Химическая технология органических веществ. Учебное пособие

OH

При окислении аценафтена получают нафталевую кислоту, при этом происходит разрыв связи С-С, но число атомов углерода остается прежним:

В заключение следует отметить, что качество и выход целевого продукта в каждом отдельном случае зависят от природы исходного сырья и окислителя, условий проведения процесса.

2.7 Процесс алкилирования

Алкилированием называют процессы введения алкильных групп в молекулу органических и некоторых неорганических веществ. Эти реакции имеют очень большое практическое значение для синтеза алкилированных в ядро ароматических соединений, изопарафинов, меркаптанов, сульфидов, аминов и т.д. Процессы алкилирования часто являются промежуточными стадиями в производстве моющих средств, биологически активных

61

соединений, лекарственных препаратов. Рациональная классификация процессов алкилирования основана на типе вновь образующейся связи: по атому углерода (С-алкилирование), по атому кислорода, серы, азота (О-, S-, N- алкилирование).

Рассмотрим реакцию алкилирования ароматических соединений с замещением атома водорода в ядре. Эта реакция была открыта в 1877 г. Фриделем и Крафтсом и с тех пор получила большое препаративное и промышленное значение. Эти же исследователи впервые предложили в качестве катализатора хлористый алюминий. В качестве алкилирующих агентов применяют главным образом хлорпроизводные и олефины. Использование спиртов менее эффективно, потому что при алкилировании спиртами хлористый алюминий разлагается, а протонные кислоты разбавляются образующейся водой:

+AlCl3 C6H5R + AlOCl + 2HCl

C6H5R + H2SO4 + H2O

В обоих случаях происходит дезактивация катализатора, что обусловливает его большой расход.

В общем виде механизм алкилирования соответствует обычной схеме электрофильного замещения:

H

62

Существование ароматических ионов, соответствующих σ-комплексу, было доказано экспериментально, аналогично тому, как это было сделано при исследовании реакции нитрования.

Общая схема образования карбокатиона под действием кислот Льюиса:

RCl + AlCl3 R+ + AlCl4-

Эта схема не может быть принята для всех случаев.

Так, метилирование толуола бромистым или йодистым метилом приводит к различным смесям продуктов в одних и тех же условиях:

Если бы реагентом был катион СН3 , то состав продуктов был бы в обоих случаях одинаков. Таким образом, можно предположить, что реакция протекает с поляризованным комплексом или ионной парой:

63

Скорость реакции отвечает уравнению

dC/dτ=k[Alk][Br]γY,

γ – функция концентрации катализатора.

Лимитирующей стадией является атака карбокатионом ароматического ядра, и скорость процесса определяется скоростью образования σ-комплекса. Влияние строения ароматического соединения при реакциях алкилирования в общем такое же, как и при других процессах электрофильного замещения в ароматическое ядро, но имеет свои особенности. Реакция алкилирования отличается сравнительно малой чувствительностью к электродонорным заместителям в ядре.

Фенолы алкилируются в общем быстрее углеводородов, но хлористый аммоний в этом случае менее эффективен, так как он дезактивируется кислородосодержащими соединениями, а с фенолом дает неактивную соль:

C6H5OH + AlCl3 C6H5OAlCl2 + HCl

По этой причине для алкилирования фенолов в качестве катализаторов используют большей частью протонные кислоты

(H2SO4, ArSO2OH).

64

Реакция протекает параллельно в двух направлениях: алкилирование в ядро с образованием алкилфенолов и алкилирование по атому кислорода с образованием простых эфиров фенола:

H+ CH3CHRC6H4OH

CH3CHROC6H4

Простые эфиры фенолов при повышенной температуре и в присутствии кислотных катализаторов перегруппировываются в алкилфенолы с миграцией алкильной группы в ароматическое ядро:

C6H5OR + H+ RC6H4OH

Таким образом, алкилфенол частично получается за счет прямого алкилирования в ядро и частично через промежуточное образование простого фенола.

Электроноакцепторные заместители сильно дезактивируют ароматическое ядро. Хлорбензол алкилируется примерно в 10 раз медленнее бензола, а карбонильные, карбоксильные, циан – и нитрогруппы приводят к полной дезактивации ароматического ядра вследствие чего соответствующие производные вообще не способны к алкилированию. Этим реакция алкилирования значительно отличается от других процессов замещения в ароматическое ядро, например от хлорирования и сульфирования.

Правила ориентации при алкилировании в основном такие же, как при других реакциях электрофильного замещения в ароматическом ядре. Однако при использовании AlCl3 эти закономерности нарушаются, что связано с изомеризацией продуктов реакции. Изомеризация алкильной группой происходит под влиянием и AlCl3, и протонных кислот. Изомеризация гомологов бензола с внутримолекулярной миграцией алкильных

65

групп при умеренной температуре протекает только на катализаторе AlCl3. Так, при нагревании пара-ксилола с хлористым водородом и AlCl3, большая часть углеводорода превращается в более устойчивый мета-ксилол:

При алкилировании моноалкилбензола получается смесь с преобладанием мета-изомера (т.е. алкилбензолы могут подвергаться диспропорционированию).

Метилирование толуола бромистым и йодистым метилом приводит к различным смесям продуктов в одних и тех же условиях:

Если бы реагентом был катион СН3 , то состав продуктов был бы в обоих случаях одинаков.

66

В фармацевтической промышленности широко используется С-алкилирование в синтезе лекарственных веществ.

При использовании в качестве алкилирующих агентов ди-, тритетрагалоидные соединения, последние связывают, соответственно, два или три ароматических радикала.

Таким образом получают дихлордифенилметан в производстве димедрола:

H2O, H+

C -2HCl

O

В присутствии AlCl3 из этилена и бензола получают этилбензол:

Получаемый из этилбензола стирол используется в синтезе левомицетина и ряда других препаратов. Алкилирование непредельными соединениями довольно широко используется в синтезе лекарственных препаратов, например, в синтезе сульфазина

67

взаимодействием дихлорэтилена с хлороформом в присутствии хлорида алюминия получают 1,1,2,3,3-пентахлорпропан:

Алкилирование углеводородов спиртами используется сравнительно реже. В качестве конденсирующих средств могут использоваться хлористый алюминий, серная и фосфорная кислоты. Реакция может протекать в паровой фазе в присутствии катализаторов. Вторичные спирты при этом обладают большей реакционной способностью, чем первичные, а третичные – большей, чем вторичные.

Так, метилированием фенола метанолом с последующим разделением продуктов получают 2,3,5-триметилфенол. Последний является сырьем для синтеза 2,3,5-триметил-пара-гидрохинона – важнейшего промежуточного продукта в синтезе витамина Е:

68

Большое значение в синтезе биологически активных соединений имеет аминометилирование (аминоалкилирование) соединений с подвижным атомом водорода (реакция Манниха):

Аналогично реагируют алифатические и ароматические альдегиды, алифатические, жирно-ароматические и гетероциклические кетоны, C– и N– нитросоединения, ароматические гетероциклические соединения с подвижным атомом водорода кольца (пиррол, хинальдин, α-пиколин), производные ацетилена:

Алкилирование по атому азота является наиболее распространенным случаем алкилирования в технологии синтетических лекарственных веществ. Реакции N-алкилирования проходят через стадию присоединения электрофильной частицы к атому азота аминогруппы с образованием в качестве промежуточного продукта аммониевого иона. Чем основнее амин, тем активнее он вступает в реакции алкилирования. Поскольку ароматические амины менее основны, чем алифатические, то и

69

алкилирование их протекает медленнее. Для алкилирования по атому азота используют алкил- и арилгалогениды, непредельные соединения, эфиры, спирты, диалкилсульфаты.

Используя различные амины и алкилирующие средства, можно получать смешанные аминосоединения с различными заместителями:

При реакции алкилирования галогеналкилами выделяется хлористый водород:

При этом добавление веществ, связывающих кислоту, ускоряет процесс.

Большой практический интерес представляет использование в качестве метилирующего средства диметиловый эфир, так как последний получается в качестве отхода при производстве метилового спирта:

70