IV.3.2.2. Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре фенолов.

Группа ОН фенолов, обладающая значительным +М-эффектом, является сильным донором; еще более сильным донором (сильнейшим из всех обычно встречающихся заместителей) является отрицательно заряженный атом кислорода в фенолят-ионе, обладающий как +М, так и +I-эффектами. Поэтому реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре фенолов и особенно фенолятов идут чрезвычайно легко. При этом здесь протекают как «классические» реакции электрофильного замещения, характерные для аренов, так и другие электрофильные реакции, которые с аренами идти не могут.

А. Рассмотренные ранее реакции «классического» ароматического электрофильного замещения (нитрование, сульфирование, галогенирование в ядро, алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу) идут для фенолов гораздо легче, чем для аренов. Здесь в целом ряде случаев можно использовать гораздо более мягкие реагенты и условия.

1. При нитровании фенола разбавленной азотной кислотой образуются о- и р-нитрофенолы; при действии на последние конц. HNO₃ или нитрующей смеси образуются 2,4-динитрофенол и далее 2,4,6-тринитрофенол:

2. Галогенирование фенола идет исключительно легко без катализатора; при действии бромной или хлорной воды замещаются три атома водорода:

При этом галогенируется не сам фенол, а фенолят-анион, возникающий при его кислотной диссоциации. Чтобы получить моногалогенфенолы, используют более слабые электрофильные реагенты: сульфурилхлорид SO₂С1₂ или комплекс диоксана с бромом – диоксандибромид; образуются преимущественно р-галогенфенолы:

3. Сульфирование фенола приводит к монозамещению с образованием фенолсульфокислот: при 20 ^оС преимущественно образуется о-изомер (кинетический контроль); при 100 ^оС - преимущественно р-изомер (термодинамический контроль; р-изомер устойчивей о-изомера):

4. Для алкилирования фенолов в ядро (С-алкилирования) часто используют спирты или алкены; в качестве катализаторов используют неорганические кислоты Льюиса, а также серную кислоту или катионообменные смолы в Н-форме; в большинстве случаев образуются смеси о- и р-алкилфенолов и диалкилфенолов; однако в мягких условиях можно получать индивидуальные соединения, например, при введении в ядро трет-бутильной группы при 20 ⁰С образуется почти исключительно р-изомер:

В качестве алкилирующих реагентов могут использоваться карбонильные соединения (альдегиды и кетоны) при кислотном катализе. Эти реакции могут идти и с обычными аренами, но особенно хорошо они протекают для фенолов. Наибольшее практическое значение имеет конденсация фенола с формальдегидом:

В начале образуются о- и р-гидроксиметильные производные фенола; при их конденсации между собой образуется димерный продукт; реакция может продолжаться далее и приводить к образованию олигомерных, а в дальнейшем и полимерных продуктов; фенол-формальдегидные полимеры – одни из наиболее широко используемых полимерных продуктов.

Электрофильной частицей при получении гидроксиметильных производных служит протонированная молекула формальдегида; при образовании димера происходит «спиртовое» алкилирование: одна из молекул гидроксиметильного производного выступает в роли алкилирующего спирта, а другая является субстратом:

При конденсации фенола с ацетоном в присутствии кислот обычно получают продукт конденсации двух молекул фенола с одной молекулой ацетона – дифенилолпропан:

Э то соединение под названием диан используется в качестве мономера для получения полимерных материалов.

Своеобразным вариантом введения углеводородного радикала в ароматическое ядро фенолов является перегруппировка аллиловых эфиров фенолов, которая происходит при их нагревании; аллильная группа мигрирует в о-положение к группе ОН:

Р еакция носит название перегруппировки Клайзена.

Использование изотопной метки показало, что в ходе миграции происходит «разворот» аллильной группы, и с ароматическим ядром связывается атом углерода С³. Это можно объяснить внутримолекулярной миграцией аллильной группы в процессе перициклической реакции – [3,3]-сигматропной перегруппировки:

В ходе перегруппировки образуется шестичленное циклическое переходное состояние (338) с делокализованной электронной плотностью; дальнейшее перераспределение электронов приводит к аллильному производному циклогексадиенона – кето-форме о-аллил- фенола (339), которая немедленно перегруппировывается в более стабильный о-аллилфенол.

5. Ацилирование фенолов в ядро можно проводить двумя путями:

а. Прямое ацилирование галогенангидридами карбоновых кислот в присутствии кислот Льюиса (А1С1₃, TiCl₄); при этом ацильная группа вступает в о- и р-положения к группе ОН (стр. 134). Для ацилирования более активных субстратов, в частности, двухатомных фенолов, можно использовать и более слабые ацилирующие реагенты, например, карбоновые кислоты:

Прямое ацилирование фенолов часто протекает с осложнениями; в этих случаях лучшие результаты могут быть получены при непрямом ацилировании – перегруппировке сложных эфиров фенолов.

б. Перегруппировка сложных эфиров фенолов (перегруппировка Фриса).

П ри непрямом ацилировании вначале получают сложный эфир фенола (проводят О-ацилирование); при действии на сложный эфир фенола хлорида алюминия происходит перегруппировка с миграцией ацильной группы в о- и р-положения к группе ОН:

Эту реакцию называют перегруппировкой Фриса. Миграция ацильной группы идет межмолекулярно – в отличие от рассмотренной выше перегруппировки Клайзена.

Реакцию можно направлять в сторону получения одного изомера; в частности, при низких температурах преобладают р-изомеры, а при повышенных (~100 ^оС) – о-изомеры.

Частный случай ацилирования - реакции формилирования – введение формильной (альдегидной) группы в ароматическое ядро. Ранее было рассмотрено формилирование аренов по Гаттерману-Коху (стр. 131). Для фенолов становится возможным формилирование при помощи более мягких реагентов.

а. Формилирование по Вильсмайеру (иногда называется формилированием по Вильсмайеру-Хааку): действие на фенолы или их простые эфиры смеси диметилформамида (ДМФА) и хлороксида фосфора:

Первичным продуктом реакции является иминиевая соль (340), которая при гидролизе превращается в альдегид.

Реакция образования продукта (340) протекает следующим образом:

Х лороксид фосфора присоединяется по связи С=О диметилформамида; далее от аддукта отщепляется фосфатный фрагмент и образуется хлориминиевый катион (341); он и является электрофильной частицей, атакующей ароматическое ядро фенола (эфира) с образованием -аддукта (342), из которого и образуется соединение (340). Катион (341) стабилизирован резонансом, поэтому он устойчив и сравнительно малоактивен; обычные одноядерные арены по Вильсмайеру не формилируются (хотя более активный антрацен формилируется в положение 9). Альдегидная группа вступает, в основном, в пара-положение к группе OН (OR), хотя возможно и образование орто-изомера.

б. Формилирование по Раймеру-Тиману. Реакция происходит при действии на фенолы хлороформа и щелочи; формилирование происходит по орто-положению:

Э лектрофильной частицей здесь является дихлоркарбен, который образуется при действии щелочи на хлороформ (-элиминирование, стр. 167):

Дихлоркарбен взаимодействует с фенолят-анионом (который образуется из фенола в щелочной среде); образующийся анион (343) отрывает протон от воды с образованием соединения (344) – кето-формы о-замещенного фенола, которое немедленно перегруппировывается в фенол (345); гидролиз дихлорпроизводного приводит к о-гидроксиальдегиду.

Реакции Вильсмайера и Раймера-Тимана хорошо дополняют друг друга, поскольку первая ориентирует формильную группу преимущественно в р-положение, а вторая – преимущественно в о-положение.

Б. Новые электрофильные реакции, не протекающие с аренами

1. Карбоксилирование фенолятов (реакция Кольбе-Шмитта). При нагревании фенолятов в атмосфере СО₂ под давлением образуются соли фенолкарбоновых кислот: при Т < 200 ^оС – преимущественно орто-изомеры, при Т > 200 ^оС – преимущественно пара-изомеры. Таким образом, происходит прямое введение карбоксильной группы в ароматическое ядро. Наиболее известный пример – получение о-гидроксибензойной (салициловой) кислоты:

О бразующуюся соль подкисляют и получают салициловую кислоту.

Фенолят –ион настолько активен в реакциях электрофильного замещения, что реагирует даже с таким весьма слабым электрофилом, как СО₂. Детали механизма не до конца ясны, но это несомненно электрофильное замещение. Это подтверждается, в частности, тем, что если в ядре присутствуют дополнительные электронодонорные группы, реакция протекает еще легче: например, мета-аминофенолят натрия карбоксилируется уже при кипячении с раствором NaHCO₃; образуется пара-аминосалициловая кислота:

2. Реакции нитрозирования. При действии на фенолы азотистой кислоты (смеси NaNO₂ и НCl) происходит замещение атома водорода в пара-положении к группе ОН на нитрозогруппу NO:

Вероятно, электрофильной частицей в этой реакции является катион ⁺N=О - довольно малоактивный электрофил.

Продукт реакции – р-нитрозофенол – находится в таутомерном равновесии с монооксимом р-хинона (хиноны будут рассмотрены далее).

3. Реакции азосочетания происходят при взаимодействии фенолов с ароматическими диазосоединениями; образуются ароматические азосоединения (азоарены)

Более подробно эта реакция будет рассматриваться в разделе «Диазосоединения».

Реакции со слабыми электрофилами, кроме фенолов, характерны для ароматических аминов, т.к. аминогруппа, подобно гидроксигруппе обладает сильным +М-эффектом и активирует ядро к электрофильным реакциям (см. далее в главе «Амины»).

IV.3.2.3. Реакции окисления и восстановления фенолов.

А. Реакции окисления. Ароматическое ядро фенолов, имеющее повышенную электронную плотность, окисляется значительно легче, чем ароматическое ядро аренов. При стоянии на воздухе фенолы темнеют, жидкие – быстрее, кристаллические – медленнее. Окисление фенолов протекает по разным направлениям, иногда весьма сложно.

1. Окисление одноатомных фенолов. Наиболее характерно окисление одноатомных фенолов одноэлектронными окислителями, например, K₃Fe(CN)₆ в щелочной среде. Эти окислители, отнимая один электрон, превращают фенолят-анионы (возникающие в щелочной среде) в радикалы.

В большинстве случаев эти радикалы далее рекомбинируют по нескольким схемам (приведен один вариант рекомбинации):

Т аким образом, результатом реакции является окислительное сочетание (окислительная димеризация) фенолов.

Однако в некоторых случаях рекомбинация образующихся радикалов затруднена; это особенно свойственно таким радикалам, у которых радикальный центр на кислороде пространственно экранирован объёмными орто-заместителями, и, к тому же, занято пара-положение; примером является радикал (346), образующийся из 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенола (точнее из его фенолята):

Рекомбинация радикала (346) ( и его аналогов) крайне затруднена по стерическим причинам (отталкивание между объёмными группами при рекомбинации); поэтому радикалы такого типа являются долгоживущими. Данный тип долгоживущих радикалов называют ароксильными долгоживущими радикалами. Существует несколько других типов долгоживущих радикалов: триарилметильные (стр. 144), нитроксильные и др.; долгоживущие радикалы имеют не только теоретическое, но и заметное практическое значение; в частности, они могут ингибировать нежелательные радикальные процессы, например, окисление. В частности, 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенол, из которого образуется радикал (346), под названием ионол использовался как антиоксидант в пищевых продуктах.

2. Окисление двухатомных и многоатомных фенолов. Увеличение числа гидроксильных групп в ароматическом ядре еще более ускоряет окисление фенолов. Например, 1,2,3-тригидроксибензол (пирогаллол) окисляется кислородом воздуха настолько быстро, что его щелочные растворы могут использоваться для удаления кислорода из воздуха.

Наиболее практически важным является окисление двухатомных фенолов с гидроксильными группами в орто- или в пара- положениях; продуктами окисления являются соответственно орто- или пара-хиноны (347) и (348):

В качестве окислителей используют бихроматы, оксид серебра, иминоксилдисульфонат калия (КО₃S)₂N-O· («соль Фреми») и др. Простые эфиры двухатомных фенолов также можно окислить до хинонов; здесь используют церийаммонийнитрат Се(NH₄)₂(NO₂)₆.

Хиноны – ярко окрашенные соединения со специфическими свойствами, они используются для производства красителей; многие хиноны обладают высокой биологической активностью. Хиноны будут рассмотрены в разделе «Карбонильные соединения».

Б. Восстановление фенолов. Ароматическое ядро одноатомных фенолов восстанавливается несколько труднее, чем в случае аренов; тем не менее, в присутствии металлов платиновой группы при повышенной температуре гидрирование ядра происходит. Наибольшее практическое значение имеет гидрирование самого фенола до циклогексанола:

Циклогексанол далее используется для синтеза важного мономера – капролактама.

Значительно легче восстанавливаются двухатомные фенолы с группами ОН в мета-положении: восстановление идет уже при действии амальгамы натрия; продуктами восстановления являются дигидропроизводные (349), которые находятся в таутомерном равновесии с моноенольными производными (350) и циклическими 1,3-дикетонами (351):

В равновесной смеси присутствуют в основном формы (350) и (351). Циклические 1,3-дикетоны (как и нециклические) проявляют свойства достаточно сильных СН-кислот и благодаря этому интенсивно используются в органическом синтезе в реакциях, сопровождающихся увеличением углеродного скелета. 1,3-Дикетоны будут рассмотрены позднее.