Пожарский А.Ф., Гулевская А.В.и др. Практикум по органической химии

Подождите немного. Документ загружается.

211

1-Нитронафталин – тонкие желтые иглы с т. пл. 61

С, т. кип.

304

С.

1,5- и 1,8-Динитронафталины

В круглодонной колбе емк. 250 мл, снабженной механической

мешалкой, термометром и капельной воронкой готовят раствор 25 г

1-нитронафталина в 150 г конц. серной кислоты. Охлаждают до 0

и по каплям добавляют смесь 13 г конц. азотной кислоты и 65 г конц.

серной кислоты, следя за тем, чтобы температура не превышала 0

С.

Реакционную массу нагревают до полного растворения образующих-

ся динитросоединений (около 90

С). При охлаждении смеси до 20

выпадает 1,5-динитронафталин, который отфильтровывают на филь-

тре Шотта. Маточный раствор сливают в стакан, а осадок на фильтре

промывают большим количеством холодной воды (до нейтральной

реакции среды) и спиртом. Выход около 6 г.

Сернокислый раствор тонкой струей выливают в 250 г измельчен-

ного льда и отфильтровывают осадок 1,8-динитронафталина, который

промывают водой и спиртом. Выход около 17 г.

1,5-Динитронафталин – чуть желтоватые кристаллы с т. пл.

216

С.

ИК спектр (KBr), ν, см

-1

: 1352 (NO

), 1520 (NO

), 1605 (С-С аром.).

Спектр ЯМР

H (CDCl

, 250 МГц), δ, м.д.: 7.79 (дд, J = 7.7, 8.8 Гц,

2Н, Н-3 и Н-7), 8.29 (дд, J = 7.7, 1.0 Гц, 2Н, Н-2 и Н-6), 8.77 (дм, J = 8.8

Гц, 2Н, Н-4 и Н-8).

1,8-Динитронафталин – кремоватые кристаллы с т. пл. 170

С.

ИК спектр (KBr), ν, см

-1

: 1353 (NO

), 1524 (NO

Спектр ЯМР

H (CDCl

, 250 МГц), δ, м.д.: 7.72 (дд, J = 8.3, 7.7 Гц,

2Н, Н-3 и Н-6), 8.21 (дд, J = 8.3, 1.0 Гц, 2Н, Н-4 и Н-5), 8.27 (дд, J = 7.7,

1.0 Гц, 2Н, Н-4 и Н-8).

Опыт с 1-нитронафталином

Несколько мг 1-нитронафталина растворяют в 1-2 мл этанола, до-

бавляют к раствору хлорид аммония и цинковую пыль и кипятят смесь

2 мин при частом встряхивании. По охлаждении раствор фильтруют

и добавляют реактив Толленса (к раствору 0.1 г нитрата серебра в

1 мл воды добавляют раствор 0.1 г гидроксида натрия в 1 мл воды и

1 мл конц. раствора аммиака). На стенках пробирки наблюдается вы-

деление серебра.

Контрольны1 вопрос

Объясните, почему нитрование нафталина протекает преимуще-

ственно по α-положениям?

3.8. нуклеофильное замещение в ароматическом ядре

3.8.1. Теоретические основы метода

Программа семинара

Механизмы нуклеофильного замещения в ароматическом

ряду: присоединения-элиминирования (S

2AE), элиминирования-

212

присоединения (S

2EA) , S

1. От чего зависит реализация того или

иного механизма. Дегидробензол, его структура и свойства. Типы за-

мещаемых групп. Типы нуклеофилов. Нуклеофильное замещение во-

дорода и его специфика.

Методические указания

Реакции этого типа могут быть представлены следующей общей

схемой:

Ar-X + Nu

→ Ar-Nu + X

Чаще всего замене подвергаются такие группы как Hal, SO

Me, NO

или диазониевая группа -N≡N

, отщепляющаяся в виде

молекулы азота. Наиболее активными и распространенными нуклео-

филами, как и в реакциях алифатических субстратов, являются ОН

AlkO

, RNH

, RNHNH

, NH

, OH

, RS

и т. п.

Различают три основных механизма нуклеофильного замещения

в ароматическом ряду. Первые два в обобщенном виде обозначаются

как S

2Ar, где приставка Ar отражает их специфику по сравнению с ре-

акциями S

2 у насыщенного атома углерода. В свою очередь оба этих

бимолекулярных механизма также имеют принципиальные отличия

друг от друга. Один из них представляет собой процесс присоедине-

ния – элиминирования (S

2АЕ), тогда как другой – элиминирования –

присоединения (S

2ЕА). Третий механизм относится к процессам мо-

номолекулярного замещения и обозначается как S

1Ar. Существует

также ряд других, менее распространенных механизмов, сведения о

которых можно почерпнуть из цитированной ниже литературы.

Механизм присоединения–элиминирования (S

2АЕ). Это наибо-

лее распространенный механизм и тип реакций. Главным условием

его реализации является наличие в молекуле активирующих групп –

электроноакцепторов, таких как NO

, NO, SO

Me, CN и т. п. На первой

стадии происходит присоединение нуклеофила к субстрату 1 с обра-

зованием анионного σ-комплекса 2. Имеются многочисленные приме-

ры фиксации σ-комплексов с помощью физических методов, главным

образом ЯМР и УФ спектроскопии, в отдельных случаях их удалось

выделить в кристаллическом состоянии и детально исследовать.

На второй стадии от σ-комплекса отщепляется уходящая группа

X с парой электронов, в результате чего образуется продукт замеще-

ния 3. Поскольку первая стадия связана с разрушением стабильной

ароматической системы, а вторая представляет собой энергетически

выгодный процесс ароматизации, именно первая стадия определяет

скорость всей реакции (k

>>k

). Реакция имеет второй суммарный по-

рядок (первый по каждому реагенту) и скорость ее отвечает уравне-

нию: v=k[ArX][Nu

213

X Nu

+ Nu

- -

+ X

2a 2б

2в

2г

Роль группы-активатора в субстрате двояка. С одной стороны,

она увеличивает частичный положительный заряд на кольцевом ато-

ме углерода, у которого происходит замещение, с другой – она ста-

билизирует σ-комплекс за счет дополнительной делокализации отри-

цательного заряда, привносимого нуклеофилом (вклад резонансных

структур типа 2 г весьма значителен). Действие групп-активаторов

особенно ощутимо, когда они расположены в орто- и пара-положениях

к реакционному центру. При наличии нескольких таких групп скорость

нуклеофильного замещения сильно возрастает. Например, подвиж-

ность хлора в 2,4,6-тринитрохлорбензоле (пикрилхлориде) настоль-

ко велика, что он быстро превращается в пикриновую кислоту при не

слишком осторожном хранении, т. е. реагирует с влагой воздуха.

Относительная подвижность галогенов в S

2-реакциях в алифа-

тическом и ароматическом рядах резко различна. При замещении

у насыщенного атома углерода галоген отрывается на скорость-

определяющей стадии, поэтому легкость его отрыва определяется

прочностью связи С-Hal: I>Br>Cl>F. В АЕ-реакциях в ароматическом

ряду элиминирование происходит на второй, более быстрой стадии.

Здесь прочность связи С-Hal уже не имеет решающего значения и все

определяется влиянием галогена на стадию присоединения нуклео-

фила. Есть три главных параметра, облегчающих эту стадию: уве-

личение положительного заряда на атоме, у которого протекает за-

мещение, степень стабилизации σ-комплекса и стерический фактор

(относительный размер входящей и уходящей групп). Ясно, что с этой

точки зрения больше всего реакции должен благоприятствовать не-

большой по размерам и наиболее электроотрицательный атом фтора.

И действительно, относительные скорости замещения галогена при

действии на 4-нитрогалогенбензолы метоксид-аниона при 50

С рав-

ны F (312) >> Cl (1) > Br (0.74) > I (0.36). Та же последовательность

характерна для других подобных реакций.

214

Механизм элиминирования-присоединения (S

2EA). Этот меха-

низм реализуется в тех случаях, когда субстрат не содержит активи-

рующих групп. Кроме того, нуклеофил должен быть сильным основа-

нием. Чаще всего в качестве его выступает амид-ион, NH

(pK

= 34)

или металлорганические соединения. Например хлор в хлорбензоле

не обменивается на аминогруппу даже при длительном нагревании с

аммиаком при температуре выше 200

С. Однако, при действии амида

калия в жидком аммиаке такой обмен имеет место, хотя температура

смеси не превышает –33

С (температура кипения аммиака). Реакция

имеет первый порядок по хлорбензолу и амид-иону и состоит из двух

стадий, первая из которых в свою очередь включает две подстадии.

Вначале амид-ион отщепляет один из орто-протонов, в результате

чего образуется карбанион 4 (очевидно из-за близости галогена орто-

связи С_Н более кислые, чем мета- и пара). Затем происходит элими-

нирование аниона Cl

и образуется нейтральная частица С

– бен-

зол без двух атомов водорода. Она называется дегидробензолом или

бензином (benzyne). Формально дегидробензол можно представить в

виде биполярной структуры 5а. Однако фактически между свободны-

ми валентностями соседних орто-положений образуется нечто напо-

минающее ацетиленовую связь (структура 5б). Так как тройная связь

внутри шестичленного цикла крайне напряжена, дегидробензол –

очень неустойчив (его удалось заморозить и исследовать физически-

ми методами лишь в аргоновой матрице при 8 К). Поэтому он быстро

присоединяет молекулу аммиака, в результате чего и образуется ани-

лин. Вследствие симметричности тройной связи амид-ион с равной

вероятностью присоединяется к любому из двух атомов углерода. Это

было продемонстрировано на хлорбензоле, содержащем в положе-

нии 1 метку в виде углерода

С (обозначен на схеме жирной точкой):

в соотношении 1:1 были получены оба возможных анилина 6а и 6б,

что и стало убедительным подтверждением правильности данного

механизма. Из сказанного становится очевидным, что лимитирующей

стадией при нуклеофильном замещении по механизму ЕА является

стадия образования дегидробензола. А поскольку в ней участвуют

субстрат и нуклеофил, реакция имеет второй суммарный порядок.

–

+ KNH

 NH

+ NH

 Cl

–

5б

(медленно)

5б

+ NH

6б

(быстро)

. .

215

Замещение может протекать и по смешанному механизму.

Например, на том же меченном хлорбензоле было показано, что

при его нагревании с водным едким натром при 340

С, 1-

С- и 2-

С-

фенолы образуются в соотношении 58 и 42 %, соответственно. Из

этого следует, что удельный вес механизмов ЕА и АЕ составляет 84

и 16 %.

Большинство производных дегидробензола (вместе с другими

дегидроаренами их обобщенно называют аринами, соответственно

ЕА-механизм иногда называют ариновым) имеют несимметричную

ацетиленовую связь. Поэтому присоединение к ней нуклеофила при-

водит к различным продуктам, один из которых является перегруппи-

ровочным. Их соотношение может варьироваться в широких пределах

в зависимости от электронной природы заместителя, например:

OMe

NaNH

OMe

340

50%

жидк. NH

(единственный продукт)

NaOH–H

Влияние галогена в субстрате на легкость его замещения по ЕА-

механизму носит сложный и неоднозначный характер. Так, при дей-

ствии на галогенбензолы KNH

в жидком аммиаке скорость реакции

изменяется в ряду: Br>I>Cl>>F. В то же время, при действии метал-

лорганических реагентов в апротонной среде эта последовательность

почти полностью обращается F>Cl>Br>I. Очевидно в последнем слу-

чае лимитирующей является стадия депротонирования субстрата,

поскольку его СН-кислотность будет тем выше, чем больше электро-

отрицательность галогена. Что касается первого случая, то отности-

тельная активность галогенов здесь отражает компромисс двух фак-

торов: прочность связи С-Hal и –I-эффекта галогена.

Механизм S

1Ar. Этот механизм достоверно установлен лишь для

реакции гидролиза солей арилдиазония, приводящей к образованию

фенолов. Тем не менее, ввиду важности его алифатического аналога,

ему придается фундаментальное значение и в ароматическом ряду.

Процесс состоит из двух стадий: стадии генерирования арильного

карбокатиона в результате относительно медленного гетеролиза свя-

зи Ar-N

и стадии последующего быстрого взаимодействия карбока-

тиона с водой.

216

Ar-N

Ar + N

Ar-OH + H

Очевидно, концентрация нуклеофила никак не влияет на скорость

всей реакции, которая поэтому описывается уравнением v = k[Ar-N

Несомненно, основной причиной такого развития событий является

стабильность молекулы азота, отщепляющейся на первой стадии. С

другой стороны, причины, по которым этот механизм не реализуется

в случае других ароматических субстратов, например, арилгалогени-

дов, заключаются в недостаточной устойчивости арильных карбока-

тионов (их свободная орбиталь относится к σ-типу и не стабилизи-

руется сопряжением) и прочности связи Ar-X вследствие сопряжения

заместителя X с кольцевой π-системой.

Нуклеофильное замещение водорода. В отличие от реакций

электрофильного замещения, где обычно вытесняется атом водо-

рода, нуклеофильное замещение водорода протекает более трудно

и специфично. Это обусловлено тем, что протон является хорошей

уходящей группой, тогда как гидрид-ион, будучи сильным основанием

(pK

32), – одна из самых плохих уходящих групп. Тем не менее, из-

вестно немало реакций данного типа. Некоторые из них имеют важ-

ное синтетическое значение.

Как и в случае других групп, замещению гидрид-иона способству-

ют присутствующие в субстрате электроноакцепторные заместители.

Особенно распространены такие реакции в азаароматических гетеро-

циклах, например, пиридине 7, хинолине 9, пиримидине 10 или 1,3,5-

триазине 11. Дело в том, что двоесвязанный внутрициклический атом

азота (его называют также пиридиновым гетероатомом или просто

азагруппой) является хорошим электроноакцептором, по силе сопо-

ставимым с группой NO

. Однако, в отличие от последней, он не так

подвержен стерическим эффектам, разнообразным процессам гидри-

рования и, особенно ценно, при протонировании может легко и обра-

тимо давать катион. Например, 8, способность которого реагировать с

нуклеофилами возрастает на несколько порядков.

N N

8 9

Например, нитробензол при действии амида натрия образу-

ет сложную смесь смол и продуктов восстановления нитрогруппы.

Содержание в ней о- и п-нитроанилинов – желаемых продуктов ну-

клеофильного замещения – незначительно. В то же время, пири-

дин при нагревании с амидом натрия с выходом более 70 % дает

2-аминопиридин 12. Эта реакция, открытая А.Е. Чичибабиным, – клас-

217

сический пример эффективного нуклеофильного замещения гидрид-

иона.

Na NH



толуол, 110

Почти все реакции, где замещается гидрид-ион, начинаются с об-

разования σ-комплекса и в этом отношении они мало чем отличаются

от других реакций S

2AE. Их главная специфика приходится на за-

ключительную стадию, где происходит элиминирование гидрид-иона.

Различают три разновидности этого процесса: 1) термическое отще-

пление, 2) окислительное и 3) автоароматизацию. Термическое (са-

мопроизвольное) элиминирование требует высокой температуры и

встречается главным образом у аддуктов ароматических субстратов

с металлорганическими соединениями. Последнее вполне вероятно,

поскольку нуклеофил в этом случае должен быть еще более сильным

основанием, чем гидрид ион. Например, аддукты пиридина с литий-

алкилами при длительном нагревании в апротонной среде отщепля-

ют гидрид лития и превращаются в 2-алкилпиридины. По-видимому,

налогичным образом бензол с выходом 15 % превращается в трет-

бутилбензол при нагревании в трет-бутиллитием:

RLi

tC

∆

N R

tC

+ Li H

– Li

165

20 ч

+ Li H

tC

Значительно более широкий круг нуклеофилов можно использо-

вать, если в реакционной смеси присутствуют различные акцепторы

гидрид-иона. Ими могут быть специально добавляемые окислители:

KMnO

, K

Fe(CN)

, хинины, кислород и т. п. Как правило, реакция в

этом случае протекает в мягких условиях и с хорошим выходом. Так,

при действии на нитробензол едкого кали и воды в жидком аммиа-

ке с последующим пропусканием кислорода образуется смесь орто-

и пара-нитрофенолов в соотношении 3:1 и с суммарным выходом

66 %. Другой пример – окислительное аминирование пиримидинов

амидом калия в жидком аммиаке в присутствии перманганата калия.

Последний метод аминирования электронодефицитных гетероциклов

получил в последние годы особенно широкое применение.

218

H OH

KOH

KNH

KMnO

ж. NH

, 33

+–

–

ж. NH

, 33



R = H, Ph, Br

Акцепторами гидрид-иона могут быть и вспомогательные груп-

пы специально вводимые в субстрат или привносимые реагентом.

Например, давно известна реакция аминирования нитроаренов ги-

дроксиламином. Она протекает в присутствии щелечи, которая, по-

видимому, способствует превращению гидроксиламина в более актив-

ный нуклеофил HONH

–

. Полагают, что при ароматизации σ-комплекса

13 в соответствии с приведенной ниже схемой отщепляется молеку-

ла воды. При этом, хотя формально в конечном итоге замещается

гидрид-ион, более вероятно, что отщепляющимися частицами факти-

чески являются протон и анион ОН

–

NHOH

- H

Сходная ситуация имеет место и в случае реакции Чичибабина.

В анионном σ-комплексе 14 акцептором гидрид-иона становится ами-

ногруппа, обладающая слабой, но все же достаточной для взаимо-

действия с гидрид-ионом NH-кислотностью. В результате происходит

весьма редкое для органических реакций явление – выделение мо-

лекулярного водорода. Непосредственным продуктом аминирования

является натриевая соль амина 15, котрая после разложения водой

через неустойчивый имно-таутомер 16 превращается в амин 12.

NaNH

N NH

- H

219

Чрезвычайно легко вступают в реакции нуклеофильного заме-

щения водорода соли N-метоксипиридиния 17. Их можно легко полу-

чить метилированием доступного пиридин-N-оксида. При действии на

них самых разнообразных нуклеофилов образуется аддукт типа 18,

котрый моментально ароматизуется с отщеплением молекулы мета-

нола. Трудно сказать отщепляется ли здесь водород в виде протона

или гидрид-иона, но в любом случае процесс формально представля-

ет собой замещение иона Н

–

. Известно много других разновидностей

данной реакции.

OMe

N Nu

+ CH

Nu = OH, OR, NH

,NR

, NHNH

, CN и

др.

СH

Рекомендуемая литература

Марч Дж. Органическая химия. М.: Мир, 1987. Т. 3. С. 5–53.1.

Робертс Дж., Кассерио М. Основы органической химии. М.: Мир, 2.

1978, т. 2, с. 244-254.

Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии. М.: 3.

Мир, 1981. Кн. 2. С. 241–251.

Пожарский А. Ф., Симонов А. М. Аминирование гетероциклов по 4.

Чичибабину. Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1971.

Пожарский А. Ф., Симонов А. М., Доронькин В.Н. // Успехи химии. 5.

1978. Т. 47. № 11. С. 1933–1969.

Пожарский А. Ф. Теоретические основы химии гетероциклов. М.: 6.

Химия, 1985.

Chupakhin O. N., Charushin V. N. , H. C. van der Plas. Nucleophilic 7.

Aromatic Substitution of Hydrogen, Academic Press, San-Diego,

1994.

Х. Ван дер Плас // Химия гетероцикл. соедин. 1987. № 8. С. 1011–8.

1027.

3.8.2. Прописи синтезов

2,4-Динитрофенилгидразин

AcONa

NHNH

+ NH

этанол, вода

+ HCl

Реактивы: 2,4-динитрохлорбензол – 10.1 г, ацетат калия (или на-

трия) – 5.7 (4.7) г, гидразингидрат – 3 г, этанол – 100 мл, бутанол –

50 мл.

220

Посуда и оборудование: трехгорлая круглодонная колба на 250 мл,

капельная воронка, обратный холодильник (Либиха или шариковый),

мешалка с направляющей, воронка Бюхнера, колба Бунзена на 250

мл, чашка Петри.

Продолжительность 2.5 часа.

Внимание! 2,4-Динитрохлорбензол – токсичное вещество, вы-

зывает ожоги и раздражения на коже и слизистых оболочках.

Гидразингидрат – разъедает кожу, является кровяным ядом, вызывает

судороги и поражает сердце. Необходимо работать в перчатках и в

вытяжном шкафу.

В трехгорлую круглодонную колбу на 250 мл, снабженную меха-

нической мешалкой, обратным холодильником и капельной воронкой

помещают раствор 10.1 г 2,4-динитрохлорбензола в 50 мл этанола.

При перемешивании прикапывают раствор 5.7 г ацетата калия (или

4.7 г ацетата натрия) и 3 г гидразингидрата в смеси 30 мл этанола и

25 мл воды. Реакционную смесь кипятят при постоянном перемеши-

вании 1 ч. Охлаждают, выпавший осадок 2,4-динитрофенилгидразина

отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают 10 мл теплого

(~ 50

С) этанола, 10 мл горячей воды (80–90

С), переносят на чаш-

ку Петри и сушат на воздухе. Кристаллизуют из бутанола (~ 50 мл).

Выход около 6 г.

2,4-Динитрофенилгидразин – красные кристаллы с фиолетовой

флуоресценцией с т. пл. 194-198

С (разл.). ИК спектр (KBr), ν, см

-1

1333 (NO

), 1571 (NO

), 1645 (N-H), 3328 (N-H).

Спектр ПМР (ДМСО-d

, 250 МГц), δ, м.д.: 5.00 уш. c (2H, NH

), 7.65

д (1Н, 6-Н, J

6,5

= 9.75 Гц), 8.21 д.д (1Н, 5-Н, J

5,6

= 9.74, J

5,3

= 2.56 Гц),

8.77 д (1Н, 3-Н, J

3,5

= 2.57 Гц), 9.96 с (1Н, NH).

Опыт с 2,4-динитрофенилгидразином

Несколько мг 2,4-динитрофенилгидразина растворяют в 1 мл 5н

серной кислоты и добавляют раствор карбонильного соединения в

спирте. Если осадок не выпадает сразу, пробирку со смесью нагре-

вают до кипения. Наблюдается образование желтых (или оранжевых)

осадков 2,4-динитрофенилгидразонов.

Контрольные вопросы

Объясните необходимость использования в реакции ацетата ка-1.

лия.

Зачем требуется промывать сырой 2,4-динитрофенилгидразин 2.

теплым спиртом и горячей водой?