Методы синтеза фенолов

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ Министерство образования и науки ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИМЕНИТ КАФЕДРА ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ И ЭКОЛОГИИ

Курсовая работа

по органической химии

на тему: Методы синтеза фенолов

Тюмень 2011

Введение

Общая характеристика фенолов.

Фенолы — соединения, содержащие гидроксильную группу в бензольном кольце. Сам фенол, а так же крезолы содержатся в каменноугольной смоле. Тимол — 3-метил-6-изопропилфенол и изомерный ему корвалол — 2-метил-5-изопропилфенол — входят в состав душистых масел растений (соответственно чабреца и тмина).

Многоатомные фенолы в виде различных производных встречаются в природе и их применяют в медицине, технике и парфюмерии (таннин, ванилин, эвгенол, арбутин, лакмус, ализарин).

Фенолы находят широчайшее применение в качестве промежуточных продуктов в синтезе красителей, полимерных материалов и антиоксидантов (алкилфенолы, двухи трехатомные фенолы) и в качестве дезинфицирующих средств (фенол, крезолы).

Свойства Обычно фенолы представляют собой твердые кристаллические вещества с характерным резким запахом. Они плохо растворимы в воде, хорошо — в спирте и эфире. Удельный вес фенолов больше единицы.

В ИК-спектрах фенолов имеются полосы поглощения, характерные для Н — О и С — О валентных колебаний, соответственно 3600 см-1 и 1200 см-1. Наблюдается также типичное для ароматического кольца поглощение в области 1650 — 1400 см-1.

Сигналы ароматических протонов в ПМР-спектре наблюдаются в области 7 м.д. (д). Для протона гидроксильной группы характерна зависимость положения сигнала от концентрации.

Ароматическое ядро в фенолах обогащено электронами за счет мезомерного влияния атома кислорода гидроксильной группы. В связи с этим на последнем возникает дефицит электронной плотности и облегчается отщепление протона от гидроксильной группы. Образующаяся при этом промежуточная частица достаточно устойчива, так как отрицательный заряд делокализован, что можно показать четырьмя резонансными формами.

По этой причине фенол является слабой кислотой (К, а 25 = 1,3· 10−10) и в отличие от спиртов растворяются в водных растворах щелочи, образуя феноляты.

Кислотность фенолов существенно зависит от природы, числа и положения заместителей в ароматическом ядре: Электроноакцепторные заместители усиливают кислотность, а электронодонорные — ослабляют ее. 3]

Электронное строение фенола Все особенности свойств фенолов объясняютсяы электронным строением. Помимо р, р-сопряжения в бензольном кольце важнейшее значение для поведения молекулы имеет взаимное влияние заместителя (гидроксила) и ядра. Со стороны гидроксильного кислорода, как более электроотрицательного атома, на бензольное кольцо действует отрицательный индуктивный эффект, который, однако, не велик. Решающее значение для поляризации молекулы имеет положительный мезомерный эффект, который значительно сильнее индуктивного.

В составе образующегося общего р-электронного облака электронная плотность, выравниваясь, перераспределяется от атома углерода в сторону кольца:

Вследствие сопряжения связь С-О у фенолов становится значительно короче и прочнее в сравнении со спиртами и, как уже было сказано, ослабляется О-Н связь. 5]

1. Механизм SN

Реакции, в которые вступают ароматические субстраты, можно разделить на четыре основных типа: 1) реакции, активируемые электроноакцепторными группами в ортои пара-положениях к уходящей группе; 2) реакции, катализируемые очень сильными основаниями и протекающие через образование ариновых интермедиатов; 3) реакции, инициируемые донорами электронов; 4) реакции, в которых азот в соли диазония замещается нуклеофилом. Однако не все реакции можно отнести к представленным типам.

Известно четыре главных механизма ароматического нуклеофильного замещения: SNAr, SN1, ариновый механизм (механизм с образованием дегидробензола), SRN1

Механизм SNAr состоит из двух стадий:

Стадия 1:

Стадия 2:

Обычно, хотя и не всегда лимитирующей является первая стадия. В этом механизме атакующая частица связывается с субстратом, образуя интермедиат, от которого затем отрывается уходящая группа.

Механизм SN1 характерен для реакций солей диазония:

Стадия 1:

Стадия 2:

Считается, что механизм SN1 включает образование арилкатионов в качестве интермедиатов. Доказательства в пользу этого предположения следующие:

· Скорость реакции диазониевых солей описывается уравнением первого порядка и не зависит от концентрации А.

· При добавлении солей галогенидов в больших концентрациях продуктом реакции является арилгалогенид, но скорость не зависит от концентрации добавляемой соли.

· Влияние заместителей в кольце на скорость согласуется с мономолекулярным расщеплением, которое и определяет скорость реакции.

· При проведении реакции с субстратом, дейтерированным по орто-положению, наблюдаются изотопные эффекты порядка 1,22. Столь высокие вторичные изотопные эффекты трудно объяснить иначе, как тем, что зарождающийся фенилкатион стабилизирован гиперконъюгацией, которая понижается при замене водорода дейтерием.

· При проведении реакции с Ar15N+?N, возвращенное в исходное состояние вещество содержит не только Ar15N+?N, но и ArN+?15N. Это могло произойти только если бы азот отрывался от кольца, а потом снова присоединялся.

Ариновый механизм.

Для протекания реакций замещения арилгалогенидов, не содержащих активирующих групп, требуется более сильное основание, чем обычно. Входящая группа не всегда занимает положение, освобождаемое уходящей группой. Если в положение 1 арилгалогенида ввести меченный атом углерода, то в продуктах будут присутствовать почти равные количества арена, меченного по положению 1 и 2 относительно введенной группы.

Это можно объяснить механизмом, включающим элиминирование и последующее присоединение:

Стадия 1:

Стадия 2:

Симметричный интермедиат может быть атакован молекулой ВН по любому из двух положений. В пользу этого механизма можно привести следующие доказательства:

· С арилгалогенидами, имеющими два орто-заместителя реакция не должна происходить и она не происходит.

· Давно известно, что в отдельных случаях ароматическое нуклеофильное замещение осуществляется по другому положению (реакции кине-замещения).

· Порядок реакционной способности галогенидов Br > I > Cl >> F указывает на механизм, отличный от механизма SNAr.

Еще один возможный механизм реакций нуклеофильного замещения SRN1. Примером реализации такого механизма может служить реакция 6-иодо-1,2,4-триметилбензола с амидом калия в аммиаке. Состав продуктов 1,2,4-триметиланилина и 1,3,4-триметиланилина 5,9: 1. Для объяснения такого результата был предложен свободнорадикальный механизм:

Найдены и другие примеры реакций, идущих по этому механизму. На последней стадии образуется ион-радикал, так что процесс носит цепной характер. Для того, чтобы началась реакция требуется донор электронов. Для проведения реакций, идущих по механизму SRN1, не требуется наличия активирующих групп или добавления сильных оснований. 2]

1.1 Щелочное плавление бензосульфокислоты Этот метод используется в промышленном синтезе фенолов, долгое время он вообще был единственным методом получения фенолов в промышленных масштабах[3]. Обычно бензол сульфируют (продукты выделяют в виде щелчных солей сульфокислот высаливанием из реакционных смесей[3]), а затем вводят гидроксильную группу путем нуклеофильного замещения, используя сплавление с сильной щелочью[5].

Схема реакции имеет вид:

Механизм стадии нуклеофильного замещения сульфогруппы на ОН-:

Реакция применима ко всем аренам, устойчивым к действию твердых щелочей при высокой температуре. Ценность метода возрастает из-за возможности проводить сульфирование региоселективно. 3]

1.2 Реакция гидрокси-де-диазонирование Реакция идет в достаточно мягких условиях. Соли арилдиазония даже при низких температурах реагируют с водой, образуя фенолы:

Механизм реакции:

Эта реакция является причиной того, что соли диазония используют сразу после их получения. Реакция замещения диазогруппы на ОНпротекает столь легко, что может составить серьезную конкуренцию при проведении других реакций и привести к загрязнению полученных веществ фенолами. 5]

Если же необходимо провести целенапровленную реакцию замещения диазониевой группы на гидроксильную, избыток азотистой кислоты разрушают и раствор обычно кипятят. В качестве аниона лучше всего подходят кислые сульфаты, а не хлориды или нитраты,

1.3 Перегруппировка Фриса Реакцию используют для получения гидроксифенилкетонов, поскольку ацилирование фенолов может сопровождается осложнениями. Реакцию проводят в присутствие хлорида алюминия, чаще всего на холоду, реже — при нагревании, средой обычно является нитробензол.

Применение в качестве катализатора 70%-ной хлорной кислоты, или проведение реакции без растворителя позволяет получать о-ацилированные фенолы в качестве главных, а иногда и основных продуктов.

1.4 Перегруппировка Бамбергера

1.5 Синтез сложных эфиров неорганических кислот

1.6 Гидролиз сложных эфиров

1.7 Замещение галогена на ОН;

2. Механизм SE

В реакциях ароматического электрофильного замещения, в большинстве случаев, реализуется только один механизм по отношению к субстрату. Согласно этому механизму электрофил атакует на первой стадии, давая положительно заряженный интермедиат (аренониевый ион), а на второй стадии отщепляется уходящая группа (механизм с участием аренониевых ионов). Реже встречается механизм, в котором последовательность стадий обратная, то есть уходящая группа отщепляется до атаки электрофила (SE1). Механизмы, включающие одновременную атаку и отщепление уходящей группы, не встречаются вообще.

Механизм с участием аренониевых.

В механизме с участием аренониевых ионов происходящее с ароматическим субстратом, по существу, одинаково, различие проявляется в способах генерирования атакующих частиц.

Электрофил может быть положительно заряженным ионом или диполем. Если это положительно заряженный ион, он атакует кольцо, отнимая от секстета пару электронов, что приводит к карбокатиону:

Стадия 1:

Получившийся карбокатион можно представить резонансными структурами:

По резонансным структурам можно видеть, что для карбокатиона уже не характерна повышенная стабильность, связанная с ароматическим секстетом электронов, хотя этот ион стабилизирован собственным резонансом. Аренониевые ионы представляют собой высокореакционоспособные интермедиаты, которые стремятся к стабилизации путем дальнейшей реакции. Наиболее вероятный путь стабилизации состоит в выбросе либо R1+ либо R2+. Ароматический секстет при этом восстанавливается:

Стадия 2:

Вторая стадия почти всегда идет быстрее, чем первая, поэтому скорость реакции определяется первой стадией, и реакция имеет второй порядок.

Механизм SE1.

Этот механизм встречается редко и возможен лишь тогда, когда уходящая группа — это атом углерода, или в присутствии очень сильного основания. Он включает две стадии с промежуточным образованием карбаниона:

[2]

2.1 Кумольный способ

2.2 Прямое гидроксилирование

2.3 Расщепление алкилариловых эфиров

4. Электролитическое восстановление

4.1 Восстановление хинонов

5. Механизм согласованной перегруппировки синтез фенолов эфир

5.1 Перегруппировка Кляйзена