Реакции ароматических аминов

Рис. 5.

Ароматические амины вступают в химические превращения с участием аминогруппы или ароматического ядра. Ароматические амины имеют менее выраженный основный характер, чем алифатические. Так, константа диссоциации CH3NH2 равна 4,4 · 10−5, тогда как для анилина она имеет значение 3,8 · 10−10. Уменьшение основности анилина по сравнению с алифатическими аминами может быть объяснено взаимодействием неподеленной электронной пары азота с электронами ароматической системы. Такое сопряжение понижает способность электронной пары присоединять протон. К тому же при солеобразовании теряется сопряжение заместителя с кольцом, что также энергетически невыгодно. Присутствие электроноакцепторных групп в ядре (NO2, COOH, SO3H и др.) уменьшает основность. Противоположное действие оказывают электронодонорные заместители.

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.

Рис. 6.

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.

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.

Алкилирование ароматических аминов.

Подобно аминам жирного ряда первичные и вторичные ароматические амины реагируют с алкилгалогенидами. Эта реакция является способом получения вторичных и третичных аминов.

.

Метилирование — замещение атома водорода, металла или галогена на метильную группу — СН3. Осуществляется различными метилирующими агентами (йодистым метилом CH3I, диметилсульфатом (CH3O)2SO2, метилсерной кислотой CH3OSO3H, метиловыми эфирами органических сульфокислот, а также метанолом СН3ОН и диметиловым эфиром (СН3)2О). Широко применяется в промышленном органическом синтезе. Метиланилин и диметиланилин в промышленности получают метилированием анилина метанолом над Al2O3, при высокой температуре.

Особенности N-Алкилирования анилина.

Химические свойства анилина (C6H5NH2) обусловлены наличием атома N и бензольного ядра, которые взаимно влияют друг на друга. N-Алкилирование анилина проходит по общей схеме алкилирования аминов:

С6Н5NH2 > С6Н5NHR > С6Н5NR2 > С6Н5+NR3.

На промежуточных этапах реакции образуются вторичные и третичные амины, а на завершающем — соли полностью замещенного четвертичного аммония. В общем случае, когда алкил R не вызывает больших пространственных препятствий для дальнейшего течения реакции, скорости отдельных ее этапов мало отличаются друг от друга, и в результате алкилирования образуются смеси продуктов. Из них соли триалкиламмония легко отделить благодаря их растворимости в воде или же превратить в третичные амины при нагревании в щелочной среде под давлением.

С6Н5+NR3X- + NaОН > С6Н5NR2 + ROН + NaX.

Наибольшие трудности связаны с получением вторичных аминов; в обычных условиях они неизбежно образуются в смеси с первичными и третичными аминами. Разделение таких смесей, как правило, затруднительно, т. к. их компоненты имеют близкие температуры кипения.

В качестве алкилирующих агентов применяются алифатические спирты (в присутствии кислот), алкилгалогениды, простые эфиры, алкиловые эфиры серной кислоты и ароматических сульфокислот, непредельные соединения, в присутствии водорода — альдегиды и кетоны.

Алкилирование спиртами.

Алкилирование ароматических аминов спиртами проводят обычно с добавлением небольших количеств кислых агентов: минеральная кислота, хлорид фосфора (III), при 200 °C в автоклавах под давлением (до 3 МПа и выше). Обычно используют метанол и этанол, реже бутанол и высшие спирты; в качестве минеральной кислоты применяют хлороводородную и серную кислоты (0,05−0,3 моль на 1 моль амина).

Когда введение в реакционную массу воды нежелательно, то вместо хлороводородной кислоты применяют гидрохлориды соответствующих ароматических аминов.

Под действием кислоты происходит протонирование спирта, например метанола, с образованием метоксониевого иона, который далее диссоциирует с образованием метил-катиона, проявляющего электрофильные свойства и способного атаковать атом азота аминогруппы.

СН3ОН + Н+ > СН3+ОН2 > +СН3 + Н2О.

ArNН2 + +СН3 > Аr+NН2СН3 > АrNНСН3 + Н+.

Первоначально образующийся вторичный амин подвергается действию метил-катиона с образованием третичного амина, который также атакуется метил-катионом с образованием катиона четвертичной аммониевой соли.

.

Реакцию алкилирования трудно остановить на какой-то определенной стадии. Изменяя количество исходного спирта, можно сдвинуть реакцию в сторону образования вторичного или третичного амина. Так, для получения N, N-диметиланилина применяют 3−4 моль метанола спирта на 1 моль анилина и добавляют 0,1−2 моль серной кислоты; реакцию ведут при 205−215°С и давлении 3 МПа. В этих условиях образуется также соль четвертичного аммониевого основания и в незначительном количестве монометиланилин [ N-метиланилин].

.

Для превращения образовавшейся соли четвертичного аммониевого основания в целевой продукт-N, N-диметиланилин. После окончания алкилирования содержимое автоклава обрабатывают щелочью и нагревают при 130−170°С.

Продукт реакции отделяют от водного слоя и очищают перегонкой.

.

При уменьшении количества спирта и увеличении продолжительности реакции повышается выход моноалкиланилина. Иногда алкилирование анилина ведут, используя около 2 моль спирта на 1 моль анилина, до исчезновения в реакционной массе анилина. В ряде случаев количество применяемого спирта составляет менее 1 моль; при этом реакционная масса содержит анилин и моноалкиланилин и не содержит третичный амин.

Вместо соляной или серной кислоты при алкилировании спиртами можно с успехом пользоваться трихлоридом фосфора (РСl3), который добавляют в количестве 0,8−0,9% от взятого амина. Использование этого катализатора позволяет значительно сократить время реакции и получить вторичные и третичные амины с хорошим выходом.

Алкилирование ароматических аминов спиртами может быть осуществлено в паровой фазе, как гетерогенно-каталитический процесс. В качестве катализаторов используют обычно Al2О3, а также его смеси с ThO2, TiO2, ZrO2. Пары амина и спирта пропускают над катализатором при 300−400°С.

Следует отметить, что при парофазном алкилировании ароматических аминов спиртами возможно С-алкилирование — вступление алкильной группы в ароматическое кольцо.

Алкилирование алкилгалогенидами.

Алкилгалогениды применяют для алкилирования ароматических аминов в тех случаях, когда последние не могут быть проалкилированы спиртами или когда алкилгалогениды более доступны, чем соответствующие спирты.

ArNH2 + RX > ArNНR + HXХ = CI, Br.

Для связывания выделяющегося галогеноводорода берут избыток амина или добавляют в реакционную массу вещества основного характера (гидроксид натрия, карбонат натрия или кальция, гидроксид кальция и др.). При использовании низкокипящих алкилгалогенидов (например, метилхлорида, этилхлорида) реакцию проводят под давлением в автоклавах.

В качестве алкилгалогенидов обычно используют более дешевые и доступные алкилхлориды.

Алкилирование эфирами.

В качестве алкилирующих агентов могут быть использованы простые эфиры (например, диметиловый эфир СН3ОСН3, побочно образующийся в производстве метанола), алкиловые эфиры серной кислоты (диметилсульфат, диэтилсульфат) или метиловые эфиры ароматических сульфокислот (например, метиловый эфир бензолсульфокислоты С6Н5SO2OCH3 или метиловый эфир п-толуолсульфокислоты п-CH3С6Н5SO2OCH3).

В промышленности процесс алкилирования анилина диметиловым эфиром осуществляется в паровой фазе, как гетерогенно-каталитический. В испарителе пары анилина смешиваются с парами (диметилового эфира) смесь паров поступает в контактный аппарат трубчатого типа, в который загружен катализатор (активный оксид алюминия); процесс ведут при 230−295 °С. Из контактного аппарата выходит смесь аминов, содержащая 94−96% N, N-диметиланилина и метанол. После отделения метанола смесь аминов с диметиловым эфиром поступает во второй контактный аппарат. В результате двукратного контактирования получают N, N-диметиланилин с выходом 99,5−99,6%.

C6H5NH2 + 2(СН3)2О > С6Н5N (СН3)2 + 2СН3ОН.

Алкилирование анилина эфирами серной кислоты или ароматических сульфокислот применяется сравнительно редко.

C6H5NH2 + (CH3)2SO4 > С6Н5NНСН3 + CH3ОSO3Н.

C6H5NH2 + С6Н5SO2OCH3 > С6Н5NНСН3 + С6Н5SO3Н.

Реакция анилина с альдегидами.

Анилин легко (особенно в присутствии щелочи) взаимодействует с альдегидами, образуя азометины (основания Шиффа). При действии разбавленных кислот азометины расщепляются на исходные амин и альдегид, причем реакция начинается уже на холоду.

Реакция образования азометинов используется для временной защиты аминогруппы и как промежуточная стадия при синтезе вторичных аминов, которые трудно получить в чистом виде прямым алкилированием анилина. Для получения вторичного амина азометин гидрируют над катализатором, например над никелем Ренея или палладием на угле.

Алкилирование первичных и вторичных аминов.

Для получения определенных алкиламинов следует проводить алкилирование в присутствии веществ, способных связывать образующийся галоидоводород, например, углекислой или двууглекислой соли щелочного металла. Для выделения вторичных аминов, наряду с вышеупомянутыми способами, обычно, за исключением некоторых особых случаев, пользуются способностью вторичных аминов образовывать нитрозамины. При восстановлении нитрозаминов оловом с соляной кислотой или при нагревании их с минеральными кислотами получаются чистые вторичные амины. Другой способ, по которому удается получать вторичные амины с значительно лучшими выходами, основан на способности металлических производных многих замещенных амидов типа RCONHR реагировать с галоидными алкилами. Из продукта алкилирования при гидролизе получается вторичный амин.

.

Для этой цели удобно пользоваться ацетанилидом и его гомологами. Кроме того, применялись и формильные производные первичных ароматических аминов, а также арилсульфонильные производные первичных аминов.

Другой способ получения гомологов метиланилина заключается в нагревании галоидного алкила с большим избытком ароматического амина. По окончании реакции избыток ароматического амина осаждают прибавлением водного раствора хлористого цинка. Этот способ применялся для получения многих алкиланилинов с вполне удовлетворительными результатами. Таким же путем могут быть получены алкиланилины, содержащие третичную алкильную группу. Для алкилирования аминов также можно пользоваться диалкилсульфатами.

Другой интересный способ получения вторичных аминов основан на взаимодействии азометинов с йодистыми алкилами, причем образуются соединения, которые по прибавлении воды или спирта расщепляются на вторичный амин и альдегид.

.