Феноли
Фенолами називають з'єднання загальної формули Ar-OH, Вони відрізняються від спиртів тим, що в них гидроксильная група безпосередньо приєднана до ароматичного кільцю. Залежно від кількості гідроксильних груп феноли різняться з атомної: одноатомні, двоатомні, триатомні і т.д., для бензолу до шестиатомний. Для метілфенолов прийнято спеціальну назву - крезоли.
Фенол 4-Метілфенол (п-крезол) a-нафтол b-нафтол
Похідні фенолів широко поширені в природі. Тимол є антисептиком і використовується в парфумерії. Евгенол міститься в різних ефірних маслах, у тому числі в гвоздична маслі.
2-ізопропіл-5-метілфенол 4-аліл-2-метоксіфенол
(Тимол) (евгенол)
Ароматичне ядро, безпосередньо пов'язане з гідроксильною групою робить сильний вплив на її поведінку. Цей вплив таке велике, що феноли і спирти представляють собою різні класи органічних сполук. Вони відрізняються, перш за все, по кислотності. Значення рКа більшості спиртів становить близько 18, в той час як фенолів - менше 11. Порівняємо, наприклад, циклогексанол і фенол:
Циклогексанол Фенол
рКа = 18 рКа = 9.9
Феноли є більш сильними кислотами, ніж вода, в той час як спирти більш слабкими, ніж вода. На відміну від спиртів феноли з лугом дають солі - феноксіди (феноляти), не руйнуються водою, але розкладаються сильнішою вугільної кислотою.
Наведені реакції використовуються для розділення фенолів, спиртів і карбонових кислот. Феноли, що містять електроноакцепторні групи в ядрі, мають велику кислотність, ніж сам фенол. Велика кислотність фенолів в порівнянні зі спиртами може бути пояснена тим, що електронна густина в них з атома кисню зміщена на бензольне кільце.
Упр.10. Що відбувається при пропусканні діоксиду вуглецю через водний розчин феноляту натрію? Напишіть рівняння цієї реакції.
Арілгалогеніди
З'єднання, в яких атоми галогенів приєднані до бензольному кільцю називають арілгалогенідамі. Галогени в арілгалогенідах більш стійкі до нуклеофільного заміщення, ніж у алкілгалогенідів. Наприклад, в 2 - (3-хлорфеніл)-1-хлоретане при звичайній температурі гідролізується тільки той атом хлору, який пов'язаний з насиченим атомом вуглецю.
2 - (3-хлорфеніл)-1-хлоретан 2 - (3-хлорфеніл)-1-етанол (1)
Арілгалогеніди не реагують по механізму SN1, тому що арил-катіони вкрай нестійкі і не можуть утворюватися. Вони не можуть реагувати і з механіз-му SN2, тому що бензольне кільце перешкоджає тилової атаці за механізмом SN2:
Хлорбензол можна нагрівати з лугом протягом декількох днів без помітного проходження реакцій заміщення:
Хлорбензол
Арілгалогеніди, на відміну від алкилгалогенидов, не дають позитивної реакції при дії на них нітрату срібла в спирті.
Вільні пари електронів на галогенні в них взаємодіють з p-системою зв'язків бензольного кільця. Мезомерний ефект (+ М-ефект) галогенів не великий, тому що активність їх р-електронів мала. Індуктивний же ефект (-I-ефект, тобто відтяжка електронної пари зв'язку до галогенних) завжди великий, і він наводить позитивний заряд на пов'язаний з ним атом вуглецю і далі на про-і п-атоми вуглецю бензольного кільця.
Підвищена міцність галогенуглеродной зв'язку в арілгалогенідах обумовлена двома факторами:
(1) aтом вуглецю в них sp2 гібрідізован, і тому електрони на його орбіталях ближче до ядра, ніж у sp3 гібрідізованного вуглецю;
(2) електронна пара на атомах галогену пов'язана з бензольні кільцем, і тому вона частково подвійна:
1.1. Нуклеофільне заміщення по механізму відщеплення-
приєднання (аріновий механізм)
Незважаючи на малу реакційну здатність арілгалогенідов вони досить широко використовуються в промисловості для одержання різних ароматичних сполук. Найбільш легко нуклеофільного заміщення піддається йод. У жорстких умовах арілгалогеніди (за винятком фторидів) вступають в реакції заміщення.
(2)
Феноксід натрію
При заміщенні хлору в пара-хлортолуоле на гідроксильну групу в аналогічних умовах утворюється суміш пара-і мета-крезолів.
(3)
п-Хлортолуол п-Крезол м-Крезол
При дії аміду калію на о-хлоранізол в рідкому аміаку утворюється м-аміноанізол.
(4)
о-Хлоранізол м-Аміноанізол
Такий результат можна пояснити за допомогою механізму відщеплення-приєднуваль-гання SNAr. На першій стадії нуклеофіл діє як підставу, отщепляя протон в орто-положенні до атома галогену ароматичного субстрату. Відщеплюється саме орто-протон, самий «кислий» (кислотність зменшується в ряду орто-Н> мета-Н> пара>). На другій стадії швидко відщеплюється галоген і утворюється дегідробензол.
Дегідробензол або бензин
Далі слід стадія приєднання HNu до молекули дегідробензола:
Дегідробензол дуже легко вступає в реакції приєднання з будь-якими нуклеофилами, наприклад, з розчинником. Атака буде відбуватися за обома троесвязанним атомам вуглецю, що і призводить до утворення суміші продуктів як у випадку п-хлортолуола. В о-хлоранізоле атака відбувається по одному атому з-за стеричних перешкод.
Слід мати на увазі, що орбіталі, що утворюють третій зв'язок в молекулі дегідробензола, не перекриваються з р-орбіталей бензольного каблучки і, отже, не беруть участі у сполученні. Вони знаходяться в тій же площині, що і кільце. Між собою вони перекриваються слабко, тому третій зв'язок і дуже реакційноздатні.
Упр.1. Напишіть реакцію п-хлортолуола з амідом натрію і опишіть її механізм.
Упр.2. Напишіть реакції хлорбензолу при підвищеній температурі в присутності міді з (а) ціанідом натрію і (б) з ацетатом натрію.
Відповідь.
(А)
Бензонітріл
При використанні мідного каталізатора ці реакції проходять легше (Ульман).
Упр.3. При заміщенні хлору в орто-хлортолуоле на гідроксильну групу при нагріванні з 15%-м водним розчином лугу під тиском утворюється суміш двох крезолів. Напишіть цю реакцію і опишіть е механізм.
1.2. Нуклеофільне заміщення по механізму приєднання-
відщеплення
Цей механізм, що позначається SNAr, характерний для арілгалогенідов, що містять активуючі елетроноакцепторние заступники в орто-і пара-положеннях кільця.
(5)
о-нітрохлорбензол о-нітрофенолу
(6)
2,4-динитро-N, N-диметиланілін
При наявності електроноакцепторних груп в мета-положенні аналогічного активуючого ефекту не спостерігається. Наприклад, м-нітрохлорбензол в аналогічну реакцію не вступає.
Описані реакції проходять за механізмом приєднання-відщеплення. Реакція здійснюється у дві стадії, з яких лімітуючої зазвичай є перша. В якості проміжного з'єднання утворюється s-комплекс (комплекс Мейзенгеймера), розпадається далі на продукти реакції. У деяких випадках комплекси Мейзенгеймера можуть бути виділені.
(М 1)
s-Комплекс
Незаміщений хлорбензол в цих умовах абсолютно інертний. Цікаво відзначити, що фтор в дінітрофторбензоле заміщається ще легше, ніж хлор. Тому 2,4-дінітрофторбезол широко використовується для введення 2,4-динитро-фенільного залишку, наприклад, в кінцеві аміногрупи білків.
2,4-Дінітрофторбензол
Нагадаємо, що в граничних з'єднаннях хлор рухливіше фтору. Це пояснюється тим, що хоча фтор і подає пов'язаному з ним атому вуглецю вільні електрони, але в набагато меншій мірі, ніж хлор.
Упр.4. Опишіть механізм реакції:
Відповідь:
Упр.5. Напишіть реакції і опишіть механізм: (а) 2,4,6-трінітрохлорбен-зола з водним розчином бікарбонату натрію з подальшим подкислением;
(Б) р-нітробензолу з метоксид натрію в метанолі при 100 о: (у) о-нітробензіл-ла з етиламін в етанолі при 160оС.
Упр.6. Напишіть реакції 2,4-дінітрохлорбензола: (а) з аніліном в етанолі при 95оС, (б) з гідразином в етанолі при нагріванні, (в) з аміаком у воді при 170оС під тиском.
Фенолами називають з'єднання загальної формули Ar-OH, Вони відрізняються від спиртів тим, що в них гидроксильная група безпосередньо приєднана до ароматичного кільцю. Залежно від кількості гідроксильних груп феноли різняться з атомної: одноатомні, двоатомні, триатомні і т.д., для бензолу до шестиатомний. Для метілфенолов прийнято спеціальну назву - крезоли.
Фенол 4-Метілфенол (п-крезол) a-нафтол b-нафтол
Похідні фенолів широко поширені в природі. Тимол є антисептиком і використовується в парфумерії. Евгенол міститься в різних ефірних маслах, у тому числі в гвоздична маслі.
2-ізопропіл-5-метілфенол 4-аліл-2-метоксіфенол
(Тимол) (евгенол)
Ароматичне ядро, безпосередньо пов'язане з гідроксильною групою робить сильний вплив на її поведінку. Цей вплив таке велике, що феноли і спирти представляють собою різні класи органічних сполук. Вони відрізняються, перш за все, по кислотності. Значення рКа більшості спиртів становить близько 18, в той час як фенолів - менше 11. Порівняємо, наприклад, циклогексанол і фенол:
Циклогексанол Фенол
рКа = 18 рКа = 9.9
Феноли є більш сильними кислотами, ніж вода, в той час як спирти більш слабкими, ніж вода. На відміну від спиртів феноли з лугом дають солі - феноксіди (феноляти), не руйнуються водою, але розкладаються сильнішою вугільної кислотою.
Наведені реакції використовуються для розділення фенолів, спиртів і карбонових кислот. Феноли, що містять електроноакцепторні групи в ядрі, мають велику кислотність, ніж сам фенол. Велика кислотність фенолів в порівнянні зі спиртами може бути пояснена тим, що електронна густина в них з атома кисню зміщена на бензольне кільце.
Упр.10. Що відбувається при пропусканні діоксиду вуглецю через водний розчин феноляту натрію? Напишіть рівняння цієї реакції.
Арілгалогеніди
З'єднання, в яких атоми галогенів приєднані до бензольному кільцю називають арілгалогенідамі. Галогени в арілгалогенідах більш стійкі до нуклеофільного заміщення, ніж у алкілгалогенідів. Наприклад, в 2 - (3-хлорфеніл)-1-хлоретане при звичайній температурі гідролізується тільки той атом хлору, який пов'язаний з насиченим атомом вуглецю.
2 - (3-хлорфеніл)-1-хлоретан 2 - (3-хлорфеніл)-1-етанол (1)
Арілгалогеніди не реагують по механізму SN1, тому що арил-катіони вкрай нестійкі і не можуть утворюватися. Вони не можуть реагувати і з механіз-му SN2, тому що бензольне кільце перешкоджає тилової атаці за механізмом SN2:
Хлорбензол можна нагрівати з лугом протягом декількох днів без помітного проходження реакцій заміщення:
Хлорбензол
Арілгалогеніди, на відміну від алкилгалогенидов, не дають позитивної реакції при дії на них нітрату срібла в спирті.
Вільні пари електронів на галогенні в них взаємодіють з p-системою зв'язків бензольного кільця. Мезомерний ефект (+ М-ефект) галогенів не великий, тому що активність їх р-електронів мала. Індуктивний же ефект (-I-ефект, тобто відтяжка електронної пари зв'язку до галогенних) завжди великий, і він наводить позитивний заряд на пов'язаний з ним атом вуглецю і далі на про-і п-атоми вуглецю бензольного кільця.
Підвищена міцність галогенуглеродной зв'язку в арілгалогенідах обумовлена двома факторами:
(1) aтом вуглецю в них sp2 гібрідізован, і тому електрони на його орбіталях ближче до ядра, ніж у sp3 гібрідізованного вуглецю;
(2) електронна пара на атомах галогену пов'язана з бензольні кільцем, і тому вона частково подвійна:
1.1. Нуклеофільне заміщення по механізму відщеплення-
приєднання (аріновий механізм)
Незважаючи на малу реакційну здатність арілгалогенідов вони досить широко використовуються в промисловості для одержання різних ароматичних сполук. Найбільш легко нуклеофільного заміщення піддається йод. У жорстких умовах арілгалогеніди (за винятком фторидів) вступають в реакції заміщення.
Феноксід натрію
При заміщенні хлору в пара-хлортолуоле на гідроксильну групу в аналогічних умовах утворюється суміш пара-і мета-крезолів.
п-Хлортолуол п-Крезол м-Крезол
При дії аміду калію на о-хлоранізол в рідкому аміаку утворюється м-аміноанізол.
о-Хлоранізол м-Аміноанізол
Такий результат можна пояснити за допомогою механізму відщеплення-приєднуваль-гання SNAr. На першій стадії нуклеофіл діє як підставу, отщепляя протон в орто-положенні до атома галогену ароматичного субстрату. Відщеплюється саме орто-протон, самий «кислий» (кислотність зменшується в ряду орто-Н> мета-Н> пара>). На другій стадії швидко відщеплюється галоген і утворюється дегідробензол.
Дегідробензол або бензин
Далі слід стадія приєднання HNu до молекули дегідробензола:
Дегідробензол дуже легко вступає в реакції приєднання з будь-якими нуклеофилами, наприклад, з розчинником. Атака буде відбуватися за обома троесвязанним атомам вуглецю, що і призводить до утворення суміші продуктів як у випадку п-хлортолуола. В о-хлоранізоле атака відбувається по одному атому з-за стеричних перешкод.
Слід мати на увазі, що орбіталі, що утворюють третій зв'язок в молекулі дегідробензола, не перекриваються з р-орбіталей бензольного каблучки і, отже, не беруть участі у сполученні. Вони знаходяться в тій же площині, що і кільце. Між собою вони перекриваються слабко, тому третій зв'язок і дуже реакційноздатні.
Упр.1. Напишіть реакцію п-хлортолуола з амідом натрію і опишіть її механізм.
Упр.2. Напишіть реакції хлорбензолу при підвищеній температурі в присутності міді з (а) ціанідом натрію і (б) з ацетатом натрію.
Відповідь.
(А)
Бензонітріл
При використанні мідного каталізатора ці реакції проходять легше (Ульман).
Упр.3. При заміщенні хлору в орто-хлортолуоле на гідроксильну групу при нагріванні з 15%-м водним розчином лугу під тиском утворюється суміш двох крезолів. Напишіть цю реакцію і опишіть е механізм.
1.2. Нуклеофільне заміщення по механізму приєднання-
відщеплення
Цей механізм, що позначається SNAr, характерний для арілгалогенідов, що містять активуючі елетроноакцепторние заступники в орто-і пара-положеннях кільця.
о-нітрохлорбензол о-нітрофенолу
2,4-динитро-N, N-диметиланілін
При наявності електроноакцепторних груп в мета-положенні аналогічного активуючого ефекту не спостерігається. Наприклад, м-нітрохлорбензол в аналогічну реакцію не вступає.
Описані реакції проходять за механізмом приєднання-відщеплення. Реакція здійснюється у дві стадії, з яких лімітуючої зазвичай є перша. В якості проміжного з'єднання утворюється s-комплекс (комплекс Мейзенгеймера), розпадається далі на продукти реакції. У деяких випадках комплекси Мейзенгеймера можуть бути виділені.
s-Комплекс
Незаміщений хлорбензол в цих умовах абсолютно інертний. Цікаво відзначити, що фтор в дінітрофторбензоле заміщається ще легше, ніж хлор. Тому 2,4-дінітрофторбезол широко використовується для введення 2,4-динитро-фенільного залишку, наприклад, в кінцеві аміногрупи білків.
2,4-Дінітрофторбензол
Нагадаємо, що в граничних з'єднаннях хлор рухливіше фтору. Це пояснюється тим, що хоча фтор і подає пов'язаному з ним атому вуглецю вільні електрони, але в набагато меншій мірі, ніж хлор.
Упр.4. Опишіть механізм реакції:
Відповідь:
Упр.5. Напишіть реакції і опишіть механізм: (а) 2,4,6-трінітрохлорбен-зола з водним розчином бікарбонату натрію з подальшим подкислением;
(Б) р-нітробензолу з метоксид натрію в метанолі при 100 о: (у) о-нітробензіл-ла з етиламін в етанолі при 160оС.
Упр.6. Напишіть реакції 2,4-дінітрохлорбензола: (а) з аніліном в етанолі при 95оС, (б) з гідразином в етанолі при нагріванні, (в) з аміаком у воді при 170оС під тиском.