12. Гидроксилювання

До гідроксилювання відносять реакції заміщення атомів або груп атомів гідроксильною групою. Найпоширенішими реакціями цього типу є процеси заміщення галогену і сульфогрупи (в ароматичному ряді).

Механізм реакції. Гідроксилювання – типовий процес нуклеофільного заміщення. Залежно від будови субстрату реакція протікає або через перехідний стан (алкілгалогеніди), або через стадію утворення проміжного продукту приєднання (арилгалогеніди). На прикладі гідролізу алкілгалогенідів схема перетворень виглядає так:

НО^– + R–X → HORX → HO–R + X^–

Механізм обміну галогену на гідроксогрупу визначається впливом позитивного індукційного ефекту (+I) алкільної групи на дисоціацію алкілгалогеніду. Так, у разі гідролізу бромистого етилу реакція є типово бімолекулярною і супроводжується утворенням побічного продукту -елімінування – етилену:

СН₃–СН₂–Вr + ^–ОН → СН₃–СН₂–ОН + Вr^– (S_N2)

СН₃–СН₂–Вr + ^–ОН → СН₂=СН₂ + Вr^– + Н₂О (E₂)

Нуклеофільне заміщення в третинному бромистому бутилі протікає за S_N1 механізмом, оскільки в цьому випадку реакція включає дві стадії і повільна стадія є мономолекулярною (S_N1):

В ароматичних сполуках, не активованих акцепторними замісниками, процес здійснюється важче, але за наявності, наприклад нітрогрупи, заміщення галогенів відбувається досить легко. В цьому випадку реакція йде по механізму бімолекулярного нуклеофільного заміщення (S_N2):

Гідроксилюючі агенти. Реагентами, що широко використовуються, є вода і гідроксиди лужних металів. Солі сильних основ і слабих кислот, які утворюють у водному розчині достатню концентрацію іонів гідроксилу, також можуть застосовуватися як гідроксилюючі агенти.

Вода є слабим нуклеофільним реагентом, тому з нею реакцію проводять у присутності кислот Льюїса.

Умови проведення реакцій. Легкість заміни галогенів гідроксогрупою залежить у значній мірі від природи субстрату і характеру розчинника. Якщо для здійснення нуклеофільного заміщення галогену в неактивованих системах потрібне використання каталізаторів, підвищені температура і тиск, то за наявності в субстратах електроноакцепторних замісників реакція протікає в м'яких умовах. Легкість заміни галогенів визначається також їх аніонною стійкістю і збільшується від фтору до йоду, а реакційна здатність галогенопохідних залежить від природи радикала і змінюється у ряді аліл, бензил і третинні > вторинні > первинні.

З розчинників, які сприяють нуклеофільному заміщенню, цікаві перш за все диполярні апротонні розчинники: ацетон, ацетонітрил, диметилформамід, диметилацетамід, диметилсульфоксид, сульфолан і ін. Велику роль у проведенні цих реакцій відіграють каталізатори – кислоти Льюїса: галогеніди бору, алюмінію, цинку, сурми, заліза, міді й т.п.

Значно більший практичний інтерес представляє обмін галогену, і особливо хлору, в ароматичному ряді. Так, гідроліз хлорбензолу розбавленими розчинами лугів можна здійснити при високій температурі (до 300°С) і високому тиску (20 МПа або 200 атм) у присутності хлориду міді. Наявність у бензольному ядрі в о- і n-положенні до галогену активуючих його нітрогруп полегшує гідроліз і внаслідок цього о- або n-нітрофенол можна отримати з кількісним виходом з відповідних нітрохлорбензолів вже при 130 – 160 °С і 0,2 – 0,6 МПа (2 – 6 атм). 2,4-Динітрохлорбензол перетворюється в 2,4-динітрофенол при нагріванні з водним розчином гідроксиду натрію або соди при звичайному тиску.

Для добування гідроксопохідних ароматичного ряду (фенолів) використовують також метод лужного плавлення ароматичних сульфокислот. Цей метод є промисловим і здійснюється сплавлянням натрієвих солей сульфокислот з гідроксидом натрію (гідроксид калію для цієї мети, не дивлячись на більш високий вихід фенолів, використовується рідше унаслідок його дорожнечі):

ArSO₃Na + 2NaOH → ArONa + Na₂SO₃ + Н₂О

Процес лужного плавлення проводиться в межах 250 – 350°С залежно від природи вихідної речовини. Нуклеофільне заміщення сульфогрупи гідроксогрупою, як правило, супроводжується утворенням невеликих кількостей продуктів окислення. Наприклад, при добуванні фенолу утворюються також резорцин і флороглюцин.

Згідно наведеному вище рівнянню необхідно мінімум 2 моль NaOH для заміщення сульфогруп на 1 моль моносульфокислоти, проте на практиці для досягнення рівномірної консистенції плаву беруть 3 моль NaOH, а в деяких випадках і більше. Щоб створити велику рухливість плаву при температурі більш низькій, ніж температура плавлення безводного гідроксиду натрію (327,6°С), до нього додають 5 – 10% води. В цьому випадку рідкий плав утворюється при температурі 275 – 280°С. Вода поступово випаровується, але плав залишається рухомим. До нього додають поступово, порціями сульфонат натрію у вигляді сухого, ретельно подрібненого порошку. Можна застосовувати також насичений водний розчин цієї солі. Процес здійснюють при постійному перемішуванні і після доливання всієї кількості сульфоната витримують реакційну масу при вказаній температурі 30 – 60 хв.

Добування фенолів шляхом заміни гідроксилом діазогрупи (1866, Грісс) здійснюється за рівняннями:

ArNH₂ + HONO + HX → Ar[N=N]⁺Х^– + 2Н₂О

Ar[N=N]⁺X^– + НОН → АrOН + N₂ + HX

Щоб виключити можливість утворення побічних продуктів, використовують арилдіазонійгідросульфат (HX – H₂SO₄). Встановлено, що з кількісним виходом фенол можна добути при розкладанні 0,6%-ного водного розчину гідросульфату фенілдіазонію.

У разі малореакційноздатних діазосполук для їх розкладання застосовують як каталізатор сульфат міді. Високий вихід гідроксосполук дає при повільному додаванні розчину арилдіазонію до киплячого розчину сульфату міді (ІІ). В промисловості заміна діазогрупи гідроксильною здійснюється без застосування каталізатора нагріванням водного розчину сірчанокислої солі діазонію до температури, яка перевищує 100°С.

Виділення продуктів реакції визначається її типом. У лабораторній практиці виділення продукту заміни галогену гідроксильною групою не викликає особливих ускладнень і зводиться, як правило, до перегонки.

Для виділення фенолів з плаву його розчиняють у воді, внаслідок чого утворюється концентрований водний розчин феноляту натрію і виділяється важкорозчинний у цьому розчині сульфіт натрію, який відокремлюють фільтруванням. Підкисленням феноляту виділяють фенол, який піддають очищенню. Виділення гідроксопохідних ароматичного ряду, отриманих по реакції заміни діазогрупи, здійснюють відгонкою фенолів в процесі розкладання.

Запобіжні засоби визначаються характером умов проведення процесу. Заміна галогенів в неактивованих системах з використанням автоклавів вимагає дотримання правил експлуатації апаратів, які працюють під тиском, і проводиться в спеціальних приміщеннях. Виконання синтезів по методу лужного плавлення ведуть у витяжній шафі з використанням рукавичок і захисних окулярів.

Ідентифікація. Ідентифікацію спиртів і фенолів проводять за смугами поглинання коливань зв'язків С–О і О–Н в ІЧ-спектрах відповідних сполук і хімічними зсувами гідроксогруп і сусідніх з ними протонів.