть структуру той частицы, которая при этом получается. В научной литературе ее называют σ-комплексом или же бензониевым карбокатионом. Этот ион:
- не обладает ароматичностью, у него только 4 электрона. По сравнению с бензолом, из которого он образовался, σ-комплекс менее устойчив на величину энергии резонанса (150,73 кДж);
- один из углеродов бензольного кольца – тот, который образовал связь с электрофилом, претерпел перегибридизацию из sp2 в sp3;
- единое электронное поле из 6 π-электронов бензольного кольца распалось, теперь 2 электрона из их числа обеспечивают персональную связь одного из углеродов кольца с электрофилом. Оставшиеся 4 электрона приходятся на 5 sp2-гибридизованных углерода кольца, поэтому σ-комплекс несет положительный заряд. Однако этот заряд не сосредоточен на каком-то конкретно углероде кольца, а делокализован между всеми пятью углеродами, хотя и не в равной мере.
Полагают, что бензониевый ион представляет собой резонансный гибрид нескольких канонических структур. Для написания их формул прибегнем к следующему приему. Изобразим бензольное кольцо в виде одной из структур Кекуле. Тогда образование σ-комплекса можно передать следующей схемой
При изображении бензониевого иона в таком виде сразу видно, что ему можно придать и другие альтернативные структуры, рассматривая ион как «супераллил–катион»
Таким образом, бензониевый катион можно представить как резонансный гибрид трех предельных структур
Следует обратить внимание на тот факт, что присоединение электрофила к бензолу в точности повторяет присоединение электрофила к двойной связи алкена. Разница только в том, что в данном случае получается карбокатион (σ-комплекс) существенно более сложного строения.
Перед σ-комплексом два пути. Он может, как и во второй стадии реакции электрофильного присоединения к алкенам, присоединить подходящий нуклеофил и дать конечный продукт реакции. Другой путь – отщепление каким-нибудь нуклеофилом протона у σ-комплекса. После ухода протона ковалентная пара электронов, обеспечивавшая его связь с углеродом, освобождается и может включиться в ароматический секстет. Это означает возрождение ароматической системы, которая отличается особой устойчивостью
Итак, электрофильное замещение в ароматическом ядре - процесс двухстадийный. На первой стадии происходит медленное образование карбокатиона, который на второй стадии быстро отщепляет протон и дает продукт реакции. Этот общий механизм реакции электрофильного замещения хорошо согласуется с экспериментальными фактами, на его основе легко объясняются реакционная способность и ориентация. Тем не менее, пока еще предложенный механизм ничем не доказан. В частности, это касается двухстадийного характера реакции и отнесения первой стадии к лимитирующей, определяющей скорость процесса в целом.
Для подтверждения предложенного механизма был использовано явление изотопного эффекта, которое заключается в следующем.
В реакции, протекающей с разрывом связи углерод – водород, водород может быть представлен своими изотопами: протием, дейтерием или тритием, которые существенно различаются по массам
Встает вопрос, в какой мере замена одного изотопа другим скажется на скорости реакции? Очевидно, что здесь имеется два варианта: в одном случае реакция эту замену почувствует, а в другом – нет. Если при замене одного изотопа на другой скорость реакции изменяется, то говорят о наличии изотопного эффекта, в противном случае – о его отсутствии. Установлено, что в большинстве реакций, протекающих с положительным дейтериевым изотопным эффектом, соотношение констант скоростей kH /kD колеблется в пределах 5-8. Отметим, что при исследовании механизмов реакций значение имеет только наличие или отсутствие изотопного эффекта. Как трактуется факт наличия или отсутствия изотопного эффекта при изучении механизмов реакций?
Любая химическая реакция складывается из ряда элементарных стадий. Скорость химической реакции в целом определяется скоростью наиболее медленной из них. В реакции, протекающей с разрывом связи углерод-водород, наличие или отсутствие изотопного эффекта позволяет однозначно определить момент разрыва рассматриваемой связи. Если в реакции изотопный эффект отсутствует, то это означает, что связь углерод-водород разрывается после лимитирующей стадии, в быстрой стадии, когда подмена одного изотопа другим уже значения не имеет. Если изотопный эффект имеет место, то из этого следует, что связь углерод-водород разрывается на лимитирующей стадии.
Как же обстоит дело в случае реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду? В этом случае изотопный эффект отсутствует, за исключением нескольких несущественных отступлений от этого общего правила. Из этого факта следует, что в реакциях электрофильного замещения в ароматическом ряду разрыв связи С-Н происходит на быстрой стадии, которой предшествует медленная стадия образования σ-комплекса.
Интересно, что факт отсутствия изотопного эффекта при ароматическом замещении можно использовать для аргументации еще некоторых особенностей этой реакции.
Не может ли замещение происходит в одну стадию? Нет, не может. В таком случае эта единственная стадия была бы и лимитирующей стадией и для нее наблюдался бы изотопный эффект.
Отсутствие в реакции ароматического замещения изотопного эффекта позволяет судить также о скоростях образования и превращения бензониевого иона. Если бы указанные элементарные стадии протекали с сопоставимыми скоростями, то при электрофильном замещении в ароматическом ряду проявил бы себя изотопный эффект. Отсутствие указанного эффекта свидетельствует о значительном превалировании скорости превращения карбокатиона над скоростью его образования.
11.5.10.2.3. Влияние заместителей на скорость замещения
О характере влияния различных заместителей в бензольном кольце на реакционную способность соединения нам уже известно. Заместители 1 рода способствуют реакции, а заместители 2 рода и галогены затрудняют электрофильное замещение. Теперь эти известные факты необходимо объяснить в рамках постулированного механизма.
Лимитирующей стадией в реакции замещения является стадия образования σ-комплекса, который представляет собой карбокатион. Известно, что чем устойчивее карбокатион, тем легче он образуется. Отсюда следует, что любой фактор, приводящий к повышению стабильности σ-комплекса, облегчит его образование и будет способствовать реакции. В случае карбокатиона, являющегося электронодефицитной частицей, таким фактором является подача заместителем электронов к бензольному кольцу. Понятно поэтому, что электронодонорные заместители способствуют электрофильному замещению, а электроноакцепторные заместители – препятствуют реакции
Влияние заместителей в бензольном кольце на реакционную способность в реакциях электрофильного замещения может быть весьма значительным. Так, при нитровании нитробензол в миллион раз менее активен, чем бензол. В то же время анилин также в миллион раз активнее бензола. Некоторые заместители на активность бензольного кольца влияют не столь значительно. При нитровании толуол лишь в 25 раз активнее бензола, а хлористый бензил уступает ему всего в 3 раза.
11.5.10.2.4. Влияние заместителей на ориентацию
При изучении классических реакций ароматического замещения можно было видеть, что одни заместители в бензольном кольце новые заместители направляют в о- и п-положения, а другие – в м-положение. Как эти наблюдения согласуются с предложенным механизмом реакции?
Рассмотрим в общем виде реакцию электрофильного замещения (электрофил Е+) участием в ней ароматического соединения, несущего в бензольном кольце заместитель 1 рода, например, ОСН3 .
На лимитирующей стадии реакции возможно образование трех карбокатионов, с различным местом вступления нового заместителя в кольцо
Спрашивается, с образованием какого из этих трех промежуточных частиц пойдет реакция? Ответ на демагогическом уровне достаточно прост. Реакция пойдет с преимущественным образованием того σ-комплекса, который более устойчив. Вся беда заключается в том, что современная квантовая химия не отвечает на этот вопрос. Поэтому суждение о стабильности карбокатионов будем выносить с использованием теории резонанса.
При о-атаке на бензольное кольцо получается карбокатион, который можно представить себе как резонансный гибрид нескольких структур. Для написания этих резонансных структур изобразим бензол в виде структуры Кекуле, после присоединения к которой электрофильного реагента появляется одна из канонических формул. Если в этой формуле переместим двойную связь и положительный заряд как в случае аллильных катионов, то появятся и другие возможные канонические структуры
В одной из предельных структур (IV) электронодонорная группа СН3О связана с электронодефицитным углеродом бензольного кольца. Поэтому в этом случае появляется возможность образования дополнительной связи между кислородом метоксигруппы и упомянутым углеродом за счет несвязывающей электронной пары кислорода. Это приводит к появлению еще одной резонансной структуры
Таким образом, при замещении в о-положение образуется σ-комплекс, который можно представить как резонансный гибрид четырех предельных структур IV – VII
Аналогичным образом можно представить м- и п-замещение
Теперь появляется возможность обсуждения относительной устойчивости σ-комплексов, образующихся при замещении в различные положения бензольного кольца.
В случае о-замещения среди канонических структур фигурирует структура IV, которая особенно устойчива. Это связано с тем, что в этой резонансной структуре электронодонорный заместитель подает электроны не просто к бензольному кольцу, а конкретно - к электронодефицитному углероду этого кольца. Такая же особенно устойчивая предельная структура обнаруживается и при п-замещении (XIII). При м-замещении такого рода устойчивые структуры не встречаются. Таким образом, при электрофильном замещении с участием ароматических соединений с заместителями 1 рода при о- и п-атаке электрофила на лимитирующей стадии получаются относительно устойчивые σ-комплексы I и III. Их устойчивость обусловлена вкладом канонических структур IV и XIII в соответствующие резонансные гибриды. Понятно, что более устойчивые карбокатионы I и III образуются легче и быстрее, чем II, и поэтому реакция идет как о- и п-замещение.
Теперь рассмотрим реакцию электрофильного замещения ароматического соединения, несущего в бензольном кольце заместитель 2 рода. Представим себе, что, как и в предыдущем случае, реакция может пойти как о-, м- или п-замещение. В каждом случае будет получаться свой σ-комплекс, представляющий собой резонансный гибрид нескольких канонических структур
Рассмотрение предельных структур показывает, что XVI и XXI будут менее устойчивыми, чем другие. Дестабилизация в этих случаях связана с тем, что электроноакцепторная NO2-группа оттягивает электроны не вообще от бензола, а именно от электронодефицитного углерода бензольного кольца. Благодаря участию в резонансе этих наименее устойчивых канонических структур, σ-комплексы XV и XIX будут уступать по стабильности карбокатиону XXIII, образующемуся при м-ориентации. По указанной причине реакция электрофильного замещения ароматического соединения с заместителем 2 рода будет протекать как м-замещение.
11.5.10.2.5. Передача электронных эффектов при замещении
В ароматических соединениях в бензольном кольце могут размещаться разнообразные заместители. По их влиянию на реакции электрофильного замещения они были сведены в две группы. Оказалось, что одни заместители способствуют реакциям этого типа и направляют новые заместители в о- и п-положения по отношению к имеющемуся заместителю. Такие заместители были отнесены к заместителям 1 рода или, более конкретно, электронодонорным. Другие заместители составили список замесителей 2 рода или электроноакцепторных. Однако при ближайшем рассмотрении отнесение заместителей к донорам или акцепторам электронов вызывает определенное внутреннее сопротивление. Обратимся к конкретному примеру.
По принятой классификации, гидроксильная группа является одним из наиболее сильных электронодонорных заместителей. Между тем, имеющаяся в фенолах связь С–О - это связь между атомами, значительно различающимися по электроотрицательности. Благодаря этому электроны ковалентной пары этой связи смещены в сторону более электроотрицательного кислорода С :О (-I–эффект, индуктивный эффект) и гидроксильную группу в фенолах следовало бы отнести к электроноакцепторным заместителям. Однако то, что гидроксил в фенолах донор электронов – это неоспоримый факт. Отсюда следует, что существует, по-видимому, и другой способ передачи электронов от гидроксильной группы к бензольному кольцу, который не только компенсирует –I–эффект кислорода гидроксила, но и делает его донором электронов. Таким эффектом является мезомерный эффект (+М–эффект), обусловленный способностью кислорода обобщить с кольцом более чем одну пару электронов и принять на себя положительный заряд.
Рассмотрим в качестве примера электрофильное п-замещение с участием фенола. При этом на лимитирующей стадии получится σ-комплекс, представляющий собой резонансный гибрид нескольких канонических структур
Оказывается, что кроме указанных очевидных структур, в гибридизации принимает участие еще одна структура, в которой положительный заряд размещен на атоме кислорода
Такой ион отличается особой устойчивостью, поскольку в этой структуре каждый атом имеет полный октет электронов. Именно благодаря участию в гибридизации этого устойчивого иона σ-комплекс при электрофильном замещении фенолов тоже приобретает стабильность.
Таким образом, гидроксильная группа за счет индукционного эффекта оттягивает электроны от бензольного кольца, а за счет противоположно направленного мезомерного эффекта – подает электроны к кольцу. При этом мезомерный эффект превалирует над индукционным эффектом и в целом гидроксил выступает как донор электронов.
Аналогично складывается ситуация в случае аминов
Сложнее обстоит дело в случае галогенов, например, хлора. Как уже отмечалось, этот заместитель, в отличие от других заместителей 1 рода, в реакциях электрофильного замещения ведет себя необычно: новые заместители направляет в о- и п-положения, однако затрудняет реакцию.
Рассмотрим реакцию электрофильного п-замещения хлорбензола. И в этом случае реакция идет с образованием на лимитирующей стадии σ-комплекса, представляющего собой резонансный гибрид нескольких канонических структур
Из приведенных формул видно, что в хлорбензоле, как и в случае участия в реакции анилина и фенола, заместитель оттягивает электроны от бензольного кольца за счет индуктивного эффекта и одновременно подает электроны за счет мезомерного эффекта. Если станем бездумно складывать или вычитывать эти разнонаправленные эффекты, мы не сумеем объяснить наблюдаемое влияние хлора на реакционную способность и ориентацию. Так, если допустить, что в рассматриваемом случае мезомерный эффект превалирует над индукционным эффектом, то становится понятным о- и п-ориентация, однако с допущением не согласуется изменение реакционной способности. Если же думать, что индукционный эффект более существенен, чем мезомерный, то это объяснит уменьшение реакционной способности, но не ориентацию. Выход из положения был предложен поистине удивительный, хотя, может быть, и единственно возможный. Предполагается, что при электрофильном замещении с участием галогенбензолов за ориентацию отвечает мезомерная подача электронов к кольцу, а за реакционную способность – индукционное оттягивание электронов от кольца.
Глава 12
АРИЛГАЛОГЕНИДЫ
В соединениях, содержащих бензольное кольцо, атомы галогена могут находиться в кольце или же в боковой цепи. Обычно к арилгалогенидам относят только соединения первого типа. Это, вполне оправдано, поскольку соединения с галогеном в боковой цепи, как по способам получения, так и химическим свойствам, напоминают уже рассмотренные галогеналканы.
Среди арилгалогенидов, а они могут содержать в кольце и другие функциональные группы, наиболее часто встречаются следующие
Из приведенных названий можно видеть, что названия соединений составляются с использованием обычных правил тривиальной, рациональной или же систематической номенклатур.
12.1. Методы получения
Прямое введение галогена в ароматическое кольцо. Для получения простейших арилгалогенидов, прямое введение галогена в реакциях хлорирования и бромирования аренов является, по-видимому, наиболее подходящим методом. Галогенирование аренов происходит в присутствии катализаторов, чаще всего – кислот Льюиса: FeCl3, AlCl3 и др. При хлорировании избытком хлора реакция идет вплоть до гексахлорбензола
Подбором условий проведения реакции можно получить любой из хлорбензолов, представленных в схеме.
Аналогично протекает бромирование бензола и других аренов.
Иодирование ароматических соединений может происходить и без использования обычных в таких случаях катализаторов, однако оно идет лишь при участии в реакции активных исходных продуктов, таких как фенолы и амины. Сам бензол и алкилбензолы иодом непосредственно не иодируются. Реакцию удается осуществить лишь при её проведении в условиях, когда иодистоводородная кислота, выделяющаяся при иодировании, сразу же окисляется и разрушается. Для этого реакцию проводят в присутствии иодноватой кислоты или нитрующей смеси.
Фторпроизводные бензола также не удается получить прямым фторированием. Из-за чрезмерной активности фтора реакция идет до четырехфтористого углерода и фтористого водорода.
Получение арилгалогенидов через соли диазония. Этот метод характеризуется универсальностью. Через соли диазония (этот класс соединений будет рассмотрен дальше) могут быть получены все возможные арилгалогениды. Сами соли диазония синтезируются из первичных аминов реакцией с азотистой кислотой (соляная кислота и нитрит натрия). Соли диазония в условиях реакции Зандмейера диазогруппу замещают на хлор или бром
Особенно ценно то, что через соли диазония с хорошими выходами можно получить йод- или фторбензолы
Как видно из приведенной схемы, при синтезе фторпроизводных вначале получают борфторид диазония, который затем при нагревании дает арилфторид, азот и трехфтористый бор (реакция Шимана).
Использование различных реакций. Очень часто важнейшие с точки зрения практического использования галогенпроизводные аренов получают дальнейшими трансформациями более простых арилгалогенидов. Рассмотрим несколько примеров.
Первым из органических соединений, положившим начало химической войне с вредными насекомыми, был ДДТ. Инсектицидные свойства ДДТ были установлены еще в 1937 г (Мюллер), а промышленное применение начато в 1942 г. (Швейцария). ДДТ получается конденсацией хлорбензола с трихлоруксусным альдегидом в присутствии H2SO4 (Цейдлер, 1874 г.)
В настоящее время ДДТ как инсектицид не применяется.
Широко используемое средство борьбы с сорной растительностью (гербицид) – 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота получается реакцией Вильямсона из 2,4-дихлорфенолята натрия и монохлоруксусной кислоты
Аналогично из 2,4,5-трихлорфенола и монохлоруксусной кислоты получается еще один представитель гербицидов – 2,4,5-Т
Следует отметить, что смесь бутиловых эфиров 2,4-Д и 2,4,5-Т, под названием «оранжевый препарат», использовался армией США в войне против Вьетнама (1962-71 г.) для уничтожения растительности, лесов и посевов риса.
Производные 2,4,5-трихлорфенола используются для обработки семян хлопчатника, для защиты лесов от вредителей, как исходный продукт при получении 2,4,5-Т. Сам упомянутый трихлорфенол является продуктом щелочного гидролиза 1,2,4,5-тетрахлорбензола (растворитель – смесь этиленгликоля и ксилола, 1600С)
Эта достаточно простая реакция печально известна тем, что ее практическое осуществление часто сопровождается взрывами и химическим загрязнением окружающей среды диоксинами (Севезо в Италии, 1976 г.).
12.2. Химические свойства
Химические свойства арилгалогенидов определяются наличием в их молекуле бензольного кольца и атома галогена, а также взаимным влиянием этих структурных факторов друг на друга.
За счет бензольного кольца арилгалогениды способны вступать в реакции электрофильного замещения, которые будут протекать под контролем атома галогена. В предыдущей главе эти реакции были основательно изучены. Основной вывод при этом сводился к тому, что атом галогена затрудняет реакции замещения (-I–эффект галогена) и новые заместители направляет в о- и п-положения (+М–эффект галогена) кольца.
Рассмотрим реакции арилгалогенидов с участием галогена, протекающие под контролем ароматического кольца.
Известно, что для галогенпроизводных наиболее характерной реакцией является реакция замещения. Атом галогена в виде аниона – хорошая уходящая группа, чем и объясняется склонность его к замещению другим нуклеофилом.
Применительно к арилгалогенидам установлено, что ароматически связанный галоген мало расположен замещаться на другие нуклеофилы, напоминая в этом отношении галогеналкены, в которых галоген связан с углеродом, имеющим двойную связь (sp2-гибридизованный углерод). Так, хлор в хлорбензоле замещается на гидроксил лишь при исключительно жестких условиях: температуре 3500С, давлении 315 атм., щелочью 10-15% – ной концентрации. Даже в указанных условиях реакция идет длительное время.
Инертность арилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения связана с тем, что неподеленная пара электронов вступает в сопряжение с секстетом электронов кольца
Это приводит к двоесвязанности галогена и упрочнению связи C-Cl. Сказанное подтверждается данными, полученными при измерении длин связей и дипольных моментов у хлористого этила и хлорбензола
длина связи, нм дипольный момент, D
хлористый этил 0,177 2,05
хлорбензол 0,170 1,76
Двоесвязанность хлора в хлорбензоле особенно наглядно видна при изображении молекулы арилгалогенида в виде резонансного гибрида нескольких канонических структур с разделенными зарядами
Изложенная аргументация свидетельствует о том, что ароматически связанный галоген замещается труднее чем, например, в галогеналканах. Однако реакции этого типа вполне возможны. Приведем конкретные примеры
Из рассмотрения приведенных реакций видно, что на активность арилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения значительное влияние оказывают и другие заместители, находящиеся вместе с галогеном в бензольном кольце. Особенно, если они относятся к электроноакцепторным заместителям,которые, к тому же, занимают в кольце подходящие места по отношению к атому галогена.
Как же протекает реакция нуклеофильного замещения галогена в арилгалогенидах?
При рассмотрении реакции нуклеофильного замещения галогена в алифатическом ряду были предложены и убедительно обоснованы ставшие классическими механизмы SN1 и SN2. Нельзя ли и замещение в ароматическом ряду объяснить с привлечением этих механизмов? Оказывается, нельзя.
Механизм SN1 предполагает отщепление галогена на лимитирующей стадии с образованием карбокатиона. При нуклеофильном замещении ароматически связанного галогена по этому механизму должен был бы образоваться фенил-катион, отличающийся особой неустойчивостью.
В арилгалогенидах все атомы и связи, кроме облака секстета р-электронов, расположены в одной плоскости. В результате гетеролиза связи С-Сl при замещении возникает вакантная орбиталь, ось которой перпендикулярна к осям р-электронов бензольного кольца. Такая взаимная ориентация осей не дает возможности р-электронам кольца участвовать в делокализации положительного заряда в фенил-катионе
В силу сказанного протекание нуклеофильного замещения галогена в арилгалогенидах через неустойчивый фенил-катион исключается, и мономолекулярный механизм не реализуется.
Бимолекулярный механизм SN2 предполагает нуклеофильную атаку субстрата с тыла. В случае арилгалогенидов «тыл» у галогена надежно прикрыт бензольным кольцом. Это обстоятельство исключает возможности замещения ароматически связанного галогена в арилгалогенидах и по механизму SN2.
Из изложенного выше следует, что для случая нуклеофильного замещения ароматически связанного галогена приходится искать иные объяснения, чем те, которые нам известны.
Ключ к пониманию хода реакции в рассматриваемом случае содержится в следующих экспериментальных наблюдениях.
При щелочном гидролизе п-хлортолуола, как и можно было ожидать, получается п-крезол. Но удивительно, он оказывается лишь одним из продуктов реакции. Другим продуктом, получающимся с таким же выходом, неожиданно оказывается м-крезол
Неожиданно здесь то, что новый заместитель занимает не только то место в бензольном кольце, которое раньше занимал галоген, но и соседнее.
Этот пример не является единичным. Было показано, что хлорбензол, в котором хлор связан с углеродом кольца, являющимся изотопом обычного углерода (С14), при взаимодействии с амидом калия в жидком аммиаке, замещает свой хлор на аминогруппу в двух положениях (Робертс, 1953 г.)
12.3. Механизмы замещения ароматически связанного галогена
Для объяснения хода реакции в этом случае был предложен механизм «отщепления – присоединения», который заключается в следующем.
Предполагается, что как и в реакции элиминирования Е2 в алкилгалогенидах, сильноосновный амид-ион NH2- отрывает водородный атом от того атома углерода бензольного кольца, который соседствует с другим углеродом, связанным с галогеном. При этом сразу же или в отдельной стадии молекулу покидает анион хлора. После этого бензол приобретает углерод с неподеленной парой электронов, по соседству с которым находится другой углерод с вакантной орбиталью. Между ними возникает еще одна связь
Так завершается стадия элиминирования процесса, приводящая к непривычной структуре – бензолу с тройной связью, который называется дегидробензолом
В дегидробензоле дополнительная связь возникает в результате бокового перекрывания гибридных sp2-орбиталей в плоскости, перпендикулярной ароматическому секстету.
Несмотря на достаточно нелепое строение дегидробензол, по-видимому, действительно существует. Во-первых, он был получен при очень низких температурах (-2650С) в среде аргона. Удалось даже снять его ИК-спектр, подтвердивший приписываемое ему строение бензольного кольца с тройной связью. Во-вторых, удалось осуществить реакцию Дильса-Альдера, в которой диенофилом выступал дегидробензол, а диеном – фуран
В дальнейшем высокореакционноспособный дегидробензол присоединяет нуклеофил – амид-анион - к одному из углеродов тройной связи, размещенному в бензольном кольце
Рассмотренный механизм применим для объяснения реакции нуклеофильного замещения в случае, когда бензольное кольцо не содержит никаких других заместителей, кроме галогена. По механизму «элиминирования – присоединения» протекают, по-видимому, и реакции с арилгалогенидами, которые в кольце содержат еще какие-то заместители, способные подавать электроны. Раньше они были объединены в одну группу как заместители 1 рода или электронодонорные заместители.
А вот для объяснения течения реакций замещения с участием арилгалогенидов, содержащих в кольце электроноакцепторные заместители, был предложен другой механизм, который называется бимолекулярным механизмом. Примеры таких реакций, которые возможно протекают по этому механизму, были приведены раньше (см. гидролиз нитрохлорбензолов). В этом случае нам необходимо объяснить активирующее влияние электроноакцепторных заместителей вообще и зависимость этого влияния от расположения их в кольце.
Предполагается, что при бимолекулярном механизме на первой стадии реакции нуклеофильная частица атакует арилгалогенид с образованием карбаниона. В этом ионе возникает связь между нуклеофилом и углеродом бензольного кольца, несущем атом галогена. Связь образуется за счет электронной пары нуклеофила. В образовавшемся карбанионе: бензол перестает быть ароматическим; углерод, связанный с галогеном становится sp3-гибридизованным, в кольце на пять углеродов, не изменивших гибридизацию, приходится шесть электронов. Лишний электрон принадлежит в целом системе, а не одному из углеродов кольца. Это обстоятельство отображается в формуле карбаниона полукругом. В целом бимолекулярный механизм включает следующие элементарные стадии
Какие же имеются аргументы в пользу предложенного механизма? Откуда следует, что реакция протекает в две элементарные стадии?
В реакции замещения разрывается связь между углеродом кольца и атомом галогена. В общем случае эта связь может раскрыться до образования новой связи вместо разрушенной (как в реакции SN1), синхронно (SN2), или уже после образования новой связи. Установление момента разрыва связи между галогеном и углеродом, при котором происходит замещение, для аргументации механизма реакции имеет важнейшее значение. Обычно для получения ответа используется кинетический изотопный эффект.
У нас уже имеется опыт использования кинетического изотопного эффекта при изучении механизма электрофильного замещения в ароматическом ряду. Не повторяясь полностью на рассмотрении явления кинетического изотопного эффекта, полезно будет все же вспомнить о связи этого явления с механизмом реакции. Эта связь сводится к следующему. Если реакция идет с изотопным кинетическим эффектом, то это означает, что интересующая нас химическая связь разрывается на лимитирующей стадии реакции. Отсутствие кинетического изотопного эффекта свидетельствует о разрыве связи в быстрой стадии реакции, которой должна предшествовать медленная стадия. К сожалению, использовать кинетический изотопный эффект в классическом его варианте с применением изотопов галогена, в случае нуклеофильного замещения ароматически связанного галогена, не представляется возможным. Поскольку в рассматриваемом случае изучается связь между углеродом и галогеном, а не между углеродом и водородом, нам пришлось бы выявлять наличие или отсутствие кинетического изотопного эффекта в реакциях с различными изотопами галогенов. В отличие от изотопов водорода, изотопы галогенов по массе отличаются весьма незначительно. Следовательно, они также незначительно будут отличаться и по реакционной способности, а экспериментальные данные, полученные с их использованием, окажутся малоинформативными. Кажется, что при изучении замещения ароматически связанного галогена кинетический изотопный эффект не поможет. Оказалось, что это не совсем так.
Остроумный выход из положения указал Дж. Баннет. Он предложил вместо изотопов одного галогена использовать разные галогены. А они как по массе, так и по прочности связи с углеродом отличаются весьма существенно. Тем не менее, установлено, что галогенпроизводные ароматического ряда с различными галогенами в бензольном кольце в реакциях нуклеофильного замещения проявляют лишь очень небольшое различие в реакционной способности. Этот факт однозначно свидетельствует о разрыве связи углерод-галоген в рассматриваемых реакциях в быстрой стадии, в стадии образования продукта реакции.
Подобное течение реакции и образование карбаниона обусловлены присутствием в молекуле арилгалогенида электроноакцепторного заместителя. Этот заместитель оттягивает электроны от бензольного кольца и способствует повышению устойчивости карбаниона. Это особенно хорошо видно, если карбанион представить как резонансный гибрид нескольких предельных структур
Стабильность карбаниона связана с участием в гибридизации канонической структуры с отрицательным зарядом на кислородах. Поскольку кислород легко принимает отрицательный заряд, эта структура отличается особой устойчивостью.
Устойчивость карбанионов рассматриваемого типа настолько велика, что иногда их даже удается выделить. Этот уникальный случай в органической химии произошел при попытке заместить этокси–группу в 2,4,6-фенетоле на метокси–группу при помощи метилата калия (1902 г., Мейзенгеймер)
Анион был выделен в виде твердого продукта красного цвета. В честь исследователя анионы такого типа называют комплексами Мейзенгеймера.
Итак, нуклеофильное замещение ароматически связанного галогена по бимолекулярному механизму протекает в две стадии, с образованием карбаниона на медленной стадии и разрывом связи между углеродом и галогеном – на быстрой стадии замещения.
Согласуется ли предложенный механизм с характером влияния электроноакцепторных заместителей на ход реакции?
Как было показано выше, на лимитирующей стадии нуклеофильного замещения образуется карбанион. Понятно, что любой акцептор электронов (заместители 2 рода), а не только нитрогруппа, оттягивает электроны от бензольного кольца, стабилизирует анион и способствует реакции. Электронодонорные заместители (заместители 1 рода), напротив, подают электроны к кольцу, дестабилизируют карбанион и затрудняют замещение. Сказанное может быть представлено следующей схемой
Интересно, что особенно сильно влияние электроноакцепторной группы ощущается в случае нахождения ее в о- и п-положениях по отношению к галогену.
Рассмотрим два случая с участием в реакции п- и м-нитрохлорбензолов. В рамках бимолекулярного механизма ход реакции в каждом случае можно представить схемами
Из двух карбанионов, образующихся из п-нитрохлорбензола I и м-нитрохлорбензола V, более устойчивым будет I. При изображении этого иона в виде резонансного гибрида нескольких предельных структур II – IV видно, что в этом случае свой вклад вносит особенно устойчивая каноническая структура IV. В этой структуре нитрогруппа оттягивает электроны не просто от кольца, а наиболее эффективным способом – конкретно от углерода кольца, несущего отрицательный заряд.
Нетрудно видеть, что в случае участия в реакции м-нитрохлорбензола возможность образования канонической структуры типа IV исключается.
Итак, I устойчивее V, следовательно, этот карбанион будет быстрее образовываться. Однако такого типа карбанионы могут получаться лишь при о- и п-расположении электроноакцепторных заместителей в кольце.
Интересно отметить, что под влиянием электроноакцепторных групп приобретает высокую реакционную способность даже фтор во фторбензолах. Например, один из них – 2,4-динитрофторбензол - широко применяется при изучении N-концевых групп аминокислот и пептидов (реактив Сенгера). Не надо думать, что замещаться в ароматических соединениях могут только галогены. Под влиянием электроноакцепторных групп такую способность приобретают даже те атомы и группы атомов, для которых участие в реакции замещения совсем не характерно (NO2, COOH и др.). Эти случаи будут подробнее рассмотрены при изучении нитросоединений.
Глава 13
Сульфокислоты
К ароматическим сульфокислотам, которые часто называются сульфоновыми кислотами, относят соединения, молекулы которых содержат бензольное кольцо, непосредственно связанное с сульфогруппой. В кольце может быть несколько сульфогрупп, а также другие заместители. Приведем наиболее часто встречающиеся сульфокислоты и их названия
Полезно знать также названия одновалентных остатков сульфоновых кислот
13.1. Методы получения
Основным методом получения ароматических сульфокислот является сульфирование ароматических соединений
Сульфированием бензола можно получить и м-бензолдисульфокислоту. Однако две сульфогруппы настолько дезактивируют кольцо, что третью группу ввести уже не удается.
Интересно, что сульфированию можно подвергать и более сложные объекты, чем арены. Один из видов наиболее распространенных катионообменных смол (КУ-2), получают сульфированием полистирола
Обычно сульфируют сополимер стирола с дивинилбензолом. В сополимере отдельные полистирольные цепи связаны между собой дивинилбензолом. Это приводит к увеличению молекулярной массы полимера и уменьшению его растворимости.
Известно, что при сульфировании, являющемся типичной реакцией электрофильного ароматического замещения, электрофилом выступает трехокись серы, образующийся при кислотно-основном равновесии двух молекул серной кислоты
Механизм реакции сульфирования включает следующие элементарные стадии
Особенностью сульфирования по сравнению с другими реакциями электрофильного замещения является его обратимость. Кроме того, установлено, что сульфирование идет с заметным кинетическим изотопным эффектом (протий замещается в два раза быстрее, чем дейтерий). Очевидно, что это будет иметь место в том случае, если скорости реакций образования карбокатиона и дальнейшего его превращения будут сопоставимы.
В реакциях сульфирования, кроме серной кислоты иногда используют хлорсульфоновую кислоту. При этом получается хлорангидрид сульфоновой кислоты
13.2. Химические свойства
Химические превращения ароматических сульфокислот связаны с наличием в их молекуле бензольного кольца и сульфогруппы. За счет этих функциональных групп сульфоновые кислоты реагируют как кислоты и вступают в реакции электрофильного замещения. Кроме того, известно и третье направление превращения сульфокислот – это реакции замещения сульфогруппы. Рассмотрим каждое направление превращения в отдельности.
13.2.1. Реакции бензольного кольца
Сульфогруппа – типичный заместитель второго рода. Как и другие заместители этой группы, сульфогруппа затрудняет электрофильное ароматическое замещение, а новые заместители направляет в м-положение
13.2.2. Реакции сульфогруппы
13.2.2.1. Кислотность. Соли сульфокислот. Ароматические сульфокислоты обладают кислотностью, сравнимой с кислотностью серной кислоты. Они ионизируются в воде полностью
Это связано с особой устойчивостью анионов сульфокислот. Отрицательный заряд в анионах отнюдь не сосредоточен на одном из атомов кислорода, как изображено выше, а рассредоточен между тремя кислородами. Это особенно наглядно видно, если бензолсульфонат-ион представить в виде резонансного гибрида возможных канонических структур
В резонансном гибриде нет двух типов связи S-O, заряд рассредоточен в равной мере на трех кислородах, а все связи между серой и кислородом выровнены. Это подтверждается и результатами измерения геометрических параметров бензолсульфонат-аниона, в котором атом серы имеет тетраэдрическую конфигурацию
Являясь сильными кислотами, сульфоновые кислоты образуют соли с любыми основаниями. Эти соли называются сульфонатами
Различие в растворимости солей серной кислоты (сульфатов) и сульфонатов бария и свинца используется для выделения и очистки ароматических сульфокислот.
Сульфонаты определенного состава и строения нашли исключительно широкое применение в качестве моющих средств.
Обладающие моющими свойствами сульфонаты состоят из полярной части, которая обеспечивает растворимость в воде, и в п-положении к ней – достаточно крупной алкильной части, придающей молекуле способность растворяться в жире
Установлено, что алкильный заместитель в бензольном кольце должен содержать 12 – 15 углеродов и иметь нормальное строение. Оказалось, что от строения зависит биохимическая разлагаемость алкилбензолсульфонатов в природной среде, куда они рано или поздно попадают.
В отличие от солей карбоновых кислот, натриевые соли которых растворимы, а кальциевые и магниевые соли – нерастворимы, сульфонаты незначительно отличаются друг от друга по растворимости. Поэтому они способны стирать даже в жесткой воде.
Моющее действие сульфонатов основано на том, что их молекулы полярной частью (-SO3-Na+) растворяются в воде, а остальной частью – в жире. В результате этого частички жира вместе с загрязнителями диспергируются в виде мицелл и переходят в водную фазу.
13.2.2.2.Сульфохлориды. При действии PCl5 или SO2Cl на сульфоновые кислоты или их соли происходит замещение гидроксильной группы в сульфогруппе на атом хлора с образованием сульфохлоридов
Уже отмечалось, что хлорангидриды сульфокислот получаются и при прямом сульфировании ароматических соединений сульфоновой кислотой.
Сульфонилхлориды используются при получении сложных эфиров и амидов сульфоновых кислот, поскольку указанные соединения не могут быть синтезированы замещением гидроксила в самих кислотах.
13.2.2.3. Сложные эфиры. Практически единственным удобным способом получения сложных эфиров сульфоновых кислот является замещение галогена в сульфохлоридах на алкоксигруппу
Первичные спирты в этой реакции активнее вторичных алкоголей настолько, что удается осуществить этерификацию избирательно.
Другим методом получения эфиров является алкилирование солей сульфокислот диметил- и диэтилсульфатами
Метод особенно пригоден при получении метиловых- и этиловых эфиров сульфокислот.
Сложные эфиры сульфокислот при нагревании с водными растворами кислот и оснований гидролизуются с образованием сульфоновой кислоты и спирта
Сульфоновые кислоты являются сильными кислотами. Отсюда следует, что их анионы относятся к слабым основаниям. Они в реакциях нуклеофильного замещения выступают как хорошие уходящие группы. В этом отношении алкилсульфонаты напоминают алкилгалогениды. Например, реакция этил-п-толуолсульфоната с фенолятом натрия ведет к фенетолу в результате нуклеофильного замещения
13.2.2.4. Сульфамиды. Как и эфиры, сульфамиды получаются из хлорангидридов сульфокислот при их взаимодействии с аммиаком
В реакции можно использовать первичные и вторичные амины. При этом получаются замещенные при азоте амиды ароматических сульфокислот.
Характерным свойством амидов является их способность в кислой или щелочной среде гидролизоваться до сульфоновой кислоты и аммиака или амина
Некоторые амиды сульфоновых кислот (незамещенные или монозамещенные представители) проявляют NH–кислотность и со щелочами образуют соли
В разной степени замещенные амиды сульфоновых кислот образуют продукты, различающиеся по растворимости в воде (проба Хинсберга)
По Хинсбергу смесь аминов обрабатывают тозилхлоридом и щелочью. При этом первичные и вторичные амины дают моно- и дизамещенные амиды. Третичные амины в реакцию не вступают. Вторичные амины дают амид, не растворимый в щелочах и выпадающий в осадок. Первичные амины образуют монозамещенный сульфонамид, остающийся в щелочном растворе и выпадающий в осадок при подкислении.
Водородные атомы при азоте амидов сульфокислот способны замещаться на хлор. Достигается это хлорированием амида в щелочной среде. По указанной реакции из бензол– и толуолсульфамидов были получены монохлорамин-Б и монохлорамин–Т соответственно
Замещенные хлорамиды сульфоновых кислот являются сильными окислителями. При гидролизе они образуют саму кислоту и НОСl. Монохлорамины-Б и Т, а также дихлорамины-Б и Т, широко применяются как ценные дезинфицирующие средства.
С амидами сульфоновых кислот связаны еще несколько направлений практического использования соединений рассматриваемого ряда.
Еще в 1879 г. был синтезирован имид о-сульфобензойной кислоты (Ремсен). Оказалось, что это соединение в 550 раз слаще сахара и может заменить его у больных диабетом, которым сахар противопоказан. Получают сахарин, такое название получил имид о-сульфобензойной кислоты, практически по Ремсену
Сахарин представляет собой натриевую соль имида.
Некоторые амиды сульфокислот стяжали себе славу как первые и эффективные медицинские препараты, проявившие активность против стрептококковых и стафилококковых инфекций (1933 г.). Основой таких препаратов является сульфаниламид, который обычно синтезируется по следующей схеме
Уже сам сульфаниламид под названием белый стрептоцид является важным бактериостатическим препаратом. Поэтому можно было думать, что не менее интересными окажутся производные сульфаниламида с заместителями в амидной группе
Было синтезировано более 5000 соединений такого типа, однако лишь десяток из них проявили активность. Вот некоторые удачные примеры
Благодаря сульфаниламидным препаратам стали излечиваться такие ранее смертельные болезни как крупозное воспаление легких, заражение крови, стрептококковые ангины и др.
Конкуренцию сульфамидам составили и более того – потеснили их антибиотики, оказавшиеся еще более эффективными при лечении бактериальных болезней.
Интересен механизм действия сульфаниламидов.
Для нормальной жизнедеятельности организмов, в том числе и бактериальных, необходима фолиевая кислота, которую можно рассматривать как производную п-аминобензойной кислоты. Известно, что эта кислота является фактором роста бактерий. Сульфаниламид и п-аминобензойная кислота
настолько близки по своим геометрическим параметрам, что организм бактерий начинает создавать фолиевую кислоту на основе амида сульфаниловой кислоты. Однако последняя уже не является фактором роста, бактерии перестают размножаться и погибают.
Огромное достоинство сульфаниламидов заключается в том, что болезнетворные бактерии не могут к ним привыкнуть.
Между тем более эффективные и удачливые конкуренты сульфаниламидов – антибиотики обладают крупным недостатком: микроорганизмы со временем к ним привыкают. Поэтому приходится создавать все новые и новые виды антибиотиков.
Однако и сульфамидам присущи свои недостатки. Их подозревают в проявлении тератогенности. К тератогенам (от греческих слов teratos – чудовище и genes – рожденный) относятся вещества, вызывающие врожденные детские уродства.
13.2.3. Замещение сульфогруппы
Ароматические сульфокислоты проявляют удивительную способность замещать сульфогруппу на другие заместители.
Первым примером такого рода превращений было замещение сульфогруппы на гидроксил при нагревании солей кислот с едким кали и едким натром при температуре около 3000С (Кекуле). Эта реакция называется реакцией щелочного плава
Вместо сульфогруппы в бензольное кольцо можно ввести также нитрильную группу и, таким образом, осуществить переход от сульфокислот к карбоновым кислотам (Кучеров)
Интересно, что замещение сульфогруппы можно осуществить по механизму бимолекулярного электрофильного замещения. Это достигается с использованием соединений, имеющих электронодонорные заместители в о- и п-положениях к сульфогруппе. Так, при смешении водных растворов 2,6-дибромфенол-4-сульфокислоты и брома уже при 00С исчезает окраска, обусловленная бромом
Еще одной реакцией замещения сульфогруппы, на этот раз на водород, является реакция десульфирования. Эта реакция протекает при нагревании водного раствора сульфоновой кислоты при 100-1750С и представляет собой реакцию, обратную сульфированию. Используя обычные приемы управления равновесными реакциями, рассматриваемую реакцию можно направить в любую сторону
Легкость введения сульфогруппы в ароматическое соединение и удаления ее используются в препаративной органической химии удивительным образом – для защиты определенных положений бензольного кольца. Следует обратить внимание на то, что обычно при осуществлении различных синтезов приходится защищать функциональные группы. В данном случае речь идет о защите определенных положений в кольце. Для примера приведем схему синтеза 2,6-динитроанилина
АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ КИСЛОРОДА
Атом кислорода входит в состав целого ряда функциональных групп, определяющих принадлежность соединения к тому или иному классу органических соединений. Представляется целесообразным такие классы объединить и рассмотреть в одном разделе, поскольку многие их свойства формируются общим для них атомом кислорода. Кроме того, ароматические соединения кислорода связаны между собой многочисленными взаимными превращениями.
К ароматическим соединениям кислорода относятся: фенолы, хиноны, ароматические спирты, карбонильные соединения и карбоновые кислоты.
Глава 14
Фенолы
К фенолам относятся соединения, в молекуле которых имеется гидроксильная группа, непосредственно связанная с бензольным кольцом. В зависимости от числа гидроксилов различают атомность фенолов. Кроме гидроксильных групп, в бензольном кольце могут находиться и другие замещающие группы.
Наиболее часто встречающимися фенолами являются следующие
Многие фенолы имеют тривиальные названия. По систематической номенклатуре их рассматривают как производные самого фенола. Иногда, в сложных случаях, при составлении названия за основу берется боковая цепь.
14.1. Одноатомные фенолы
Многие фенолы, особенно сам фенол, имеют обширные области практического применения. Поэтому разработан целый ряд способов их получения, некоторые из них осуществлены в промышленности. В основе этих методов лежат уже рассмотренные ранее реакции, поэтому они здесь будут лишь упомянуты, а другие рассмотрены более подробно.
14.1.1. Методы получения
14.1.1.1. Гидролиз галогенпроизводных аренов. Гидролиз самого хлорбензола протекает с большим трудом из-за –I-эффекта атома хлора по механизму «элиминирование – присоединение». Условия гидролиза: 10-15%-ный водный раствор NaOH, 3500С, 315 атм., время реакции – 20 мин
Хлорбензолы, содержащие в кольце и другие заместители электроноакцепторного типа, гидролизуются значительно легче по бимолекулярному механизму. Интересно, что в качестве таких облегчающих гидролиз заместителей могут выступать и атомы галогена. На этом основано получение хлорфенолов: 2,4,5-трихлорфенола и пентахлорфенола
С сожалением приходиться отмечать, что процесс гидролиза тетрахлорбензола часто выходит из-под контроля. При этом быстро и самопроизвольно температура реакции повышается со 1600С до 2300С и выше, происходит соответствующее повышение давления. При таком развитии событий (Севезо, 1976 г.) две молекулы фенолята натрия трихлорфенола вступают между собой в реакцию Вильямсона с образованием 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина
Диоксин – один из наиболее ядовитых органических соединений, созданных когда-либо руками человека. Среднесмертельная доза для человека, полученная расчетным путем, составляет при однократном оральном поступлении 0,05-0,07 микрограммов (миллионных долей грамма).
14.1.1.2. Щелочной плав солей сульфоновых кислот. Этот метод раньше, до разработки кумольного метода, широко применялся для получения фенола и крезолов. Замещение сульфогруппы на гидроксил осуществляется при нагревании солей сульфоновых кислот с едкими щелочами при 3000С и выше
14.1.1.3. Замещение диазогруппы на гидроксил. Эта реакция протекает легко даже в водном растворе соли диазония при 5 – 100С
Гидролиз солей диазония – удобный и универсальный лабораторный метод получения разнообразных фенолов.
14.1.1.4. Кумольный метод. Такое название получил метод синтеза фенола разложением гидроперекисей алкилбензолов, чаще всего кумола (Сергеев, Удрис, Кружалов)
В приведенной схеме ключевым является превращение гидроперекиси кумола в фенол и ацетон.
Предложен следующий механизм кислотного разложения гидроперекиси.
В начальной стадии происходит протонирование гидроксильного кислорода гидроперекиси, который далее отщепляет молекулу воды и превращается в окисный катион
Эта промежуточная частица претерпевает перегруппировку по механизму 1,2-фенильного сдвига. Сам факт этой перегруппировки свидетельствует, что резонансный гибрид канонических структур IV и V устойчивее, чем окисный катион III. Полагают, что движущая сила перегруппировки достаточно велика и, возможно, 2 и 3 стадии рассматриваемого механизма протекают одновременно
Электрофильная частица, представленная формулами IV и V, присоединяет воду и отщепляет протон. В результате получается гемикеталь VII, образованный фенолом и ацетоном
На финальной стадии имеет место гидролиз неустойчивого полукеталя
В настоящее время по кумольному методу получают основное количество фенола.
14.1.1.5. Разные реакции. В основу синтеза сложных фенолов, особенно находящих практическое применение, положены самые обычные реакции алкилирования, галогенирования и конденсации самого фенола.
Ниже приводятся примеры таких специальных синтезов.
Как известно, необходимый для синтеза гербицида 2,4-Д дихлорфенол получают хлорированием фенола
Одним из эффективных антиоксидантов, ингибирующих окисление многих веществ кислородом воздуха, оказались так называемые экранированные фенолы, особенно 4-метил-2,6-ди-трет-бутилфенол (ионол). Его можно получить алкилированием п-крезола изобутиленом
Так же с использованием реакции Фриделя-Крафтса осуществляется синтез алкилфенолов исходя из фенола и тримеров и тетрамеров пропилена и изобутилена
Еще один пример – синтез так называемого бис-фенола, на основе которого производится ценнейший полимер – поликарбонат, относящийся к сложным эфирам угольной кислоты
В бензольное кольцо в фенолах могут быть введены и функциональные группы. Одним из интересных примеров может послужить синтез салициловой кислоты по реакции Кольбе-Шмидта
14.1.2. Химические свойства
В соответствии со строением молекулы фенолы вступают в химические реакции за счет бензольного кольца или гидроксильной группы. При этом указанные функциональные группы оказывают влияние друг на друга.
Реакции с участием гидроксильной группы
Фенольный гидроксил в результате химических превращений дает те же продукты, что и спиртовой гидроксил: феноляты, простые и сложные эфиры и др. На ход и направление соответствующих реакций бензольное кольцо практически не влияет. А вот реакционная способность фенольного гидроксила из-за ароматического ядра значительно снижается. Примером может послужить отрицательный результат, полученный при попытках заместить гидроксил на хлор. Концентрированные галогенводородные кислоты гидроксил в фенолах не замещают, пятихлористый фосфор вызывает хлорирование в ядро, треххлористый фосфор образует трифенилфосфат. Следует в то же время отметить, что иногда фенольный гидроксил все же удается заместить на хлор. Это случается с фенолами, содержащими в кольце, кроме гидроксила, электроноакцепторные заместители. С этими фенолами реакцию удается провести как бимолекулярное нуклеофильное замещение
14.1.2.1. Кислотность. Подобно спиртам фенолы проявляют определенную кислотность. Учитывая эту особенность самого фенола, его иногда называют карболовой кислотой, карболкой. Для того чтобы иметь возможность судить о кислотности фенолов, сопоставим константы кислотности Ка некоторых родственных им соединений.
Соединения Ка
спирты 10-16 – 10-18
фенолы 10-10
карбоновые кислоты 10-5
п-крезол 0,67·10-10
о-хлорфенол 77·10-10
о-нитрофенол 600·10-10
пирокатехин 1·10-10
резорцин 3·10-10
гидрохинон 2·10-10
Из этих данных видно, что кислотность фенолов на много порядков выше, чем спиртов. Это объясняется тем, что феноксид-анион, получающийся при депротонировании фенола, в значительной степени стабилизирован за счет делокализации отрицательного заряда с участием бензольного кольца
На стабильность феноксид-аниона, следовательно, и на кислотность фенола влияют и заместители в ароматическом кольце. Это влияние зависит от природы заместителя, от их числа и положения в бензольном кольце. В общем случае электронодонорные заместители снижают кислотность фенолов, а электроноакцепторные заместители повышают ее.
Будучи кислотами, фенолы с основаниями дают соли, которые называются фенолятами
При добавлении к фенолам хлористого железа в разбавленных водных или спиртовых растворах появляется фиолетовое (фенол) или синее окрашивание (крезолы). Появление окраски в этих случаях связывают с образованием фенолятов трехвалентного железа, поглощающих свет в видимой области.
14.1.2.2. Образование простых эфиров. Просто реакцией фенолов со спиртами простые эфиры фенолов не получить. Это удается только при использовании сильных алкилирующих средств (диметилсульфат) или использовании реакции Вильямсона. В обоих случаях реакция проводится в щелочной среде, в которой фенол существует в виде фенолят-аниона. Этот нуклеофил, который гораздо сильнее самого фенола, атакует галогенид или сульфат с образованием простого эфира (реакция SN2)
Нетрудно видеть, что в реакции Вильямсона для получения одного и того же простого эфира можно использовать и другую пару реагентов – арилгалогенид и алкоголят спирта. Однако ароматически связанный галоген неспособен участвовать в этой реакции. Это удается лишь в том случае, когда в ароматическом кольце, кроме галогена, имеются активирующие группы – электроноакцепторные группы. В этом случае реакция идет как обычная реакция бимолекулярного замещения
Реакция Вильямсона используется не только как лабораторный метод, но и для получения некоторых простых эфиров в промышленном масштабе. Известным примером является синтез 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4-Д) реакцией 2,4-дихлорфенолята натрия с натриевой солью монохлоруксусной кислоты
В результате реакции Вильямсона кислородный атом фенола получает алкильный заместитель, поэтому говорят, что происходит О-алкилирование. При этом практически не происходит С-алкилирования, т.е. вступления заместителя в кольцо. Объясняется это тем, что из двух конкурирующих реакций О- и С-алкилирования первая идет быстрее. Кроме того, во многих случаях продукт О-алкилирования термодинамически более устойчив. Однако это не всегда так. При 2000С аллилфениловый эфир изомеризуется в о-аллилфенол
Эта реакция присуща лишь аллиловым эфирам и носит название перегруппировки Кляйзена (1912 г.). Предполагается, что реакция идет через циклическое переходное состояние
В реакции Кляйзена происходит миграция аллильной группы в о-положение с одновременной аллильной перегруппировкой этой группы. Если обе о-положения заняты, то мигрирующая аллильная группа может занять п-положение. Опыты с меченым углеродом показали
что в этом случае перемещение аллильной группы в кольцо происходит не так как в предыдущем случае. Похоже на то, что при п-миграции аллильная группа отщепляется от эфира и в виде аллильного катиона атакует свободное положение бензольного кольца. Это напоминает перегруппировку Фриса с участием сложных эфиров фенолов.
Своеобразными простыми эфирами фенолов являются так называемые оксиэтилированные алкилфенолы, оказавшиеся хорошими неионогенными моющими средствами. Их получают реакцией алкилфенолов с окисью этилена в щелочной среде при 1800С
К простым эфирам фенолов относятся и эпоксидные смолы, получаемые на основе бис-фенола и эпихлоргидрина.
Обозначим средний фрагмент бис-фенола через R
Тогда реакцию бис-фенола с двумя молекулами эпихлоргидрина можно записать так
Образовавшийся диэпоксид вступает в реакцию раскрытия эпоксидного кольца
При многократном повторении этих реакций (Вильямсона и раскрытия эпоксидного кольца) получается эпоксидная смола
Смола может быть отверждена – превращена в полимер с трехмерной структурой несколькими способами. Чаще всего при этом используются трифункциональные амины, в частности, диэтилентриамин
При отверждении каждая аминогруппа действует как нуклеофил на эпоксидную группу
По завершении раскрытия эпоксидных колец получается полимер с поперечными связями.
14.1.2.3. Образование сложных эфиров. Как от гидроксилсодержащих соединений от фенолов можно было бы ожидать участия в реакции Фишера (этерификации) с кислотами с образованием сложных эфиров. Однако этого не происходит. Для фенолов карбоновые кислоты – слишком слабые ацилирующие агенты. Поэтому для получения сложных эфиров фенолов приходится использовать ангидриды и галогенангидриды карбоновых кислот в щелочной среде (метод Шоттен-Баумана)
Сложные эфиры фенолов обладают интересным свойством – при нагревании с хлористым алюминием они претерпевают перегруппировку с миграцией ацильной части эфира в свободное о- и п-положение бензольного кольца (перегруппировка Фриса, 1908 г.)
Предполагается, что перегруппировка Фриса протекает как реакция внутримолекулярного ацилирования: вначале происходит генерация ацилий-катиона RCO+, который далее атакует бензольное кольцо.
Некоторые сложные эфиры фенолов нашли применение как полимеры полиэфирного типа.
Еще в 1953 году в Германии был получен сложный эфир бис-фенола и угольной кислоты – поли-[2,2-бис-(фенилен)-пропанкарбонат], обладающий уникальными свойствами. Полимер (лексан, мерлон, поликарбонат) оказался прозрачным как стекло и прочным как сталь. Поликарбонат обычно получают реакцией бис-фенола с фосгеном
14.1.2.4. Отщепление гидроксильной группы. В фенолах гидроксильная группа с бензольным кольцом связана достаточно прочно. Можно даже провести аналогию с ароматически связанным галогеном. Тем не менее, найдены условия элиминирования гидроксила фенолов. Это происходит при нагревании фенолов с цинковым порошком
Реакции с участием бензольного кольца
Гидроксильная группа относится к числу наиболее сильных заместителей первого рода (+М-эффект). Поэтому фенолы легко вступают в реакции электрофильного замещения. При этом новые заместители направляются в о- и п-положения. Активирующее влияние гидроксила в фенолах выражено настолько сильно, что реакцию трудно бывает остановить на стадии монозамещения. Для этого приходится осуществлять тщательный подбор условий проведения реакции. Иногда удается ослабить активирующее влияние гидроксила его трансформацией во что-нибудь менее активное, например, в простую эфирную группу. Защита функциональной группы в этом случае может быть снята реакцией с иодистым водородом.
14.1.2.5. Галогенирование. При взаимодействии фенолов с галогенами реакция идет даже без катализатора с замещением всех о- и п-водородных атомов бензольного кольца. Например, фенол быстро реагирует с бромом в водной среде с образованием 2,4,6-трибромфенола
При избытке брома реакция идет даже дальше. При этом получается пентабромдиенон (Бенедикт, 1879 г.)
Тщательным подбором условий бромирования в бензольное кольцо можно вводить один или два атома галогена
14.1.2.6. Нитрование. Фенол нитруется даже без применения нитрующей смеси. При этом с помощью концентрированной азотной кислоты в ароматическое ядро фенола можно ввести сразу три нитрогруппы с получением 2,4,6-тринитрофенола (пикриновой кислоты)
Разбавленная азотная кислота позволяет получить продукты мононитрования фенола
Прямое нитрование фенола в мононитрофенолы – едва ли удобный метод их получения из-за того, что выход соединений оставляет желать лучшего. Правда, смесь о- и п-нитрофенолов достаточно легко разделяется перегонкой с водяным паром. о-Нитрофенол образует внутримолекулярную водородную связь и летуч с паром, а п-изомер ассоциируется с молекулами воды также через водородную связь и менее летуч
14.1.2.7. Сульфирование. Под действием концентрированной серной кислоты фенол сульфируется даже при комнатной температуре с образованием примерно равных количеств о- и п-оксибензолсульфокислот
Оказалось, что результат сульфирования сильно зависит от температуры процесса. При 1000С состав продуктов сульфирования определяется накоплением более термодинамически устойчивого n-изомера (продукт термодинамического контроля), при 200С происходит накопление продуктов в соответствии с скоростями их образования (кинетический контроль)
14.1.2.8. Алкилирование. Фенолы легко вступают в реакции алкилирования и давно уже соответствующие реакции используются для получения алкилфенолов в промышленности. Это приходится подчеркивать, потому что в научной литературе почему-то сложилось мнение, что «выходы в этой реакции часто бывают небольшими».
В качестве примера приведем реакцию алкилирования фенола изобутиленом в присутствии серной кислоты (толуолсульфокислоты, катионообменных смол)
Во многих реакциях алкилирования алкильная группа направляется в наименее пространственно экранированное п-положение бензольного кольца.
Однако когда оно занято, даже такие объемистые группы как трет-бутильный радикал, занимают свободные о-положения. Как уже упоминалось, эта реакция используется при синтезе ионола
Попутно отметим, что в ионоле две трет-бутильные группы настолько экранируют гидроксильную группу, что соединение теряет фенольные свойства и не реагирует с щелочами, щелочными металлами, уксусным ангидридом. В то же время экранированные фенолы приобретают другие ценные свойства, которые будут обсуждены позднее.
При алкилировании фенолов в качестве алкилирующих агентов могут быть использованы алкены, спирты, галогенпроизводные. Реакцию катализируют минеральные кислоты и кислоты Льюиса.
Алкилирование фенолов является частным случаем реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду. Электрофильной частицей в данном случае выступают карбокатионы. Поэтому, как и в других реакциях с участием карбокатионов, при алкилировании фенолов имеет место их перегруппировка. В результате фенол получает не тот алкил, который был в алкилирующем агенте
14.1.2.9. Ацилирование. Ацилированию фенолов с использованием в качестве катализаторов кислот Льюиса мешает реакция фенолов с катализатором
Поэтому прямое ацилировние фенолов практически не используется в синтезах. В случае необходимости введения кислотного остатка в бензольное ядро фенолов приходится защищать гидроксильную группу
Следует отметить, что ацилфенолы лучше всего получать, по-видимому, кляйзенской перегруппировкой сложных эфиров фенолов.
Один из наиболее широко используемых кислотно-основных индикаторов – фенолфталеин – получается «ацилированием» фенола фталевым ангидридом в присутствии серной кислоты
Из строения фенолфталеина видно, что эта реакция идет своеобразно и может быть отнесена к реакциям ацилирования лишь по формальным признакам.
Бесцветный фенолфталеин при рН>9 (в щелочных растворах) теряет оба протона с образованием окрашенного в интенсивный красный цвет дианиона
При рН ниже 8.5 идет обратная реакция превращения дианиона в бесцветную форму.
14.1.2.10. Нитрозирование. Фенолы достаточно активны, чтобы прореагировать с нитрозоний-катионом NO+, являющимся слабым электрофилом
Нитрозогруппа в фенолах может быть доокислена до нитрогруппы при помощи азотной кислоты.
14.1.2.11. Азосочетание. Значительной активностью фенолов в реакциях электрофильного замещения объясняется и их реакция с солями диазония. Известно, что диазоний-катион относится к слабым электрофилам и способен реагировать лишь с очень активными ароматическими соединениями, содержащими в ядре сильные электронодонорные группы, в том числе – гидроксил
Эта реакция азосочетания осуществляется обычно в слабощелочной среде, поскольку в этом случае в реакционной среде возрастает концентрация фенолят-аниона. Наличие отрицательного заряда на атоме кислорода делает его более сильным донором, а фенолят-анион – более реакционноспособным в реакциях электрофильного замещения
14.1.2.12. Реакция Кольбе-Шмидта. При взаимодействии фенолята натрия с диоксидом углерода при 1250С и 4-7 атм. (Кольбе, 1859 г., Шмидт, 1885 г.) происходит карбоксилирование бензольного кольца преимущественно в о-положение
Диоксид углерода относится к числу слабых электрофилов
Чтобы этот слабый электрофил мог участвовать в реакции электрофильного замещения, требуется очень активное бензольное кольцо, такое как в фенолят-анионе.
Реакцию Кольбе-Шмидта вполне можно трактовать как реакцию электрофильного замещения с участием слабого электрофила. Однако при этом нелегко объяснить склонность этой реакции к предпочтительному образованию именно о-оксибензойной кислоты. Этим вызваны, по-видимому, попытки рассматривать реакцию Кольбе-Шмидта как реакцию присоединения карбаниона к диоксиду углерода
В таком виде реакция напоминает карбонизацию реактива Гриньяра, в результате которой получаются карбоновые кислоты.
Для объяснения преимущественного о-замещения в реакции Кольбе-Шмидта предлагался также механизм, аналогичный механизму О-алкилирования фенолов
Благодаря реакции Кольбе-Шмидта стала доступной салициловая кислота, на основе которой получают такие широко известные лекарственные препараты как метилсалицилат, аспирин, салол
14.1.2.13. Реакция Реймера-Тимана. Реакция Реймера-Тимана заключается во взаимодействии фенола хлороформом в водной щелочной среде. В результате этой реакции в бензольное ядро вводится альдегидная группа в о-положение к гидроксилу
Предполагается, что реакция Реймера-Тимана – еще один случай электрофильного замещения с участием фенола и необычного электрофила, в качестве которого выступает дихлоркарбен. Он образуется в результате взаимодействия хлороформа с щелочью
В дихлоркарбене углерод окружен лишь секстетом электронов и поэтому является сильным электрофилом. Реакцию дихлоркарбена с фенолят-анионом можно представить следующей схемой
14.1.2.14. Фенол-формальдегидные смолы. Реакцию фенола с формальдегидом с образованием ценных полимеров установил Лео Бакеланд, поэтому фенол-формальдегидные смолы часто называют бакелитами.
Образование полимера из фенола и формальдегида складывается из двух стадий. На первой стадии в результате взаимодействия фенола с формальдегидом образуется смесь фенолов, содержащих в о- и п-положениях оксиметильные группы. Интересно, что рассматриваемая стадия конденсации катализируется и кислотами и щелочами
Кислотный катализатор ускоряет конденсацию за счет создания более активного электрофила
При щелочном катализе активируется фенольная компонента в результате образования более активного, чем фенол, фенокси-аниона
Сама первая стадия конденсации фенола с формальдегидом допускает ее трактовку как реакции электрофильного ароматического замещения, и как нуклеофильного присоединения фенокси-аниона к карбонильной группе формальдегида с образованием фенолоспиртов
В дальнейшем происходит присоединение фенокси-аниона к продукту дегидратации фенолоспиртов под названием хинонметид
В результате этой реакции происходит «сшивание» двух молекул фенолоспиртов через метиленовый мостик. Полученный при этом продукт – еще не полимер. Бакелит получается при протекании вышеприведенной реакции с участием фенолоспиртов, замещенных во всех о- и п-положениях на группу СН2ОН
Хотя фенолформальдегидные смолы относятся к числу старейших синтетических полимеров, они и в наши дни производятся и используются в огромных количествах. Примерно половина производимого в промышленности фенола используется при получении фенолформальдегидных смол.
14.1.2.15. Гидрирование. Бензольное кольцо в фенолах может быть прогидрировано с получением циклогексанолов. Обычно образуется смесь циклогексанолов, циклогексанонов и циклогексанов. В качестве катализаторов гидрирования фенолов чаще всего используются платина и никель.
14.1.2.16. Окисление. Появление гидроксильной группы в бензольном ядре делает его более уязвимым к действию окислителей. Даже при хранении фенол может окислиться кислородом воздуха с образованием окрашенных веществ. Попутно отметим, что введение в бензольное кольцо фенолов электроноакцепторных заместителей повышает его устойчивость к действию окислителей.
Рассмотрим несколько примеров окисления фенола разными окислителями.
При окислении фенола перекисью водорода в присутствии железного катализатора получается пирокатехин с небольшим выходом. Хромовая смесь направляет окисление фенола в сторону п-бензохинона
Наибольший интерес представляет рассмотрение окисления пространственно затрудненных (экранированных) фенолов с объемистыми алкильными заместителями в о- и п-положениях к гидроксилу.
При окислении таких фенолов кислородом воздуха, окисью серебра, феррицианидом калия и др. образуются ароксилы, представляющие собой свободные радикалы
Такого типа арокси (фенокси) радикалы настолько стабильны, что в отсутствии воздуха или других активных реагентов могут существовать в неизменном виде неопределенно долго.
Стабилизация радикала, образовавшегося при окислении экранированного фенола, обусловлена рассредоточением неспаренного электрона по всей ароматической системе. Это хорошо видно, если радикал представить как резонансный гибрид возможных канонических структур
Роль алкильных заместителей в о- и п-положениях бензольного кольца радикала заключается в стерическом препятствовании их рекомбинации – слиянию двух радикалов между собой как через кислород, так и с участием кольца.
Благодаря своим уникальным свойствам, экранированные фенолы проявили себя хорошими ингибиторами, в частности, антиоксидантами. Они «подставляют» себя под удар радикала – участника цепной реакции. Образующийся при этом стабильный и малоактивный радикал не способен продолжать цепь
14.2. Многоатомные фенолы
Известны многочисленные фенолы, содержащие в бензольном кольце несколько, вплоть до шести, гидроксильных групп. Они как таковые или в виде производных широко распространены в природе, особенно в растительном мире.
Для получения ди- и полифенолов применяются общие методы синтеза фенолов. Однако нередко прибегают и к специфическим методам.
14.2.1. Методы получения. Рассмотрим методы получения важнейших представителей многоатомных фенолов.
Пирокатехин может быть получен гидролизом о-дихлорбензола (водный раствор NaOH, 2000С, катализатор – соли меди)
или с использованием реакции щелочного плава из динатриевой соли о-бензолдисульфокислоты
Интересно, что при температуре щелочного плава – свыше 3000С в результате реакции может получиться вместо ожидаемого пирокатехина изомерный ему резорцин. Предполагается, что изомеризация происходит через промежуточное образование дегидробензола
Аналогично изомеризуется и п-бензолдисульфокислота.
Движущей силой указанных превращений является, по-видимому, накопление при высоких температурах наиболее устойчивого из двухатомных фенолов – резорцина.
Источником пирокатехина могут послужить и вещества природного происхождения. В некоторых растениях содержится протокатехиновая кислота, декарбоксилирование которой приводит к пирокатехину
Известен метод получения пирокатехина из салицилового альдегида. При окислении альдегида перекисью водорода в щелочном растворе происходит замещение альдегидной группы на гидроксил
Резорцин получается при щелочном плаве м-бензолдисульфокислоты
Гидрохинон может быть получен, как и другие двухатомные фенолы, из соответствующих дигалоген- и дисульфопроизводных бензола. В то же время для этого фенола известен и свой специфический метод, заключающийся в окислении анилина хромовой кислотой до п-хинона и восстановлении последнего в гидрохинон. Предполагается, что реакция идет по следующей схеме
Пирогаллол. Доступным исходным соединением для получения пирогаллола является природная галловая кислота, выделяемая из продуктов гидролиза дубильных веществ. Галловая кислота при нагревании легко декарбоксилируется
Флюроглюцин в виде своих производных широко распространен в растительном мире. Из нескольких синтетических методов его получения наиболее экстравагантным выглядит метод, основанный на превращениях триаминобензойной кислоты
Гексаоксибензол. Этот фенол, содержащий максимально возможное число гидроксилов в бензольном кольце и обладающий симметричной и совершенной структурой, не мог не привлечь к себе внимания химиков. Для него предложены несколько неочевидных методов получения.
Установлено, что простейший диальдегид – глиоксаль в водном растворе сульфита и бикарбоната натрия при пропускании через раствор воздуха превращается в гексаоксибензол. Этот фенол получают также при подкислении продукта взаимодействия металлического калия и оксида углерода
14.2.2. Химические свойства
Многоатомным фенолам присущи свойства, характерные и для одноатомных фенолов. В то же время почти у каждого из них встречаются свои особенности.
Кислотность. У двухатомных фенолов кислотные свойства выражены сильнее, поэтому они способны образовать соли не только с щелочными металлами
Реакции по бензольному кольцу. В реакции электрофильного замещения двухатомные фенолы вступают много легче, чем фенол. В кольцо двухатомных фенолов удается ввести два и даже три новых заместителя даже в мягких условиях. При электрофильном замещении с участием резорцина гидроксилы действуют согласованно
Окисление. Двухатомные фенолы с гидроксилами в о- и п-положениях легко окисляются и поэтому являются сильными восстановителями. Продуктами окисления пирокатехина и гидрохинона являются соответствующие хиноны
Резорцин также способен окисляться, однако по структурным соображениям не может образовать хинон.
Особенности многоатомных фенолов. Как уже отмечалось, почти каждый из многоатомных фенолов, участвуя в химических реакциях, проявляет особенности. Так, резорцин – единственный из фенолов, способный восстанавливаться водородом в момент выделения. Установлено, что восстанавливается при этом енольная форма резорцина
Точно также гидрохинон – единственный из фенолов, участвующий в реакции Дильса-Альдера как диен (Куксон, 1955 г.)
Не менее своеобразно окисляется шестиатомный фенол. При окислении кислородом воздуха он вначале превращается в тетраоксихинон. В дальнейшем хинон образует диоксихинон - родизоновую кислоту. Продуктом исчерпывающего окисления последней азотной кислотой является трихиноил (гексакетоциклогексан)
14.3. Хиноны
Хиноны относятся к сопряженным циклическим дикетонам. У них с фенолами тесные взаимоотношения: фенолы и хиноны легко превращаются друг в друга.
Простейший и наиболее распространенный хинон был получен Воскресенским (1838 г.) окислением хинной кислоты (1,3,4,5-тетраоксигексагидробензойная кислота) двуокисью марганца в серной кислоте
Свое название хинон получил от названия хинной кислоты.
Хиноны подразделяются на 1,2- и 1,4-хиноны или о- и п-хиноны. Как уже отмечалось, 1,3-хиноны не могут существовать по структурным соображениям. Интересно, хиноны различимы по цвету кристаллов: п-хиноны в большинстве случаев бывают желтыми, а о-хиноны – оранжевыми или красными.
Основные методы получения хинонов уже рассматривались – это окисление двухатомных фенолов и окисление анилина хромовой кислотой.
Хиноны обладают высокой реакционной способностью. Направления их превращений предсказуемы: они реагируют как кетоны и одновременно по карбонильной группе и двойным связям. Для них характерны реакции 1,4- и 1,6-присоединения
Хинон как кетон вступает в реакцию с гидроксиламином с образованием моно- и диоксима
Хиноны вступают в многочисленные реакции присоединения.
Присоединение брома происходит по 3,4-положению п-хинона. Образующийся при этом дибромид легко отщепляет молекулу бромистого водорода и дает замещенный хинон
Аналогично протекает присоединение диенов. В реакции Дильса-Альдера хиноны выступают как диенофилы
Однако хиноны и сами могут реагировать по 1,3-положению подобно диенам с сопряженными двойными связями. Примером такой реакции является присоединение к хинонам галогенводородных кислот
Аналогично присоединяется к хинону и уксусный ангидрид.
Примером реакции 1,6-присоединения является присоединение водорода с образованием двухатомных фенолов
14.4. Ароматические спирты
Ароматические спирты классифицируются в зависимости от взаимного расположения гидроксила и бензольного кольца.
Спирты с α-положением гидроксила содержат гидроксил у углерода боковой цепи, связанного с бензольным кольцом. Их получают с использованием уже известных методов синтеза спиртов.
Галогенпроизводные с α-положением атома галогена легко могут быть получены галогенированием алкилбензолов при освещении ультрафиолетом. Такие галогенпроизводные легко гидролизуются даже при кратковременном нагревании с раствором соды
Другой часто используемый метод – восстановление ароматических альдегидов
Восстановление альдегидов можно вести и путем вовлечения их в перекрестную реакцию Канницаро когда одним из альдегидов выступает формальдегид. При этом из двух альдегидов формальдегид неизменно окисляется, а ароматический альдегид – восстанавливается
Нередко для получения ароматических спиртов с α-расположением гидроксила исходят из соответствующих сложных эфиров, легко восстанавливающихся атомарным водородом по Буво и Блану (металлический натрий и спирт)
Спирты с β-расположением гидроксила не могут быть получены из соответствующих галогенпроизводных, которые легче подвергаются дегидрогалогенированию, чем гидролизу. Между тем, β-фенилэтиловый спирт широко применяется в парфюмерии («розовое масло»). Поэтому были разработаны эффективные методы его синтеза реакцией фенилмагнийбромида с окисью этилена
В последующем оказалось, что реакцию можно существенно упростить, сведя ее к реакции Фриделя-Крафтса
Представитель ароматических спиртов с γ-положением гидроксила - γ-фенилпропиловый спирт – легче всего синтезировать восстановлением коричной кислоты
Сама кислота получается из бензальдегида и уксусного ангидрида при их конденсации по Перкину.
γ-Фенилпропиловый спирт обладает запахом гиацинтов и применяется в парфюмерии.
Ароматические спирты по своим свойствам повторяют свойства спиртов алифатического ряда.
К особенностям ароматических спиртов можно отнести ту легкость, с которой происходит замещение гидроксила на галоген у спиртов типа бензилового спирта (SN1).
Это объясняется стабильностью бензилового карбкатиона с участием бензольного кольца.
Спирты с β-расположением гидроксильной группы легко дегидратируются в арилолефины
Глава 15
Ароматические альдегиды и кетоны
15.1. Альдегиды
В ароматических альдегидах альдегидная группа непосредственно связана с бензольным кольцом, в котором могут находиться и другие заместители
15.1.1. Методы получения
Для получения ароматических альдегидов могут быть использованы все ранее рассмотренные методы: окисление первичных спиртов, восстановление карбоновых кислот, гидролиз гем-дизамещенных галогенпроизводных, пиролиз смешанных солей карбоновых кислот и др. Вместе с тем ароматические альдегиды получают и с использованием специфических методов, которые пока еще не рассматривались. Обращает на себя внимание тот факт, что эти методы базируются на преобразованиях определенных функциональных групп уже находящихся в бензольном кольце.
15.1.1. Превращения арилметанов. В отличие от алифатического ряда, в ароматическом ряду возможна прямая трансформация метильной группы в альдегидную группу в арилметанах. Наиболее просто это достигается парофазным окислением метильной группы в аренах кислородом воздуха в присутствии окиси ванадия или жидкофазным окислением при 40оС двуокисью марганца в 65%-ной серной кислоте
В обоих случаях реакция может идти дальше, поскольку альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот. Для предотвращения этого стремятся связать альдегид по мере его образования.
Одним из таких способов является окисление метилпроизводных раствором хромового ангидрида в уксусном ангидриде. В этом случае альдегид по мере образования превращается в гем-диацетат, устойчивый к окислению. Кислотным гидролизом диацетата получают сам альдегид
Другим примером реакции подобного типа является реакция Этара. В этом случае окисление метильной группы осуществляется хлористым хромилом в сероуглероде при 25-45оС. При этом получается молекулярный комплекс, содержащий два эквивалента хлористого хромила. При разложении последнего водой получается альдегид, хромовая кислота и хлористый хром
15.1.1.2. Превращения хлорметильной группы в арилметилгалогенидах. Одними из доступных органических соединений, из которых могут быть получены ароматические альдегиды, являются арилметилхлориды. Превращение хлорметильной группы в альдегидную группу может быть достигнуто несколькими способами. Кроме окислительного гидролиза это реакция Соммле.
В реакции Соммле арилметилгалогенид реагирует с уротропином (гексаметилентетрамином) с образованием четвертичной соли, которая через ряд стадий окисляется в альдегид
В реакцию Соммле не вступают арилметилгалогениды, в молекуле которых хлорметильная группа соседствует с другими заместителями.
15.1.1.3. Восстановление производных карбоновых кислот. Из производных карбоновых кислот для получения альдегидов чаще всего используются хлорангидриды. Восстановление в этом случае можно вести на никелевых или палладиевых катализаторах. Для предупреждения дальнейшего восстановления образовавшегося альдегида в спирт, катализатор несколько «отравляют» обработкой, например, серой в хинолине (метод Розенмунда)
В случае некоторых пространственно затрудненных галогенангидридов необходимость в отравлении катализатора серой отпадает.
Кроме восстановления хлорангидридов кислот по Розенмунду, известны и другие методы восстановления. Считается, что одним из лучших из них является восстановление три-трет-бутоксиалюмогидридом лития при -78оС в растворе диглима
Низкая температура реакции препятствует дальнейшему восстановлению альдегида в спирт.
Следует отметить, что кроме восстановления известны и другие методы превращения галогенацилов в альдегиды (реакции Грундмана, Зона-Мюллера и др.).
Альдегиды могут быть получены и из нитрилов карбоновых кислот. В этом случае нитрил смешивают с безводным хлористым оловом и через смесь пропускают хлористый водород (реакция Стефена). При этом последовательно получается неустойчивый иминохлорид, альдиминовый комплекс и, при гидролизе последнего, альдегид
15.1.1.4. Прямое введение альдегидной группы. Введение альдегидной группы в ароматическое кольцо достигается в условиях реакций Гаттермана-Коха и Реймера-Тиммана. Обе эти реакции относятся к реакциям электрофильного замещения в ароматическом ряду и поэтому они протекают с соблюдением соответствующих закономерностей.
В реакции Гаттермана-Коха на ароматическое соединение (кроме самого бензола и соединений с электроноакцепторными заместителями) действуют смесью хлористого водорода и оксида углерода в присутствии хлористого алюминия и однохлористой меди
Предполагается, что вначале оксид углерода и хлористоводородная кислота образуют нестойкий хлористый формил, который дальше реагирует по реакции Фриделя-Крафтса
В случае ароматических соединений с электронодонорными заместителями вместо оксида углерода можно использовать синильную кислоту или ее соли (реакция Гаттермана), а в качестве катализатора – хлористый цинк
В реакции Реймера-Тиммана на активное в реакции электрофильного замещения ароматическое соединение действуют хлороформом и щелочью
Имеются основания трактовать реакцию Реймера-Тимана как электрофильное замещение, т.к. при ее осуществлении появляется активный фенолят-ион
А электрофильная частица при этом возникает под действием щелочи из хлороформа
В дихлоркарбене углерод окружен лишь шестью электронами и поэтому он является сильным электрофилом.
В реакции Реймера-Тимана вначале образуется бензальхлорид, который в щелочной среде гидролизуется в альдегид
На участие в рассматриваемой реакции именно фенолят-иона указывает то обстоятельство, что соединения, которые не могут образовать этот ион (например, анизол), не участвуют в реакции Реймера-Тимана.
15.1.2. Химические свойства
Молекулы ароматических альдегидов состоят из бензольного кольца и альдегидной группы. Нетрудно предвидеть, что характерными для подобных соединений будут реакции электрофильного замещения с участием ароматического кольца (альдегидная группа – м-ориентант) и нуклеофильного присоединения по карбонильной группе альдегида. Поскольку указанные реакции рассматривались раньше, ограничимся изучением лишь тех превращений ароматических альдегидов, которые относятся к специфическим, присущим только им.
15.1.2.1. Автоокисление. Как известно, альдегидная группа легко окисляется в карбоксильную группу. В данном случае речь идет о самопроизвольном протекании этого процесса при контакте альдегида с кислородом воздуха, особенно под воздействием света и железа. Налитый тонким слоем бензальдегид при контакте с воздухом уже через несколько часов окисляется в кристаллическую бензойную кислоту.
Установлено, что самоокисление ароматических альдегидов протекает по цепному радикальному механизму. На начальных стадиях процесса – стадии инициирования цепи образуется бензоильный радикал
При развитии цепи образуется перекисный радикал и гидроперекись
Реакция гидроперекиси с альдегидом приводит к кислоте
В пользу приведенного механизма говорит факт присутствия в окисленном бензальдегиде гидроперекиси. Кроме того, известно, что автоокисление предотвращается ингибиторами.
15.1.2.2. Конденсации. При рассмотрении алифатических альдегидов было установлено, что альдегидная группа обуславливает способность соединений этого класса к различным реакциям конденсации: альдольной, кротоновой и др. Оказалось, что отдельные реакции конденсации альдегидов вполне могут быть сведены к реакциям нуклеофильного присоединения по поляризованной карбонильной группе. В реакциях конденсации одна молекула альдегида образует нуклеофильную частицу, а другая молекула альдегида присоединяет этот нуклеофил.
Ароматические альдегиды также вступают в различные реакции конденсации. Своеобразие реакций конденсации с участием ароматических альдегидов заключается в том, что они не могут иметь α-водородных атомов.
Реакция Канницаро. Ароматические альдегиды в присутствии концентрированного водного раствора щелочи вступают в реакцию Канницаро – самоокисления-восстановления с образованием молекулы спирта и карбоновой кислоты
На основе данных кинетических исследований и опытов с мечеными соединениями для реакции Канницаро предложен следующий механизм.
В начальной стадии имеет место нуклеофильное присоединение гидроксила к карбонилу
Образовавшаяся частица поставляет еще один нуклеофил – гидрид-ион – для еще одного нуклеофильного присоединения
При участии в перекрестной реакции Канницаро ароматического альдегида и формальдегида из-за легкой окисляемости алифатического альдегида неизменно получается ароматический спирт и формиат натрия
Интересно, что реакция Канницаро может протекать и как внутримолекулярный процесс
Бензоиновая конденсация. Под действием цианистых калия или натрия ароматические альдегиды вступают в так называемую бензоиновую конденсацию с образованием α-оксикетонов (ацилоинов)
Этот вид конденсации получил свое название по названию продукта конденсации бензальдегида – бензоина.
Предполагается, что бензоиновая конденсация идет по следующей схеме. Первоначально в результате нуклеофильного присоединения цианид-иона к альдегидной группе получается нуклеофильная частица
которая, в свою очередь, вступает в реакцию нуклеофильного присоединения ко второй молекуле альдегида
Продукт присоединения отщепляет цианид-ион и образует бензоин
Уникальность цианид-иона при бензоиновой конденсации вытекает из того, что он обладает достаточной для получения 1 нуклеофильностью, стабилизирует 2 и легко отщепляется от 3 с образованием ацилоина.
Бензоин обладает рядом интересных свойств. Он легко окисляется азотной кислотой в уксуснокислом растворе или сульфатом меди в водном пиридине в дикетон, который называют бензилом
С бензилом связана одна известная перегруппировка. При нагревании с разбавленным раствором едкого натра бензил перегруппировывается в бензиловую кислоту
В ходе бензиловой перегруппировки фенил-анион мигрирует к соседнему углероду. При этом одна карбонильная группа окисляется, а другая – восстанавливается
Бензиловая перегруппировка интересна тем, что в ходе этой реакции 1,2-фенильный сдвиг происходит при щелочном катализе. Между тем, сдвиги такого типа более характерны для реакций, протекающих при кислотном катализе.
Кротоновая конденсация. В результате реакции бензальдегида с ацетоном (недостаток) в среде разбавленной щелочи образуется бензальацетон или дибензальацетон
Хотя кротоновая конденсация с участием ароматических альдегидов и рассматривается обычно как их специфическое свойство, в действительности все происходит в рамках уже известных закономерностей превращений карбонильных соединений.
Как уже отмечалось, ароматические альдегиды лишены α-водородных атомов. Отсюда следует, что они не способны вступать в реакции типа альдольной или кротоновой конденсации. В то же время понятно, что для них вполне возможны перекрестная альдольная или кротоновая конденсации. При этом ароматические альдегиды могут выступать лишь в качестве акцепторов нуклеофилов (карбанионов), образовавшихся из карбонильных соединений с α-водородными атомами: альдегидов, кетонов, сложных эфиров (конденсация по Кляйзену), ангидридов карбоновых кислот (конденсация по Перкину). Образовавшиеся в результате реакции альдоли (β-оксикарбонильные соединения), у которых с β-углеродом связано бензольное кольцо, дегидратируются настолько быстро, что вместо спиртоальдегидов и кетонов получаются ненасыщенные карбонильные соединения.
Рассмотрим в качестве примера механизм конденсации по Кляйзену бензальдегида и ацетона
По аналогичной схеме идет конденсация по Перкину бензальдегида и уксусного ангидрида.
Конденсации с соединениями с подвижными атомами водорода. В реакциях Кляйзена и Перкина ароматические альдегиды конденсируются с соединениями с активными водородами. В этих соединениях водородные атомы становятся активными под влиянием соседней карбонильной группы. Однако водородные атомы могут стать подвижными и по другим причинам. Так, известно, что активными становятся водороды в о- и п-положениях бензольного кольца в аминах и фенолах. Действительно, для ароматических альдегидов известны реакции конденсации с подобными соединениями с образованием соединений трифенилметанового ряда, к которым относятся и многие красители
15.2. Кетоны
В ароматических кетонах карбонильная группа связана хотя бы с одним ароматическим радикалом
15.2.1. Способы получения
Ароматические кетоны можно получить на основе тех же реакций, что и алифатические кетоны. К ним относятся реакции окисления (дегидрирования) вторичных спиртов, пиролиз кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот, гидролиз гем-дигалогенидов и др. Дальше будут рассмотрены методы, которые не столько оригинальны, сколько часто применяются для получения кетонов определенного строения.
15.2.1.1. Ацилирование. При ацилировании ароматических соединений (реакция Фриделя-Крафтса) получаются кетоны
Эта реакция, как частный случай электрофильного замещения в ароматическом ряду, была рассмотрена раньше (смотри арены). Однако следует обратить внимание на некоторые ее особенности.
Установлено, что ацилироваться способны только ароматические соединения, несущие в кольце электронодонорные заместители. Поскольку сама ацильная группа относится к электроноакцепторным заместителям, то понятно, что две такие группы в бензольное кольцо вводить не удается.
Для ацилирования могут быть использованы карбоновые кислоты, их ангидриды и галогенангидриды. Наибольшей активностью обладают галогенацилы, наименьшей – сами кислоты.
От ацилирующего агента зависит и природа используемого катализатора. Обычно применяется хлорид алюминия, однако в случае ацилирования карбоновыми кислотами приходится использовать более сильные катализаторы – минеральные кислоты. При этом необходимо иметь в виду, что как ацилирующие агенты – ангидриды и галогенангидриды, так и образующиеся кетоны с хлоридом алюминия образуют комплексы. Поэтому катализатор приходится брать в сопоставимых с ацилирующим агентом количествах.
Перегруппировка Фриса. Для получения ароматических кетонов, содержащих в бензольном кольце гидроксильную группу, особенно подходящей является перегруппировка Фриса. Реакция заключается в перегруппировке сложных эфиров фенолов в условиях реакции Фриделя-Крафтса и обычно трактуется как ее внутримолекулярный вариант
На соотношение между образующимися о- и п-изомерами влияет природа растворителя, количество катализатора и температура реакции. Так, м-крезилацетат при 165оС с 95%-ным выходом превращается в 4-метил-3-оксиацетофенон, а при 25оС – в 2-метил-4-оксиацетофенон (выход 85%)
Установлено, что подобное влияние температуры – общая закономерность: при низкой температуре получаются пара-изомеры, а при более высокой температуре – орто-прозводные.
15.2.1.3. Присоединение магнийорганических соединений к нитрилам. Реактивы Гриньяра обладают способностью присоединяться по тройной связи нитрильной группы. При этом первоначально получается соль кетимина, который гидролизуется в кетон
15.2.1.4. Реакция Геша. Активированное бензольное кольцо, содержащее в виде заместителей гидроксильную группу, алкоксигруппы и др., способно конденсироваться (С-алкилирование) с нитрилами в присутствии хлористого водорода и хлористого цинка (Геш, 1915 год). Установлено, что при этом, как и в предыдущем случае, образуется кетимин, гидролизующийся в кетон
Реакцию Геша можно рассматривать и как частный случай реакции Гаттермана – конденсации фенолов и их эфиров с цианистым водородом в присутствии тех же катализаторов.
15.2.2. Химические свойства
Ароматические кетоны, в молекуле которых присутствуют карбонильная группа и бензольное кольцо, вступают в химические реакции, обусловленные указанными функциональными группами. Для карбонильной группы – это нуклеофильное присоединение, замещение карбонильного кислорода и α-водородная активность. Замечено, что ароматические кетоны менее реакционноспособны, чем алифатические кетоны. Так, они не дают производных с бисульфитом натрия. Бензольное кольцо в ароматических кетонах вступает в реакции электрофильного замещения как соединение, несущее электроноакцепторный заместитель.
Рассмотрим некоторые наиболее характерные для ароматических кетонов реакции.
15.2.2.1. Оксимы кетонов, их стереоизомерия и бекмановская перегруппировка. Как известно, карбонильные соединения реагируют с гидроксиламином с образованием оксимов. Эта реакция характерна и для ароматических кетонов
Из строения кетоксима видно, что для некоторых из них возможна геометрическая изомерия. Цис (син)- и транс (анти) – изомеры отличаются по расположению заместителей по двойной связи С=N. Для проявления данного вида геометрической изомерии необходимо участие в реакции с гидроксиламином не симметричных ароматических кетонов
Отметим, что син-изомером принято считать структуру, в которой меньший радикал находится в цис-положении к гидроксильной группе.
Интересно, что син- и анти-кетоксимы способны к взаимным превращениям. Более стабильная анти-форма образуется из син-формы под действием кислот; облучением можно осуществить обратное превращение.
Принадлежность кетоксима к анти- или син-ряду можно установить на основании физических параметров (например, дипольного момента) или химическим путем. Покажем это на примере упомянутых выше фенил-п- метоксифенилкетоксимов.
Известно (Бекман, 1886 год), что оксимы под действием кислот, кислот Льюиса или PCl5 превращаются в замещенные амиды кислот
При бекмановской перегруппировке происходит обмен местами гидроксильной и фенильной групп и кетонизация промежуточно образующегося енольного производного. Предполагается, что бекмановская перегруппировка оксимов протекает по схеме, предусматривающей 1,2-фенильный сдвиг к электронодефицитному атому азота.
При гидролизе амиды кислот дают соответствующие карбоновые кислоты и амины
Оказалось, что стереоизомерные оксимы в результате бекмановской перегруппировки с последующим гидролизом образовавшихся амидов дают различные карбоновые кислоты и амины
По составу продуктов указанных превращений возможно однозначно отнести соединение к анти- или син-кетоксиму.
15.2.2.2. Реакции α-водородных атомов. Ароматические кетоны способны к многочисленным превращениям с участием α-водородных атомов. Это знакомые уже по алифатическому ряду реакции галогенирования, кротоновой конденсации, сложноэфирной конденсации, конденсации с ангидридами кислот по Меервейну и др.
В качестве примера рассмотрим реакцию Манниха в приложении к ароматическим кетонам. Как известно, эта реакция заключается во взаимодействии кетона с формальдегидом и гидрохлоридом вторичного амина с образованием, так называемых оснований Манниха
Соль основания Манниха неустойчива и при нагревании легко отщепляет гидрохлорид диметиламина
15.3.4. Карбоновые кислоты
Молекула ароматических карбоновых кислот включает такие обязательные структурные элементы как бензольное кольцо, в том числе замещенное, и карбоксильную (карбоксильные) группу. Количество карбоксильных групп определяет основность кислот.
Ароматические карбоновые кислоты обычно имеют свои тривиальные названия, указывающие на их природный источник или характерное свойство. При необходимости их рассматривают как производные более простых кислот. Ниже представлены наиболее часто встречающиеся представители ароматических карбоновых кислот
15.3.1. Методы получения
Карбоновые кислоты рассматриваемого ряда могут быть получены всеми общими способами, которые используются при синтезе алифатических кислот: окисление первичных спиртов и альдегидов, гидролиз тригалогенпроизводных, карбоксилирование натрий - и литийарилов, через магнийорганический синтез, с использованием галоформной реакции и др. Однако разработаны и некоторые специфические методы. При получении ароматических карбоновых кислот чаще всего используются следующие методы.
15.3.1.1. Окисление ароматических соединений. При крупномасштабном получении карбоновых кислот различные варианты окисления используются гораздо чаще, чем в алифатическом ряду. При этом окислению подвергаются не только альдегиды и первичные спирты, но и многие другие классы органических соединений. Сказанное может быть подтверждено следующими примерами.
При окислении арены теряют свой алкильный заместитель и, независимо от его величины и строения, взамен получают карбоксил
Для окисления используют щелочной раствор перманганата калия, хромовую кислоту, азотную кислоту, кислород воздуха в присутствии катализаторов (например, солей марганца).
Кроме бензойной кислоты в промышленности окислением получают и двухосновную кислоту – терефталевую, используемую при синтезе полиэфира в реакции с этиленгликолем (лавсан, терилен)
Несмотря на кажущуюся простоту, указанная реакция оказалась трудной в осуществлении. После окисления одной метильной группы в п-ксилоле, возникшая карбоксильная группа экранирует второй метил и затрудняет его окисление. Однако были найдены условия окисления, позволившие преодолеть указанные затруднения: окислитель – кислород воздуха, растворитель – уксусная кислота, катализатор – соли марганца и кобальта, сокатализатор соединения брома. Окисление проводится при 190оС и давлении 10 атм.
Окислением соответствующих углеводородов кроме терефталевой кислоты получают и не менее важные в производстве полимеров о-фталевый ангидрид (глифталевые смолы) из нафталина и пиромеллитовый диангидрид (полиэфирные смолы) из дурола.
Окисление нафталина (или о-ксилола) проводится кислородом воздуха при высокой температуре (500оС) в присутствии пятиокиси ванадия. В близких условиях окисляют и дурол
Наконец, отметим, что окислению могут быть подвергнуты и ароматические кетоны, которые окисляются даже легче, чем углеводороды. Окисление обычно проводят с помощью гипохлоритов, хотя могут быть использованы и другие окислители
15.3.1.2. Гидролиз нитрилов. Эта реакция, используемая и в алифатическом ряду, находит применение и при синтезе ароматических карбоновых кислот
В отличие от алифатического ряда, в ароматическом ряду гораздо шире возможности получения самих нитрилов кислот. Так бензонитрил может быть получен не только нуклеофильным замещением ароматически связанного галогена, но и сплавлением сульфонатов с цианистыми солями
Для этой цели могут быть использованы и диазосоединения
15.3.1.3. Ацилирование по Фриделю-Крафтсу. Реакция электрофильного замещения в ароматическом ряду позволяет вводить в бензольное кольцо карбоксильную группу непосредственно. Для этого в качестве ацилирующего агента используется фосген или хлоругольный эфир
15.3.1.4. Функционализация ароматических соединений. Среди ароматических карбоновых кислот, встречающихся в природе или синтезируемых и используемых при получении красителей, лекарственных препаратов и других областях применения, встречаются их замещенные представители. Общий подход к синтезу таких кислот предусматривает либо введение функциональной группы в молекулу ароматической карбоновой кислоты, либо создание карбоксильной функции в бензольном кольце, уже несущем определенную функциональную группу.
Галогензамещенные бензойные кислоты получают, используя оба подхода. Галоген вводится в бензольное кольцо прямым галогенированием (хлорирование бензойной кислоты в присутствии хлорида железа), либо с использованием реакции Зандмейера исходя из доступных аминокислот через соли диазония
Нитробензойные кислоты с м-положением нитрогруппы по отношению к карбоксилу, являются продуктами нитрования ароматических карбоновых кислот
Введение карбоксила в молекулу ароматических нитросоединений каким-нибудь из известных методов – путь получения о- и п-нитрокарбоновых кислот
Сульфобензойные кислоты. Среди кислот этого ряда применение в пищевой промышленности находит натриевая соль о-сульфобензойной кислоты – сахарин. Это соединение в 500 раз слаще сахара. Схема получения сахарина иллюстрирует подходы, используемые при синтезе сульфобензойных кислот
Оксикарбоновые кислоты. Рассмотрим получение ароматических оксикислот на примере некоторых известных их представителей.
В медицине находят применение салициловокислый натрий (лечение суставного ревматизма), ацетат салициловой кислоты – аспирин (жаропонижающее и аналгетическое средство), фениловый эфир салициловой кислоты – салол (средство для дезинфекции кишечника). Салициловую кислоту обычно синтезируют по реакции Кольбе-Шмидта исходя из фенолята натрия
В природе широко распространена триоксибензойная кислота – галловая кислота, в свободном виде или в виде некоторых своих производных. В лаборатории ее можно синтезировать по следующей схеме
Аминокислоты с различным расположением аминогруппы и карбоксила могут быть получены восстановлением соответствующих нитробензойных кислот. Кроме того, наиболее известная из них – антраниловая кислота синтезируется исходя из фталимида расщеплением по Гофману
Некоторые производные п-аминобензойной кислоты обладают анестизирующим действием и широко применяются в медицине. К ним относятся этиловый эфир упомянутой кислоты – анестезин и хлористоводородная соль диэтиламиноэтилового эфира – новокаин
Дикарбоновые кислоты, особенно о-фталевая и терефталевая, широко применяются при получении полимеров полиэфирного типа. Как уже упоминалось, о-фталевая кислота получается окислением о-ксилола или нафталина.
Терефталевая кислота также может быть получена окислением п-ксилола. Вместе с тем разработаны и другие методы ее получения. К терефталевой кислоте ведет диспропорционирование калиевой соли бензойной кислоты при 340оС и давлении 300 атм. в присутствии бикарбоната калия
Терефталевая кислота является также продуктом изомеризации калиевой соли фталевой кислоты при 400оС в атмосфере СО2 в присутствии фталатов цинка и кадмия
15.3.2. Химические свойства
В соответствии со своим строением ароматические карбоновые кислоты обнаруживают ожидаемые химические свойства. За счет бензольного кольца они вступают в реакции электрофильного замещения. При этом под влиянием карбоксила они реагируют труднее, чем не замещенное соединение, а новый заместитель в результате реакции оказывается в м-положении к карбоксилу.
За счет карбоксильной группы ароматические карбоновые кислоты образуют соли, сложные эфиры, ангидриды и галогенангидриды, амиды и нитрилы.
15.3.2.1. Кислотность. Бензольное кольцо лишь незначительно влияет на кислотность ароматических карбоновых кислот. Для сравнения приведем показатели кислотности рКа (напоминаем, что это отрицательный логарифм константы кислотности Ка; чем меньше значение рКа, тем выше кислотность) ряда карбоновых кислот
Из этих данных видно, что бензольное кольцо действительно слабо влияет на кислотность. Обусловлено это тем, что из двух механизмов передачи электронных эффектов – индуктивного и резонансного, в случае ароматических карбоновых кислот мезомерный эффект не может проявить себя. По валентным соображениям в случае ароматических карбоновых кислот нельзя представить себе резонаносные структуры, в которых заряд карбоксилатной группы переходил бы на ароматическое кольцо.
В тоже время заместители в бензольном кольце сообщают ему положительный или отрицательный индукционный эффект. Этим объясняется наблюдаемая кислотность п-метокси- и п-нитробензойных кислот.
На кислотность ароматических карбоновых кислот могут повлиять и другие факторы, например, водородные связи. Из-за стабилизации салицилат-иона внутримолекулярными водородными связями салициловая кислота проявляет большую кислотность, по сравнению с о-метоксибензойной кислотой, в которой анион не может быть стабилизирован внутримолекулярной водородной связью
По вполне понятной причине двухосновные кислоты имеют две константы кислотности
При этом Ка1›Ка2, т.к. ионизация второй карбоксильной группы протекает труднее, чем первой – приходится удалять протон не от нейтральной частицы, а от аниона.
15.3.2.2. Действие нагревания. Действие нагревания на ароматические карбоновые кислоты бывает направлено на карбоксильную группу. При термолизе кислот происходит декарбоксилирование или дегидратация с участием двух карбоксилов.
В случае двухосновных ароматических карбоновых кислот дегидратация особенно характерна для тех их представителей, в молекуле которых карбоксилы расположены по соседству (о-изомеры). Так, при нагревании до относительно невысокой температуры 200оС о-фталевая кислота теряет молекулу воды и превращается в свой ангидрид
Ангидриды ароматических карбоновых кислот вступают во все реакции, характерные для подобных соединений, и в общем случае образуют другие производные кислот: сложные эфиры, амиды и др. Своеобразие рассматриваемых ангидридов заключается в том, что их превращения приводят к кислым (неполным) производным ароматических карбоновых кислот, которые трудно получить другими методами
Интересно, что при нагревании моноамидов имеет место их дегидратация с образованием соединений (имидов), в молекуле которых два карбоксила связаны с остатком аммиака
Имиды ароматических карбоновых кислот под влиянием двух ацильных остатков становятся настолько кислыми (Ка=5.10-9 для фталимида), что приобретают способность растворятся в холодном спиртовом растворе КОН
Подобные соли можно использовать как источник нуклеофильной частицы в реакциях нуклеофильного замещения с участием галогеналкилов. Продукт замещения – алкилированный при азоте имид – после гидролиза дает чистый первичный амин
Такой путь синтеза первичных аминов, не загрязненных вторичными и третичными аминами, носит название синтеза чистых первичных аминов по Габриэлю.
15.3.2.3. Участие в реакциях поликонденсации. Как и вообще карбоновые кислоты, ароматические кислоты при взаимодействии со спиртами образуют сложные эфиры. Особый интерес представляют случаи участия в этой реакции двухосновных кислот и двух- и более атомных спиртов
Образовавшийся моноэфир, благодаря наличию свободных карбоксильной и гидроксильной групп, сохраняет способность к дальнейшей этерификации. По этой причине обычная реакция этерификации в случае участия в реакции двухосновных кислот и двухатомных спиртов приводит к полиэфирам
Лавсан используется для изготовления пленок и нитей и тканей из них, обладающих прекрасными потребительскими свойствами.
Не меньший интерес представляют полиэфиры, полученные с участием в поликонденсации о-фталевой кислоты (ангидрида) и глицерина
Полиэфиры этого типа – глифталевые смолы – широко используются при получении высококачественных лаков (глифталевые лаки).
Известно, что при поликонденсации используется и пиромеллитовая кислота или ее ангидрид. В этом случае получаются термостойкие полиэфиры.
АРОМАТИЧЕСКИЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ
К ароматическим азотсодержащим соединениям относятся нитросоединения, амины, соли диазония и др. Рассмотрим каждый из этих классов азотсодержащих соединений по отдельности.
Глава 16
Нитросоединения
Молекула ароматического нитросоединения включает в себя, по меньшей мере, бензольное кольцо и нитрогруппу. Однако в ароматическом кольце могут содержаться и несколько нитрогрупп или других функциональных групп. Так возникает все многообразие ароматических нитросоединений.
16.1. Получение нитросоединений нитрованием
Нитрование ароматических соединений – основной путь получения нитросоединений. Процесс нитрования как частный случай электрофильного замещения в ароматическом ряду был уже рассмотрен раньше. Поэтому представляется целесообразным сосредоточить внимание на синтетических возможностях этой реакции.
Достаточно легко и с хорошим результатом нитруется уже сам бензол
В более жестких условиях способен нитроваться и нитробензол с образованием м-динитробензола
Из–за дезактивирующего влияния двух нитрогрупп ввести третью нитрогруппу в м-динитробензол удается лишь с большим трудом. 1,3,5-Три- нитробензол был получен с выходом 45% в результате нитрования м-динитробензола при 100-110оС и продолжительности реакции 5 суток.
Трудности получения тринитробензола прямым нитрованием бензола привели к разработке косвенных методов. По одному из них более доступный, чем тринитробензол, тринитротолуол окисляется до 2,4,6-тринитробензойной кислоты, которая легко декарбоксилируется при нагревании в воде
Точно также к косвенным методам приходится прибегать и при необходимости получения 1,2-динитробензола. В этом случае обычно используется способность аминогруппы окисляться до нитрогруппы в о-нитроанилине
Даже в тех случаях, когда получение нитросоединений нитрованием не должно было бы встретить особых затруднений, приходится обращаться к косвенным методам. Так, не удается получить пикриновую кислоту нитрованием фенола, т.к. азотной кислотой фенол не нитруется, а окисляется. Поэтому обычно используется следующая схема
Тонкости данной схемы в том, что из-за дезактивации кольца хлором и двумя уже имеющимися нитрогруппами, не удается вводить в него третью нитрогруппу. Поэтому хлор в динитрохлорбензоле предварительно замещается на гидроксил, чему нитрогруппы как раз способствуют (бимолекулярное замещение). Образовавшийся динитрофенол легко принимает еще одну нитрогруппу, не окисляясь в заметной степени. Имеющиеся нитрогруппы предохраняют бензольное кольцо от окисления.
Еще одним неочевидным способом получения пикриновой кислоты является сульфирование фенола до 2,4-фенолдисульфокислоты с последующим нитрованием образовавшегося соединения. При этом одновременно с нитрованием происходит замещение сульфогрупп на нитрогруппы
Один из важнейших ароматических нитропроизводных – тринитротолуол в технике получают нитрованием толуола, которое протекает по следующей схеме
16.2. Химические свойства
Ароматические нитросоединения способны реагировать как с участием бензольного кольца, так и нитрогруппы. Указанные структурные элементы влияют на реакционную способность друг друга. Так, под воздействием нитрогруппы нитробензол в реакции электрофильного замещения вступает неохотно и новый заместитель принимает в м-положение. Нитрогруппа влияет не только на реакционную способность бензольного кольца, но и на поведение соседних функциональных групп в химических реакциях.
Рассмотрим реакции ароматических нитросоединений за счет нитрогруппы.
16.2.1. Восстановление. Одной из важнейших реакций нитросоединений является их восстановление до ароматических аминов, широко используемых при производстве красителей, лекарственных препаратов и фотохимикатов.
Возможность преобразования нитрогруппы в аминогруппу восстановлением нитросоединений впервые была показана Зининым в 1842 году на примере реакции нитробензола с сульфидом аммония
В последующем восстановление ароматических нитросоединений было предметом глубокого изучения. При этом установлено, что в общем случае восстановление носит сложный характер, протекает через ряд стадий с образованием промежуточных продуктов. Амины являются лишь конечным продуктом реакции. Результат восстановления определяется силой восстанавливающего агента и рН-среды. При электрохимическом восстановлении состав продуктов зависит от величины потенциала на электродах. Варьируя указанными факторами можно задержать процесс восстановления на промежуточных стадиях. В нейтральной и кислой средах восстановление нитробензола идет последовательно через образование нитрозобензола и фенилгидроксиламина
Когда восстановление проводится в щелочной среде, образовавшийся нитрозобензол и фенилгидроксиламин получают возможность конденсироваться между собой с образованием азоксибензола, в котором атомы азота и кислорода связаны между собой семиполярной связью
Предполагаемый механизм конденсации напоминает механизм альдольной конденсации
Восстановление азоксибензола в анилин идет через азо- и гидразобензолы
Все упомянутые выше промежуточные продукты восстановления нитробензола в анилин могут быть получены либо непосредственно из нитробензола, либо исходя друг из друга. Вот некоторые примеры
16.2.2. Влияние нитрогруппы на реакционную способность других функциональных групп. При изучении ароматических галогенпроизводных мы уже встречались со случаем, когда подходящим образом расположенная нитрогруппа (нитрогруппы) существенно влияла на нуклеофильное замещение галогена (бимолекулярное замещение ароматически связанного галогена). На примере о- и п-динитробензолов было установлено, что нитрогруппа может способствовать нуклеофильному замещению не только галогена, но даже другой нитрогруппы
Механизм бимолекулярного замещения нитрогруппы на гидроксильную группу можно представить как следующий двухстадийный процесс
Карбанион, образующийся на первой стадии рассматриваемой реакции, резонансно стабилизирован из-за вклада предельной структуры 1, в которой нитрогруппа оттягивает электроны именно с того углерода бензольного кольца, у которого их избыток.
Особенностью нуклеофильного замещения одной нитрогруппы под влиянием другой нитрогруппы является то, что реакция весьма чувствительна к расположению нитрогрупп относительно друг друга. Известно, что м-динитробензол не реагирует со спиртовым раствором аммиака даже при 250оС.
Другими примерами содействия нитрогруппы замещению, в данном случае гидроксила, являются превращения пикриновой кислоты
16.2.3. Комплексообразование с ароматическими углеводородами. Характерным свойством ароматических нитросоединений является их склонность образовать комплексы с ароматическими углеводородами. Связи в таких комплексах носят электростатический характер и возникают между электронодонорными и электроноакцепторными частицами. Рассматриваемые комплексы называют π-комплексами или комплексами с переносом заряда.
π–Комплексы в большинстве случаев представляют собой кристаллические вещества с характерными температурами плавления. При необходимости π-комплекс может быть разрушен с выделением углеводорода. Благодаря сочетанию указанных свойств π-комплексы используются для выделения, очистки и идентификации ароматических углеводородов. Особенно часто для комплексообразования используется пикриновая кислота, комплексы которой неправильно называются пикратами.
Глава 17
Амины
По степени замещения водородных атомов в аммиаке на алкильные и арильные заместители различают первичные, вторичные и третичные амины. В зависимости от природы заместителей амины могут быть жирно – ароматическими и чисто ароматическими.
Ароматические амины называют путем прибавления окончания «амин» к названию групп, связанных с азотом. В сложных случаях аминогруппу с меньшим заместителем обозначают приставкой «амино» (N–метиламино-, N,N-диметиламино), которую прибавляют к названию более сложного заместителя. Ниже приведены наиболее часто встречающиеся амины и их названия
17.1. Методы получения
Со многими из методов получения аминов мы уже встречались при изучении алифатических аминов. При приложении этих методов к синтезу ароматических аминов встречаются некоторые особенности, поэтому, не опасаясь повторов, рассмотрим их.
17.1.1. Восстановление нитросоединений. Восстановление нитросоединений – основной метод как лабораторного, так и промышленного получения аминов, который можно осуществить несколькими способами. К ним относятся каталитическое гидрирование, восстановление атомарным водородом и химическое восстановление.
Каталитическое восстановление осуществляется молекулярным водородом в присутствии тонко измелченных никеля или платины, комплексных соединений меди на носителях. При выборе катализатора и условий восстановления надо иметь в виду, что при этом могут восстановиться и другие функциональные группы. Кроме того, каталитическое восстановление нитросоединений должно проводиться с соблюдением определенной осторожности из-за чрезвычайной экзотермичности реакции.
При использовании в качестве химического восстановителя сульфида аммония появляется возможность восстановления только одной из нескольких нитрогрупп
17.1.2. Аминирование галогенпроизводных. Известны трудности, которые возникают при аминировании ароматических галогенпроизводных по механизму «элиминирования – присоединения». Однако, как уже об этом говорилось не раз, электроноакцепторные заместители в бензольном кольце, расположенные надлежащим образом, значительно облегчают замещение галогена в арилгалогенидах, направляя процесс по бимолекулярному механизму. Для сравнения ниже приведены условия аминирования хлорбензола и динитрохлорбензола
17.1.3. Расщепление по Гофману. Расщепление амидов кислот по Гофману позволяет получить первичные амины, которые содержат на один углерод меньше, чем исходные амиды
Реакция протекает с миграцией фенила от карбонильного углерода к атому азота (1,2-фенильный сдвиг) по следующему предполагаемому механизму
17.1.4. Алкилирование и арилирование аминов. Алкилирование первичных и вторичных ароматических аминов галогеналкилами или спиртами позволяет получить вторичные и третичные жирноароматические амины
К сожалению, при участии в реакции первичных аминов получается смесь. Этого можно избежать, если исходный амин предварительно проацилировать, а уже потом проалкилировать
Такой прием защиты аминогруппы позволяет получить чистые вторичные ароматические амины, а также третичные амины с разными замещающими радикалами
Арилирование аминов дает возможность получить чистые вторичные и третичные ароматические амины
17.2. Химические свойства
Ароматические амины реагируют как с участием аминогруппы, так и бензольного кольца. При этом каждая функциональная группа испытывает влияние другой группы.
Реакции по аминогруппе
Благодаря наличию аминогруппы ароматические амины вступают в многочисленные реакции. Некоторые из них были уже рассмотрены: алкилирование, ацилирование, реакция с альдегидами с образованием азометинов. Другие реакции, которым будет уделено внимание, легко предсказуемы, однако им присущи определенные особенности.
17.2.1. Основность
Наличие неподеленной пары электронов у атома азота, которые могут быть представлены на образование связи с протоном, обеспечивает ароматическим аминам основные свойства
Интерес представляет сопоставление основности алифатических и ароматических аминов. Как уже было показано при изучении алифатических аминов, об основности аминов удобно судить по константе основности Кв
Сравним основности анилина, метиламина и аммиака
Кв
Аммиак 1,7.10-5
Метиламин 4,4.10-4
Анилин 7,1.10-10
Из этих данных видно, что появление электронодонорной метильной группы повышает электронную плотность у атома азота и приводит к усилению основности метиламина по сравнению с аммиаком. В то же время фенильная группа более чем в 105 раз ослабляет основность анилина по сравнению с аммиаком.
Уменьшение основности анилина по сравнению с алифатическими аминами и аммиаком может быть объяснено сопряжением неподеленной пары электронов азота с секстетом электронов бензольного кольца
Это снижает способность неподеленной пары электронов присоединять протон. Еще более эта тенденция сказывается у ароматических аминов, которые содержат в бензольном кольце электроноакцепторные заместители
Так, м-нитроанилин как основание в 90 раз слабее, чем анилин.
Как и можно было ожидать, электронодонорные заместители в бензольном кольце усиливают основность ароматических аминов
Жирноароматические амины под влиянием алкильной группы проявляют бóльшую основность, чем анилин и амины с электроноакцепторными группами в кольце.
17.2.2. Реакция с азотистой кислотой. Особый интерес к реакции аминов с азотистой кислотой вызван тем, что она позволяет различить первичные, вторичные и третичные амины. Кроме того, в случае участия в реакции первичных аминов получаются, имеющие большое препаративное значение, соли диазония
Поскольку азотистая кислота неустойчива, ее обычно получают из ее соли и более сильной минеральной кислоты по ходу опыта
Азотистая кислота в кислой среде диссоциирует с образованием нитрозокатиона, который и реагирует с амином.
С вторичными жирно-ароматическими аминами азотистая кислота реагирует с образованием п-нитрозоаминов
Такие соединения в кислой среде перегруппировываются таким образом, что нитрозогруппа перемещается в п-положение бензольного кольца
Реакция третичных аминов с азотистой кислотой представляют собой частный случай электрофильного замещения. При этом слабый электрофил –
нитрозогруппа - вступает в бензольное кольцо в п-положение. А если оно занято – в о-положение
Восстановлением нитрозогруппа трансформируется в аминогруппу, а окислением – в нитрогруппу
Несмотря на различный результат реакции азотистой кислоты с первичными, вторичными и третичными аминами, все они идут по одной схеме – ион нитрония атакует в молекуле амина место с наибольшей электронной плотностью и замещает протон. В случае первичных и вторичных аминов – это атом азота, у третичных аминов – активированное аминогруппой п-положение бензольного кольца.
17.2.3. Окисление. Появление аминогруппы в бензольном кольце делает его крайне уязвимым к действию окислителей. Действительно, анилин легко окисляется при хранении под действием кислорода воздуха.
При окислении анилина различными окислителями получается множество соединений: азобензол, азоксибензол, нитробензол, хинон и др.
Предполагается, что в процессе окисления первоначально образуется нестабильный свободный радикал, который далее окисляется как с участием азота, так и бензольного кольца
Реакции с участием бензольного кольца
Аминогруппа относится к числу наиболее мощных заместителей 1 рода; она способствует реакциям электрофильного замещения в бензольном кольце и новые заместители направляет в о- и п-положения.
Влияние аминогруппы на реакционную способность бензольного кольца связано с делокализацией положительного заряда в σ-комплексе, образующемся в лимитирующей стадии реакции электрофильного замещения
Происходит это благодаря вкладу особенно устойчивой предельной структуры IV в резонансном гибриде. В структуре IV каждый атом окружен октетом электронов (соблюдается правило октетов) и, кроме того, атом азота принимает на себя заряд σ-комплекса.
При проведении реакции электрофильного замещения с участием ароматических аминов приходится учитывать две их особенности.
Во-первых, аминогруппа слишком активирует бензольное кольцо и из-за этого возникают проблемы с управлением ходом реакции. Так, при галогенировании анилина трудно получить продукты моногалогенирования, т.к. сразу образуется тригалогенид. Поэтому в ряде случаев возникает необходимость в некоторой дезактивации аминогруппы. Достигается это ацилированием ароматического амина. Преобразование аминной группы в ациламинную группу снимает излишнюю активность первой, сохранив при этом порядок ориентации. После проведения реакции замещения ациламинную группу гидролизуют (защита аминогруппы и снятие защиты)
Отметим также, что защита аминогруппы предохраняет ароматическое кольцо от окисления.
Во-вторых, в реакциях электрофильного замещения с участием кислот (азотной и серной кислот) ароматические амины ведут себя как основания
В противоположность аминогруппе, NH3+-группа проявляет мощное дезактивирующее действие на бензольное кольцо, и новые заместители направляет в м-положения.
17.2.4. Галогенирование. Хлорирование или бромирование ароматических аминов протекает со значительной скоростью. При этом атомы галогена занимают все свободные о-, п-положения бензольного кольца
Однако галогенирование с защитой аминогруппы позволяет вводить в кольцо только один атом галогена
17.2.5. Нитрование. Для того чтобы при нитровании ароматических аминов можно было управлять процессом, предотвратить окисление и образование иона анилиния, реакцию проводят с защитой аминогруппы
17.2.6. Сульфирование. При взаимодействии анилина с серной кислотой образуется бисульфат анилиния, который при нагревании до 200оС превращается в сульфаниловую кислоту
Сульфаниловая кислота проявляет свойства не характерные для соединений, содержащих свободные амино- и сульфогруппы. Подобно солям сульфаниловая кислота имеет высокую температуру плавления и нерастворимость в органических растворителях. Оказалось, что она действительно существует в виде внутренней соли, поскольку она содержит в своей молекуле кислый (SO3H) и основный (NH2) остатки, которые реагируют друг с другом с образованием диполярного иона (цвиттер-иона)
При рассмотрении ароматических кислот уже отмечалось, что амиды сульфаниловой кислоты представляют интерес для медицины. К сульфаниламидам относятся, например, такие известные бактериостатические лекарства как белый стрептоцид и альбуцид
Замещенные сульфамиды обычно получают по следующей схеме
17.3. Соли диазония
Соли диазония имеют общую формулу
По своему строению арилдиазониевые соли подобны аммониевым солям; их можно рассматривать как ониевые соединения молекулы азота
В действительности положительный заряд несет каждый из атомов азота в диазокатионе
В растворе соли диазония полностью диссоциированы, такие растворы электропроводны.
Соли диазония достаточно неустойчивы. Среди них более устойчивы соединения, в которых в качестве противоионов к диазокатиону выступают анионы сильных кислот.
В названии солей диазония присутствует название радикала ароматического соединения и название аниона. Вот некоторые примеры
17.3.1. Методы получения
Основным методом получения солей диазония является реакция первичных ароматических аминов с азотистой кислотой (Грисс, 1858 год). Эту реакцию называют диазотированием. Из-за неустойчивости азотистой кислоты ее обычно получают по ходу опыта из нитрита натрия и какой-нибудь минеральной кислоты, чаще всего соляной или серной кислоты.
При диазотировании азотистая кислота в кислой среде образует несколько диазотирующих агентов
При взаимодействии с аминами диазотирующие агенты образуют нитрозамины
Нитрозамины в кислой среде через диазогидрат превращаются в соли диазония
Поскольку соли диазония чувствительны к повышению температуры, диазотирование проводят при температуре не выше 5оС и стремятся их растворы использовать немедленно после получения.
Отметим, что имеются и другие, менее распространенные, методы получения солей диазония.
17.3.2. Химические свойства
Самое характерное свойство солей диазония – это та легкость, с которой они замещают свою диазогруппу на подходящую нуклеофильную группу
В сочетании с реакцией диазотирования это дает возможность из ароматических аминов получить многие другие ароматические соединения
Реакции этого типа сопровождаются выделением азота, поэтому их обычно и называют «реакциями с выделением азота».
В то же время, соли диазония вступают и в реакции другого типа, когда крайний атом азота диазониевого типа реагирует с нуклеофильным реагентом без выделения азота
Этот тип превращений получил название «реакции без выделения азота» или азосочетания.
Наконец, являясь сильнейшим электроноакцепторным заместителем, диазогруппа способствует нуклеофильному замещению в ароматическом кольце.
Происходит это аналогично бимолекулярному замещению ароматически связанного галогена.
Рассмотрим реакции солей диазония более подробно.
Реакции с выделением азота
17.3.2.1. Замещение на галоген. Замещение диазогруппы на хлор или бром происходит при взаимодействии диазониевых солей с галогенидами одновалентной меди в присутствии галогенводородной кислоты. Эта реакция носит название реакции Зандмейера (1884 год)
Вместо галогенидов меди в рассматриваемой реакции возможно использование порошка меди и галогенводорода. В этом случае реакция носит название реакции Гаттермана (1890 год).
Предполагается, что в реакциях Зандмейера и Гаттермана медь исполняет роль катализатора. Интересно, что при замещении диазогруппы на иод необходимости в катализаторе отсутствует. Замещение происходит под действием иодистоводородной кислоты или ее соли
Особая ценность метода получения арилгалогенидов через соли диазония заключается в том, что он позволяет легко получить арилфториды. Введение фтора в ароматическое кольцо с помощью солей диазония проводится отлично от реакций Зандмейера и Гаттермана. В этом случае вначале из соли диазония и борфтористоводородной кислоты получают борфторид диазония. При нагревании эта соль разлагается с образованием арилфторида, азота и трехфтористого бора (реакция Шимана)
Иногда хорошие результаты получаются при термическом разложении гексафторфосфата арендиазония
17.3.2.2. Замещение на циано- и нитрогруппы. Использование цианид–иона и цианида меди в реакции Зандмейера дает возможность из солей диазония получить нитрилы карбоновых кислот и сами кислоты после гидролиза нитрилов
Реакция Зандмейера с успехом может быть использована также при получении нитросоединений определенного строения. Установлено, что особенно хорошие результаты достигаются при использовании фторборатов арендиазония
17.3.2.3. Замещение на гидроксил. Диазотирование обычно проводится в водных растворах при 0 – 5оС. Но даже при этих условиях образовавшиеся соли диазония гидролизуются до фенолов. Фенолы дальше реагируют с еще не вступившими в реакцию солями диазония. Эта реакция сочетания зависит от кислотности среды. Гидролиз солей диазония обычно проводят при нагревании реакционной смеси с использованием 40 – 50% - ной серной кислоты.
Гидролиз солей диазония позволяет получить довольно сложные фенолы с хорошими выходами
17.3.2.4. Замещение на водород. Замещение диазогруппы на водород позволяет по существу удалить эту группу, а стало быть, и аминогруппу в аминах, из которых синтезируются сами соли диазония. Поэтому процесс замещения диазогруппы на водород называют дезаминированием.
Дезаминирование осуществляется путем взаимодействия соли диазония со спиртом (Грисс, 1864 год)
Спирт при дезаминировании служит донором водорода, а сам окисляутся одновременно в альдегид. Следует отметить, что реакция может осложниться замещением диазогруппы на алкоксигруппу
Хорошие результаты при дезаминировании достигаются при использовании в качестве восстановителя фосфорноватистой кислоты (Мэй, 1902 год). С тех пор были найдены и другие восстановители: формальдегид, станнит натрия, боргидрид натрия и др. Все они имеют свои особенности. Например, боргидрид натрия дезаминирует не затрагивая другие функциональные группы.
17.3.2.5. Особенности реакций замещения диазогруппы. Реакции замещения диазогруппы изучаются уже более 100 лет и установлено, что они протекают своеобразно – в зависимости от конкретных условий как гетеролитически, так и гомолитически. В первую очередь на это влияет природа нуклеофильного атакующего агента. Реакция идет гетеролитически с водой и фторид–ионом. Этому же способствуют растворители с электрофильными свойствами. В этом случае механизм замещения диазогруппы подобен мономолекулярному механизму SN1 и предполагает образование на лимитирующей стадии крайне неустойчивого фенил–катиона
Имеющиеся по гидролизу солей диазония и реакции Шимана данные подтверждают приведенный механизм. Действительно, гидролиз солей диазония имеет первый порядок по диазоний – катиону и не зависит от концентрации нуклеофила – воды. Известно также, что замена простой воды на дейтерированную воду не влияет на скорость реакции. Этого и следовало бы ожидать, поскольку нуклеофил в мономолекулярной реакции вступает в реакцию лишь в быстрой стадии.
В отличие от только что рассмотренных реакций, реакции замещения диазогруппы по Зандмейеру протекают гомолитически как одноэлектронный перенос электрона от реагента к диазоний – катиону.
В рамках предлагаемого механизма реакцию солей диазония с иодид ионом можно представить следующим образом:
Инициирование цепи
Развитие цепи
Как известно, универсальным и пока еще единственным в своем роде катализатором реакции Зандмейера является катион меди. Специфичность медного катализатора не вполне понятна. Высказано предположение, что реакция Зандмейера является гомолитическим процессом, в ходе которого образуются арильные радикалы. При этом протекают последовательные реакции окисления – восстановления, сопровождаемые одноэлектронным переносом. Медь в этих реакциях выступает и как восстанавливающий, и как окисляющий агент
17.3.2.6. Реакции без выделения азота. Важнейшим свойством солей диазония является их способность вступать в реакцию азосочетания, которая представляет собой частный случай реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду. Особенность реакций с участием солей диазония в том, что они генерируют очень слабые электрофилы, которые не могут атаковать любое ароматическое кольцо. Для этого необходимо, чтобы вступающее в реакцию с солями диазония ароматическое соединение было активировано, т.е. содержало в кольце сильный электронодонорный заместитель, например, гидроксил или диалкиламинную группу
Механизм этих реакций можно представить следующей схемой, аналогичной механизму электрофильного замещения в ароматическом ряду
Особенностью реакций азосочетания является их высокая избирательность. Реакции идут в п-положение бензольного кольца и если только оно занято – в свободное о-положение.
Продуктом реакции азосочетания являются азосоединения, содержащие в виде функциональной группы группировку атомов
-N = N-
которая называется азогруппой.
Азогруппа является хромофорной группой – сообщает азосоединениям способность поглощать свет в видимой области. По этой причине многие азосоединения являются красителями.
В качестве примера рассмотрим получение широко известных красителей метилоранжа и простейшего красителя типа «конго»
Производство азокрасителей достигло значительных масштабов. Однако оказалось, что практически все они представляют большую опасность для здоровья человека – они концерогенны. Поэтому поставлен вопрос о полном запрете их применения.
17.3.2.7. Восстановление. Еще одним примером реакций солей диазония, протекающих без выделения азота, является их восстановление. При этом в мягких условиях (солянокислый раствор хлористого олова, цинковая пыль в уксусной кислоте, сульфит натрия) получаются соли арилгидразинов (Э.Фишер, 1875 год)
17.3.2.8. Влияние на нуклеофильное ароматическое замещение. Кроме рассмотренных реакций с выделением или без выделения азота, соли диазония могут реагировать еще по одному направлению. Поскольку диазогруппа является мощной электроноакцепторной группой, она влияет на судьбу других функциональных групп, расположенных в бензольном кольце вместе с ней. Это влияние вполне объяснимо, поскольку может быть отнесено к рассмотренной уже реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения
Иногда нуклеофильное замещение протекает уже в процессе диазотирования ароматического амина
При осуществлении синтезов это обстоятельство необходимо учитывать.
Глава 18
Полициклические ароматические соединения
Наряду с органическими соединениями, содержащими в своей молекуле одно бензольное ядро, существует множество других, состоящих из двух-, трех- и более остатков бензола. Их и относят к полициклическим ароматическим соединениям. При классификации полициклических ароматических соединений учитывается не только число колец в молекуле, но и способ их соединения друг с другом. По этому признаку возможно построение молекулы из изолированных - (дифенил) или конденсированных (нафталин) бензольных колец
18.1. Ароматические соединения с изолированными бензольными кольцами
Простейшими углеводородами этого ряда является упомянутый выше дифенил и родственные ему соединения. Сюда же относятся и полифенилалканы
Для соединений рассматриваемого класса характерна обычная структурная изомерия. Однако в случае о,о’-замещенных дифенилов возможен еще один, не встречавшийся до сих пор, вид изомерии. Своим существованием новый вид изомерии обязан затрудненности или даже невозможности, в определенных случаях, поворота вокруг σ-связи. Например, в дифеновой кислоте объемистые нитро- и карбоксильная группы соседних фенилов, препятствуют свободному вращению вокруг ординарной связи. В результате появляются зеркальные изомеры без асимметрического углерода. Такой вид изомерии носит название атропоизомерии
Еще в 1922 г. Кеннер и Кристи разделили изомеры дифеновой кислоты, отличающиеся только тем, что бензольные кольца в их молекуле расположены в разных плоскостях.
При составлении названий соединений дифенилового ряда используются префиксы: ди-, тер-, кватер-, квинти и т.д. Например,
Полифенилалканы рассматриваются как замещенные алканы
(С6Н5)4С (С6Н5)3С–С(С6Н5)3
тетрафенилметан гексафенилэтан
Радикал (С6Н5)2СН· – называется бензгидрилом, а (С6Н5)3С· – тритилом.
18.1.1. Группа дифенила
Способы получения. Имеется несколько удобных методов получения соединений ряда дифенила.
Для получения самого дифенила обычно используется термическое дегидрирование бензола, сопровождающееся конденсацией двух молекул этого углеводорода (Бертло, 1867 г.)
При получении дифенила можно исходить также из ароматических галогенпроизводных. Найдено, что для этого лучше всего подходят иодпроизводные. При их нагревании с медным порошком с высоким выходом образуются дифенилы, например,
Этот синтез с участием иодпроизводных аренов и меди носит название реакции Ульмана (1903 г.). Видно, что рассматриваемая реакция, как и реакция Фиттига – это реакция Вюрца в приложении к ароматическому ряду.
Реакция Гомберга-Бахмана, заключающаяся во взаимодействии солей диазония с бензолом в щелочной среде, позволяет получать несимметричные замещенные дифенилы
Для получения функциональных производных дифенила используются различные реакции. Так, n,п’-диаминодифенил (бензидин), широко используемый в производстве красителей, получают бензидиновой перегруппировкой (Зинин) гидразосоединений
Получаемая из бензидина диазотированием соль диазония легко вступает в реакцию азосочетания с подходящим партнером с образованием соединений, которые относят к азокрасителям. Так, известный краситель – конго-красный – получают азосочетанием дифенилдиазониевой соли с нафтионовой кислотой
Химические свойства. До обсуждения химических свойств дифениловых соединений отметим, что бензольные кольца в этом соединении находятся в одной плоскости (копланарны). Хотя их заместители, даже водородные атомы, стремятся нарушить копланарность. Электроны бензольных колец взаимодействуют друг с другом, сопрягаются. Это приводит к существенному уменьшению длины σ-связи между бензольными ядрами. В дифениле эта связь имеет длину 0,148 нм, в то время как в этане связь между углеродами составляет 0,154 нм.
Соединения ряда дифенила по своим химическим свойствам повторяют свойства бензола и его производных. Они проявляют ярко выраженный ароматический характер и легко вступают в реакции электрофильного замещения. При этом одно бензольное кольцо ведет себя по отношению к другому как электронодонорный заместитель, т.е. как о-, п-ориентант. Однако о-ориентирование не может проявиться в полной мере из-за пространственных затруднений. Поэтому реакции хлорирования, нитрования и сульфирования идут как п-замещение. В этих реакциях новый электронодонорный заместитель вступает во второе кольцо также в п-положение, например,
В случае дифенилов, уже содержащих в качестве заместителя заместитель первого рода, второй заместитель входит в то же ядро в положение 3
Поскольку дифенил – это фенилзамещенный бензол и фенил в данном случае выступает как электронодонорный заместитель, то дифенил в реакциях электрофильного замещения более реакционоспособен, чем бензол. По этой причине реакция ацетилирования дифенила может быть осуществлена в среде бензола как растворителя.
Дифенил обладает высокой устойчивостью к нагреванию и окислению. Как уже было упомянуто, даже при 700 – 800оС как раз образуется, а не разрушается.
Хромовая кислота в среде уксусной кислоты с трудом окисляет дифенил в бензойную кислоту
В то же время, алкильные заместители в дифениле окисляются гораздо легче. Это позволяет, кроме получения соответствующих кислот дифенилового ряда, синтезировать и фенолы в результате процесса, напоминающего получение фенола и ацетона окислением изопропилбензола
Благодаря высокой термической и химической устойчивости дифенила он широко используется в качестве высокотемпературного теплоносителя.
В технике находят применение и хлорированные дифенилы. Однако следует отметить, что некоторые из них чрезвычайно токсичны.
Самым высокотоксичным ксенобиотиком признан 2,3,7,8-тетрахлор-р-дибензодиоксин. Если его токсичность принять за единицу, то токсичности некоторых полихлорированных дифенилов имеют следующие значения
18.1.2. Полифенилалканы
Дифенилметан. Простейшим углеводородом ряда полифенилалканов является дифенилметан. Для его получения обычно используется реакция Фриделя-Крафтса
Другим удобным способом получения дифенилметана является восстановление бензофенона, например, амальгамированным цинком в соляной кислоте
Еще один метод получения дифенилметана заключается в конденсации бензола с формальдегидом в присутствии серной кислоты
Использование в этой реакции гомологов бензола вместо бензола и других карбонильных соединений вместо формальдегида позволяет получать замещенные дифенилметаны.
Известное соединение, являющееся производным дифенилметана – кетон Михлера – получается при взаимодействии диметиланилина с фосгеном
Химические свойства. По своим химическим свойствам дифенилметан ведет себя как ароматический углеводород – бензилбензол и замещенный метан.
Как ароматический углеводород дифенилметан вступает во все реакции электрофильного замещения как бензол, содержащий электронодонорный заместитель. Например,
Как и следовало ожидать, при дальнейшем нитровании вторая нитрогруппа вступает в п- и о-положения второго кольца.
Дифенилметан, как и бензол, способен к термическому дегидрированию, который сопровождается внутримолекулярной конденсацией
В отличие от дифенила, в дифенилметане имеется еще один реакционный центр в виде метиленовой группы. Некоторые реакции дифенилметана идут с участием этой группы. Так, при действии окислителей из дифенилметана получается бензофенон, при галогенировании, например, с помощью пятихлористого фосфора – дифенилхлорметан
Трифенилметан. Соединения этого ряда не просто очередная группа органических соединений. Сам трифенилметан сыграл важную роль в утверждении теории радикальных реакций, поскольку трифенилметильный радикал оказался первым известным стабильным радикалом (Гомберг, 1900 г.). Работы Гомберга убедили химиков в существовании радикалов задолго до опытов Панета и появления физико-химических методов (ЭПР) их изучения. Кроме того, производные трифенилметана составляют основу трифенилметановых красителей.
Получение трифенилметана основано на использовании реакции Фриделя-Крафтса
Трифенилкарбинол – производное трифенилметана, может быть получено реакцией бензофенона с фенилмагнийбромидом
Синтез трифенилметановых производных может быть осуществлен конденсацией бензальдегида с фенолами и третичными ароматическими аминами
Химические свойства. В трифенилметане влияние трех бензольных колец на метиновый водород таково, что он становится более подвижным, кислым. Это находит свое отражение как в усилении кислотных свойств трифенилметана, так и в уменьшении энергии диссоциации между метиновым углеродом и водородом. У толуола энергия диссоциации (кДж/моль) составляет 355,48, а у трифенилметана – только 314,44. Кислотности соответственно (Ка) 10-35 и 10-33.
Благодаря ослаблению С-Н-связи и усилению кислотных свойств, трифенилметан удивительным образом способен как к гетеролитическому, так и гомолитическому разрыву этой связи с образованием трифенилметильных аниона, катиона и радикала. Вот некоторые примеры
Наблюдаемый результат – это ослабление С-Н–связи в метиновой группе трифенилметана из-за влияния фенильных групп. Они могут влиять подобным образом, если только обладают электроноакцепторными свойствами. Интересно отметить, что в случае дифенила фенил, как уже об этом говорилось, выступает как донор электронов.
Хотя кислотность трифенилметана незначительна, однако он достаточно легко протонируется и под действием сильных оснований замещает свой протон на металл
Трифенилметилнатрий можно получить также под действием амальгамы натрия на углеводород в эфирном растворе.
Установлено, что трифенилметилнатрий ионно построенное соединение, в эфирном растворе проявляющее электропроводность.
Существование в составе трифенилметилнатрия и калия аниона трифенилметила объясняется стабилизацией аниона в результате рассредоточения отрицательного заряда с участием трех бензольных колец. Для примера укажем делокализацию электронов лишь с участием одного бензольного ядра
Понятно, что если бы в о- и п-положениях бензольного кольца находились электроноакцепторные заместители, то это привело бы к еще большей делокализации электронов и с участием уже и акцепторов электронов. Причем, этот путь стабилизации оказался бы более эффективным, чем стабилизация просто с участием бензольных колец.
В жидком SO2 трифенилметан электролитически диссоциирует с образованием трифенилметильного катиона, который, как и анион этого углеводорода, стабилизирован с участием трех бензольных колец
Делокализация положительного заряда в трифенилметил-катионе с участием бензольных колец происходит следующим образом (для примера покажем стабилизацию лишь с участием одного бензольного кольца)
Электронодонорные заместители в о- и п-положениях трех бензольных колец еще более стабилизируют катион. Так, содержащий три диметиламиногруппы в указанных положениях (п-диметиламинофенил)-хлорметан образует в водном растворе устойчивый катион
В этом катионе положительный заряд делокализован на трех атомах азота.
В 1900 г. Гомберг опубликовал результаты своих исследований по синтезу сполна фенилзамещенного этана с использованием реакции Вюрца
Однако, вместо гексафенилэтана, Гомберг получил какое-то вещество, которое при взаимодействии с кислородом воздуха или иодом с необыкновенной легкостью образовывал соответствующие производные. В своей публикации Гомберг отметил, что «экспериментальные данные, описанные выше, привели меня к выводу, что в данном случае мы имеем дело со свободным радикалом, трифенилметилом (С6Н5)3С »
Гексаметилэтан, образовавшийся в результате рекомбинации двух трифенилметильных радикалов, находится в равновесии с гексафенилэтаном
Этот радикал легко связывается даже при 0оС кислородом воздуха и иодом
Смещение положения равновесия между углеводородом и радикалом в сторону трифенилметилового радикала объясняется двумя обстоятельствами.
С одной стороны, связь между этановыми углеродами в углеводороде, «раздираемая» шестью фенилами, значительно ослаблена. Эта связь имеет энергию диссоциации всего 46,06 кДж/моль и длину связи – 0,158 нм. Для сравнения в этане энергия связи составляет 347,52 кДж/моль, а длина связи 0,154 нм. При обсуждении рассматриваемого равновесия надо иметь в виду также стерическое препятствие сближению и установлению связи между радикалами.
С другой стороны, трифенилметильный радикал отличается значительной устойчивостью из-за возможности эффективной делокализации неспаренного электрона с участием трех бензольных колец
Ради точности необходимо отметить, что продукт рекомбинации двух трифенилметильных радикалов имеет строение не гексафенилэтана, а является 4-трифенилметил-1-дифенилметиленциклогексадиеном-2,5
Впрочем, для опытов Гомберга, впервые приведших к стабильному радикалу, это значения не имело.
Трифенилметильные соединения широко используются в качестве красителей. Как пример можно привести фенолфталеин. Этот краситель используется также в качестве весьма распространенного индикатора
Получение другого общеизвестного красителя – малахитового зеленого – заключается в конденсации бензальдегида и диметиланилина с получением бесцветного лейкооснования, который при окислении дает карбинол. Спирт при обработке кислотой превращается в окрашенную соль
18.2. Ароматические соединения с конденсированными бензольными ядрами
Ароматические соединения, в молекуле которых бензольные кольца имеют два общих атома углерода, называются конденсированными. Примерами таких углеводородов могут служить следующие соединения этого ряда
За этими соединениями, а также некоторыми другими, по систематической номенклатуре сохранены их тривиальные названия.
В нафталине положения 1, 4, 5, 8 обозначаются символом α, а остальные - β.
Одновалентные радикалы нафталина носят название α- и β-нафтилов.
В дизамещенных нафталинах заместители в 1 и 2 – положениях получили обозначение орто, в 1 и 3 – мета, в 1 и 4 – пара, в 1 и 8 – пери, в 2 и 6 – амфи.
18.2.1. Нафталин
Легкокристаллизирующийся нафталин (т.пл. 80оС) был выделен из каменноугольной смолы раньше бензола, еще в 1819 г. Гарденом. Содержание нафталина в этом источнике достигает 6% и он не потерял своего значения до наших дней. Состав нафталина был определен в 1838 г. Воскресенским, а строение установлено в 1866 г. Эрленмейером и Гребе. Приписываемое нафталину строение – два конденсированных бензольных кольца – подтверждено многочисленными синтезами и результатами физико-химических методов исследований. Однако метод доказательства, использованный Эрленмейером и Гребе, имеет познавательное значение. Поэтому он вполне заслуживает упоминания.
Эрленмейеру и Гребе было известно, что нафталин и α-нафтиламин при окислении образуют о-фталевый ангидрид, а α-нитронафталин – о-нитрофталевый ангидрид
Этих данных оказалось вполне достаточно, чтобы убедиться, что оба кольца в нафталине бензольные, равноценные и связаны они в двух точках.
Строение нафталина. По современным представлениям нафталин представляет собой систему из двух бензольных колец, в которой все углероды sp2-гибридизованы и лежат в одной плоскости. В отличие от бензола, у которого все связи между углеродами имеют одинаковую длину, в нафталине он отличаются друг от друга
То, что в нафталине связи имеют различную длину и кольца не симметричны, свидетельствует о неравномерном характере распределения электронной плотности в молекуле.
Нафталин подчиняется правилу Хюккеля для ароматических систем - 4n + 2 при n=2 и содержит 10π-электронов.
Хотя нафталин и проявляет ароматический характер, однако он выражен в меньшей степени, чем у бензола. Как известно, бензол термодинамически более выгоден, чем гипотетический циклогексатриен на величину 150,73 кДж/моль. Можно было бы ожидать, что для нафталина, состоящего из двух бензольных колец, энергия резонанса составит величину 150,73 х2=301,46 кДж/моль. Однако резонансная энергия нафталина всего лишь 255,41 кДж/моль.
Таким образом, нафталин – ароматическая система, которая, однако, менее ароматична, чем бензол.
Не все свойства нафталина могут быть объяснены исходя из формул
Для объяснения некоторых реакций нафталина, в которые он вступает вопреки вышеприведенным формулам, изобразим его в виде резонансных структур
Из рассмотрения этих канонических формул видно, что в двух случаях из трех – II и III – на одно из колец приходится лишь две π-связи. Отсюда следует, что нафталин, с учетом вклада этих структур в резонансный гибрид, может рассматриваться как сочетание бензольного кольца с 1,3-диеновой системой. С учетом этого обстоятельства предлагалось молекулу нафталина изображать как систему, состоящую из бензола и диена
При таком подходе к строению нафталина становятся объяснимыми такие его свойства как склонность к вступлению в реакции 1,4-присоединения
Удалось осуществить с нафталином за счет его 1,3-диеновой составляющей и такую классическую реакцию как реакция Дильса-Альдера. Правда, для этого пришлось использовать сильные диенофилы в жестких условиях (более 150оС)
Способы получения. Нафталин образуется при пропускании ацетилена или же ацетилена и бензола над древесным углем при 400оС
Также как и в случае бензола, нафталиновые углеводороды могут быть получены реакцией дегидроциклизации исходя из подходящих алкилбензолов (Pt, 300оС)
Для получения нафталина можно использовать и реакцию диенового синтеза с участием диенов и бензохинона в качестве диенофила
Наиболее универсальным синтезом нафталиновых соединений является, пожалуй, метод Хеуорса, представляющий собой сочетание реакций ацилирования, восстановления оксо-групп по Клеменсену и ароматизацию тетралина дегидрированием
Синтез Хеуорса предоставляет широкие возможности для его модификации:
- при использовании замещенных бензолов заместитель в нафталине оказывается в β-положении;
- при помощи магнийорганического синтеза с участием оксо-групп β-бензоилпропионовой кислоты и тетралона в нафталиновое кольцо можно ввести одинаковые или различные заместители;
- при использовании замещенных янтарных ангидридов появляется возможность получения 2,3-дизамещенных нафталинов.
Химические свойства. Как уже отмечалось, нафталин – ароматическое соединение. Он вступает в реакции замещения, присоединения и восстановления – окисления.
В реакциях электрофильного замещения нафталин активнее бензола. Следует только отметить, что речь идет об одном из бензольных колец – первом. Для нарушения его ароматичности требуется лишь 104,68 кДж/моль, а оставшееся кольцо реагирует уже как обычное соединение моноароматического ряда. В этом случае для нарушения ароматичности требуется уже 150,73 кДж/моль.
В отличие от бензола, у нафталина два неравноценных положения α- и β. Поэтому электрофил в общем случае мог бы занять любое из них
Однако оказалось, что в реакциях электрофильного замещения с участием нафталина более привлекательным является α-положение. Происходит это потому, что σ-комплекс с α-положением заместителя I оказывается более стабильным, чем другой возможный σ-комплекс II. Это хорошо видно, если эти комплексы изобразить, воспользовавшись теорией резонанса
При α-замещении σ-комплекс, представляющий собой резонансный гибрид структур III, IV и V, включает в себя две неустойчивые канонические структуры с сохранением одного бензольного кольца – III и IV. В то же время σ-комплекс, образовавшийся при β-замещении включает лишь одну стабильную предельную структуру с сохранением бензольного кольца - VI. Это обстоятельство и обуславливает большую устойчивость I по сравнению с II. Считают, что I энергетически на 41,87 кДж/моль более выгодна, чем II.
Рассмотрим теперь конкретные реакции электрофильного замещения в нафталиновом ряду.
Нитрование и галогенирование. Нафталин нитруется и галогенируется в α-положение. Реакции идут настолько легко, что, например, галогенирование протекает даже без участия катализатора
Через галоген- и нитро-производные открываются возможности для синтеза многих производных нафталина через амины и диазосоединения, а также через магнийорганические соединения.
Ацилирование. Нафталин под действием ацилирующих агентов в присутствии хлорида алюминия ацилируется. При этом место вступления остатка кислоты зависит от растворителя: в сероуглероде, тетрахлорэтане имеет место α-замещение, а в нитробензоле – в β-положение нафталиновой системы
Предполагается, что нитробензол образует как с хлористым ацетилом, так и хлоридом алюминия, комплексы, для которых α-положение нафталина менее доступно по пространственным соображениям.
Сульфирование. Результаты сульфирования нафталина зависят от температуры, при которой проводится реакция. При повышенной температуре (160оС) основным продуктом реакции является β-нафталинсульфокислота, а при более низкой температуре - α-изомер
Интересно при этом, что при нагревании до 1600С α-изомер превращается в β-изомер.
Эти факты можно объяснить тем, что при более низких температурах сульфирования накопление продуктов реакции происходит в соответствии с относительными скоростями образования изомерных кислот. Уже отмечалось, что α-положение нафталина более подвержено электрофильной атаке, т.к. в этом случае реакция идет через более стабильный σ-комплекс (кинетический контроль). При повышенных температурах накопление продуктов идет в соответствии с термодинамическими устойчивостями изомеров – здесь преимущество за β-изомером нафталинсульфокислоты (термодинамический контроль).
В случае участия в реакциях электрофильного замещения производных нафталина, место вступления нового заместителя диктуется имеющимся заместителем.
При этом электронодонорные заместители способствуют реакции и новый заместитель направляют в α-положение того же кольца
В то же кольцо вступает новый заместитель и в том случае, если в замещенном нафталине электронодонорный заместитель находится в β-положении
Электроноакцепторный заместитель в нафталине новый заместитель направляет в незамещенное кольцо в положения 5 и 8
Электроноакцепторный заместитель в нафталине в β-положении затрудняет реакцию и новый заместитель направляет в незамещенное кольцо в положения 5 и 8
Кроме рассмотренных реакций, нафталин способен к окислению и восстановлению.
Восстанавливается нафталин легче, чем бензол, даже атомарным водородом. При этом в зависимости от температуры реакции, восстановление идет в положения 1 и 4 или 1, 2, 3 и 4
При каталитическом гидрировании нафталин вначале образует тетралин, который далее может, при более жестких условиях, превратиться в декалин
Интересно отметить, что декалин существует в виде цис- и транс-изомеров. В цис-изомере водороды у общих для двух циклогексановых колец углеродов расположены в цис-положении, а у транс-изомера – в транс-положении
В зависимости от условий проведения реакции, окисление нафталина приводит к различным кислоросодержащим продуктам. При окислении оксидом хрома в среде уксусной кислоты при комнатной температуре продуктом реакции оказывается нафтахинон, а окисление бихроматом калия направляется на боковую алкильную цепь
Нафталин окисляется легче, чем бензол. Это позволяет окислить одно бензольное кольцо нафталина, сохранив другое
На этом основано получение о-фталевого ангидрида в промышленных масштабах.
18.2.2. Антрацен и фенантрен
Антрацен и фенантрен являются изомерами и отличаются лишь способом соединения трех бензольных колец между собой
Все бензольные кольца в молекулах обоих изомеров расположены в одной плоскости. Каждый из 14 углеродов антрацена и фенантрена sp2-гибридизованы. р-Электроны этих углеродов взаимно перекрываются, образуя π-электронные облака над и под плоскостью молекулы. Резонансная энергия у антрацена (351,17 кДж/моль) ниже, чем у фенантрена (385,20 кДж/моль).
Антрацен и фенантрен соответствуют правилу Хюккеля для ароматических систем 4n+2 при n=3. Судя по длинам связей в антрацене, распределение электронной плотности в его молекуле неравномерное
Таким образом, антрацен и фенантрен являются ароматическими системами и обладают ароматическим характером, однако менее выраженным, чем в случае бензола и нафталина. Они вступают в реакции присоединения и замещения по положениям 9 и 10. Это объясняется тем, что при таком направлении атаки реагентов в промежуточных и конечных продуктах сохраняется два бензольных кольца. Во всех других случаях незатронутой остается лишь одно бензольное кольцо. Это обстоятельство и определяет направление реакции.
Для получения антрацена и фенантрена используют реакции циклизации, например,
Восстановлением антрахинона можно было бы получить сам антрацен. Однако часто в этом нет необходимости, т.к. антрахинон – более ценный исходный продукт в различных синтезах, чем сам углеводород.
При получении антрацена и фенантрена можно использовать и метод Хеуорса. Покажем это на примере синтеза фенантрена
При взаимодействии нафталина и янтарного ангидрида ацилирование может идти и по β-положению. Однако продукт этого направления реакции -β-(2-нафтоил)-пропионовая кислота – в результате приведенной выше цепочки превращений также дает фенантрен.
Химические свойства. В соответствии со строением антрацен и фенантрен проявляют ароматический характер и вступают в реакции замещения и присоединения с участием 9- и 10-положений.
В отличие от бензола и нафталина антрацен и фенантрен восстанавливаются атомарным водородом. Также легко они окисляются до соответствующих хинонов
Аналогично идут реакции и с участием фенантрена.
В случае участия в реакциях электрофильного замещения антрацена и фенантрена вначале образуются соответствующие карбокатионы, которые стабилизируются либо, отдав протон основанию (замещение), либо присоединив само основание (присоединение)
Реакции замещения с участием антрацена и фенантрена приводят к сложной и трудноразделимой смеси производных. Поэтому они не имеют пока какой-то синтетической ценности. Тем более, что многие практически важные представители производных рассматриваемых полициклов могут быть получены не из них, а в ходе их синтеза.
Антрацен и фенантрен и их производные имеют важные области применения, особенно в качестве красителей. Как общеизвестный пример приведем синтез одного из антрахиноновых красителей – ализарина. Этот краситель с давних времен добывался из природного источника – корня растения марены (краппа).
В 1868 г. Гребе и Либерман установили строение ализарина и осуществили его синтез по следующей схеме
Далее антрахинон сульфировался серной кислотой, укрепленной олеумом, во второе положение антрахинона. Полученная антрахинон-2-сульфокислота подвергалась реакции щелочного плава в присутствии окислителя (KNO3)
Ализарин, как и большинство антрахиноновых красителей, относится к протравным красителям. При этом способе крашения ткань предварительно обрабатывают раствором соли (соли алюминия, железа, хрома, меди, титана), а затем красителем. На ткани образуется нерастворимая комплексная соль (лак), цвет которого зависит от использованной соли
Канцерогенные углеводороды. Многие полициклические ароматические углеводороды проявляют канцерогенные свойства. Само это явление было обнаружено в 1915 г. Ямагива и Ишикава.
Было замечено, что рабочие, соприкасавшиеся с каменноугольной смолой, часто заболевают раком кожи. Ямагива и Ишикава прикладывали смолу к коже крыс и вызвали у них рак кожи. В 1933 г. из каменноугольной смолы Кук, Хьюетт и Хигеч выделили 1,2-бензпирен – вызывавший рак кожи. Одним из сильных канцерогенов является 1,2-бензантрацен, однако эталоном канцерогенной активности был выбран 3,4-бензпирен или бенз-(а)-пирен, что одно и то же
ГЛАВА 11
Гетероциклические соединения
Гетероциклическими соединениями называются соединения, циклическая молекула которых включает в себя не только углеродные атомы, но и атомы других элементов. Очевидно, что гетероатом должен быть хотя бы двухвалентным. Чаще всего в качестве гетероатома выступает азот, кислород и сера. Молекула гетероциклического соединения может иметь в цикле несколько одинаковых или разных атомов. Исключительное многообразие и большое число гетероциклических соединений объясняется также и тем, что их молекула может состоять из колец различной величины и включать несколько колец.
В рамках общего курса органической химии обычно рассматриваются лишь такие гетероциклические классы, которые по строению и свойствам похожи на ароматические соединения. Это может создать ложное представление, что гетероциклические соединения бывают только ароматического характера. Это, конечно, не так. Полагают, что из общего числа органических соединений, известных на сегодня, более 70% принадлежат к гетероциклическим соединениям. Среди них встречаются соединения, действительно обладающие ароматическим характером, точно также, как и напоминающие по своим свойствам соединения алифатического ряда. Этим обусловлен выбор рассматриваемых классов гетероциклов в данной книге – они часто встречаются, имеют важные практические приложения и демонстрируют разнообразие свойств. Вместе с тем следует отметить, что изучение некоторых, произвольно выбранных, гетероциклов лишь в одной главе книги неизбежно будет носить поверхностный характер. Для более полного изучения гетероциклических соединений следует обращаться к монографической литературе.
11.1. α–Окиси олефинов
Для α-окисей характерно присутствие в их молекуле группировки из двух углеродных и одного кислородного атомов
Соединения, содержащие α-окисное кольцо называют также эпокисями или оксиранами.
Эпокиси рассматривают обычно как циклические окиси алкенов
Для обозначения атома кислорода, связанного с углеродами, используется префикс эпокси
Методы получения. Окисление алкенов надкислотами с использованием целого ряда углеводородов было осуществлено Прилежаевым
Чаще всего в качестве окислителя используется гидроперекись бензоила, хотя могут быть применены и другие надкислоты.
Легкость окисления по Прилежаеву зависит от числа и характера заместителей, находящихся у углеродов, связанных двойной связью. По этим признакам реакционная способность алкенов уменьшается в следующем ряду
R2С=СR2 › R2С=СНR › R2С=СН2 › RСН=СНR › RСН=СН2
У тетразамещенных алкенов скорость окисления настолько велика, что не удается измерить ее скорость.
Для промышленного получения простейших эпокисей более удобным оказалось каталитическое окисление алкенов кислородом воздуха. Наилучшим катализатором проявило себя серебро. Температура окисления лежит в пределах 400-450оС.
Наряду с получением α-окисей окислением, применяется и другой метод, заключающийся в дегидрохлорировании галогенгидринов под действием щелочи. Кстати, именно таким методом впервые была получена окись этилена Вюрцем в 1859 г.
Интересно отметить, что реакция дегидрохлорирования идет как внутримолекулярное нуклеофильное замещение, протекающее по SN2-механизму
Химические свойства. Химические свойства эпоксидов определяются их строением. Эпокисное кольцо такое же напряженное, что и циклопропановое кольцо. В реакциях с электрофильными и нуклеофильными реагентами кольцо гетероцикла раскрывается и по месту освободившихся валентностей присоединяются элементы реагента.
Раскрытие кольца возможно в двух направлениях: либо по связи О-С1, либо по связи О-С2. В случае несимметричных α-окисей порядок раскрытия кольца зависит от условий проведения реакции. Так, в зависимости от использованного катализатора окись изобутилена дает первичные или третичные спирты
В случае кислого катализатора реакция идет через более стабильный карбокатион
Щелочные катализаторы активируют реагент
Образующийся при этом алкокси-анион энергично атакует менее экранированный и более доступный углерод эпокиси
На примере реакции кислотного гидролиза эпоксидов можно видеть, что она идет как транс-присоединение
Рассмотрим конкретные реакции оксиранов, в которые они вступают и на использовании которых основано получение практически важных продуктов.
Гидролиз. При кислотно-катализируемом присоединении воды к оксирану образуются виц-диолы
Один из них – этиленгликоль – широко применяется при получении антифризов - низкозамерзающих охлаждающих жидкостей для автомобильных двигателей. Кроме того, этиленгликоль при соконденсации с терефталевой кислотой дает ценный полимер полиэфирного типа – лавсан (терилен).
Присоединение кислот. В результате присоединения к эпокисям минеральных и карбоновых кислот в безводной среде образуются бифункциональные соединения
Присоединение спиртов и фенолов. Эпокиси, в частности окись этилена, легко присоединяют спирты. Поскольку продукты этой реакции – моно- и диэфиры этиленгликоля и диэтиленгликоля – широко применяются в качестве растворителей, рассмотрим их подробнее.
Взаимодействием окиси этилена и спиртов можно получить лишь моноэфиры. Для синтеза диэфиров приходится моноэфир алкилировать, например, с помощью диметилсульфата
По указанной схеме получают:
Окись этилена легко конденсируется с фенолом
Такие эфиры, особенно содержащие в бензольном кольце алкильные радикалы, используются как поверхностно-активные вещества.
Присоединение аммиака и аминов. При присоединении к окиси этилена аммиака и аминов получаются аминоспирты – соединения, содержащие гидрокси- и аминогруппы
Присоединение аммиака и аминов к эпоксидам происходит таким образом, что аминогруппа связывается с более гидрогенизированным атомом углерода (правило Красусского)
Этаноламины широко применяются для очистки газов от кислых компонентов (СО2, Н2S), с которыми они образуют легко генерируемые комплексы.
Изомеризация. Окись этилена термически (300-400оС) или термокаталитически (150-300оС) изомеризуется в ацетальдегид
В качестве катализатора чаще всего используется оксид алюминия, фосфорная кислота и др.
11.2. Гетероциклические ароматические соединения
Имеется целый ряд гетероциклических соединений, которые проявляют ароматический характер. Они отличаются гетероатомами, их числом, а также числом и размером колец. Наиболее характерная особенность их молекул в том, что они соответствуют тем требованиям, которые предъявляются к ароматическим системам. Они имеют плоское, циклическое строение с сопряженной системой кратных связей. У таких гетероциклов хюккелевское число π-электронов (4n+2). В формировании ароматического секстета электронов участвуют как р-электроны углеродных атомов, так и один или два электрона гетероатома. Классическими примерами таких ароматических гетероциклических соединений являются пиррол, фуран, тиофен, пиридин.
11.2.1. Фуран
Фуран представляет собой пятичленное гетероциклическое соединение с одним гетероатомом, в качестве которого выступает кислород
Радикал С4Н3О - называется фурил, а С4Н3О-СН2 - фурфурил
Способы получения. Дегидратация 1,4-дикарбониьных соединений – один из наиболее общих методов получения фурана и его производных. При этом дегидратации под действием водуотнимающих средств (Р2О5, СН3СОСl
и др.) подвергается не само дикарбонильное соединение, а его енольная форма
Давно уже известен и другой метод получения фурановых соединений. Исходным продуктом в этом случае являются альдогексозы. Их окисление азотной кислотой ведет к двухосновным карбоновым кислотам (слизевым кислотам), декарбоксилирование которых при одновременной дегидратации дает пирослизевую кислоту. Декарбоксилированием этой кислоты получают фуран
При нагревании с разбавленной серной кислотой богатых пентозанами продуктов сельского хозяйства (отруби, шелуха подсолнечника, кукурузные кочерыжки) получается фурфурол (Деберейнер, 1832 г.) – альдегид фуранового ряда. Латинское название фурфурола (лат. furfur – “отруби”) положило начало для названия всего фуранового ряда. Из-за доступности фурфурола актуальной стала разработка методов декарбонилирования этого альдегида
Декарбонилирование происходит при пропускании паров фурфурола над натронной известью (СаО + NaOH) при 350оС или над сложным катализатором, состоящим из оксидов цинка, марганца и хрома.
Для получения гидрированного фурана удобен метод внутримолекулярной дегидратации 1,4-бутандиола
Химические свойства. Молекула фурана представляет собой плоский пятиугольник, образованный sp2-гибридизованными углеродными атомами и гетероатомом. Оставшиеся вне гибридизации р-электроны углеродов, вместе с парой электронов гетероатома, взаимно перекрываются и образуют делокализованную ароматическую систему р-электронов. Степень и равномерность перекрывания орбиталей в случае фурана меньше, чем у бензола. Об этом можно судить по длинам связей в фуране (А), а также по энергии стабилизации, которая в случае фурана около 83,74 кДж/моль
В соответствии со своим строением фуран проявляет ароматический характер, хотя и в меньшей степени, чем бензол. Он вступает в реакции электрофильного замещения. В реакциях присоединения ведет себя подобно алифатическим диенам. В отличие от бензола фуран способен вступать в химические реакции с раскрытием кольца. Картину направлений превращений фурана дополняет неочевидная способность гетероцикла к обмену гетероатома.
Считается, что фуран относится к π-электроноизбыточным системам, поскольку его секстет электронов приходится только на пять атомов кольца, а в случае бензола – на шесть.
Фуран является ацидофобным соединением. Под действием кислот он полимеризуется и осмоляется. Предполагалось, что это происходит в силу протонизации гетероцикла по гетероатому. При этом из ароматического сопряжения выводится пара электронов и соединение теряет ароматический характер, становится просто диеновой системой. Протонированный гетероцикл теряет энергию резонанса и как диен легко полимеризуется.
Однако протонирование по гетероатому маловероятно именно потому, что при этом теряется энергия сопряжения. В подтверждение этой мысли нужно отметить, что фуран не проявляет сколько-нибудь заметной основности. Если фуран и способен связать протон, то он делает это не с участием гетероатома, а углерода гетероатома. Далее имеет место реакция между протонированным фураном и самим гетероциклом
Реакции электрофильного замещения
Фуран легко вступает в реакции электрофильного замещения, легче, чем бензол. По сравнению с другими рассматриваемыми в данной главе гетероциклами – пирролом и тиофеном, фуран наименее ароматичен. Это объясняется тем, что этот гетероцикл включает в кольцо наиболее электроотрицательный атом кислороды по сравнению с пирролом и тиофеном. По этой причине кислород труднее отдает свою свободную электронную пару на образование ароматического секстета. Попутно отметим, что охотнее всего электроны для этой цели поставляет атом серы, поэтому наиболее ароматичным оказывается тиофен, а пиррол занимает промежуточное положение.
Не все положения в фурановом кольце равнозначны – α-положения богаче электронной плотностью и предпочтительны для электрофильной атаки
Поэтому в результате реакций электрофильного замещения с участием фурана преимущественно образуются α-замещенные фураны. Интересно, если в этих реакциях участвуют фураны с занятыми α-положениями, то реакция идет по β-положениям, т.е. фуран менее разборчив к месту вступления нового заместителя в кольцо.
Галогенирование. Галогенирование фурана проходит даже при низкой температуре, но в начале как реакция 1,4-присоединения. Образующиеся продукты легко дегидрогалогенируются с образованием 2-замещенных фуранов
Нитрование. Нитровать фуран азотной кислотой или нитрующей смесью не удается. Под действием кислот фурановое кольцо разрушается. Однако удалось найти реагент, позволяющий успешно вводить в гетероциклическое кольцо нитрогруппу. Это ацетилнитрат (реагент Терентьева) – смешанный ангидрид уксусной – и азотной кислот
Под действием ацетилнитрата нитрование фурана идет следующим образом
При низкой температуре (-10оС) промежуточный продукт присоединения удается даже выделить, но уже при +5оС реакция идет дальше – до 2-нитрофурана, получающегося с высоким выходом.
Рассматриваемая реакция используется при синтезе одного из эффективных бактерицидных препаратов – фурацилина
Сульфирование. При сульфировании фурана мягкодействующим сульфирующим агентом – пиридинсульфотриоксидом – с высоким выходом получается фуран-2-сульфокислота (Терентьев, 1947 г.)
Ацилирование. Фуран ацилируется обычными ацилирующими средствами достаточно легко. О его высокой реакционной способности говорит тот факт, что реакцию можно проводить в растворе бензола, который при этом в реакцию не вступает. В реакции ацилирования фурановых соединений используются обычно ангидриды кислот, а в качестве конденсирующих агентов такие мягко действующие вещества как хлористый цинк, хлористое или хлорное олово и др., но не слишком активный в этой реакции хлорид алюминия. Продуктами реакции являются 2-ацилзамещенные фураны
Хотя фуран и может алкилироваться, однако, эта реакция пока не находит применения в органическом синтезе, т.к. в условиях реакции фуран полимеризуется, осмоляется и полиалкилируется.
Реакции присоединения
Как ненасыщенное соединение, причем содержащее систему сопряженных двойных связей, фуран вступает в реакции присоединения. Эта склонность у фурана выражена даже в большей степени, чем у пиррола и тиофена. Уже отмечалось, что даже реакции замещения во многих случаях идут у фурана вначале как реакции 1,4-присоединения.
В зависимости от применяемого катализатора в результате гидрирования фурана могут быть получены различные соединения. Например, в присутствии палладия фуран превращается в тетрагидрофуран
Тот же результат достигается и при применении никелевого или платинового катализаторов при 100-150оС и давлении 100 атм.
При более жестких условиях гидрирование сопровождается раскрытием кольца – происходит гидрогенолиз фурана.
Тетрагидрофуран – один из важнейших производных фурана, который является ценным растворителем, используется при получении адипиновой кислоты, дивинила и др. Отметим также, что циклические углеводы существуют в том числе в фуранозной форме.
Другой характерной реакцией присоединения фурана является реакция Дильса-Альдера с его участием. В результате реакции диенового синтеза фурана с классическим диенофилом – малеиновым ангидридом получается соответствующий аддукт
Активированная диеновая система фурана, т.е. содержащая электронодонорные заместители, реагирует и с другими диенофилами: акролеином, метилакрилатом, эфиром ацетилендикарбоновой кислоты и др.
Обмен гетероатома
Неожиданное направление превращения фурана и других пятичленных гетероциклов пиррола и тиофена – реакция обмена гетероатома. Юрьев (1936 г.) установил, что упомянутые гетероциклы и их гидрированные аналоги при пропускании их паров над оксидом алюминия при 400-450оС реагируют с Н2О, Н2S и NН3 и обменивают свой гетероатом
Не все указанные реакции идут гладко и с хорошими выходами. Лучшие результаты получены в реакции с участием фурана.
Раскрытие кольца
Несмотря на ароматический характер, фурановое кольцо не обладает той устойчивостью, которая присуща бензолу. Под действием минеральных кислот кольцо фурана раскрывается. При этом теряется ароматичность, идут реакции полимеризации и осмоления. При этом из продуктов реакции трудно, а чаще всего невозможно, выделить какие-нибудь индивидуальные соединения. Так, фуран с концентрированной соляной кислотой реагирует со взрывом. Тем не менее, иногда удается подобрать условия, позволяющие осуществить раскрытие фуранового кольца с образованием определенных соединений. Описаны примеры размыкания фуранового кольца с участием фуранкарбоновых кислот и нитрофуранов. Из фурана при взаимодействии его с метиловым спиртом, насыщенным НСl, получен ацеталь янтарного диальдегида
Предполагается, что реакция идет с протонированием кислорода фурана. При этом фуран лишается ароматичности и становится возможным присоединение спирта по кратным связям
Дальше происходит стабилизация образовавшегося карбокатиона с участием еще одной молекулы спирта. Реакция завершается алкилированием промежуточного спиртоэфира
Окисление. Фуран при окислении кислородом воздуха при 320оС с использованием пятиокиси ванадия образует малеиновый ангидрид
Превращения функциональных производных
Наряду с уже рассмотренными превращениями, связанными с присутствием в молекуле фурана кольца, для этой группы соединений известны также реакции с участием различных функциональных групп. Правда, не все замещенные фураны устойчивы. Устойчивы, в основном, фураны с электроноакцепторными заместителями.
Химические свойства замещенных фуранов являются ожидаемыми. Рассмотрим, для примера, превращения фуранового альдегида – фурфурола.
Этот альдегид гетероциклического ряда вступает в обычные реакции, характерные для альдегидов, например, в реакции Канницаро и конденсацию бензоинового типа
Известен целый ряд соединений, состоящих из нескольких колец, одним из которых является фурановое кольцо. К ним относятся, в том числе, бензфуран (кумарон) и дибензофуран
Эти соединения содержатся в каменноугольной смоле и могут быть получены синтетически. Например, дибензофуран легко получается при термическом дегидрировании дифенилового эфира
Кроме чисто термических процессов, к дибензофуранам ведет также высокотемпературное окисление дифенилов. Так, образование хлорированных дибензофуранов происходит при нагревании хлорированных дифенилов с участием кислорода при 500-750оС
Обсуждение методов получения хлорированных дибензофуранов связано с тем, что их некоторые представители, содержащие атомы хлора в 2,3,7,8-положениях, относятся к наиболее ядовитым суперэкотоксикантам и лишь немногим уступают хлорированным диоксинам. Из изложенного выше видно, что они легко могут образоваться в процессах получения, использования и утилизации полихлорированных дифенилов и дифениловых эфиров.
11.2.2. Пиррол
Пиррол был найден в каменноугольной смоле и в костном масле – продукте сухой перегонки обезжиренных костей (Рунге, 1834 г.). Свое название получил по способности окрашивать в красный цвет (pyrrol – красное масло) сосновую лучинку, смоченную соляной кислотой. Строение пиррола установлено Байером в 1870 г.
Пиррольное кольцо, как структурный фрагмент, входит в молекулу органических соединений, имеющих исключительно важное биологическое значение: аминокислот и белков, алкалоидов, хлорофиллов, гемина крови, витамина В12 и многих других.
Способы получения. Как и фуран, пиррол можно получить дегидратацией 1,4-дикарбонильных соединений с участием аммиака
Другой удобный способ получения пиррола - пиролиз аммониевой соли слизевой кислоты
Перегонка с цинковой пылью имида янтарной кислоты (сукцинимида) в енольной форме, структурно близкого пирролу соединения, также ведет к пирролу
Еще одним удобным методом получения пиррола и N-алкилзамещенных пирролов является дегидратация 1,4-бутиндиола пропусканием его паров с аммиаком или аминами при 300оС над катализатором, состоящим из оксидов алюминия и тория
Исходный диол легко получается конденсацией ацетилена с двумя молекулами формальдегида.
Химические свойства. По своему строению пиррол представляет собой плоское пятичленное кольцо. Находящиеся вне гибридизации электроны четырех углеродных атомов и два электрона гетероатома образуют в пирроле общее электронное облако. Энергия резонанса пиррола составляет 100,49 кДж/моль. Судя по длинам связей в пирроле, электронное облако в этом гетероцикле распределено неравномерно
Связь С2–С3 несколько длиннее двойной связи, а связь С3-С4 существенно короче ординарной связи.
В соответствии со строением, пиррол проявляет ароматический характер, вступает в реакции присоединения, обладает кислотно-основными свойствами.
Реакции замещения
По способности вступления в реакции электрофильного замещения пиррол напоминает фенол и анилин. Атомы углерода в пирроле α-электроноизбыточны. Если в бензоле на каждый атом кольца приходится один электрон, то в случае пиррола - больше, причем, электронная плотность распределена неравномерно. В пирроле наибольшая электронная плотность приходится на 2 – и 5-положения кольца.
Однако такая электроноизбыточность не объясняет предпочтительности α-положения пиррола в реакциях электрофильного замещения. В этих реакциях более существенную роль играет, по-видимому, то обстоятельство, что при α-атаке образуется более стабильный σ-комплекс,
чем при β-атаке. Действительно, в карбокатионе, образующемся при атаке в α-положение, в делокализации заряда участвуют три канонические структуры, а в альтернативном случае – только две структуры
Рассмотрим конкретные реакции электрофильного замещения с участием пиррола.
Галогенирование. Пиррол галогенируется так же легко, как и фенол. Если не предпринимать мер предосторожности, галогенирование идет во все положения фуранового кольца. Моногалогенпирролы удается получить лишь в особо мягких условиях
Тетраиодпиррол используется как антисептик (иодол).
Нитрование. При нитровании пиррола ацетилнитратом при относительно низкой температуре (5оС) в продуктах реакции нитрогруппа занимает α-положение (выход около 7%)
Известно, что реакционная способность каждого из α-и β-углеродов пиррола в рассматриваемой реакции выше, чем у бензола более чем в 1000 раз.
Сульфирование. Вследствие ацидофобности пиррола сульфировать его серной кислотой не представляется возможным. Чтобы обойти это затруднение, применяют уже знакомый пиридинсульфотриоксид. Как и в случае других реакций электрофильного замещения, сульфирование пиррола идет с участием α-положений кольца
Алкилирование. Как и в случае фурана, прямое алкилирование пиррола протекает неоднозначно и сопровождается полимеризацией. Поэтому с целью введения алкильного радикала в пиррольное ядро, прибегают к косвенному приему. Сперва получают металлическое производное этого гетероцикла, затем реакцией с галогеналкилами проводят N- и С-алкилирование. При температурах реакции ниже 0оС происходит N-алкилирование, а продукты С-алкилирования обычно получают восстановлением продуктов их ацилирования
Ацилирование. Остаток карбоновой кислоты во 2-положение пиррольного кольца можно ввести при помощи реакции гетероцикла с ангидридами кислот. Так, пиррол реагирует с уксусным ангидридом при 150оС даже без катализатора
При формилировании пиррола используется реакция Вильсмайера-Хаака. В этой реакции в качестве ацилирующего средства применяют диметилформамид в присутствии фосфорилхлорида
Наконец, следует отметить, что реакционная способность пиррола позволяет реагировать ему даже с солями диазония
Реакции присоединения
Пиррол вступает в некоторые реакции присоединения, в которых ведет себя как непредельное соединение с системой сопряженных двойных связей. Так, в отличие от бензола, пиррол присоединяет атомарный водород с образованием пирролина. Каталитическое восстановление водородом над окисью платины или никелем приводит к пирролидину
Другим примером присоединения к пирролу может послужить реакция с трифенилметильным радикалом
Кислотно-основные свойства
Пиррол практически лишен основных свойств, т.к. электронная пара азота участвует в образовании ароматического секстета и не может принять протон. К тому же, если бы это случилось, пиррол лишился бы ароматичности и подвергся полимеризации и осмолению.
Освобожденная от участия в образовании ароматического секстета электронная пара азота сразу же сообщает соединению основность, которой обладают вторичные амины
А вот кислотность пиррола значительно превосходит его основность и находится на уровне кислотности фенола. Константа кислотности пиррола оценивается как 10-15, т.е. пиррол более сильная кислота, чем аммиак и алифатические амины примерно в 1018 раз.
Будучи кислотой, хотя и слабой, пиррол образует соли с щелочными металлами
При алкилировании и ацилировании таких солей при температурах ниже ОоС образуются N-алкил- и N-ацилпирролы, которые при нагревании превращаются в 2-алкил- и 2-ацидпирролы. Покажем это на примере пиррилмагнийиодида
Известны и другие реакции этого типа.
Реакции окисления и восстановления
Пиррол не устойчив к действию окислителей. Под действием кислорода воздуха он темнеет. При окислении хромовой кислотой образует малеинимид
Другим примером успешного окисления пиррола является окисление перекисью водорода с получением пирролинонов
Уже отмечалось, что пиррол восстанавливается атомарным водородом до пирролина и каталитически – до пирролидина. Следует иметь в виду, что восстановленные формы пиррола составляют структурный фрагмент многих синтетических и природных продуктов.
В качестве примера можно привести пирролидон.
Это соединение, представляющее собой лактам γ-аминомасляной кислоты, производится в промышленном масштабе из γ-бутиролактона и аммиака. Пирролидон используется при получении одного из видов найлона
Кроме того, пирролидон конденсируется с ацетиленом с образованием N-винилпирролидона, который способен полимеризоваться за счет кратных связей с получением ценного полимера – поливинилпирролидона
Биологически активные соединения на основе пиррола
Г.Фишер в 1935 г. нагревая альдегид пирролового ряда с муравьиной кислотой, получил, хотя и с выходом всего в 1%, соединение исключительной важности – порфин
Муравьиная кислота в этой реакции выступает одновременно дегидратирующим и гидрирующим агентом.
Порфин удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к ароматическим системам. Молекула порфина плоская с системой чередующихся двойных связей. Число π-электронов в этой системе соответствует правилу Хюккеля при n=7 (4х7+2=30). В ароматическом сопряжении участвуют электроны 11 кратных связей между углеродными атомами (22 электрона) и 8 электронов четырех атомов азота. π–Электроны порфина делокализованы, молекула имеет симметричную структуру. Энергия резонанса пиррола составляет 104,67 кДж/моль. Двойные связи в вышеприведенной формуле порфина размещены произвольно. В действительности все пиррольные кольца эквивалентны, а положения водородных атомов при атомах азота – неопределенны.
Как ароматическое соединение порфин сульфируется олеумом, нитруется азотной кислотой, ацилируется по Фриделю-Крафтсу, образует комплексные соединения с металлами. В этих комплексах металл замещает два водорода азотов, а с остальными двумя азотами связан комплексно.
Самое главное предназначение порфина в том, что природа выбрала его для создания таких сложнейших соединений, без которых невозможно существование позвоночных животных и растений – гемоглобина (переносчик кислорода и углекислоты в организме) и хлорофилла, без которого невозможен процесс фотосинтеза.
Порфиновое кольцо, несущее заместители во всех или только в некоторых β-положениях пиррольных колец, входящих в порфиновую систему, называется порфирином. Порфирин с комплексно связанным двухвалентным железом называется гемином. В животных организмах гемин связан с глобином – белковой молекулой. Поэтому красящее вещество крови называется гемоглобином.
В хлорофиллах а и б порфирин несколько отличается от рассмотренного порфирина, составляющего основу гемина. Кроме того, в качестве металла в хлорофиллах выступает магний. Ниже приводятся молекулы гемина и хлорофилла
Небольшая историческая справка, чтобы молодое поколение химиков могло отдать должное своим предшественникам. Строение гемина было установлено Кюстером, Фишером и Вильштеттером (1929г.), а его полный синтез осуществлен в том же году Фишером. Строение хлорофилла а установлено благодаря исследованиям Вильштеттера, Конанта и Фишера. Полный синтез его осуществлен Вудвортом (1960 г.).
Система из четырех пиррольных колец так «приглянулась» природе, что она эту систему, немного видоизменив, использовала при создании витамина В12 (кобаламина). Суточная норма для человека этого витамина исчезающее мала – всего 3 мкг, однако его нехватка приводит к катастрофе для организма – злокачественной анемии. От этой болезни раньше, пока кобаламин не стал доступен, люди погибали. В России давно уже налажен микробиологический синтез В12.
В основу В12 положена т.н. корриновая система из четырех пиррольных колец, в которой атомы азота комплексно связаны с кобальтом и нитрильной группой.
11.2.3. Индол
Среди многочисленных соединений, молекулы которых содержат пиррольное кольцо, имеются и такие, в которые это кольцо входит вместе с другими циклами, чаще всего с бензолом. В качестве примера таких соединений рассмотрим индол.
Индол имеет следующее строение
Способы получения. К индолу ведет внутримолекулярная конденсация формил-о-толуидина
К такому же результату можно придти и внутримолеклярной конденсацией других о-замещенных анилинов
Общим методом получения замещенных индолов является реакция Фишера, заключающаяся в нагревании фенилгидразинов с ZnCl2 или серной кислотой
Химические свойства. По своим свойствам индол напоминает пиррол. В реакциях электрофильного замещения наиболее активными являются положения 2- и 3-пиррольного кольца. По причине ацидофобности индола эти реакции приходится проводить, избегая применения реагентов кислотного характера. Так, обычно индол хлорируют хлористым тионилом, нитруют этилнитратом, сульфируют комплексом Терентьева
Среди производных индола большое значение имеет 3-индолилуксусная кислота (гетероауксин), являющийся стимулятором роста растений. Он получается реакцией иодистого N-индолилмагния c хлорацетонитрилом
Другим известным производным индола является синий краситель индиго. Для его получения предложен следующий удобный метод
При окислении индоксила получается индиго
К производным индоксила относятся одна из незаменимых аминокислот – триптофан и серотонин, который регулирует передачу нервных импульсов в нервных тканях
11.4. Тиофен
Представителем гетероциклических соединений, содержащих серу в качестве гетероатома, является тиофен
Тиофен был открыт в 1882 г. В.Мейером в бензоле, выделенном из каменноугольной смолы. Содержание тиофена в этом источнике составляет около 0,5%.
Строение. Тиофен, состоящий из четырех углеродов и атома серы, представляет собой плоский пятиугольник. Все атомы молекулы расположены в одной плоскости. Углеродные атомы тиофена находятся в sp2-гибридном состоянии. В пирроле не участвующие в гибридизации четыре электрона углеродов и два электрона атома серы образуют ароматический секстет. Длины связей в тиофене свидетельствуют о неравномерном распределении электронов в кольце
Энергия резонанса у тиофена больше, чем у фурана и пиррола и составляет 117,23 кДж/моль.
Способы получения. Для промышленного получения тиофена используется высокотемпературный процесс нагревания углеводородов с четырьмя атомами углерода – бутана или бутиленов – с серой при 700оС и при коротком времени контакта
Подобно бензолу тиофен можно получить и исходя из ацетилена нагреванием алкина с сероводородом при 400-450оС
Для получения тиофена можно воспользоваться также одним из общих методов синтеза пятичленных гетероциклов с использованием 1,4-дикарбонильных соединений. При этом для введения атома серы в молекулу пользуются пятисернистым фосфором. Как и при получении фурана и пиррола 1,4-дикарбонильное соединение в реакции участвует в енольной форме
Наконец, из удобных лабораторных методов получения тиофена следует упомянуть метод, заключающийся в нагревании дикарбоновых кислот в виде их солей с пентасульфидом фосфора
Химические свойства.
Тиофен способен к превращениям по многим направлениям: электрофильному замещению, присоединению, обмену гетероатома, окисления и восстановления, раскрытия кольца.
Электрофильное замещение. Как π-избыточное соединение, тиофен в реакциях электрофильного замещения более активен, чем бензол. В конкретных реакциях реакционная активность превышает активность бензола в 103 – 106 раз. Благодаря этому в реакциях электрофильного замещения бензол можно использовать в качестве растворителя. В целом, тиофен занимает по реакционной способности положение между фураном и бензолом. Различные положения в тиофене значительно отличаются по π-электронной плотности
По этой причине реакции электрофильного замещения в тиофене идут более определенно, в основном, во второе положение.
Следует заметить, что тиофен, по сравнению с другими гетероциклами – пирролом и фураном, имеет более устойчивое кольцо к действию окислителей и высоких температур. К тому же он проявляет устойчивость к действию кислот, т.е. – менее ацидофобен. Особенностью тиофена является и то, что при проведении реакции электрофильного замещения с его участием не могут быть осуществлены реакции, предполагающие использование в качестве катализатора хлорида алюминия. Хлорид алюминия при контакте с тиофеном мгновенно осмоляется и дезактивируется.
Галогенирование. При взаимодействии с хлором тиофен образует смесь моно- и полихлорпроизводных, в том числе, продукты присоединения
Поэтому приходится подбирать подходящий хлорирующий агент для получения преимущественно монохлорпроизводных. Хорошие результаты были получены при использовании хлористого сульфурила
Тиофен можно успешно бромировать с получением 2-бром - и 2,5-дибромтиофенов и даже иодировать во второе положение кольца.
Галогенпроизводные тиофена через реактивы Гриньяра могут быть превращены в его функциональные производные: альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты и др.
Сульфирование. Тиофен сульфируется концентрированной серной кислотой даже при комнатной температуре
Эта реакция используется для очистки бензола от тиофена.
Для сульфирования могут быть использованы и другие сульфирующие агенты: хлорсульфоновая кислота и комплекс Терентьева.
Нитрование. Несмотря на устойчивость тиофена к действию кислот, устоять против окисляющего действия азотной кислоты он не может. Поэтому для получения нитротиофена приходится применять мягкодействующее нитрующее средство – ацетилнитрат. В этом случае в основном получается 2-нитротиофен с небольшой примесью 3-нитротиофена
Интересно при этом, что дальнейшее нитрование 2-изомера приводит к смеси 2,4- и 2,5-динитротиофенов. Ввести три нитрогруппы в тиофеновое кольцо не удается.
Ацилирование. Тиофен ацилируется по Фриделю-Крафтсу во 2-положение кольца хлористым ацетилом в присутствии хлорного олова или трехфтористого бора
Хорошие результаты получены и в случае использования ангидридов карбоновых кислот. При этом в качестве катализатора обычно применяют фосфорную кислоту.
Алкилирование. К сожалению, из-за высокой активности карбокатионов в этой реакции, алкилирование тиофена протекает неоднозначно с образованием продуктов 2- и 3-замещения
При необходимости получения алкилтиофенов лучше исходить из более доступных ацилтиофенов, восстанавливая их, например, по Клемменсену.
В другие реакции электрофильного замещения тиофен не вступает.
Реакции присоединения
Тиофен, по сравнению с фураном и пирролом, менее охотно вступает в реакции присоединения, предъявляет особые требования к катализаторам, продукты присоединения не отличаются устойчивостью.
Как диен тиофен способен реагировать в условиях реакции Дильса-Альдера только с очень активными диенофилами, например, с диметиловым эфиром ацетилендикарбоновой кислоты
Продукт реакции легко теряет серу и превращается в диметиловый эфир о-фталевой кислоты. Подобным же образом идет реакция с участием дицианацетилена.
Уже при 300С тиофен присоединяет хлор с образованием тетрахлортиофана, который при обработке щелочью превращается в смесь дихлортиофенов
В отличие от бензола тиофен способен восстанавливаться по Берчу металлическим натрием в жидком аммиаке, содержащим метанол, тиофен образует 2- и 3-тиолены
Общий выход тиоленов в этой реакции не превышает 40%, т.к. дигидротиофены восстанавливаются дальше с раскрытием кольца и образованием бутентиолов.
Каталитическое гидрирование тиофена представляет определенные трудности. Это связано с тем, что, как и любое серосодержащее соединение, тиофен «отравляет» катализатор, особенно Ni и Pt. Реакцию удается осуществить только с Pd, взятым с большим избытком
В связи со сказанным, особенно замещенные тиофаны предпочитают получать не из тиофена, а иными способами, например, реакцией 1,4-дигалогеналканов с сульфидом натрия
Тиофаны легко окисляются по атому серы до сульфоксидов и сульфонов
И в этом случае продукты окисления тиофана лучше получать не окислением тиофана, а синтезом из бутадиена и диоксида серы
Сульфолан – прекрасный диполярный и апротонный растворитель. Тиофановый фрагмент входит в молекулу природного вещества биотина (витамина Н), который необходим для роста микроорганизмов
Биотин был выделен Кюглем и дю Виньо в 1942 г. из яичного белка и печени.
Большое синтетическое значение имеет реакция гидрирования тиофена в присутствии никеля Ренея. В ходе этой реакции происходит удаление серы и, одновременно, восстановление углеродного скелета гетероцикла – восстановительная десульфуризация
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что на основе рассматриваемой реакции появляется возможность введения в молекулу органического соединения фрагмента из четырех углеродных атомов. Сочетание в синтезе реакций электрофильного замещения тиофена с последующей восстановительной десульфуризацией позволяет получать длинноцепочечные алифатические моно- и дикарбоновые кислоты, амины, аминокислоты и др. Например,
11.5. Пиридин
Пиридин – представитель шестичленных гетероциклов с одним гетероатомом, в качестве которого выступает атом азота
Монометилпиридины называются пиколинами, диметилпиридины – лутидинами, триметилпиридины – коллидинами. Насыщенный пиридиновый цикл носит название пиперидина.
Пиридин стал известен с 1851 г., когда его выделили из костяного масла, а несколько позже – из каменноугольной смолы (1854 г.)
Методы получения. Как уже было отмечено, пиридин выделяется из каменноугольной смолы. К сожалению, содержание его в этом источнике не превышает 0,1%.
Из синтетических методов получения пиридина значение имеют методы, основанные на превращениях акролеина и насыщенных и ненасыщенных альдегидов.
По методу Чичибабина (1937 г.) замещенные пиридины получают из альдегидов и аммиака (лучше использовать альдегидоаммиаки) при нагревании при 250оCв присутствии ацетата аммония
В реакцию с аммиаком может вступить и непредельные альдегиды
Практически важный синтез замещенных пиридинов основан на нагревании смеси диенового углеводорода и нитрила при 400оС
Метод получения пиридина из ацетилена и аммиака был разработан Реппе. Реакция протекает в присутствии сложных никелевых или кобальтовых катализаторов
Соединение с насыщенным пиридиновым кольцом – пиперидин – можно получить нагреванием гидрохлорида пентаметилендиамина
Из более сложных синтезов приведем синтез коллидина по Ганчу. В этом синтезе из ацетоуксусного эфира и альдегида (в виде альдегидоаммика) получают этиловый эфир 2,4,6-триметил-1,4-дигидропиридин-3,5-дикарбоновой кислоты. В полученном продукте азотистой кислотой окисляют два водорода и создают, тем самым, замещенное пиридиновое кольцо. Затем следует стадия гидролиза и декарбоксилирования
Химические свойства. Пиридин представляет собой почти правильный шестиугольник, все атомы которого лежат в одной плоскости. По геометрическим параметрам пиридиновое кольцо похоже на бензольное
Атомы углерода в пиридине находятся в sp2-гибридном состоянии. На образование ароматического секстета пять углеродов дают по одному р-электрону, а шестой электрон поставляет атом азота, тот, который не участвует в гибридизации. Ось этой орбитали перпендикулярна к плоскости расположения всех атомов и связей пиридинового кольца. Из трех гибридных орбиталей азота две используются на образование σ-связей с двумя соседними атомами углерода, а на третьей орбитали находится неподеленная пара электронов
В соответствии с приведенным строением – пиридин представляет собой циклическое, плоское образование с хюккелевским числом р-электронов (4n+2=6 при n=1) и обладает ароматическим характером. Кроме того, за счет неподеленной пары электронов азота – основностью.
Картину строения пиридина дополняет значительный дипольный момент (2,26 D) пиридина, обусловленный большой электроотрицательностью атома азота, а также неравномерное распределение плотности π-электронного облака у атомов гетероцикла. Методом молекулярных орбиталей Хюккеля получено следующее распределение π-зарядов на атомах пиридинового кольца
Отсюда видно, что пиридиновое кольцо обеднено электронами, особенно 2- и 4-положения. При этом имеется незначительная π-электронная избыточность в β-положениях.
Известно, что пиридин способен вступать:
- в реакции присоединения с участием атома азота,
- в реакции электрофильного замещения,
- в реакции нуклеофильного замещения,
- проявить основность.
Рассмотрим превращения пиридина более подробно.
Реакции электрофильного присоединения по азоту
В основе электрофильного присоединения и основности пиридина лежит одна и та же причина – наличие у азота свободной электронной пары.
В реакциях электрофильного присоединения по азоту ароматический характер пиридинового кольца сохраняется.
Пиридин способен алкилироваться по азоту. При взаимодействии этого гетероцикла с алкилгалогенидом образуются N-алкилпиридиниевые соли
Подобные реакции оказались весьма чувствительными к наличию любых по электронным эффектам заместителей во 2- и 6-положениях кольца. Создаваемые заместителями пространственные затруднения приводят к тому, что, например, 2-трет-бутилпиридин вообще не алкилируется по атому азота. Интересно при этом, что при алкилировании по углеродным атомам пиридина, стерический фактор не столь существенен.
Подобно алкилированию протекает и N-ацилирование пиридина с образованием N-ацилпиридиниевых солей
Для таких солей было найдено неожиданное применение. Установлено, что они могут служить ацилирующими средствами. Их ценность заключается в том, что указанные производные пиридина можно использовать при ацилировании ацидофобных соединений
Раньше было показано, что для сульфирования ацидофобных соединений (фуран, пиррол) часто применяется пиридинсульфотриоксид, представляющий собой продукт сульфирования пиридина триоксидом серы по атому азота
Пиридинсульфотриоксид гидролизуется горячей водой в пиридиний-гидросульфат
Для целей введения нитрогруппы в пиридин использование азотной кислоты нежелательно, т.к. при этом гетероцикл выступает просто как основание и дает соответствующую соль. К нитрованию по атому азота ведет использование оксида азота, нитрониевых солей, например, борфторида нитрония
Это производное пиридина является мягкодействующим нитрующим агентом.
Реакции электрофильного замещения
В этих реакциях пиридин проявляет свой ароматический характер, но он весьма своеобразен. Пиридин неохотно и с низкими выходами реагирует с электрофильными реагентами. Некоторые реакции этого типа, например, алкилирование и ацилирование с участием пиридина вовсе не идут. По своей реакционной способности пиридин подобен нитробензолу и уступает бензолу в тысячу и более раз.
В реакциях электрофильного замещения наиболее активными положениями в пиридине являются β-положения. Не только потому, что эти положения относительно богаты электронной плотностью, но и потому, что при β-атаке электрофилом образуется более устойчивый π-комплекс.
Предположим, что электрофильное замещение в пиридине может пойти с участием любого положения. В каком случае образуется более устойчивый σ-комплекс?
Среди всех этих предельных структур имеются менее устойчивые. К ним относятся структуры 1 и 8, в которых электронодефицитный азот окружен лишь шестью электронами. Из-за вклада этих канонических структур, σ-комплексы, образующиеся при атаке пиридина в α- и γ-положения по устойчивости уступают σ-комплексу с участием β-положения.
Насколько трудно идут реакции электрофильного замещения в пиридине, показывают результаты нитрования, сульфирования и бромирования
Как и обычно, в реакциях электрофильного замещения, имеющиеся в кольце электронодонорные заместители способствуют реакции. В этом качестве может выступать и кислородный атом при азоте в т.н. N-оксидах пиридина, легко получаемых окислением гетероцикла надкислотами
N-окись вступает в реакции электрофильного замещения несравненно легче, чем сам пиридин. После осуществления реакции N-оксид может быть восстановлен до замещенного пиридина каталитически над никелем Ренея или палладием или же галогенидами фосфора.
В качестве примера рассмотрим нитрование пиридина нитрующей смесью и хлорирование хлористым тионилом через N-оксид
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в реакциях замещения с участием N-оксида изменяется ориентация – предпочтительным становится замещение во 2- и 4-положения.
Реакции нуклеофильного замещения
В отличие от бензола и его производных, пиридин способен вступать в реакции нуклеофильного замещения. Эти реакции идут даже легче, чем реакции электрофильного замещения. При нуклеофильном замещении атаке нуклеофилом подвергается, в основном, α-положение пиридина, поскольку оно беднее электронами.
На начальной стадии нуклеофильной атаки в различные положения пиридина могут образоваться карбанионы (в лимитирующей стадии), отличающиеся по устойчивости.
При атаке нуклеофила (Nu) во второе положение пиридина образующийся карбанион представляет собой резонансный гибрид предельных структур I, II и III. В этом гибриде вклад I больше, потому что в I отрицательный заряд приходится на электроотрицательный атом азота и эта структура более устойчива, чем II и III.
При β-атаке нуклеофила, образующийся карбанион по устойчивости уступает промежуточной частице, возникающей при α-атаке. Потому что среди каноничесих структур IV, V и VI нет структуры, подобной I.
При γ-атаке нуклеофила, как и при α-атаке, резонансный гибрид включает относительно устойчивую структуру VIII, поэтому этот гибрид и сам более устойчив, чем продукт лимитирующей стадии при β-атаке
Образовавшиеся в лимитирующей стадии карбанионы при α- и γ-атаке нуклеофила в быстрой стадии реакции отщепляют гидрид – ион подходящему акцептору и дают продукт замещения.
Таким образом, при нуклеофильном замещении в пиридине действие нуклеофила направлено в α- и γ-положения и реакция идет быстрее, чем электрофильное замещение.
Теперь рассмотрим отдельные реакции нуклеофильного замещения с участием пиридина.
Чичибабин и Зейде (1914 г.) установили, что при нагревании пиридина с амидом натрия или калия происходит образование α-аминопиридина
В том случае, если α-положения в пиридине заняты, то реакция идет с участием γ-положения.
В пиридиновое кольцо можно ввести и гидроксил. Для этого пиридин нагревают (320оС) с сухим едким кали (Чичибабин)
При гидроксилировании пиридина температура реакции значительно выше, чем при аминировании. Это объясняется тем, что нуклеофильность гидроксил-аниона ниже, чем нуклеофильность амид-аниона.
Еще более сильный нуклеофил – фенил-анион, реагирует с пиридином даже при 0оС с образованием 2-фенилпиридина
В этой реакции вначале образуется литиевая соль дигидропиридина, которая при нагревании или окислении дает фенилированный пиридин.
Пиридин как основание
В отличие от пиррола, неподеленная пара электронов которого участвует в ароматическом сопряжении, в пиридине эта пара свободна и обуславливает основность гетероцикла. Так, пиридин, легко образует соли с сильными кислотами
Пиридин достаточно слабое основание, его константа основности составляет Кв=2,3·10ˉ9. По основности он значительно уступает аммиаку и алифатическим аминам (Кв=10ˉ4), пирролидину.
Наблюдаемая зависимость основности от строения объясняется тем, что в пиридине неподеленная пара электронов занимает sp2-орбиталь, в то время как в аминах – sp3-орбиталь. У sp2-гибридизованного атома азота электроотрицательность больше, чем у sр3-гибридизованного атома. В замещенных пиридинах основность изменяется в ожидаемом направлении. Электронодонорные заместители увеличивают основность, а электроноакцепторные ее понижают.
Окисление, восстановление и раскрытие кольца пиридина
Одно направление окисления пиридина – надкислотами – уже рассматривалось
Проявляя свой ароматический характер, пиридин достаточно устойчив к действию окислителей. Однако с ужесточением условий окисления окислители разрушают пиридиновое кольцо.
Представляет интерес сравнительная устойчивость к действию окислителей пиридина и бензола. В свое время, используя своего рода метод конкурирующих реакций, Чичибабин установил, что в одних условиях легче окисляется пиридиновое кольцо, в других – бензольное.
Как и в ароматическом ряду, боковые цепи пиридина окисляются значительно легче, чем кольцо. На этом основано получение практически важных карбоновых кислот пиридинового ряда. Особенное значение имеет окисление азотной кислотой метильной группы в β-пиколине
Никотиновая кислота и ее амид являются витамином РР, недостаток которого в организме (0,03-0,05 мг) вызывает заболевание – пеллагру. Это заболевание проявляется в сухости кожи, изъязвлении языка и поражении центральной нервной системы. Витамин РР содержится в печени, в дрожжах, в молоке и зародышах пшеницы.
Находят применение и производные никотиновой кислоты. Так. N,N-диэтиламид никотиновой кислоты под названием кордиамин, используется в качестве стимулятора центральной нервной системы
Пиридин восстанавливается легче, чем бензол. Восстановление можно осуществить атомарным водородом или каталитически до пиперидина
Пиперидин обладает свойствами обычного вторичного амина.
Пиперидиновое кольцо входит в молекулу многих биологически активных веществ и лекарств. В качестве примера приведем синтез обезболивающего вещества промедола, синтезированного Назаровым
В отличие от бензола, пиридин довольно легко раскрывает свое кольцо. Вот несколько примеров реакций, протекающих с раскрытием кольца.
При восстанавлении иодистоводородной кислотой пиридин дает н-пентан
При каталитическом гидрировании пиридин превращается в амиламин
Предметный указатель
Абсолютная конфигурация
Адамантан
Адипиновая кислота
Адреналин
Азиды
Азобензол
Азокомпоненты
Азоксибензол
Азосоединения
Азосочетание
Азотистая кислота
Акриловая кислота
Акриловый альдегид
Акрилонитрил
Акролеин
Аланин
Ализарин
Алифатические соединения
Алкадиены
Алкалоиды
Алкансульфонаты
Алканы
Алкены
Алкилбензолсульфонаты
Алкилирование
-алкинов
-амидов
-аминов
-аренов
-дианионов β–дикарбонильных соединений
-карбоновых кислот
-малонового эфира
С-алкилирование
-ароматических аминов
-фенолов
О-алкилирование
-спиртов
-фенолов
Алкилсульфаты
Алкины
Алкоголиз
Аллены
Аллил-анион
Альдегиды см. Карбонильные соединения
Альдозы
Альдоли
Альдольная конденсация
Амиды
Амилазы
Амилоза
Аминирование
Аминокислоты
-D-ряда
-заменимые
-незаменимые
-С- и N-концевые
4-Аминомасляная кислота (ГАМК)
Амины
Аммиак
Аммонолиз
Амфетамин
Амфотерность
Анабизин
Анальгин
Ангидриды карбоновых кислот
Анестизин
Анетол
Анизол
Анилин
Аномеры
Антибиотики
Антрахинон-9,10
Антрацен
Арабиноза
Арены см. Бензол
Арилгалогениды
Арил-радикал
Ароматичность
Асимметрический атом
Аскорбиновая кислота
Аспарагин
Аспирин см. Ацетилсалициловая кислота
Атомная орбиталь
Атропин
Ацетальдегид
Ацетатный шелк
Ацетил
Ацетилацетон
Ацетилен
Ацетилнитрат
Ацетон
Ацетондикарбоновая кислота
Ацетонитрил
Ацетоуксусный эфир
Ацидофобность
Ацилирование
Ацил-катион
Байера-Виллигера реакция
Бакелиты см. Фенолформальдегидные смолы
Барбитураты
Белки
Бензальдегид
Бензамид
Бензиламин
Бензиловые эфиры
Бензо[а]пирен
Бензоил
Бензоилхлорид
Бензойная кислота
Бензол
Бензофенон
Бензофуран
Бишлера-Напиральского синтез
Борогидрид натрия
Бромирование см. Галогенирование
Бромомалоновый эфир
Бромоформ
Бутадиен-1,3
Бутаналь см. Масляный альдегид
Бутандиолы
Бутен-2-аль см. Кротоновый альдегид
Бутин
Вагнера реакция
Вагнера-Меервейна перегруппировка
Валериановая кислота
Валериановый альдегид
Валидол
Вальденовское обращение
Ван-дер-вальсов радиус
Веронал см. Барбитал
Вильсмайера-Хаака реакция
Вильямсона синтез
Винилацетат
N-Винилпирролидон
Винные кислоты
Виттига реакция
Витамин РР см. Никотинамид
Водородные связи
Вольфа реакция
Восстанавливающие дисахариды
Восстановление
-азосоединений
-амидов
-антрацена
-бензола
-галогенангидридов
-дисульфидов
-карбонильных соединений
Вулканизация каучуков
Высшие жирные кислоты
Высшие спирты
Вюрца реакция
Вюрца-Фиттига реакция
Габриэля синтез
Галактоза
Галловая кислота
Галогенирование
-алканов
-алкенов
-алкинов
-амидов
-аренов
-карбонильных соединений
-карбоновых кислот
-простых эфиров
-фенолов
Галоформная реакция
Ганча-Видмана система
Гаттермана-Коха реакция
Гваякол
Гексозы
Геля-Фольгарда-Зелинского реакция
Гем
Героин
Гетероауксин
Гетероциклические соединения
Гибридизация орбиталей
Гидразин
Гидразоны
Гидрирование
Гидрогенолиз
Гидроксилирование
Гидролиз
-ангидридов кислот
-амидов
-ацеталей
-галогеноуглеродов
-иминов
-простых эфиров
-сложных эфиров
-эпоксидов
Гиперконъюгация
Гистидин
Гликозидная связь
Гликозидный гидроксил
Гликоли см. Диолы
Глиоксалевая кислота
Глиоксаль
Глицерин
Глицериновый альдегид
Глицин
Глюкаровая кислота
Глюкоза
Глюконовая кислота
Гормоны
Гофмана расщепление амидов
Гофмана реакция
Гриньяра реактивы
Губена-Гёша реакция
Гулоза
Гунда правило
Гуттаперча
Дегалогенирование
Дегидратация
-амидов
-глицерина
-диолов
-спиртов
Дегидрирование
Дегидробензол
Дейтерирование
Декалин
Джонса реактив
Диазокомпоненты
Диазометан
Диазония соли
Диазотирование
Диастереомеры
Дибензофуран
Диеновый синтез
Диенофилы
Диены см. Алкадиены
Дильса-Альдера реакция
Димедрол
1,4-Диоксан
N,N-Диметиланилин
Диолы
Диполярные ионы
Дисалицид
Диэтиловый эфир
Дурол
Дьюара «бензол»
Енолы
Зайцева правило
Заместители
-электроноакцепторные
-электронодонорные
-I и II рода
Замещение
-нуклеофильное
--бимолекулярное
--в ароматическом ряду
--мономолекулярное
-радикальное
-электрофильное
Защитные группы
Зинина реакция
Ибупрофен
Изовалериановая кислота
Изовалериановый альдегид
Изолейцин
Изомасляная кислота
Изомасляный альдегид
Изомеризация
Изомерия
Изонитрилы
Изопрен
Изотопный эффект
Имидазол
Инверсия
Ингибиторы
Индикаторы
Индуктивный эффект
Интермедиат
Иодоформ
Иониты (ионообменные смолы)
Иоцича реактив
Иприт
Ихтиол
Камфен
Камфора
Канниццаро реакция
Капрон
Карбанионы
Карбены
Карбокатионы
Карбонаты
Карбонильные компоненты
Карбонильные соединения
Карбоновые кислоты
Карвон
Каучук
Каучук натуральный
Каучуки синтетические
Кетен
Кетоны см. Карбонильные соединения
Кижнера-Вольфа реакция
Кислотность
-алкинов
-амидов
-карбоновых кислот
-константа
-неорганических кислот
-нитроалканов
-спиртов
-фенолов
Кислоты
-Бренстеда
-карбоновые
-Льюиса
-сульфоновые
Классификация
-органических реакций
-органических соединений
Кляйзена перегруппировка
Кнёвенагеля реакция
Кнорра синтез
Колли-Толленса реактив
Кольбе реакция
Кольбе-Шмидта реакция
Конго красный
Конденсация
-альдольная
-бензидиновая
-сложноэфирная
-перекрестная сложноэфирная
Коновалова реакция
Конформации
Конформеры
Коричная кислота
Коричный альдегид
Коричный альдегид
Красуского правило
Кребца цикл
Крезолы
Кротоновая кислота
Кротоновая конденсация
Кротоновый альдегид
Ксенобиотики
Ксилолы
Кубан
Кумол
Кумольный способ
Кучерова реакция
Лавсан
Ладенбурга «бензол»
Лактамы
Лактаты
Лактиды
Лактоза
Лактоны
Левулиновая кислота
Лейцин
Лидокаин
Лизергиновая кислота
Лизин
Лимонен
Лимонная кислота
Линдлара катализатор
Линолевая кислота
Линоленовая кислота
Липиды
Локант
Магнийорганические соединения
Малахитовый зеленый
Малеиновый ангидрид
Малоновая кислота
Малоновый эфир
Мальтоза
Манниха реакция
Манноза
Марковникова правило
Масла см. Триацилглицерины
Масляная кислота
Масляный альдегид
Мезителен
Мезовинная кислота
Мезомерия
Мезомерный эффект
Мейзенгеймера комплекс
Металлоорганические соединения
Метанол
Метиленовые компоненты
Метиловый красный
Метиловый оранжевый
Метилфениловый эфир см. Анизол
Метилфенолы см. Крезолы
Метионин
Метоксибензол см Анизол
Микомицин
Миндальная кислота
Молекулярные орбитали
Молочная кислота
Монохлорамин-Б
Монохлорамин-Т
Мочевина
Муравьиная кислота
Найлон
Нафталин
Небензоидные ароматические соединения
Неопентан
Несмеянова реакция
Нитробензол
Нитрование
Нитрозирование
Нитросоединения
Нитрующая смесь
Новокаин
Номенклатура ИЮПАК
Ноотропил см. Пирацетам
Нуклеофильность
Озонолиз
Окисление
-азосоединений
-алканов
-алкенов
-алкинов
-альдегидов
-аминов
-кетонов
-оксимов
-простых эфиров
-спиртов
-фенолов
Оксалан см. Тетрагидрофуран
Оксалат кальция
Оксалилхлорид
Оксикислоты
Оксимы
Оксираны см. 1,2-Эпоксиды
Оксокислоты
Олеиновая кислота
Оптическая активность
Оптические антиподы
Основания
-Бренстеда
-Льюиса
Основность
Отщепление см. Элиминирование
Парафины
Параформальдегид (параформ)
Пентаналь см. Валериановый альдегид
Пептиды
Переэтерификация
Перкина реакция
Пероксидный эффект
Петролейный эфир
Пивалиновая кислота
Пиколины
Пикриновая кислота
Пинаколин
Пинаколиновая конденсация
Пинакон
Пиран(ы)
Пиранозы
Пирацетам
Пиридин
Пиридиний-катион (соли)
Пировиноградная кислота
Пирогаллол
Пирокатехин
Пирослизевая кислота
Пиррол
Пирролидин
Поверхностно-активные вещества
Поливинилпирролидон
Поливинилхлорид
Поликарбонат
Поликонденсация
Полимеризация
Полиметилакрилат
Полипропилен
Полисахариды
Полистирол
Полихлорпропен
Полиэтилен
Полиэтиленгликоль
Полиэтилентерефталат
Полиэфиры
Полуацетали
Поляриметрия
Пролин
Пропилен
Простагландины
Простые эфиры
Протеины см. Белки
Раймера-Тимана реакция
Рацематы
Рацемизация
Региоселективность реакции
Резонансная теория
Резорцин
Ренея никель
Ретинол
Реформатского реакция
Рибоза
Салициловая кислота
Салициловый альдегид
Сахарин
Сахарные кислоты см. Альдаровые кислоты
Сахароза
Свет плоскополяризованный
Свободные радикалы
Семикарбазоны
Семикарбозиды
Сенгера реакция
«Серебряного зеркало» реакция
Серин
Сквален
Скраупа синтез
Слизевая кислота
Сольватация
Сополимеры
Сопряжение
Сорбиновая кислота
Сорбит см. Глюцит
α-Спираль
Спиросоединения
Спирты
Стеарат натрия
Стеариновая кислота
Стереоизомерия
Стереоизомеры
Стереоспецифичность
Стирол
Стрептоцид
Стрихнин
Сукцинимид
Сульфадимезин
Сульфаниламиды
Сульфаниловая кислота
Сульфацил-натрий
Сульфиды
Сульфирование
Сульфоксиды
Сульфоны
Сульфоокисление алканов
Сульфохлорирование
Тартраты
Таутомерия
Твистан
Терефталевая кислота
Тетрагидропиран
Тетрагидрофуран
Тетралин
Тефлон
Тиолы
Тиофан
Тиофен
Тиофен-2-карбоновая кислота
Тищенко реакция
Тозилаты
Толленса реактив
Толуидины
Толуол
п-Толулсульфонилхлорид
Торсионный угол
Триазены
Триптофан
Трифенилметан
Трифенилметановый краситель
Тропилий-катион
Тростниковый сахар
Углеводы см. Моносахариды, Олигосахариды, Полисахариды
Удельное оптическое вращение
Уксусная кислота
Уксусный ангидрид
Ульмана конденсация
Ульмана реакция
Уретаны
Уротропин
Фалиминт
Фелинга реактив
Фенетол
Фенибут
Фенилгидразин
Фенолформальдегидные смолы
Фенолфталеин
Фенолы
Фентон реакция
Феромоны
Ферроцен
Фишера метод
Фолиевая кислота
Формалин
Формальдегид
Формамид
Формулы
Фосген
Фриделя-Крафтса реакция
Фриса перегруппировка
Фталевая кислота
Фталевый альдегид
Фталевый ангидрид
Фталимид
Фуллерены
Фумаровая кислота
Фуразолидон
Фуран
Фуранозы
Фурацилин
Фурфураль
Фурфуриловый спирт
Фурфурол
Хеуорса метод
Хиноны
Хиральность
Хлорамин-Т
Хлорангидриды
Хлороформ
Холестерин
Холин
Хризантемовая кислота
Хромофоры
Цвиттер-ион
Цефалоспорин
Циановодородная кислота
Цибетон
Циглера-Натта катализатор
Циклоалканы
Циклопентадиен
п-Цимол
Цистеин
Цитраты
Чичибабина реакция
Шимана реакция
Шиффа основания
Шоттена-Баумана реакция
Щавелевая кислота
Щелочное плавление
Эйкозан
Электроотрицательность
Электрофильное замещение
Элиминирование
Энантиомеры
Энергия активации
Энергия резонансная
Энергия сопряжения
Энтальпия
Эпимеры
1,2-Эпоксиды
Эстрадиол
Этанол
Этерификация
Этиламин
Этилацетат
Этилен
Этиленгликоль
Этилендиамин
Эфедрин
Эфирные масла
Эффект поля
Юрьева реакция
Яблочная кислота
Янтарная кислота
Янтарный альдегид
Авторский указатель
Альдер К.
Байер А.
Браун Ю.
Брёнстед Й. Н.
Бишлер А.
Вагнер Е.Е.
Валлах О.
Виллигер В.
Вильсмайер А.
Вильштеттер Р.М.
Вильямсон А.
Вольф Л.
Ганч А.
Гофман А.
Гриньяр В.
Дильс О.П.Г.
Дьюар М.
Канниццаро С.
Кижнер Н.М.
Кнорр Л.
Кнорр Э.
Кори Р.
Крафтс Дж. М.
Ладенбург А.
Лоури Т.М.
Манних К.
Марковников В.В.
Меервейн Г.Л.
Михаэль А.
Наметкин С. С.
Паули А.В.
Поллинг Л.К.
Ружичка Л.
Реней М.
Сенгер Ф.
Скрауп З. Х.
Терентьев А. П.
Толленс Б.
Фентон
Фишер Э. Г.
Фридель Ш.
Хеуорс У.
Хюккель Э.
Циглер К.
Чичибабин А. Е.
Эйлер У.
Юрьев Ю. К.
Использованная литература
1. Белобородов В.Л., Зурабян С.Э., Лузин А.П., Тюкавкина Н.А. Органическая химия. Книга 1, 2. М: Москва.; 2008.
2. Галочкин А.И., Иванова И.В. Органическая химия. М: Дрофа., 2010. 399 с.
3. Степаненко Б.Н. Курс органической химии. М: Высшая школа. 1972. 600 с.
4. Неницеску К.Д. Органическая химия. Т. 1, 2. М. Иностранная литература. 1962.
5. Крам Д., Хэммонд Дж. Органическая химия. 1964. М: Мир. 714 с.
6. Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии. Книга 1, 2. М: Химия. 1981.
7. Общая органическая химия. Под общей редакцией Бартока Д. и Оллиса У.Д. т. 12. 1981.
8. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии. 1988.
10. Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия. Т. 1-4. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007.
11. Марч Дж. Органическая химия. М. Мир, 1988, Т.1-4.
12. Смит В.А., Бочков А.Ф., Кейпп Р. Органический синтез. Наука и искусство. М.: Мир, 2001.
13. Нейланд О.Я. Органическая химия. М.: Высшая школа, 1990. 751 с.
14. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. СПб.: Иван Федоров, 2002. 624 с.
15. Травень В.Ф. Органическая химия. М.: Академкнига, 2003. Т. I, II.
16. Терней А. Современная органическая химия. М.: Мир, 1981. Т. I, II.
17. Несмеянов A. Н., Несмеянов Н. А. Начала органической химии. М. Химия. 1969. Т. I, II.
18. Streitwieser A., Heathcock C.H., Kosower E. Introduction to organic chemistry. Macmillan Publishing Company. N. Y. 4-th Ed. 1992. 1256 p.
19. Vollhardt K. P.C. Organic chemistry. W. H. Freeman and Co. N. Y. 1987. 1275 p.
20. McMurry J. Organic chemistry. Brooks/Cole Publishing Company. Monterey; California. 1984. 1167 p.
21. Wade L. G. Organic chemistry. Prentice-Hall. Inc. Englewood Cliffs. New Jersey. 1987. 1377 p.
22. Graham Solomons T. W. Fundamentals of organic chemistry. John Wiley and Sons. N. Y. 1982. 827 p.
23. Fessenden R. J., Fessenden J. S. Organic chemistry. 4-th Ed. Brooks/Cole. California. 1990. 1137 p.
Оглавление
Предисловие..
Часть первая…
Ациклические соединения..
Глава 1. Общие положения органической химии………..
Глава 2. Углеводороды
2.1. Алканы………………………………………..
2.1.1. Номенклатура алканов……………………
2.1.2. Способы получения……………………….
2.1.3. Химические свойства…………………….
2.1.3.1. Галогенирование…………………
2.1.3.2. Нитрование……………………….
2.1.3.3. Сульфирование…………………..
2.1.3.4. Окисление………………………..
2.1.3.5. Термолиз…………………………
2.2. Алкены……………………………….
2.2.1. Строение, изомерия, номенклатура…………….
2.2.2. Способы получения……………….
2.2.3. Химические свойства……………..
2.2.3.1. Присоединение серной кислоты……….
2.2.3.2. Гидратация…………
2.2.3.3. Галогенирование……………….
2.2.3.4. Гидрогалогенирование…………
2.2.3.5. Гипогалогенирование…………..
2.2.3.6. Присоединение альдегидов…….
2.2.3.7. Присоединение алленов………..
2.2.3.8. Алкилирование…………………
2.2.3.9. Оксосинтез…………………..
2.2.3.10. Присоединение карбена……….
2.2.3.11. Гидробромирование……………
2.2.3.12. Присоединение ССl4 ……………
2.2.3.13. Радикальное замещение…………
2.2.3.14. Гидрирование……………………
2.2.3.15. Окисление………………………….
2.3. Алкадиены……………………………………………
2.3.1. Методы получения…………………………………..
2.3.2. Химические свойства…………………………
2.3.2.1. Электрофильное присоединение…………..
2.3.2.2. Полимеризация…………………………….
2.3.2.3. Реакция Дильса-Альдера………………….
2.4. Алкины…………………………………………..
2.4.1. Методы получения………………………….
2.4.2. Химические свойства……………………….
2.4.2.1. Гидрирование………………………………
2.4.2.2. Окисление…………………………………..
2.4.2.3. Изомеризация ………………………………
2.4.2.4. Полимеризация………………………………
2.4.2.5. Кислотность………………………………….
2.4.2.6. Галогенирование…………………………….
2.4.2.7. Гидрогалогенирование…………………
2.4.2.8. Гидратация………………………………
2.4.2.9. Присоединение карбоновых кислот………
2.4.2.10. Присоединение спиртов…………………
2.4.2.11. Присоединение карбонильных соединений…………….
2.4.2.12. Присоединение синильной кислоты…………………….
Глава 3. Галогенпроизводные углеводородов………………..
3.1. Моногалогенпроизводные алканов…………………………
3.1.1. Способы получения……………………………………..
3.1.2. Химические свойства……………………………………………
3.1.2.1. Нуклеофильное замещение SN2………………………..
3.1.2.2. Нуклеофильное замещение SN1………………………..
3.1.2.3. Сравнение SN1- и SN2-реакций………………………..
3.1.2.4. Элиминирование………………………………………
3.2. Ди- и полигалогенпроизводные алканов………………..
3.2.1. Изомерия и номенклатура…………………………………….
3.2.2. Способы получения………………………………………….
3.2.3. Химические свойства…………………………………………
3.2.4. Отдельные представители…………………………………….
3.3. Галогенпроизводные непредельных углеводородов……………
Глава 4. Спирты и простые эфиры……………………………………
4.1. Предельные одноатомные спирты…………………………….
4.1.1. Изомерия и номенклатура…………………………………….
4.1.2. Методы получения………………………….
4.1.2.1. Гидрирование альдегидов и кетонов…………………
4.1.2.2. Магний органический синтез………………………….
4.1.2.3. Восстановление карбоновых кислот и сложных эфиров…
4.1.2.4. Алюмоорганический синтез…………………………………
4.1.2.5. Гидроборирование – окисление алкенов………………
4.1.2.6. Другие методы………………………………………….
4.1.3. Химические свойства……………………………….
4.1.3.1. Дегидратация………………………
4.1.3.2. Кислотно-основные свойства……..
4.1.3.3. Замещение гидроксила на галоген………………
4.1.3.4. Образование сложных эфиров…………….
4.1.3.5. Окисление и дегидрирование спиртов………………
4.1.3.6. Взаимодействие с магнийгалогеналкилами……………
4.2. Многоатомные предельные спирты……
4.2.1. Двухатомные спирты…..
4.2.2. Трехатомные спирты….
4.3. Непредельные одноатомные спирты..
4.4. Простые эфиры..
4.4.1. Изомерия и номенклатура…
4.4.2. Способы получения…..
4.4.3. Химические свойства….
Глава 5. Альдегиды и кетоны………….
5.1. Предельные альдегиды и кетоны…………
5.1.1. Номенклатура…..
5.1.2. Способы получения….
5.1.3. Химические свойства..
5.1.3.1. Гидрирование…
5.1.3.2. Окисление….
5.1.3.3. Окисление-восстановление…..
5.1.3.4. Реакции нуклеофильного присоединения….
5.1.3.4.1. Присоединение синильной кислоты…
5.1.3.4.2. Присоединение бисульфита натрия…
5.1.3.4.3. Присоединение реактивов Гриньяра…
5.1.3.4.4. Реакции с аммиаком и его производными…
5.1.3.4.5. Присоединение алкенов…
5.1.3.4.6. Присоединение воды….
5.1.3.4.7. Присоединение спиртов….
5.1.3.5. Полимеризация альдегидов….
5.1.3.6. Обмен кислорода карбонильной группы…
5.1.3.7. Реакции с участием α-водородных атомов…
5.1.3.7.1. Галогенирование…
5.1.3.7.2. Альдольная конденсация…
5.1.3.8. Кето-енольная таутомерия….
5.2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны….
5.3. Кетены….
5.4. Диальдегиды и дикетоны…
Глава 6. Карбоновые кислоты….
6.1. Предельные одноосновные кислоты..
6.1.1. Методы получения..
6.1.2. Физические свойства…
6.1.3. Химические свойства…
6.1.3.1. Кислотность…..
6.1.3.2. Галогенангидриды карбоновых кислот
6.1.3.2. Ангидриды карбоновых кислот…
6.1.3.3. Этерификация. Сложные эфиры…
6.1.3.4. Амиды карбоновых кислот….
6.1.3.5. Амиды карбоновых кислот…
6.1.3.6. Нитрилы карбоновых кислот…
6.1.3.7. Декарбоксилирование….
6.1.3.8. Галогенирование карбоновых кислот в α -положение…
6.2. Непредельные карбоновые кислоты….
6.3. Дикарбоновые кислоты…
6.4. Оксокислоты…….
6.5. Оксикислоты…..
Глава 7. Азотсодержащие органические соединения
7.1. Нитросоединения….
7.2. Амины…
Глава 8. Углеводы….
8.1. Моносахариды….
8.1.1. Восстановление…
8.1.2. Окисление…
8.1.3. Алкилирование….
8.1.4. Этерификация….
8.1.5. Образование озазолов….
8.1.6. Увеличение длины углеродной цепи альдоз….
8.1.7. Уменьшение длины углеродной цепи альдоз…
8.1.8. Превращение альдозы в ее эпимер….
8.2. Глюкоза…
8.2.1. Строение (+)-глюкозы по Фишеру…
8.2.2. Циклическая структура D-(+)-глюкозы..
8.2.3. Определение размера кольца (+)-глюкозы…
8.3. Другие моносахариды…
8.4. Дисахариды….
8.4.1. (+)-Мальтоза…
8.4.2. (+)-Целлобиоза..
8.4.3. (+)-Лактоза..
8.4.4. (+)-Сахароза..
8.5. Полисахариды…
8.5.1. Крахмал…
8.5.1.1. Структура амилозы….
8.5.1.2. Структура амилопектина…
8.5.2. Целлюлоза…
Глава 9. Аминокислоты и белки…
9.1. Аминокислоты….
9.1.1 Стереохимия аминокислот…
9.1.2. Кислотно-основные свойства…
9.1.3. Методы получения аминокислот…
9.1.4. Химические свойства аминокислот…
9.2. Пептиды…
9.3. Белки..
Часть вторая..
Циклические соединения..
Глава 10…
Алициклические соединения..
10.1. Малые циклы..
10.1.1. Способы получения..
10.1.2. Химические свойства…
10.1.3. Кислородсодержащие производные малых циклов..
10.2. Пяти-, шестичленные циклы….
10.2.1. Циклопентан и его производные…
10.2.2. Циклогексан и его производные…
10.2.3. Взаимопревращения циклов….
10.3. Полициклические алифатические соединения…
10.4. Спираны и конденсированные циклические системы..
10.5. Средние и макроциклы..
10.5.1. Производные циклогептана….
10.5.2. Производные циклооктана..
10.5.3. Макроциклы…
10.5.4. Каркасные алициклы..
10.5.5. Терпеноиды…
Ароматический ряд
Глава 11..
Арены…
11.1. Строение бензола…
11.2. Ароматичность….
11.3. Изомерия и номенклатура…
11.4. Способы получения..
11.5. Химические свойства..
Реакции замещения…
11.5.1. Галогенирование..
11.5.2. Нитрование…
11.5.3. Сульфирование…
11.5.4. Алкилирование и ацилирование…
Реакции присоединения..
11.5.5. Гидрирование…
11.5.6. Галогенирование..
11.5.7. Озонирование….
Реакции боковой цепи..
11.5.8. Окисление..
11.5.9. Реакции присоединения к алкенилбензолам..
11.5.10. Закономерности реакций электрофильного замещения..
11.5.10.1. Теория резонанса…
11.5.10.2. Механизм электрофильного замещения в ароматическом ряду….
11.5.10.2.1. Генерирование электрофильных частиц..
11.5.10.2.2. Общий механизм электрофильного замещения..
11.5.10.2.3. Влияние заместителей на скорость замещения…
11.5.10.2.4. Влияние заместителей на ориентацию…
11.5.10.2.5. Передача электронных эффектов при замещении…
Глава 12
Арилгалогениды
12.1. Методы получения..
12.2. Химические свойства..
12.3. Механизм замещения ароматически связанного галогена…
Глава 13
Сульфокислоты…
13.1. Методы получения…
13.2. Химические свойства…
13.2.1. Реакции бензольного кольца..
13.2.2. Реакции сульфогруппы..
13.2.2.1. Кислотность..
13.2.2.2. Образование сульфохлоридов..
13.2.2.3. Сложные эфиры…
13.2.2.4. Сульфамиды..
13.2.3. Замещение сульфогрупы
Ароматические соединения кислорода…
Глава 14
Фенолы
14.1. Одноатомные фенолы..
14.1.1. Методы получения..
14.1.1.1. Гидролиз галогенпроизводных Аренов..
14.1.1.2. Щелочной сплав солей сульфониловых кислот..
14.1.1.3. Замещение диазогруппы на гидроксил..
14.1.1.4. Кумольный метод..
14.1.1.5. Разные реакции…
14.1.2. Химические свойства..
Реакции по гидроксильной группе
14.1.2.1. Кислотность…
14.1.2.2. Образование простых эфиров..
14.1.2.3. Образование сложных эфиров..
14.1.2.4. Отщепление гидроксильной группы..
Реакции по бензольному кольцу
14.1.2.5. Галогенирование…
14.1.2.6. Нитрование..
14.1.2.7. Сульфирование..
14.1.2.8. Алкилирование..
14.1.2.9. Ацилирование..
14.1.2.10. Нитрозирование..
14.1.2.11. Азосочетания..
14.1.2.12. Реакция Кольбе-Шмидта..
14.1.2.13. Реакция Реймера-Тимана..
14.1.2.14. Фенол-формальдегидные смолы..
14.1.2.15. Гидрирование..
14.1.2.16. Окисление…
14.2. Многоатомные фенолы..
14.2.1. Методы получения..
14.2.2. Химические свойства..
14.3. Хиноны..
14.4. Ароматические спирты..
Глава 15
Ароматические альдегиды и кетоны..
15.1. Альдегиды..
15.1.1. Методы получения..
15.1.1.1. Превращения арилметанов …
15.1.1.2. Превращения хлорметильной группы в арилметилгалогенидах…..
15.1.1.3. Восстановление производных карбоновых кислот..
15.1.1.4. Прямое введение альдегидной группы..
15.1.2. Химические свойства…
15.1.2.1. Автоокисление..
15.1.2.2. Конденсации..
15.2. Кетоны..
15.2.1. Способы получения…
15.2.1.1. Ацилирование..
15.2.1.2. Перегруппировка Фриса
15.2.1.3. Присоединение магнийорганических соединений к нитрилам..
15.2.2. Химические свойства..
15.2.2.1. Оксимы кетонов, их стереоизомерия и бекмановская перегруппировка..
15.2.2.2. Реакции α-водородных атомов..
15.3. Карбоновые кислоты..
15.3.1. Методы получения..
15.3.1.1. Окисление ароматических соединений..
15.3.1.2. Гидролиз нитрилов..
15.3.1.3. Ацилирование по Фриделю-Крафтсу..
15.3.1.4. Функционализация ароматических соединений..
15.3.2. Химические свойства..
15.3.2.1. Кислотность..
15.3.2.2. Действие нагревания
15.3.2.3. Участие в реакциях поликонденсации
Ароматические азотсодержащие соединения
Глава 16
Нитросоединения
16.1. Получение нитросоединений нитрованием..
16.2. Химические свойства…
16.2.1. Восстановление…
16.2.2. Влияние нитрогруппы на реакционную способность на реакционную способность других функциональных групп….
16.2.3. Комплексообразование с ароматическими углеводородами..
Глава 17
Амины
17.1. Методы получения..
17.1.1. Восстановление нитросоединений..
17.1.2. Аминирование галогенпроизводных.
17.1.3. Расщепление по Гофману..
17.1.4. Алкилирование и арилирование аминов..
17.2. Химические свойства…
Реакции по аминогруппе
17.2.1. Основность..
17.2.2. Реакция с азотистой кислотой..
17.2.3. Окисление..
Реакции с участием бензольного кольца
17.2.4. Галогенирование..
17.2.5. Нитрование..
17.2.6. Сульфирование..
17.3. Соли диазония..
17.3.1. Методы получения..
17.3.2. Химические свойства..
Реакции с выделением азота
17.3.2.1. Замещение на галоген..
17.3.2.2. Замещение на циано- и нитрогрппы
17.3.2.3. Замещение на гидроксил..
17.3.2.4. Замещение на водород…
17.3.2.5. Особенности реакций замещения диазогруппы
Реакции без выделения азота
17.3.2.6. Реакции азосочетания..
17.3.2.7. Восстановление..
Глава 18
Полициклические ароматические соединения
18.1. Ароматические соединения с изолированными бензольными кольцами…
18.1.1. Группа дифенила…
18.1.2. Полифенилалканы..
18.2. Ароматические соединения с конденсированными бензольными кольцами….
18.2.1. Нафталин..
18.2.2. Антрацен и фенантрен..
Глава 19
Гетероциклические соединения
19.1. α-Окиси олефинов..
19.2. Гетероциклические ароматические соединения..
19.2.1. Фуран…
19.2.2. Пиррол..
19.2.3. Индол..
19.2.4. Тиофен..
19.2.5. Пиридин..