По физическим свойствам метилбензол (толуол) сходен с бензолом. При нормальных условиях он представляет собой бесцветную жидкость, нерастворимую в воде, но растворимую в органических растворителях. Подобно бензолу, он является хорошим растворителем органических соединений. В настоящее время толуол шире используют в качестве растворителя, чем бензол, из-за гораздо меньшей токсичности.
Химические свойства
Все реакции метилбензола можно подразделить на два типа: а) реакции, затрагивающие бензольное кольцо, и б) реакции, затрагивающие метильную группу.
Реакции в ароматическом кольце. Метилбензол вступает во все реакции электрофильного замещения, которые были описаны выше для бензола, а именно: в реакции нитрования, галогенирования, сульфирования и реакции Фриделя-Крафтса. Во всех этих реакциях метилбензол обнаруживает более высокую реакционную способность, и его реакции протекают с большей скоростью.
Нитрование метилбензола может осуществляться таким же способом, как и бензола. Продуктом нитрования метилбензола является смесь двух изомеров метилнитробензола:
Хлорирование толуола (метилбензола) в бензольное кольцо может проводиться путем пропускания через толуол газообразного хлора в присутствии хлорида алюминия (реакция проводится в темноте). Хлорид алюминия играет при этом роль катализатора. В этом случае образуются 2- и 4-замещенный изомеры:
Сульфирование метилбензола концентрированной серной кислотой тоже приводит к образованию смеси 2- и 4-замещенного изомеров:
Механизм всех этих реакций электрофильного замещения подобен механизму соответствующих реакций бензола. В этих реакциях 3-замещенные изомеры образуются в столь незначительных количествах, что ими можно пренебречь. Ниже эта особенность будет подробно обсуждена при рассмотрении направляющей (ориентирующей) способности замещающих групп.
Реакции в боковой цепи. Метильная группа в метилбензоле может вступать в определенные реакции, характерные для алканов, но также и в другие реакции, не характерные для алканов. Рассмотрим по одному примеру каждой из таких реакций.
Подобно алканам, метильная группа может галогенироваться по радикальному механизму. Для осуществления этой реакции хлор продувают через кипящий метилбензол в присутствии солнечного света или источника ультрафиолетового излучения. Отметим, что галогенирование бензольного кольца в метилбензоле требует совершенно иных условий.
Обратим внимание, что эта реакция представляет собой замещение. Дальнейшее галогенирование приводит к образованию следующих соединений:
Бромирование метилбензола осуществляется при аналогичных условиях и приводит к образованию соответствующих бромозамещениых соединений.
В предыдущем разделе указывалось, что алканы не вступают в реакции окисления даже с такими сильными окислителями, как перманганат калия. Однако метильная боковая цепь в метилбензоле подвергается окислению даже такими сравнительно мягкими окислителями, как оксид
Более сильные окислители, например перманганат калия, вызывают дальнейшее окисление:
Направляющее (ориентирующее) действие заместителей на бензольном кольце
Выше мы уже указывали, что электрофильное замещение метилбензола приводит к образованию 2- и 4-замещенного изомеров метилбензола. Поэтому метальную группу в метилбензоле называют 2,4-направляющей (или, иначе, ориентирующей в положения 2 и 4). Существуют и другие заместители на бензольном кольце, которые тоже обладают 2,4-направляющим действием в реакциях электрофильного замещения. Для таких реакций можно записать следующее общее уравнение:
В этом уравнении означает электрофил, а X-2,4-направляющий заместитель. Такие заместители обычно представляют собой насыщенные группы. К их числу относятся . При определенных условиях 2,4-направляющие заместители оказываются также 6-направляющими:
Реакции электрофильного замещения в положения 2 и 4 обычно имеют большую скорость, чем соответствующие реакции бензола.
К их числу относятся такие группы, как и . Реакции электрофильного замещения в положении 3 протекают медленнее, чем соответствующие реакции бензола.
Направляющая (ориентирующая) способность заместителей зависит от того, являются ли они донорами электронов для бензольного кольца или же, наоборот,
оттягивают от него электроны. 2,4-Замещение обусловливается положительным индуктивным эффектом либо положительным мезомерным эффектом. -Направляющие группы отдают электроны бензольному кольцу, вызывая указанные эффекты, и таким образом активируют кольцо. Поэтому они называются активирующими группами. 3-Направляющие группы оттягивают электроны от бензольного кольца, вызывая - и -эффекты. Они называются дезактивирующими группами.
Итак, повторим еще раз!
1. Ароматические соединения обладают следующими общими свойствами: а) горят с образованием дымного пламени;
(см. скан)
Рис. 18.7. Важнейшие реакции бензола.
Рис. 18.8. Важнейшие реакции метилбензола (толуола).
б) вступают в реакции замещения,
в) с трудом вступают в реакции присоединения.
2. Молекула бензола может рассматриваться как резонансный гибрид, образованный двумя предельными резонансными структурами.
3. Важнейшие химические реакции бензола указаны на рис. 18.7.
4. Важнейшие химические реакции метилбензола указаны на рис. 18.8.
5. В реакциях конденсации происходит соединение двух реагирующих молекул в новую молекулу с одновременным отщеплением небольшой молекулы какого-либо простого соединения, например воды или хлороводорода.
6. Насыщенные заместители на бензольном кольце обладают 2,4-направляющим (ориентирующим) действием.
7. Ненасыщенные заместители на бензольном кольце обладают З-иаправляю-щим (ориентирующим) действием.
Существование -комплексов, как устойчивых интермедиатов, Доказано прямыми опытами. Это не обязательно указывает на то, что переходное состояние реакции электрофильного присоединения - элиминирования сходно по структуре с -комплексом. В самом деле, вопрос о роли комплексов в этих реакциях все еще остается предметом дискуссии . В этом разделе основное внимание будет уделено механизму ароматического нитрования, который вызывает большой интерес . Затем будут рассмотрены Другие из перечисленных выше реакций электрофильного присоединения - элиминирования.
Результаты всех кинетических, спектроскопических и криоскопических работ, опубликованных до 1960 г., подтверждают точку зрения, что ион нитрония является эффективным электрофилом в реакциях нитрования аренов. С помощью спектроскопических и криоскопических методов были обнаружены низкие концентрации иона нитрония в безводной азотной кислоте. Надежно установлено также, что в присутствии большого избытка серной кислоты азотная кислота полностью превращается в нитронийбисульфат. Однако нитрование ароматических соединений, сходных по реакционной способности с бензолом, проходит в присутствии таких количеств воды, что ионы нитрония обнаружить невозможно. Вместе с тем участие ионов нитрония в нитровании также строго показано путем сравнения скорости нитрования со скоростью обмена 180 между средой и азотной кислотой. Реакции нитрования некоторых реакционноспособных субстратов в присутствии воды имеют нулевой кинетический порядок. Это указывает на то, что нитрующий агент образуется из азотной кислоты в медленной (лимитирующей) стадии, предшествующей атаке электрофила ароматическим кольцом. В отсутствие ароматического субстрата скорость обмена 180 между водой и азотной кислотой имеет нулевой порядок, как и при нитровании. Эти результаты лучше всего объясняются следующей схемой (уравнение 28):
Выделение нитрониевых солей, содержащих перхлорат-, тетра-фторборат- и гексафторфосфат-анионы, и тот факт, что эти соли являются эффективными нитрующими агентами, также свидетельствует в пользу ранее сделанных выводов.
Нитрование было использовано для установления относительной реакционной способности большого числа ароматических соединений. Относительные скорости замещения в и и -положения со статистическими поправками, так называемые парциальные факторы скорости, были рассчитаны для большого числа монозамещенных бензолов. Расчеты проводили, исходя из относительных скоростей по кинетическим данным или методом конкурентных реакций путем определения изомерного состава продукта реакции в тех же экспериментальных условиях. Очень близкие результаты были получены при нитровании эквимольных смесей бензола и толуола азотной кислотой в нитрометане, ацетонитриле, уксусном ангидриде или кислотных растворителях. Эти результаты также подтверждают универсальный характер механизма с участием нитроний-катиона. В табл. 2.5.2 приведены типичные примеры. Очевидно, что хотя распределение изомеров в реакциях с предварительно приготовленными нитрониевыми солями близко, к полученным ранее результатам, относительные скорости в реакциях с солями значительно ближе подходят друг к другу и, следовательно, парциальный фактор скорости, например для атаки метаположения, по-видимому, меньше, чем для отдельных положений бензола.
Таблица 2.5.2. Ориентация, относительная реакционная способность и парциальные факторы скорости при нитровании некоторых типичных молекул
Ниже приведен метод расчета на примере нитрования толуола сравнительно с бензолом в уксусной кислоте при . Напомним, что в бензоле имеется шесть эквивалентных положений, а в толуоле-одно пара-положение и по два орто- и мета-положений:
Изучение нитрования смесей бензола с толуолом с использованием предварительно приготовленных нитрониевых солей (см. табл. 2.5.2) и аналогичные эксперименты с м-ксилолом и мезитиленом, относительная реакционная способность которых по сравнению с бензолом оказалась равной 1,7 и 2,7 соответственно, увеличили число неясных вопросов. Выше уже упоминалось о непонятных результатах, полученных при расчете парциального фактора скорости для мета-положения. Кроме того, отмечалось, что в том случае, когда реакция успевает пройти в основном до того, как реагенты образуют достаточно однородную смесь, результаты определения реакционной способности из опытов по конкурентному замещению могут быть ошибочными.
Очевидно, что эта аномальная реакционная способность не подтверждается при определении констант скоростей нитрования нитрониевыми солями с помощью кинетических методов. Тем не менее были сделаны попытки обеспечить достаточное смешивание реагентов проведением реакции при различных их концентрациях. Эти результаты привели к предположению, что скорость ряда реакций аренов с электрофилами, в том числе и скорость нитрования нитрониевыми солями, связана скорее с -основностью, а не -основностью аренов. Иными словами, образование -комплекса является лимитирующей стадией. Однако место вхождения электрофила контролируется -основностью, как это показывают имеющиеся данные по распределению изомеров . Эта точка зрения на ароматическое нитрование была вновь подробно исследована . Было отмечено, что корреляция между соотношением продуктов нитрования нитрониевыми солями и относительной устойчивостью протонированных метилбензолов, по-видимому, ничуть не хуже, чем корреляция с устойчивостью -комплексов. Соотношение продуктов конкурентного нитрования полиметилбензолов смесью кислот в сульфолане также плохо коррелирует с устойчивостью -комплексов.
Вопрос, связанный со степенью прохождения реакции во время смешивания реагентов, изучен на примере нитрования бибензила, в котором каждое кольцо по реакционной способности аналогично толуолу, и, кроме того, передача влияния заместителя между кольцами минимальна. При использовании эквимольных концентраций бибензила и нитрониевой соли и полном смешении реагентов до начала реакции должны образоваться мононитробибензил (50%) и динитробибензил . С другой стороны, в случае неполного смешения реагентов до реакции должно увеличиться количество непрореагировавшего субстрата и динитробибеизила и уменьшиться количество мононитробибензила. Однако такое представление является слишком упрощенным, что со всей очевидностью следует из результатов нитрования бибензила азотной кислотой в уксусном ангидриде. Полнота смешивания не имеет значения для этой системы, но количество динитробибеизила составляет только 55% от ожидаемого. При нитровании бибензила в сульфолане нитронийтетрафторборатом с использованием различных концентраций и условий смешивания количество дизамещенного продукта всегда было значительно выше, чем это получается по приведенному расчету. Таким образом, простой метод конкурентных реакций не пригоден для определения относительной реакционной способности ароматических соединений при нитровании нитрониевыми солями. Очевидно, основное влияние оказывает скорость смешивания.
Интересные результаты были получены также при изучении кинетики нитрования аренов, реакционная способность которых выше, чем у бензола и толуола.
Можно было бы ожидать, что реакционная способность -ксилола, -ксилола и мезитилена значительно больше, чем у бензола (факторы около и ), однако при рассмотрении результатов нитрования в водной серной кислоте (68,3%) оказывается, что этот фактор ограничен значением 40. Предполагают, что лимитирующей стадией в этих реакциях является образование пары при столкновении между ионом нитрония и ароматическим субстратом. В чем различие между этим предположением и предположением о лимитирующем скорость образовании -комплексе? Ранее было отмечено, что соотношение продуктов плохо коррелирует с устойчивостью -комплексов. Эти факты можно объяснить, не прибегая к притягивающим взаимодействиям в пределах «пары столкновения». Энергетический барьер диссоциации «пары столкновения» на компоненты может превышать в кислой среде, этой энергии вполне достаточно для селективного образования -комплекса. Поскольку кинетические данные согласуются с диффузионной теорией соударений, то следует предпочесть термин "пара столкновения". Обсуждение всех приведенных выше данных приводит к заключению, что схему уравнений (28) следует видоизменить так, как это показано в уравнении (29), где определяет скорость только в исключительных обстоятельствах. Различные константы скорости атаки в орто-, мета- или пара-положения указывают, что распределение изомеров не зависит от лимитирующей стадии, поскольку в «пару столкновения» входит вся молекула арена, а не отдельные ее атомы.
Обсуждение нитрования можно удобно обобщить в виде энергетических профилей, как это сделано на рис. 2.5.1. Экспериментальные результаты показывают, что в случае нитрования бензола и толуола скорость определяющей стадией является образование -комплекса (рис. а и б соответственно), а образование «пары столкновения» определяет скорость нитрования псевдокумола (-триметилбензола) (рис. в).
Распределение изомеров, которое было обнаружено при нитровании толуола (см. табл. 2.5.2.), в основном не зависит от условий реакции, исключая обычное влияние температуры. Однако необычные результаты, полученные при изучении некоторых полиметилбензолов, осложняют понимание реакции нитрования . Так, нитрование азотной кислотой в уксусном ангидриде приводит к продуктам ацетоксилирования. Это смешивает все карты, заставляя предположить, что проходит электрофильное ацетоксилирование. В настоящее время известно, что это не имеет места.
Рис. 2.5.1. Профили энергии для реакций нитрования бензола (а) и толуола (б) и реакции образования 5- и : а, б-лимитирующей стадией является образование -комплекса; в - лимитирующей стадией является образование пары столкновения.
Хотя азотная кислота присутствует, главным образом, в виде ацетилнитрата, все же имеются некоторые сомнения относительно истинной природы электрофила. Так, азотная кислота в ускусном ангидриде реагирует с -ксилолом с образованием смеси -диметилнитробензола и -диметилфенилацетата. Выделение аддуктов, в которых ацетилнитрат присоединяется по замещенному положению (ипсо-атака), и тот факт, что эти аддукты разлагаются, очевидно, по внутримолекулярному механизму с образованием ацетата (57), свидетельствуют в пользу механизма, приведенного на схеме уравнений (30):
Аналогичные аддукты (58)-(64) выделены в реакциях с другими аренами, а некоторые аддукты были обнаружены в качестве интермедиатов. При реакции азотной кислоты в уксусном ангидриде с n-трет-бутилтолуолом при низкой температуре получены и выделены три аддукта. Основным продуктом является -аддукт (64), который, по-видимому, образуется в большем количестве, чем два других изомера, за счет пространственных затруднений в положении 4 (ипсо к трет-Ви). Другие нуклеофилы, например нитрат-ион и вода, также могут присоединяться к ипсо-замещенным -комплекса . Ипсо-Замещенные -комплексы можно регенерировать ацидолизом.
Нитрование о-ксилола в серной кислоте дает -диметилнитробензол и -диметилнитробензол, выход которых зависит от кислотности системы. При низкой кислотности получаются также нитродиметилфенолы. При ацидолизе эфиров (58) и (59) образуется -диметилнитробензол, выход которого увеличивается при возрастании кислотности; это подтверждает предположение, что нитрование ортоположения к алкильной группе, вероятно, часто включает первоначальную ипсо-атаку. Тот факт, что при ацидолизе (58) и (59) не образуется -диметилнитробензола, означает, что первоначальный ипсо-замещенный о-комплекс не превращается вновь в «пару столкновения» и что в нем не происходят ни , ни последовательные -сдвиги нитрогруппы. Эти результаты обобщены в уравнениях (31). Увеличение выхода и при возрастании кислотности среды при нитровании -триметилбензола в серной кислоте приписано миграции нитрогруппы от к и от к соответственно.
В настоящее время не известно ни одного достоверного примера последовательных внутримолекулярных -сдвигов через незамещенное положение. Однако известны последовательные -сдвиги из одного ипсо-положения через другое ипсо-положение. Например, при ацидолизе (65) образуются структурные изомеры (66) и (67), как показано в уравнении (32).
Раньше упоминалось об отщеплении ипсо-заместителя, например в случае протодесилилирования и протодесульфирования (см. с. 330,331). С этой точки зрения мы обсудим только замещение ипсо-заместителя на нитрогруппу. Многие реакции этого типа известны уже с давних пор, однако их механизм, как правило, не выяснен. К таким реакциям относятся дезалкилирование, дезацилирование, десилилирование, десульфирование, декарбоксилирование, дедиазотирование и дегалогенирование . Реакции с участием субстратов, сильно активированных по отношению к электрофильной атаке, могут включать первоначальное нитрозированце с последующим окислением.
При наличии заместителей в ядре бензола место вступления нитрогруппы и условия реакции определяются, как и при других реакциях электрофильного замещения природой имеющегося заместителя.
Ориентанты I рода (OH, OR, OCOR, NH 2 , NHR, NR 2 , NHCOR, –N=N–, CH 2 Cl, CH 3 , F, Cl, Br, I) направляют нитрогруппу преимущественно в орто-пара положения и облегчают (кроме галоидов) её вступление.
Ориентанты II рода (SO 3 H, NO 2 , COOH, COOR, CN, CCl 3) направляют нитрогруппу главным образом в мета-положение и затрудняют её введение в ядро.
Соединения, содержащие ориентанты I рода, нитруются в более мягких условиях: нитрование толуола до мононитросоединений происходит при температуре не выше 40°С; мононитрование фенола осуществляется даже разбавленной азотной кислотой при охлаждении. От характера имеющихся в ядре бензола заместителей зависит и скорость реакции. Сравнительное изменение скорости реакции под влиянием имеющегося заместителя схематически можно представить рядом, где группы, стоящие вправо от хлора, ускоряют реакцию, а влево – замедляют её.
NO 2 > SO 3 H > COOH > Cl < CH 3 < OCH 3 < OC 2 H 5 < OH
замедляют ускоряют
В случае ди- и полизамещенных бензолов влияние заместителей носит аддитивный характер. При наличии заместителей разного типа место вступления электрофила определяет ориентант I рода, так как он активирует ядро. Если оба заместителя одного рода, то место вступления определяет более сильный:
Нитрование толуола нитрующей смесью при 20-30°С приводит к получению смеси о- и n-нитротолуолов с почти количественным суммарным выходом.
Дальнейшее нитрование нитротолуолов до нитросоединений осуществляется при более высокой температуре.
 |
При действии дымящей азотной и серной кислот при 110°С на динитротолуолы образуется 2,4,6-тринитротолуол (тротил), применяющийся в качестве взрывчатого вещества. С увеличением числа алкильных групп в бензольном кольце нитрование облегчается. Ксилолы нитруются легче, чем толуол, а мезитилен в еще более мягких условиях ацетил- или бензоилнитратом.
Получение через диазосоединение
Методы этой группы гораздо менее многочисленны, но отличаются высокими выходами, низкими содержаниями примесей побочных продуктов, простотой и разнообразием в исполнении.
Наиболее простым и надежным способом этой группы является проведение реакции Зандмейера. Можно привести 2 примера различного проведения только этой стадии:
2.3 Другие методы
PhBr + TfOMe, антраниловая кислота в реакции Бородина- Хунсдикера, реакция о-дибромбензола и MeMgBr и тд. - имеют преимуществ по сравнению с другими методами и отличаются более низкой препаративной ценностью, хотя и представляют интерес.
Выбранный путь синтеза - анализ, описание методик выполнения стадий эксперимента
Основным критерием выбора того или иного метода, подробно описанного выше, является надежность и доступность. Этому отвечает путь толуол - нитротолуол - о-толуидин - о-бромтолуол.
Нитрование толуола
В трехгорлую колбу на 250 мл, снабженную мешалкой, капельной воронкой, внутренним термометром (прибор не должен быть герметичен) помещают 0,15 моль ароматического нитросоединения. Затем медленно, при хорошем перемешивании и охлаждении баней со льдом добавляют нитрующую смесь, предварительно охлажденную до по меньшей мере до 10 °C, температура реакционной смеси должна находится в интервале 5-10 °C.
Далее при комнотной температуре перемешивают ещё 2-3 часа. После этого реакционную смесь осторожно выливают в 300 мл ледяной воды и хорошо перемешивают. Отделяют органический слой, водный экстрагируют эфиром. Объединённые органические вытяжки промывают водой, 2 н. раствором бикарбоната натрия до нейтральной реакции, потом опять водой. обогревателем. Вытяжки высушивают над CaCl 2 и перегоняют. П-изомер вымораживают смесью льда и соли, промывают небольшим количеством холодного петролейного эфира. (Тщательное разделение довольно, этот метод оставляет около 4% п-изомера: вымораживание 8 часов смесью льда и соли (2:1). Хороший способ разделения, это восстановление п-изомера щелочным востановителем. П-толуидин может быть отделен благодаря своим основным свойствам. Лучше всего разделение достигается фракционной перегонкой с последующей кристаллизацией 11). Из фильтрата перегонкой в вакууме на 30 см колонке Вигре с электрическим обогревом выделяют о-изомер. Выход о-изомера 40 %. Температуры кипения о- и п-нитротолуола равны, соответственно, 96°С/9 мм. и 105°С /10 мм, температура плавления п-толуидина 52-54°С.
Нитрование бензола может быть проведено с небольшими количествами исходных веществ, без выделения чистого продукта. Для получения нитробензола по уравнению:
С 6 Н 6 + HNO 3 à C 6 H 5 NO 2 + Н 2 О
необходима концентрированная азотная кислота (уд. вес. 1,4). Реакционная смесь при этом не должна нагреваться выше 50-60"С. При применении разбавленной кислоты реакция нитрования не идет; при повышении температуры начинается заметное образование динитробензола.
Из уравнения следует, что для реакции необходимы эквимолекулярные количества исходных веществ. Однако в таком случае реакция не дойдет до конца, так как выделяющаяся вода будет разбавлять азотную кислоту, и она потеряет нитрующее свойство. Следовательно, чтобы довести реакцию до конца, надо взять больше азотной кислоты, чем следует по теории. Но, чтобы реакция при этом не стала слишком бурной, азотную кислоту нужно растворить в концентрированной серной кислоте, которая не лишает азотную кислоту нитрующего действия и связывает выделяющуюся при реакции воду.
Чтобы предупредить возможность повышения температуры при реакции, не смешивают сразу все вещества, а к смеси кислот постепенно добавляют бензол. В небольшую колбочку наливают 8 мл концентрированной серной кислоты и 5 мл концентрированной азотной кислоты. Охлаждают смесь в струе воды. Затем к охлажденной смеси прибавляют небольшими порциями 4 мл бензола, постоянно встряхивая колбочку, чтобы достичь большего смешения нерастворяющихся друг в друге жидкостей (смесь кислот составляет нижний слой, бензол - верхний слой). После приливания всего бензола для достижения полноты реакции колбу закрывают пробкой с вертикальной трубкой (пары бензола летучи) и нагревают на предварительно нагретой до 60°С водяной бане
Время от времени колбу встряхивают, чтобы жидкости лучше перемешивались.
Продолжительность нагревания может определяться не столько необходимостью достижения полноты реакции, сколько наличием времени на уроке. При работе в кружке нагревание следует продолжать минут 30-40. Па уроке же удается продемонстрировать образование нитробензола после нагревания в течение 10 мин и даже вовсе без дополнительного нагревания, если реакция хорошо шла при приливании бензола к смеси кислот.
Нитробензол располагается слоем поверх смеси кислот. Выливают содержимое колбы в стакан с большим количеством воды. При этом кислоты растворяются в воде, нитробензол же собирается на дне стакана в виде тяжелой желтоватой жидкости. Если позволяет время, сливают часть жидкости с нитробензола и отделяют его с помощью делительной воронки.
При получении значительных количеств нитробензола и необходимости его очистки, нитробензол промывают водой, разбавленным (5-процентным) раствором щелочи, затем снова водой, разделяя всякий раз жидкости с помощью делительной воронки. После этого обезвоживают нитробензол, нагревая его с гранулированным хлоридом кальция, пока жидкость не станет прозрачной. Нагревание при этом необходимо, чтобы понизить вязкость нитробензола и достичь таким образом более полного контакта его с хлоридом кальция. Наконец, нитробензол может быть перегнан из небольшой колбочки с воздушным холодильником при температуре 204-207°С. Для того чтобы избежать разложения остатков динитробензола, не рекомендуется проводить перегонку досуха.
