Основы синтеза органических соединений

"Основы синтеза органических соединений" Введение Органический синтез - раздел органической химии, в котором рассматриваются пути и методы искусственного создания органических соединений в лаборатории и промышленности. Широко применим в лабораторных условиях (главным образом для исследовательских целей) и в промышленности. Успешное развитие органического синтеза началось после разработки теории химического строения и накопления сведений о химических свойствах органических соединений (2-я пол. 19 в.). С этого времени органический синтез как основной источник новых органических соединений играет фундаментальную роль в становлении органической химии как науки и в ее дальнейшем развитии, обеспечивая постоянно расширяющийся круг изучаемых объектов. Развитие органического синтеза в 20 в., особенно в последние десятилетия, характеризуется все возрастающим вниманием к синтезу природных соединений и их аналогов, значительным укреплением методической базы (созданием надежных синтетических методов), началом создания самостоятельной теории органического синтеза. Осуществление синтеза витамина сложнейших В12, природных биополимеров), соединений создание (например материалов с хлорофилла, необычными свойствами (например так называемые органические металлы) показывает, что для современного органического синтеза практически не существует неразрешимых задач. В реферате рассмотрены вопросы, касающиеся планирования органического синтеза, т.е. выбора оптимального пути получения соединения с заранее заданной структурой. Конкретные методы синтеза – образование новой связи С–С, введение функциональных групп и другое. Обычно синтез целевого соединения осуществляют из относительно простых и доступных (т.е. выпускаемых промышленностью) исходных веществ. Как правило, при синтезе сложных веществ путь от исходных 2 соединений к целевому разбивается на ряд этапов (стадий), на каждом из которых происходит образование одной – двух связей (фрагментов) будущей молекулы или подготовка к образованию таких связей. Осуществление органического синтеза сопряжено с решением двух основных вопросов: 1) разработка общего плана синтеза, т.е. выбор оптимальных исходных соединений и последовательности стадий, ведущих кратчайшим путем к целевому продукту (стратегия синтеза); 2) выбор (или разработка новых) синтетических методов, обеспечивающих возможность построения необходимой связи в определенном месте собираемой молекулы (тактика синтеза). Основу тактики органического синтеза составляют различные синтетические методы, каждый из которых представляет собой стандартную совокупность одной или нескольких реакций и приемов выделения продуктов, которые обеспечивают возможность построения или разрыва определенного типа связи (или связей), необходимой для синтеза целевого соединения. Важные характеристики эффективного синтетического метода – общность (слабая зависимость результата от конкретных особенностей структуры исходных соединений), селективность (участие в основных реакциях метода лишь определенных функциональных групп) и высокие выходы продуктов. Типичным примером эффективного синтетического метода может служить синтез олефинов по Виттигу (реакции 1–3) из алкилгалогенидов и карбонильных соединений: 3 Основные методы органического синтеза можно разбить на три группы: 1) конструктивные, ведущие к образованию новых связей С–С, назначение которых – построение скелета будущей молекулы (например, реакция Гриньяра, реакция Фриделя-Крафтса, цикло – присоединение); 2) деструктивные, ведущие к разрыву определенных связей С–С с целью удаления той или иной группировки из молекулы после того, как ее роль в синтезе сыграна (например, декарбоксилирование, периодатное окисление диолов); 3) методы трансформации функциональных групп. Последнее важно для введения в молекулы исходных или промежуточных соединений функциональных групп и их защиты, требующихся для осуществления очередной конструктивной реакции, а на заключительных стадиях синтезадля введения необходимых функциональных групп в целевое соединение. 4 Алкилирование и ацилирование Реакция Шоттена-Баумана, ацилирование спиртов или аминов хлорангидридами карбоновых к-т в присут. водного р-ра щелочи или соды (акцепторов образующегося НС1): RCOOR' + NaCl + Н2О RCOC1 + H2NR' RCOC1 + HOR' + NaOH + Na2CO3 RCONHR' + NaCl + CO2 + H2O В качестве акцепторов НС1 применяют также NaHCO3, CaO, MgO, CH3COONa. Ацилирующими трудногидролизуемые агентами хлорангидриды обычно ароматических к-т являются (например, бензоилхлорид), а также хлорангидриды высших алифатических к-т (С10-С18). При ацилировании спиртов выход сложных эфиров повышается с понижением температуры реакции за счет снижения гидролиза хлорангидрида и отчасти эфира. Чтобы избежать местных перегревов, хлорангидрид прибавляют небольшими порциями к р-ру спирта в водной щелочи при эффективном перемешивании. Поскольку реакционная среда должна оставаться слабощелочной до конца р-ции, хлорангидрид и щелочь берут с 20–25%-ным избытком. Эти же правила применимы и для ацилирования Ацилирование AlkCOCl) аминов. легкогидролизующимися проводят в инертных Выходы 60–95%. хлорангидридами (СОС12, растворителях (диэтиловый эфир, хлороформ, бензол) в присутствии мелкоизмельченного порошка щелочи или соды. Аналогично спиртам в р-цию вступают тиолы: RCOC1 + HSR' + NaOH RCOSR' + NaCl + Н2О 5 Ш.-Б. р. используют для лабораторного и промышленного получения разложение сложных эфиров и амидов, например бензанилида C6H5NHCOC6H5. Реакцию применяют в аналитической практике для идентификации хлорангидридов в виде их анилидов и аминов в виде бензоильных производных. Метод впервые применен К. Шоттеном в 1884 для ацилирования аминов и Э. Бауманом в 1886 Модификация Ш.-Б. р. – метод для ацилирования спиртов. Айнхорна, в к-ром вместо щелочи используют пиридин, служащий одновременно растворителем и акцептором НС1: Метод находит широкое применение благодаря мягким условиям синтеза и высокой ацилирующей способности пиридиниевой соли. В ряде случаев вместо пиридина используют третичные амины, например (C2H5)3N или (CH3)2NC6H5. Алкилирование, введение алкильной группы в молекулу органического соединения, а также получение алкильных производных химических элементов. Наиб. часто в качестве алкилирующих агентов используют алкилгалогениды, алкены, эпоксисоединения, спирты, реже – альдегиды, кетоны, эфиры, сульфиды, диазоалканы. Алкилирование изопарафиновых и ароматических углеводородов проводят: в жидкой фазе в инертном растворителе при температурах до 100 °С и давлении, необходимом для поддержания жидкофазного состояния; в паровой фазе с применением гетерогенных катализаторов при 200–350 °С и давлением 0,3–3,5 МПа. Например, алкилирование триметилметана бутеном осуществляют в жидкой фазе при 0–10 °С (кат. – Н25О4) или – 10 °С (HF), 6 алкилирование бензола этиленом- в жидкой фазе при 90–100 °С (А1С13) или паровой фазе при 250 °С и давлением 3,5 МПа (BF3), алкилирование бензола пропиленом- в жидкой фазе при 50 °С и давлением 0,7 МПа (HF) или паровой фазе при 300 °С и давлением 0,3–1,0 МПа (H3P04/Si02). О – алкилирование проводят при температурах не выше 100 С в воде или органических растворителях, например: N – алкилирование аминов спиртами осуществляют в газовой фазе в присутствии кислотных катализаторов при 200–300 °С, напр.: Получение алкильных производных металлов проводят в присутствии меди, например: Алкилирование углеводородов сопровождается полиалкилированием, изомеризацией и полимеризацией. Так, при этилировании бензола по р-ции Фриделя – Крафтса, кроме этилбензола, образуются ди- и полиэтилбензолы. Полиалкилирование объясняется лучшей растворимостью в образующемся каталитическом комплексе алкилатов по сравнению с исходным в-вом. При 7 использовании в качестве растворителя нитрометана идет преимущественное образование моноалкилпроизводных. Для увеличения выхода моноалкилпроизводных уменьшают мольное соотношение олефин: бензол, а также проводят рециркуляцию полиалкилпроизводных, в результате которой идет их деалкилирование. Механизм алкилирования наиболее подробно изучен на примере С-и О – алкилирования реакции с участием алкилгалогенидов, спиртов, сложных эфиров протекают следующим образом: Поскольку третичные алкилгалогениды ионизируются легче всего, вторичные – труднее, а первичные практически не ионизируются, вероятность образования соответствующих карбкатионов уменьшается в том же ряду. Такое же влияние строения алкилирующего агента отмечено при О – алкилировании, которое в целом протекает как нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода: 8 Помимо приведенных выше реакций, алкилирование применяют в лабораторной карбонильных практике для соединений, получения алкильных дикарбонильных производных соединения, при хлорметилировании ароматических углеводородов: Алкилирование широко применяется в промышленности, в частности для получения алкилата, этилбензола, изопропилбензола, высших алкилбензолов. Реакции конденсации Исторически закрепившееся в органической химии название большой группы реакций различного характера. В более узком значении – внутри- и межмолекулярные процессы образования новой связи С–С в результате взаимодействия двух или более молекул органических соединений. Реакции конденсации можно разбить на след. группы: 1. Замещение атома или группы атомов с отщеплением простой неорганической или органической молекулы: 9 В качестве конденсирующих агентов используют в-ва, которые связывают отщепляющиеся соединения, образуют реакционноспособные промежуточные продукты или действуют как катализаторы. Реакции конденсации с отщеплением воды могут проходить по одной из след. схем: Схеме (1) соответствуют алкилирование ароматических и непредельных соединений спиртами, автоконденсация жирных спиртов, например: По схеме (2) протекают кротоновая конденсация и многочисленные родственные процессы, например Перкина реакция, Кнѐвенагеля реакция и др.; по схеме (З) – многие синтезы ряда трифенилметана, например: 10 Отщепление воды катализируется обычно кислотами и основаниями, такими, как H2SO4, HCl, АlСl3, ZnCl2, NaOH, NaOR, NaNH2, NaH, RNH2. Некоторые реакции, сопровождающиеся образованием связи углерод– гетероатом или гетероатом–гетероатом, также относят к реакциям конденсации, например: Под действием металлов реакции конденсации происходят с отщеплением атомов галогена от двух молекул орг. галогенида (Вюрца реакция, Ульмана реакция). Реакции конденсации с отщеплением водорода могут осуществляться пиролитически либо под действием окислителей, например: Ряд процессов реакции конденсации сопровождается отщеплением молекул орг. соединения, например спиртов. К этому типу принадлежат сложноэфирная конденсация, Клайзена конденсация, Дикмана реакция. Конденсирующие агенты – щелочные металлы, орг. и неорг. основания. Обычно к К. р. не относят этерификацию, переэтерификацию, алкилирование 11 и ацилирование по гетероатомам, однако происходящие по этим схемам процессы образования полимеров называют поликонденсацией. 2. Присоединение молекулы органического соединения по кратной связи другой молекулы: Сюда относят, например, многочисленные случаи альдольной конденсации, зачастую представляющей собой предварительную стадию кротоновой конденсации, Михаэля реакцию, бензоиновую и ацилоиновую конденсации, диеновый синтез, а также реакции гидро- и карбометаллирования олефинов и ацетиленов. Диазотирование Способ получения ароматических диазосоединений, заключающийся обычно в действии NaNO2 на первичные ароматические амины в присутствии минеральной к-ты НХ: Диазотирование проводят в воде, концентрированных кислотах, реже – в неводных средах. Поскольку реакция экзотермична, а диазосоединения при нагревании легко разлагаются, реакционная смесь обычно охлаждают, поддерживая температуру в интервале 0–10 °С. При недостатке кислоты могут образовываться диазоамино- и аминоазосоединения. Производные оаминонафтолов при диазотировании окисляются; для предотвращения этого 12 в реакционную смесь добавляют соли Сu или Zn. Механизм диазотирования включает нитрозирование свободного амина с последующим отщеплением Н2О от катиона N-нитрозаммония (I) или ОН – от N-нитрозамина (II): Нитрозирующий агент NOX образуется по р-ции: NO2- + + 2Н+ + Х- D NOX + Н2O, где X = ОН, ОС(О) CН3, OSO3H, NO2, Hal и др. (X расположены в порядке возрастания активности NOX). Наиболее активный агент – свободный нитрозоний – катион NO+; он образуется только в концентрированной серной или хлорной к-те. Если NOX образуется быстрее, чем катион N – нитрозаммония, скорость диазотирования зависит от концентрации амина. Чем ниже кислотность среды, тем выше концентрация NO2- и ОН-, а следовательно, и концентрация малоактивных частиц N2O3 и HNO2, в результате чего скорость диазотирования должна снижаться. Однако одновременно увеличивается концентрация свободного амина, что приводит к увеличению скорости диазотирования. С увеличением кислотности среды, как правило, увеличивается концентрация наиболее активных NOX, однако уменьшается концентрация свободного амина, что приводит к снижению скорости диазотирования. Поэтому в слабокислой среде диазотируют более основные амины, в сильнокислой – менее основные, в концентрированной H2SO4 с помощью нитрозилсерной к-ты – амины крайне низкой основности (например, полинитроанилины). Чтобы увеличить скорость последней р-ции, среду разбавляют ледяной СН3СООН, сдвигая равновесие в сторону образования свободного амина. При диазотировании обычно к р-ру или мелкодисперсной суспензии соли амина в к-те прибавляют NaNO2, взятый с небольшим избытком. При использовании плохо растворимых аминосульфокислот к слабощелочному р-ру амина, содержащему NaNO2, 13 прибавляют соляную к-ту. Для выделения галогенидов диазония процесс ведут в абсолютном спирте или ледяной СН3СООН, используя http://www.xumuk.ru/encyklopedia/909.html водородные соли амина и в качестве диазотирующего агента – промышленности используют алкилнитриты. анализаторы Для с контроля электро – р-ции в химической индикацией избыточной HNO2. Анализатор связан с автоматическим дозиметром, регулирующим прибавление к-ты, NaNO2 и амина таким образом, чтобы не возникал избыток нитрозирующего агента. диазотирования – первая стадия синтеза азокрасителей, а также р-ций Зандмейера, Гомберга, Шимана, Гаттермана, Несмеянова, Барта, Меервейна. Диазотирование открыто П. Гриссом в 1858. Нитрование Введение нитрогруппы – NO2 в молекулы органических соединений. Может проходить по электрофильному, нуклеофильному и радикальному механизмам; активные частицы в этих реакциях – соответственно катион нитрония NO2, нитрит-ион NO2 и радикал NO2. Нитрование может осуществляться по атомам С, N, О замещением атома водорода (прямое нитрование) или других функциональных групп (заместительное нитрование) либо в результате присоединения группы NO2 по кратной связи. Электрофильное нитрование. Среди электрофильных нитрующих агентов доминирующее положение занимает HNO3. Безводная и конц. HNO3 способны к самопротонированию: 2HNO3 [Н2NО3]+ + NO3- NО2+ + NO-3 + H2O. Присутствие воды снижает концентрацию NO+2 и в 93 – 95%-ной HNO3 спектрофотометрически он уже не обнаруживается. Для увеличения нитрующей активности HNO3 используют ее смеси с H2SO4 или олеумом, крые генерируют NO2, связывая воду: 14 В безводной H2SO4 при содержании HNO3 меньше 10% равновесие полностью сдвинуто вправо. Применяют также комбинации HNO3, разложение оксидов азота и органических нитратов с кислотами Льюиса (АlСl3, ZnCl2, BF3 и др.); сильным нитрующим действием обладает смесь HNO3 с (СН3СО)2О благодаря образованию ацетилнитрата и N2O5 (последний при содержании в смеси более 90% HNO3 полностью диссоциирует на NO+2 и NO-3); перспективны также смеси HNO3 с безводным SO3 или N2O5. Вместо HNO3 можно применять ее соли, однако в промышленности такой метод не используют из-за осложнения процесса регенерации отработанных к-т. В случае слабой взаимной р-римости нитрующего агента и субстрата, а также для уменьшения побочных процессов нитрование проводят в органических ррителях, например нитрометане, сульфолане, уксусной к-те; полярные ррители способствуют диссоциации [H2NO3]+ и тем самым увеличивают концентрацию NO2. В лабораторной практике широко используют апротонные нитрующие агенты (нитраты, соли нитрония, полинитросоед. и др.), активность которых в реакциях электрофильного нитрования увеличивается в ряду: AlkONO 2 < (CH3)2C(CN) ONO2 < < RC(N02)3 RN(N02)2 < NO2F < CH3COONO2 < < N2O5 < NO2+X-. Субстратами для электрофильного нитрования служат ароматические и гетероциклические соединения, олефины, относительно сильные СН – кислоты, амины, спирты. Нитрование ароматического соединения протекает по схеме: 15 Возможно также образование s-комплекса, в котором группа NO2 связана с атомом углерода кольца, несущим заместитель. Соединения с электронодопорными заместителями более реакционноспособны и нитруются в орто- и пара-положения, а с электроноакцепторными – в метаположение. В промышленности для нитрования ароматических соединений применяют в основном смесь HNO3 и H2SO4 (выход нитропродуктов ~ 90– 95%). Основная побочная р-ция – окисление, приводящее, как правило, к деструкции ароматического кольца. В зависимости от реакционной способности субстрата условия нитрования варьируют в широких пределах – от водной HNO3 при 0 °С (обязательно присутствие оксидов азота) до дымящей HNO3 в олеуме при повышенных температурах. При низких температурах с высокой скоростью протекает нитрование ароматических соединений солями нитрония; при этом часто лимитирующая стадияскорость растворения соли нитрония. Используют также заместительное нитрование – замещение сульфо-, диазо- и др. функциональных групп. Этим приемом пользуются, в частности, в случаях, когда невозможно прямое нитрование. Нитрование олефинов апротонными нитрующими агентами в зависимости от условий и строения реагентов может идти по разным направлениям, включая отщепление Н+, присоединение элементов р-рителя и противоиона, полимеризацию и др., например: 16 При нитровании олефинов тетранитрометаном в зависимости от строения олефина образуются либо алифатическое полинитро – соединение, либо производные изоксазолидина, например: Некоторые СН – кислоты при нитровании образуют анионы соответствующих нитросоединений; например, при действии на флуорен этил – нитрата в присутствии С, Н5ОК образуется К – соль 9-нитро-флуорена, примером нитрования карбанионов может служить также превращение солей моно- и динитросоединений соответственно в геминальные ди- и тринитропроизводные при действии FNO2. Соединения с активированной метиленовой группой можно нитровать и в кислых условиях; например, при обработке диэтилмалоната HNO3 образуется нитродиэтилмалонат, нитрование в аналогичных условиях 1,3 – индандиона с последующим щелочным гидролизом образующегося a – нитрокетона – удобный метод синтеза первичных нитроалканов: Электрофильное нитрование аминов в отличие от нитрования по атому С – обратимый процесс и протекает по схеме: 17 В промышленности нитрование аминов проводят кислыми нитрующими агентами (конц. HNO3 или ее смесями с H2SO4, уксусной к-той или ангидридом). Слабоосновные амины и амиды нитруются с высокими выходами. Высокоосновные амины (первичные и вторичные), протонирующая форма которых не реагирует с NO2+, превращают либо в амиды, которые нитруют и затем снимают защитную ацильную группу щелочным гидролизом, либо в N-хлорамины; в последнем случае нитрование проводят в присутствии катализаторов (НСl, ZnCl2). Нитрование третичных аминов конц. HNO3 или ее смесью с уксусным ангидридом сопровождается разрывом связи С– N (такой тип нитрирования называется нитролизом). Эту реакцию широко используют в промышленности, например для получения гексагена и октогена из уротропина. Жирно – ароматические амины типа ArNHR часто нитруются в ядро, что происходит в результате непосредственного нитрования по атому С или перегруппировки N-нитропроизводного; при этом группа NO2 вступает в ортo – положение к аминной функции. В ряде случаев нитрования по атому N проводят через стадию образования соли. Для этого амин обрабатывают разб. HNO3 и на образовавшийся нитрат действуют конц. HNO3 или уксусным ангидридом: В лабораторных условиях заместительное нитрование ацетамидов, сульфамидов, уретанов, имидов или их солей проводят в апротонной среде апротонными нитрующими агентами, например солями нитрония: 18 Из первичных аминов можно синтезировать N, N-дини-троамины, которые, в свою очередь, являются нитрующими агентами. Спирты нитруют любыми нитрующими агентами, содержащими NO+2 (в кислых средах р-ция обратима), например: RCH2OH + NO2+XRCH2ONO2 + НХ. Нуклеофильное нитрование осуществляют солями HNO2: В реакцию вступают алкилгалогениды, в основном бромиды и иодиды, a-галогенкарбоновые к-ты и их эфиры, алкилсульфаты. В качестве нитрующих агентов используют нитриты щелочных металлов в апротонных диполярных р-рителях или проводят нитрование в присутствии краун – эфиров. Побочные продукты реакции – органические нитриты, что связано с двойственной реакционной способностью NO-2. Реакцию используют для получения алифатических нитросоединений. Радикальное нитрование. Характерно в основном для парафинов и олефинов. Источником NO.2 служат HNO.3 и оксиды азота. Нитрование парафинов проводят разб. HNO3 под давлением при повышенной температуре (Коновалова реакция). Р-ция нитрования протекает по схеме: 19 Наряду с нитрованием идет также процесс окисления, связанный с взаимодействием NO.2 с орг. радикалом по атому кислорода. Наиболее легко протекает нитрование по третичным атомам углерода, трудно – по первичным. В промышленности нитропарафины получают жидкофазным и парофазным нитрованием смеси парафинов. Жидко-фазное нитрование проводят HNO3 при нормальном или повышенном давлении и температуре выше 180 °С, или оксидами азота при давлении 2–4,5 МПа, 150–220 °С, время контакта ~15 с. В этих условиях линейные углеводороды нитруются быстрее, чем их разветвленные изомеры. Парофазное нитрование (метод Хэсса) осуществляют HNO3 при давлении 0,7–1,0 МПа, 400–500 °С, время контакта ~ 1 с. Побочные процессы – деструкция углеводородной цепи и окисление. Эти методы используют также для нитрования алифатических боковых цепей жирно – ароматических соединений (р-цию проводят в присутствии катализаторов – О2, О3, галогенов и др.), Нитрование непредельных соединений HNO3 приводит к формальному замещению атома водорода у sp2-гибридизованного атома углерода на группу NO2. Условия нитрования зависят от строения непредельных соединений. Обычно применяют 70–80%-ную HNO3 или разб. HNO3 в присутствии оксидов азота. Галогенирование (галоидирование) Введение галогена в молекулу орг. соединения. Осуществляют путем рций замещения (заместительное галогенирования) или присоединения (присоединительное галогенирование). Заместительное галогенирование. При действии галогенов на насыщ. углеводороды (металепсия) процесс протекает при инициировании светом по свободнорадикальному цепному механизму, например: 20 По свободнорадикальному механизму идет также галогенирование углеводородных цепей жирноароматических соединений. В присутствии к-т Льюиса р-ция протекает по электрофильному механизму, напр.: Галогенирование алифатических карбоновых к-т в -положение проводят с помощью С12 или Вг2 в присутствии красного Р (ГелляФолъгарда-Зелинского реакция). Замещение водородных атомов в алифатических и жирноароматических карбонильных соединений идет через присоединение галогена к фенольной форме, например: Действием бромсукцинимида, N – в галогенамидов, присутствии главным пероксидов образом N – осуществляют свободнорадикальное галогенирование олефинов, жирноароматических и гетероароматических соединений по метальной или метиленовой группе, соседней с двойной связью или циклом (Воля – Циглера реакция). 21 Замещение атомов Н на F с образованием полифторзамешенных соединений проводят путем электрохимеского фторирования в безводном HF (р-ция Саймонса), действием CoF3 и др. Заместительное галогенирование в ядро ароматических и гетероароматических соединений протекает по механизму электрофильного замещения; обычно его осуществляют с использованием катализаторов (гл. обр. апротонных или протонных к-т), например: Если в ядре этих соединений присутствуют пассивирующие заместители, процесс можно проводить действием катиона галогена, образующегося из молекулярного галогена и соли Ag в среде сильной протонной к-ты (р-ция Биркенбаха-Губо-Уотерса), например: Замещение на галоген атомов, отличных от водорода, или группы атомов осуществляется чаще всего по нуклеофильному механизму. В алифатических соединениях для замены атомов галогенов на иод используют Nal (Финкелъштапна реакция), а на фтор-SbF3 (р-ция Свартса). Группы ОН замещают на хлор или бром действием соответствующих галогеноводородов, тригалогенидов или оксигалогенидов фосфора, а также тионилгалогенидов, а на фтор – действием диэтил – 1,1,2 – трифтор-2-хлорэтиламина или SF4. Карбоксильную группу замещают на С1, Вг или I действием на серебряные соли карбоновых к-т соответствующего галогена (Бородина – Хунсдиккера 22 реакция). Заменой карбонильного кислорода в альдегидах или кетонах на галоген (например, с помощью РС15, PBr5, SF4, MoF6) получают геминальные галогензамещенные. В ароматическом ряду для получения галогензамсщеиных используют замену групп NH2 на С1, Вr или I каталитическим разложением соответствующих солей диазония в присутствии порошка Сu (Гаттермана – Коха реакция) или действием солей Сu (Зандмепера реакция), а на F-разложением гидрофторидов галогенирования ароматические диазония и (Шимана реакция). гетероароматические Для соединения используют также р-цию замещения (в т.ч. обмен галогенов), протекающую по механизму присоединения-отщепления с промежуточным образованием анионных комплексов, напр.: Присоединительное галогенирование. К ароматическим и гетероароматическим соединениям галоген присоединяется, как правило, по радикальному механизму под действием света или при нагревании, например: Если цикл активирован, р-ция может протекать по ионному механизму, к-рый включает стадию присоединения аниона галогена к промежуточно образующемуся в процессе электрофильного например: 23 замещения комплексу, Присоединение галогенов по кратной связи происходит по электрофильному или радикальному механизму. Его можно осуществлять действием галогсноводородов, гипогалогенитов. нарушаться В правило случае межгалогенных электрофильного Марковникова, что соединений присоединения обусловлено или может образованием промежуточного мостикового катиона, например: Сульфирование (сульфонирование). Введение сульфо – группы SO2OH в молекулу орг. соединения; в широком смысле сульфирование – введение группы SO2X (X = ОН, ONa, OAlk, OAr, Hal, NAlk2 и т.п.). О введении группы SO3H с образованием связей О–S (О – сульфирование, сульфатирование, сульфоэтерификация). Процесс, обратный сульфированию (удаление группы SO2X из молекулы орг. соединения), называется 24 десульфированием (десульфонированием). Сульфирование осуществляют прямым путем с использованием сульфирующих агентов либо косвенным путем, например введением сульфогруппы в составе сульфоалкильных фрагментов (СН2)nSО2Х. Сульфирующие агенты: H2SO4, SO3 и его комплексы с орг. соединениями (эфирами, третичными аминами и фосфинами, амидами карбоновых кислот, триалкилфосфатами галогенсульфонрвые и и сульфаминовые др.), к-ты, олеум, SOCl2, диалкилсульфаты, ацилсульфаты. Сульфирование ароматических углеводородов протекает по механизму электрофильного замещения: Реакцию осуществляют как в паровой, так и в жидкой фазе (р-рители: SO2, СС14, хладоны и т.п.). При сульфировании серной к-той для смещения равновесия вправо применяют избыток к-ты или связывают воду добавлением олеума, азеотропной отгонкой и т.п. Соединение с электронодонорными заместителями более реакционноспособны и сульфируются преимущественно в орто- и параположения; соединения с электроноакцепторными заместителями- в метаположение. В большинстве случаев при сульфировании замещенных бензолов образуются смеси изомеров, соотношение к-рых зависит от природы заместителя, сульфирующего реагента и условий р-ций (концентрации реагентов, т-ры, р-рителя, наличия катализаторов и т.д.). Путем подбора оптимальных условий возможно селективное сульфирование. Так, сульфирование толуола серной к-той при 20 °С приводит к равным колвам о- и n-толуолсульфокислот, а при, использовании SO3 в тех же условиях – исключительно к n-изомеру; при сульфировании фенола на холоду преимущественно образуется о-фгнолсульфокислота, тогда как при 100 °С25 n-фенолсульфокислота. Как правило, подобные различия обусловлены превращением одних изомеров в другие, термодинамически более стабильные, благодаря изомеризации или обратимости сульфирования. Например, нафталин при температурах ниже 100 °С первоначально образует a-наф-талинсульфокислоту, к-рая во времени превращается в b-изомер в результате последовательного Сульфирование при десульфирования 160 °С приводит – ресульфирования. исключительно к b-нафталинсульфокислоте. Для сульфирования гетероциклических соединений (фуран, пиррол, тиофен, индол и др.) используют комплексы SO3 с диоксаном или пиридином. Эти же реагенты применяют для сульфирования алифатических соединений, содержащих сильные электроноакцепторные группы; при этом образуются, как правило, a-сульфопроизводные: X = СНО, COR:, COOH, CN, NO2, SO3H и др. Повышение СН-кислотности алифатических соединений способствует тому, что последующее сульфирование протекает более однозначно, чем моносульфирование. Например, ацетальдегид и уксусная к-та с высоким выходом образуют соответствующие да- и трисульфосоединения: СН3СНО + 2SO3·Диоксан: (HSO3)2CHCHO Легко реагируют с SO3 и его комплексами алкены, которые образуют в зависимости от структуры и условий b- или d-сультоны (см. Сулътоны) либо a, b- или b, g-ненасыщ. сульфокислоты, а также b-гидроксисульфокис-лоты, напр.: 26 Прямое С. алканов протекает с трудом и сопровождается, как правило, окислением. Подобные р-ции редко используют для препаративных целей, но находят им практич. применение для С. полимеров, напр. полиэтилена, с целью их модификации. Значительно легче сульфируются углеводороды при совместном действии SO2 и О2 (сульфо-окисление), а также SO2 и Сl2 (сульфохлорирование). Обе р-ции имеют радикальный характер и инициируются пе-роксидами, УФ или g-облучением: Эти процессы имеют важное значение в пром. произ-ве ПАВ. Для С. орг. соединений широко используют H2SO3 и ее производные. Гидросульфиты присоединяются к альдегидам и кетонам (р-ция 1), а также в условиях радикального инициирования к алкенам и алкинам (2,3); взаимод. с трифенил- и три (n-толил) карбинолами (4); реагируют с оксиранами, тииранами с раскрытием кольца (5): 27 Диазоалканы сульфируют SO2 в присутствии воды, спиртов, тиолов и аминов (6), последоват. действие SO2 и галогена на реактивы Гриньяра приводит к сульфонил-галогенидам (7): К косвенным методам С. относят сульфометилирование, сульфоэтилирование и т.д., напр.: Амины. N-ОКСИДЫ (N-окиси аминов). Производные третичных аминов и гетероароматич. соединений, содержащие семиполярную связь –О- Большинство хорошо раств. в воде, ограниченно-в неполярных орг. р-рителях. Образуют с к-тами устойчивые кристаллич. соли R3 OHX- Расположение четырех тетраэдрическое. 28 заместителей у атома азота Свойства n-оксидов аминов Показатель Т. пл., °С Т. кип., °С *10-30, Кл-м рКа Потенциал полуволны (СН3Ь -O-212,0 С6Н5(СН3)2 -O С5Н5 -O-65,6 – 154,0 100* 16,7 16,15 14,11 4,65 4,21 1,90 -0,456 -0,705 – 1,278 930–970 – 1230–1320 восстановления, В v( ->O-), см-1 А.о.-более слабые основания, чем исходные амины. Их основные св-ва определяются отрицат. зарядом на кислороде, по к-рому происходит как присоединение протона, так и алкилирование. При действии арилгалогенидов образуются соли тетразамещенного гидроксиаммония, разлагающиеся при обработке щелочью: При ацилировании А.о. происходят след. превращения: При нагр. алифатич. А. о. образуют замещенные гидроксиламины (перегруппировка Майзенхаймера) или олефины (перегруппировка Коупа), напр.: 29 где R – Alk, Ar; R' = СН2С6Н5, СН(С6Н5)2, СН2СН=СН2. А. о. восстанавливаются до аминов гидрированием на Ni или Pd, а также действием производных трехвалентного фосфора, напр. (С6Н5bР- В электронной системе цикла гетероциклич. А. о. группа –О – может играть роль как донора, так и акцептора электронов. Поэтому А. о. такого типа вступают в р-ции электроф. и нуклеоф. замещения легче, чем соответствующие амины. Ацилирование гетероциклич. А. о. происходит след. образом: N-Оксиды пиридина и его гомологов, производных хинолина нитруются до 4-нитропроизводных. При р-ции с РОС13, РС15, SOC12 образуются 1- и 4-хлорпроизводные, с ангидридами и галогенангидридами кт-2-ацилоксипроизводные с металлоорг. соед. – 2-алкилпроизводные, с анионом CN- в присут. хлористого бензоила-4-цианпиридин. Общий метод получения А.о.-окисление третичных аминов действием Н2О2 в нейтральной (алифатич. амины) или кислой (ароматич. амины) средах, реже – озоном или надкислотами (азотистые гетероциклы). Применяется также исчерпывающее алкилирование гидроксиламина и его производных, 30 циклизация нитро- и нитрозосоединений. Методы анализа А. о. основаны на восстановлении группы – О – (потенциометрия). Алифатич. А.о.-ПАВ в космети-ке и парфюмерии, коагулирующие и желатинизирующие агенты, ингибиторы полимеризации, р-рители целлюлозы. Нек-рые А. о. обладают противомикробной и противогрибковой активностью. 31