Галогенпохідні вуглеводнів: номенклатура, ізомерія, способи одержання, хімічні властивості та їх застосування у фармації. Реакції нуклеофільного заміщення та елімінування. Методи галогенування органічних сполук

Нітрогенвмісні сполуки аліфатичного ряду: нітро- та амінопохідні.

Ароматичні нітроарени.

О с н о в н і   п о н я т т я   т е м и

Амбідентність                                         Бімолекулярна реакція

Віцинальні дигалогеналкани                    Гемінальні дигалогеналкани

Мономолекулярна реакція                                 Нуклеофіл

Правило Зайцева                                                        Елімінування

Реактив Гриньяра                                            Карбкатіон

Механізм S_N1                                                      Механізм S_N2

Механізм Е₁                                                                                             Механізм Е₂

Похідні вуглеводнів, в яких один або декілька атомів Гідрогену заміщені на атоми галогенів (-F, –Cl, –Br, –J), називають галогенпохідними вуглеводнів.

За положенням атомів галогену галогеналкани поділяють на – первинні, вторинні та третинні.

 За числом атомів галогенів галогеналкани поділяють на:

–       моногалогенпохідні  –  СН3-СН2-Сl (хлоретан); СН3–Сl (хлорметан)

–       дигалогенпохідні  –  Br–CH2–CH2–Br (1,2-дибромоетан); СH3–CHCl2 (1,1-дихлороетан)

–       три-, тетра- та полігалогенпохідні: СHCl3 (хлороформ);

СHJ3 (йодоформ); ССl2=CHCl (трихлоретилен);

CCl4 (тетрахлоретан); СF2Cl2 (фреон-12)

СF3 – CH(Cl)Br (2-бромо-1,1,1-трифлуоро-2-хлороетан – фторотан)

НОМЕНКЛАТУРА.

Для галогенпохідних вуглеводнів використовують тривіальну, раціональну та замісникову номенклатури IUPAC.

В основі замісникової номенклатури лежить: вибираємо найдовший ланцюг, нумерацію проводимо з того краю, з якого знаходиться ближче замісник в алфавітному порядку. Наприклад,

 Якщо в склад головного ланцюга входить кратний зв’язок та атом галогену, то нумерацію починають з того краю, до якого ближче знаходиться кратний зв’язок. Наприклад,

 В основі раціональної номенклатури покладено назву ХЛОРИСТИЙ, БРОМИСТИЙ, ЙОДИСТИЙ чи ФЛУОРИСТИЙ + “назва радикалу”

Наприклад, С₂Н₅Cl – хлористий етил, CH3Br –бромистий метил.

ІЗОМЕРІЯ.

Для галогеналканів характерною є структурна і просторова ізомерія, зокрема:

Структурна ізомерія залежить від:

а) будови вуглецевого скелету;

б) положення атома галогену

Наприклад, розглянемо це для бутилхлориду: С4Н9Cl

Просторова ізомерія характеризується:

а) оптична ізомерія – існування дзеркальних ізомерів – явище енантіомерії. Оптичні ізомери можна виявити з допомогою методу поляриметрії.

Наприклад,

 б) конформаційна – здатність до обертання навколо одинарного s-зв’язку. Розрізняють загальмовану (найбільш вигідну), заслонену та скошену конформації.

Медико-біологічне значення галоген вуглеводнів.

Введення атома галогену в аліфатичний вуглеводневий радикал спричинює сильний вплив на фізіологічну активність сполук. Зокрема,

C2H5Cl – етилхлорид – засіб для місцевого знеболювання при невралгіях, великих поверхневих порізах ранах – внаслідок швидкого випаровування зі шкіри – сильне охолодження та втрата больової чутливості;

CHCl3 – хлороформ – засіб для інгаляційного наркозу. Відносно токсичний На світлі окислюється з утворенням HCl і фосгену (Cl–C(O)-Cl) – сильно токсичної речовини. Тому перед використанням потрібно перевіряти на наявність фосгену (на практичній).

CHJ3 – йодоформ – антисептичний засіб кристалічна речовина жовтого кольору, використовується у вигляді присипок та мазей.

СF3–CHBrCl – фторотан – (2-бромо-1,1,1-трифлуоро-2-хлороетан) – один із ефективних засобів загального наркозу.

Трихлоретилен (CCl2=CHCl) – потужний наркотичний засіб, особливо при необхідності короткочасного наркозу.

Введення атома хлору в ароматичне кільце збільшує токсичність сполуки, а введення галогенів у боковий ланцюг поряд з ароматичним кільцем приводить до появи сльозоточивих властивостей (речовини лакриматори)

Способи одержання галогеналканів:

1.     Хлорування та бромування насичених вуглеводнів реакції радикального заміщення (SR).

2.     Одержання йодпохідних проводять за допомогою реакції Фінкельштейна:

R–Cl  +  NaJ                                   R – J  +  NaCl ¯

 СН3–Cl  +  NaJ                          СH3 – J  +  NaCl ¯

3.     Гідрогалогенування – приєднання HCl, HBr чи HJ – до етиленових та ацетиленових вуглеводнів. Приєднання йде за правилом Марковнікова – атом Гідрогену приєднується до більш гідрогенізованого атома Карбону.

4. Заміщення функціональних груп (зокрема –ОН) на атом галогену при дії галогенуючих реагентів. Зокрема, дія на спирти наступних галогенуючих реагентів:

А) HCl, HBr, HJ або суміші NaCl + H2SO4 (конц.), KBr + H2SO4 (конц.)$

Б) PCl3, PCl5, PBr3, PBr5 чи суміші P + J2;

C) SOCl2, SO2Cl2.

Будова молекули, вплив атомів галогенів на активність сполук.

 Атом галогену, володіючи (-І)-ефектом суттєво впливає на активність сполук.

Відтягуючи електронну густину до себе, атом галогену призводить до поляризації зв’язку в молекулі і зв’язок між вуглецем і галогеном легко розривається і проходить заміщення атома галогену на іншу функціональну групу.

Чим більше алкільних радикалів зв’язано з вуглецем, біля якого є атом галогену, тим легше відбувається заміщення.

Значення довжин і енергій зв’язків С–Hal:

LC–F = 0,138 нм                             LC-Сl = 0,178 нм

ЕC–F = 452 кДж                              ЕC-Сl = 347 кДж

 LC–Br = 0,194 нм                                    LC–J = 0,214 нм

ЕC–Br = 293 кДж                                     ЕC–J = 222 кДж

Отже, виходячи з будови галогеналканів, найбільш характерною для них є:

1) реакція заміщення, яка відбувається за типом нуклеофільного заміщення (SN).

З другої сторони, для галогеналканів характерною є

2) реакція відщеплення (елімінування) при дії спиртового розчину лугу (Е).

Хімічні властивості галогеналканів можна зобразити такою схемою:

 

Добування етилхлориду.

У суху пробірку приладу для добування хлористого етилу (рис. 43) вносять 2-3 мл приготовленої суміші етилового спирту і концентрованої сульфатної кислоти (2:1). Після цього додають 1-2 г розтертого в порошок натрій хлориду і кусочок подрібненого фарфору. Пробірку закривають корком з прямою газовідвідною трубкою, яка має відтягнутий кінець, закріплюють у лапці на штативі і дуже обережно нагрівають (реакційна суміш у пробірці піниться). Виділяється хлористий етил, який за звичайних умов – газоподібна речовина з t_кип = 12,4 ⁰С. Запалюють його поблизу отвору газовідвідної трубки. Спостерігають, як хлористий етил горить характерним полум’ям із зеленою смугою. У полум’я вносять мідну дротинку, попередньо прожарену в полум’ї спиртівки або пальника. При цьому полум’я хлористого етилу, що горить, забарвлюється в інтенсивний зелений колір внаслідок утворення леткої сполуки купруму з хлором. Так виявляють присутність галогенів в органічних речовинах за пробою Бельштейна (див. дослід 6 (заняття 4)).

Реакція утворення хлористого етилу відбувається за наступними рівняннями:

H₃C–CH₂–OH + HOSO₃H « H₃C–CH₂-O-SO₂ОН + Н₂О

Етилсульфатна кислота

NaCl + H₂SO₄ = HCl + NaHSO₄

H₃C–CH₂-O-SO₂ОН + HCl ® H₃C–CH₂–Cl + H₂SO₄

        Етилхлорид

Не виймаючи пробірки із лапки штативу, дайте їх охолонути у витяжній шафі. Коли вміст пробірки охолоне, помийте пробірку і корок водою. Пам’ятайте, що в пробірці була концентрована сульфатна кислота.

Реакція нуклеофільного заміщення галогену.

Спостерігають утворення білого осаду аргентум хлориду, який не розчиняється в нітратній кислоті:

Порівняння активності атома галогену в галогеналканах.

Зв’язок між атомами карбону і атомами хлору, брому і йоду не є іонним. У пробірці з хлористим бутилом аргентум хлорид не утворюється (помутніння не спостерігається) навіть після тривалого стояння реакційної суміші. Якщо за кімнатної температури осади аргентум галогенідів не утворюються, то всі три пробірки з реакційними сумішами одночасно ставлять в гарячу водяну баню.

В однакових за своєю будовою галогеналканах легкість заміщення галогену падає в такій послідовності: J > Br > Cl > F.

Добування йодоформу

. Реакційна суміш набуває світло-жовтого забарвлення, а в разі її стояння випадає осад йодоформу жовтого кольору з дуже стійким характерним запахом. Необхідно стежити за тим, щоб у реакційній суміші не було надлишку лугу, який гідролізує йодоформ. Луг припиняють додавати після того, як йод у реакційній суміші знебарвиться. Реакція відбувається за такою схемою:

а) взаємодія йоду з лугом

J₂ + 2NaOH = NaJ + NaOJ + H₂O

б) окислення спирту в альдегід:

в) заміщення гідрогенів в радикалі оцтового альдегіду на галоген

г) розщеплення утвореної сполуки в присутності лугу

або в сумарному вигляді:

СH₃–CH₂OH + 4J₂ + 6NaOH ® CHJ₃ + HCOONa + 5NaJ + 5H₂O

Визначення доброякісності хлороформу.

Хлороформ під дією світла і кисню повітря поступово окислюється з утворенням хлороводню і отруйного фосгену, який при подальшому окисненні розкладається до карбон(IV) оксиду і вільного хлору:

 Для відкриття гідрогенхлориду помістіть в пробірку 2 краплі технічного хлороформу, добавте 3 краплі дистильованої води і 1 краплю розчину AgNO₃.

Для відкриття вільного хлору в пробірку внесіть три краплі досліджуваного хлороформу (дослід проводьте паралельно з чистим і технічним хлороформом), додайте 5 крапель дистильованої води, 1 краплю 0,5 н. розчин KJ і збовтайте. Якщо хлороформ містить вільний хлор, з калій йодиду виділиться вільний йод, який забарвить нижній шар хлороформу в рожевий колір. Напишіть схему реакції.

Відсутність рожевого кольору вказує на відсутність виділеного йоду, а, відповідно, і на домішки вільного хлору в досліджуваному об’єкті.

Якщо рожевий колір виявиться слабким і виникає сумнів, додайте в пробірку 1 краплю крохмального клейстеру. Синє забарвлення вказує на присутність йоду.

Синтез брометану.

Основна реакція: Нуклеофільне заміщення.

Рівняння проміжних реакцій:

H₂SO₄ + KBr Û KHSO₄ + HBr

C₂H₅OH + HO–SO₃H Û C₂H₅O–SO₃H + H₂O

Сумарне рівняння:

C₂H₅OH + H₂SO₄ + KBr ® C₂H₅Br + KHSO₄ + H₂O

Побічні реакції:

а) утворення діетилового ефіру

С₂H₅OH + H₂SO₄ Û C₂H₅O–SO₃H + H₂O

C₂H₅O–SO₃H + C₂H₅OH Û C₂H₅O–C₂H₅ + H₂SO₄

б) окислення бромоводню сульфатною кислотою

2HBr + H₂SO₄ Û Br₂ + SO₂ + 2H₂O

Реактиви: 95%-ний етиловий спирт, концентрована сульфатна кислота (r=1,84 г/мл), бромід калію.

Обладнання: пісочна або повітряна баня, круглодонна колба, холодильник, алонж, колба-приймач, баня з льодом, штативи, ділильна лійка, мідна дротинка для проведення проби Бельштейна на галогени.

Методика виконання. До 0,28 моль концентрованої сульфатної кислоти в стакані при постійному перемішуванні доливають 0,28 моль етанолу (ректифікату). Після охолодження до кімнатної температури до реакційної суміші обережно при перемішуванні і при постійному зовнішньому охолодженні додають 10 мл води. Переносять все у круглодонну колбу і потім додають 0,13 моль дрібно розтертого броміду калію.

Воду додають з метою пригнічення побічної реакції – утворення діетилового ефіру і зменшення втрат бромоводню за рахунок леткості. Для більш повного використання бромоводню етанол беруть в надлишку.

Колбу з’єднують з водяним холодильником, пропускаючи при цьому сильний струмінь води. Брометан леткий, а тому його збирають під водою. Кінець алонжа опускають приблизно на 1 см у воду з кусочками льоду, налиту в прийомник (рис. 45). Багато води не слід наливати, оскільки брометан дещо розчинний у воді: при 20⁰С в 100 г води розчиняється 0,914 г брометану. Ззовні колбу-приймач охолоджують в бані з льодом.

Реакційну колбу нагрівають, слідкуючи, щоб реакційну суміш не перекинуло в приймач. Брометан відганяється у вигляді важких маслянистих крапель, що опускаються на дно приймача. Якщо під час перегонки вода із колби піднімається в алонж, то приймач опускають, щоб тільки кінець алонжа був занурений у воду.

Коли перегонка брометану закінчиться, вміст приймача переливають в ділильну лійку і зливають брометан (нижній шар) в суху колбу на 50 мл. Колбу з бром етаном охолоджують сумішшю льоду з сіллю. Обережно по краплям і при струшуванні додають із крапельної лійки концентровану сульфатну кислоту до тих пір, поки вона не збереться у вигляді окремого шару над брометаном. При обробці сульфатною кислотою із брометану вилучають етанол (домішки), діетиловий ефір (побічний продукт) і воду (відбувається осушування).

Брометан перносять в суху ділильну лійку, відокремлюють верхній шар і переносять в колбу В’юрца. Перегонку (рис. 18 (заняття 2) сухого брометану ведуть на водяній бані; прймач охолоджують ззовні льодом. Збирають фракцію, що відгониться в інтервалі 35-40⁰С (основна маса брометану переганяється при 38-39⁰С) Вихід брометану 12 г.

Брометан (бромистий етил, етилбромід) – безбарвна рідина; змішується із спиртом, діетиловим ефіром, хлороформом. t_кип. 38,4⁰С; r 1,4555 г/мл; n²⁰_D 1,4239.

Спектр ПМР: триплет 1,67 м.ч., квадруплет 3,43 м.ч.

При зберіганні, особливо на світлі, брометан розкладається з виділенням вільного брому і бромоводню. Зберігають його в товстостінній банці з темного скла з притертим корком.

Синтез 1-бромбутану (з бутанолу-1 і броміду калію).

Основна реакція: Нуклеофільне заміщення.

Рівняння проміжних реакцій:

H₂SO₄ + KBr Û KHSO₄ + HBr

CH₃СН₂СН₂СН₂OH + HO–SO₃H Û CH₃СН₂СН₂СН₂O–SO₃H + H₂O

CH₃СН₂СН₂СН₂O–SO₃H + HBr Û CH₃СН₂СН₂СН₂Br + H₂SO₄

Сумарне рівняння:

CH₃СН₂СН₂СН₂OH + H₂SO₄ + KBr ® CH₃СН₂СН₂СН₂Br + KHSO₄ + H₂O

Побічні реакції:

а) утворення дибутилового ефіру

CH₃СН₂СН₂СН₂OH + H₂SO₄ Û CH₃СН₂СН₂СН₂O–SO₃H + H₂O

CH₃СН₂СН₂СН₂O–SO₃H + CH₃СН₂СН₂СН₂OH Û CH₃СН₂СН₂СН₂–O–CH₂СН₂СН₂СН₃+ H₂SO₄

б) окислення бромоводню сульфатною кислотою

2HBr + H₂SO₄ Û Br₂ + SO₂ + 2H₂O

Реактиви: бутанол-1, концентрована сульфатна кислота (r=1,84 г/мл), бромід калію, гідросульфіт натрію, гідрокарбонат натрію, хлорид кальцію.

Обладнання: пісочна або повітряна баня, круглодонна колба, дворогий форштос, крапельна лійка, холодильник, алонж, колба-приймач, штативи, ділильна лійка, мідна дротинка для проведення проби Бельштейна на галогени.

Методика виконання. У круглодонну колбу на 200 мл вносять 15 мл бутанолу-1 і 23 мл води. Потім вносять 0,21 моль дрібно розтертого броміду калію і декілька кип’ятильників. До колби приєднують з допомогою дворогого форштоса крапельну лійку і зворотній водяний холодильник (рис. 46). З крапельної лійки невеликими порціями по 2-3 мл приливають 0,3 моль концентрованої сульфатної кислоти. Після додавання кожної порції суміш перемішують струшуванням колби. Реакційну суміш нагрівають до кипіння і витримують при слабкому кипінні протягом 2 год. Потім зворотній холодильник заміняють низхідним, посиливши нагрівання, відганяють 1-бромбутан і збирають речовину у колбі-приймачі. Кінець алонжу занурений у воду.

Сирий продукт, що містить домішки: дибу тиловий ефір, бутанол-1, бутени і сліди брому, переносять в ділильну лійку і промивають розчином гідросульфіту натрію (для видалення слідів брому). Домішки дибу тилового ефіру і бутанолу-1 видаляють шляхом обробки продукту рівним об’ємом концентрованої сульфатної кислоти (обережно!) в сухій ділильній лійці. Спускають кислоту (нижній шар) і в тій же лійці промивають 1-бромбутан водою, розведеним розчином гідрокарбонату натрію і знову водою. З ділильної лійки 1-бромбутан зливають в невелику суху колбу і сушать хлоридом кальцію.

Сухий 1-бромбутан переганяють (рис. 19 (заняття 2)), збираючи фракцію, що кипить в інтервалі 98-103⁰С. Вихід – 16 г.

1-Бромбутан (н-бромистий бутил, н-бутилбромід) – безбарвна рідина; змішується із спиртом, діетиловим ефіром, добре розчиняється в ацетоні, в 100 г води при температурі 30⁰С розчиняється 0,061 г. t_топл. –112,4⁰С, t_кип. 101,6⁰С; r 1,299 г/мл; n²⁰_D 1,4398.

Спектр ПМР: триплет 0,8 м.ч., мультиплет 1,2 м.ч., триплет 3,4 м.ч.

При зберіганні, особливо на світлі, 1-бромбутан розкладається з виділенням вільного брому а тому його зберігають в банках з темного скла з притертим корком.

Взаємодія нітросполук з нітритною кислотою.

Спостерігають появу оранжево-червоного забарвлення, яке поступово зникає:

Вільна нітролова кислота в нейтральних і кислих розчинах безбарвна:

 Спостерігають появу синього кольору:

Третинні нітросполуки з нітритною кислотою не взаємодіють.

Дана реакція дозволяє ідентифікувати первинні, вторинні і третинні нітросполуки.

Відновлення нітрометану.

Відзначають появу характерного запаху метиламіну:

Червоний лакмусовий папірець, змочений водою, в парах метиламіну забарвлюється в синій колір.

Основність первинних, вторинних і третинних амінів.

Спостергіають утворення голубого осаду купрум(ІІ) гідроксиду,

2[СH₃NH₃]⁺OH^– + CuSO₄ ® (СH₃NH₃)₂SO₄ + Cu(OH)₂ ¯

який потім розчиняється, інтенсивно забарвлюючи розчин в фіолетовий колір.

Спостерігають утворення осаду бурого кольору:

3[СH₃NH₃]⁺OH^– + FeCl₃ ® 3[СH₃NH₃]⁺Cl^– + Fe(OH)₃ ¯

Джерела інформації:

А. Основні:

1. В.П. Черних, Б.С. Зименковський, І.С. Грищенко. Органічна хімія. В 3-х ч. Харків “Основа”, 1986. Ч. 1,2,3.

 2. Ю.О. Ластухін, С.А. Воронов. Органічна хімія. Львів “Центр Європи”, 2000.

3. Б.Н. Степаненко. Курс органической химии. В 2-х. ч. М.: Высш. Шк., 1981. Ч. 1,2.

 4. А.А. Петров, Х.В. Бальян, А.Т. Трощенко. Органическая химия. М.: Высш. шк., 1981.

5. Тексти лекцій.

В. Додаткові:

1. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии: В 2 кн. /Пер. с англ. /Под ред. А.Н. Несмеянова. – М.: Мир. 1968.

2. Марч Дж. Органическая химия: В 4 т. – М.: Мир, 1987.

3. Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х. Органическая химия. – М.: Химия, 1979. – 832 с.

4. Шабаров Ю.С. Органическая химия: В 2 кн. – М.: Химия, 1996. – 847 с.

5. Физер Л., Физер М. Органическая химия: В 2 кн. – М.: Химия, 1969.

6. Найдан В.М. Органічна хімія (Малий лабораторний практикум). – Київ, 1994. – 336 с.

7. Некрасов В.В. Руководство к малому практикуму по органической химии. – М.: Химия, 1964.

8. Голодников Г.В., Мандельштам Т.В. Практикум по органическому синтезу. – Издательство ЛГУ имени А.А. Жданова, 1976.