книги / Органическая химия. Т
.1.pdfК числу реакций млсо-замещения следует относить и реакции протолиза замещенных бензолов, в которы х под действием протона как электрофила от производного бензола отщ епляется находящийся в нем заместитель. С одной из таких реакций, а именно с десульфированием бензолсульфокисло-
ты, мы уже встречались в разд. 9.2.
Известны также реакции дезалкилирования алкилбензолов действием
хлорида алюминия и хлороводорода. К роме того, обнаружены примеры и протодебромирования. Нагреванием при высокой температуре замещ ен ных бромбензолов в присутствии смеси бромоводорода с уксусной кислотой удается гладко отщепить атом брома. Реакция протекает с высокой избира тельностью: из полизамещенного бензола удаляется атом брома, находящий
ся в орто- или(и) пара-положениях к сильному ориентанту первого рода.
2-бром-4-нитро- |
4-нитро-2-хлор- |
6-хлорфенол |
фенол (60 %) |
|
N H - С О С Н з |
1) НВг—СНзСООН |
|
(фенол, |
<°) |
2) (CHjCOhO
Вг
3-бромацетанилид
2,3,4,6-тетрабром-
анилин
Анилин и ф енол в этих реакциях выполняют роль акцепторов, связыва ющ их электрофильны й бром .
Реакции млсо-замещения под действием протона находят применение при получении замещ енны х бензолов заданного строения. При этом замес титель, способны й к unco-замещ ению , вводят в бензольное кольцо на од ном из начальных этапов многостадийного синтеза. К ак правило, этот за меститель обеспечивает согласованную ориентацию заместителей в полу чаемом производном бензола. С этим производным проводят необходимы е реакции, после чего соответствую щ ий заместитель удаляют. Далее приве дены примеры таких синтезов. В этих синтезах unco-удаляемый замести тель выполняет в бензольном кольце роль защ ит ной группы : на соответст вующ ей стадии он предохраняет одно из положений ароматического субст рата от введения нового заместителя.
Получение 0-бром этилбензола:
|
CH9CH3 |
|
ÇH2CH3 |
|
сн2= сн 2 |
1 |
|
|
|
il |
H2S04(KOHU.) A |
Br2, Ре |
||
Н3 РО4 г |
|
и |
этилбензол |
I |
|
so3H |
|
этилбензол- |
|
4-сульфокислота |
SO3H |
бензол |
2-бромэтилбензол-
4-сульфокислота
В этом синтезе роль защ итной группы выполняет сульфогруппа. Е е вво дят для требуем ой ориентации последую щ ей реакции электроф ильного бромирования, а затем удаляют.
П олучение 2-м етилбензоф енона:
сн3 |
СН3 |
|
СН3 |
|
|
(СН3)3СС1 |
X |
С6Н5СОС1 |
J\^ C O C 6H5 |
AICI3 |
|
V |
|||||
А А1С13 ‘ |
V |
А1сь ‘ |
(бензол) |
||
|
|
||||
толуол |
С(СН3)з |
|
С(СН3)3 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
|
4-тре/и-бутил- |
|
2-метил-5-трет- |
|
|
|
толуол |
|
бутилбензофенон |
|
2-метил- бензофенон
В этом синтезе функцию защ итной группы выполняет трети-бутильная группа. Е е вводят, чтобы защ итить реакционноспособное пара-полож ение от действия ацилирую щ его агента, после чего удаляют.
П олучение 2,6-дихлоранилина:
NH2
2,6-дихлоранилин
4-бром-2,6-дихлор- анилин
К этом у синтезу необходим о сделать следую щ ие пояснения. Смесь хло рата натрия и НС1 на первой стадии следует рассматривать как источник хлора, которы й и выполняет роль электрофильного агента. Оптимальная схема получения л-броманилина обсуждается в разд. 23.4.4.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Активирующая группа - заместитель, который делает кольцо бензола (или другого аре на) более реакционноспособным в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом (ареном).
Алкилирование по Фриделю-Крафтсу - образование алкилзамещенного ароматическо го соединения в реакции арена с алкилгалогенидом под действием катализатора Фриде- ля-Крафтса или с алкеном (или спиртом) в присутствии минеральной кислоты.
Ацилий-ион - катион [R-СО]®, образующийся из производных карбоновых кислот R-COX и выступающий в качестве электрофила в реакциях ацилирования аренов.
Ацилирование по Фриделю-Крафтсу —образование арилкетона в реакции ароматичес кого соединения с ацилгалогенидом (или ангидридом карбоновой кислоты) в присутствии ка тализатора - кислоты Льюиса.
Восстановление по Клемменсену - восстановление карбонильной группы жирно-аромати ческого кетона до метиленовой группы амальгамой цинка в присутствии соляной кислоты.
Дезактивирующая группа - заместитель, который делает кольцо бензола (или другого арена) менее реакционноспособным в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом (ареном).
Десульфирование - реакция замещения сульфогруппы в аренсульфокислоте на атом во дорода; проводится нагреванием аренсульфокислоты с 50%-й серной кислотой.
Кинетический изотопный эффект (КИЭ) - отношение константы скорости реакции обычного соединения к константе скорости реакции аналогичного соединения, но содержа щего иной изотоп замещаемого атома, например kH/kDи kff/kj.
О-Комплекс - промежуточное соединение, которое образуется в ходе электрофильного ароматического замещения и в котором имеется о-связь между электрофилом и ареном.
Несогласованная ориентация - ориентация в дизамещенных (или полизамещенных) бен золах, при которой оба (все) заместителя направляют атаку электрофила в реакциях 5сАг в различные положения бензольного кольца.
Нитрование. Замещение атома водорода в ароматическом соединении нитрогруппой N02; обычно реакция протекает с участием нитроний-иона ®NOz в качестве электрофила.
•мето-Ориситант - заместитель, направляющий атаку электрофила преимущественно в мета-положение бензольного кольца.
орто,поро-Ориснтант - заместитель, направляющий атаку электрофила преимущест венно в орто- и пора-положения бензольного кольца.
Согласованная ориентация - ориентация в дизамещенных (или полизамещенных) бензо лах, при которой оба (все) заместителя направляют атаку электрофила в реакциях 5£Аг в од но и то же (или одни и те же) положение бензольного кольца.
Сульфирование. Замещение атома водорода в ароматическом соединении сульфогруппой S03H.
Фактор парциальной скорости (ФПС) определяет реакционную способность данного по ложения в замещенном бензоле СбН5Х относительно любого положения в бензоле.
Электрофильное ароматическое замещение - замещение протона в арене на частицу электрофильного агента.
З А Д А Ч И
Задача 9.1. Имея в виду, что рКасерной кислоты равно -3,0, а рКаазотной кислоты рав но-1,4, объясните, почему нитрование протекает быстрее в смеси концентрированных азот ной и серной кислот, чем в концентрированной азотной кислоте.
Задача 9.2. Когда бензол реагирует с неопентилхлоридом (СН3)3ССН2С1 в присутствии хлорида алюминия, преобладающим продуктом оказывается 2-метил-2-фенилбутан. Объяс ните этот факт и напишите механизм реакции.
Задача 9.3. Завершите реакцию. Напишите ее механизм по стадиям.
А1С13
+ (СН3)2СНСН2С1
Задача 9.4. Напишите структуры продуктов, преимущественно образующихся при нит
ровании следующих соединений: |
|
|
а) п-метиланизол; |
г) |
ж-нитроанизол; |
б) 2,6-диброманизол; |
д) |
3-бромацетофенон; |
в) и-бромтолуол; |
е) |
3-метоксиацетофенон. |
Задача 9.5. Предложите оптимальный путь синтеза 4-бром-2-нитроэтилбензола, исходя из бензола.
Задача 9.6. Каждая из следующих реакций протекает с хорошим выходом. Напишите структурные формулы их продуктов.
а) обработка бензоилхлорида хлором в присутствии порошка железа; б) обработка метилбензоата С6Н5СООСН3смесью азотной и серной кислот; в) нитрование 1-фенил-1-пропанона С6Н5СОСН2СН3.
Задача 9.7. Сравните реакционную способность ароматических субстратов в следующих реакциях:
а) толуола и хлорбензола в реакции нитрования; б) фторбензола и трифторметилбензола в реакции с бензилхлоридом в присутствии хло
рида алюминия; в) метилбензоата С6Н5СООСН3 и фенилацетата С6Н5ОСОСН3 в реакции с бромом в ук
сусной кислоте; г) и-ксилола и и-ди(/лрет-бутил)бензола в реакции с ацетилхлоридом в присутствии А1СЦ.
Укажите, какие продукты преимущественно образуются в каждой из перечисленных реакций.
Задача 9.8. Расположите следующие углеводороды в порядке снижения скорости элект рофильного нитрования:
бензол, толуол, 1,3,5-триметилбензол, о-ксилол, л-ксилол.
сн3о
// |
\ |
/ / |
\ |
А1С1 |
в) с н 30 - ^ |
x)-C H 2-C H -C H 2- f |
у |
-------1 |
|
4 |
/ |
СОС1 |
|
|
Задача 9.16. Определите строение соединения А на основе следующих реакций:
|
А1С13 |
А Ыа2Сг207 |
___ соон |
|
СбН5(СН2)5СОС1 |
+Н20 ( Г , Г |
|||
cs2 |
H 2S O 4, г |
|||
|
||||
соон
Задача 9.17. При нитровании стирола в водной серной кислоте получены два димера:
СН3
СбН5—СН=СН —ÇH—С6Н5
СН3
сбн5
1,3-дифенилбутен
1-метил-З-фенилиндан Предложите схемы превращений, по которым образуются эти соединения.
Задача 9.18. Объясните, как образуется продукт в следующей реакции:
СН3
I
СН2СН2—С—СН(СН3)2 |
|
|
а |
Ан |
-ш а . |
|
||
^ ^ 'сн3
СН3СН3
Задача 9.19. Напишите механизмы образования продуктов следующей реакции:
СН30 <УВ г ■(CHH,C O W > CHW |
NO2 |
V e r ♦ CHjO \ / NOi |
Задача 9.20. Какой продукт (или продукты) преимущественно образуется при электро фильном нитровании следующих соединений?
Задача 9.21. Каково строение продуктов A-В следующих превращений?
ОН
избыток
H2S 0 4 (конц.) |
4 |
H N O 1+ H2SO4 |
„ |
Н 3О® |
„ |
----« о/".------- |
*■ А |
------ " |
" Ь |
----7 -* |
В. |
Задача 9.22. Известно, что атом фтора является более электроотрицательным, чем атом хлора. Сравните значения факторов парциальных скоростей нитрования фторбензола и хлорбензола. Дайте объяснения.
F |
Cl |
0,06 |
0,03 |
0,8 |
0,14 |
Задача 9.23. Факторы парциальных скоростей нитрования шрет-бутилбензола показаны на диаграмме:
С(СН3)з
Какова относительная скорость нитрования mpem-бутилбензола но сравнению с нитро ванием бензола?
Задача 9.24. Предложите схему превращений бензола, по которой можно получить 2-бромэтилбензол в качестве преобладающего продукта.
Задача 9.25. Назовите продукт, который преимущественно образуется при электрофиль ном нитровании л-хлорбензилхлорида.
Задача 9.26. Предложите оптимальную схему синтеза 2-нитрорезорцина, исходя из бен зола. В каждой стадии схемы продуктом должен быть единственный изомер.
9.7.МЕТАБОЛИЗМ. ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТОКСИЧНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Почему многие производные бензола являются ценными лекарствами и биологически активными соединениями, а сам бензол исключительно токси чен? Один из факторов, определяющ их уровень токсичности того или иного органического соединения, попавшего в организм человека, зависит от спо собности этого соединения к превращениям в физиологических условиях.
Процесс превращений органических и биоорганических субстратов, ко торый поддерживает нормальное функционирование ж ивого организма, назы вают м ет а б о л и зм о м . Такими субстратами являются в том числе и би ологически активные соединения, постоянно образую щ иеся и трансформи рующ иеся в организме. В частности, м ож но говорить о м етаболизме угле водов как о биохимическом цикле, поддерживаю щ ем энергетический по тенциал организма (см. гл. 26). П роцессы метаболизма углеводов, белков и липидов относят к перви чн ы м м ет аболическим процессам . Эти процессы протекаю т аналогично во многих живых организмах и определяю тся общи ми элементами генетического кода этих организмов.
В этом разделе мы остановимся подробнее на метаболизме посторонних ор ганических субстратов (так называемых ксенобиот иков), попавших в живой организм орально или через органы дыхания в качестве различных пищевых добавок, стимуляторов, лекарств, а также веществ, загрязняющих окружаю щую среду. М ет аболические процессы такого рода называют вт оричными.
Они также крайне важны для химика, поскольку специфичны для каждой группы веществ. В частности, знание путей трансформации лекарств помогает химику правильно определить стратегию органического синтеза, направленно го на получение веществ с требуемыми фармакологическими свойствами.
Конечно, требования к метаболизму лекарств и токсических веществ, попавших в организм с табачным дымом или выхлопными газами автомо билей, неодинаковы . Как правило, лекарства должны обладать пролонги рованным действием и не подвергаться бы строму метаболизму. Напротив, желательно, чтобы токсические вещества, попавшие в наш организм, как
мож но бы стрее претерпевали метаболические превращения и были выве дены из него. Знание природы метаболических процессов ксенобиотиков как раз и позволяет правильно оценивать степень их токсичности и прини мать необходимы е меры предосторож ности.
С пособность органических вещ еств к метаболизму зависит от многих факторов. Сравним для примера структурные формулы бензола, бензойной кислоты и толуола.