Химическая технология органических веществ. Учебное пособие

Два последних процесса возможны в отсутствие катализаторов. При указанных направлениях реакции могут в некоторой степени конкурировать друг с другом, но преобладающим является замещение в боковую цепь. Свободнорадикальное замещение в ядро происходит со значительным трудом и требует высокой температуры порядка 400

– 600 °С.

Насыщенная боковая цепь в ароматическом соединении ведет себя при хлорировании подобно парафиновому углеводороду. Хотя толуол и другие алкилароматические углеводороды могут хлорироваться термическим путем, освещением в присутствии инициаторов, что значительно ускоряет реакцию.

Все стадии радикально-цепной реакции, рассмотренные ранее для хлорирования парафинов, сохраняются и в данном случае при способах зарождения и обрыва цепей, характерных для жидкофазных реакций:

C6H5-CH2* + Cl2 C6H5-CH2Cl + Cl*

31

Замещение в боковую цепь возможно для соединений, содержащих в ядре различные функциональные группы, а также для многоядерных и конденсированных ароматических веществ. Если в боковой цепи имеется более одного атома углерода, то замещение протекает преимущественно у α-углеродного атома:

C6H5-CH2-CH3 + Cl2 C6H5-CHCl-CH3 + HCl

Подобно хлорированию метановых углеводородов, при замещении в боковую цепь также происходит последовательное введение атомов хлора вплоть до образования продуктов исчерпывающего замещения:

При более низких температурах хлорирование алкилароматических соединений существует конкуренция замещения с другим процессом – присоединением галогена:

H2

С

Cl

Cl2

CH3 - HCl

Присоединению благоприятствует понижение температуры, что указывает на более низкую энергию активации этой реакции. Однако, замещение в боковую цепь все же преобладает даже при 0°С, и присоединение в чистом виде можно осуществить только для ароматических соединений, не имеющих боковых цепей:

32

Эта реакция может быть осуществлена в жидкой фазе при освещении или с инициаторами, но более широкое применение на практике нашел фотохимический метод. Зарождение и обрыв цепи протекают обычными способами, но ее продолжение происходит путем свободнорадикального присоединения с разрывом π-связей ароматического ядра:

Из всех стадий с наибольшим трудом протекает первая, так как она связана с разрушением стабильной ароматической системы.

33

Галогенирование бензола и его производных

При хлорировании бензола образуется хлорбензол, возможно дальнейшее его хлорирование до дихлорбензола, но образование последнего происходит примерно в 8 – 10 раз медленнее. Это объясняется тем, что вследствие закономерностей электрофильного замещения, атом хлора дезактивирует ароматическое кольцо, и замещение следующего атома водорода атомом хлора должно протекать с меньшей скоростью (k2 ˂ k1).

Хлорирование толуола можно проводить как в присутствии, так и в отсутствии катализаторов. В присутствии катализаторов образуется смесь орто- и пара-хлортолуолов. Причем в присутствии FeCl3 образуется 58 % орто- и 42 % пара- хлортолуолов; при использовании SbCl3 содержание пара-изомера увеличивается до 52 %; катализатор TiCl4 приводит к образованию орто-изомера до 76 %.

В отсутствие катализатора хлорирование толуола идет по метильной группе. Для таких активных соединений, как фенолы, амины, хлорирование идет весьма энергично даже в отсутствие катализаторов. Фенол и его производные хлорируют мягким хлорирующим агентом – сульфурилхлоридом и реакцию можно остановить на стадии монозамещения. При хлорировании фенола хлором при температуре 45-50 °С образуется 2,4-дихлорфенол.

34

Галогенирование в аминах даже в воде при комнатной температуре не останавливается, пока все свободные орто- и пара-положения не будут заняты. Поэтому для получения монохлорариламинов исходные аминосоединения переводят в ацильные производные, которые затем хлорируют хлором в среде органических растворителей (хлорбензол, нитробензол, ДМФА). Нитрозамещенные ароматические амины хорошо хлорируются в кислой среде без предварительного ацилирования. Значительное влияние на ход процесса галогенирования оказывает температура независимо от исходного ароматического соединения. Галогенирование в ядро предпочтительно вести при невысокой температуре (20-80 °С). Изменение температуры процесса может привести к изменению ориентации входящего атома галогена.

Применение галогенпроизводных

Химические превращения органических галогенидов многообразны, в связи с чем они применяются для получения большого числа новых соединений в одну стадию. Высокая химическая активность позволяет широко использовать их в качестве промежуточных продуктов при синтезе биологически активных соединений. Все органические галогениды биологически активны; так, арилгалогениды проявляют антимикробные свойства. Поэтому среди используемых в настоящее время лекарственных веществ имеется значительное число галогенпроизводных (бромизовал, аминазим, индометацин, левомицетин). Практически во всех классах органических лекарственных соединений имеются эффективные средства, в состав молекулы которых входит один или несколько атомов галогена. Биологическую активность галогензамещенных ароматических соединений связывают и с их высокой растворимостью в жировых тканях и липидах с одной стороны, и с высокой химической активностью с другой.

35

2.4. Реакции нитрозирования и диазотирования

Реакция получения солей диазония из первичных аминов, протекающая при обработке их нитритом натрия в минеральнокислой среде, называется реакцией диазотирования. При аналогичной обработке вторичных аминов реакция останавливается на стадии образования N-нитрозоаминов. Механизм образования С- нитрозосоединений ионный, но условия проведения процесса, а главное, атакующие субстрат активные частицы те же, что и в реакциях диазотирования и N-нитрозирования. Поэтому процессы диазотирования и нитрозирования целесообразно рассмотреть в одной главе.

Как диазо-, так и нитрозосоединения являются соединениями с высокой реакционной способностью и широко используются в синтезе лекарственных веществ и витаминов в качестве промежуточных продуктов. Поскольку как диазо-, так и нитрозосоединения нестабильны, получать их необходимо на том же предприятии, где производят целевой продукт.

Диазотирование и нитрозирование являются быстрыми, необратимыми процессами, протекающими в коррозионноактивной среде (разбавленная минеральная кислота). При правильной организации процесса выход целевого продукта является практически количественным.

Реакции диазотирования и нитрозирования, а также реакции превращения диазосоединений являются весьма важными в технологии лекарственных веществ.

Основные сведения о механизме процесса

Реакции диазотирования и нитрозирования относятся к реакциям электрофильного замещения. Общая схема реакции диазотирования аминов не дает представления о действительном механизме реакции:

(X = HSO4-, Cl-, Br-, ClO4- и тд.)

В настоящее время доказано, что активными реагентами в этой реакции являются катионы или катионоидные частицы,

36

образующиеся при взаимодействии минеральной кислоты, в среде которой проводится реакция, с азотистой кислотой, которая в свою очередь образуется при взаимодействии нитрита натрия с минеральной кислотой. Такими частицами могут быть катион нитрозония NO+, галоидный нитрозил NOHal, азотистый ангидрид N2O3, нитрозацидий-катион H2NO2+. Активность самой азотистой кислоты значительно меньше, чем активность перечисленных активных частиц. Образование активных частиц протекает в соответствии со следующими уравнениями:

NO2- + H2NO2+ N2O3 + H2O

H2NO2+ + Hal- NOHal + H2O

Соотношение количеств образующихся активных реагентов зависит главным образом от кислотности среды и природы минеральной кислоты.

При проведении реакции в соляной кислоте основным диазотирующим реагентом является нитрозилхлорид (NOCl), а при проведении реакции в среде серной кислоты – азотистый ангидрид (N2O3). Катион нитрозония в заметных количествах образуется лишь в концентрированной серной кислоте.

Взаимодействие первичных аминов с диазотирующими реагентами протекает по схеме:

37

Лимитирующей стадией процесса диазотирования является нитрозирование. Амин вступает в реакцию в виде свободного основания. Поскольку амин находится в состоянии динамического равновесия с солью то реакция идет только за счет той части амина, которая находится в виде свободного основания:

R-NH2 + H+ R-NH3+

Образующиеся при диазотировании ароматических аминов соли арилдиазония полностью диссоциированы в водных растворах. Структура в большей степени соответствует следующей схеме:

C6H5 N N:

Вторичные амины реагируют с азотистой кислотой с образованием N-нитрозоарилалкиламина, который изомеризуется в С-нитрозосоединение (перегруппировка Фишера-Хеппа):

NO

38

Перегруппировка идет только под действием соляной кислоты. В присутствии других кислот реакция либо не идет, либо приводит к образованию целевого продукта с очень низкими выходами. Из производных бензола образуется исключительно пара-продукт.

Третичные жирноароматические амины под действием нитрозирующих агентов превращаются в N,N-диалкил-4- нитрозоариламины. Продукт реакции, как правило, выделяется в виде осадка интенсивно желтого цвета.

Реакция С–нитрозирования является типичной реакцией электрофильного замещения у атома углерода. Поэтому С- нитрозированию подвергаются не только амины, но и другие соединения с активированным атомом углерода:

|

Введение нитрозогруппы в ароматические соединения путем непосредственного замещения водородного атома возможно главным образом для производных, содержащих гидроксильные или третичные аминогруппы. В случае производных бензола нитрозогруппа почти всегда вступает в пара-, и лишь иногда в орто-положение к ОН или NR2 –группе.

39

Кислотно-основные превращения ароматических диазосоединений

Строение и свойства диазосоединений меняются в зависимости от значения рН среды. В кислой среде диазосоединения находятся в форме полностью диссоциированных солей диазония:

+

Ar N N X-

где Х – анион кислоты. При нейтрализации кислого раствора образуется диазогидрат Ar–N=N–OH, а при дальнейшем повышении рН – соль диазотата Ar–N=NО—Na+. Син - диазотат в сильнощелочной среде изомеризуется в транс - форму – анти-диазотат.

Кислотно-основные превращения различных форм ароматических диазосоединений можно иллюстрировать следующей схемой:

Катион диазония I в водно-щелочной среде, присоединяя один гидроксил, обратимо превращается в амфотерный синдиазогидрат II, который, реагируя как слабая кислота, в щелочной среде превращается в соль – синдиазотат III. Последняя при нагревании относительно медленно и практически необратимо изомеризуется в антиформу IV. При обработке кислотой антидиазотата он превращается в арилнитрозоамин V, который является

40