Твёрдотельные накопители (SSD) довольно прочно вошли в нашу жизнь. Даруя...
Лекция №40
НИТРОСОЕДИНЕНИЯ
Нитросоединения- производные углеводородов в которых один или несколько атомов водорода замещены нитрогруппой – NO 2 .
Нитроалканы - производные алканов, в которых один или несколько атомов водорода замещены нитрогруппой.
Общая формула мононитроалканов C n H 2n+1 NO 2 .
При образовании названий нитроалканов выбирается самая длинная углеводородная цепь, нумерация которой начинается с конца, к которому ближе расположена нитрогруппа. Последняя указывается с помощью приставки “нитро”. Например:
Методы синтеза
1. Нитрование алканов
Из метана получают нитрометан, при нитровании гомологов метана образуется смесь нитроалканов:
2. Алкилирование нитритов
R-Br + AgNO 2 ® R-NO 2 + AgBr
R-Br + NaNO 2 ® R-NO 2 + NaBr
Поскольку нитрит-анионы имеют амбидентный характер, для получения высокого выхода нитроалкана используют апротонные неполярные растворители и умеренные температуры.
Физические свойства и строение
Нитроалканы являются бесцветными или желтоватыми жидкостями или кристаллическими веществами со слабым запахом.
Для мононитроалканов характерны большие дипольные моменты. Причиной значительной полярности нитроалканов кроется в электронном строении нитрогруппы, содержащей семиполярную связь
Выравнивание связей N-O подтверждается рентгеноструктурным анализом: связь N-O в нитрогруппе короче связи N-O в гидроксиламине, но длинее связи в нитрозогруппе –N=O.
Высокая электроотрицательность атомов N и О, кратность связи N=O и ее семиполярный характер обусловливают значительные электроноакцепторные свойства нитрогруппы (-I и –М-эффекты).
Для нитроалканов характерно слабое поглощение в УФ-области 270-280 нм. Это связано с электронными переходами типа n ® p* неподеленной электронной пары атома кислорода на НСМО.
В ИК-спектрах наблюдаются максимумы поглощения связанные с симметричными и антисимметричными колебаниями связей N=O в областях 1370 см -1 и 1550 см -1 .
Химические свойства нитроалканов
Кислотность и таутомерные превращения нитроалканов
Первичные и вторичные нитроалканы являются СН- кислотами.
Кислотность обусловлена стабилизацией образующегося карбаниона за счет электроноакцепторных свойств нитрогруппы.
Кислотность мононитроалканов в водных растворах сравнима с кислотностью фенолов. Если у одного атома углерода находится две или три нитрогруппы, кислотность резко возрастает.
Анион нитроалакана является амбидентным подобно енолят-аниону. Например, при его протонировании может образовываться, кроме нитроалкана, другая таутомерная форма.
Таутомерную форму нитроалкана называю ациформой или нитроновой кислотой, которая в чистом виде не получена. Нитроновая кислота является ОН- кислотой средней силы (рКа=3,2).
Таким образом, нитросоединения следует рассматривать как таутомеры, реагирующие в нитро- и аци-формах.
В обычных условиях концентрация аци-формы ничтожна (10- 5 -10 -7 %). Равновесие смещается в правую сторону в щелочной среде вследствие образования солей.
Кристаллические соли щелочных и щелочно-земельных металлов устойчивы и хорошо растворимы в воде. Их иногда называют солями нитроновой кислоты. При подкислении растворов сначала образуется сама нитроновая кислота (ациформа), которая затем изомеризуется в нитроалкан.
Нитросоединения относятся к псевдокислотам, для которых характерно, что сами они нейтральны, не обладают электропроводностью, но тем не менее образуют нейтральные соли щелочных и щелочно-земельных металлов.
“Нейтрализация” нитросоединений основаниями происходит медленно, а истинных кислот - мгновенно.
Из других реакций нитроалканов отметим следующие.
Гидролиз в кислой среде с разрывом связей C-N.
Эта реакция используется в технике для синтеза гидроксиламина и его сульфата.
Замещение Н-атомов при a- С на галогены, остатки азотистой кислоты, альдегидов, кетонов и т.д.
Реакция с HNO 2 является качественной на нитроалканы. Третичные нитроалканы не реагируют, вторичные R 2 CH-NO 2 образуют нитрозонитроалканы
Первичные образуют с HNO 2 нитрооксимы (нитроловые кислоты)
Эти бесцветные соединения образуют со щелочами соли нитроловых кислот кроваво-красного цвета.
Ароматические нитросоединения
1. Методы получения
- Нитрование аренов
Это основной метод получения нитроаренов; подробно рассмотрен при изучении электрофильного ароматического замещения (см. лек.№18).
- Окисление ариламинов
Метод заключается в окислении первичных ароматических аминов пероксисоединениями. Наиболее эффективным реагентом для окисления является трифторпероксиуксусная кислота в хлористом метилене. Трифторпероксиуксусную кислоту получают непосредственно в реакционной смеси при взаимодействии ангидрида трифторуксусной кислоты и 90%-ной перекиси водорода. Этот метод имеет значение для синтеза нитросоединений, содержащих в орто - и пара -положениях к нитрогруппе другие электроноакцепторные группировки, например:
2. Физические свойства и строение
Нитроарены – желтые вещества со своеобразным запахом. Нитробензол - жидкость с запахом горького миндаля. Ди- и полинитроарены – кристаллические вещества.
Нитрогруппа является сильным электроноакцептором, поэтому нитроарены имеют большие дипольные моменты, направленные в сторону нитрогруппы.
Молекулы полинитроаренов являются сильными электроноакцепторами. Например, сродство к электрону 1,3-динитробензола составляет 1,35 эВ, а 1,3,5-тринитробензола – 1,75 эВ.
3. Химические свойства
Восстановление нитрогруппы
Продуктом исчерпывающего восстановления нитрогруппы в нитроаренах являются аминогруппа. В настоящее время для восстановления нитроаренов в ариламины в промышленных условиях применяется каталитическое гидрирование. В качестве катализатора используют медь на силикагеле в качестве носителя. Выход анилина над этим катализатором составляет 98 %.
В лабораторных условиях для восстановления нитрогруппы используют металлы в кислой или щелочной среде. Восстановление происходит в несколько стадий, последовательность которых в кислой и щелочной среде сильно различается.
При восстановление в кислой среде процесс протекает ступенчато и включает следующие стадии.
В кислой среде каждый из промежуточных продуктов быстро восстанавливается до конечного продукта анилина и их не удается выделить в индивидуальном виде. В качестве восстановителей применяют железо, олово или цинк и соляную кислоту. Эффективным восстановителем нитрогруппы является хлорид олова (II) в соляной кислоте. Конечным продуктом восстановления в кислой среде является амин, например:
C 6 H 5 NO 2 + 3Zn + 7HCl ® C 6 H 5 NH 2 HCl + 3ZnCl 2 + 2H 2 O
В нейтральном растворе, например, при восстановлении нитроаренов цинком в водном растворе хлорида аммония, процесс восстановления замедляется и останавливается на стадии образования арилгидроксиламина.
При восстановлении в щелочной среде в избытке восстановителя конечным продуктом восстановления нитроарена является гидразоарен (диарилгидразин)
Процесс может быть представлен в виде следующей последовательности превращений.
азоксиарен |
азоарен г |
гидразоарен |
В щелочной среде процессы восстановления нитрозоарена и гидроксиламина замедляются настолько, что основным становится процесс их конденсации с образованием азоксиарена. Эта реакция по существу подобна присоединению азотистых оснований к карбонильной группе альдегидов и кетонов.
Азоксибензол при действии цинка в спиртовом растворе щелочи восстанавливается сначала до азобензола, а при действии избытка цинка далее до гидразобензола.
Сам азоксибензол может быть получен восстановлением нитробензола метилатом натрия в метиловом спирте.
В качестве восстановителей нитроаренов используют также сульфиды щелочных металлов и аммония.
4ArNO 2 + 6Na 2 S + 7H 2 O ® 4ArNH 2 + 3Na 2 S 2 O 3 + 6NaOH
Как следует из стехиометрического уравнения, в процессе восстановления сульфидом возрастает щелочность среды, что приводит к образованию азокси- и азосоединений в качестве побочных продуктов. Для того чтобы избежать этого в качестве восстановителей следует использовать гидросульфиды и полисульфиды, так как в этом случае щелочь не образуется.
ArNO 2 + Na 2 S 2 + H 2 O ® ArNH 2 + Na 2 S 2 O 3
Скорость процесса восстановления нитрогруппы сульфидами сильно зависит от электронных эффектов заместителей в ароматическом кольце. Так, м-динитробензол восстанавливается дисульфидом натрия в 1000 раз быстрее м-нитроанилина. Это используется для парциального восстановления нитрогрупп в полинитросоединениях.
Продукты неполного восстановления нитрогруппы
Нитрозоарены
Нитрозоарены легко восстанавливаются, поэтому их трудно получить восстановлением нитроаренов. Лучший метод получения нитрозоаренов состоит в окислении арилгидразинов.
Возможно непосредственное введение нитрозогруппы в ароматическое кольцо действием азотистой кислоты на фенолы и третичные ариламины (см. лек.№29 и 42)
В кристаллическом состоянии ароматические нитрозосоединения существуют в виде бесцветных димеров. В жидком и газообразном состоянии существует равновесие между димером и мономером. Мономеры окрашены в зеленый цвет.
Нитрозосоединения, подобно карбонильным, соединениям вступают в реакции с нуклеофилами. Например, при конденсации с арилгидроксиламинами образуются азоксисоединения (см. выше), а с ариламинами – азосоединения.
Арилгидроксиламины
Кроме описанного выше метода получения восстановлением нитроаренов в нейтральной среде арилгидроксиламины синтезируют путем нуклеофильного замещения в активированных аренах.
Как промежуточные продукты восстановления нитроаренов арилгидроксиламины могут быть окислены в нитрозосоединения (см. выше) и восстановлены в амины путем каталитического гидирирования или действием металла в кислой среде.
ArNHOH + Zn + 3HCl ® ArNH 2 . HCl + ZnCl 2 + H 2 O
В кислой среде арилгидроксиламины перегруппировываются аминофенолы, что используется для получения последних, например:
Азоксиарены
Кроме описанных выше методов – конденсации нитрозосоединений с арилгидроксиламинами и восстановления нитроаренов метилатом натрия, азоксиарены могут быть получены окислением азоаренов пероксисоединениями.
В щелочной среде азоксиарены восстанавливаются до азо- и далее гидразоаренов (см. выше).
Азоарены
Образуются при восстановлении нитроаренов, арилгидразинов и азокси- аренов в щелочной среде, например:
Несимметричные азосоединения получают конденсацией нитрозосоединений с аминами (см. выше). Важный метод синтеза азосоединений – реакция азосочетания будет подробно рассмотрен далее (см. лек.№43)
Азоарены существуют в виде цис - и транс - изомеров. При облучении более стабильный транс -изомер превращается в цис -изомер. Обратное превращение происходит при нагревании.
Азосоединения окрашены, многие из них используются в качестве красителей.
Гидразоарены
Это конечные продукты восстановления нитроаренов в щелочной среде. Гидразоарены – бесцветные кристаллические вещества, на воздухе окисляются в окрашенные азосоединения. В препаративных целях окисление проводят действием бромной воды
Ar-NHN-HAr + Br 2 + 2NaOH ® Ar-N=N-Ar + 2NaBr + 2H 2 O
При восстановлении в жестких условиях гидразоарены дают ариламины.
Важным свойством гидразосоединений является перегруппировка в 4,4 / -диаминобифенилы. Это превращение получило название бензидиновой перегруппировки. В настоящее время этим термином объединяют целую группу родственных перегруппировок, приводящих к образованию смеси орто - и пара -изомерных производных диаминобифенила.
При перегруппировке самого гидразобензола получается смесь диаминов, содержащая 70 % бензидина и 30 % 2,4 / -диаминобифенила.
Если пара -положение в одном из бензольных ядер гидразобензола занято каким-нибудь заместителем, продуктом перегруппировки оказывается производное дифениламина (так называемая семидиновая перегруппировка).
При изучении механизма бензидиновой и родственных перегруппировок было установлено, что они протекают внутримолекулярно. Если два различных гидразобензола подвергнуть совместной перегруппировке, то продукты перекрестной перегруппировки отсутствуют. Для перегруппировки самого гидразобензола было обнаружено, что скорость реакции пропорциональна концентрации гидразобензола и квадрату концентрации протона. Это означает, что перегруппировке подвергается дипротонированная форма гидразобензола. Было также показано, что монопротонированная форма гидразобензола превращается нацело в бензидин только при повторной обработке кислотой. Эти данные согласуются со следующим механизмом бензидиновой перегруппировки.
Предполагается, что переходное состояние образуется из такой конформации гидразобензола, в которой сильно сближены между собой два соответствующих атома углерода обоих бензольных колец. Образование новой углерод-углеродной связи и разрыв старой связи двух атомов азота происходит строго синхронно. Согласно современной терминологии бензидиновая перегруппировка относится к числу - сигматропных перегруппировок.
1. Нитросоединения
1.2. Реакции нитросоединений
1. НИТРОСОЕДИНЕНИЯ
Нитросоедингениями называют производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на нитрогруппу -NO 2 . В зависимости от углеводородного радикала, к которому присоединена нитрогруппа, нитросоединения делятся на ароматические и алифатические. Алифатические соединения различают как первичные 1о, вторичные 2 о и третичные 3о, в зависимости от того к 1 о, 2 о или 3о атому углерода присоединена нитрогруппа.
Нитрогруппу –NO2 не следует путать с нитритной группой -ONO. Нитрогруппа имеет следующее строение:
Наличие полного положительного заряда на атоме азота обусловливает наличие у нее сильного -I-эффекта. Наряду с сильным -I-эффектом нитрогруппа обладает сильным -М-эффектом.
Упр. 1. Рассмотрите строение нитрогруппы и ее влияние на направление, и скорость реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре.
1.1. Способы получения нитросоединений
Практически все способы получения нитросоединений были уже рассмотрены в предыдущих главах. Ароматические нитросоединения получают, как правило, прямым нитрованием аренов и ароматических гетероциклических соединений. Нитроциклогексан в промышленных условиях получают нитрованием циклогексана:
(1)
Таким же путем получают и нитрометан, однако в лабораторных условиях его получают из хлоруксусной кислоты в результате реакций (2-5). Ключевой стадией из них является реакция (3), проходящая по механизму SN2.
Хлоруксусная кислота Хлорацетат натрия
Нитроуксусная кислота
Нитрометан
1.2. Реакции нитросоединений
1.2.1. Таутомерия алифатических нитросоединений
Вследствие сильных электроноакцепторных свойств нитрогруппы, a-атомы водорода обладают повышенной подвижностью и поэтому первичные и вторичные нитросоединения являются С-Н-кислотами. Так, нитрометан является довольно сильной кислотой (pKa 10,2) и в щелочной среде легко превращается в резонансностабилизированный анион:
Нитрометан pKa 10,2 Резонансностабилизированный анион
Упр.2. Напишите реакции (а) нитрометана и (б) нитроциклогексана с водным раствором NaOH.
1.2.2. Конденсация алифатических нитросоединений с альдегидами и кетонами
Нитрогруппа может быть введена в алифатические соединения альдольной реакцией между анионом нитроалкана и альдегидом или кетоном. В нитроалканах a-атомы водорода даже более подвижны, чем в альдегидах и кетонах и поэтому они могут вступать с альдегидами и кетонами в реакции присоединения и конденсации предоставляя свои a-атомы водорода. С алифатическими альдегидами обычно проходят реакции присоединения, а с ароматическими – исключительно конденсации.
Так, нитрометан присоедняется к циклогексанону,
(7)
1-Нитрометилциклогексанол
но конденсируется с бензальдегидом,
В реакции присоединения с формальдегидом участвуют все три атома водорода нитрометана и образуется 2-гидроксиметил-2-нитро-1,3-динитропропан или триметилолнитрометан.
Конденсацией нитрометана с гексаметилентетрамином мы получили 7-нитро-1,3,5-триазаадамантан:
(10)
Упр. 3. Напишите реакции формальдегида (а) с нитрометаном и (б) с нитроциклогексаном в щелочной среде.
1.2.3. Восстановление нитросоединений
Нитрогруппу восстанавливают в аминогруппу различными восстановителями (11.3.3). Гидрированием нитробензола под давлением в присутствии никеля Ренея в промышленных условиях получают анилин
(11) (11 32)
В лабораторных условиях вместо водорода можно использовать гидразин, разлагающийся в присутствии никеля Ренея с выделением водорода.
(12)
7-нитро-1,3,5-триазаадамантан 7-амино-1,3,5-триазаадамантан
Нитросоединения восстанавливают металлами в кислой среде с последующим подщелачиванием
(13) (11 33)
В зависимости от рН среды и используемого восстановителя могут быть получены различные продукты. В нейтральной и щелочной среде активность обычных восстанавливающих агентов по отношению к нитросоединениям меньше, чем в кислой среде. Характерным примером может служить восстановление нитробензола цинком. В избытке соляной кислоты цинк восстанавливает нитробензол в анилин, в то время как в буферном растворе аммонийхлорида - в фенилгидроксиламин:
(14)
В кислой среде арилгидроксиламины подвергаются перегруппировке:
(15)
п-Аминофенол используется в качестве проявителя в фотографии. Фенилгидроксиламин далее может быть окислен до нитрозобензола:
(16)
Нитрозобензол
Восстановлением нитробензола хлоридом олова (II) получают азобензол, а цинком в щелочной среде – гидразобензол.
(17)
(18)
Обработкой нитробензола раствором щелочи в метаноле получают азоксибензол, при этом метанол окисляется в муравьиную кислоту.
(19)
Известны методы неполного восстановления и нитроалканов. На этом основан один из промышленных методов получения капрона. Нитрованием циклогексана получают нитроциклогексан, который восстановлением переводят в оксим циклогексанона и далее с помощью перегруппировки Бекмана - в капролактам и полиамид - исходное вещество для приготовления волокна - капрона:
Восстановление нитрогруппы продуктов альдольного присоединения (7) является удобным способом получения b-аминоспиртов.
(20)
1-Нитрометилциклогексанол 1-Аминометилциклогексанол
Использование в качестве восстановителя сероводорода позволяет восстанавливать одну из нитрогрупп в динитроаренах:
(11 34)
м-Динитробензол м-Нитроанилин
(21)
2,4-Динитроанилин 4-Нитро-1,2-диаминобензол
Упр.4. Напишите реакции восстановления (а) м-динитробензола оловом в соляной кислоте, (б) м-динитробензола сероводородом, (в) п-нитротолуола цинком в буферном растворе хлорида аммония.
Упр.5. Завершите реакции:
(а) 
(б) 
По систематической номенклатуре амины называют путем добавления приставки амин к названию углеводорода. По рациоальной номенклатуре их рассматривают как алкил или ариламины.
Метанамин Этанамин N-Метилэтанамин N-Этилэтанамин
(метиламин) (этиламин) (метилэтиламин) (диэтиламин)
N,N-Диэтилэтанамин 2-Аминоэтанол 3-Аминопропановая
триэтиламин) (этаноламин) кислота
Циклогексанамин Бензоламин N-Метилбензоламин 2-Метилбензоламин
(циклогексиламин) (анилин) (N-метиланилин) (о-толуидин)
Гетероциклические амиы называют по соответствующему углеводороду вставляя приставку аза-, диаза- или триаза- для обозачения количества атомов азота.
1-Азациклопета- 1,2-Диазациклопета- 1,3-Диазациклопета-
2,4-диен 2,4-диен 2,4-диен
Нитросоединения
Нитросоединения - органические соединения, содержащие одну или несколько нитрогрупп -NO2. Под нитросоединениями обычно подразумевают C-нитросоединения, в которых нитрогруппа связана с атомом углерода (нитроалканы, нитроалкены, нитро арены). O-нитросоединения и N-нитросоединения выделяют в отдельные классы - нитроэфиры (органические нитраты) и нитрамины.
В зависимости от радикала R, различают алифатические (предельные и непредельные), ациклические, ароматические и гетероциклические нитросоединения. По характеру углеродного атома, с которым связана нитрогруппа, нитросоединения подразделяются на первичные, вторичные и третичные.
Нитросоединения изомерны эфирам азотистой кислоты HNO2 (R-ONO)
При наличии α-атомов водорода (в случае первичных и вторичных алифатических нитросоединений) возможна таутомерия между нитросоединениями и нитроновыми кислотами (аци-формами нитросоединений):
Из галогенпроизводных:
Нитрование
Нитрование - реакция введения нитрогруппы -NO2 в молекулы органических соединений.
Реакция нитрование может протекать по электрофильному, нуклеофильному или радикальному механизму, при этом активной частицей в данных реакциях являются соответственно катион нитрония NO2+, нитрит-ион NO2- или радикал NO2 . Процесс заключается в замещении атома водорода у атомов C, N, O или присоединении нитрогруппы по кратной связи.
Электрофильное нитрование[править | править исходный текст]
При электрофильном нитровании основным нитрующим агентом является азотная кислота. Безводная азотная кислота подвергается автопротолизу по реакции:
Вода сдвигает равновесие влево, поэтому в 93-95 % азотной кислоте катион нитрония уже не обнаруживается. В связи с этим азотная кислота используется в смеси со связывающей воду концентрированной серной кислотой илиолеумом: в 10%-ном растворе азотной кислоты в безводной серной кислоте равновесие практически полностью сдвинуто вправо.
Кроме смеси серной и азотной кислот используются различные комбинации оксидов азота и органических нитратов с кислотами Льюиса (AlCl3, ZnCl2, BF3). Сильными нитрующими свойствами обладает смесь азотной кислоты с уксусным ангидридом, в которой образуется смесь ацетилнитрата и оксида азота(V), а также смесь азотной кислоты с оксидом серы(VI) или оксидом азота(V).
Процесс проводят либо при непосредственном взаимодействии нитрующей смеси с чистым веществом, либо в растворе последнего в полярном растворителе (нитрометан, сульфолан, уксусная кислота). Полярный растворитель кроме того, что растворяет реагирующие вещества, сольватирует ион + и способствует его диссоциации.
В лабораторных условиях чаще всего используются нитраты и соли нитрония, нитрующая активность которых возрастает в следующем ряду:
Механизм нитрования бензола:
Кроме замещения атома водорода нитрогруппой применяется также заместительное нитрование, когда нитрогруппа вводится вместо сульфо-, диазо- и других групп.
Нитрование алкенов при действии апротонных нитрующих агентов идёт по нескольким направлениям, которое зависит от условий реакции и строения исходных реагентов. В частности, могут протекать реакции отщепления протона и присоединения функциональных групп молекул растворителя и противоионов:
Нитрование аминов приводит к N-нитроаминам. Этот процесс является обратимым:
Нитрование аминов проводят концентрированной азотной кислотой, а также её смесями с серной кислотой, уксусной кислотой или уксусным ангидридом. Выход продукта увеличивается при переходе от сильноосновных аминов к слабоосновным. Нитрование третичных аминов идёт с разрывом связи C-N (реакция нитролиза); эта реакция используется для получения взрывчатых веществ - гексогена и октогена - из уротропина.
Заместительное нитрование ацетамидов, сульфамидов, уретанов, имидов и их солей протекает по схеме
Реакцию ведут в апротонных растворителях с использованием апротонных нитрующих агентов.
Спирты нитруются любыми нитрующими агентами; реакция является обратимой:
Нуклеофильное нитрование[править | править исходный текст]
Эта реакция используется для синтеза алкилнитритов. Нитрующими агентами в этом типе реакций являются соли нитриты щелочных металлов в апротонных диполярных растворителях (иногда - в присутствии краун-эфиров). Субстратами являются алкилхлориды и алкилиодиды, α-галогенкарбоновые кислоты и их соли, алкилсульфаты. Побочными продуктами реакции являются органические нитриты.
Радикальное нитрование[править | править исходный текст]
Радикальное нитрование применяется для получения нитроалканов и нитроалкенов. Нитрующими агентами являются азотная кислота или оксиды азота:
Параллельно протекает реакция окисления алканов ввиду взаимодействия радикала NO2 с алкильным радикалом по атому не азота, а кислорода. Реакционноспособность алканов возрастает при переходе от первичных к третичным. Реакцию проводят как в жидкой фазе (азотной кислотой при нормальном давлении или оксидами азота, при 2-4,5 МПа и 150-220°C), так и в газовой (пары азотной кислоты, 0,7-1,0 МПа, 400-500°C)
Нитрование алкенов по радикальному механизму проводят 70-80%-ной азотной кислотой, иногда - разбавленной азотной кислотой в присутствии оксидов азота. Циклоалкены, диалкил- и диарилацетилены нитруют оксидом N2O4, при этом образуются цис- и транс-нитросоединения, побочные продукты образуются ввиду окисления и деструкции исходных субстратов.
Анион-радикальный механизм нитрования наблюдается при взаимодействии тетранитрометана солей моно-нитросоединений.
Реакция Коновалова(для алифатических углеводородов)
Реакция Коновалова - нитрование алифатических, алициклических и жирноароматических соединений разбавленной НNО3 при повышенном или нормальном давлении (свободнорадикальный механизм). Реакция с алканамивпервые осуществлена М. И. Коноваловым в 1888 году (по другим данным, в 1899 году) с 10-25%-ной кислотой в запаянных ампулах при температуре 140-150°C.
Обычно образуется смесь первичных, вторичных и третичных нитросоединений. Жирноароматические соединения легко нитруются в α-положение боковой цепи. Побочными реакциями являются образование нитратов, нитритов, нитрозо- и полинитросоединений.
В промышленности реакцию проводят в паровой фазе. Этот процесс разработан Х. Гессом (1930). Пары алкана и азотной кислоты на 0,2-2 секунды нагревают до 420-480°C, затем следует быстрое охлаждение. Метан даёт нитрометан, а его гомологи претерпевают также разрыв связей C--C, так что получается смесь нитроалканов. Её разделяют перегонкой.
Активный радикал в этой реакции - O2NO·, продукт термического расщепления азотной кислоты. Механизм реакции дан ниже.
2HNO3 -t°→ O2NO· + ·NO2 + H2O
R-H + ·ONO2 → R· + HONO2
R· + ·NO2 → R-NO2
Нитрование ароматических углеводородов.
Химические свойства[править | править исходный текст]
По химическому поведению нитросоединения обнаруживают определенное сходство с азотной кислотой. Это сходство проявляется при окислительно-восстановительных реакциях.
Восстановление нитросоединений (Реакция Зинина):
Реакции конденсации
Таутомерия нитросоединений.
Таутомери́я (от греч. ταύτίς - тот же самый и μέρος - мера) - явление обратимой изомерии, при которой два или более изомера легко переходят друг в друга. При этом устанавливается таутомерное равновесие, и вещество одновременно содержитмолекулы всех изомеров (таутомеров) в определённом соотношении.
Чаще всего при таутомеризации происходит перемещение атомовводорода от одного атома в молекуле к другому и обратно в одном и том же соединении. Классическим примером является ацетоуксусный эфир, представлющий собой равновесную смесь этилового эфира ацетоуксусной (I) и оксикротоновой кислот (II).
Таутомерия сильно проявляется для целого круга веществ, производных циановодорода. Так уже сама синильная кислота существует в двух таутомерных формах:
При комнатной температуре равновесие превращения циановодорода в изоциановодород смещено влево. Показано, что менее стабильный изоциановодород более токсичен.
Таутомерные формы фосфористой кислоты
Аналогичное превращение известно для циановой кислоты, которая известна в трёх изомерных формах, однако таутомерное равновесие связывает только две из них: циановую и изоциановуюкислоты:
Для обеих таутомерных форм известны сложные эфиры, то есть продукты замещения в циановой кислоте водорода на углеводородные радикалы. В отличие от указанных таутомеров третий изомер - гремучая (фульминовая) кислотане способна к самопроизвольному превращению в другие формы.
С явлением таутомерии связаны многие химико-технологические процессы, особенно в области синтезалекарственных веществ и красителей (производство витамина С - аскорбиновой кислоты в др.). Очень важна роль таутомерии в процессах, протекающих в живых организмах.
Амид-иминольную таутомерию лактамов называют лактам-лактимной таутомерией. Она играет большую роль в химии гетероциклических соединений. Равновесие в большинстве случаев смещено в сторону лактамной формы.
Особенно велик перечень органических загрязняющих веществ. Их разнообразие и большая численность делают практически невозможным контроль за содержанием каждого из них. Поэтому выделяют приоритетные загрязнители (около 180 соединений, объединенные в 13 групп): ароматические углеводороды, полиядерные ароматические углеводороды (ПАУ), пестициды (4 группы), летучие и малолетучие хлорорганические соединения, хлорфенолы, хлоранилины и хлорнитроароматические соединения, полихлорированные и полибромированные бифенилы, металлорганические соединения и другие. Источниками этих веществ являются атмосферные осадки, поверхностные стоки и производственные и коммунально-бытовые СВ.
Похожая информация.
Нитрогруппа имеет строение,
промежуточное между двумя предельными резонансными структурами:
Группа планарна; атомы
N и О имеют, sр 2 -гибридизацию, связи N-О равноценные и практически
полуторные; длины связей, напр. для CH 3 NO 2 , 0,122 нм (N-О),
0,147 нм (С-N), угол ONO 127°. Система С-NO 2 плоская с низким
барьером вращения вокруг связи С-N.
Н
итросоединения, имеющие хотя бы один
а-Н-атом, могут существовать в двух таутомерных формах с общим мезомерным анионом .
О-форма наз. аци-нитросоединением или нитроновой к-той:
Известны разл. производные
нитроновых к-т: соли ф-лы RR"C=N(O)O - M + (соли нитросоединений), эфиры
(нитроновые эфиры) и т.д. Эфиры нитроновых к-т существуют в виде иис- и
транс-изомеров. Существуют циклич. эфиры, напр. N-оксиды изоксазолинов.
Назв. нитросоединений производят прибавлением
префикса "нитро" к назв. соединения-основы, по необходимости добавляя
цифровой указатель, напр. 2-нитропропан. Назв. солей нитросоединений производят из назв.
либо С-формы, либо аци-формы, или нитроновой к-ты.
Физические свойства.
Простейшие нитроалканы-бесцв. жидкости . Физ. св-ва нек-рых алифатических
нитросоединений приведены в таблице. Ароматические нитросоединения-бесцв. или светло-желтые высококипящие
жидкости или низкоплавкие твердые в-ва, обладающие характерным запахом, плохо
раств. в воде , как правило, перегоняются с паром .
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
НЕКОТОРЫХ АЛИФАТИЧЕСКИХ НИТРОСОЕДИНЕНИЙ
* При 25°С. ** При
24°С. *** При 14°С.
В УФ спектрах алифатических
нитросоединений l макс 200-210 нм (интенсивная полоса) и 270-280 нм (слабая полоса);
для солей и эфиров нитроновых к-т соотв. 220-230 и 310-320 нм; для гем-динитросоед.
320-380 нм; для ароматических нитросоединений 250-300 нм (интенсивность полосы резко снижается
при нарушении копланарности).
В спектре ПМР хим. сдвиги
a-Н-атома в зависимости от строения 4-6 м.д. В спектре ЯМР 14 N и
15 N хим. сдвиг 5 от - 50 до + 20 м.д.
В масс-спектрах алифатических
нитросоединений (за исключением CH 3 NO 2) пик мол. иона отсутствует или
очень невелик; осн. процесс фрагментации - отщепление NO 2 или двух
атомов кислорода с образованием фрагмента, эквивалентного нитрилу . Для ароматических
нитросоединений характерно присутствие пика мол. иона ; осн. пик в спектре соответствует иону ,
получаемому при отщеплении NO 2 .
Химические свойства.
Нитрогруппа - одна из наиб. сильных электроноакцепторных групп и способна
эффективно делокализовать отрицат. заряд. В ароматич. соед. в результате индукционного
и особенно мезомерного эффектов она влияет на распределение электронной плотности :
ядро приобретает частичный положит. заряд, к-рый локализован гл. обр. в орто-
и пара-положениях; константы Гаммета для группы NO 2 s м
0,71, s n 0,778, s + n 0,740, s - n
1,25. Т. обр., введение группы NO 2 резко увеличивает реакц. способность
орг. соед. по отношению к нуклеоф. реагентам и затрудняет р-ции с электроф.
реагентами . Это определяет широкое применение нитросоединений в орг. синтезе: группу NO 2
вводят в нужное положение молекулы орг. соед., осуществляют разл. р-ции, связанные,
как правило, с изменением углеродного скелета, и затем трансформируют в др.
ф-цию или удаляют. В ароматич. ряду часто используют и более короткую схему:
нитрование-трансформация группы NO 2 .
Мн. превращения алифатических
нитросоединений проходят с предварит. изомеризацией в нитроновые к-ты или образованием соответствующего
аниона . В р-рах равновесие обычно практически полностью сдвинуто в сторону С-формы;
при 20 °С доля аци-формы для нитрометана 1 10 -7 , для нитропропана
3 . 10 -3 . Нитроновые к-ты в своб. виде, как правило, неустойчивы;
их получают осторожным подкислением солей нитросоединений. В отличие от нитросоединений они проводят ток
в р-рах и дают красное окрашивание с FeCl 3 . Аци-нитросоединения-более
сильные СН-кислоты (рК а ~ 3-5), чем соответствующие нитросоединения (рК а
~ 8-10); кислотность нитросоединений повышается с введением электроноакцепторных заместителей
в a-положение к группе NO 2 .
Образование нитроновых
к-т в ряду ароматических нитросоединений связано с изомеризацией бензольного кольца в хиноидную
форму; напр., нитробензол образует с конц. H 2 SO 4 окрашенный
солеобразный продукт ф-лы I, о-нитротолуол проявляет фотохромизм в результате
внутримол. переноса протона с образованием ярко-синего О-производного:
При действии оснований
на первичные и вторичные нитросоединения образуются соли нитросоединений; амбидентные анионы солей в р-циях
с электрофилами способны
давать как О-, так и С-производ-ные. Так, при алкилировании солей нитросоединений алкилгалогенидами,
триалкилхлорсиланами или R 3 O + BF - 4
образуются продукты О-алкилирования. Последние м.б. получены также при действии
диазометана либо N,О-бис-(триметилсилил)аце-тамида на нитроалканы с рК а
< 3 или нитроновые к-ты, напр.:
Ациклич. алкиловые эфиры
нитроновых к-т термически нестабильны и распадаются по внутримол. механизму:
;
эту
р-цию можно использовать
для получения карбонильных соединений . Более стабильны силиловые эфиры. Об образовании
продуктов С-алкилирования см. ниже.
Для нитросоединений характерны р-ции
с разрывом связи С-N, по связям N=O, O=N
О, C=N -> О и р-ции с сохранением группы NO 2 .
Р-ц и и с р а з р ы в о
м с в я з и С-N. Первичные и вторичные нитросоединения при нагр. с минер. к-тами в присут.
спиртового или водного р-ра щелочи образуют карбонильные соед. (см. Нефа
реакция). Р-ция проходит через промежут. образование нитроновых к-т:
В качестве исходных соед.
можно использовать силиловые нитроновые эфиры. Действие сильных к-т на алифатические
нитросоединения может приводить к гидроксамовым к-там, напр.:
Метод используют в пром-сти
для синтеза СН 3 СООН и гидроксиламина из нитроэтана . Ароматические
нитросоединения инертны к действию сильных к-т.
При действии восстановителей
(напр., TiCl 3 -H 2 O, VCl 2 -Н 2 О-ДМФА)
на нитросоединения или окислителей (KMnO 4 -MgSO 4 , O 3) на
соли нитросоединений образуются кетоны и альдегиды .
Алифатические нитросоединения, содержащие
подвижный атом Н в b-положении к группе NO 2 , при действии оснований
легко элиминируют ее в виде HNO 2 с образованием олефинов . Аналогично
протекает термич. разложение нитроалканов при т-рах выше 450°. Вицинальные
динитросоед. при обработке амальгамой Са в гексамстаноле отщепляют обе группы
NO 2 , Ag-соли непредельных нитросоединений при потере групп NO 2 способны
димеризоваться:
Нуклеоф. замещение группы
NO 2 не характерно для нитроалканов, однако при действии тиолат-ионов
на третичные нитроалканы в апротонных р-рителях группа NO 2 замещается
на атом водорода . Р-ция протекает по анион-радикальному механизму. В алифатич.
и гетероциклич. соед.
группа
NO 2 при кратной связи относительно легко замещается на нуклеофил,
напр.:
В ароматич. соед. нуклеоф.
замещение группы NO 2 зависит от ее положения по отношению к др. заместителям:
группа NO 2 , находящаяся в мета-положении по отношению к электроноакцепторным
заместителям и в орто- и пара-положениях к электронодонорным,
обладает низкой реакц. способностью; реакц. способность группы NO 2 ,
находящейся в орто- и пара-положениях к электроноакцепторным заместителям,
заметно увеличивается. В нек-рых случаях заместитель вступает в орто-положение
к уходящей группе NO 2 (напр., при нагр. ароматических нитросоединений со спиртовым
р-ром KCN, р-ция Рихтера):
Р-ц и и п о с в я з и N
= O. Одна из важнейших р-ций-вос-становление, приводящее в общем случае к набору
продуктов:
Азокси-(II), азо-(III)
и гидразосоед. (IV) образуются в щелочной среде в результате конденсации промежуточно
возникающих нитрозосоед. с аминами и гидроксиламинами . Проведение процесса в
кислой среде исключает образование этих в-в. Нитрозосоед. восстанавливаются
быстрее, чем соответствующие нитросоединения, и выделить их из реакц. смеси, как правило,
не удается. Алифатические нитросоединения восстанавливаются в азокси- или азосоединения при
действии алкоголятов Na, ароматические-при действии NaBH 4 , обработка
последних LiAlH 4 приводит к азосоединениям . Электрохим. восстановление
ароматических нитросоединений при определенных условиях позволяет получить любое из представленных
производных (за исключением нитрозосоед.); этим же методом удобно получать гидроксиламины
из мононитроалканов и амидоксимы из солей гем-динитроалканов:
Известно много методов
восстановления нитросоединений до аминов . Широко используют железные опилки , Sn и Zn в присут.
к-т; при каталитич. гидрировании в качестве катализаторов используют Ni-Ренея,
Pd/C или Pd/PbCO 3 и др. Алифатические нитросоединения легко восстанавливаются
до аминов LiAlH 4 и NaBH 4 в присут. Pd, амальгамами Na
и Аl, при нагр. с гидразином над Pd/C; для ароматических нитросоединений иногда применяют
ТlСl 3 , СrСl 2 и SnCl 2 , ароматич. поли-нитросоединения избирательно
восстанавливаются до нитраминов гидросульфидом Na в СН 3 ОН. Существуют
способы избират. восстановления группы NO 2 в полифункциональных нитросоединениях
без затрагивания др. ф-ций.
При действии Р(III) на
ароматические нитросоединения происходит последоват. дезоксигенирование группы NO 2
с образованием высокореакционноспособных нитренов. Р-цию используют для синтеза
конденсир. гетероциклов, напр.:
В этих же условиях силиловые
эфиры нитроновых к-т трансформируются в силильные производные оксимов . Обработка
первичных нитроалканов РСl 3 в пиридине или NaBH 2 S приводит
к нитрилам . Ароматические нитросоединения, содержащие в орто-положении заместитель
с двойной связью или циклопропильный заместитель, в кислой среде перегруппировываются
в о-нитрозокетоны, напр.:
Н
итросоединения и нитроновые эфиры реагируют
с избытком реактива Гриньяра, давая производные гидроксиламина :
Р-ции по связям O = N
О и C = N
О. Нитросоединения вступают в р-ции 1,3-диполярного циклоприсоединения , напр.:
Наиб. легко эта р-ция протекает
между нитроновыми эфира-ми и олефинами или ацетиленами . В продуктах циклоприсоединения
(моно- и бициклич. диалкоксиаминах) под действием нуклеоф. и электроф. реагентов
связи N - О легко расщепляются, что приводит к разл. алифатич. и гетеро-циклич.
соед.:
В препаративных целях в
р-ции используют стабильные силиловые нитроновые эфиры.
Р-ц и и с с о х р а н е
н и е м г р у п п ы NO 2 . Алифатические нитросоединения, содержащие a-Н-атом, легко
алкилируются и ацилируются с образованием, как правило, О-производных. Однако
взаи-мод. дилитиевых солей первичных нитросоединений с алкилгалогенидами, ангидридами или
галогенангидридами карбоновых к-т приводит к продуктам С-алкилирования или С-ацилирования,
напр.:
Известны примеры внутримол.
С-алкилирования, напр.:
Первичные и вторичные нитросоединения
реагируют с алифатич. аминами и СН 2 О с образованием р-аминопроизводных
(р-ция Манниха); в р-ции можно использовать предварительно полученные метилольные
производные нитросоединений или аминосоед.:
Активирующее влияние группы
NO 2 на нуклеоф. замещение (особенно по орто-положению) широко
используют в орг. синтезе и пром-сти. Р-ция протекает по схеме присоединение-отщепление
с промежут. образованием s-комплек-са (комплекс Майзенхаймера). По этой схеме
атомы галогенов легко замещаются на нуклеофилы:
Известны примеры замещения
по анион-радикальному механизму с захватом электрона ароматич. соединением и
выбросом галогенид-иона или др. групп, напр. алкокси, амино , сульфатной, NO - 2 .
В последнем случае р-ция проходит тем легче, чем больше отклонение группы NO 2
от копланарности, напр.: в 2,3-динитротолуоле замещается в осн. группа NO 2
в положении 2. Атом Н в ароматических нитросоединениях также способен к нуклеоф. замещению-нитробензол
при нагр. с NaOH образует o-нитрофенол.
Нитрогруппа облегчает перегруппировки
ароматич. соед. по механизму внутримол. нуклеоф. замещения или через стадию
образования карбанионов (см. Смайлса перегруп-пировка).
Введение второй группы
NO 2 ускоряет нуклеоф. замещение.
Н
итросоединения
в присут. оснований присоединяются к альдегидам и кетонам , давая нитроспирты
(см. Анри реакции), первичные и вторичные нитросоединения-к соед., содержащим активир.
двойную связь (р-ция Михаэля), напр.:
Первичные нитросоединения могут вступать
в р-цию Михаэля со второй молекулой непредельного соед.; эту р-цию с послед.
транс
формацией группы
NO 2 используют для синтеза поли-функцион. алифатич. соединений.
Комбинация р-ций Анри и Михаэля приводит к 1,3-динитросоединениям, напр.:
К неактивир. двойной связи
присоединяются лишь Hg-производные гем-ди- или тринитросоединений,
а также IC(NO 2) 3 и C(NO 2) 4 , при
этом образуются продукты С- или О-алкилирования; последние могут вступать в
р-цию цикло-присоединения со второй молекулой олефина :
Легко вступают в р-ции
присоединения нитроолефины: с водой в слабокислой или слабощелочной среде с
послед. ретрореакцией Анри они образуют карбонильные соед. и нитроалканы; с
нитросоединениями, содержащими a-Н-атом,-поли-нитросоединения; присоединяют и др. СН-кислоты, такие, как
ацетилацетон , эфиры ацетоуксусной и малоновой к-т, реактивы Гриньяра, а также
нуклеофилы типа OR - , NR - 2 и др., напр.:
Нитроолефины могут выступать
в роли диенофилов или диполярофилов в р-циях диенового синтеза и циклоприсое-динения,
а 1,4-динитродиены-в роли диеновых компонентов, напр.:
Получение.
В пром-сти
низшие нитроалканы получают жидкофазным (р-ция Коновалова) или парофазным (метод
Хэсса) нитрованием смеси этана , пропана и бутана , выделяемых из природного газа
или полученных переработкой нефти (см. Нитрование). Таким методом получают
и высшие нитросоединения, напр. нитроциклогексан - полупродукт в произ-ве капролактама .
В лаборатории для получения
нитроалканов применяют нитрование азотной к-той соед. с активир. метиленовой
группой; удобный метод синтеза первичных нитроалканов -нитрование 1,3-индандиона
с послед. щелочным гидролизом a-нитрокетона:
Алифатические нитросоединения получают также взаимод. AgNO 2 с алкилгалогенидами или NaNO 2 с эфирами a-галогенкарбо-новых к-т (см. Мейера реакция). Алифатические нитросоединения образуются при окислении аминов и оксимов ; окисление оксимов -способ получения гем-ди- и гем-тринитросоединений, напр.:
3. Нитросоединения. Способы получения и важнейшие свойства.
Нитросоединения - органические вещества, содержащие нитрогруппу -N0 2 .
Общая формула - R-NO 2 .
В зависимости от радикала R, различают алифатические(предельные и непредельные), ациклические, ароматические и гетероциклические нитросоединения. По характеру углеродного атома, с которым связана нитрогруппа, нитросоединения подразделяются на первичные , вторичные и третичные .
Методы получения алифатических нитросоединений
Прямое нитрование алканов в жидкой или газовой фазе под действием 50-70%-ной водной азотной кислоты при 500-700 о С или тетраоксида азота при 300-500 о С имеет промышленное значение только для получения простейших нитроалканов, так как нитрование в этих условиях всегда сопровождается крекингом углеводородов и приводит к сложной смеси самых разнообразных нитросоединений. Эта реакция не получила по этой причине широкого распространения.
Наиболее общим лабораторным методом получения нитроалканов до сих пор остается реакция алкилирования нитрит-иона, открытая В. Мейером еще в 1872 году. В классическом методе В. Мейера нитрит серебра взаимодействует с первичными или вторичными алкилбромидами и алкилиодидами в эфире, петролейном эфире или без растворителя при 0-20 о С с образованием смеси нитроалкана и алкилнитрита.
Нитрит-ион принадлежит к числу вырожденных амбидентных анионов с двумя независимыми нуклеофильными центрами (азот и кислород), которые не связаны в единую мезомерную систему.
Реакционная способность амбидентного нитрит-иона с двумя независимыми нуклеофильными центрами (азот и кислород) резко отличается от реакционной способности енолят-ионов с двумя нуклеофильными центрами, связанными в единую мезомерную систему.
Соотношение продуктов N- и O- алкилирования (нитроалкан / алкилнитрит) в реакции Мейера алкилбромидов и иодидов с нитритом серебра решающим образом зависит от природы алкильной группы в алкилгалогениде. Выходы первичных нитроалканов достигают 75-85%, однако они резко снижаются до 15-18% для вторичных и до 5% для третичных нитроалканов.
Таким образом, ни третичные, ни вторичные алкилгалогениды непригодны для синтеза нитроалканов при взаимодействии с нитритом серебра. Реакция Мейера является по-видимому лучшим способом получения первичных нитроалканов, арилнитрометанов и -нитроэфиров карбоновых кислот.
Для получения нитроалканов следует использовать только алкилбромиды и алкилиодиды, поскольку алкилхлориды, алкилсульфонаты и диалкилсульфаты не взаимодействуют с нитритом серебра. Из,-дибромалканов легко получаются,-динитроалканы.
Н. Корнблюм (1955 г.) предложил модифицированный общий метод получения первичных и вторичных нитроалканов, а также,-динитроалканов и нитрозамещенных кетонов.
Этот метод основан на алкилировании нитритов щелочных металлов первичными или вторичными алкилгалогенидами в диполярном апротонном растворителе ДМФА. Для того чтобы предотвратить последующее нитрозирование нитроалкана параллельно образующимся алкилнитритом, в реакционную смесь необходимо вводить мочевину или многоатомные фенолы - резорцин или флороглюцин. Выход первичных нитроалканов по этому методу не превышает 60 %, т.е. ниже чем при алкилировании нитрита серебра (75-80%). Однако, вторичные нитроалканы можно получать с хорошим выходом алкилированием нитрита натрия в ДМФА.
Третичные алкилгалогениды подвергаются элиминированию под действием нитрит-иона и не образуют нитросоединений. Эфиры -хлор- или -бромзамещенных кислот гладко превращаются в эфиры -нитрозамещенных кислот с выходом 60-80 % при взаимодействии с нитритом натрия в ДМСО или ДМФА.
Другой общий метод синтеза нитроалканов состоит в окислении оксимов кетонов с помощью трифторперуксусной кислоты в ацетонитриле.
Кроме оксимов можно окислять также и первичные амины перуксусной кислотой или м-хлорпербензойной кислотой:
Более ста лет назад Г. Кольбе описал метод получения нитрометана при взаимодействии хлорацетата натрия и нитрита натрия в водном растворе при 80-85 o С:
Промежуточно образующийся анион нитроуксусной кислоты декарбоксилируется до нитрометана. Для получения гомологов нитрометана способ Кольбе не имеет значения из-за низкого выхода нитроалканов. Идея этого метода была остроумно использована при разработке современного общего метода получения нитроалканов. Дианионы карбоновых кислот нитруются под действием алкилнитрата с одновременным декарбоксилированием -нитрозамещенной карбоновой кислоты.
Нитрование карбанионов с помощью алкилнитратов широко используется и для получения, - динитроалканов. С этой целью енолят-ионы циклических кетонов обрабатывают двумя эквивалентами алкилнитрата. Раскрытие цикла с последующим декарбоксилированием приводит к,-нитроалкану.
Методы получения ароматических нитросоединений
Ароматические нитросоединения получают чаще всего нитрованием аренов, что было подробно рассмотрено при изучении электрофильного ароматического замещения. Другой общий метод получения нитроаренов заключается в окислении первичных ароматических аминов с помощью трифторперуксусной кислоты в хлористом метилене. Трифторперуксусную кислоту получают непосредственно в реакционной смеси при взаимодействии ангидрида трифторуксусной кислоты и 90 %-ной перекиси водорода. Окисление аминогруппы до нитрогруппы с помощью трифторперуксусной кислоты имеет значение для синтеза нитросоединений, содержащих в орто- и пара- положениях другие электроноакцепторные группировки, например, для получения орто- и пара- динитробензола, 1,2,4- тринитробензола, 2,6 - дихлорнитробензола и др..
Реакции алифатических нитросоединений:
Первичные и вторичные нитроалканы находятся в таутомерном равновесии с аци-формой нитросоединения, называемой иначе нитроновой кислотой.
Из двух таутомерных форм нитро-форма гораздо более стабильна и преобладает в равновесии. Для нитрометана при 20 о концентрация аци-формы не превышает 110 -7 от доли нитроалкана, для 2-нитропропана она возрастает до 310 -3 . Количество аци-формы возрастает для фенилнитрометана. Изомеризация аци-нитросоединения в нитросоединение происходит медленно. Это дает возможность определить концентрацию аци-формы титрованием бромом с очень высокой степенью точности.
Малая скорость взаимопревращения двух таутомерных форм позволила А.Ганчу еще в 1896 году выделить в индивидуальном виде обе таутомерные формы фенилнитрометана. Фенилнитрометан нацело растворяется в холодном водном растворе гидроксида натрия. При обработке его водной уксусной кислотой при 0 о образуется бесцветное твердое вещество, представляющее собой аци-форму фенилнитрометана. Она мгновенно окрашивается в красный цвет при обработке хлоридом железа (III) и количественно титруется бромом.
При стоянии твердая аци-форма медленно изомеризуется в более стабильную жидкую форму фенилнитрометана. Для простых нитроалканов, например, нитрометана, нитроэтана и 2-нитропропана аци-форму не удается выделить в индивидуальном виде, так как она довольно легко при 0 о изомеризуется в нитро-форму и о содержании аци-формы можно судить только по данным титрометрического бромирования.
Концентрация двух таутомерных форм для любого соединения всегда обратно пропорциональна кислотности таутомерных форм, аци-форма нитроалканов во всех случаях является более сильной кислотой по сравнению с нитро-формой. Для нитрометана в воде рКа ~ 10,2, тогда как для его аци-формы CH 2 =N(OH)-O рКa ~ 3,2 . Для 2-нитропропана это различие значительно меньше, рКа (СH 3) 2 CHNO 2 составляет 7,68, а для (CH 3) 2 C=N(OH)-O рКа равно 5,11.
Различие в величинах рКа для двух форм не является неожиданным, поскольку аци-форма представляет собой О-Н кислоту, тогда как нитро-форма относится к С-Н кислотам. Напомним, что аналогичная закономерность наблюдается для кето- и енольных форм карбонильных и 1,3-дикарбонильных соединений, где енол оказывается более сильной О-Н кислотой по сравнению с С-Н кислотностью кето-формы.
Аци-нитросоединения представляют собой довольно сильные кислоты, образующие соли даже при взаимодействии с карбонатом натрия в отличие от нитро-формы нитроалканов, которая не реагирует с карбонат-ионом. Таутомерные превращения обоих форм нитроалканов катализируются как кислотами, так и основаниями, аналогично енолизации альдегидов и кетонов.
Реакции амбидентных анионов нитроалканов.
При действии основания как на нитро-форму, так и на аци-форму нитросоединения, образуется общий для них обоих мезомерный амбидентный анион, в котором заряд делокализован между атомами кислорода и углерода.
Амбидентные анионы нитроалканов во всех отношениях являются близкими аналогами енолят-ионов карбонильных соединений и для них характерны те же самые реакции замещения, что и для енолят-ионов.
Наиболее типичными и важными реакциями с участием анионов нитроалканов являются: галогенирование, алкилирование, ацилирование, конденсации с карбонильными соединениями, реакции Манниха и Михаэля - все те, которые типичны и для енолят-ионов. В зависимости от природы электрофильного агента и в некоторой степени от строения нитроалкана замещение может происходить с участием либо кислородного, либо углеродного, либо обоих центров амбидентного аниона нитроалкана.
Галогенирование щелочных солей нитросоединений осуществляется только по атому углерода, реакцию можно остановить на стадии введения одного атома галогена.
Нитрозирование первичных нитроалканов также осуществляется только по атому углерода и приводит к образованию так называемых нитроловых кислот.
Вторичные нитроалканы в тех же условиях дают псевдонитролы.
Нитроловые кислоты бесцветны и при встряхивании с раствором гидроксида натрия образуют соли, окрашенные в красный цвет.
В отличие от них псевдонитролы обладают в нейтральной среде голубой окраской. Эти соединения могут быть использованы для идентификации первичных и вторичных нитроалканов. Третичные нитроалканы не взаимодействуют при 0 о или ниже с азотистой кислотой.
Алкилирование амбидентных анионов нитроалканов протекает в отличие от галогенирования и нитрозирования преимущественно по атому кислорода с образованием в качестве промежуточных соединений эфиров аци-формы, которые носят название нитроновых эфиров. Эфиры аци-формы нитроалканов могут быть выделены в индивидуальном виде при алкилировании солей нитроалканов тетрафторборатами триалкилоксония в хлористом метилене при -20 о.
Нитроновые эфиры термически неустойчивы и выше 0-20о подвергаются окислительно-восстановительному распаду на оксим и карбонильное соединение.
Оксим всегда образуется как конечный продукт восстановления нитроалкана, тогда как альдегид оказывается конечным продуктом окисления алкилирующего агента. Эта реакция нашла широкую область применения в синтезе ароматических альдегидов.
При взаимодействии щелочных солей 2-нитропропана с замещенными бензилгалогенидами конечными продуктами являются оксим ацетона и ароматический альдегид.
Еще более важную роль играет алкилирование амбидентных анионов нитроалканов под действием аллил-галогенидов для получения ,-ненасыщенных альдегидов.
Как следует из приведенных выше примеров, в отличие от енолят-ионов анионы нитроалканов подвергаются региоселективному О-алкилированию. Такое резкое различие в поведении двух родственных классов амбидентных анионов обусловлено высокой степенью локализации заряда на атоме кислорода аниона нитроалкана.
При наличии в бензилгалогениде одной или нескольких сильных электроноакцепторных группировок, таких как NO 2 , NR 3 , SO 2 CF 3 и др., происходит изменение механизма реакции и ее региоселективности. В этом случае наблюдается С-алкилирование аниона нитроалкана по механизму с участием анион-радикалов, который по своей сути аналогичен S RN 1 -механизму ароматического нуклеофильного замещения.
Открытие анион-радикального механизма С-алкилирования нитроалканов и других амбидентных анионов позволило Н.Корнблюму в 1970-1975 годах разработать исключительно эффективный метод алкилирования амбидентных анионов с помощью -нитрозамещенных сложных эфиров, нитрилов и др.,способствующих реализации анион-радикального цепного процесса.
Следует отметить, что в этих реакциях замещение происходит даже у третичного атома углерода.
С-Алкилирование удается сделать практически единственным направлением реакции в случае алкилирования дианионов нитроалканов. Дианионы нитроалканов образуются при обработке первичных нитроалканов двумя эквивалентами н-бутиллития в ТГФ при -100 о.
Эти дианионы подвергаются также региоселективному С-ацилированию при взаимодействии с ацилгалогенидами или ангидридами карбоновых кислот.
Конденсация анионов нитроалканов с карбонильными соединениями (реакция Анри).
Конденсация анионов первичных и вторичных нитроалканов с альдегидами и кетонами приводит к образованию -гидроксинитроалканов или продуктов их дегидратации - ,-непредельных нитросоединений.
Эта реакция была открыта Л. Анри в 1895 году и может рассматриваться как разновидность альдольно-кротоновой конденсации карбонильных соединений.
В конденсации принимает участие анион нитроалкана, а не карбонильного соединения, поскольку кислотность нитроалканов (рКа ~ 10) на десять порядков выше кислотности карбонильных соединений (рКа ~ 20).
Эффективными катализаторами реакции Анри являются гидроксиды, алкоксиды и карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов.
Щелочность среды следует тщательно контролировать для того чтобы исключить альдольную конденсацию карбонильных соединений или реакцию Каниццаро для ароматических альдегидов. Первичные нитроалканы могут также реагировать с двумя молями карбонильного соединения, поэтому соотношение реагентов следует соблюдать очень тщательно. При конденсации ароматических альдегидов обычно образуются только -нитроалкены и реакцию очень трудно остановить на стадии образования -гидроксинитроалкана.
Присоединение анионов нитроалкана к активированной двойной связи по Михаэлю и реакция Манниха с участием нитроалканов.
Анионы первичных и вторичных нитроалканов присоединяются по кратной связи
,-непредельных карбонильных соединений, сложных эфиров и цианидов аналогично тому, как это происходит при присоединении к активированной двойной связи енолят-ионов.
Для первичных нитроалканов реакция может идти и дальше с участием второго моля CH 2 =CHX. Анионы нитроалканов в реакции присоединения по Михаэлю получают обычным образом с помощью этилата натрия или диэтиламина в качестве основания.
-Нитроалкены также могут быть использованы в качестве акцепторов Михаэля в реакции присоединения стабилизированных сопряжением карбанионов. Присоединение анионов нитроалканов к - нитроалкенам является одним из наиболее простых и удобных методов синтеза алифатических динитросоединений.
Такого типа присоединение может происходить и в условиях реакции Анри в результате дегидратации продукта конденсации альдегида или кетона с нитроалканом и последующего присоединения нитроалкана.
Первичные и вторичные алифатические амины вступают в реакцию Манниха с первичными и вторичными нитроалканами и формальдегидом.
По своему механизму и области применения эта реакция ничем не отличается от классического варианта реакции Манниха с участием карбонильных соединений вместо нитроалканов.
Реакции ароматических нитросоединений:
Нитрогруппа отличается высокой стабильностью по отношению к электрофильным реагентам и разнообразным окислителям. Большинство нуклеофильных агентов за исключением литий- и магнийорганических соединений, а также литийалюминийгидрида не действуют на нитрогруппу. Нитрогруппа относится к числу превосходных нуклеофильных групп в процессах активированного ароматического нуклеофильного замещения (S N A r). Так, например, нитрогруппа в 1,2,4-тринитробензоле легко замещается под действием гидроксид-, алкоксид-ионов или аминов.
Наиболее важной реакцией ароматических нитросоединений является восстановление их допервичных аминов.
Эта реакция была открыта в 1842 году Н.Н.Зининым, который впервые восстановил нитробензол до анилина действием сульфида аммония. В настоящее время для восстановления нитрогруппы в аренах до аминогруппы в промышленных условиях применяется каталитическое гидрирование. В качестве катализатора используют медь на силикагеле в качестве носителя. Катализатор готовят нанесением карбоната меди из суспензии в растворе силиката натрия и последующим восстановлением водородом при нагревании. Выход анилина над этим катализатором составляет 98 %.
Иногда в промышленном гидрировании нитробензола до анилина в качестве катализатора используют никель в комбинации с оксидами ванадия и алюминия. Такой катализатор эффективен в интервале 250-300 о и легко регенерируется при окислении воздухом. Выход анилина и других аминов составляет 97-98 %. Восстановление нитросоединений до аминов может сопровождаться гидрированием бензольного кольца. По этой причине для получения ароматических аминов избегают использовать в качестве катализаторов платину. палладий или никель Ренея.
Другим методом восстановления нитросоединений является восстановление металлом в кислой или щелочной среде.
Восстановление нитрогруппы до аминогруппы происходит в несколько стадий, последовательность которых сильно различается в кислой и щелочной среде. Рассмотрим последовательно процессы, протекающие при восстановлении нитросоединений в кислой и щелочной среде.
При восстановлении в кислой среде в качестве восстановителя применяют железо, олово, цинк и соляную кислоту. Эффективным восстановителем нитрогруппы является хлорид олова (II) в соляной кислоте. Этот реагент особенно эффективен в тех случаях, когда в ароматическом нитросоединении есть другие функциональные группы: CHO, COR, COOR и др., чувствительные к действию других восстановителей.
Восстановление нитросоединений до первичных аминов в кислой среде происходит ступенчато и включает три стадии с переносом двух электронов на каждой стадии.
В кислой среде каждый из промежуточных продуктов быстро восстанавливается до конечного продукта анилина и их не удается выделить в индивидуальном виде. Однако, в апротонных растворителях в нейтральной среде можно зафиксировать промежуточные продукты восстановления.
При восстановлении нитробензола натрием или калием в ТГФ сначала образуется анион-радикал нитробензола за счет переноса одного электрона от щелочного металла.
Катион щелочного металла связан в контактную ионную пару с атомом кислорода нитрогруппы анион-радикала. При дальнейшем восстановлении анион-радикал превращается в дианион, который после протонирования дает нитрозобензол.
Нитрозобензол, также как и другие ароматические нитрозосоединения, обладает высоким окислительным потенциалом и очень быстро восстанавливается до N-фенилгидроксиламина. Поэтому нитрозобензол не удается выделить в качестве промежуточного продукта восстановления, хотя данные электрохимического восстановления однозначно указывают на его образование.
Дальнейшее восстановление нитрозосоединений до N-арилгидроксиламина включает две аналогичные стадии одноэлектронного восстановления до анион-радикала и далее до дианиона нитрозосоединения, который при протонировании превращается в N-арилгидроксиламин.
Последняя стадия восстановления арилгидроксиламина до первичного амина сопровождается гетеролитическим расщеплением связи азот-кислород после протонирования субстрата.
В нейтральном водном растворе можно получить фенилгидроксиламин в качестве продукта восстановления нитробензола. Фенилгидроксиламин получается при восстановлении нитробензола цинком в водном растворе хлорида аммония.
Арилгидроксиламины легко восстанавливаются в амины при обработке железом или цинком и соляной кислотой.
Поскольку фенилгидроксиламин является промежуточным продуктом восстановления, его можно не только восстановить до анилина, но и окислить до нитрозобензола.
Это, вероятно, один из лучших методов получения ароматических нитрозосоединений, которые не удается иным способом выделить в качестве промежуточного продукта восстановления нитросоединений.
Ароматические нитрозосоединения легко димеризуются в твердом состоянии, причем их димеры бесцветны. В жидком и газообразном состоянии они мономерны и окрашены в зеленый цвет.
Восстановление нитросоединений металлами в щелочной среде отличается от восстановления в кислой среде. В щелочной среде нитрозобензол быстро взаимодействует со вторым промежуточным продуктом восстановления фенилгидроксиламином с образованием азоксибензола. Эта реакция по существу подобна присоединению азотистых оснований к карбонильной группе альдегидов и кетонов.
В лабораторных условиях азоксибензол с хорошим выходом получается при восстановлении нитросоединений боргидридом натрия в ДМСО, метилатом натрия в метиловом спирте или старым способом при использовании в качестве восстановителя As 2 O 3 или глюкозы.
Азоксибензол при действии цинка в спиртовом растворе щелочи восстанавливается сначала до азобензола, а при действии избытка цинка далее до гидразобензола.
В синтетической практике производные азоксибензола могут быть восстановлены до азобензола под действием триалкилфосфита в качестве восстановителя. С другой стороны, азобензол легко окисляется до азоксибензола перкислотами.
Азобензол существует в виде цис- и транс- изомеров. При восстановлении азоксибензола получается более стабильный транс-изомер, который при облучении УФ-светом превращается в цис-изомер.
Несимметричные производные азобензола получаются при конденсации нитрозосоединений и первичных ароматических аминов.
При восстановлении ароматических нитросоединений алюмогидридом лития в эфире также образуются азосоединения с выходом, близким к количественному.
Азобензол восстанавливается цинковой пылью и спиртовой щелочью до гидразобензола. Гидразобензол является, таким образом, конечным продуктом восстановления нитробензола металлом в щелочной среде. На воздухе бесцветный гидразобензол легко окисляется до окрашенного в оранжево-красный цвет азобензола. Вместе с тем гидразобензол, также как и азобензол и азоксибензол, восстанавливается до анилина под действием дитионита натрия в воде или хлорида олова (II) в соляной кислоте.
Суммарный процесс восстановления ароматических нитросоединений металлами в кислой и щелочной среде может быть представлен в виде следующей последовательности превращений.
В кислой среде:
В щелочной среде:
В промышленности анилин получают каталитическим восстановлением нитробензола на медном или никелевом катализаторе, который вытеснил старинный способ восстановления нитробензола чугунными стружками в водном растворе хлорного железа и соляной кислоты.
Восстановление нитрогруппы до аминогруппы сульфидом и гидросульфидом натрия в настоящее время имеет значение только для частичного восстановления одной из двух нитрогрупп, например, в м-динитробензоле или 2,4-динитроанилине.
При ступенчатом восстановлении полинитросоединений с помощью сульфида натрия этот неорганический реагент превращается в тетрасульфид натрия, что сопровождается образованием щелочи.
Высокая щелочность среды приводит к образованию азокси- и азосоединений в качестве побочных продуктов. Для того чтобы избежать этого в качестве восстановителя следует использовать гиросульфид натрия, где щелочь не образуется.
| " |
