«В. А. РЕЗНИКОВ ХИМИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Учебное пособие для студентов специальности “Химия” и “Биология” Новосибирск 2006 ББК Г23я73-1 УДК 547 Р344 Резников В. А. Химия азотсодержащих органических ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет естественных наук

В. А. РЕЗНИКОВ

ХИМИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ

СОЕДИНЕНИЙ

Учебное пособие для студентов специальности “Химия” и “Биология”

Новосибирск

2006 ББК Г23я73-1 УДК 547 Р344 Резников В. А. Химия азотсодержащих органических соединений: Учеб. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2006. 130 с.

Учебное пособие содержит материал по химии основных классов азотсодержащих органических соединений, изучаемых в курсах “Органическая химия”, читаемых студентам 2-го курса специальностей “Химия” и “Биология”, за исключением химии гетероциклических соединений и аминокислот. Последние две темы освещены в отдельных пособиях. Изложение материала как по последовательности, так и по объему несколько отличается от программ по упомянутым курсам, в связи с чем пособие предназначено в качестве дополнительного и рекомендуется студентам, изучающим органическую химию. Пособие может оказаться также полезным при подготовке к вступительному экзамену в аспирантуру и сдаче кандидатского минимума по специальности “Органическая химия”.

Рецензент д-р. хим. наук. А. Я. Тихонов © Новосибирский государственный университет, © В. А. Резников,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Амины 1. Алифатические амины 1.1. Методы синтеза 1.1.1. Реакции алкилирования 1.1.1.1. Реакции восстановления 1.1.1.2. Восстановительное аминирование 1.1.1.3. Перегруппировки 1.1.1.4. Свойства аминов 1.1.2. Кислотно-основные свойства 1.1.2.1. Взаимодействие с электрофильными 1.1.2.2. реагентами Ацилирование 1.1.2.2.1. Нитрозирование 1.1.2.2.2. Окисление 1.1.2.2.3. Некоторые практически важные алифатические амины Ароматические амины 1.2. Методы синтеза 1.2.1. Свойства ароматических аминов 1.2.2. Основные свойства 1.2.2.1. Реакции с электрофильными реагентами 1.2.2.2. Соли арилдиазония 1.2.2.3. Получение солей диазония 1.2.2.3.1. Реакции солей диазония с выделением азота Реакция азосочетания 1.2.2.3.3. Реакции окисления ароматических 1.2.2.3.4. аминов Енамины 1.3. Нитросоединения 2. Алифатические нитросоединения Свойства алифатических нитросоединений Ароматические нитросоединения Свойства ароматических нитросоединений Некоторые свойства продуктов восстановления ароматических нитросоединений Перегруппировки азотсодержащих ароматических соединений Краткий экскурс в химию иных азотсодержащих органических соединений Производные гидразина, гидроксиламина 1. АМИНЫ 1.1. Алифатические амины Амины – соединения, являющиеся производными аммиака, отличающиеся от него тем, что один, два или все три атома водорода заменяются алкильными или арильными заместителями, что соответствует первичным, вторичным или третичным аминам. Простейшие амины – газы, хорошо растворимые в воде и обладающие специфическим запахом, похожим на запах рыбы.

Особенностью номенклатуры аминов являются термины «первичный», «вторичный» и «третичный», которые, в отличие от номенклатуры спиртов, указывают не на замещенность атома углерода, связанного с аминогруппой, а на количество заместителей (алкильных или арильных), связанных с атомом азота. Например, трет-бутиламин, в молекуле которого аминогруппа связана с третичным атомом углерода, относится к первичным аминам, а триметиламин – к третичным аминам.

трет-бутанол первичный амин Согласно системе IUPAC, название аминов составляется точно так же, как и для других классов соединений с указанием места присоединения аминогруппы, например, 2-аминобутан или 3-метиламинопентан и т. п.

1.1.1. Методы синтеза 1.1.1.1. Реакции алкилирования Наиболее простым, но далеко не всегда оптимальным методом синтеза алифатических аминов является взаимодействие аммиака с алкилгалогенидами. Это превращение является примером реакции RNH3 X + NH RX + R3N R4N Xстадии реакции образуется взаимодействии с еще одним эквивалентом аммиака превращается в первичный амин (уравнение 2). Проблема заключается в том, что продукт этой реакции – первичный амин – также является нуклеофилом, причем в том случае, когда R – алкильная группа (донор электронов), амин является даже более сильным нуклеофилом, чем аммиак. Вследствие этого возможно протекание конкурирующей реакции (3) – взаимодействие первичного амина с исходным алкилгалогенидом, приводящее в итоге к образованию вторичного амина.

На схеме В – это основание, функцию которого может выполнять как аммиак, так и продукты этой реакции – амины. Вторичный амин, как правило, еще более сильный нуклеофил, и, следовательно, он также может вступать в реакцию с алкилгалогенидом с образованием третичного амина (уравнения 5,6). Но и третичный амин является нуклеофилом и его взаимодействие с исходным алкилгалогенидом завершается образованием четвертичной аммонийной соли, которая нуклеофилом уже не является по причине отсутствия неподеленной пары электронов на атоме азота. Таким образом, в результате такой на первый взгляд простой реакции, как правило, образуется смесь различных аминов, их солей и четвертичной аммонийной соли, что делает ее применимость, по крайней мере, в лабораторной практике, весьма ограниченной. Однако этот метод может использоваться в промышленных масштабах при производстве простейших алифатических аминов.

Учитывая, что аммиак и амины являются основаниями, какие еще побочные продукты могут образовываться в этой реакции?

В лабораторной практике для селективного получения первичных аминов существуют другие методы, одним из которых является синтез Габриэля, заключающийся во взаимодействии алкилгалогенидов с другим азотсодержащим нуклеофилом – фталимидом калия. Реакция происходит, как правило, по бимолекулярному механизму с образованием так называемого фталимидного производного.

фталимид калия Образующееся фталимидное производное – очень слабый нуклеофил и потому является единственным органическим продуктом этой реакции.

Объясните, почему N-алкилированный фталимид практически не является нуклеофилом.

Вторая стадия синтеза – щелочной гидролиз фталимидного производного, протекает в достаточно жестких условиях (температура до 200 °С) и приводит к образованию первичного амина, который легко можно отделить от второго продукта реакции – соли фталевой кислоты.

Предложите метод разделения смеси вторичного амина и фталевой кислоты.

Расщепление фталимидного производного можно провести и в более мягких условиях действием гидразина.

Объясните, почему в данном случае реакция происходит в более мягких условиях, и укажите структуру второго органического продукта реакции.

Для синтеза первичных аминов может быть использована реакция Риттера – алкилирование синильной кислоты карбокатионом, образующимся при протонировании алкена.

В сильнокислой среде синильная кислота находится в недиссоциированной форме и в качестве нуклеофила в составе ее молекулы может выступать только атом азота. Образующийся при этом катион подвергается гидролизу в амин через стадию образования N-замещенного формамида – амида муравьиной кислоты.

При взаимодействии аммиака с окисью этилена образуется смесь моно-, ди- и триэтаноламинов, т. е. окись этилена выступает в качестве алкилирующего реагента.

Соотношение продуктов зависит от соотношения реагентов.

Окись этилена и другие эпоксиды могут быть использованы в качестве алкилирующих реагентов аминов.

Укажите пространственное строение продукта реакции эпоксида, полученного из циклогексена, с метиламином.

1.1.1.2. Реакции восстановления Первичные амины могут быть селективно получены восстановлением нитрилов при действии либо избытка алюмогидрида лития, либо диборана. Последний метод представляет интерес тем, что нитрогруппы и сложноэфирные группы, находящиеся в составе молекулы, не затрагиваются в процессе реакции.

Нитрилы превращаются в первичные амины и в условиях каталитического гидрирования, однако в этом случае в качестве побочных продуктов образуются вторичные и третичные амины. На первой стадии происходит присоединение одной молекулы водорода по тройной связи цианогруппы с образованием имина. Последующее присоединение второй молекулы водорода приводит к первичному амину. Вторичный амин образуется в результате нуклеофильного присоединения первичного амина по С = N связи имина, отщепления молекулы аммиака и последующего гидрирования.

Предложите последовательность превращений, приводящих к образованию третичного амина при гидрировании нитрила.

Образования вторичных и третичных аминов при гидрировании нитрилов можно избежать, проводя реакцию в уксусном ангидриде в качестве растворителя. При этом образующийся первичный амин быстро реагирует с уксусным ангидридом с образованием амида уксусной кислоты – ацетамида, который является очень слабым нуклеофилом и не участвует в дальнейших превращениях. Целевой амин получают гидролизом этого ацетамидного производного при обработке реакционной смеси водным раствором щелочи.

Еще один подход, позволяющий поэтапно переходить от аммиака к первичным, вторичным или третичным аминам, базируется на восстановлении амидов, которое можно осуществить действием алюмогидрида лития или дибораном.

Следует упомянуть также, что первичные амины могут быть получены восстановлением нитросоединений, что является одним из основных методов синтеза ароматических аминов, но достаточно редко используется для получения алифатических аминов, поскольку алифатические нитросоединения являются, как правило, менее доступными соединениями по сравнению с соответствующими аминами. Общим методом превращения алифатических нитросоединений в амины является каталитическое гидрирование; для первичных и вторичных нитросоединений в качестве восстановителя может быть использован алюмогидрид лития.

Первичные амины образуются при восстановлении легкодоступных органических азидов (как алифатических, так и ароматических) алюмогидридом лития.

Как можно синтезировать алифатические азиды из алкилгалогенидов?

Интересные синтетические возможности предоставляют продукты взаимодействия органических азидов с трифенилфосфином – фосфазены. Гидролиз этих соединений приводит к первичным аминам. При алкилировании фосфазенов и последующем гидролизе селективно образуются вторичные амины. Реакция фосфазенов с сероуглеродом приводит к изотиоцианатам.

1.1.1.3. Восстановительное аминирование Ряд методов синтеза аминов базируется на реакциях восстановительного аминирования карбонильных соединений. Следует отметить, что эти реакции используются как в промышленности, так и в лабораторной практике.

Одним из вариантов проведения восстановительного аминирования является каталитическое гидрирование карбонильных соединений (альдегидов и кетонов) в присутствии аммиака. В качестве катализатора используют никель Ренея или медно-хромовый оксидный катализатор. На первой стадии в результате взаимодействия карбонильного соединения с аммиаком образуется имин, который гидрируется легче, чем исходное соединение с образованием первичного амина. В том случае, когда аммиак берется в недостатке, происходит взаимодействие амина с промежуточно образующимся имином с образованием аминаля, который в условиях реакции отщепляет молекулу аммиака, давая другой имин, последующее гидрирование которого завершается образованием вторичного амина.

Таким образом, варьируя соотношение реагентов, реакцию можно направлять либо в сторону образования первичного амина, либо, преимущественно, вторичного амина.

Химическим (не каталитическим) вариантом восстановительного аминирования является реакция Лейкарта, заключающаяся во взаимодействии карбонильного соединения с аммиаком и муравьиной кислотой, которая выступает в качестве восстановителя. Можно полагать, что и в этом случае на первой стадии образуется имин.

Следует отметить, что в реакцию восстановительного аминирования можно вводить не только аммиак, но и первичные амины.

При этом удается с высоким выходом получать вторичные амины.

Интересной модификацией реакции Лейкарта является реакция Эшвайлера–Кларка, позволяющая превращать вторичные амины в третичные метилзамещенные аналоги. В реакцию вводят вторичный амин, формальдегид (в качестве карбонильного соединения) и муравьиную кислоту (восстановитель).

Еще один восстановитель, используемый в лабораторной практике для проведения реакции восстановительного аминирования – бороциангидрид натрия. Этот реагент в кислой среде легко восстанавливает связь С = N и более медленно – связь С = О. Отличительной и уникальной особенностью этого реагента является его относительная устойчивость в кислой среде (до рН 3), что имеет большое значение именно применительно к реакции восстановительного аминирования. Дело в том, что образование имина при взаимодействии карбонильного соединения с аммиаком или амином катализируется кислотами, поэтому эта стадия реакция легче и быстрее происходит в кислой среде (рН ~ 4) и из всех комплексных гидридов только бороциангидрид натрия способен выступать в качестве восстановителя в этих условиях.

Объясните, почему в кислой среде иминогруппа восстанавливается комплексными гидридами легче, чем карбонильная группа.

Реакцию восстановительного аминирования можно проводить и не в одну стадию, разделяя стадии получения имина, его выделения и последующего восстановления, что на практике используется для получения вторичных и третичных аминов. Первичные амины таким образом получать затруднительно, поскольку имины, содержащие атом водорода у атома азота, как правило, гидролитически очень лабильны.

Образующийся в результате взаимодействия карбонильного соединения с первичным амином имин может быть восстановлен после выделения борогидридом натрия, алюмогидридом лития или водородом на катализаторе во вторичный амин. Кроме того, поскольку на атоме азота иминогруппы имеется неподеленная пара электронов, он может выступать в качестве нуклеофила, вследствие чего он способен взаимодействовать с алкилгалогенидами с образованием иминиевых солей. Необходимо отметить, что последующее алкилирование невозможно. Гидролиз этих иминиевых солей приводит к вторичным аминам и карбонильным соединениям, т. е. таким образом можно селективно осуществить переход от первичного амина к вторичному. Следует отметить, что иминиевые соли могут быть также получены взаимодействием карбонильных соединений с вторичными аминами, а их последующее восстановление одним из указанных выше восстановителей селективно приводит к третичным аминам. Таким образом, приведенная выше совокупность реакций позволяет осуществлять переход от первичных аминов к вторичным или третичным.

1.1.1.4. Перегруппировки Последняя группа методов, которая может быть использована для получения первичных аминов, объединяет секстетные перегруппировки – Гофмана и Курциуса.

Перегруппировка Гофмана происходит при действии на амиды гипогалогенитами – гипохлоритом или гипобромитом. Реакция происходит в щелочной среде и на первой стадии происходит электрофильная атака галогена по депротонированному атому азота амидной группы, в результате чего образуется N-галогенамид 1.

Далее под действием основания происходит депротонирование 1, приводящее к аниону 2. Ранее полагали, что затем происходит отщепление галогенид-аниона с образованием нитрена 3, который подвергается перегруппировке с миграцией заместителя R с парой электронов, образующих связь С-R к электронодефицитному секстетному атому азота, приводящей к образованию изоцианата 4.

В настоящее время полагают, что миграция заместителя R и отщепление галогенид-аниона происходит синхронно, что позволяет избежать образования такой малоустойчивой и, следовательно, энергетически невыгодной частицы, как нитрен.

Поскольку реакция проводится в водной среде, далее происходит присоединение воды по связи С = N молекулы изоцианата с образованием карбаминовой кислоты, которая неустойчива и декарбоксилируется в условиях реакции с образованием первичного амина, в молекуле которого содержится на один атом углерода меньше, чем в молекуле исходного амида.

С промежуточным образованием нитрена 3 или, во всяком случае, частицы типа 2, способной выступать в качестве аналога нитрена, происходит перегруппировка Курциуса. В эту перегруппировку вступают ацилазиды – соединения, образующиеся при взаимодействии хлорангидридов карбоновых кислот с неорганическими азидами. Перегруппировка происходит при нагревании раствора ацилазида в среде органического растворителя, например бензола.

В связи с тем что реакция проводится в неводной среде, образующийся изоцианат 4 может быть выделен в свободном виде или, при необходимости, гидролизован в амин, хотя изоцианаты сами по себе – весьма ценные реагенты, часто используемые в синтезе (разд. 3.3).

1.1.2. Свойства аминов 1.1.2.1. Кислотно-основные свойства Амины являются основаниями, образующими при взаимодействии с протонными кислотами аммонийные соли. Основность аминов можно охарактеризовать величиной константы диссоциации сопряженной кислоты – аммонийной соли Ка или ее отрицательным логарифмом рКа, при этом, чем больше значение рКа, тем выше основность. Ниже приведены значения рКа для аммиака и некоторых наиболее распространенных аминов.

1,8-бис(Диметиламино)нафталин 12. Рассмотрим, как меняется основность аминов в зависимости от характера и числа заместителей у атома азота. Сравним основность аммиака, метиламина, диметиламина и триметиламина. Поскольку метильная группа является донором электронов по индуктивному эффекту, с одной стороны, ее влияние сводится к тому, что неподеленная пара электронов азота становится более «диффузной», т. е.

располагается дальше от ядра атома азота и, следовательно, более доступна для атаки электрофилом, в том числе и протоном. С другой стороны, индуктивный эффект алкильного заместителя стабилизирует протонированную форму амина, уменьшая эффективный заряд на атоме азота. Отсюда можно сделать вывод о том, что с ростом числа алкильных заместителей у атома азота основность амина должна возрастать, что и наблюдается в действительности для газовой фазы и с некоторыми оговорками для растворов. Дело в том, что увеличения количества заместителей у атома азота приводит к заметному изменению (снижению) эффективности сольватации протонированной формы амина. В связи с этим третичные амины в растворе являются несколько более слабыми основаниями, чем вторичные.

Акцепторные заместители, связанные с атомом азота, напротив, снижают основность амина. Наиболее ярко это явление проявляется в том случае, когда заместитель является акцептором и по мезомерному эффекту. Так, амиды, которые можно рассматривать как ацильные производные аминов, вообще не обладают скольконибудь выраженной основностью. Причиной этого является сопряжение неподеленной пары электронов атома азота с -системой карбонильной группы, что можно представить следующими резонансными структурами:

По той же причине ароматические амины являются более слабыми основаниями, чем алифатические. Следует отметить, что заряд в катионе анилиния, образующемся в результате протонирования анилина локализован исключительно на атоме азота и, следовательно, в этом катионе отсутствует резонансная стабилизация.

N,N-Диметиланилин является несколько более сильным основанием, чем анилин. Объясните причину этого явления.

1,8-Бис(диметиламино)нафталин является очень сильным органическим основанием (см. таблицу на стр. 16). Подобные соединения называют «протонными губками». Объясните причину повышенной основности этого соединения.

Предскажите характер влияния заместителей в ароматической кольце молекулы анилина на его основность. Рассмотрите донорные и акцепторные заместители в различных положениях.

Чем, кроме электронных эффектов, можно объяснить влияние объемных заместителей, расположенных в орто-положениях аминогруппы?

Амины, имеющие, по крайней мере, один протон у атома азота, обладают слабыми кислотными свойствами. Как вы помните, кислотность водородных соединений элементов внутри одного периода увеличивается слева направо, следовательно, связь N–H диссоциирует на протон и анион легче, чем связь С–Н, но труднее, чем связь О–Н, т. е. амины являются более слабыми кислотами, чем спирты, но более сильными, чем углеводороды. Аммиак, например, способен реагировать в некоторых условиях с металлическим натрием с образованием соли – амида натрия. Амид-анион является очень сильным основанием и количественно гидролизуется (протонируется) водой и спиртами.

Для адекватной оценки кислотности различных соединений необходимо сравнивать устойчивости соответствующих анионов. При этом заместители, стабилизирующие отрицательный заряд, повышают устойчивость и соответственно кислотность рассматриваемой молекулы, доноры проявляют обратный эффект.

Таким образом, метиламин (метильная группа – донор электронов по индуктивному эффекту) является более слабой кислотой, чем аммиак, а диметиламин – более слабой кислотой, чем метиламин. Соответственно основность анионов изменяется в обратном порядке: (СН3)2N- > (CH3)HN- > NH2-. Одним из самых сильных органических оснований, часто используемых в органическом синтезе, является диизопропиламид лития (LDA), который получают взаимодействием диизопропиламина с литийорганическими соединениями, например с фениллитием.

Изопропильные группы, с одной стороны, повышают основность аниона, будучи донорными заместителями, а с другой стороны, обеспечивают значительное пространственное экранирование анионного центра. Вследствие этого LDA является сильным основанием, но весьма слабым нуклеофилом, обеспечивающим возможность количественного превращения СН-кислот (например, карбонильных соединений, содержащих атомы водорода у -углеродного атома) в анионы. При этом нуклеофильное присоединение этого основания по кратным связям не происходит.

NH-Кислотность аминогруппы всегда следует учитывать при планировании металлоорганического синтеза, поскольку невозможно синтезировать металлорганическое соединение взаимодействием галогенпроизводного, в молекуле которого присутствует связь N–H, с металлом – магнием или литием. Реакцию присоединения металлорганического соединения, например к карбонильному соединению, содержащему в составе молекулы связь N–H, осуществить можно, но следует помнить, что в первую очередь в этом случае будет происходить депротонирование аминогруппы, что потребует для завершения реакции присоединения использования соответствующего избытка металлорганического соединения.

Акцепторные группы, присоединенные к атому азота, напротив, повышают NH-кислотность, поскольку способны стабилизировать образующийся при депротонировании анионный центр. Так, амиды, как отмечено выше, практически не обладают основными свойствами, но являются достаточно сильными NH-кислотами, что связано с резонансной стабилизацией соответствующего аниона (делокализацией отрицательного заряда).

R NH R NH O

Две карбонильные группы в молекуле фталимида в еще большей степени стабилизируют отрицательный заряд, вследствие чего это соединение является более сильной кислотой, чем вода, и получение фталимида калия, используемого в синтезе аминов по Габриэлю, можно проводить взаимодействием фталимида с едким кали в водном растворе.

1.1.2.2. Взаимодействие с электрофильными реагентами Первичные и вторичные амины реагируют с хлорангидридами карбоновых кислот с образованием амидов. Для полного расходования ангидрида (если он менее доступен) необходимо применять двукратный избыток амина, так как один эквивалент последнего превращается в гидрохлорид, не являющийся нуклеофилом. Ацилирование хлорангидридами ароматических карбоновых кислот, например хлористым бензоилом, часто проводят в водном растворе в присутствии щелочи (ацилирование по Шоттен–Бауману). Если амин является менее доступным, чем хлорангидрид, реакцию ацилирования проводят в присутствии органического основания, например третичного амина или пиридина, который связывает выделяющийся хлороводород в виде соли. Кроме того, третичный амин выполняет в этой реакции и функцию катализатора. Дело в том, что, будучи нуклеофилом, третичный амин также способен реагировать с хлорангидридом карбоновой кислоты, но эта реакция является обратимой, поскольку в образующейся при этом молекуле 1 находится еще более хорошая уходящая группа, чем хлор – аммонийная группа. Таким образом, 1 является более эффективным ацилирующим агентом, чем исходный хлорангидрид.

Амиды также легко образуются при взаимодействии первичных и вторичных аминов с ангидридами карбоновых кислот и несколько более медленно, но также в достаточно мягких условиях, при взаимодействии со сложными эфирами.

Сколько молей амида может быть получено в мягких условиях из одного моля уксусного ангидрида? Сколько молей амина следует использовать для полного расходования одного моля ангидрида?

Реакция с другим хлорангидридом – пара-толуолсульфохлоридом – служит методом разделения смесей первичных, вторичных и третичных аминов. Этот метод имеет определенную препаративную значимость, так как в синтезе аминов довольно часто образуются именно такие смеси.

p-TsCl + R3N Первичный и вторичный амины при взаимодействии с паратолуолсульфохлоридом образуют сульфамиды, третичные амины амидов не образуют и, следовательно, могут быть отделены.

Как можно выделить амин из смеси органических соединений?

Сульфамид, образующийся из первичного амина, содержит у атома азота протон, и, поскольку сульфогруппа является еще более сильным акцептором, чем карбонильная группа, сульфамид является достаточно сильной NH-кислотой, чтобы растворяться в водных растворах щелочей. Таким образом удается разделить смесь сульфамидов, из которых исходные амины выделяют щелочным гидролизом.

Реакция ацилирования первичных аминов фосгеном – хлорангидридом угольной кислоты происходит несколько иначе. На первой стадии образуется продукт ацилирования – карбамоилхлорид – хлорангидрид карбаминовой кислоты, который при нагревании отщепляет молекулу хлороводорода с образованием изоцианата.

R N C S RNH2 R N C O

При взаимодействии сероуглерода с первичными и вторичными аминами образуются дитиокарбаматы, окисление которых хлором (в случае N,N-дизамещенных производных) приводит к тетраалкилтиурамдисульфидам. Тетраметилтиурамдисульфид (ТМТД, тиурам Д) используется при вулканизации резины, он очень токсичен для насекомых, в особенности для тараканов, но и для теплокровных это довольно сильный яд (канцероген).

В 1946 г. в Англии было замечено, что в цехе по вулканизации резины рабочие плохо переносили спиртное. Было проведено исследование и найдено, что таким действием обладает тетраэтилтиурамдисульфид (тиурам Е). С тех пор тиурам Е используют в качестве препарата для борьбы с алкоголизмом («торпедо», «эспераль»). Прием этого препарата совместно с алкоголем вызывает очень сильную реакцию организма вплоть до смертельного исхода. Следует отметить, что соединения подобного строения содержатся в некоторых съедобных грибах, употребление которых в пищу совместно с алкоголем также может закончиться очень тяжелым отравлением.

Реакция первичных аминов с тиофосгеном приводит к изотиоцианатам.

Строение продуктов реакции аминов с азотистой кислотой зависит от степени замещения атома азота. Так, при взаимодействии первичных аминов с азотистой кислотой образуются крайне неустойчивые алифатические соли диазония. На первой стадии электрофил – нитрозоний-катион, атакует неподеленную пару электронов атома азота, и после отщепления протона образуется N-нитрозопроизводное 1. Далее происходит перенос протона от атома азота к атому кислорода с образованием диазогидрата 2. После протонирования атома кислорода в молекуле 2 происходит отщепление воды, приводящее к образованию крайне неустойчивого алифатического диазониевого катиона 3. Катион 3 тут же разлагается либо при взаимодействии с растворителем (бимолекулярный процесс), либо мономолекулярно с выделением азота и образованием карбокатиона, который далее либо выбрасывает протон, давая алкен, либо реагирует с имеющимися в среде нуклеофилами, например с растворителем.

NO NO NOH

- H2O Предложите максимальное число продуктов, которые реально могут образоваться при взаимодействии бутиламина-1 с нитритом натрия и хлороводородом в водно-спиртовой среде (не менее 10).

При взаимодействии вторичных аминов с азотистой кислотой образуются N-нитрозоамины, например из диметиламина образуется N-нитрозодиметиламин.

Необходимо отметить, что это соединение обладает очень высоким дипольным моментом вследствие заметного вклада резонансной структуры с разделенными зарядами. В результате этого N-нитрозодиметиламин обладает сравнительно высокой температурой кипения, хорошо растворим в воде, а метильные группы в его молекуле неэквивалентны (порядок связи азот-азот больше 1 и вращение вокруг нее затруднено). Физические свойства этого вещества таковы, что его весьма удобно использовать в качестве апротонного диполярного растворителя подобного диметилформамиду для проведения, например, реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения, что в свое время и делали. До тех пор, пока не обнаружили, что все N-нитрозоамины, содержащие хотя бы один атом водорода у -углеродного атома, включая N-нитрозодиметиламин, являются очень мощными канцерогенами – веществами вызывающими злокачественные новообразования. Сам N-нитрозодиметиламин сейчас используют в качестве эталона для оценки канцерогенности других веществ. Понятно, что это свойство N-нитрозоаминов делает их широкое использование не слишком привлекательным.

N-Нитрозоамины могут образовываться в продуктах питания (рыба, мясо, птица) при копчении, в связи с чем их концентрация в продуктах строго контролируется. Одним из методов анализа является отделение суммы нитрозоаминов и превращение их в соответствующие амины, что можно сделать благодаря обратимости реакции нитрозирования.

Количества самих аминов в очень низких концентрациях (допустимых для примесного содержания нитрозоаминов) определяется физическими методами с трудом. Поэтому взаимодействием смеси аминов с так называемым дансилхлоридом их превращают в соответствующие сульфамиды, которые обладают очень яркой и легко детектируемой флуоресценцией. О получении дансилхлорида смотри ниже (подразд. 1.2.2.2.).

Алифатические третичные амины также реагируют с азотистой кислотой, однако в этом случае образуется сложная смесь продуктов, включающая продукты распада связи С–N. Реакция нитрозирования третичных ароматических аминов описана в главе «Ароматические амины», подразд. 1.2.2.2.

Нитрование аминов в силу лабильности последних к окислению часто происходит с разрывом связей азот-углерод, хотя в некоторых случаях при этом образуются N-нитроамины. Эти соединения представляют интерес тем, что являются взрывчатыми и иногда находят применение в этом качестве. Примерами таких соединений являются тетрил (подразд.

1.2.2.2), гексоген и октаген. Последние два соединения образуются в различных условиях при нитровании одного и того же исходного соединения – уротропина (о получении смотри главу «Имины», подразд. 3.1.1.1).

В качестве электрофила по отношению к первичным аминам может выступать дихлоркарбен, который генерируют взаимодействием хлороформа со щелочью (напишиCHCl RNH они обладают очень сильным неприятным запахом, очень ядовиты.

В свое время эту реакцию использовали как качественную для определения аминов (и хлороформа). При нагревании изонитрилы изомеризуются в нитрилы.

Как алифатические, так и ароматические амины весьма лабильны по отношению к окислителям. Направление реакции существенным образом зависит как от структуры исходного амина, так и от природы окислителя. Перманганат калия окисляет первичные амины в нитросоединения. Эта реакция идет с высоким выходом только в том случае, когда аминогруппа находится у третичного атома углерода.

При окислении третичных аминов пероксидом водорода образуются N-окиси аминов. Эти соединения представляют интерес тем, что легко претерпевают термическое элиминирование по Коупу.

Реакция происходит как синхронный процесс через циклическое переходное состояние, что исключает возможность скелетных перегруппировок, характерных для реакций элиминирования Е1 типа.

Соотношение продуктов – статистическое: пропорционально количеству атомов водорода у -углеродного атома; транс-изомера образуется больше, чем цис-.

Какие еще реакции элиминирования происходят по сходному механизму?

Глубина реакции окисление вторичных аминов в аналогичных условиях зависит от строения субстрата. При наличии хотя бы одного атома водорода у -углеродного атома продуктом реакции окисления являются нитроны (разд. 3.2.3.). Реакция происходит через стадию образования N,N-дизамещенного гидроксиламина, выделить который в этих условиях, как правило, не удается.

При отсутствии атомов водорода у -углеродных атомов вторичного амина, в условиях реакции окисления пероксидом водорода образуются стабильные нитроксильные радикалы. На схеме приведено превращение 4-оксо-2,2,6,6-тетраметилпиперидина, известного под названием триацетонамин, в соответствующий стабильный радикал. Вообще радикалы, как вы знаете, очень реакционноспособные частицы, которые не только невозможно выделить, но зачастую даже зарегистрировать их образование. Радикал же, образующийся в обсуждаемой реакции, может быть выделен в свободном состоянии и храниться сколько угодно долго при комнатной температуре. Устойчивость подобных радикалов, называемых нитроксильными, связана с делокализацией неспаренного электрона по двум центрам – атому кислорода и азота. По сути, в этих молекулах реализуется трехэлектронная двухцентровая связь. Благодаря присущему молекулам нитроксильных радикалов устойчивому парамагнетизму, эти вещества находят широкое применение в качестве, так называемых, спиновых меток и зондов (разд. 2.3.1, 3.2.3).

Триацетонамин образуется в некоторых условиях при взаимодействии ацетона с аммиаком и поэтому является весьма доступным соединением. Предложите схему образования этого соединения.

Первичные амины с аминогруппой у первичного и вторичного атома углерода могут быть окислены в нитросоединения действием диоксирана – соединения образующегося в некоторых условиях при взаимодействии ацетона с пероксидом водорода.

1.1.3. Некоторые практически важные алифатические амины Этилендиамин получают в промышленном масштабе взаимодействием аммиака с дихлорэтаном, применяют в производстве фунгицидов, красителей, стабилизаторов латексов, эмульгаторов, пластификаторов и др., как отвердитель эпоксидных смол. При взаимодействии этилендиамина с хлоруксусной кислотой образуется этилендиаминтетрауксусная кислота, которую используют в качестве комплексона.

Эпоксидные клеи состоят из двух компонентов, которые смешивают перед употреблением. Один из компонентов – алифатический ди- или триамин, а второй содержит вещества с эпоксидными группами в составе молекулы. Укажите на примере этилендиамина и диэпоксиксида гексадиена-1,5, каким образом при взаимодействии этих компонентов образуется полимер.

Кадаверин (от лат. cadaver – труп), 1,5-диаминопентан содержится в продуктах гнилостного распада белков. Ранее кадаверин относили к так называемым трупным ядам (птомаинам), однако ядовитость этого соединения относительно невелика. Кадаверин может быть синтезирован восстановлением динитрила глутаровой кислоты.

Путресцин (от лат. – разлагающийся) – 1,4-диаминобутан впервые обнаружен в продуктах гнилостного распада белков. Образуется при декарбоксилировании бактериями орнитина – аминокислоты.

В тканях организма путресцин – исходное соединение в синтезе двух физиологически активных полиаминов – спермидина и спермина. Эти вещества наряду с путресцином, кадаверином и другими диаминами входят в состав рибосом, участвуя в поддержании их структуры.

Предложите метод синтеза путресцина из а) адипиновой кислоты; б) этилового спирта.

Гексаметилендиамин (1,6-диаминогексан) важнейший полупродукт в производстве полиамидного волокна, используется также как отвердитель эпоксидных смол. Мировое производство гексаметилендиамина достигает нескольких сотен тысяч тонн в год. Распространённый промышленный метод получения этого соединения – восстановление динитрила адипиновой кислоты водородом на катализаторах, чаще медно-кобальтовых. Поликонденсация гексаметилендиамина с адипиновой кислотой приводит к полиамиду, который называется найлон-6,6 и широко используется в производстве синтетических волокон.

Птомаины (от греч. ptoma – труп) – группа азотсодержащих химических соединений, образующихся при гнилостном разложении (с участием микроорганизмов) белков мяса, рыбы, дрожжей. К птомаинам относят, главным образом, биогенные амины – путресцин, кадаверин, метилгуанидин, агматин (-аминобутилгуанидин), неврин (гидроксид триметилвиниламмония), а также гистамин, тирамин, триптамин, образующиеся в организме в результате ферментативного декарбоксилирования соответствующих аминокислот.

метилгуанидин Ранее полагали, что птомаины являются действующим началом трупного яда, однако позже было показано, что токсичность большинства этих аминов невелика за исключением неврина, который близок по действию на организм человека к мускарину (один из основных алкалоидов красного мухомора). Ядовитость же продуктов гниения белков обусловлена наличием в них, помимо птомаинов сильных бактериальных токсинов. Почти все птомаины – нормальные продукты жизнедеятельности животных и человека, некоторые из них найдены в свободном состоянии в грибах, пивных дрожжах, высших растениях, продуктах питания (сыр).

1.2. Ароматические амины 1.2.1. Методы синтеза Основным методом синтеза ароматических аминов (анилинов) является восстановление соответствующих нитропроизводных – доступных благодаря возможности прямого введения нитрогруппы в ароматическое кольцо (реакция электрофильного нитрования).

Так, нитробензол можно превратить в анилин восстановлением некоторыми металлами (железо, олово) в кислой среде, водородом на катализаторе (никель Ренея, палладий, платина). Следует отметить, что нитрогруппа одна из наиболее легко восстанавливаемых функциональных групп в условиях каталитического гидрирования. Так, гидрирование нитробензола в анилин происходит в присутствии палладия на угле при нормальном давлении и комнатной температуре.

В настоящее время не столько препаративное, сколько историческое значение имеет восстановление нитрогруппы в аминогруппу сульфидом аммония по Зинину – в свое время это был первый приемлемый промышленный способ синтеза анилина. Восстановление нитробензолов можно проводить гидразином в присутствии никеля Ренея.

мета-Динитробензол восстанавливается гидросульфидом натрия в мета-нитроанилин.

Альтернативным методом синтеза анилина является взаимодействие хлорбензола с амидом натрия. Реакция происходит в весьма жестких условиях и применима только для простейших арилгалогенидов. Кроме того, следует учитывать, что эта реакция протекает по аринному механизму через промежуточное образование дегидробензола и, следовательно, аминогруппа в продукте реакции может оказаться не у того атома углерода, у которого находился атом хлора.

Для синтеза нафтиламинов может быть использована реакция Бухерера, заключающаяся во взаимодействии нафтолов с водным раствором сульфита или гидросульфита аммония при 130–150 °С.

Возможность протекания реакции связана с тем, что нафтолы существуют в виде кето-енольной таутомерной смеси и ключевая стадия реакции – нуклеофильное присоединение аммиака по кратной связи карбонильной группы в кетонной таутомерной форме.

Следует отметить, что многоатомные фенолы, для которых также характерно кето-енольное таутомерное равновесие, способны вступать в реакцию Бухерера, что приводит к формальному замещению гидроксигрупп на аминогруппы.

В заключение отметим, что существуют методы прямого введения аминогруппы в ароматическое кольцо – реакции электрофильного аминирования, которые протекают при действии на полиалкилбензолы гидроксиламино-О-сульфокислоты, а также неорганических азидов в присутствии хлороводорода и кислот Льюиса.

1.2.2. Свойства ароматических аминов 1.2.2.1. Основные свойства Как отмечено выше в подразд. 1.1.2.1, основность ароматических аминов понижена в результате сопряжения неподеленной пары электронов атома азота с ароматическим кольцом и отсутствием резонансной стабилизации протонированной формы амина. В том случае, когда эта пара электронов выведена из сопряжения, как, например, в молекуле 2,6-диметил-N,N-диметиланилина, основность заметно возрастает.

Дифениламин, который образуется при нагревании гидрохлорида анилина, и в еще большей степени, трифениламин, который синтезируют взаимодействием дифениламина с йодбензолом в присутствии меди, являются очень слабыми основаниями.

Предложите механизм термической реакции гидрохлорида анилина, приводящей к дифениламину.

Какова роль меди в синтезе трифениламина из дифениламина и йодбензола?

При взаимодействии вещества 1 (смотри схему выше) с амидом натрия образуется соединение 2. Что вы можете сказать о его основности? Свой ответ поясните.

1.2.2.2. Реакции с электрофильными реагентами Атака электрофила по молекуле анилина может происходить по нескольким положениям. Во-первых, это неподеленная пара электронов, находящаяся на атоме азота. Кроме того, поскольку эта пара электронов находится в сопряжении с бензольным кольцом, электронная плотность с атома азота в определенной степени делокализована и в бензольном кольце (соответственно она уменьшается на атоме азота), то есть в орто- и пара-положениях бензольного кольца анилина электронная плотность повышена.

Возможные направления электрофильной атаки В условиях кинетического контроля электрофильная атака, например протонирование, происходит по положению с максимальной электронной плотностью – по атому азота. Процесс, идущий по -системе кольца, происходит, очевидно, с большим трудом (имеет большую энергию активацию) по той причине, что в этом случае происходит нарушение ароматичности системы при образовании комплекса. Таким образом, в реакциях анилина с электрофильными реагентами во всех случаях следует в первую очередь ожидать образования продуктов электрофильной атаки по атому азота, и только в том случае, если эти продукты оказываются неустойчивыми в условиях проведения реакции, выделяются продукты, являющиеся результатом электрофильной атаки в кольцо.

Так, алкилирование анилина и его производных алкилгалогенидами происходит исключительно по атому азота с образованием преимущественно моно-N-алкилированных анилинов. Тот факт, что алкилирование ароматических аминов происходит более селективно, чем алифатических, связан с более низкой нуклеофильностью этих соединений, вызванной сопряжением неподеленной пары атома азота с -системой ароматического кольца. Применение избытка алкилгалогенида в присутствии основания, например карбоната кальция, позволяет получать ди- и триалкилированные производные.

H+ (Al2O3) Для алкилирования анилина с образованием N,N-диалкиланилинов может быть использована кислотно-катализируемая реакция с низшими спиртами. Предложите механизм этой реакции.

Попытки алкилирования анилина алкилгалогенидами в присутствии избытка кислот Льюиса в условиях реакции ФриделяКрафтса не приводят к образованию продуктов С- или N алкилирования. Объясните, в чем причина этого явления.

Ацилирование производных анилина галогенангидридами или ангидридами карбоновых кислот при наличии хотя бы одного протона у атома азота также происходит по атому азоту. Реакция происходит без катализатора – кислоты Льюиса, и приводит исключительно к продукту моно-N-ацилирования.

Объясните, почему в этих условиях не происходит повторное ацилирование образующегося ацетамидного производного действием избытка ацилирующего реагента.

Полученное ацетамидное производное при наличии протона у атома азота обладает повышенной NH-кислотностью (подразд.

1.1.2.1.) и под действием сильных оснований, например амида натрия, превращается в анион. Последний способен реагировать только с одним молем алкилгалогенида с образованием N-алкилированного ацетамидного производного, которое, будучи по сути амидом, гидролизуется, например, в щелочной среде, давая исключительно продукт моноалкилирования исходного анилина без примеси продуктов полиалкилирования.

Галоидирование анилина и его производных происходит при действии галогенов (хлора, брома) и не требует катализатора. Более того, поскольку аминогруппа является исключительно сильным донорным заместителем, даже в очень мягких условиях удается получать только 2,4,6-тригалогенанилины. Для получения моногалогенпроизводного необходимо понизить донорные свойства аминогруппы в молекуле ароматического амина превращением его в ацетамидное производное (использовать ацильную защиту).

Охарактеризуйте ацетамидную группу с точки зрения ее электронного влияния на -систему ароматического кольца в сравнении с аминогруппой.

Таким образом, для получения 4-броманилина анилин превращают в ацетанилид взаимодействием с уксусным ангидридом, далее ацетанилид бромируют бромом без катализатора и на последней стадии проводят гидролиз ацетамидной группы – «снимают защиту с аминогруппы».

Реакция сульфирования анилина происходит при действии концентрированной серной кислоты в достаточно жестких условиях. При смешении реагентов в первую очередь происходит протонирование аминогруппы и образуется соль – кислый сульфат анилина. Эту соль нагревают при высокой температуре (порядка 200 °С). Полагают, что при этом первоначально происходит образование продукта сульфирования по атому азота – образуется продукт кинетического контроля. Очевидно, реакция вообще происходит потому, что в смеси присутствует хотя бы незначительное количество непротонированной формы анилина, поскольку только она может выступать в роли нуклеофила. Далее происходит кислотно–катализируемая перегруппировка, приводящая к миграции сульфогруппы в кольцо с образованием сульфаниловой кислоты.

Иной способ получения сульфаниловой кислоты заключается во взаимодействии ацетанилида с хлорсульфоной кислотой, которое происходит в мягких условиях с образованием соответствующего сульфохлорида. Последующий гидролиз приводит к сульфаниловой кислоте. При взаимодействии этого сульфохлорида с аммиаком происходит образование амида сульфаниловой кислоты, известного под названием «белый стрептоцид» – одного из первых синтетических антимикробных препаратов.

Укажите механизм реакции, приводящей к превращению ацетамидной группы в аминогруппу под действием аммиака.

Биологическая активность сульфаниламида обуславливается близостью его структуры к структуре пара-аминобензойной кислоты – необходимому фактору роста микроорганизмов, при отсутствии которого они не могут размножаться. Основной механизм действия сульфаниламида и родственных ему сульфамидных препаратов – конкуренция с пара-аминобензойной кислотой за связывание с определёнными ферментами в микробной клетке.

В результате взаимодействия сульфаниламида с ферментами бактерии теряют способность синтезировать необходимый им витамин – фолиевую кислоту и осуществлять другие превращения веществ, которые протекают с участием пара-аминобензойной кислоты.

При взаимодействии -диметиламинонафталина с олеумом происходит реакция сульфирования по положению 5. Последующее взаимодействие полученной сульфокислоты с пятихлористым фосфором приводит к соответствующему сульфохлориду, известному под названием дансилхлорид, который используется для превращения аминов во флуоресцирующие производные (подразд.

1.1.2.2.2).

Предложите метод получения -диметиламинонафталина из нафталина и объясните направление реакции его сульфирования.

Амины, в том числе и ароматические, весьма чувствительны к окислению, а азотная кислота является сильным окислителем, поэтому нитрование анилина осуществить невозможно. В данном случае также необходимо использование защитной ацильной группы. Нитрование ацетанилида происходит при действии нитрующей смеси и приводит к смеси орто-изомера (10 %) и параизомера (90 %).

Следует отметить, что нитрование ацетанилида смесью азотной кислоты с уксусным ангидридом приводит к обратному соотношению изомеров – орто-изомера образуется 70 %. Последующий щелочной гидролиз приводит к смеси орто- и пара-анилинов.

Вообще при нитровании смесью азотной кислоты и уксусного ангидрида последний выступает не просто как растворитель – происходит его взаимодействие с азотной кислотой с образованием ацетилнитрата – смешанного ангидрида уксусной и азотной кислот. Такие условия нитрования используются для активных аренов (содержащих сильные донорные заместители) и гетероаренов, таких как -избыточные гетероциклы (Резников В.А, Штейнгарц В.Д., методическое пособие Гетероциклические соединения. Новосибирск: НГУ, 2000). Преимущество этой нитрующей системы заключается в том, что при взаимодействии уксусного ангидрида с азотной кислотой образуется нитрующий реагент – ацетилнитрат и слабая уксусная кислота, что позволяет использовать эту смесь для нитрования соединений, чувствительных к кислотам.

При нитровании N,N-диметиланилина в ароматическое кольцо входит три нитрогруппы, а диметиламиногруппа превращается в N-нитрометиламиногруппу. Образующееся соединение называется тетрил и является сильным взрывчатым веществом.

Нитрозоний-катион является слабым электрофилом, но поскольку диалкиламиногруппа является сильным донором электронов, при взаимодействии, например, диметиланилина с азотистой кислотой происходит нитрозирование, которое идет в параположение с образованием нитрозопроизводного. Поскольку реакция происходит в кислой среде, то продукт образуется в виде соли, которая существует в хиноидной таутомерной форме.

Объясните, почему реакция нитрозирования в кислой среде происходит именно в пара- а не в мета-положение, ведь протонированная аминогруппа является мета-ориентантом.

OHN NH N

NO NO NOH

Нейтрализация этой соли приводит к свободному основанию – 4-нитрозо N,N-диметиланилину. Следует отметить, что при нагревании этой соли в водном растворе происходит образование диметиламина и пара-нитрозофенола. Это превращение можно рассматривать как способ получения диметиламина без примесей других аминов.

Нитрозирование моно-N-замещенных анилинов азотистой кислотой приводит к образованию N-нитрозопроизводного – продукта кинетического контроля, который при нагревании изомеризуется в пара-замещенный изомер.

1.2.2.3. Соли арилдиазония При нитрозировании первичных ароматических аминов происходит образование ароматических солей диазония.

В действительности образование солей диазония в этой реакции включает довольно большую систему равновесных процессов, зависящих от условий проведения реакции. Первая стадия реакции – обратимое образование малоустойчивого N-нитрозопроизводного в результате электрофильной атаки нитрозоний-катиона по атому азота и последующего отщепления протона. Скорость реакции, очевидно, пропорциональна концентрации нитрозоний-катиона и свободного (непротонированного) амина. При этом чем выше кислотность среды, тем выше концентрация нитрозоний-катиона и ниже концентрация непротонированного амина. Следовательно, оптимальная величина кислотности среды для проведения реакции зависит от основности исходного амина – чем она ниже, тем более кислую среду целесообразно использовать. Но эта стадия является обратимой и при повышении температуры реакционной смеси равновесие сдвигается в сторону исходных веществ. В ту же сторону смещается равновесие в очень кислых средах. Далее происходит изомеризация нитрозосоединения в диазогидрат. Необходимо отметить, что эти соединения существуют в растворе в виде смеси двух изомеров, отличающихся положением заместителей относительно связи N = N. В недостаточно кислой среде диазогидраты могут диссоциировать на протон и соответствующий анион – диазотат. В более кислой среде происходит протонирование атома кислорода и отщепление молекулы воды с образованием резонансностабилизированного диазониевого катиона. Эта реакция также обратима – в недостаточно кислой среде возможен обратный процесс.

В присутствии некоторых анионов, например ацетат-аниона, соли диазония могут образовывать ковалентные диазотаты – соединения с ковалентной связью азот–анион. И наконец, катион диазония, будучи по своей природе электрофильной частицей, способен реагировать с исходным непротонированным амином с образованием триазена. Эта реакция также является обратимой и в сильнокислой среде происходит распад триазена на исходные компоненты – соль диазония и амин. Подводя итог сказанному выше, следует сделать вывод, что оптимальными условиями для проведения реакции является кислая среда (рН среды тем меньше, чем ниже основность исходного амина) и при пониженной температуре (обычно 0–5 °С).

Обычно реакцию проводят в воде, используя в качестве среды ~ 10 % соляную, реже серную кислоту.

Альтернативным методом получения солей диазония в неводной среде является взаимодействие солей ароматических аминов, обычно гидрохлоридов, с эфирами азотистой кислоты, например амилнитритом; реакцию проводят в растворе спирта.

Соли диазония, как правило, являются неустойчивыми соединениями, существующими в растворе при пониженной температуре.

Несколько более устойчивыми являются борфториды солей диазония, как правило, малорастворимые в воде, которые выделяют добавлением к реакционной смеси борфтористоводородной кислоты.

Однако при нагревании кристаллических борфторидов диазония они разлагаются со взрывом. Относительно устойчивой в кристаллическом состоянии является соль диазония, получаемая из сульфаниловой кислоты. Это соединение представляет собой внутреннюю соль.

Как вы думаете, с чем связана большая устойчивость ароматических солей диазония по сравнению с алифатическими производными?

с выделением азота Хотя соли арилдиазония и малоустойчивы, они часто применяются в качестве интермедиатов в органическом синтезе. Прежде, чем использовать раствор соли диазония в синтетических целях, обычно избавляются от возможного избытка азотистой кислоты. С этой целью в реакционную смесь прибавляют мочевину.

Продуктами реакции мочевины с азотистой кислотой являются азот, вода и диоксид углерода. Предложите схему, по которой протекает эта реакция.

Реакция Шимана заключается в термолизе борфторидов диазония, приводящем к образованию арилфторидов. Поскольку, как указано выше, соли диазония при нагревании взрываются, нагревают не чистый борфторид, а его смесь с песком. Условия реакции достаточно жесткие и поэтому в нее можно вводить только соли диазония, не содержащие в молекуле лабильных функциональных групп.

Полагают, что реакция протекает через стадию образования фенильного катиона, который далее захватывает фторид-анион с образованием продукта.

Является ли фенильный катион ароматическим соединением?

Что вы можете сказать о его устойчивости?

Для замены диазониевой группы на хлор или бром используют реакцию Зандмейера или Гаттермана. В реакции Зандмейера соль диазония (водный раствор) реагирует с соответствующим галогенидом одновалентной меди, а при проведении реакции Гаттермана к раствору соли диазония в соответствующей кислоте – соляной или бромоводородной прибавляют восстановленную медь, выступающую в качестве катализатора. По какому именно механизму происходит реакция в каждом случае сказать затруднительно – возможен как гетеролитический (с образованием фенильного катиона), так и гомолитический (радикальный) путь реакции.

Для получения иодбензолов и азидобензолов катализатор не требуется, соответствующие продукты образуются при взаимодействии соли диазония с неорганическими йодидами или азидами.

При взаимодействии солей диазония с нитритом меди (I) или с цианидом меди (I) образуются нитропроизводные и нитрилы соответственно. Реакция с хлоридом ртути (II) происходит в присутствии меди и приводит к ртутьорганическим соединениям.

Соли арилдиазония восстанавливаются под действием этилового спирта или H3PO2, что позволяет удалить диазониевую группу из ароматического кольца, заменив ее атомом водорода. Это обстоятельство позволяет использовать в синтезе производных бензола активирующее действие аминогруппы, а потом ее удалять. Например, 1,3,5-трибромбензол можно синтезировать исходя из анилина – на первой стадии проводят реакцию бромирования, приводящую к триброманилину, который далее вводят во взаимодействие с водноспиртовым раствором нитрита натрия в кислой среде. При этом вначале происходит образование соли диазония, которая восстанавливается в условиях реакции с образованием целевого продукта с высоким выходом.

Взаимодействие солей арилдиазония с двухлористым оловом или сульфитом натрия приводит к арилгидразинам.

При нагревании водного раствора соли диазония происходит образования фенола, что также позволяет синтезировать полизамещенные производные бензола с «неудобным» для синтеза расположением заместителя.

Предложите метод синтеза мета-хлорфенола исходя из бензола и неорганических реагентов.

Соли диазония могут быть использованы в синтезе несимметричных бифенилов. Как отмечено выше, ацетат-ион способен образовывать при взаимодействии с солями диазония ковалентные диазоацетаты, при нагревании которых происходит их гомолитический распад с образованием арильных радикалов. Если этот процесс проводить в присутствии замещенных бензолов, то образуется смесь несимметричных бифенилов, причем независимо от характера заместителя в бензольном кольце пара-изомер является преобладающим, что указывает именно на гомолитический характер процесса (реакция Гомберга).

В отличие от этого, термолиз борфторидов арилдиазония, как отмечалось ранее, приводит к гетеролитическому распаду с образованием арильных катионов. При проведении этой реакции в присутствии нитробензола происходит образование почти исключительно мета-изомера.

Соли арилдиазония являются слабыми электрофильными реагентами и вступают в реакцию электрофильного замещения только с активными аренами с образованием азосоединений. Соли фенилдиазония способны реагировать только с аренами, содержащими в кольце гидрокси- или аминогруппы. Образующиеся азосоединения обладают интенсивной окраской, зависящей от характера заместителя, и используются в качестве красителей (азокрасители).

В случае взаимодействия соли диазония с незамещенным по атому азота производным анилина, более быстро происходит реакция по атому азота с образованием триазена (продукт кинетического контроля). Но поскольку в кислой среде (в которой и проводится превращение) эта реакция обратима, начинает образовываться азосоединение – продукт электрофильной атаки по ароматическому кольцу (продукт термодинамического контроля). Процесс образования азосоединения является необратимым, поэтому в подходящих условиях триазен не выделяется вовсе, а азосоединение образуется с высоким выходом.

Однако в том случае, когда среда недостаточно кислая, триазен может накапливаться в заметной концентрации, а это соединение способно существовать в виде двух таутомерных форм, отличающихся положением кратной связи. Следовательно, наряду с исходной солью диазония в реакционной смеси может появиться и иная соль диазония из ариламина, который планировалось использовать в качестве субстрата, что в итоге приведет к смеси продуктов – изомерных азосоединений. Это обстоятельство диктует строгое соблюдение оптимальных условий (рН среды) проведения реакции.

При планировании синтеза азосоединения следует помнить о том, что соли диазония реагируют только с активированными аренами и потому диазосоставляющая – фрагмент молекулы азосоединения, происходящий из соли диазония соединяется с азосоставляющей – фрагментом, имеющим свое происхождение из более активного арена. Диазониевый катион имеет довольно значительный объем, вследствие чего пара-изомера (если пара-положение не занято), всегда образуется значительно больше, чем орто-изомера.

Могут ли приведенные на схеме выше азосоединения – красный стрептоцид (пронтозил) и метилоранж (гелиантин) быть получены из других азо- и диазосоставляющих, почему?

Следует отметить, что активность соли диазония как электрофила зависит от характера заместителей в бензольном кольце – донорные заместители снижают, а акцепторные, особенно расположенные в орто- и пара-положениях, увеличивают реакционную способность. Так, 2,4-динитрофенилдиазонийхлорид, в отличие от фенилдиазонийхлорида, вступает во взаимодействие с метаксилолом с образованием азосоединения.

В синтезе азокрасителей можно управлять не только реакционной способностью диазосоставляющей, вводя акцепторные заместители в ароматический остов соли диазония, но и активностью субстрата. Для примера рассмотрим реакцию 6-амино-2-нафтола с фенилдиазонийхлоридом.

Аминогруппа является более сильным донором электронов, чем гидроксигруппа, поэтому в том случае, когда величина рН реакционной смеси такова, что аминогруппа находится преимущественно в непротонированной форме, именно она и направляет реакцию в то кольцо, в котором она находится. С другой стороны, депротонированная гидроксигруппа заметно более сильный донор электронов, чем аминогруппа и, если проводить реакцию в условиях, когда в растворе присутствует заметная концентрация депротонированной формы 6-амино-2-нафтола, реакция идет в другом направлении – в орто-положение к гидроксигруппе. Понятно, что превращение нафтола в анион может происходить только при достаточно высоких значениях рН, в которых соли диазония разлагаются (смотри выше). Поэтому для проведения рассматриваемой реакции применяют обратный порядок смешения реагентов – к щелочному раствору исходного нафтола прибавляют кислый раствор соли диазония.

По количеству азогрупп в составе молекулы эти соединения подразделяют на моно- бис-, трис-азокрасители и т. д. Приведенные выше азосоединения относятся к моноазокрасителям. Примером бисазокрасителя является известный кислотно-основной индикатор Конго красный, в синтезе которого используется бис-соль диазония, синтезируемая из 4,4’-диаминодифенила (бензидина), о синтезе которого смотри разд. 2.3.2.

Примером трис-азокрасителя является, так называемый, прямой зеленый 1, структура которого приведена ниже. Предложите «схему сборки» (и условия каждой из стадий, качественно) этого соединения из необходимых блоков.

Простейшие моноазокрасители обычно окрашены в желтый, оранжевый или красный цвет. Увеличение числа азогрупп, замена фенильных групп нафтильными и увеличение числа гидрокси и аминогрупп приводят к углублению цвета. По строению и характеру взаимодействия с текстильными материалами азокрасители разделяют на основные, кислотные, прямые, протравные, холодного крашения, активные и др. В молекуле основных азокрасителей присутствует аминогруппа, кислотных – одна или несколько сульфогрупп; последние применяют для крашения шёлка и шерсти.

В больших количествах производят прямые азокрасители, используемые для окрашивания хлопчатобумажных материалов. Обычно это полиазокрасители на основе бензидина, -нафтиламина и его сульфокислот. К протравным красителям относят азокрасители, которые с ионами Fe3+, Cr3+ и др. образуют на волокне нерастворимые, прочно удерживаемые волокнами комплексы. Для активных азокрасителей характерно образование химической связи с волокном. Такие азокрасители отличаются высокой прочностью к водным и другим обработкам. Некоторые азокрасители в тонкодисперсном состоянии используют в качестве пигментов в полиграфии, но главным образом азокрасители применяют для крашения текстильных материалов, кожи, бумаги, резины и некоторых полимерных материалов.

Азокрасители, содержащие в составе молекулы амино- или гидроксигруппы, например метилоранж и Конго красный (см. выше), часто обладают свойствами кислотно-основных индикаторов.

Нейтральные молекулы метилоранжа придают раствору оранжево-желтый цвет, который в результате протонирования переходит в красный, соответствующий хиноидной структуре. Этот переход наблюдается в интервале рН 4.4–3.1.

Изобразите структуру протонированной формы красителя Конго красный, отвечающую за изменение его окраски с красной на синюю.

Красный стрептоцид (пронтозил) был одним из первых противомикробных препаратов. Экспериментируя, немецкий врач Герхард Домагк вводил мышам, зараженным стрептококком, различные вещества и наблюдал за реакцией. Несмотря на все его усилия, грызуны погибали через несколько часов после заражения. Успехов не удавалось добиться в течение пяти лет. Затем вдруг мыши, которым был введен пронтозил, остались живы, в то время как все остальные животные контрольной группы погибли. Так были открыты сульфаниламидные препараты. Домагк за свои исследования получил Нобелевскую премию.

Как выяснилось позже, пронтозил сам по себе не обладает антибактериальной активностью. В результате преобразований в организме он превращается в сульфаниламид, который и воздействует на микробные клетки. Собственно сульфаниламид был синтезирован еще в 1908 г. как предшественник устойчивых азокрасителей, и в течение долгого времени никто не догадывался о его антимикробном действии.

В заключение отметим, что реакцию азосочетания в некоторых случаях удобно использовать для введения аминогруппы в ароматической кольцо, поскольку при восстановлении азосоединений различными восстановителями, например двухлористым оловом, образуется смесь аминов. Далее приведена одна из возможных схем синтеза пара-фенилендиамина, который ранее применяли в качестве цветного проявляющего вещества в фотографии.

SO3HO3S Предложите метод разделения сульфаниловой кислоты и парафенилендиамина.

Предложите метод синтеза -амино--нафтола из нафталина и необходимых реагентов.

Как отмечено выше, амины достаточно лабильны по отношению к окислителям. Строение продуктов окисления существенным образом зависит от структуры субстрата и природы окислителя. Так, при окислении анилина карбоновыми надкислотами может быть получен нитрозобензол и далее – нитробензол. Окисление анилина кислородом воздуха в присутствии однохлористой меди приводит к азобензолу, а при окислении пероксидом водорода образуется азоксибензол.

Может ли азобензол быть синтезирован с использованием реакции азосочетания?

Окисление анилина перманганатом или бихроматом калия в кислой среде приводит к сложной смеси продуктов, из которой в некоторых условиях с небольшим выходом могут быть выделены бензохинон и семидин.

Однако главным образом в этих условиях образуется краситель, так называемый анилиновый черный, представляющий собой смесь полимерных продуктов, не установленной до конца структуры.

Один из способов окрашивания лабораторной мебели в черный цвет, очень устойчивый к действию различных химических реагентов, включал пропитку дерева вначале гидрохлоридом анилина, а затем раствором бихромата калия, хлората калия или хлорного железа.

Выше приведена одна из возможных полимерных структур, входящих в состав красителя анилинового черного. Предложите схему образования этого полимера.

1.3. Енамины Енамины – соединения, в которых аминогруппа присоединена непосредственно к кратной связи С = С. Их можно рассматривать как азотистые аналоги эфиров енолов. Эти соединения синтезируют взаимодействием карбонильных соединений с вторичными аминами в присутствии каталитических количеств кислоты.

На первой стадии происходит протонирование атома кислорода карбонильного соединения, приводящее к повышению нуклеофильности атома углерода, связанного с атомом кислорода. Далее следует присоединение амина с образованием геминального аминокарбинола, протонирование атома кислорода и отщепление молекулы воды. На последней стадии происходит отрыв протона от -углеродного атома иминиевой соли под действием исходного амина, приводящее к енамину. Следует отметить, что все стадии процесса являются обратимыми, поэтому для завершения реакции необходимо удаление воды из реакционной смеси.

Еще одним способом получения енаминов является окисление третичных аминов двухлористой ртутью.

Енамины устойчивы в щелочной среде, а в кислой легко гидролизуются с образованием карбонильного соединения и амина. Енамины являются более сильными основаниями, чем алифатические амины. Кинетически протонирование происходит по атому азота, на котором локализована большая электронная плотность, однако термодинамически этот процесс является невыгодным, поскольку приводит к тому, что пара электронов на атоме азота выводится из сопряжения с кратной связью С = С. Более энергетически выгодным является протонирование по -атому углерода, на котором также локализован частичный отрицательный заряд. Предпочтительность этого направления протонирования объясняется делокализацией заряда в образующемся катионе по двум центрам – атомам азота и углерода, образующим связь C = N. Эффективная стабилизация катиона и есть причина, по которой енамины обладают повышенной основностью по сравнению с алифатическими аминами.

Енамины гидролизуются по схеме, аналогичной схеме гидролиза эфиров енолов в мягких условиях. На основании представлений о механизме этих реакций дайте объяснение легкости ее протекания.

Интерес к енаминам продиктован в первую очередь тем, что они обладают высокой реакционной способностью по отношению к электрофилам, причем, как и в случае протонирования, продуктами термодинамического контроля (которые обычно и являются продуктами реакции) являются соединения, образующиеся в результате электрофильной атаки по -углеродному (енаминовому) атому. Как отмечено выше, енамины легко гидролизуются в кислой среде, в связи с чем для синтеза -замещенных производных карбонильных соединений удобно использовать енамины в качестве интермедиатов. Общая схема синтеза включает получение енамина (по сути – активирование исходного карбонильного соединения и, в каком-то смысле защита карбонильной группы, смотри ниже), проведение модификации и гидролиз.

Ниже приведены некоторые примеры синтеза карбонильных соединений с использованием енаминов.

При нитрозировании енаминов и последующем гидролизе в кислой среде енаминная группу гидролизуется значительно быстрее оксимной группы. Объясните причину такого различия в реакционной способности.

В принципе, указанные на схеме превращения, хотя и в несколько иных условиях, можно проводить с использованием и непосредственно карбонильных соединений. Преимущество использования енаминов заключается в том, что как алкилирование, так и реакции конденсации и многие другие превращения карбонильных соединений проводят в условиях, способствующих реакциям конденсации карбонильных соединений самих с собой, и эти продукты самоконденсации часто выступают в качестве побочных, а иногда и основных продуктов реакции.

Дело в том, что, для того чтобы могла произойти электрофильная атака по -углеродному атому в карбонильном соединении, необходимо превращение последнего в енольную форму, которая и выступает в роли нуклеофила. Как правило, полностью превратить карбонильное соединение в енол (или енолят-анион) не удается, вследствие чего в реакционной среде присутствует небольшое количество нуклеофила (енола или енолят-аниона) наряду с высокой концентрацией исходного карбонильного соединения, способного выступать в роли электрофила.

Описываемые превращения относятся к реакциям конденсации альдольного типа, и они являются весьма важным инструментом для построения углерод-углеродных связей, однако они в значительной мере затрудняют проведение перекрестных реакций с иными электрофилами. В отличие от этого, в случае енаминов в реакционной среде отсутствуют какие-либо иные электрофилы кроме тех, которые планируется вовлечь в превращение. В этом и заключается преимущество использования енаминов.

Протонированная форма енамина – иминиевая соль, содержит очень полярную связь С = N, к которой легко происходит нуклеофильное присоединение, например гидрид-аниона. Поэтому иминиевые соли очень легко восстанавливаются комплексными гидридами металлов, например борогидридом натрия, что позволяет получать -замещенные амины.

2. НИТРОСОЕДИНЕНИЯ 2.1. Алифатические нитросоединения 2.1.1. Методы получения Промышленным методом получения нитросоединений является парофазное нитрование алканов действием 50–70 % HNO3 при 400–700 °С в реакторе проточного типа, обеспечивающем время контакта реагентов ~ 2 с, либо действием N2O4 при 250–600 °С. Эти реакции происходят по свободно-радикальному механизму аналогично радикальному галоидированию. Активным радикалом в этом процессе является NO2•.Это означает, что таким методом можно получать только простейшие нитроалканы и обычно образуется смесь изомеров.

При взаимодействии алкенов с нитрилхлоридом образуются вицинальные нитрохлорпроизводные, которые можно превратить в,-ненасыщенные нитросоединения действием основания. Объясните региоселективность присоединения нитрилхлорида к несимметричному алкену.

Реакция алкенов с оксидом азота (III) приводит к нитронитрозосоединениям, которые могут быть окислены в вицинальные динитропроизводные. Эту реакцию можно осуществить и в одну стадию, используя в качестве реагента смесь оксида азота (IV) с кислородом. Таким способом получают, в частности, 1,2-динитроэтан из этилена.

Лабораторным методом синтеза нитроалканов является использование нитромалонового эфира, который образуется при действии безводной азотной кислоты на малоновый эфир при комнатной температуре в среде органического растворителя, например хлороформа.

CO2Et Нитромалоновый эфир является сильной СН-кислотой (сравните СН-кислотность малонового и нитромалонового эфиров) и при действии оснований, например, алкоголятов металлов превращается в анион, который способен вступать во взаимодействие с алкилгалогенидами с образованием алкилированных производных нитромалонового эфира. Последующий кислотный гидролиз и декарбоксилирование (химия малонового эфира!) приводит к нитроалканам.

Аналогичный селективный лабораторный метод синтеза нитроалканов базируется на использовании в качестве исходного соединения индандиона-1,3.

Предложите метод синтеза индандиона-1,3 (необходимо знание реакции сложноэфирной конденсации!). Объясните механизм превращения замещенного нитроалкилиндандиона-1,3 в нитроалкан в щелочной среде. Какое еще органическое вещество образуется в этой реакции?

Укажите, какие продукты образуются из 1-нитроциклогексанона (1,6-динитроциклогексанона) при нагревании в щелочной среде. Приведите механизмы реакций.

Нитрилы карбоновых кислот, имеющие по крайней мере один атом водорода у -углеродного атома, реагируют с органическими эфирами азотной кислоты (алкилнитратами) в присутствии алкоголятов щелочных металлов с образованием нитропроизводных. Реакция происходит по механизму, аналогичному механизму сложноэфирной конденсации Клайзена, причем нитрил выступает в качестве метиленовой компоненты.

На первой стадии происходит депротонирование исходного нитрила с образованием резонансно-стабилизированного аниона (изобразите резонансные структуры образующегося аниона, демонстрирующие делокализацию заряда). Далее следует нуклеофильной присоединение этого аниона по связи О = N эфира азотной кислоты. Отщепление метоксид-аниона завершает образование нитропроизводного. На следующей стадии проводят гидролиз нитрильной группы в кислой среде в карбоксильную группу; образующаяся при этом нитрокарбоновая кислота легко декарбоксилируется при нагревании. Следует иметь в виду, что реакция декарбоксилирования происходит очень легко по той же причине, по которой легко декарбоксилируются малоновые и ацетоуксусные кислоты.

Реакция происходит как синхронный процесс через шестичленное переходное состояние.

,-Ненасыщенные карбоновые кислоты декарбоксилируются в значительно более мягких условиях, чем кислоты с другим относительным расположением карбоксильной группы и кратной связи С = С. Объясните это явление.

Нитропроизводные образуются наряду с нитритами при взаимодействии алкилгалогенидов, преимущественно бромидов и иодидов, с неорганическими нитритами. Реакция происходит по бимолекулярному механизму, в связи с чем наилучшими растворителями для ее проведения являются апротонные диполярные растворители типа диметилформамида и диметилсульфоксида.

Объясните, в чем причина побочного образования в этой реакции органических нитритов – эфиров азотистой кислоты.

Для получения нитрометана в лабораторной практике используют реакцию хлоруксусной кислоты с нитритом натрия. Промежуточно образующаяся нитроуксусная кислота декарбоксилируется в условиях реакции (смотри выше).

Нитросоединения могут быть получены окислением оксимов кетонов (как синтезируют эти соединения?). Ниже приведены примеры превращения оксима циклогексанона в нитроциклогексан.

Оксимная группа в одну стадию может быть окислена в нитрогруппу действием органических надкислот. При взаимодействии брома с оксимами в щелочной среде образуются геминальные бромнитрозосоединения, которые могут быть окислены в бромнитросоединения действием азотной кислоты или пероксида водорода. На последней стадии синтеза проводят восстановление бромнитросоединения борогидридом натрия. Отметим, что нитрогруппа в этих условиях не затрагивается.

Объясните направление реакции оксимов с бромом в щелочной среде. Указание: бром в данном процессе выступает в качестве электрофила, а оксимная группа в условиях реакции существует в депротонированной форме (в виде аниона).

Еще одним методом превращения оксимной группы в нитрогруппу является ее окисление концентрированной азотной кислотой, которое приводит к геминальному динитросоединению. Последнее может быть превращено гидрированием в каталитических условиях (платина) в мононитросоединение. Следует иметь в виду, что нитрогруппа в этих условиях также подвергается гидрированию, поэтому реакцию проводят с контролем расхода водорода.

В главе «Амины» (подразд. 1.1.2.2.3) было упомянуто, что первичная аминогруппа у третичного атома углерода, может быть окислена в нитрогруппу действием перманганата калия, что является удобным методом синтеза таких нитросоединений. В том случае, когда первичная аминогруппа расположена у первичного или вторичного атома углерода, для ее окисления в нитрогруппу могут быть использованы органические надкислоты или озон.

Для превращения первичной ароматической аминогруппы в нитрогруппу может быть использовано либо окисление трифторнадуксусной кислотой, либо двухстадийный синтез, включающий получение соответствующей соли диазония и ее последующее взаимодействие с нитритом меди (I).

2.1.2. Свойства алифатических нитросоединений При наличии в молекуле нитросоединения протонов у -углеродного атома они являются сильными СН-кислотами. Причиной этого является очень эффективная мезомерная стабилизация заряда расположенной рядом нитрогруппой.

Вследствие этого нитросоединения, содержащие атом водорода у -углеродного атома, растворяются в водной щелочи, хотя в нейтральной водной среде они не растворимы (за исключением низших гомологов). Таким образом, первичные и вторичные нитросоединения можно отличить от третичных, поскольку последние не растворяются в водных растворах щелочей. Протонирование аниона нитросоединения может происходить по двум центрам – -атому углерода и атому кислорода нитрогруппы. Поскольку кинетически протонирование происходит по атому, на котором отрицательный заряд максимален, то при протонировании аниона образуется не само нитросоединение, а его таутомер, называемый ациформой или нитроновой кислотой. Следует отметить, что анион нитросоединения и его ациформа обладают электронным строением соответственно карбоксилат-аниона и карбоксильной группы.

Вообще, нитроформа для подавляющего большинства нитросоединений является более устойчивой, чем ациформа, однако в растворе нитросоединение часто находится в таутомерном равновесии со своей ациформой, причем относительная концентрация последней заметно выше, чем концентрация енольной формы в растворе карбонильного соединения. В ряде случаев нитросоединение удается выделить в виде метастабильной ациформы. Например, при аккуратном подкислении щелочного водного раствора фенилнитрометана выпадает кристаллический осадок ациформы последнего. При стоянии это кристаллическое вещество становится жидкостью вследствие его превращения в смесь нитроформы, которая является преобладающей, и ациформы.

Следует упомянуть обратимое фотохимическое превращение орто-нитротолуола в его своеобразную (хиноидную) ациформу.

При этом цвет вещества меняется с желтого на синий. В темноте (при отсутствии облучения) происходит обратное превращение. Таким образом, подобные вещества могут быть использованы в качестве фотохромных красителей, например в производстве фотохромных стекол для солнцезащитных очков.

Направление реакции аниона нитросоединения с алкилгалогенидами существенным образом зависит от природы последнего.

При взаимодействии с не очень активными галогенидами – вторичными и первичными хлоридами, а иногда и бромидами, основным направлением атаки нуклеофила является атом кислорода нитрогруппы, в результате чего образуются соединения, которые можно рассматривать как эфиры нитроновых кислот (нитроновые эфиры).

Реакция с алкилйодидами приводит наряду с нитроновыми эфирами к небольшому количеству продукта С-алкилирования.

При взаимодействии аниона нитросоединения с активными галогенидами, например аллилгалогенидами, на первой стадии также образуются нитроновые эфиры, однако реакция на этом не завершается, а следует внутримолекулярный перенос гидрид-иона с расщеплением связи азот-кислород в молекуле эфира, приводящий к образованию карбонильного соединения и оксима. Таким образом, простейшие нитросоединения могут быть использованы в качестве окислителя аллилгалогенидов в,-ненасыщенные карбонильные соединения; нитросоединение при этом восстанавливается в оксим.

Нитросоединения легко вступают в реакцию Манниха – аминометилирования при взаимодействии с формалегидом и гидрохлоридами вторичных аминов с образованием вицинальных нитроаминов.

Электрофильная частица – катион иминия, в этой реакции образуется при взаимодействии исходного амина с формальдегидом.

RCBr2NO При бромировании аниона нитросоединения могут быть выделены только продукты термодинамического контроля, образующиеся в результате электрофильной реакции по атому углерода. Так, при взаимодействии нитропроизводных с бромом в щелочной среде в зависимости от соотношения реагентов могут быть получены моно- или дибромпроизводные.

При взаимодействии же нитроалкана с 0.5 эквивалентом брома половина исходного нитросоединения превращается в монобромпроизводное, которое далее реагирует с анионом исходного нитросоединения с образованием вицинального динитросоединения (сравните с окислительной димеризацией малоновых и ацетоуксусных эфиров!). Следует отметить, что хотя последняя стадия реакции, по-видимому, происходит по бимолекулярному механизму, в эту реакцию могут вступать и вторичные нитросоединения.

NO NOH N O

Вторичные и первичные нитросоединения можно различить между собой по реакции с азотистой кислотой. Нитросоединение растворяют в водном растворе щелочи, добавляют нитрит натрия и осторожно подкисляют полученный раствор. В случае первичных нитросоединений будет образовываться осадок так называемой нитроловой кислоты – геминального нитрооксима, растворимый в водной щелочи с образованием раствора красного цвета, окраска которого обусловлена анионом нитроловой кислоты. Вторичные нитросоединения также реагируют с азотистой кислотой, однако образующийся псевдонитрол (вещество сине-зеленого цвета) не обладает кислыми протонами и в водных растворах щелочей не растворяется. Третичные нитросоединения с азотистой кислотой не реагируют.

Следует отметить, что при нагревании нитроловые кислоты превращаются в малоустойчивые нитрилоксиды (разд. 3.2.2).

Поскольку, как отмечено выше, при наличии протонов у -углеродного атома нитросоединения легко образуют анионы в щелочной среде, они могут выступать в качестве активных метиленовых компонент в реакциях конденсации. Так, нитросоединения легко реагируют в щелочной среде с карбонильными соединениями, выступая в качестве метиленовой компоненты (объясните предпочтительность нитросоединений в качестве предшественника метиленовой компоненты по сравнению с карбонильными соединениями). Реакция происходит через промежуточное образование продукта конденсации альдольного типа, который в условиях реакции подвергается дегидратации, давая продукт кротонового типа – нитроолефин (реакция Генри). Все стадии реакции являются обратимыми.

+ H2O Анионы, генерированные из нитроалканов, способны выступать в качестве нуклеофилов в реакции Михаэля, присоединяясь по активированным кратным связям С = С. Высокая СН-кислотность нитросоединений позволяет превращать их количественно в соответствующие анионы, поэтому возможность протекания реакции самоконденсации,-ненасыщенных карбонильных соединений в присутствии аниона нитросоединения сводится к минимуму.

В сильнокислой среде при нагревании нитросоединения перегруппировываются в гидроксамовые кислоты. Полагают, что реакция происходит через ациформу. Гидроксамовые кислоты – производные карбоновых кислот гидролизуются в кислой среде с образованием карбоновых кислот и гидроксиламина. Один из промышленных методов получения гидроксиламина базируется на этой реакции с использованием динитроэтана-1,2 в качестве исходного соединения.

В какие продукты превращается «органическая часть» молекулы при производстве гидроксиламина из динитроэтана?

В отличие от этого, при подкислении щелочного раствора ацинитросоединения без охлаждения происходит гидролиз связи C = N в составе молекулы ациформы, приводящий к образованию карбонильного соединения. Это превращение известно под названием реакции Нефа.

Нитрогруппа в составе молекулы нитроалкана может быть восстановлена до аминогруппы действием алюмогидрида лития, борогидрида натрия в присутствии платины, металлами (железо, олово) в кислой среде. Двухлористое олово восстанавливает вторичные нитросоединения в смесь оксима и N-замещенного гидроксиламина.

Металлический цинк в водном растворе хлорида аммония восстанавливает как алифатические, так и ароматические нитросоединения преимущественно в N-замещенные производные гидроксиламина.

Нитрогруппа претерпевает различные превращения при действии магнийорганических реагентов, что следует иметь в виду при планировании металлорганического синтеза. Ниже представлены некоторые из продуктов, которые образуются при взаимодействии нитросоединений с магнийорганическим реагентом. Отметим, что на первой стадии происходит нуклеофильное присоединение по полярной кратной связи N = O.

Следует отметить, что при температуре –90 °С бутиллитий не присоединяется к нитрогруппе, а отрывает протон от -углеродного атома с образованием аниона, который в этих условиях алкилируется алкилгалогенидами по атому углерода.

2.2. Ароматические нитросоединения Основными методами синтеза ароматических нитросоединений являются реакция нитрования аренов и замена уже имеющейся в ароматическом кольце аминогруппы на нитрогруппу либо через соль диазония, либо ее окислением.

2.2.1. Свойства ароматических нитросоединений Нитрогруппа, являясь сильным акцептором электронов как по индуктивному, так и по мезомерному эффектам, сильно дезактивирует ароматическое кольцо по отношению к реакциям ароматического электрофильного замещения. Так, нитробензол не вступает в реакции алкилирования и ацилирования по Фриделю–Крафтсу, и часто используется как растворитель для проведения этих реакций.

Естественно, нитроарены не реагируют с солями арилдиазония, азотистой кислотой. В том случае, если реакция электрофильного замещения происходит (бромирование, хлорирование в присутствии кислот Льюиса; нитрование с использованием жестких условий – смеси «дымящей» азотной кислоты и олеума, нитратов с концентрированной серной кислотой; сульфирование олеумом при высокой температуре), то она идет в мета-положение.

Изобразите структуры -комплексов, которые могли бы образоваться в результате атаки электрофилом в орто-, мета- и параположения нитробензола и сравните их устойчивость. Сделайте вывод о предпочтительном направлении реакции.

Напротив, нитрогруппа, расположенная в бензольном кольце, особенно в орто- и пара-положениях к уходящей группе, облегчает протекание ароматического нуклеофильного замещения. Так, хлорбензол превращается в фенол при взаимодействии с водной щелочью при температуре порядка 300 °С, а 2,4,6-тринитрохлорбензол (пикрилхлорид) реагирует с горячей водой; реакция со щелочью происходит при комнатной температуре, приводя к пикриновой кислоте. Легкость протекания реакции нуклеофильного замещения объясняется стабилизацией анионного -комплекса (комплекса Мейзенгеймера) нитрогруппой.

С помощью резонансных структур продемонстрируйте способность нитрогруппы к делокализации отрицательного заряда в составе анионного -комплекса.

Следует отметить, что при взаимодействии полинитробензолов с О-центрированными нуклеофилами нитрогруппа способна выступать и в качестве уходящей группы.

Ароматические нитросоединения могут быть восстановлены в соответствующие амины различными восстановителями – железом или оловом в кислой среде, водородом на различных катализаторах (платина, палладий, никель Ренея), гидразингидратом в присутствии никеля Ренея, сульфидом аммония. В процессе восстановления атом азота последовательно меняет свою степень окисления, проходя через ряд промежуточных соединений, что можно представить следующей схемой:

Следует отметить, что в целом глубина протекания процесса восстановления металлами зависит от кислотности среды – в более кислой среде при прочих равных условиях восстановление протекает более глубоко. Помимо продуктов прямого восстановления нитросоединений, могут образовываться и продукты взаимодействия промежуточных соединений между собой. Так, промежуточно образующееся нитрозосоединение может реагировать с конечным продуктом – амином с образованием азосоединения. Реакция нитрозосоединения с другим интермедиатом – арилгидроксиламином – приводит к азоксисоединению. Восстановление азосоединения может происходить в условиях реакции с образованием гидразосоединения. К счастью, выбор условий реакции (восстановителя, рН среды) позволяет получать не весь набор возможных продуктов восстановления одновременно, а почти исключительно только один из них.

Так, цинк в присутствии хлорида аммония восстанавливает нитросоединения в производные гидроксиламина. Получить нитрозосоединение восстановлением нитросоединения затруднительно – для этого применяют реакцию окисления гидроксиламинопроизводных солями хрома (VI) в кислой среде. При взаимодействии ароматических нитросоединений с оксидом мышьяка (III) в щелочной среде или с метилатом натрия в метанольном растворе образуются азоксисоединения. Восстановление цинком в щелочной среде в растворе этилового спирта приводит к азосоединениям. Следует отметить, что азосоединения могут быть окислены в азоксисоединения действием пероксида водорода и, наоборот, азоксисоединения восстанавливаются в азосоединения трифенилфосфином. Восстановление цинком в водно-спиртовом растворе гидроксида натрия приводит к гидразосоединениям, которые очень легко окисляются кислородом воздуха в азосоединения. Дитионитом натрия азосоединения восстанавливаются в амины. Важно иметь в виду, что поскольку описанные выше превращения относятся к окислительно–восстановительным процессам, глубина протекания процесса восстановления может и существенным образом зависит от природы заместителя в ароматическом кольце: донорные заместители снижают восстановительный потенциал исходного нитросоединения и промежуточных продуктов, акцепторные – наоборот. Это означает, что в приведенных условиях указанные продукты образуются, главным образом, только в том случае, когда электронные свойства арильной группы близки к таковым для фенильной группы. В противном случае в тех же условиях можно ожидать образования и иных продуктов. В качестве примера такого влияния заместителя можно привести упомянутую выше реакцию восстановления метадинитробензола в мета-нитроанилин действием гидросульфида натрия. Реакция завершается восстановлением только одной нитрогруппы независимо от избытка восстановителя по той причине, что переход от акцепторной нитрогруппы как заместителя, снижающего восстановительный потенциал к донорной аминогруппе – повышающий потенциал восстановления полностью исключает восстановление второй нитрогруппы в этих условиях.

Еще одним своеобразным восстановителем ароматических нитросоединений являются эфиры фосфористой кислоты – триалкилфосфиты. Их действие сводится к тому, что они отщепляют по одному атому кислорода из нитрогруппы, приводя последовательно к нитрозосоединениям, а затем к нитренам.

ArNO Нитрен, будучи электронодефицитной частицей, может выступать в роли электрофила, и в том случае, если в составе той же молекулы существует центр, подходящий для электрофильной атаки, замыкается азотсодержащий гетероцикл, как это показано выше для получения 7H-бензо[c]карбазола. (Вспомните свойства карбенов!) 2.3. Некоторые свойства продуктов восстановления ароматических нитросоединений 2.3.1. Нитрозосоединения Интересной особенностью нитрозосоединений является их способность к обратимой димеризации. Так, нитрозобензол представляет собой бесцветное кристаллическое соединение, растворы которого имеют зеленый цвет. Причина этого явления заключается в том, что в кристаллическом состоянии нитрозобензол существует в виде димера, а в растворе присутствует как димерная, так и мономерная формы. Вообще, нитрозогруппа придает органическому веществу сине-зеленую окраску (в зависимости от строения молекулы).

Положение равновесия димер–мономер зависит от характера заместителя в ароматическом ядре – донорные заместители препятствуют димеризации, в связи с чем, пара-нитрозо-N,Nдиметиланилин (вещество зеленого цвета) и в растворе и в кристаллическом состоянии существует в виде мономера.