Учебник Органическая химия Щеголев 2016

Названия производных замещѐнных бензойных кислот строятся на основе названий производных бензойных кислот. Например:

жена, особенно в о- и п-положениях. В сопряжение во-

влекается и атом кислорода OH-группы, в связи с чем вся молекула имеет плоское строение.

10.9.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Ароматические карбоновые кислоты представляют собой белые кристаллические вещества, некоторые из них обладают приятным запахом.

Важнейшими свойствами самих карбоновых кислот (ароматических так же, как и алифатических) и в ряде случаев таких их производных, как

581

амиды, являются их кислотно-основные свойства. При этом оснóвные свойства незначительны и практического значения не имеют.

Так же, как и для алифатических аналогов, для ароматических кислот и их производных характерны реакции в ацильной группе, приводящие к получению одних производных из других. Ароматические карбоновые кислоты и их производные также вступают во многие реакции, характерные для алифатических аналогов. Это такие, как расщепление амидов по Гофману, декарбоксилирование серебряных солей (реакция Бородина) и другие.

Ещѐ одним важным свойством этих соединений являются реакции по бензольному кольцу, что характерно для всех ароматических производных.

10.9.3.1. Кислотные свойства

Для ароматических карбоновых кислот кислотность связана с возможностью отрыва катиона водорода от карбоксильной группы и образованием стабильного ацилат-иона. При этом аренмонокарбоновые кислоты относятся к слабым OH-кислотам. Бензойная кислота лишь ненамного сильнее уксусной (рКа для бензойной равна 4.17 против 4.76 для уксусной). Лучше всего это можно объяснить возможностью более полной делокализации отрицательного заряда аниона кислотного остатка с участием -электронной системы бензольного кольца.

Поэтому так же, как и в случаях с аренсульфокислотами и фенолами, электроноакцепторные заместители будут увеличивать кислотные свойства, а электронодонорные, наоборот, — уменьшать.

Однако для некоторых заместителей, находящихся в орто-положении бензольного кольца по отношению к карбоксильной группе, влияние на кислотные свойства аренкарбоновых кислот не ограничивается индуктивным и мезомерным эффектами (и пространственным эффектом тоже). Это так называемый орто-эффект, проявляющийся во взаимодействии карбоксильной и находящейся к ней в о-положении функциональной группы за счѐт внутримолекулярных водородных связей. Примером проявления орто-эффекта является взаимодействие заместителей в бензольном кольце салициловой кислоты, увеличивающее еѐ кислотность по сравнению с бензойной (рКа =

582

образовавшегося N-алкилфталимида, который обычно проводят серной или дымящей соляной кислотой при нагревании до 200 С.

10.9.3.2. Реакции в ацильной группе

Реакции нуклеофильного замещения в карбоксильной группе карбоновых кислот и в ацильных группах производных этих кислот протекают аналогично рассмотренным ранее алифатическим аналогам (гл. 6.4.4.2) — из одних ацильных производных образуются другие ацильные производные.

Скорость реакции зависит от пространственных факторов, величины заряда на карбонильном атоме углерода и природы уходящей группы (еѐ основности). Таким образом, реакционная способность ароматических карбоновых кислот и их производных уменьшается в том же ряду, что и их алифатических аналогов:

Для аренкарбоновых кислот характерны также реакции декарбоксилирования, начинающиеся с нуклеофильной атаки по карбонильному атому уг-

лерода (гл. 6.4.4.4).

10.9.3.3. Электрофильное замещение

Карбоксильная группа оказывает электроноакцепторное влияние на бензольное кольцо и направляет вступающий электрофил преимущественно в мета-положение. Это можно показать граничными формулами распределения электронной плотности в исходной молекуле бензойной кислоты:

584

Из SE-реакций для аренкарбоновых кислот (и их ацильных производных) характерны реакции нитрования, сульфирования и галогенирования. Например:

COOH

SO3H +

- H+

SO3H

10.9.4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

Для получения ароматических карбоновых кислот можно использовать способы, применяющиеся для получения их алифатических аналогов

(гл. 6.4.5).

1.Окисление спиртов, альдегидов, кетонов.

2.Гидролиз , , -тригалогенаренов.

3.Металлорганический синтез (карбоксилирование реактивов Гринь-

яра).

4. Гидролиз (гидратация) нитрилов.

Однако ароматические карбоновые кислоты и их производные можно получать не только выше перечисленными, но и другими способами.

5.Окисление аренов кислородом в присутствии катализаторов (соли кобальта и марганца) или обычными неорганическими окислителями (перманганаты, дихроматы). Эти реакции были рассмотрены в главе 9.5.1.4.

6.Ацилирование аренов с помощью фосгена — прямой способ получения галогенангидридов:

10.9.5. ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ

Бензойная кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 122 С. Легко возгоняется. Обладает бактерицидными свойствами. В промышленности бензойную кислоту получают окислением толуола.

Используется для получения красителей, душистых и лекарственных веществ.

п-Аминобензойная кислота (витамин H1) участвует во многих жизненно важных процессах в качестве промежуточного вещества. В связи с этим является жизненно важным фактором для многих микроорганизмов, а также необходимым элементом для биосинтеза некоторых витаминов. Эфиры п-аминобензойной кислоты нашли применение в медицине как лекарственные вещества с местноанестезирующим действием. Примерами таких веществ могут служить новокаин и анестезин. Этиловый эфир п-амино- бензойной кислоты (анестезин) применяется как местноанестезирующее средство более 70 лет. Получают его из п-нитротолуола по следующей схеме:

Терефталевая кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 425 С, но при температуре 300 С возгоняется.

В промышленности терефталевую кислоту получают окислением п-ксилола кислородом воздуха.

Используется в производстве синтетического волокна лавсана (полиэтилентерефталата) и кевлара (поли-п-фенилентерефталата). Такие полимеры обладают прекрасной термической устойчивостью (что определяется наличием ароматических циклов) и очень хорошими механическими свойствами.

Салициловая кислота (гл. 10.5.3, 10.9.3.1) — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 159 С. Легко возгоняется. В промышленности получают карбоксилированием фенола.

Салициловая кислота и еѐ производные используют в медицине в качестве лекарственных препаратов.

10.10. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ БЕНЗОЛА

Как уже указывалось в главе 9.7, при метаболическом окислении ароматических углеводородов в результате ароматического гидроксилирования образуются фенолы. Аналогичные продукты образуются и при окислении различных функциональных производных. Важную роль здесь играет структурная избирательность, зависящая от свойств субстрата. Например, при метаболизме анилина образуются все три возможных изомерных гидроксипроизводных (50 % п-гидроксианилина, 10 % о-изомера и 0.1 % м-изомера), тогда как из нитробензола преимущественно образуются п- и м-изомеры. Если бензольное ядро ксенобиотика содержит несколько заместителей, то гидроксилирование может идти по нескольким положениям, как, например, в случае салициловой кислоты:

салициловая кислота

Среди лекарственных препаратов на основе салициловой кислоты наиболее известны фенилсалицилат (салол), ацетилсалициловая кислота (аспи-

рин).

Фенилсалицилат является эфиром салициловой кислоты и фенола:

COO

OH

Он применяется в порошках и таблетках при заболеваниях кишечника. Действие препарата основано на том, что в слабощелочном содержимом кишечника фенилсалицилат гидролизуется до салициловой кислоты и фенола, которые угнетающе действуют на кишечную флору. Салициловая кислота и

587

фенол частично выделяются из организма почками и могут оказывать дезинфицирующее действие в мочевых путях.

Действие ацетилсалициловой кислоты во многом сходно с действием на организм салицилата натрия, что понятно, так как ацетильное производное в желудочно-кишечном тракте гидролизуется:

Ацетилсалициловую кислоту применяют внутрь при мигрени, а также как жаропонижающее и болеутоляющее средство. Она оказывает противовоспалительное действие.

При метаболическом расщеплении О-замещѐнных фенолов скорость О-дезалкилирования снижается при увеличении длины неразветвлѐнной алкильной цепи, а электронодонорные группы около -углеродного атома увеличивают скорость реакции. Значительное влияние на скорость реакции оказывают и заместители в ароматическом цикле, однако не менее существенна и роль пространственных факторов.

п-Бензохинон, как и все хиноны, — сильный окислитель. Окислитель- но-восстановительные свойства системы хинон–гидрохинон играют важную роль в организме. По отношению к большинству органических субстратов эта система играет роль окислителя, участвуя в переносе электронов от субстрата к кислороду.

Анилин и многие ароматические амины довольно токсичны. Они являются нервными и кровяными ядами.

Анилин обладает жаропонижающим действием, однако не применяется в медицине вследствие своей токсичности.

Большое значение в химии лекарственных соединений имеют аминокислоты ароматического ряда, которые участвуют во многих жизненно важных процессах в качестве промежуточных веществ. Это п-аминобензойная кислота (витамин H1).

Если п-аминобензойная кислота является необходимым фактором для нормальной деятельности микроорганизмов, то п-аминосалициловая кислота, участвуя в обмене веществ, подавляет рост микроорганизмов. Таким образом, п-аминосалициловая кислота является антагонистом п-амино- бензойной кислоты. п-Аминосалициловая кислота и еѐ натриевая соль обладают бактериостатической активностью в отношении микобактерий туберкулѐза и относятся к основным противотуберкулѐзным препаратам. При

588

приѐме внутрь п-аминосалициловая кислота хорошо всасывается и проникает в сыворотку крови и ткани внутренних органов. п-Аминосалициловую кислоту и еѐ соль часто применяют в комбинации с другими противотуберкулѐзными препаратами.

Получают п-аминосалициловую кислоту из м-аминофенола карбоксилированием:

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Сравните строение и реакционную способность галогенозамещѐнных углеводородов ароматического и алифатического рядов. Найдите сходство и объясните различие в поведении хлорбензола, этилхлорида и винилхлорида.

2.Разберите механизмы реакций нуклеофильного замещения в ароматическом кольце на примере ароматических галогенопроизводных.

3.Сравните кислотные свойства следующих соединений: п-нитробензол- сульфокислоты, бензолсульфокислоты, п-хлорбензолсульфокислоты, о-толуолсульфокислоты, воды. Объясните.

4.Какое из предложенных соединений наиболее легко десульфируется: бензолсульфокислота, п-хлорбензолсульфокислота, о-толуолсульфо- кислота, п-нитробензолсульфокислота. Поясните. Приведите механизм реакции.

5.Объясните, почему для ароматических сульфокислот возможны реакции замещения сульфогруппы как по электрофильному, так и по нуклеофильному пути. Сравните условия протекания этих реакций.

6.Какие продукты образуются при взаимодействии п-изопропил- бензолсульфокислоты: а) с концентрированной серной кислотой, б) с избытком нитрующей смеси, в) с кипящей очень разбавленной соляной кислотой? Приведите механизмы реакций.

7.Приведите три уравнения реакций хлорирования п-толуол- сульфокислоты: а) хлором в присутствии железа, б) хлором на свету, в) пентахлоридом фосфора (V). Приведите механизмы этих реакций.

589

8.Приведите механизм нуклеофильного замещения для 1,2,3-тринитро- бензола при взаимодействии с гидроксидом натрия. Какая нитрогруппа заместится в первую очередь и сколько всего нитрогрупп заместится при избытке нуклеофильного реагента? Поясните. Приведите механизм реакции.

9.Проведите сульфирование: а) этилбензола, б) бензойной кислоты. Рассмотрите механизм реакции сульфирования на примере (а). Объясните, почему группа -СООН является м-ориентантом и обладает дезактивирующим действием.

10.Какие продукты образуются при взаимодействии ,п-динитротолуола: а) с нитрующей смесью, б) с разбавленным водным раствором щѐлочи? Приведите механизмы реакций.

11.Сравните строение и свойства фенолов и ароматических спиртов. Каковы причины различия и в чѐм наблюдаются общие черты? Приведите примеры.

12.Сравните кислотные свойства следующих соединений: фенол, п-нитрофенол, п-хлорфенол, о-нитрофенол, м-нитрофенол. Объясните.

13.Сравните основные свойства следующих соединений: бензиламин, этиламин, аммиак, N-этиланилин, п-этиланилин. Объясните.

14.Приведите схемы и механизмы реакций превращения следующих аминов при взаимодействии с азотистой кислотой: а) м-броманилина, б) N,N- диметиланилина.

15.Из анилина получите: а) п-нитроанилин, б) N,N-диэтиланилин. Какой из аминов будет проявлять более сильные оснóвные свойства? Дайте объяснение.

16.Получите п-толуиловый альдегид: а) окислением ароматического спирта, б) гидролизом соответствующего дигалогенопроизводного. Для альдегида приведите уравнения реакций: а) с гидроксиламином, б) конденсации с уксусным ангидридом (укажите условия конденсации).

17.Для п-хлорбензальдегида приведите механизмы реакций: а) с ацетоном, б) уксусным альдегидом, в) уксусным ангидридом.

18.Сравните кислотные свойства следующих соединений: бензойная кислота, п-бензолдикарбоновая кислота, п-гидроксибензойная кислота, п-нит- робензойная кислота. Объясните. Какое из этих соединений легче вступает в реакцию электрофильного замещения?

19.Получите п-толуиловую кислоту следующими реакциями: а) гидролизом нитрила, б) окислением спирта. Для кислоты напишите схемы реакций: а) образования хлорангидрида кислоты, б) бромирования в присутствии катализатора (SE).

20.С помощью каких реакций можно различить следующие соединения: а) бензилацетат и п-этилбензойную кислоту, б) бензамид и п-амино- бензойную кислоту?

590