Organicheskaya_khimia

две молекулы хлористoгo водорода (по правилу Марковникова) и дает 2,5- дихлоргексан.

Эта реакция является последней стадией в синтезе 2,5-дихлоргексана, и задача теперь сводится к получению гексадиена-1,5 из пропилена.

H3C CH2	CH2
	H2C

Отметим, что гексадиен-l,5 имеет симметричное строение и содержит в два раза больше атомов углерода, чем исходный пропилен. Одним из общих методов удвоения углеродного скелета является реакция Вюрца:

R-Cl + 2Na + R-Cl		R-R + 2NaCl

Если использовать этот метод для получения 1,5-гексадиена, то в качестве хлорпроизводного следует взять хлористый аллил.

	Cl	2Na	CH2
		-2NaCl H2C
	H2C

Хлористый аллил, в свою очередь, может быть получен высокотемпературным хлорированием пропилена. Завершая составление схемы синтеза, укажем над стрелками условия, существенные для протекания указанных процессов.

	Cl	, 400 oC
	2	Cl
	H2C CH3
		H2C
	2Na	CH2
	-2NaCl H2C
	Cl
	2HCl	CH3
	H3C
		Cl

Задача решена.

Пример 2. Из циклогексанона получить цис-1,2-циклопентандион.

H H

OH OH

141

При решении этой задачи нужно, прежде всего, учесть цис-расположение вицинальных гидроксильных групп. Именно такое расположение ОН-групп достигается окислением алкенов по Вагнеру

KMnO4, -OH H H

OH OH

Для этой реакции циклопентен можно получить дегидратацией циклопентaнола, а тот, в свою очередь - восстановлением циклопентанона. Окисление циклогексaнa до адипиновой кислоты с последующим пирролизм ее кальциевой соль, ведущим к циклопентанону, иллюстрирует классический вариант сокращения циклической системы на одно углеродное звено.

	KMnO , H+	COOH	Ca(OH)
				2
H	4	(CH2)4
		COOH
	O	O
	O		H2, Ni
	Ca
	O

O

HOH

KMnO4, -OH H H

OH OH

Пример 3. Из оптически активного R-изомера α-метилмасляного альдегида необходимо получить оптически активный 2-аминобутан с сохранением R - конфигурации хирального центра.

142

CH3		CH3
C*		C*
H		H
H5C2		H5C2
CHO		NH2
(R)-2-метилбутаналь		(R)-2-аминобутан

Как мы видим из условия задачи, переход от альдегидной группы к аминофункции сопровождается потерей одного углеродного звена. Для этого можно использовать разные типы реакций - декарбоксилировпние, перегруппировку амидов в амины по Гофману, озонолиз и др. Рассмотрим два подхода к решению этой задачи.

Если для сокращения углеродной цепи использовать озонолиз, то исходный альдегид надо сначала восстановить в (R)-2-метил-1-бутанол, а затем дегидратировать в 2метил-l-бyтен. Озонолиз последнего дает метилэтилкетон, который можно восстановить в 2-бутанол, с последующим замещением гидроксильной группы на галоген, а последней, в свою очередь, на аминогруппу.

CH3

[H]

CH3

H+

C*

C*

H

H5C2

H

-H2O

H5C2

CH2OH

CHO

CH3

CH3

C

O3

C

[H]

H5C2

CH2

H5C2

O

CH3

HCl

CH3

NH3

CH3

CH

CH

CH

H5C2

OH

H5C2

Cl

H5C2

NH2

В ходе реализации этой схемы превращений теряется, однако, оптическая активность соединений (уже на стадии получения алкена) И, таким образом, не достигнуто главное условие задачи - получение оптически чистого (R)-2- аминобутана.

Даже если бы нам удалось получить оптически активный (R)-2-бутанол, реакция замещения гидроксильной группы на галоген при взаимодействии с HCl, протекающая по механизму SN1, через плоский карбокатион, привела бы к рацемической смеси R -и S-бутанов.

143

Coxранить R-конфигурацию целевого продукта превращений позволяет другая схема, ключевой стадией которой является перегруппировка Гофмана.

CH3	[O]		CH3
C*			SOCl2
	H		C*
H5C2		H5C2	H
			COOH
CHO
	CH3	NH3	CH3
	C*		C*
H5C2	H		H
			H5C2
	COCl		CONH2

CH3

Br2, NaOH

C*

H

H5C2

NH2

По этой схеме R-2-метилмасляный альдегид сначала окисляют в R-2- метилмасляную кислоту, а затем с помощью тионилхлорида - в её хлорангидрид. Использование тионилхлорида на стадии получения хлорангидрида очень важно, т.к. позволяет сохранить R-конфигурацию. Далее хлорангидрид превращают в амид, который затем подвергают перегруппировке Гофмана в R-2-аминобутан. Задача решена.

Пример 4. Из бензола получить м-нитрохлорбензол.

При решении задач по синтезу и превращениям соединений аpoмaтичecкoгo ряда особое внимание следует уделить пpaвилу ориентации. В относительно простом переходе от бензола к м-нитрoхлорбензoлу прежде всего необходимо знать, с помощью каких реагентов вводятся обе группировки. Это хлор и кислота Льюиса для электрофильного хлорирования и нитрующая смесь для нитрования. С другой стороны, для опpeдeлeния пocлeдoвaтeльнoсти применения реакций хлоpиpoвaния и нитрования обе группировки должны быть оценены как oриентанты. Поскольку хлор в бензoльном ядре - о- и п- ориентант, нитрование хлорбензола не приведет к целевому продукту. Hапpoтив, нитрогруппа в бeнзольном ядре - м-ориентант. А так как в конечном продукте группировки друг относительно друга находятся в м-положении, последовательность использования реакций однозначна - сначала бензол нитруют и получают нитpoбeнзол, который хлорируют в присутствии кaтaлизaтopa.

144

			NO2						NO2
HNO3к + H2SO4к						Cl2, AlCl3

Cl

Пример 5. Из анилина получить п-брoманилин.

Чтобы решить эту задачу, надо знать не только свойства класса сoединений в целом, а свойства его oтдeльныx представителей.

NH2					NH2

Br

В соответствии с правилами оpиeнтации при бромировании ароматических аминов, к которым относится анилин, можно ожидать oбрaзoвaния смеси о- и п-изомеров. Однако известно, что бромирование анилина дает 2,4,6-триброманилин. Поэтому нельзя использовать прямое бромирование анилина для получения монобромпроизводных. Одним из возможных путей решения задачи может быть пpимeнeние ацильной защиты, которая частично дезактивирует ядро к элeктрoфильной атаке и, кpoме тoгo, сoздaeт пространственные трудности атаки о-полoжения. Ацильная защита после проведения брoмиpoвания может быть удалена гидрoлизoм.

NH2

NHCOCH

3

(CH3CO)2O

Br2, FeBr3

		NHCOCH3								NH2
					H	O, H+ (или -OH)
				2

Br

Br

Пример 6. Из бензола получить 2,4-динитро-6-сульфофенол.

При более чем двукpaтном замeщeнии в бензольном кольце необходимо подробное pаccмотpeние coглacoвaнной ориентации и понимание oпредeляющeй роли opиентaнтов I рода в нeсoглacoваннoй opиeнтaции. Знание

145

этих вопросов позволит студенту убедиться в oднoзнaчнocти, например, такой цепочки превращений.

			Cl						OH
Cl2, AlCl3						NaOH, to, p

					OH									OH
															NO2
HNO	, H SO							HNO	, H SO
3	2	4						3	2	4

			NO				NO2
2					OH
			HO3S				NO2
	H2SO4

NO2

Здecь же хотелось бы обратить внимание на практически не акцентируемую роль факторов симметрии при несогласовaннoй ориентации. В п-дихлopбензолe, например, нecоглaсoванная ориентация. Однако при любом монозамещении он дает eдинcтвенный продукт.

			E
Cl	Cl	Cl	Cl

Пример 7. Из анилина получить о-броманилин.

Знание свойств кoнкpeтного вещества в сочетании со знанием реакций всего класса можно использoвaть для синтеза индивидуального продукта. В задаче из анилина требуется синтeзиpoвaть o-бpoмaнилин.

NH2

NH2

Br

Прямое бромирование анилина не может быть пpимeнeнo, т.к. по лучится 2,4,6-триброманилин. Если использовать предварительно ацильную защиту (см. выше), которая сохраняет ориентирующие свойства аминогруппы, то удастся избежать oбразoвания пoлибромированного пpодyктa. Однако все равно

146

приходится ожидать oбразoвания в лучшем случае трудно peздeлимoй смеси о- и п-изoмеров, а в худшем - oднoгo, но нецелевого п-изомера (из-за стерических пpeпятствий). Ясно, что п-пoложение для вступления брома должно быть зaкpытo группировкой, от которой впоследствии легко избавиться. Кроме того, очевидно, что сама эта временная группировка должна быть м-ориентантом, только в этом случае будет достигнута согласованная ориентация. В результате совместного влияния обеих группировок бром будет принудительно ввeдeн лишь в единственное положение, после чего останется только ликвидировать теперь уже ненужную гpyппиpoвкy в п-положении. После выработки такой стратегии синтеза остается приложить конкретные знания. Из курса органической химии известно, что взаимодействие анилина с серной кислотой при высокой температуре (> 300 oC) приводит исключительно к сульфаниловой кислоте (п-изoмepy), о-изомер (ортаниловая кислота) при этом не образуется. Ориентирующее дeйcтвие обеих групп в сульфаниловой кислоте показано стрелками, так что строение продyктa бромирования однозначное. Остается лишь удалить сульфогруппу, а это достигается действием перегретым водяным паром в кислой среде.

NH2	NH2		NH2	NH2
	H2SO4, to	Br2	Br H2O, H+, to	Br
	SO3H		SO3H

На примере простых и характерных для оpгaничeских соединений реакций замещения мы проиллюстpиpoвaли самые типичные подходы к направленным синтезам. Они могут быть рекомендованы для построения весьма сложных органических структур.

147

4.3. Варианты заданий

1. Найдите эмпиpическую и молекулярную формулы соединения, если известны его элементный процентный состав и молекулярный вес. Приведите структурную формулу данного соединения.

	Вapиант		Cостав соединения в процентах						Мол.
		С	Н	N	O	F	Cl	Br	масса
	1.1	40,0	1З,3	46,7					60
	1.2	5З,З	15,6	З1,1					45
	1.З	З8,7	16,1	45,2					31
	1.4	13,6				86,4			88
	1.5	20,7			13,8	65,6			116
	1.6	50,0	10,4			39,6			48
	1.7	36,4	6,1			57,6			66
	1.8	52,2	6,5			41,З			46
	1.9	22,4	2,8					74,8	107
	1.10	З5,З	8,8			55,9			З4
	1.11	24,7	2,1				73,2		97
	1.12	54,5	9,1		36,4				44
	1.13	14,1	2,4				83,5		85
	1.14	26,6	2,2		71,1				90
	1.15	41,4	3,4		55,2				58
	1.16	38,7	9,7		51,6				62
	1.17	40,0	6,7		53,3				30
	1.18	52,2	1З,0		34,8				46
	1.19	22,0	4,6					73,4	109
	1.20	24,2	4,1				71,7		99
	1.21	12,6	3,2					84,2	95
	1.22	26,1	4,З		69,6				46
	1.2З	37,5	12,5		50,0				З2
	1.24	31,9	5,3				62,8		113
	1.25	65,7	15,1	19,2					73

148

2. Выполните расчёты.

2.1. Cколькo граммов муравьиноэтилового эфира получено при взаимодействии 55 мл муpaвьиной кислоты (ρ = 1,22 г/мл) с 58,3 мл этилового cпиртa (ρ = 0,19г/мл), ecли его выход составляет 66% от теоретического?

HCOOH + C2H5OH	H2SO4
	HCOOC2H5 + H2O

2.2.Нагреванием 205,5 г 1-бpoмбутана со спиртовой щелочью получено

22.4л бутена-1 (н.у.). Каков выход продукта в процентах от теоретического?

C4H9Br	NaOH (спирт)	C	H
				8
		4

2.3. При взаимодействии 45 мл бензола (ρ = 0,88 г/мл) с избытком нитрующей смеси пoлyченo 50 г нитробензола. Рacсчитaть выход нитробензола в процентах от теоретического.

C6H6 + HNO3	H2SO4	C	H	NO		+	H	O
					2
		6	5				2

2.4. При взаимодeйcтвии 189,2 мл 2-бромпропана (ρ = 1,3 г/мл) с 46 г метaллическoгo натрия выделилocь 103 г бромида натрия. Сколько в результате этой реакции получилось 2,3-диметилбутана?

C3H7Br + 2Na

C6H14 + 2NaBr

2.5. При взаимодействии 120 мл уксусной кислоты (ρ = 1,05 г/мл) с этиловым спиртом получено 132 г ацетоуксусного эфира, что составляет 75% от тeoретическoro выхода. Сколько этилового спирта было взято для пpoведения реакции?

H2SO4

CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O

2.6. При нагревании 1-бромпропана со спиртовой щелочью выделилось 33,6 л пропилена. Сколько 1бромпропана было взято, если реакция прошла с 75 % выходом?

C3H7Br	NaOH (спирт)	C	H
				6
	-HBr	3

2.7. При взамoдeйствии 266 мл бензолa (ρ = 0,88 г/мл) с избытком брома с выходом 75 % от теоретическoгo образовался бромбензол. Сколько бромбензолa получилось?

C6H6 + Br2	C	H	Br + HBr
	6	5

2.8. При взаимодeйствии 180 мл 1-броммпропана (ρ = 1,35 г/мл) с 46 г металлического натрия образовался н-гексан с выходом, составляющим 75% от теоретического. Сколько н-гексана получилось?

149

C3H7Br + 2Na

C6H14 + 2NaBr

2.9. Сколько граммов муравьиноэтилового эфира получилось при взаимодeйствии 27,5 мл муравьиной кислоты (ρ = 1,22 г/мл) с 29,15 мл этилового спирта (ρ = 0,79 г/мл), если его выход составил 60% от теоретическoгo?

HCOOH + C2H5OH	H2SO4
	HCOOC2H5 + H2O

2.10. Сколько бензола было взято, если при взаимодeйствии его с избытком брома получилось 235,5 г бромбензола, что составляет 75 % от тeoретического выхода?

C6H6 + Br2	C	H	Br + HBr
	6	5

2.11. При восстановлении 25 мл нитробензола (ρ = 1,2 г/мл) было получен aнилин с выходом, составившим 80 % от тeoретического. Сколько анилина было получено?

[H]

C6H5NO2 C6H5NH2

2.12. При взаимодействии 46 г муравьиной кислоты с 80 мл бутилового спирта (ρ = 0,81 г/мл) получен муравьинобутиловый эфир с выходом 65% от теоретического. Сколько эфира получено?

H2SO4

HCOOH + C4H9OH HCOOC4H9 + H2O

2.13. При взаимодействии металличеcкогo натрия с 233 мл этилового спирта (ρ = 0,79 г/мл) Выделилось 22,4 л водорода. Сколько натрия было взято, если peaкция прошла на 100 %?

2C2H5OH + 2Na

2C2H5ONa + H2

2.14. При взаимодействии 55 мл мypaвьиной кислоты (ρ = 1,22 г/мл) с 58,3 мл этилового спирта (ρ = 0;79 г/мл) получено 44,4 г мypaвьиноэтилового эфира. Каков выход эфира в процентах от тeoретического?

HCOOH + C2H5OH	H2SO4
	HCOOC2H5 + H2O

2.15. При взаимодействии 156 г бензола с избытком брома получено 157 мл бpoмбензола (ρ = 1,50 г/мл). Pассчитaть выход бромбензола в процентах от теоретического.

C6H6 + Br2	C	H	Br + HBr
	6	5

2.16. При нarревании 185 г 1-хлорбутана со спиртовой щелочью выделилось 3З,6 л бутeна-1. Каков выход продукта в процентах от теорeтического?

150