Понятие об азокрасителях

Азосоединения окрашены, поскольку содержат хромофорную группу (азогруппа), которая способствует поглощению света в видимой области спектра, а также ауксохромные группы (ОН, NH₂ и т.д.), которые углубляют цвет и способствуют связыванию красителя с волокном. Такие азосоединения относят к красителям. Примерно половина используемых в промышленности красителей относится к азокрасителям. Они могут быть моно-, ди-, полиазокрасителями в зависимости от количества азогрупп, иметь окраску от красного до зеленого цвета (зеленый, желтый, оранжевый, красный).

Азокрасители используются и в качестве кислотно – основных индикаторов, например:

Метиловый оранжевый:

Конго красный:

Методы крашения тканей:

А. Красители, содержащие полярные группы

Б. Дисперсные красители

В. Красители, образующие химические соединения с волокном

Г. Проявляющие красители (ледяное крашение)

Д. Протравные красители

Е. Кубовые красители

Ж. Пигменты

.

47. Ароматические альдегиды и кетоны. Строение. Получение в сравнении с алифатическими. Реакции нуклеофильного присоединения: сравнение реакционной способности с алифатическими карбонильными соединениями. Реакции электрофильного замещения, окисления и восстановления.

Так же, как и их алифатические аналоги, ароматические альдегиды и кетоны содержат общий структурный фрагмент — карбонильную группу >C=O. В ароматических альдегидах карбонильная группа связана с ароматическим кольцом, в ароматических кетонах — с одним или двумя ароматическими радикалами (второй углеводородный радикал может быть алифатическим). Поэтому в общем виде ароматические карбонильные соединения можно изобразить следующим образом:

У ароматических альдегидов и кетонов имеются свои отличия в строении и химическом поведении как между собой, так и по сравнению с алифатическими аналогами.

10.8.1. Изомерия, номенклатура

Так же, как и для алифатических карбонильных соединений, для ароматических альдегидов и кетонов характерны скелетная и позиционная разновидности структурной изомерии. Кроме того, среди изомеров ароматических карбонильных соединений можно выделить соединения, содержащие ароматическое кольцо в алифатической углеводородной цепи альдегида или кетона, например:

Такие соединения в ряде случаев тоже относят к ароматическим; однако так как прямое взаимодействие между карбонильной группой и бензольным кольцом практически отсутствует, то здесь они рассматриваться не будут (возможно, за некоторым исключением).

Относительно небольшое число ароматических альдегидов и кетонов имеют распространённые тривиальные названия. Например:

бензальдегид толуиловые анисовый ванилин

альдегиды (о-, м-, п-) альдегид

ацетофенон бензофенон

Из систематических названий альдегидов более всего распространена заместительная номенклатура, по которой к названию циклической системы (арена или другого ароматического соединения) добавляется обозначение «карбальдегид» (гл. 1.5.1), а названия ароматических кетонов (так же как и для алифатических) строятся при помощи суффикса -он. Например:

	— бензолкарбальдегид,
	— 4-метилбензолкарбальдегид, или п-толуолкарбальдегид,
	— 1-фенилэтанон.

Однако для названий кетонов чаще используется радикало-функциональная номенклатура, по которой сначала перечисляются в алфавитном порядке радикалы, связанные с кетонной группой, а затем добавляется слово «кетон». Например, ацетофенон (1-фенилэтанон) получит название метилфенилкетон.

10.8.2. Строение бензальдегида

В карбонильной группе >C=O-связь между углеродом и кислородом сильно-полярна из-за смещения к атому кислорода как -, так и -электронов этой связи (гл. 6.1.2). Но в молекулах ароматических альдегидов и кетонов ( например, в бензальдегиде) карбонильная группа связана с ароматическим кольцом. Поэтому по отношению к нему альдегидная группа в молекуле бензальдегида является сильным электроноакцептором как за счёт индуктивного, так и за счёт мезомерного влияния (гл. 10.1.1).

Мезомерный эффект проявляется за счёт перекрывания р_z-орбиталей карбонильного атома углерода и атома углерода бензольного кольца. В результате электронная плотность на кольце понижена, и особенно в о- и п-положениях.

В итоге молекула бензальдегида плоская, все атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации, углы близки к 120.

При смещении электронной плотности с бензольного кольца происходит экранирование карбонильного атома углерода, и бензальдегид труднее вступает в характерные для альдегидов реакции нуклеофильного присоединения, чем алифатические альдегиды.

Таким образом, результатом такого распределения электронной плотности является уменьшение реакционной способности бензальдегида как по отношению к электрофилам в сравнении с бензолом, так и по отношению к нуклеофилам в сравнении с алифатическими аналогами.

10.8.3. Физические и химические свойства

Ароматические карбонильные соединения — это бесцветные жидкости или кристаллические вещества с приятным запахом.

Химические свойства прежде всего определяются наличием карбонильной группы (поэтому они должны быть аналогичны алифатическим альдегидам и кетонам) и бензольного кольца (как для любых замещённых бензолов). Однако возможны и специфические реакции.

Здесь не будут рассматриваться реакции, аналогичные алифатическим альдегидам и кетонам, такие как окисление, восстановление, замещение в алифатическом радикале (для жирно-ароматических кетонов), в том числе галоформная проба и некоторые из реакций нуклеофильного присоединения (гл. 6.1.4.1). Хотя, например, окисление ароматических альдегидов протекает очень легко даже кислородом воздуха на свету. Это объясняется образованием стабильного ароильного радикала

10.8.3.1. Нуклеофильное присоединение

Это типичные реакции всех альдегидов и кетонов. Ранее на примере алифатических аналогов (гл. 6.1.4.1) рассматривался этот тип реакций. Для ароматических карбонильных соединений также характерно присоединение воды, спиртов, синильной кислоты, гидросульфита натрия, аммиака и его производных, реактивов Гриньяра; по этому механизму протекают также рассмотренные ранее в алифатическом ряду реакции с гидридами металлов, пентахлоридом фосфора.

В целом ароматические альдегиды и кетоны менее реакционноспособны, чем их алифатические аналоги. Это объясняется двумя причинами: электронной и стерической. Первая причина связана со смещением электронной плотности с бензольного кольца на карбонильный атом углерода и уменьшением за счёт этого эффективного положительного заряда на этом атоме и электростатическим отталкиванием нуклеофильной частицы -электронной плотностью бензольного кольца. Вторая причина — это пространственные препятствия для подхода атакующей частицы к реакционному центру (карбонильному атому углерода). Уменьшение реакционной способности ароматических соединений по сравнению с алифатическими отразилось и на возможности протекания некоторых Аd_N-реакций. Так, если с гидросульфитом натрия взаимодействуют любые альдегиды и алифатические метилкетоны, то ароматические кетоны не присоединяют NaHSO₃.

Аналогично формальдегиду (и некоторым другим алифатическим альдегидам) аренкарбальдегиды могут вступать в реакцию с фенолами и ароматическими аминами, как, например, рассмотрено в главах 10.5.3.3 и 10.6.3.1 на примере взаимодействия фенола и анилина с формальдегидом. Если субстратом считать фенол (или анилин), то механизм реакции S_E, а по отношению к альдегиду механизм Аd_N.

Отсутствие -водородных атомов в молекулах ароматических альдегидов создаёт препятствия для протекания обычных в алифатическом ряду реакций альдольной и кротоновой конденсации. Поэтому такие реакции для аренкарбальдегидов будут возможны при участии их только в качестве субстрата (но не нуклеофила). Нуклеофилом может служить алифатический альдегид или кетон, жирно-ароматический кетон, эфир алифатической карбоновой кислоты или её ангидрид. При этом альдоль не образуется, а получаются сразу непредельные соединения (аналогичные продуктам кротоновой конденсации в алифатическом ряду). Например:

Взаимодействие ароматических альдегидов с ангидридами карбоновых кислот известно под названием конденсации Перкина*. Например:

Образование сразу непредельного продукта в этих случаях можно объяснить его устойчивостью за счёт наличия длинной сопряжённой системы с участием ароматического кольца. Такая сопряжённая система не может образоваться, если в реакцию вступает алифатический альдегид или кетон.

10.8.3.2. Диспропорционирование

Ранее на примере алифатических альдегидов рассматривались реакция Канниццаро и реакция Тищенко (гл. 6.1.4.3). В ароматическом ряду механизм и условия протекания этих реакций аналогичны алифатическим соединениям. В реакции Каниццаро все аренкарбальдегиды ввиду особенностей их строения (отсутствие -водородного атома) в присутствии щелочей превращаются в соль ароматической карбоновой кислоты и ароматический спирт.

В присутствии метаналя как более активного альдегида будет происходить восстановление аренкарбальдегида.

10.8.3.3. Электрофильное замещение

Ароматические карбонильные соединения будут вступать в реакции электрофильного замещения по бензольному кольцу. Однако для альдегидов и кетонов эти реакции протекают труднее, чем для незамещённого бензола и аренов, так как электронная плотность на кольце понижена за счёт –I- и –M-эффектов карбонильной группы. Это приводит к тому, что скорость реакций нитрования, сульфирования, галогенирования существенно ниже, чем для бензола, а реакции алкилирования, ацилирования, нитрозирования либо совсем не осуществляются, либо требуют для протекания особых условий.

Понижение электронной плотности за счёт –M-эффекта происходит в основном на атомах углерода о- и п-положений ароматического кольца (гл. 10.1.1), поэтому если реакция возможна, то протекает преимущественно в м-положение. Мета-ориентирующее действие карбонильной группы может быть объяснено также и динамическим подходом, то есть сравнением устойчивости образующихся -комплексов.

Примеры реакций электрофильного замещения в молекуле бензальдегида можно представить в виде следующей схемы:

Вследствие лёгкой окисляемости альдегидной группы одновременно могут проходить и реакции окисления.

Окисление альдегидов и кетонов

Альдегиды чрезвычайно легко подвергаются окислению до соответствующих карбоновых кислот. В качестве окислителей могут быть использованы дихромат калия в кислой среде, перманганат калия и другие даже более слабые оксислители.

O

RCH=O  RCOOH

Кетоны более устойчивы к окислению, но при действии сильных окислителей в жестких условиях происходит окислительная деструкция молекулы кетона, т.е. разрываются связи атомов углерода с карбонильным атомом углерода, и происходит окисление остатков до карбоновых кислот. Например, такое окисление 2-бутанонаприводит к смеси диоксида углерода, уксусной и пропионовой кислот: при разрыве связи А образуются СО2 и пропионовая кислоты, а при разрыве связи В – две молекулы уксусной кислоты.

A

B

K2Cr2O7, t

CH3

C

CH2CH3

CO2

CH3COOH+ CH3CH2COOH

H2SO4

O

Качественной реакцией на альдегиды является реакция «серебряного зеркала» - окисление альдегидов аммиачным раствором оксида серебра до аммонийной соли карбоновой кислоты. При этом происходит восстановление катиона серебра до металлического серебра, которое при тщательном проведении этой пробы выпадает в виде тонкого зеркального слоя на поверхности стеклянной пробирки.

Ag(NH3)2OH

RCH=O _ RCOO NH4

_ Ag

NH3

Альдегиды и кетоны могут быть восстановлены до соответ­ственно первичных или вторичных спиртов несколькими спосо­бами. Наиболее распространенным методом является восстанов­ление комплексными гидридами: боргидридами натрия или ли­тия и литийалюмогидридом (гл.11)

Боргидрид натрия обеспечивает избирательное восстанов­ление карбонильной группы альдегидов и кетонов в присут­ствии многих других функциональных групп (сложноэфирной, нитрильной, амидной, лактонной, оксирановой), которые этот реагент не затрагивает. Боргидрид натрия целесообразно при­менять и для восстановления несопряженных карбонильных соединений с изолированными углерод-углеродной и углерод-кислородной двойной связью, где восстанавливается только карбонильная группа:

Алюмогидрид лития гораздо менее селективен и реагирует со всеми выше приведенными функциональными группами. В их отсутствии его можно использовать для восстановления карбо­нильной группы в растворе в абсолютном эфире, ТГФ, ДМЭ. Приведем некоторые типичные примеры восстановления карбо­нильных соединений комплексными гидридами:

Существует несколько различных способов, позволяющих уве­личить избирательность алюмогидрида лития или усилить его дей­ствие в реакциях восстановления. Одним из способов, усилива­ющих действие алюмогидрида лития, является восстановление смесью алюмогидрида лития с хлористым алюминием¹. Система LiAlH₄-AlCl₃ имеет две важные области применения: стереоспецифическое восстановление кетонов за счет эпимеризации сме­си спиртов в более стабильный стереомер и гидрогенолиз карбо­нильных соединений до углеводорода. Так, при восстановлении 4-трет-бутилциклогексанона смешанным гидридом, полученным из одного моля LiAlH₄ и четырех молей АlCl₃, получается более стабильный транс-изомер 4-трет-бутилциклогексанола, в то вре­мя как с самим алюмогидридом лития получается смесь из 80% транс- и 20% цис-изомерных спиртов:

Ароматические и жирноароматические кетоны под действием смеси LiAlH₄ и АlCl₃претерпевают гидрогенолиз с образова­нием углеводородов:

Другой интересной особенностью этого реагента является его спо­собность к расщеплению ацеталей и кеталей до простых эфиров:

В отличие от самого LiAlH₄ смешанный реагент состава 1:1 не замещает галоген на водород и не восстанавливает нитрогруппу, что может быть использовано для избирательного восстановле­ния, например:

Комплекс алюмогидрида лития с трехфтористым бором обладает уникальной способностью восстанавливать сложные эфиры до простых эфиров, а лактоны до циклических эфиров: '

Модификация алюмогидрида лития с помощью трет-бутилового спирта до трис-(трет-бутокси)алюмогидрида лития LiAlH[O(CH₃)₃]₃ и восстановление этим реагентом хлорангидрида карбоновых кис­лот до альдегидов будет описано в гл.18 (ч.З).

После описания синтетических возможностей восстановле­ния карбонильной группы с помощью различных модификаций комплексных гидридов рассмотрим стереохимию восстановления карбонильной группы в этих реакциях. В результате восстанов­ления несимметричного кетона до вторичного спирта карбониль­ный атом углерода становится хиральным, т.е. образуется новый хиральный центр. Несимметричный кетон присоединяет гидрид-ион с наименее пространственно затрудненной стороны. Клас­сическим примером является восстановление 4-трет-бутилциклогексанона алюмогидридом лития, приводящее к образованию преимущественно транс-изомера 4-трет-бутилциклогексанола:

В этом случае кинетический контроль и термодинамический кон­троль реакции действуют согласованно, поскольку транс-изомер с экваториальной гидроксильной группой термодинамически ста­бильнее цис-изомера с аксиальным гидроксилом, а атака гидрид-ионом осуществляется сверху с наименее пространственно затрудненной стороны. Аналогичный результат достигается при восстановлении такого пространственно затрудненного цикличес­кого кетона, как камфора, где также в продуктах восстановления доминирует изомер борнеола с экваториальным экзо-гидроксилом:

С другой стороны, при восстановлении бицикло [2.2.1]гептанона-2-(норкамфоры) боргидридом натрия или алюмогидридом лития образуется преимущественно эндо-норборнеол:

Если в несимметричном кетоне уже имеется один хиральный центр, восстановление кетона приводит к двум диастереомерным продуктам. В этом случае стереохимию восстановления ацикли­ческих кетонов можно предсказать, пользуясь правилом Д.Крама (1952; см. гл.8). Новый хиральный центр возникает здесь из кар­бонильной группы, расположенной рядом с уже имеющимся хиральным центром. Согласно правилу Крама нуклеофильная ата­ка гидрид-иона или карбаниона из RMgX или RLi по карбониль­ному атому углерода происходит в такой конформации кетона, в которой карбонильная группа находится между наименьшей и средней по размеру группами, связанными с -углеродным ато­мом. Такая конформация оказывается предпочтительной для атаки нуклеофильного агента, поскольку в ней карбонильный углерод оказывается наименее затрудненным. Это легко проиллюстри­ровать на примере реакции:

где R_б; R_ср,; R_м - соответственно больший, средний и малый по размеру заместители у имеющегося хирального центра. Для это­го кетона предпочтительная реакционная конформация и нук-леофильная атака с наименее пространственно затрудненной сто­роны описывается следующим уравнением:

Предпочтительное образование одного из двух диастереомеров рассмотрим на конкретном примере восстановления оптически активного 3-фенилпентанона-2 алюмогидридом лития:

Хиральный атом углерода определяет направление атаки гидрид-иона. Стереохимический результат этой реакции легко изобра­зить, пользуясь проекциями Ньюмена, где стрелками обозначено направление атаки гидрид-иона:

Сравнительно недавно был разработан эффективный и, по-видимому, универсальный способ восстановления альдегидов и кетонов в инертной среде изопропиловым спиртом, исполь­зуя в качестве катализатора тщательно обезвоженную, ней­тральную окись алюминия. В этих условиях другие функцио­нальные группы (нитро-, циан- и двойная углерод-углерод­ная связь) не затрагиваются и реакция осуществляется в строго нейтральных условиях

Комплексные гидриды и система изопропиловый спирт - оксид алюминия по существу вытеснили громоздкий старый метод восстановления Меервейна-Понндорфа-Верлея, в котором в ка­честве донора гидрид-иона используется изопропилат алюминия. В настоящее время эта реакция представляет скорее чисто теоре­тический интерес - как классический пример переноса гидрид-иона в хелатном комплексе кетона и изопропилата алюминия:

Равновесие смещается вправо, если ацетон отгоняется из реак­ционной смеси.

Карбонильные соединения подвергаются каталитическому восстановлению, при котором альдегиды образуют первичные, а кетоны вторичные спирты. Алифатические альдегиды и кетоны обычно не гидрируются над палладиевыми катализаторами, что позволяет избирательно гидрировать двойную и тройную угле­род-углеродные связи при наличии карбонильной группы. Наи­более эффективным катализатором гидрирования карбонильной группы является рутений на угле, хотя можно использовать и никель Ренея или платину. Скорость восстановления и стерео­химия продуктов реакции очень сильно зависит от природы ка­тализатора и кислотности или основности реакционной среды. Каталитическое гидрирование двойной связи находит все более и более ограниченную сферу применения для восстановления карбонильной группы.

Особое значение в органическом синтезе занимает восста­новление карбонильной группы в ароматических и жирноароматических кетонах с помощью амальгамированного цинка и соля­ной кислоты по Э.Клемменсену (1913). Этот метод позволяет получать алкилбензолы с первичной алкильной группой, недо­ступные по реакции Фриделя-Крафтса (гл.13).

Модификацией этой реакции является восстановление в двухфаз­ной системе, состоящей из соляной кислоты и несмешивающе­гося с ней индифферентного органического растворителя - то­луола или ксилола. Это обычно приводит к увеличению выхода целевого продукта, так как продукт восстановления - углеводо­род переходит в органическую фазу и не подвергается действию восстановителя:

Реакция Клемменсена применима и к кетонам алифатического и алициклического ряда, хотя и не носит здесь общего характера:

В отдельных случаях удается восстановить до углеводородов даже альдегиды, например:

Механизм реакции Клемменсена не установлен.

48. Ароматические карбоновые кислоты и их производные. Строение. Кислотные свойства в сравнении с алифатическими кислотами . Реакции замещения в ациальной группе , реакция декарбоксилирования . Реакция замещения в ароматическом кольце. Салициловая , резорциловая, фталевая и терефталевая кислоты и их производные

 Ароматические карбоновые кислоты и их производные

В соответствии с названием ароматические карбоновые кислоты должны содержать ароматическое кольцо и карбоксильную группу (возможно, не одну). При этом чаще всего предполагается, что эти структурные фрагменты непосредственно связаны друг с другом.

Как и алифатические аналоги, ароматические карбоновые кислоты могут образовывать ацильные производные (ангидриды, галогенангидриды, сложные эфиры, амиды, соли) и нитрилы.

10.9.1. Классификация, номенклатура

Молекулы ароматических карбоновых кислот могут содержать одну или несколько карбоксильных групп, и по этому признаку их можно разделить на монокарбоновые, дикарбоновые, трикарбоновые и т. д. кислоты.

Для названия ароматических карбоновых кислот наиболее применима заместительная номенклатура. При этом атомы углерода карбоксильной группы не включаются в родоначальную структуру. Таким образом, простейшая ароматическая кислота должна получить название «бензолкарбоновая кислота», однако за ней сохраняется тривиальное название бензойная кислота, которое используется как родоначальное при составлении названий замещённых ароматических кислот. Например:

бензолкарбоновая кислота, 2-этилбензойная кислота 4-гидрокси-3-этилбензойная или бензойная кислота кислота

Ацильные производные бензойной кислоты называются при помощи слова «бензоил» (название ацила) или «бензоат» (название ацилата); для амида название «бензолкарбоксамид» обычно сокращается до бензамида. Нитрил бензойной кислоты должен называться соответственно «бензолкарбонитрил»; название сокращается до бензонитрила:

бензоилхлорид метилбензоат бензамид бензонитрил

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

4-хлорбензоилхлорид 2-этилбензоат натрия

Для ряда кислот и их производных сохраняются тривиальные и широко используются полутривиальные названия. Например:

фталевая изофталевая терефталевая анисовая толуиловые

(о-, м-, п-)

10.9.5. Важнейшие представители

Бензойная кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 395 К. 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 эфирп-аминобензойной кислоты (анестезин) применяется как местноанестезирующее средство более 70 лет. Получают его из п-нитротолуола по следующей схеме:

анестезин

Терефталевая кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 698 К, но при температуре 573 Квозгоняется.

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.

Фт алевый ангидрид— бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 404 К.

В промышленности фталевый ангидрид получают окислением нафталина или о-ксилола.

Применяется для получения полиэфиров, пластификаторов и красителей; используется в органическом синтезе для получения биологически активных соединений.

 Строение. 

Строение карбоновых кислот

Группа атомов   называется карбоксильной группой или карбоксилом.

Органические кислоты, содержащие в молекул одну карбоксильную группу, называются одноосноеными.

Общая формула этих кислот RCOOH, например

Карбоновые кислоты, содержащие две карбоксильные группы, называются двухосновными. К ним относятся, например, щавелевая и янтарная кислоты.

Существуют и многоосновные карбоновые кислоты, содержащие более двух карбоксильных групп, например лимонная кислота трёхосновная:

В зависимости от природы углеводородного радикала карбоновые кислоты делятся на предельные, непредельные и ароматические.

Предельными (насыщенными) являются, например, пропановая (пропионовая) кислота

или уже знакомая нам янтарная кислота.

Очевидно, что предельные карбоновые кислоты не содержат π-связей в углеводородном радикале.

В молекулах непредельных карбоновых кислот карбоксильная группа связана с ненасыщенным, непредельным углеводородным радикалом, например в молекулах акриловой (пропеновой) СН₂=СН—СООН, олеиновой СН₃—(СН₂)₇—СН=СН—(СН₂)₇—СООН или других кислот.

Как видно из формулы, бензойная кислота является ароматической, так как содержит в молекуле ароматическое (бензольное) кольцо:

Реакции декарбоксилирования карбоновых кислот – энергетически выгодный процесс, т.к. в результате образуется устойчивая молекула СО₂. Декарбоксилирование характерно для кислот у которых в ά-положении имеется электроноакцепторный заместитель. Легче всего декарбоксилируются двухосновные кислоты.

Щавелевая и малоновая кислоты легко при нагревании декарбоксилируются, а при нагревании янтарной и глутаровой кислот происходит образование циклических ангидридов, что обусловлено образованием пяти- или шестичленных гетероциклов, имеющих устойчивые конформации "полукресла” и “кресла”

В биологических системах реакции декарбоксилирования протекают с участием ферментов – декарбоксилаз. Декарбоксилирование аминокислот приводит к образованию биогенных аминов.

Декарбоксилирование аминокислот приводит к образованию биогенных аминов.

В насыщенных алифатических кислотах в результате ЭА-влияния карбоксильной группы появляется СН - кислотный центр у α-углеродного атома. Это хорошо проявляется в реакциях галогенирования.

Галоидзамещенные кислоты широко используются для синтеза биологически-важных соединений – гидрокси- и аминокислот.

Электрофильное замещение в бензоле

 

Несмотря на то, что бензол по составу является ненасыщенным соединением, для него не характерны реакции присоединения. Типичными реакциями бензольного кольца являются реакции замещения атомов водорода – точнее говоря, реакции электрофильного замещения.

Рассмотрим примеры наиболее характерных реакций этого типа.

1)     Галогенирование. При взаимодействии бензола с галогеном (в данном случае с хлором) атом водорода ядра замещается галогеном.

 

 + Cl₂  –^AlCl3®   (хлорбензол) + H₂O

 

Реакции галогенирования осуществляются в присутствии катализатора, в качестве которого чаще всего используют хлориды алюминия или железа.

 

2)     Нитрование. При действии на бензол нитрующей смеси атом водорода замещается нитрогруппой (нитрующая смесь – это смесь концентрированных азотной и серной кислот в соотношении 1:2 соответственно).

 

  + HNO₃  –^H2SO4®   (нитробензол) + H₂O

 

Серная кислота в данной реакции играет роль катализатора и водоотнимающего средства.

 

3)     Сульфирование. Реакция сульфирования осуществляется концентрированной серной кислотой или олеумом (олеум – это раствор серного ангидрида в безводной серной кислоте). В процессе реакции водородный атом замещается сульфогруппой, приводя к моносульфокислоте.

 

 + H₂SO₄  –^SO3®   (бензолсульфокислота) + H₂O

 

 

4)     Алкилирование (реакция Фриделя-Крафтса). При действии на бензол алкилгалогенидов в присутствии катализатора (хлористого алюминия) осуществляется замещение алкилом атома водорода бензольного ядра.

 

 + R–Cl  –^AlCl3®   (R-углеводородный радикал) + HCl

Следует отметить, что реакция алкилирования представляет собой общий способ получения гомологов бензола - алкилбензолов.

Рассмотрим механизм реакции электрофильного замещения в ряду бензола на примере реакции хлорирования. Первичной стадией является генерирование электрофильной частицы. Она образуется в результате гетеролитического расщепления ковалентной связи в молекуле галогена под действием катализатора и представляет собой хлорид-катион.

 

+ AlCl3 ® Cl^+ + AlCl4^-

 

Образующаяся электрофильная частица атакует бензольное ядро, приводя к быстрому образованию нестойкого p- комплекса, в котором электрофильная частица притягивается к электронному облаку бензольного кольца.

 

	+ Cl^+ ®		Cl^+
		p- комплекс

 

Иными словами, p- комплекс – это простое электростатическое взаимодействие электрофила и p-  электронного облака ароматического ядра. Далее происходит переход p- комплекса в s- комплекс, образование которого является наиболее важной стадией реакции. Электрофильная частица "захватывает" два электрона s- электронного секстета и образует s- связь с одним из атомов углерода бензольного кольца.

 

Cl^+ ®

s- комплекс

 

s- Комплекс – это катион, лишенный ароматической структуры, с четырьмя p-  электронами, делокализованными (иначе говоря, распределенными) в сфере воздействия ядер пяти углеродных атомов. Шестой атом углерода меняет гибридное состояние своей электронной оболочки от sp²- до sp³-, выходит из плоскости кольца и приобретает тетраэдрическую симметрию. Оба заместителя – атомы водорода и хлора располагаются в плоскости, перпендикулярной к плоскости кольца. На заключительной стадии реакции происходит отщепление протона от s- комплекса и ароматическая система восстанавливается, поскольку недостающая до ароматического секстета пара электронов возвращается в бензольное ядро.

 

 ®   + H⁺

 

Отщепляющийся протон связывается с анионом четыреххлористого алюминия с образованием хлористого водорода и регенерацией хлорида алюминия.

 

H⁺ + AlCl₄^- ® HCl + AlCl₃

 

Именно благодаря такой регенерации хлорида алюминия для начала реакции неоходимо очень небольшое (каталитическое) его количество.

Несмотря на склонность бензола к реакциям замещения, он в жестких условиях вступает и в реакции присоединения.

 

1)     Гидрирование. Присоединение водорода осуществляется только в присутствии катализаторов и при повышенной температуре. Бензол гидрируется с образованием циклогексана, а производные бензола дают производные циклогексана.

 

  + 3H₂  –^t°,p,Ni®   (циклогексан)

 

2)     На солнечном свету под воздействием ультрафиолетового излучения бензол присоединяет хлор и бром с образованием гексагалогенидов, которые при нагревании теряют три молекулы галогеноводорода и приводят к тригалогенбензолам.

 

+ 3Cl2  –^hn®

гексахлорциклогексан

сим-трихлорбензол

 

3)     Окисление. Бензольное ядро более устойчиво к окислению, чем алканы. Даже перманганат калия, азотная кислота, пероксид водорода в обычных условиях на бензол не действуют. При действии же окислителей на гомологи бензола ближайший к ядру атом углерода боковой цепи окисляется до карбоксильной группы и дает ароматическую кислоту.

 

+ 2KMnO₄  ®   (калиевая соль бензойной кислоты) + 2MnO₂ + KOH + H₂O

 

+ 4KMnO₄  ®   + K₂CO₃ + 4MnO₂ + 2H₂O + KOH

 

Во всех случаях, как видно, независимо от длины боковой цепи образуется бензойная кислота.

При наличии в бензольном кольце нескольких заместителей можно окислить последовательно все имеющиеся цепи. Эта реакция применяется для установления строения ароматических углеводородов.

 

 –^[O]®    (терефталевая кислота)

Салициловая кислота и её производные Салициловая кислота (СаК) - ароматическая фенольная гидроксикислота, гидроксильная группа которой связана с бензольным кольцом .Это бесцветное кристаллическое вещество, легко растворимое в этаноле, диэтиловом эфире и плохо - в холодной воде (1,8 г/л при 20С). Температура плавления 159 С, а кипения - 211 С (20 мм. рт. ст.) СаК имеет два центра кислотности - карбоксильную и фенольную гидроксильную группу и по химическим свойствам проявляет себя как одноатомный фенол и одноосновная кислота (pK=2,98) .При взаимодействии СаК с сильными основаниями образуются соли как по карбоксильной группе, так и при участии более слабого кислотного центра - фенольной гидроксильной группы (рис.1.2 А) . СаК вытесняет слабые кислоты из их солей, например угольную .При взаимодействии карбоксильной группы СаК со спиртами образуются сложные эфиры . Эта кислота также способна образовывать простые и сложные эфиры за счёт фенольной гидроксильной группы, при её ацетилировании уксусным ангидридом образуется ацетилсалициловая кислота . Пищевые источники В природе СаК встречается в виде гликозида её метилового эфира в эфирных маслах растений .Незрелые фрукты и овощи являются природными источниками салициловой кислоты, в частности, ежевика, черника, дыни, финики, виноград, киви, гуава, абрикосы, зеленый перец, помидоры, оливки, редис и цикорий; также грибы. Некоторые травы и специи содержат довольно большое количество, в то время как мясо, птица, рыба, яйца и молочные продукты содержат немного салицилатов или не содержат совсем. Из бобовых, семян, орехов и зерновых только миндаль, водяные каштаны и арахис содержат их в значительном объеме. Основной промышленный способ синтеза СаК и её производных) - карбоксилирование сухого фенолята натрия действием СО2 при давлении 0,6 МПа, температуре 185С в течение 8-10 часов (реакция Кольбе-Шмитта) Рис.1 . Рис.1 Производные СаК    К этой группе могут быть отнесены сложные эфиры салициловой кислоты и производные амида салициловой кислоты. Салициловая кислота образует сложные эфиры как с органическими кислотами (I) за счет взаимодействия с фенольным гидроксилом, так и со спиртами или фенолами (II) за счет взаимодействия с карбоксильной группой. Производные амида салициловой кислоты имеют общую формулу (III):Рис.2 Рис.2 СаК и её производные - салицилат натрия, салициламид, ацетилсалициловая кислота (АК), ацетилсалицилат лизина, салол - являются важными лекарственными веществами. СаК - антисептик, раздражающее и кератолитическое средство . Она входит в состав мазей, паст, присыпок и растворов для лечения кожных заболеваний и грибковых заболеваний ногтей . СаК применяют также в качестве консерванта некоторых пищевых продуктов, полупродукта в синтезе красителей и фунгицидов . Салицилат натрия, салициламид, ацетилсалициловая кислота, ацетилсалицилат лизина известны как жаропонижающие, противовоспалительные и болеутоляющие средства; фениловый эфир (фенилсалицилат, салол) - антисептик; метисалицилат - противоревматическое средство; п-аминосалициловая кислота - противотуберкулёзное средство . Аспирин— ацетилсалициловая кислота — С6Н4(ОСОСН3)СООН — широко применяется в качестве жаропонижающего и болеутоляющего средства. В некоторых странах он находит широкое применение и для лечения ревматизма. В желудочно-кишечном тракте аспирин частично омыляется с образованием салициловой и уксусной кислот. Часть его всасывается в неизмененном виде.Ацетилсалициловая кислота как сложный эфир, образованный уксусной кислотой и фенолокислотой (вместо спирта), очень легко гидролизуется.  Уже при стоянии во влажном воздухе она гидролизуется на уксусную и салициловую кислоты. В связи с этим фармацевтам часто приходится проверять, не гидролизовалась ли ацетилсалициловая кислота. Для этого очень удобна реакция с FeCl3: ацетилсалициловая кислота не дает окрашивания с FeCl3, тогда как салициловая кислота, образующаяся в результате гидролиза, дает фиолетовое окрашивание. Метилсалицилат — метиловый эфир салициловой кислоты - - представляет собой жидкость, хорошо всасывающуюся кожей. Применяется как наружное средство для растирания при лечении ревматических и невралгических болей, часто в комбинации с другими средствами. Метилсалицилат оказывает как местное, так и резорбтивное действие.Рис.3     Рис.3 Салициламид (как и кислота салициловая) при нагревании возгоняется. Салициламид мало растворим, осальмид практически нерастворим в воде. Салициламид растворим в этаноле, умеренно растворим в эфире, мало растворим в хлороформе. Осальмид легко растворим в этаноле и растворах щелочей, умеренно растворим в эфире. Рис.4 Рис.4 Фенилсалицилат, или салол, впервые получен нашим соотечественником М.В. Ненцким. Фенилсалицилат – кристаллический порошок, очень плохо растворимый в воде. Имеет свободный фенольный гидроксил. Вследствие малой растворимости в воде в водных растворах он не дает реакции окрашивания с FeCl3, однако его спиртовые растворы окрашиваются FeCl3 в фиолетовый цвет. Фенилсалицилат гидролизуется медленно. В медицине его применяют как дезинфицирующее средство при некоторых кишечных заболеваниях. Действие его связано с гидролизом и освобождением при этом салициловой кислоты и фенола. Фенилсалицилат применяют для покрытия пилюль в тех случаях, когда хотят, чтобы лекарственные вещества прошли без изменений через желудок и проявили свое действие в кишечнике: фенилсалицилат, вообще медленно гидролизующийся, лишь в очень малой степени гидролизуется в кислом содержимом желудка и поэтому пилюльные оболочки из него распадаются в достаточной мере лишь в кишечнике.   Из других производных салициловой кислоты большее значение имеет п-аминосалициловая кислота (ПАСК). Она синтезируется методом карбоксилирования, как и салициловая кислота. Исходным соединением в данном случае служит м-аминофенол. ПАСК обладает противотуберкулезным действием и применяется в виде натриевой соли. Другие изомеры этой кислоты такими действиями не обладают, а м-аминосалициловая кислота, напротив, является высокотоксичным веществом. Протовотуберкулезное действие ПАСК объясняется тем, что она является антагонистом п-аминобензойной кислоты, необходимой для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Препараты Сак Фенацетин (Phenacetinum), ФVIII. Белый кристаллический порошок или чешуйчатые кристаллы, без запаха, слегка горькие на вкус, почти не растворимые в воде. Применяется внутрь в порошках или таблетках по 0,25—0,5 г на прием 1—3 раза в день в зависимости от показаний. Часто комбинируется с другими жаропонижающими или успокаивающими средствами, а также с кофеином. Антипирин (Antipyrmum), ФVIII (Б). Белый кристаллический порошок без запаха, слегка горького вкуса, хорошо растворимый в воде. Применяется внутрь в порошках или таблетках по 0,25—0,5 г 1—3 раза в день. Часто применяется в комбинациях с другими средствами. Для остановки кровотечений применяется наружно в 10—20% растворах. Высшие дозы: 1 г (3 г). Пирамидон (Pyramidonum), ФVIII (Б). Белый кристаллический порошок, без запаха, горьковатого вкуса, растворимый в воде. Применяется внутрь в порошках и таблетках по 0,25—0,5 г 1—3 раза в день. Часто комбинируется с другими препаратами. Его комбинация с вероналом (1 моль : 2 моля) носит название веродона. Анальгин (Analginum), ФVIII (Б). Белый кристаллический порошок, без запаха и вкуса, хорошо растворимый в воде. Растворы анальгина неустойчивы при хранении. Применяется внутрь в порошках или таблетках по 0,3—0,5 г и парентерально (подкожно, внутримышечно или внутривенно) по 0,5 г 1—3 раза в день. Высшие дозы: 1 г (3 г). Бутадион (Butadionum) (Б). Белый кристаллический порошок со слабым ароматическим запахом и слегка горьким вкусом, почти не растворимый в воде, растворимый в щелочах. Применяется внутрь в порошках или таблетках по 0,15 г 4 раза в день при проведении основного курса лечения. Поддерживающие дозы составляют 0,1—0,2 г в сутки. Натриевая соль бутадиона может применяться для внутримышечных инъекций, хотя они несколько болезненны. Удобен для инъекций раствор, содержащий натриевую соль бутадиона и пирамидон в равных количествах. Салицилат натрия (Natrium salicylicum), ФVIII. Белый кристаллический порошок или чешуйки без запаха, сладковато-соленого вкуса, хорошо растворимые в воде. Препарат принимают внутрь в порошках, таблетках или в растворах, а также вводят внутривенно в 10—15% растворах. Разовая доза салицилата натрия 0,5—1 г, суточная доза в начальном периоде лечения ревматизма может составлять 8—10 г. В дальнейшем дозу снижают. Общая продолжительность лечения различна Фталевая кислота – бесцветное кристаллическое вещество, мало растворима в воде. При нагревании в присутствии дегидратирующих агентов легко превращается во фталевый ангидрид:

Практическое применение имеют производные фталевой кислоты – ангидрид, имид, сложные эфиры.

Фталевый ангидрид – бесцветное кристаллическое вещество, легко возгоняется.

При взаимодействии со спиртами в присутствии серной кислоты дает сложные моно- и диэфиры:

Диалкиловые эфиры фталевой кислоты (диалкилфталаты) используют как пластификаторы полимеров, высококипящие растворители, репелленты.

С многоатомными спиртами фталевый ангидрид образует полиэфиры. Например, на основе фталевого ангидрида и глицерина получают алкидные (глифталевые) смолы:

С аммиаком и первичными аминами фталевый ангидрид в зависимости от условий дает фталиминовую кислоту, фталимид или диамид фталевой кислоты:

Ацилирование фталевым ангидридом бензола и алкилбензолов приводит к о-ароилбензойным кислотам и далее к антрахинонам:

  При конденсации фталевого ангидрида с фенолами образуются производные трифенилметана, которые называют фталеинамина. Их используют как индикаторы и красители (фенолфталеин, флуоресцеин):

Фталимид – бесцветное кристаллическое вещество, легко возгоняется.

Фталимид является NH-кислотой (рК_а=9,9). Он растворяется в водных растворах щелочей. При этом происходит его постепенный гидролиз с раскрытием цикла и образованием фталиминовой кислоты. В безводных средах под действием оснований образуются соли фталимида, которые используются в органическом синтезе для получения первичных аминов (синтез Габриэля):

Терефталевая кислота – бесцветное кристаллическое вещество, мало растворима в воде и органических растворителях. Крупнотоннажный промышленный продукт. Её диметиловый эфир (диметилтерефталат) используется для получения полиэтилентерефталата, который применяют для изготовления синтетического волокна лавсан:

.