Прямое воздействие галогенов на ароматические углкводороды

1. Прямое воздействие галогенов на ароматические углкводороды.

Галогены могут реагировать с ароматическим углеводородом тремя путями:

а) присоединяться к двойным связям бензольного кольца;

б) замещать водородный атом бензольного конца с образованием галогенарила;

в) замещать водородный атом в алкильной группе боковой цепи с образованием арилалкилгалогенида.

При действии на ароматические углеводороды галогенов (хлор, бром) на холоду в присутствии катализаторов происходит замещение водородных атомов в ядре с выделением гелагеноводородов:

FeCl₃

C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₆Cl + HCl

Катализатором при этом обычно является хлорид или бромид железа (ІІІ). В качестве катализаторов могут быть также использованы хлориды других металлов, такие, как AlCl₃, SbCl₃, SbCl₅, а также иод.

Роль катализатора заключается в активации (поляризации) галогена, который осуществляет электрофильное замещение в бензольном ядре. В присутствии FeCl3 хлорирование идет, например, по схеме:

.. .. ..

FeCl₃ + :Cl::Cl: ↔ FeCl^-₄ + Cl:⁺

۠۠۠ ۠ ۠۠۠۠۠ ۠ ۠ ۠۠

C₆H₆ + Cl⁺ → C₆H₅Cl + H⁺;

H⁺ + Cl₂ → HCl + Cl⁺ и т. д.

В боковую цепь можно ввести галоген в отсутствии катализаторов на свету или при нагревании. Механизм замещения в этом случае радикальный. Для толуола эти превращения могут быть выражены схемой:

Галогены относятся к заместителям первого рода, и потому при галогенировании бензола второй атом галогена вступает преимущественно в n-положение к первому. Однако галогены в отличие от других заместителей первого рода затрудняют замещение (по сравнению с бензолом).

При хлорировании n-фторхлорбензола третий атом галогена вступает в о-положение к хлору, а не к фтору. Следовательно, решающее влияние на порядок замещения оказывает индукционный эффект галогена (о-положение к атому фтора имеет большой положительный заряд, так как –I_F > -I_Cl):

2.Замена аминогруппы галогеном через промежуточное образование диазосоединений. Этот способ позволяет получать любые галогенпроизводные, в том числе и фторпроизводные:

 Cu₂Cl₂

───→ C₆H₅Cl + N₂

HONO + HCl KI

C₆H₅NH₂───→ C₆H₅N₂Cl ────→ C₆H₅I + KCl +N₂

Cu₂Br₂

───→  C₆H₅Br + Cu₂Cl₂ + N₂

[C₆H₅N₂]BF₄ → C₆H₅F + N₂ + BF₃

 

2.2 Адамантан

Структурные особенности адамантана определяют его необычные физические и химические свойства. Адамантан имеет самую высокую для углеводородов температуру плавления, равную 269°С, и плотность, равную 1,07 г/см³. Он термически устойчив в отсутствии кислорода при нагревании до 660°С. При давлении 20 килобар и температуре 480°С и выше он постепенно графитизируется. Адамантан исключительно стоек к агрессивным химическим средам и не взаимодействует с перманганатом калия, хромовой и концентрированной азотной кислотой даже при повышенной температуре.

В Таблице 1 показана зависимость выхода адамантана от применяемого катализатора.

Таблица 1. Результаты жидкофазной изомеризации ТМНБ в адамантан

Условия реакции	Выход адамантана, %
BF3, HF, 23 ат Н2, 50°С	73
SbF5, HF, 120°C, 5 ч	47,2
А1С13, Н2О	43,2
А1С13, НС1,40 ат Н2, 120°С	40
А1С13, НС1, трет-С4Н9Сl	40
BF3, HF	30
AlCl3, HBr	15
AICl3	15
А1С13	15–20
А1Вr3, трет-С4Н9Вг	25–30

Изомеризация ТМНБ в адамантан проводится по схеме:

К дальнейшей перегруппировке в адамантан по пространственным соображениям способен только эндо-изомер, а его равновесная концентрация составляет около 0,5 масс. %.

В кинетическом отношении изомеризация эндо-ТМНБ – одна из самых медленных перегруппировок насыщенных углеводородов в этих условиях: геометрическая изомеризация ТМНБ (перегруппировка Вагнера-Меервейна) протекает быстрее примерно в 10000 раз.

Этот способ синтеза стал основой для промышленной технологии адамантана. Легкость такой перегруппировки объясняется, высокой термодинамической стабильностью адамантана, поэтому обработка всех известных изомеров C₁₀H₁₆ кислотами Льюиса неизбежно приводит к этому полициклическому каркасному углеводороду.

Синтез адамантанкарбоновых кислот

Для получения кислот ряда адамантана широко применяют реакцию Коха-Хаафа. В качестве исходных веществ используют адамантан, 1-бром- , 1-гидроксиадамантан, а также нитрат 1-гидроксиадамантана.

Адамантан -1-карбоновая кислота получена при взаимодействии 1-бром- или 1-гидроксиадамантана с муравьиной кислотой в серной кислоте или адамантана с муравьиной или серной кислотой в присутствии третбутилового спирта.

Показано,что максимальный выход адамантан-1-карбоновой кислоты достигается при соотношении AdOH :HCOOH:H₂SO₄ = 1:1:24. Выход уменьшается при недостатке муравьиной кислоты.

Адамантан-1-карбоновая кислота может быть получена из адамантана в 20%-ном олеуме. Предполагают, что реакция протекает через образование адамантильного катиона

Для получения карбоновых кислот из адамантана используют его реакцию с СО₂ в серной кислоте или олеуме (автоклав ,90-160ºС). При этом образуется смесь адамантан-1-карбоновой и адамантан-1,3-дикарбоновой кислоты в соотношении 1:6.

Синтез (1-адамантил)уксусной кислоты из 1-бром или 1-гидроксиадамантана и дихлорэтилена осуществляют в 80-100%-ной H₂SO₄ в присутствии BF₃ при 0-15ºС.  

При взаимодействии адамантана и его производных с трихлорэтиленом в присутствии 90%-ной серной кислоты образуются соответствующие α-хлоруксусные кислоты.

3-алкиладамантан-1-карбоновые кислоты получают из алкиладамантанов в серной кислоте в присутствии третбутилового спирта и 95%-ной муравьиной кислоты.

 

Нитраты адамантана.

Реакция адамантана с избытком 96-98 %-ной азотной кислоты приводит к 1-нитроксиадамантану в качестве основного продукта реакции 1. 3-динитроксиадамантану.

Адамантан со смесью азотной и уксусной кислот взаимодействует с меньшей скоростью, чем с азотной кислотой, и максимальный выход нитрата 80 % достигается за 3 часа. Единственным побочным продуктом реакции является адамантол-1.

Изучение поведения адамантана вазотной кислоте и ее смеси с уксусной кислотой позволило предложить мехагизм образования 1-нитроксиадамантана, включающий стадию генерации адамантильного катиона.

Синтезировать тринитрокси- и тетранитроксипроизводные непосредственно из адамантана не удалось. Соответствующие нитраты были получены нитрованием спиртов смесью азотной кислоты с уксусным ангидридом.

 

Условия проведения реакции и выход продуктов в реакции 1-R-адамантанов с азотной кислотой

Способ получения нитратов ряда адамантана отличаетя простотой, высоким выходом и экономичностью, поэтому он представляет альтернативу методам получения функциональных производных с использованием бром- и гидроксиадамантанов.

В связи с этим, изучены реакции нитроксипроизводных адамантана и разработаны удобные способы получения арбоновых кислот, спиртов, аминов и других функциональных производных адамантанового ряда.

В синтезе адамантанкарбоновой и адамантандикарбоновой кислот выход составляет 94-96 %.

На основе нитрата адамантана был разрабтан способ получения адамантанкарбоновой кислоты через стадию получения 1-гидроксиадамантана. Этот метод получения адамантанкарбоновой кислоты, обеспечивающий высокое качество целевого продукта и экологическую чистоту процесса,был внедрен на АО “Олайнфарм” в производстве “ремантадин”.

3. Обсуждение результатов

Таким образом, в литературном обзоре были рассмотрены различные способы получения галогензамещенных адамантанкароновых кислот, но для синтеза 1-окси-3адамантанкарбоновой кислоты (такого задание на данный курсовой проект) мы выбираем метод получения данного соединения из адамантанкарбоновой кислоты

+ 2НNO₃ → + HNO₂ + H₂O

Данный метод был выбран, потому что он обуславливает наиболее высокий выход и сам процесс синтеза наименее трудоемкий (по сравнению с другими способами получения), а также его легко выполнить в лабораторных условиях.

4. Экспериментальная часть

 

4.1 Реагенты и оборудование

Азотная кислота, d = 1,5;

Адамантанкарбоновая кислота;

Олеум

+ 2НNO₃ → + HNO₂ + H₂O

Трехгорлая колба, магнитная мешалка, термометр, воронка Бюхнера, колба Бунзена.

4.2Методика эксперимента

К 63 мл (1.5 моль) 98-100%-ной азотной кислоты приливают 2.5 мл олеум (d=1.883) при 30-35º С присыпают 18 г (0.1 моль) 1- адамантанкарбоновой кислоты. Реакционную смесь выдерживают. 1 г при 40º С, охлаждают: выливают в лед. Выпавший осадок отфильтровывают иполучают 21.5 г (89%) нитрата 3-окси-1-адамантанкарбоновой кислоты.

Т_пл = 146º С (ацетон)

5. Выводы

1.         В данной курсовой работе были рассмотрены данные по синтезу карбоновых кислот алифатического, ароматического и полициклического ряда.

2.         На основе анализа литературных данных для выполнения курсового проекта, а именно для синтеза нитрата 1-окси-3-адамантанкарбоновой кислоты, был выбран метод синтеза из адамантанкарбоновой кислоты.

3.         В результате проведенного опыта: нитрат 1-окси-3-адамантанкарбоноваой кислоты был синтезироан с выходом 89 % (сырой продукт). Температура плавления соответствует литературным данным.

6.Библиографический список

 

1. Петров А. А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. – СПб: Иван Федоров, 2002. – 624 с.

2. H. Stetter, M. Schwarz, A. Hirschhorn Chem/ Ber? 1959,92, №7. Р. 667-672

3. H/ Stetter, J. Mayer Chem. Ber, 1959,92, №7. Р. 667-672.

4.И.К. Моисеев, Н.В. Макарова, М.Н. Земцова. Синтез адамантанкарбоновых кислот//Успехи химии,1999,68,№12. С 1114-1115.

5. Юдашкин А.В., Стулин Н.В., Моисеев И.К. Бифункциональные производные адамантана, Самара 1991.

6. Земцова М.Н. Методические указания к выполнению курсовой работы по органической химии, Самара 2004.