Методы органического синтеза

 

 

 

 

 

 

 

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, к-рые генерируют NO2, связывая воду:

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 р-рителях, например нитрометане, сульфолане, уксусной к-те; полярные р-рители 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: AlkONO2 < (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:

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 мета-положение. 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 стадия-скорость 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:

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:

 

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:

 

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+X- RCH2ONO2 + 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

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 р-ций 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:

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 (Гелля-Фолъгарда-Зелинского реакция). Замещение водородных атомов в алифатических и жирноароматических карбонильных соединений идет через присоединение галогена к фенольной форме, например:

Действием N – галогенамидов, главным образом N – бромсукцинимида, в присутствии пероксидов осуществляют свободнорадикальное галогенирование олефинов, жирноароматических и гетероароматических соединений по метальной или метиленовой группе, соседней с двойной связью или циклом (Воля – Циглера реакция).

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 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 диазония (Шимана реакция). Для галогенирования ароматические и гетероароматические 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 замещения комплексу, например:

Присоединение галогенов по кратной связи происходит по электрофильному или радикальному механизму. Его можно осуществлять действием галогсноводородов, межгалогенных соединений или гипогалогенитов. В случае электрофильного присоединения может нарушаться правило Марковникова, что обусловлено 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 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 и др.), олеум, SOCl2, галогенсульфонрвые и сульфаминовые к-ты, 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 пара-положения; соединения с электроноакцепторными заместителями- в мета-положение. 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 кол-вам 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 °С-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 десульфирования – ресульфирования. Сульфирование при 160 °С приводит исключительно к b-нафталинсульфокислоте.