Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 2

Введение гидроксигруппы в углеводород значительно повышает электронодонорные свойства соединения, в том числе его способность отдавать электрон. Ниже сравниваются значения первых потенциалов ионизации бензола и фенола.

Эти значения характеризуют простейшие одноэлектронные реакции указанных субстратов, протекающие в газовой фазе. В качестве примера реакций фенолов в жидкой фазе, включающих стадии одноэлектронного переноса, можно указать реакции электрофильного ароматического замещения (см. разд. 17.4.4) и реакции окисления (см. разд. 17.4.5).

17.4.РЕАКЦИИ

17.4.1.Кислотность

Реакции гидроксильной группы фенолов по сравнению с реакциями спиртов имеют значительные особенности. В частности, кислотность фенолов существенно выше кислотности спиртов и воды.

Более высокая кислотность фенолов по сравнению с кислотностью спиртов объясняется резонансной стабилизацией их сопряженных оснований — феноксид-ионов:

резонансный

гибрид

Заместители в бензольном кольце в значительной мере влияют на кислотность фенолов. Электронодонорные группы уменьшают кислотность, так как затрудняют делокализацию отрицательного заряда в феноксидионе и уменьшают его устойчивость. В пара-положении электроноакцепторные группы повышают кислотность в большей степени, чем в мета-по- ложении, так как способствуют делокализации отрицательного заряда в фе- ноксид-ионе за счет –М-эффекта и увеличивают его устойчивость. Ниже представлены различные фенолы и значения их рКа.

Введение нитрогруппы в пара-положение повышает кислотность особенно сильно (почти на три порядка) вследствие эффективной резонансной стабилизации соответствующего феноксид-иона:

резонансные структуры п-нитрофеноксид-иона (вклад пятой резонансной структуры наиболее высок)

N N N

O O O O O O

Введение двух и трех нитрогрупп в орто- и пара-положения приводит к еще большему повышению кислотности: значение рКа 2,4-динитрофенола

Как и в других реакциях SN2, в реакции Вильямсона активнее других галогеналканов проявляют себя галогенметаны и первичные галогеналканы. В качестве растворителя в реакции применяют ацетон, диметилформамид и даже спирт. Реакция с этоксид-ионом не оказывается в этом случае сколь- ко-нибудь заметным побочным превращением галогеналкана, поскольку различие величин кислотности фенола и спирта слишком велико:

C6H5O + C2H5OH C6H5OH + C2H5O

При этом следует иметь ввиду, что феноксид-ионы являются амбидентными нуклеофилами, поскольку отрицательный заряд в них распределен не только на атоме кислорода, но и в орто- и пара-положениях бензольного кольца. Еще раз убедиться в этом можно, обратившись к резонансным структурам феноксид-иона, показанным в разд. 17.4.1. Потенциально эти ионы могут реагировать по двум реакционным центрам — по атому кислорода и по одному из атомов углерода.

В связи с этим отметим, например, что алкилирование феноксид-иона с участием аллилхлорида, склонного реагировать в протонном растворителе (например, в метаноле) по механизму SN1, нацело протекает по атому кислорода: жесткая кислота (аллил-катион) реагирует с жестким основанием — нуклеофильным центром, каким является О-атом в феноксид-ионе. Затруднение О-алкилирования наблюдается лишь в присутствие воды в составе растворителя, что, по-видимому, связано с повышенной сольватацией феноксидного О-атома молекулами воды. В таких условиях при алкилировании аллил- и бензилгалогенидами отмечается появление продуктов С-алкилирова- ния (подробное обсуждение амбидентности нуклеофилов в реакциях нуклеофильного замещения см. на стр. 250).

Затруднение О-алкилирования не отмечено при получении метиловых эфиров фенолов их реакцией с эфирами сульфокислот.

Метиловые эфиры фенолов часто получают реакцией фенолов с диметилсульфатом в растворе щелочи. Роль щелочи состоит в превращении фенола в феноксид-ион, который как более сильный нуклеофил легко реагирует с диметилсульфатом по механизму SN2:

Задача 17.3 (17.6). Предложите оптимальные схемы получения следующих соединений: а) анизол; б) 2-бром-4'-нитродифениловый эфир.

О-Ацилирование фенолов

Фенолы обладают низкой нуклеофильностью и поэтому реагируют только с активными ацилирующими реагентами — хлорангидридами и ангидридами. Алифатические хлорангидриды реагируют особенно активно:

фениловый эфир карбоновой кислоты

Ароматические хлорангидриды значительно менее реакционноспособны,

чем алифатические. Реакции фенолов с ароматическими хлорангидридами проводят обычно по методу Шоттена–Баумана (1884 г.): к раствору фенола

в щелочи или пиридине прибавляют хлорангидрид и энергично встряхивают:

Сложные эфиры уксусной кислоты часто получают реакцией фенолов с уксусным ангидридом. Реакцию проводят при слабом нагревании в присутствии небольшого количества минеральной кислоты (часто H2SO4) в качестве катализатора; реакция протекает с количественным выходом:

уксусный ангидрид

Фенолы практически не вступают в реакцию этерификации карбоновых кислот, в том числе в присутствии минеральных кислот.

ние электрофильного агента по соответствующему атому заместителя, например по атому кислорода (комплекс А).

O

C O

O

A

Логично предположить, что такой комплекс по пространственным причинам и при прочих равных условиях легче будет перегруппировываться в орто-σ-комплекс, нежели в пара-σ-комплекс. Возможно, что при низкой температуре содержание комплекса А достаточно велико, чтобы объяснить предпочтительное образование о-гидроксибензойной кислоты. При более высокой температуре комплекс А, вероятно, не столь прочен. Его содержание недостаточно, чтобы заметно влиять на изомерный состав продуктов карбонизации. Преобладание п-гидроксибензойной кислоты в этих условиях может определяться ее большей термодинамической стабильностью.

Салициловую кислоту и ряд ее производных применяют в качестве лекарственных препаратов.

Реакцию Кольбе–Шмитта применяют в промышленности также для получения п-аминосалициловой и гидроксинафтойных кислот. Например, Na-соль 2-нафтола с диоксидом углерода в отсутствии воды при 120–140 °С дает 2-гидрокси-1-нафтойную кислоту, а при 220–240 °С — 3-гидрокси- 2-нафтойную кислоту:

COOH

3-гидрокси-

2-нафтойная кислота

СОЧЕТАНИЕ С СОЛЯМИ ДИАЗОНИЯ. ОБРАЗОВАНИЕ АЗОСОЕДИНЕНИЙ

Реакции азосочетания с феноксид-ионами также протекают по механизму электрофильного ароматического замещения и широко применяются в производстве азокрасителей.

Реакция с феноксид-ионом идет преимущественно в пара-положение; орто-изомер образуется лишь в незначительном количестве.

NN Cl + O Na

хлорид бензолдиазония

NNOH + NaCl

4-гидроксиазобензол

РЕАКЦИИ С ФОРМАЛЬДЕГИДОМ

Так же легко протекает реакция феноксид-иона в присутствии разбавленной щелочи с формальдегидом. Эта реакция составляет основу производства фенолоформальдегидных смол.

+ OH,

К этим смолам принадлежит и бакелит — один из первых коммерческих полимерных материалов.

РЕАКЦИЯ РАЙМЕРА–ТИМАНА

Получение альдегидов бензольного ряда взаимодействием фенолов с хлороформом в щелочном растворе известно как реакция Раймера–Тимана

(1876 г.). Электрофильным агентом в реакции с феноксид-ионом выступает дихлоркарбен (см. разд. 5.4.6). Замещение преимущественно идет в орто- положение.

CCl3 CCl2 + Cl ,

Реакция идет также с полициклическими углеводородами и гетероароматическими соединениями.

17.4.3.Замещение гидроксигруппы в нитрофенолах

Связь кислорода с ароматическим атомом углерода обладает высокой прочностью из-за сопряжения орбитали НЭП кислорода с π-орбиталями кольца. Фенолы в отличие от спиртов не превращаются в арилгалогениды при нагревании с концентрированными галогеноводородными кислотами и при действии галогенидов серы и фосфора. Только фенолы, содержащие нитрогруппы в орто- и пара-положениях к гидроксильной группе, взаимодействуют с PCl5: