Реферат: Методы органического синтеза

"Методы органического синтеза"

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 сложнейших природных соединений (например хлорофилла, витамина В₁₂ , биополимеров), создание материалов с 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 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:

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 синтеза-для введения необходимых функциональных групп в целевое соединение.

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):

RCOC1 + HOR' + NaOH RCOOR' + NaCl + Н₂ О RCOC1 + H₂ NR' + Na₂ CO₃ RCONHR' + NaCl + CO₂ + H₂ O

В качестве акцепторов НС1 применяют также NaHCO₃ , CaO, MgO, CH₃ COONa. Ацилирующими агентами обычно являются трудногидролизуемые хлорангидриды ароматических к-т (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 аминов. Выходы 60–95%.
Ацилирование легкогидролизующимися хлорангидридами (СОС1₂ , AlkCOCl) проводят в инертных растворителях (диэтиловый эфир, хлороформ, бензол) в присутствии мелкоизмельченного порошка щелочи или соды.

Аналогично спиртам в р-цию вступают тиолы:

RCOC1 + HSR' + NaOH RCOSR' + NaCl + Н₂ О

Ш.‑Б. р. используют для лабораторного и промышленного получения разложение сложных эфиров и амидов, например бензанилида C₆ H₅ NHCOC₆ H₅ . 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 для ацилирования спиртов.
Модификация Ш.‑Б. р. – метод 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 (C₂ H₅ )₃ N или (CH₃ )₂ NC₆ H₅ .

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), 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 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:

Помимо приведенных выше реакций, алкилирование применяют в лабораторной практике для получения алкильных производных карбонильных соединений, дикарбонильных 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:

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, Кнёвенагеля реакция и др.; по схеме (З) – многие синтезы ряда трифенилметана, например:

Отщепление воды катализируется обычно кислотами и основаниями, такими, как H₂ SO₄ , 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 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 о-аминонафтолов при диазотировании окисляются; для предотвращения этого в реакционную смесь добавляют соли Сu или Zn. Механизм диазотирования включает нитрозирование свободного амина с последующим отщеплением Н₂ О от катиона N‑нитрозаммония (I) или ОН^– от N‑нитрозамина (II):

Нитрозирующий агент NOX образуется по р-ции: NO₂ ^- + + 2Н⁺ + Х^- D NOX + Н₂ O, где X = ОН, ОС(О) CН₃ , OSO₃ H, 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 N₂ O₃ 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 H₂ SO₄ с помощью нитрозилсерной к-ты – амины крайне низкой основности (например, полинитроанилины). Чтобы увеличить скорость последней р-ции, среду разбавляют ледяной СН₃ СООН, 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 , прибавляют соляную к-ту. Для выделения галогенидов диазония процесс ведут в абсолютном спирте или ледяной СН₃ СООН, используя http://www.xumuk.ru/encyklopedia/909.html водородные соли амина и в качестве диазотирующего агента – алкилнитриты. Для контроля р-ции в промышленности используют анализаторы с электро – 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 [Н₂ NО₃ ]⁺ + NO₃ ^- NО₂ ⁺ + NO^- ₃ + H₂ O. 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 H₂ SO₄ или олеумом, к-рые генерируют NO₂ , связывая воду:

В безводной H₂ SO₄ 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 (СН₃ СО)₂ О благодаря образованию ацетилнитрата и N₂ O₅ (последний при содержании в смеси более 90% HNO₃ полностью диссоциирует на NO⁺ ₂ и NO^- ₃ ); перспективны также смеси HNO₃ с безводным SO₃ или N₂ O₅ . 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 [H₂ NO₃ ]⁺ 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 )₂ C(CN) ONO₂ < < RC(N0₂ )₃ RN(N0₂ )₂ < NO₂ F < CH₃ COONO₂ < < N₂ O₅ < 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 H₂ SO₄ (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, Н₅ ОК 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 H₂ SO₄ , 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: RCH₂ OH + NO₂ ⁺ X^- RCH₂ ONO₂ + 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). Замещениеводородных 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 анионныхкомплексов, 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 замещениякомплексу, 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 SO₂ OH в молекулу орг. соединения; в широком смысле сульфирование – введение группы SO₂ X (X = ОН, ONa, OAlk, OAr, Hal, NAlk₂ и т.п.). О введении группы SO₃ H с образованием связей О–S (О – сульфирование, сульфатирование, сульфоэтерификация).

Процесс, обратный сульфированию (удаление группы SO₂ X 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 )_n SО₂ Х. Сульфирующие агенты: H₂ SO₄ , 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.

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 , SO₃ H идр.

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:

СН₃ СНО + 2SO₃ ·Диоксан: (HSO₃ )₂ CHCHO

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.:

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 H₂ SO₃ 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):

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 заместителей у атома азота тетраэдрическое.

Свойства n‑оксидов аминов

Показатель Т. пл., °С	(СН₃ Ь-O^- 212,0	С₆ Н₅ (СН₃ )₂ -O	С₅ Н₅ -O^- 65,6
Т. кип., °С	–	154,0	100*
*10^-30 , Кл-м	16,7	16,15	14,11
рК_а	4,65	4,21	1,90
Потенциал полуволны восстановления, В	-0,456	-0,705	– 1,278
v(->O^- ), см^-1	930–970	–	1230–1320

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.:

где R – Alk, Ar; R' = СН₂ С₆ Н₅ , СН(С₆ Н₅ )₂ , СН₂ СН=СН₂ .

А. о. восстанавливаются до аминов гидрированием на Ni или Pd, а также действием производных трехвалентного фосфора, напр. (С₆ Н₅ bР- Вэлектронной 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 к-т‑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 Н₂ О₂ в нейтральной (алифатич. амины) или кислой (ароматич. амины) средах, реже – озоном или надкислотами (азотистые гетероциклы). Применяется также исчерпывающее алкилирование гидроксиламина и его производных, 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.

Реферат: Методы органического синтеза

Похожие рефераты: