Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы получения органических соединений. Учебное пособие
.pdf
2. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИМИ ГРУППАМИ ОДНОЙ
ПРИРОДЫ.
(ГОМОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
УГЛЕВОДОРОДОВ)
Функциональные производные углеводородов (различные
классы) формально можно вывести замещением атома(ов) водорода в углеводороде на атом(ы) или группу(ы) атомов, отличных
от углерода и водорода.
2.1 ГАЛОГЕНОПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ
Наиболее простыми производными углеводородов являются
галогенопроизводные, в которых один или более атомов водорода в углеводороде заменены на атомы галогена. Число галогенопроизводных очень велико. Это определяется разнообразием
самих углеводородов, расположением атомов галогена, количеством и природой атомов галогена.
CH3CH2Br
бромоэтан хлороциклопропан фторобензол 3-иодопропен-1
(этилбромид) (циклопропилхлорид) (фенилфторид) (аллилиодид)
Cl
F
CH2=CH-CH2-I
CH2-CH
CH2=CH2Cl
хлороэтен 1,1-дибромоэтан 1,2-дихлоропропан 1-бромо-1-фенилэтан
винилхлорид
(
CH3CHBr
этилиденбромид
) (
2
) (
Cl Cl
этиленхлорид
2
)
Br
CH
3
Галогеноуглеводороды находят широкое применение. Относительная химическая инертность полигалогеноалканов, гидрофобность, низкие температуры кипения, негорючесть делают их
- 81 -
удобными растворителями неполярных и слабополярных веществ
– смол, жиров, восков, лаков, каучуков, битумов и др. В качестве
растворителей нашли широкое применение метиленхлорид
(CH2Cl2), хлороформ (CHCl3), четыреххлористый углерод (CCl4),
1,2-дихлороэтан (C2H4Cl2), трихлороэтилен (C2HCl3), тетрахлоро-
этилен (C2Cl4), хлоробензол (C6H5Cl). Фторохлорозамещенные
метаны и этаны – хладоагенты для холодильных машин и
наполнители для аэрозольных упаковок. Их отличительным
свойством является термическая и окислительная устойчивость.
Это положительное свойство фторохлороуглеводородов является
и их отрицательным качеством. Они плохо разлагаются и накапливаются в окружающей среде и являются причиной разрушения
озонового слоя в атмосфере Земли.
Ряд непредельных галогеноуглеводородов (винилхлорид, винилиденхлорид, хлоропрен, тетрафтороэтилен) – мономеры для
получения полимеров. Многие галогеноуглеводороды обладают
сильным физиологическим действием, а некоторые обладают
сильными пестицидными свойствами. Поскольку галогеноуглеводороды легко вступают в различные реакции, их широко
используют как исходные соединения для получения промышленно важных продуктов.
.1.1 Способы получения галогеноуглеводородов
2
Природные источники галогеноуглеводородов неизвестны,
поэтому все эти соединения получают синтетически. Разнообразие галогенопроизводных обуславливает многочисленность
способов их получения, которые зависят от типа углеводорода,
природы галогена или галогенирующего агента.
Галогенопроизводные углеводородов получают прямым галогенированием углеводородов, присоединением галогенов или галогеноводородов к алкенам и алкинам, замещением кислородсодержащих или других групп на галоген.
- 82 -
1. Заместительное галогенирование углеводородов
Хлорирование и бромирование алканов и циклоалканов по
радикальному механизму являются промышленными способами
получения галогеноалканов и галогеноциклоалканов, но они редко используются в лаборатории. Недостатком этого метода является образование смеси различных продуктов. При этом, наряду с
изомерными монозамещенными производными в смеси содержатся также ди- и полизамещенные соединения. Тем не менее,
эти реакции находят применение в промышленности, поскольку
эти смеси можно использовать без разделения или выделить
отдельные компоненты фракционной перегонкой.
Cl
CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl
2
Cl
2
Cl
2
Cl
2
4
Cl
CH3CH2CH3 CH3CH2CH2Cl + CH3CH(Cl)CH3 + HCl
пропан 1-хлоропропан 2-хлоропропан
2
Прямое иодирование алканов не осуществляется. Причина
этого факта заключается в низкой активности атомов иода и
значительной эндотермичности реакции, а также эта реакция
является обратимой.
Фторирование углеводородов протекает бурно, даже со взрывом и приводит к деструкции молекул. В качестве переносчиков
фтора используют фториды металлов (CoF2, AgF, MnF2). Под
действием фтора образуются CoF3, AgF2, MnF4, которые фторируют алканы. Поэтому фторирование в промышленности осуществляют, главным образом, для получения перфторированных
углеводородов (пер – полностью замещенный).
- 83 -
C7H16 + 32 CoF3 C7F16 + 16 HF + 32 CoF
н-гептан перфторогептан
(2 CoF2 + F2 2 CoF3)
Продукты фторирования средних фракций нефти применяют
как термостойкие смазочные масла, а производные фракции С7С9 – в качестве растворителей.
Галогеноалкены, содержащие атомы хлора или брома в
аллильном положении (аллильным называется атом углерода в αположении по отношению к двойной связи), получают радикальным галогенированием алкенов.
В настоящее время эта реакция лежит в основе промышленного способа получения хлористого аллила.
500 0C
CH2=CH-CH3 + Cl2 CH2=CH-CH2-Cl + HCl
В этих условиях реакция является термодинамически контролируемой и поэтому направление радикального галогенирования
определяется относительной стабильностью аллил-радикала.
2
Cl2 2 Cl
.
Cl + CH2=CH-CH3
.
CH2-CH=CH
аллил-радикал
2
.
.
.
Cl2 + CH2CH=CH2 CH2=CH-CH2-Cl + Cl
- 84 -
CH3CHCH2Cl
.
Удобным методом аллильного галогенирования алкенов яв-
α
ляется их взаимодействие с N-галогеносукцинимидами в СCl4 в
присутствии пероксидов.
O
(C6H5COO)
+
N-Br
CCl4, 80 0C
2
+
O
NH
O
циклогексен N-бромосукцинимид 3-бромоциклогексен сукцинимид
Br
O
Радикальное бромирование и хлорирование алкилбензолов
приводит к образованию продуктов α-замещения (бензилгалогенидов).
CH
2CH2CH3
Br
hv
2
CH(Br)CH2CH
3
+ HBr
Примером является промышленный синтез бензилхлорида
жидкофазным хлорированием толуола при УФ-облучении или в
присутствии 2,2´-азо-бисизобутиронитрила.
CH
3
Cl
2
hv,
толуол бензилхлорид
CH2Cl
+ HCl
Монобромирование по бензильному положению, как и по
аллильному можно осуществлять N-бромосукцинимидом.
Прямое галогенирование ароматических углеводородов и их
производных в присутствии катализаторов, в качестве которых
служат кислоты Льюиса, приводит к получению арилгалоге-
- 85 -
нидов. Эти реакции протекают по схеме электрофильного замещения. Чаще всего катализаторами служат безводные галогениды
алюминия, железа, хлориды олова и титана, фторид бора.
Cl
2
AlCl
3
нафталин 1-хлоронафталин
Cl
+ HCl
Реакция аренов с фтором протекает слишком бурно и уже при
комнатной температуре происходит деструкция молекул субстрата.
Молекулярный иод является слишком слабым электрофильным агентом. Только очень активные ароматические соединения,
такие как ароматические амины или фенолят-ион, реагируют
непосредственно с иодом. В качестве более активного иодирующего агента используют хлориды иода – ICl. Наиболее удобным
и универсальным методом иодирования ароматических соединений оказывается использование смеси молекулярного иода и
окислителей (HIO
, HNO3).
4
CH
CH
3
I
2
3
HNO3, 100 0C
I
4-метилиодобензол
2. Присоединение галогена к ненасыщенным углеводородам
С помощью этих реакций из алкенов синтезируются вицинальные дигалогенопроизводные, а из алкинов – тетрагалогенопроизводные.
- 86 -
Реакции идут нормально с бромом и хлором, в случае фтора
происходит разрушение молекулы углеводорода. Иод присоединяется медленно, а образующиеся продукты присоединения неустойчивы.
CH2=CH2 + Cl2 CH2ClCH2Cl
этен 1,2-дихлороэтан
Алкины присоединяют хлор и бром в две стадии. Взаимодействие эквимолярных количеств хлора и брома приводит к
образованию соответствующих 1,2-дигалогеноэтиленов, которые
далее при избытке галогена превращаются в 1,1,2,2-тетрагалогенопроизводные.
Br
CH3C CCH3 + Br2 CH3C=CCH
бутин-2
ранс-2,3-дибромобутен-2
т
Br
Br
2
3 CH3
2,2,3,3-тетрабромобутан
CBr2CBr2CH
3
3. Гидрогалогенирование ненасыщенных углеводородов
К алкенам присоединяются все галогеноводороды. Присоединение галогеноводородов к простым алкенам в отсутствии
пероксидов происходит по электрофильному механизму в соответствии с правилом Марковникова. В присутствии пероксидов
присоединение HBr происходит по свободнорадикальному механизму с ориентацией против правила Марковникова. Свободнорадикальное присоединение других галогеноводородов к алкенам
не реализуется ввиду того, что не на всех стадиях реакции
изменение энтальпии является отрицательным.
- 87 -
CH3CH=CH2 + HCl CH3CHClCH
пентин-1 2-бромопентен-1
3
эфир
CH3COOH
CH3CH2CHBrCH
CH3CH2CH=CH2 + HBr
бутен-1
CH3CH2CH2CH2Br
пероксиды
2-бромобутан
3
1-бромобутан
При взаимодействии алкинов с галогеноводородами в эквимолярном соотношении образуются винилгалогениды, а при присоединении 2 молей галогеноводорода в соответствии с правилом
Марковникова – гем-дигалогениды.
CH CH CH C CH
3
2
2
CH3CH2CH2CBr2CH
2,2-дибромопентан
HBr
CH3CH2CH2CBr=CH
3
HBr
2
Примером важной в практическом плане реакции является
присоединение хлороводорода к ацетилену. Таким путем получают винилхлорид, который в больших количествах расходуется
для изготовления полимерных материалов.
HgCl2/C
CH CH
+ HCl
100-180
O
C
CH
=CHCl
2
- 88 -
4. Замена характеристических групп на галоген
Используя различные галогеносодержащие реагенты, можно
замещать галогеном гидроксильную группу в спиртах, атом
кислорода в альдегидах и кетонах, диазогруппу в солях диазония
и другие функциональные группы.
а) Замена гидроксила на галоген.
Замещение гидроксильной группы на атом галогена в спиртах
происходит под действием галогеноводородов или галогенидов
фосфора и серы. Этот метод, имеющий как промышленное, так и
лабораторное значение, пригоден для получения хлоро-, бромо- и
иодоалканов.
Скорость реакции зависит от строения спирта и природы
галогеноводорода.
Реакционная способность спиртов падает в ряду третичные ›
вторичные › первичные спирты, а галогеноводородов уменьшается в ряду H
I › HBr › HCl. Если иодистый водород и бромис-
тый водород легко взаимодействует со всеми спиртами, то хлористый водород легко реагирует только с третичными спиртами.
Для взаимодействия с первичными спиртами необходимо использовать катализатор – безводный хлорид цинка.
НСl; H2O
(СН3)3СОН
20oC, 10мин.
(СН3)3ССl + H2O
(CH3)2CHOH
HBr (конц.)
(СН3)2СНBr + H2O
Вместо концентрированных водных растворов HBr и HI можно использовать бромиды и иодиды калия и концентрированную
серную кислоту.
(CH3)2CHCH2OH
NaBr; H2SO4 к.
(СН3)2СНCH2Br + NaHSO4 + H2O
- 89 -
Многотоннажным продуктом, получаемым гидрохлорированием спиртов, является хлористый метил. Его производят из
метанола и хлороводорода в газовой фазе при 300 °С в присутствии гетерогенного катализатора ZnCl2.
300oC
СН3ОН + HCl
ZnCl
СН3Сl + H2O
2
Удобным для синтеза галогеноуглеводородов из спиртов является использование галогенидов фосфора (PCl5, PBr3, PI3).
3(CH3)2CHCH2OH + PBr
3
3(СН3)2CHСН2Br + H3PO
3
Достоинство этого метода заключается в образовании значительно меньшего количества побочных продуктов.
Трибромид фософора и трииодид фосфора часто получают
непосредственно в реакционной смеси из брома или иода и красного фосфора.
3R-ОН + 1.5Hal2 + P
Hal = Br, I
кр
3R-Hal + H3PO
3
Одним из лучших лабораторных способов превращения спиртов в хлоропроизводные является их взаимодействие с тионилхлоридом (SOCl2). Образующиеся наряду с продуктом замещения
хлороводород и диоксид серы газообразны, что облегчает выделение целевого продукта.
CH3CH2CH2CH2OH + SOCl
2
СН3CH2СН2CH2Cl + SO
бутанол-1 1-хлоробутан
+ HCl
2
Получение галогеноалканов из спиртов протекает значительно более гладко, если спирты действием п-толуолсульфонилхлорида предварительно перевести в сложные эфиры п-толуол-
- 90 -
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]