Химия азотсодержащих соединений. Методические указания к лабораторным работам

УДК 661.5(07)

ББК Г237я7

Составители: проф. А. Н. Гафаров ст. преп. Г. В. Андреева доц. Е. С. Петров ассист. Г. Т. Шакирова

Химия азотсодержащих соединений : методические указания к лабораторным работам / сост. : А. Н. Гафаров [и др.]; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 32 с.

Рассмотрены методы синтеза некоторых органических соединений азота на основе наиболее широко используемых субстратов в качестве реагентов.

Предназначены для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 18.03.01 «Химическая технология».

Подготовлены на кафедре «Химическая технология органических соединений азота».

Печатаются по решению методической комиссии инженерного химико-технологического института

Рецензенты: проф. П. А. Гуревич

доц. С. М. Горюнова

2

ВВЕДЕНИЕ

Соединения азота широко применяются в качестве минеральных удобрений, энергоемких материалов, полимеров, моющих средств, лекарств, красителей и многих других ценных продуктов. Атомы азота также являются неотъемлемой частью всех живых организмов, где входит в состав белков, нуклеиновых кислот, медиаторов нервных процессов и других биологически активных соединений.

Основным источником азота для живых организмов служат растительные и животные белки, которые в пищеварительной системе подвержены ферментативному гидролизу до α-аминокислот и далее в клетках животных превращаются в белки, ферменты нуклеиновой кислоты, медиаторы и другие биологически активные вещества.

В процессе длительного эволюционного развития важнейшие биополимеры и физиологически активные вещества, составляющие химическую основу жизни организмов, приобрели азотсодержащие группировки и структурные фрагменты, принимающие непосредственное участие во всех многочисленных химических и физико-химических процессах. Так, в молекулах нуклеиновых кислот азотсодержащие основания кодируют наследственные признаки организмов, определяют последовательность расположения остатков α-аминокислот в молекулах белков и ферментов. Аминные и аммониевые группировки медиаторов в синапсах изменяют ионную проницаемость мембран, вызывают их поляризацию и деполяризацию, обеспечивая прохождение нервных импульсов между нейронами, регулируют их интенсивность и ритм. Эндогенный оксид азота, образующийся в клетках из аминокислот, является универсальным медиатором, регулирующий работу сердечно-сосудистой системы и других органов. Аммиак, алифатические и ароматические амины конкурируют с естественными медиаторами, блокируют передачу нервных импульсов между нейронами или, напротив, возбуждают нервную систему, деактивируют ферменты, разлагающие медиаторы. Этим определяется острая токсичность аминов или возможность их применения в качестве лекарственных средств. Высокой биологической активностью обладают нитро- и нитрозосоединения, способные в клетках живых организмов трансформироваться с образованием оксида азота.

Высокая биологическая активность азотсодержащих соединений привлекает к ним пристальное внимание токсикологов и фармакологов и побуждают химиков к созданию и изучению новых неорганических и органических соединений азота.

3

Лабораторная работа 1

ПОЛУЧЕНИЕ АЦЕТАНИЛИДА

O

N-C-CH3 H

Ацетанилид - белое кристаллическое вещество, плохо растворимо в холодной воде, бензоле, толуоле. Хорошо растворяется в спирте. Тпл. 114°С.

Применяется главным образом как исходное для синтеза красителей и лекарстенных препаратов, в том числе сульфаниламидного ряда, а также в качестве полупродукта органического синтеза.

Ацетанилид получается ацилированием анилина:

ацилирующий агент

В качестве ацилирующего агента при взаимодействии с анилином могут применяться уксусная кислота CH3COOH (X=OH), метилацетат CH3COOCH3 (X=CH3O), уксусный ангидрид (CH3CO)2O (X=CH3COO) и ацетилхлорид

CH3COCl (X=Cl).

Реакции ацилирования протекают по механизму нуклеофильного замещения SN2. В качестве нуклеофильного реагента выступает анилин, атом азота аминогруппы которого обладает неподеленной электронной парой. Электрофильным центром ацилирующих агентов (субстрата) является углерод карбонильной группы, обладающий дефицитом электронной плотности:

HH

N

4

Скорость реакции определяется нуклеофильностью аминогруппы, акцепторными свойствами уходящей группы и стерическими факторами молекул исходных соединений.

Ацилирование анилина уксусным ангидридом

Посуда и оборудование:

Трехгорлая колба объемом 100 мл Мешалка Термометр до 100°С Капельная воронка Ледяная баня Стеклянная палочка Электроплитка Воронка Бюхнера Колба Бунзена

Описание синтеза

В трехгорлую колбу объемом 100мл, снабженную перемешивающим устройством, капельной воронкой и термометром помещается 0,1 моль (9,1мл) свежеперегнанного анилина в 10мл толуола. Полученная смесь охлаждается баней с холодной водой. Одновременно готовится раствор для прикапывания, состоящий из 0,1 моль (9,4мл) уксусного ангидрида в 10мл толуола. Раствор уксусного ангидрида дозируют порциями в течение 20-30 минут таким образом, чтобы температура реакционной массы держалась в пределах 30-40°С, не доходя до максимально допустимых 80-90°С. После дозирования всего объема раствора уксусного ангидрида температуру реакционной массы поддерживают на уровне 40°С в течение получаса. В ходе проведения процесса наблюдается выпадение ацетанилида в виде белых кристаллов. Для более полного выделения целевого продукта реакционную массу следует

5

охладить до 15-20°С. Выпавшие кристаллы отделяются от жидкой фазы на воронке Бюхнера, после чего промываются два раза небольшим количеством (2-3 мл) свежего толуола. Полученный продукт перекладывается в предварительно взвешенную чашку Петри и сушится на воздухе в течение 1 часа. Определяется практический выход и Тпл.

Меры техники безопасности

Анилин и уксусный ангидрид являются токсичными соединениями. Все работы с этими соединениями следует проводить в вытяжном шкафу, в очках, перчатках и халате. Анилин легко окисляется, контакт его с сильными окислителями недопустим, т.к. может привести к воспламенению. В случае попадания анилина на кожу смыть большим количеством холодной воды и обработать пораженный участок кожи 2% раствором борной кислоты, этиловым или изопропиловым спиртом.

Лабораторная работа 2

ПОЛУЧЕНИЕ п-НИТРОАЦЕТАНИЛИДА

п-Нитроацетанилид – белое кристаллическое вещество с T пл. = 212– 214°С. Плохо растворяется в воде и слабополярных органических растворителях.

Применяется в качестве промежуточного продукта при синтезе п-нитроанилина, 1,4-фенилендиамина, термостойких полимеров, лекарств и красителей.

п-нитроацетанилид получается нитрованием ацетанилида азотной кислотой в присутствии серной и уксусной кислот, а также воды.

Атом азота амидной группы ацетанилида проявляет по отношению к ароматическому ядру отрицательный индукционный и положительный мезомерный эффект (эффект сопряжения), что в результате перераспределения электронной плотности приводит к повышению последней в о- и п- положениях бензольного ядра.

6

Сольватация амидной группы серной кислотой создает стерические затруднения для электрофильной атаки ионом нитрония в о-положение. Поэтому преимущественно образуется п-нитроацетанилид. Однако при повышении температуры количество о-изомера возрастает. Поэтому для получения относительно чистого п-нитроацетанилида нитрование нужно проводить при температуре не выше +50С.

Посуда и оборудование:

Трехгорлая колба объемом 100 мл Мерные цилиндры объемом 25 и 10 мл Мешалка Капельная воронка Термометр

Стаканы объемом 100 и 200мл. Водяная баня Воронка Бюхнера Колба Бунзена

7

При синтезе 1,4-диаминобензола и 1,4-динитробензола, термостойких полимеров, красителей, лекарственных препаратов п-нитроанилин является промежуточным продуктом.

Способы получения п-нитроанилина

Получение п-нитроанилина основано на нуклеофильном замещении атома хлора на аминогруппу в n-хлорнитробензоле действием аммиака или нитрованием N-ацильных производных анилина серной-азотной нитрующей смесью с последующим гидролизом п-нитро-N-ациланилинов водными растворами кислот или щелочей.

Гидролиз амидов кислот

Расщепление молекул сложных соединений водой на две молекулы другого соединения называется гидролизом. Гидролиз амидов кислот – процесс обратный их образованию из кислот и аминов:

условиях в нейтральной среде реакция протекает очень медленно. Процесс ускоряется в присутствии сильных кислот и щелочей. Кислоты, протонируя атомы азота и кислорода амидной группы, повышают электрофильность

Щелочные катализаторы повышают концентрацию в реакционной среде ионов гидроксила, обладающих более высокой нуклеофильностью, чем атом кислорода нейтральной молекулы воды.

Гидролиз амидной группы n-нитроацетанилида также можно проводить как в кислой, так и в щелочной среде. Однако в последнем случае наряду с гидролизом амидной группы идет замещение аминогруппы на гидроксильную группу с образованием n-нитрофенола:

9

Последняя реакция служит основой известного способа получения п-нитрофенола из п-нитроацетанилида. Гидролиз п-нитроацетанилида кислой среде протекает медленнее чем в щелочной, но не осложняется побочными процессами.

Посуда и оборудование:

Трехгорлая колба объемом 100 мл Мерные цилиндры объемом 25 и 10 мл Мешалка с электромотором Капельная воронка Коническая воронка Термометр Стаканы объемом 100 и 200мл. Водяная баня Воронка Бюхнера Колба Бунзена Чашка Петри

10