Тема 18. Моно- та дикарбонові кислоти. Малий практикум.

 

План

Програма самопідготовки студентів.

1.      Класифікація, номенклатура, ізомерія та способи одержання насичених, ненасичених монокарбонових кислот.

2.      Електронна будова карбоксильної групи і карбоксилат-аніону як р,-спряжених систем.

3.      Кислотні властивості карбонових кислот, утворення солей. Залежність кислотних властивостей від електронних ефектів замісників.

4.      Реакції нуклеофільного заміщення при тригональному атомі карбону, механізм. Роль кислотного і основного каталізу.

5.      Вплив карбоксильної групи на перебіг хімічних реакцій по вуглеводневому радикалу:

6.      Підвищення СН-кислотності -вуглецевого атома (реакція Геля-Фольгарда-Зелінського, складно-ефірна конденсація).

7.      Приєднання проти правила Марковникова в , -ненасичених кислотах.

8.      Реакції окиснення і відновлення кислот.

9.      Класифікація, номенклатура, ізомерія та способи одержання насичених, ненасичених дикарбонових кислот.

10.  Кислотні властивості дикарбонових кислот. Будова і стійкість карбоксилат-аніону та діаніону.

11.  Моно- та біфункціональні похідні дикарбонових кислот.

12.  Відношення дикарбонових кислот до нагрівання. Циклічні ангідриди.

13.  Вплив карбоксильних груп на перебіг хімічних реакцій по вуглеводневому радикалу.

14.  Використання малонового естеру в органічному синтезі (малоновий синтез).

15.  Інструментальні і хімічні методи ідентифікації карбонових кислот.

16.  Окремі представники моно- та дикарбонових кислот та їх практичне застосування (мурашина, оцтова, пропіонова, масляна, валер’янова, ізовалер’янова, акрилова, метакрилова, оксалатна, малонова, янтарна, адипінова, малеїнова, фумарова).

17.  Номенклатура, будова, способи одержання та фізичні властивості найважливіших функціональних похідних карбонових кислот.

18.  Функціональні похідні – ангідриди та галогенангідриди як активні ацилюючі реагенти. Хімічні властивості галогенангідридів і ангідридів карбонових кислот.

19.  Естери. Кислотний і лужний гідроліз естерів (механізм реакцій). Складноефірна конденсація (конденсація Кляйзена). Жири і воски як складні ефіри.

20.  Порівняльна характеристика ацилюючих властивостей карбонових кислот і їх функціональних похідних.

21.  Ідентифікація функціональних похідних карбонових кислот.

22.  Окремі представники, застосування.

 

 

1. Моноядерні арени: номенклатура та структурна ізомерія моноядерних аренів. Ароматичні радикали.

Назва ароматичні сполуки виникла на початку 19-го ст., коли були вперше відкриті сполуки цього типу при їх виділенні із рослинних смол і бальзамів, що мали дуже приємні запахи. І хоч пізніше виявилось, що в основної більшості ароматичних сполук, навпаки, запахи неприємні, однак назва збереглася.

Ароматичні вуглеводні (арени) – це циклічні сполуки бензенового ряду, що мають специфічну властивість – ароматичність, яка зумовлює спільні ознаки в їх будові та реакційній здатності.

Структурним родоначальником аренів є бензен.

Ароматична молекула означає її підвищену стійкість, обумовлену делокалізацією p-електронів в циклічній системі.

Критерії ароматичності аренів:

1.              Атоми Карбону в sp²-гібридизованому стані утворюють циклічну систему.

2.              Атоми Карбону розташовуються в одній площині (цикл має плоску будову).

3.              Замкнута система зв’язаних зв’язків містить
4n+2 p-електронів (n – ціле число) (підпорядкування правилу Хюккеля).

Цим критеріям повністю відповідає молекула бензену С₆Н₆.

 

1 АРОМАТИЧНІСТЬ. БУДОВА МОЛЕКУЛИ БЕНЗЕНУ

Поняття ароматичність об’єднує сукупність певних ознак, які визначаються за правилом Хюккеля:

Ароматичною називається замкнута система, що має плоский циклічний s–скелет і 4n+2 узагальнених p–електрони, де= =1,2,3,…

Структура молекули бензену С₆Н₆ ідеально відповідає правилу ароматичності Хюккеля, оскільки в ній всі шість атомів С перебувають у стані sp²-гібридизації. Внаслідок цього осі трьох sp2-гібридизованих одноелектронних орбіталей знаходяться на одній площині під кутом 120⁰, а вісь четвертої, негібридизованої, рz-орбіталі розміщується перпендикулярно до них. Кожний атом карбону утворює за рахунок гібридизованих орбіталей три s-зв’язки: два – із сусідніми атомами карбону, а третій – при перекриванні зі сферичною s-орбіталлю атома гідрогену. Отже, усі s-зв’язки в молекулі С₆Н₆ копланарні, тобто лежать на одній площині. Таким чином, шість атомів С без напруження замикаються за допомогою s-зв’язків у правильний шестикутник – так званий s-скелет молекули.

Шість негібридизованих р_z-орбіталей, які розміщуються перпендикулярно до s-скелета і паралельно одна до одної, взаємно перекриваються, утворюючи єдину делокалізовану p-електронну хмару, тобто виникає колове спряження. Найбільша електронна густина в цій спряженій системі розміщується над і під площиною s-скелета молекули і охоплює всі шість атомів С у циклі. Завдяки коловому спряженню всі зв’язк и між атомами карбону вирівнюються, вони мають однакову довжину (0,139нм), яка є проміжною між довжиною подвійного зв’язк у в алкенах (0,133нм) і одинарного в алканах (0,154нм). Вирівнювання зв’язк ів С–С у бензені графічно зображується правильним колом всередині правильного шестикутника.

Колове спряження та вирівнювання довжини зв’язк ів приводить до того, що зв’язки у бензені не можуть вважатися одинарними чи подвійними. На основі точних фізико-хімічних методів дослідження встановлено, що насправді кратність зв’язк ів С–С у молекулі бензену становить 1,67.

Будова молекули бензену: а) s-скелет молекули; б) розташування негібридизованих p_z–орбіталей перпендикулярно до площини σ-зв’язків; в) утворення колового спряження.

Колове спряження дає виграш в енергії 150,7 кДж/моль. Нагадаємо, що енергетичний виграш за рахунок утворення спряженої системи називається енергією спряження, або енергією делокалізації, і дорівнює енергії, яку необхідно витратити для руйнування ароматичної системи.

Електронна будова і ароматичність бензену зумовлює його властивості, у тому числі високу термічну стійкість (він не розкладається навіть при нагріванні до 900⁰С), відсутність схильності до реакцій приєднання (незважаючи на велику ненасиченість), оскільки реакції приєднання супроводжуються порушенням ароматичності, а це енергетично невигідно.

2. КЛАСИФІКАЦІЯ. НОМЕНКЛАТУРА

За кількістю бензенових кілець арени поділяються на дві групи.

1. Моноядерні арени – це бензен та його гомологи, в яких один чи декілька атомів гідрогену заміщені на аліфатичні бокові ланцюги (насичені чи ненасичені). Назви моноядерних аренів утворюються від родоначальної структури – бензену (стара назва бензену, яка трапляється досить часто, – бензол) із зазначенням природи замісників та їх положення. Для багатьох гомологів бензену вживають тривіальні назви, які набули настільки широкого розповсюдження, що їх було введено у правила номенклатури IUPAC. Якщо бензенове кільце містить два радикали, то залежно від їх взаємного розташування використовуються додаткові префікси: орто- (1,2-положення), мета- (1,3-положення) і пара- (1,4-положення). Приклади моноядерних аренів:

                                   Бензен          Толуен        Кумол

п-Ксилол              м-Цимол    Етилбензен

               (1,4-диметилбензен) (3-ізопропілметилбензен)

Стирен       Фенілацетилен Мезитилен

Дуже часто для називання складних сполук необхідно знати назви ароматичних радикалів – арилів, які умовно позначаються спільним символом Ar:

Поліядерні арени, які складаються з декількох бензенових ядер. Вони, у свою чергу, поділяються на конденсовані та неконденсовані, або ізольовані.

Назви неконденсованих (ізольованих) поліаренів утворюються згідно із замісниковим і радикально-функціональним способами IUPAC:

           Дифеніл               Дифенілметан      м-Фенілтолуен

Для конденсованих поліядерних аренів вживаються такі назви:

                  Нафтален         Антрацен             Фенантрен

У монозаміщених похідних нафталену однотипні атоми карбону позначаються грецькими буквами a і b, у дизаміщених – цифрами від 1 до 8, при цьому атоми С, спільні для обох циклів, не нумеруються. В неконденсованих поліядерних аренах одне кільце нумерується цифрами без штрихів, а всі інші – із штрихами, наприклад:

                   b-Метилнафтален              1,5-Диметилнафтален

3^//– Метилтрифенілметан

ІЗОМЕРІЯ МОНОЯДЕРНИХ АРЕНІВ

Ізомерія монозаміщених моноядерних аренів зумовлена будовою замісника, наприклад:

                Пропілбензен                        Ізопропілбензен

У ди- і багатозаміщених гомологів бензену виникає ще один вид ізомерії, зумовлений різним положенням замісників:

                         орто-Ксилен       мета-Ксилен  пара-Ксилен

 

Властивості аренів

Фізичні властивості. Моноядерні арени – безбарвні леткі рідини з густинами 0,8-0,9г/мл, нерозчинні у воді, але добре розчинні у малополярних розчинниках.

Самі вони також є добрими розчинниками. Температури кипіння гомологів бензену зростають із підвищенням молекулярної маси: кожна нова метиленова група –СН₂– збільшує температуру кипіння у середньому на 20-30⁰. Всі арени мають характерні запахи, деякі (толуен) виявляють помітну наркотичну дію.

Бензен і більшість конденсованих поліаренів належать до високотоксичних речовин. Вдихання їх парів викликає головний біль, а при високих концентраціях – отруєння. Пари бензену вражають слизисту оболонку ока. А рідкий бензен може проникати через шкіру. Для нього характерна кумулятивність, тобто виявлення токсичної дії при поступовому накопиченні в організмі. Бензен токсичний (викликає захворювання крові – лейкемію).

Поліядерні арени – білі тверді речовини, майже без запаху, слизькі на дотик, нерозчинні у воді.

По хімічним властивостях арени відрізняються від насичених і ненасичених вуглеводнів. Це пояснюється особливостями будови бензенового кільця. Делокалізація шести p-електронів в циклічній системі знижує енергію молекули, що обумовлює підвищену стійкість (ароматичність) бензену і його гомологів.

Тому арени не схильні вступати в реакції приєднання або окислення, які ведуть до порушення ароматичності.

Для них найбільш характерні реакції, що йдуть із збереженням ароматичної системи, а саме, реакції заміщення атомів Гідрогену, зв’язаних з циклом.

Наявність областей підвищеної p-електронної густини з двох боків плоского ароматичного циклу веде до того, що бензенове кільце є нуклеофілом і у зв’язку з цим схильне піддаватися атаці електрофільним реагентам. Таким чином, для ароматичних сполук найбільш типові реакції електрофільного заміщення.

Механізм електрофільного заміщення позначається символом S_Е
(по першим буквам англійських термінів: S – substitution [заміщення],
E – electrophil [електрофіл]). Інші реакції (приєднання, окислення) йдуть важко.

Реакції заміщення в бензеновому кільці

Механізм реакцій – електрофільне заміщення.

На першій стадії спочатку утворюється нестійкий p-комплекс, який потім переходить у s-комплекс (карбокатіон). Утворення останнього відбувається із порушенням ароматичної системи і переходом одного атома карбону в sp3-гібридний стан. Утворення s-комплексу є найбільш енергетичною стадією реакції, тому позитивний заряд карбокатіона делокалізується за допомогою наведених резонансних граничних структур.

 

1. Галогенування.

Заміщення атома Гідрогену в бензеновому кільці на галоген відбувається у присутності каталізаторів (кислот Льюїса):

2. Нітрування

Бензен реагує з нітруючою сумішшю (сумішшю концентрованих нітратної і сульфатної кислот):

3. Алкілювання (реакція Фріделя-Крафтса)

Заміщення атома Гідрогену в бензеновому кільці на алкільну групу (алкілювання) відбувається під дією алкілгалогенідів або алкенів у присутності каталізаторів (кислот Льюїса):

Заміщення в алкілбензенах

Гомологи бензену (алкілбензени) С₆Н₅–R активніше вступають в реакції заміщення в порівнянні з бензеном.

Наприклад, при нітруванні толуену С₆Н₅CH₃ (70°С) відбувається заміщення не одного, а трьох атомів Гідрогену з утворенням 2,4,6-тринітротолуену:

При бромуванні толуену також заміщаються три атоми Гідрогену:

Тут яскраво виявляється взаємний вплив атомів в молекулі на реакційну здатність речовини. З одного боку, метильна група СH₃ (за рахунок +I-ефекту) підвищує електронну густину в бензеновому кільці в положеннях 2, 4 і 6:

і полегшує заміщення саме в цих положеннях.

Взаємний вплив атомів визначає напрям реакцій електрофільного заміщення в гомологах бензену і його похідних – правила орієнтації.

З іншого боку, під впливом бензенового кільця метильна група СH₃ в толуені стає активнішою в реакціях окислення і радикального заміщення в порівнянні з метаном СH₄.

Толуен, на відміну від метану, окислюється в м’яких умовах (знебарвлює розчин KMnO₄, що окислює, при нагріванні):

Легше, ніж в алканах, відбуваються реакції радикального заміщення в бічному ланцюзі алкілбензенів:

Це пояснюється тим, що на лімітуючій стадії легко (при невисокій енергії активації) утворюється радикал бензил ·CH₂-C₆H₅. Він стабільніший, ніж алкільні вільні радикали (·СН₃, ·СH₂R), оскільки його неспарений електрон делокалізований за рахунок взаємодії з p-електронною системою бензенового кільця.

 

Реакції приєднання до арен

У реакції приєднання, що приводять до руйнування ароматичної структури бензенового кільця, арени можуть вступати важко.

1.              Гідрування

Приєднання Гідрогену до бензену і його гомологів відбувається при підвищеній температурі і тиску у присутності металічних каталізаторів.

Ця реакція є зворотною утворенню бензену при дегідруванню циклогексану.

2.              Радикальне хлорування

В умовах радикальних реакцій (ультрафіолетове світло, підвищена температура) можливе приєднання галогенів до ароматичних сполук. Практичне значення має радикальне хлорування бензену для отримання “гексахлорану” (засіб боротьби з шкідливими комахами).

У разі гомологів бензену легше відбувається реакція радикального заміщення атомів Гідрогену в бічному ланцюзі:

 

 

Реакції окислення аренів

Бензен не окислюється навіть під дією сильних окислювачів
(KMnO₄, K₂Cr₂O₇ і т.п.). Тому він часто використовується як інертний розчинник при проведенні реакцій окислення інших органічних сполук.

На відміну від бензену його гомологи окислюються досить легко.

1.    При дії розчину KMnO₄ і нагріванні в гомологів бензену окисленню піддаються тільки бічні ланцюги:

Окислення інших гомологів (етилбензен, пропілбензен і т.д.) також приводить до утворення бензойної кислоти. Розрив зв’язку при цьому відбувається між двома найближчими до кільця атомами Карбону в бічному ланцюзі.

Алкільні групи в алкілбензенах окислюються легше, ніж алкани. Це пояснюється впливом бензенового кільця на атоми в бічному ланцюзі.

2. Арени за звичайних умов стійкі до дії сильних окисників (KMnO₄, K₂Cr₂O₇, CrO₃). Реакція відбувається в “жорстких” умовах із використан-ням V₂O₅ як каталізатора:

 

3. Бензен і його гомологи на повітрі горять полум’ям, що коптить, що обумовлене високим вмістом Карбону в їх молекулах:

Бензен і його леткі гомологи утворюють з повітрям і киснем вибухонебезпечні суміші.

4. Реакції озонування.

Арени взаємодіють із озоном за схемою:

 

Отримання ароматичних вуглеводнів

Основними природними джерелами ароматичних вуглеводнів є кам’яне вугілля і нафта.

1.              При коксуванні кам’яного вугілля утворюється кам’яновугільна смола, з якої виділяють бензен, толуен, ксилени, нафтален і багато інших органічних сполук.

2.              Ароматизація нафти:

а) дегідроциклізація (дегідрування і циклізація) алканів у присутності каталізатора

б) дегідрування циклоалканів

3.              Алкілювання бензену галогеналканами або алкенами у присутності безводного хлориду алюмінію:

При дегідруванні етилбензену утворюється похідне бензену з ненасиченим бічним ланцюгом – вінілбензен (стирен)
C₆H₅-CН=СН₂ (вихідна речовина для отримання цінного полімеру полістирену).

4.              Тримеризація алкінів над активованим вугіллям (реакція Зелінського):

Реакції отримання аренів показують взаємозв’язок між різними групами вуглеводнів і на можливість їх перетворення один в одного.

ВПЛИВ ЗАМІСНИКІВ НА РЕАКЦІЙНУ ЗДАТНІСТЬ АРОМАТИЧНИХ ВУГЛЕВОДНІВ

Найважливішим чинником, що визначає хімічні властивості речовин, є розподілення електронної густини в молекулах, яке залежить від взаємного впливу атомів і атомних груп. Якщо молекула містить тільки s-зв’язки, взаємний вплив здійснюється через індуктивні ефекти, а в спряжених системах виявляється дія мезомерного ефекту.

Мезомерний ефект, або ефект спряження – це зміщення електронів, які утворюють p-зв’язки спряженої системи, а також неподілених електронних пар атомів електронегативних елементів (О, S, N), що містяться у ланцюгу.

Замісники можуть виявляти позитивний мезомерний ефект (+М), якщо зміщують p-електронну густину від себе, і негативний мезомерний ефект (-М), якщо зміщення електронної густини відбувається у протилежному напрямку.

Одна і та сама група атомів може виявляти одночасно два електронних ефекти: мезомерний і індуктивний. Обидва ефекти можуть як збігатися, так і не збігатися за напрямком свого впливу. Наприклад, аміногрупа NH2 виявляє негативний індуктивний ефект (–І), тобто зміщує електронну густину σ-зв’язку на себе, і в той же час – позитивний мезомерний (+М), завдяки якому π-електронна густина спряженої системи зміщується від аміногрупи. Найчастіше вплив мезомерного ефекту перебільшує дію індуктивного.

Молекула бензену – ця спряжена система з рівномірним і симетричним розподіленням шестиелектронної p-електронної хмари. Однак наявність у бензеновому кільці замісника призводить до певного перерозподілу електронної густини і, як наслідок, до зміни реакційної здатності сполуки. Тобто замісник виявляє орієнтуючу (спрямовуючу) дію при введенні у кільце ще одного, нового замісника.

За характером орієнтуючої дії замісники поділяються на два типи.

Замісники І роду (електронодонорні), які підвищують електронну густину бензенового кільця (особливо в о- і п-положеннях) і збільшують швидкість реакцій електрофільного заміщення S_E. Такі замісники називаються активуючими.

До них належать атоми і атомні групи з позитивним мезомерним (+М) чи індуктивним (+І) ефектом.

Оскільки електронодонорний замісник утворює з кільцем загальну спряжену систему, то відбувається перерозподіл електронної густини таким чином, що найбільша її частина зосереджується в о- і п-положеннях на атомах С – з цієї причини їх часто називають орто- і параорієнтантами. За рахунок виникнення часткових негативних зарядів (d-) ці атоми карбону стають центрами електрофільної атаки. До того ж полярність зв’язків С-Н в о- і п-положеннях збільшується, тому зростає рухливість атомів Н, що полегшує їх заміщення.

Серед замісників І роду окреме місце займають галогени, які хоч і виявляють о- і п-орієнтуючу дію, але на відміну від інших електронодонорних замісників ускладнюють вступ нового замісника і сповільнюють швидкість реакції S_E порівняно із бензеном. Така особливість галогенів поснюється тим, що їх негативний індуктивний ефект за абсолютною величиною перебільшує позитивний мезомерний ефект -I > +M .

Подвійний о- і п-орієнтуючий вплив електронодонорних замісників приводить до утворення внаслідок реакцій S_E суміші ізомерів, наприклад:

Замісники ІІ роду (електроноакцепторні) – це метаорієнтанти, які знижують електронну густину бензенового кільця і зменшують швидкість реакцій електрофільного заміщення. Їх називають дезактивуючими замісниками.

Замісниками ІІ роду є атоми і атомні групи, які відтягують p-електронну хмару бензенового кільця на себе завдяки негативному мезомерному (-М) чи негативному індукційному (-І) ефекту. Тому електронна густина на бензеновому кільці зменшується і внаслідок її перерозподілу лишається дуже незначний за величиною частковий негативний заряд (d^–) на атомах карбону в мета-положеннях. Отже, замісники ІІ роду зменшують реакційну здатність кільця в реакціях S_E, однак направляють нові електрофільні групи у мета-положення, хоч реакції S_E проходять дуже повільно.

Вплив замісників на реакційну здатність та напрямок реакцій електрофільного заміщення в ароматичному кільці

 

Наприклад, швидкість реакції нітрування нітробензену в 10000 разів менша, ніж швидкість нітрування самого бензену:

                                  

Нітробензен                  1,3-Динітробензен

Правила орієнтації дозволяють передбачити переважний напрямок перебігу реакції, однак вони рідко виконуються з абсолютною точністю. У продуктах реакції можуть одночасно міститися о-, п- і м-ізомери, але їх відносна кількість буде різною. Наприклад, при нітруванні толуену продукти утворюються у таких масових співвідношеннях: п–нітротолуен (38%), о–нітротолуен (58%), м–нітротолуен (4%).

Відносна реакційна здатність, що зумовлюється впливом замісника, може змінюватися у широкому діапазоні. Вона визначається природою самого замісника, характером реагенту і умовами реакції. Наприклад, швидкість бромування, хлорування і нітрування толуену відповідно у 600; 300 і 30 разів більша, ніж швидкість цих реакцій з бензеном.

 

Правила орієнтації в аренах з двома замісниками

У тому випадку, коли ароматична сполука містить декілька різних за природою замісників, їх узагальнений орієнтуючий вплив буває відмінним від індивідуальної дії кожного окремого замісника.

Узгоджена орієнтація виявляється, якщо обидва замісники направляють вступ нової електрофільної частинки однаково, тобто до одного і того атома карбону, наприклад (на схемі стрілками показані місця можливого вступу третього замісника):

       1              2             3         4

1.         п-Нітрофенол

2.         п-Метилбензен-сульфонова кислота

3.         м-Сульфо-бензойна кислота

4.         о-Аміно-бензнітрил

Неузгоджена орієнтація буває тоді, коли орієнтуюча дія одного замісника не збігається за напрямком із впливом іншого замісника. В цьому випадку також можна передбачити напрямок реакції, керуючись такими правилами.

1. Якщо бензенове кільце містить одночасно активуючі і дезактивуючі замісники, які конкурують між собою, то орієнтація вступу нового електрофільного реагенту визначається активуючим замісником, наприклад:

                  

                       

2. Якщо бензенове кільце містить сильну і слабку активуючі групи (обидва замісники І роду), то напрямок вступу нового електрофільного реагенту визначається сильнішим замісником, наприклад:

3. Якщо два замісники перебувають у мета-положеннях один відносно другого, то новий замісник майже не вступає у кільце між ними, навіть якщо це випливає із узгодженої орієнтації. Наприклад, масові співвідношення продуктів нітрування ароматичної сполуки із узгодженим впливом замісників дані у дужках:

               

                         

БАГАТОЯДЕРНІ АРЕНИ  З КОНДЕНСОВАНИМИ І

ІЗОЛЬОВАНИМИ  ЯДРАМИ.

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ.

Багатоядерні арени мають велике значення в фармації та медицині.    Вони застосовуються у синтезі лікарських засобів та барвників. Наприклад, антрацен застосовується головним чином у виробництві  антрахінону та барвників. Похідні фенантрену входять до складу  багатьох природних сполук, що мають фізіологічну активність – стероїдів, алкалоїдів ( морфін, кадеїн), вітамінів групи Д, жовчних кислот, статевих гормонів та ін. Дифенілметан використовується для ароматизації мил. Похідні  трифенілметану знайшли широке практичне застосування як барвники, лікарські препарати. Представником його є барвник брильянтовий зелений. Він застосовується в медицині і фармації у вигляді 1-2% водних або спиртових розчинів як антисептичний засіб, а також при виготовлені  бактерицидних  лейкопластирів. Фенолфталеїн  використовують в аналітичній практиці    як кислотно-основний індикатор. Він застосовується у медицині як проносний засіб при хронічних запорах. Препарат випускають у таблетках під назвою пурген.

Таким чином, уміння інтерпретувати хімічну будову і властивості   багатоядерних аренів необхідні для вивчення таких дисциплін, як     фармацевтична хімія, токсикологічна хімія, фармакологія та фармакогнозія.

Після цього вам потрібно ознайомитися з цілями заняття , обміркувати й усвідомити важливість вивчення цієї теми.

Багатоядерні арени – це органічні сполуки, які складаються з кількох конденсованих або ізольованих бензенових кілець.

 

Багатоядерні арени (поліциклічні арени) поділяють, в залежності від їх сполучення, на дві групи:

з конденсованими бензеновими ядрами (мають два або більше атомів карбону, що одночасно належать сусіднім циклам);

з ізольованими бензеновоми ядрами (приєднані один до одного безпосередньо – дифеніл, або є похідними метану, в якому атоми гідрогену заміщені на фенільний радикал).

цифр, що позначають положення замісників у нафталеновому ядрі, використовують префікси:

Назва за замісниковою номенклатурою IUPAC: цифри, що вказують положення радикалів + вуглеводневі радикали + нафтален.

 

ВЛАСТИВОСТІ ПОЛІЯДЕРНИХ АРЕНІВ

Ароматичні вуглеводні з неконденсованими ядрами вступають у реакції електрофільного заміщення значно легше, ніж бензен, – подібно до толуену. Причому утворюються переважно продукти п-заміщення:

                         

Ди- і трифенілметани, крім того, піддаються реакціям радикального заміщення та окиснення за sp³-гібридизованим атомом карбону, наприклад:

Конденсовані поліарени виявляють ще більшу схильність до реакцій електрофільного заміщення, які проходять в основному за a-положенням.

                                           

Сульфування нафталену залежно від температури може давати різні продукти, один з яких здатний ізомеризуватися в інший за певних умов:

                  при 80 ^оC  та  при 160^оC

Якщо нафтален вже містить один замісник, то орієнтація вступу другого замісника підлягає певним правилам, схематично які можна зобразити так:

І роду                                               І роду

ІІ роду                           ІІ роду

          

                              

Реакції, що супроводжуються порушенням ароматичності, для нафталену проходять легше, ніж для бензену. Він може відновлюватися навіть воднем у момент виділення, наприклад, внаслідок взаємодії Na із спиртом.

Окиснюється нафтален також значно легше порівняно з бензеном і може давати різні продукти залежно від умов

У заміщених похідних нафталену окисненню піддається кільце з підвищеною електронною густиною:

                              

Антрацен і фенантрен характеризуються ще більшою реакційною здатністю, ніж нафтален. У реакціях SE переважно утворюються продукти заміщення у положенні 9:

                                  ,

  Антрацен                                             9-Бромантрацен

 

 

 

 

 

  Фенантрен                               9-Бромфенантрен

Нітрування, алкілування, ацилювання триядерних конденсованих аренів також проходить в положенні 9, а сульфування – залежно від концентрації H₂SO₄ може давати  (1,8)- чи 2,6-продукти:

                      

                                      Aнтрацен-2,6-                       Антрацен-1,8-

                                  дисульфонова кислота       дисульфонова кислота

Ці поліарени легко відновлюються до дигідропохідних і легко окиснюються до відповідних хінонів. Наприклад, антрацен при відновленні воднем (Na+C₂H₅OH) дає 9,10-дигідроантрацен, а при окисненні хромовою сумішшю – антрахінон-9,10. Аналогічні продукти утворює і фінанентрен.

Антрахінон і фенантренхінон є сировиною для добування багатьох барвників (алізарину, індатренового синього та ін.) та лікарських препаратів.

 

ДИФЕНІЛМЕТАН

У молекулі дифенілметану два бензольні цикли зв’язані через метиленову групу:

Дифенілметан може бути одержаний за реакцією Фріделя — Крафтса  алкілуванням  бензолу бензилхлоридом  або дихлорметаном:

Реакційна здатність дифенілметану зумовлена наявністю в його структурі бензольних циклів і активної метиленової групи.

За  участю  бензольних кілець  дифенілметан вступає в харак­терні для аренів реакції електрофільного заміщення, утворюючи 4,4′-дизаміщені та 2,4,2′,4′-тетразаміщені  продукти:

 

2,4,2′,4′-тетранітродифенілметан

Внаслідок електроноакцепторної дії фенільних груп в молекулі дифенілметану набувають рухомості атоми водню метиленової групи. В результаті метиленова група  легко  окислюється; при галогенуванні водневі атоми заміщуються на галоген:

Дифенілметан являє собою безбарвну кристалічну речовину (т. пл. 26—27 °С) зі слабким приємним запахом, нерозчинну у воді, розчинну в етанолі. Використовується в парфюмерній про­мисловості для віддушки мил (має запах герані).

ТРИФЕНІЛМЕТАН

Молекула трифенілметану містить три бензольні цикли, зв’я­зані через метинову групу (CH)

 

 

Нумерацію  вуглецевих  атомів  в  кожному  циклі  проводять  окре­мо,  починаючи з атома вуглецю, сполученого з метиновою групою.

 Трифенілметан добувають алкілуванням бензолу хлороформом за Фріделем — Крафтсом:

За хімічними  властивостями  трифенілметан багато в  чому нага­дує  дифенілметан. Для нього характерні  реакції електрофільного  заміщення за участю бензольних циклів, котрі йдуть головним чином в пара-положення.

Внаслідок електроноакцепторної дії трьох фенільних груп в мо­лекулі трифенілметану атом водню метинової групи набуває рухо­мості. Даний атом водню легко заміщується на метали та галоге­ни, за рахунок метинової групи трифенілметан окислюється. Так, при дії аміду натрію в рідкому аміаку трифенілметан утворює трифенілметилнатрій, при взаємодії з хлором дає трифенілхлорметан, при  окисленні утворює  трифенілметанол  (трифенілкарбінол):

 

трифенілхлорметан                                             трифенілметанол

                                       трифенілметилнатрій

Трифенілметилнатрій має іонну будову. Його молекула скла­дається з катіона натрію та трифенілметил-аніона. Ефірні розчини трифенілметилнатрію проводять електричний струм.

Атом галогену в молекулі трифенілхлорметану та гідроксильна група в молекулі трифенілметанолу під впливом електроноакцеп-торних властивостей трьох бензольних кілець виявляють високу рухливість (активність). Так, трифенілхлорметан у рідкому  SO₂  (розчинник з високою діелектричною сталою) в присутності  АlСl₃  піддаються  іонізації з утворенням трифенілметил-катіона. Анало­гічно відбувається іонізація трифенілметанолу в концентрованій сірчаній кислоті:

 

трифенілметанол

Здатність трифенілметильної групи утворювати стійкі карбка-тіони та карбаніони зумовлена участю бензольних циклів у делокалізації позитивного або негативного заряду іона за рахунок спряження.

   Однак, незважаючи на те що центральний атом вуглецю в трифенілметил-катіон та трифенілметил-аніон знаходяться в  sp²–ri6ридизації,  зазначені  іони  мають  не площинну, а  пропелероподібну  структуру, в котрій бензольні цикли вивернуті з площини на 30— 40°. Таке розміщення бензольних кілець в просторі пов’язане з стеричною взаємодією  атомів  водню в  ортоположеннях.

                                               Вакантна

а

                                               б

Просторова будова: а — трифенілметил-катіона; б — трифенілметил-аніона

Внаслідок цього спряження центрального атома вуглецю з кожним ядром дещо менше, ніж можна було б очікувати при пло­щинній структурі.

 При обробці  трифенілхлорметану  цинком, натрієм або дрібно-подрібненим сріблом в бензольному розчині утворюється вільний трифенілметильний радикал, який знаходиться в рівновазі зі своїм димером:

Вперше вільний радикал трифенілметил було одержано в 1900 p. американським хіміком M. Гомбергом при дослідженні хімічних властивостей трифенілхлорметану. Це був перший з ради­калів, добутих у вільному вигляді. Причина такої високої стійкості трифенілметилу в порівнянні з алкільними радикалами полягає в значній делокалізації неспареного електрона по всіх бен­зольних ядрах:

 Трифенілметил є дуже реакційноздатною речовиною. На повітрі він легко окислюється, утворюючи перекис трифенілметилу (С6Н5):іС—О—О—С(С₆Н₅)₃, з металічним натрієм дає трифеніл-метил-натрій (С₆Н₅)₆С^–Na⁺ , з йодом утворює йодтрифенілметан (С₆Н₅)₃С—І.

Трифенілметильний  катіон,  аніон  та  радикал мають забарвлення:  трифенілметил-катіон — червоно-оранжеве,  трифенілметил-аніон  —  червоного кольору, а  вільний радикал трифенілметил –жовтого  кольору.  Появу забарвлення в зазначених  іонах  та  віль­ному  радикалі зумовлено наявністю  в  їх  структурі вельми  довгої  спряженої системи (хромофору),  що включає  три бензольні цикли.

Похідні  трифенілметану  знайшли  широке  практичне  застосу­вання як барвники, лікарські препарати.

 

Барвники трифенілметанового ряду

  Трифенілметанові барвники є аміно- або гидроксипохідними трифенілметану. Представником амінотрифенілметанів є барв­ник брильянтовий зелений:

Брильянтовий зелений добувають конденсацією бензальдегіду N,N-діетиланіліном в присутності кислотного  каталізатора, ча­стіше  концентрованої хлороводневої кислоти. В результаті реакції утворюється безбарвна речовина, так звана лейкооснова брильян­тового зеленого [4,4′-біс-(діетиламіно)трифенілметан], котру потім окислюють діоксидом свинцю в кислому середовищі. При окис­ленні утворюється безбарвна речовина, що має назву карбінольна основа брильянтового зеленого [4,4′-біс-(діетиламіно)трифеніл-карбінол], яка зі щавлевою кислотою утворює сіль — барвник брильянтовий зелений:

Брильянтовий зелений являє собою кристалічну речовину зо­лотисто-зеленого кольору, розчинну в воді, етанолі, хлороформі. Водні розчини мають інтенсивно зелене забарвлення,  носієм  якого є катіон,  що містить у  своєму складі довгу спряжену систему, кот­ра  включає хіноїдне  угруповання (хромофор), а також діетиламіно- та діетиламонійну групи (ауксохроми).  Забарвлення  брильянтовим зеленим малостійке до  дії  світла та  вологих обробок, внаслідок чого барвник застосовується головним чином для фарбування нетекстильних матеріалів — паперу, деревини та ін.

Брильянтовий зелений застосовується в медицині у вигляді 1—2 % водних або спиртових розчинів як антисептичний засіб, а також при виготовленні бактерицидних лейкопластирів.

До амінопохідних трифенілметану відносяться також барвники малахітовий зелений та кристалічний фіолетовий:

Малахітовий зелений застосовують для фарбування тканин (бавовна, вовна, шовк) в зелений колір. Кристалічний фіолетовий застосовується головним чином як кислотно-основний індикатор для титрування у водних та неводних середовищах. У водному середовищі він має два переходи забарвлення — в інтервалах pH 0—1,0 жовте забарвлення переходить у зелене, при pH 1,0—2,6 зелене забарвлення переходить у фіолетове.

Представником гідроксипохідних трифенілметану є фенолфта­леїн. Одержують фенолфталеїн конденсацією фенолу зі фталевим ангідридом в присутності концентрованої сірчаної кислоти. В ре­зультаті реакції утворюється безбарвна (лактонна) форма фенол­фталеїну:

   Фенолфталеїн являє собою білу кристалічну речовину, прак­тично нерозчинну у воді, добре розчинну в етанолі (т. пл. 259— 263°С). Фенолфталеїн застосовується в аналітичній практиці як кислотно-основний індикатор. В кислому та нейтральному сере­довищі він знаходиться в безбарвній лактонній формі, в лужному середовищі (при pH 8,2—10,0) набуває малиново-червоного забарвлення внаслідок утворення хіноїдної структури:

               фенолфталеїн                        фенолфталеїн (форма

            (безбарвна форма)       3 малиново-червоним забарвленням)

У сильнолужному середовищі (pH>12) малиново-червоне забарвлення фенолфталеїну зникає в результаті утворення солі бензоїдної структури:

   Фенолфталеїн застосовується в медицині як проносний засіб при хронічних запорах. Препарат випускають в таблетках під на­звою “Пурген”.

  Фенолфталеїн: білий, ледь  жовтий , дрібнокристалічний порошок,  без запаху і без смаку. Дуже мало розчинний в воді  та  ефірі, проте розчинний у спирті.  Зберігають у добре закупореній тарі. Використовують як проносний засіб при хронічних запорах  та як індикатор  в  алкаліметрії.

 

ОДЕРЖАННЯ АРЕНІВ

Більшість аренів мають важливе практичне значення, тому їх виробляють у великій кількості багатьма способами.

1. Фракційне розділення кам’яновугільної смоли. Із 1т вугілля внаслідок коксування одержують близько 55кг кам’яновугільної смоли, з якої виділяють приблизно 0,9кг бензену, 2,3кг нафталену, 200г толуену, 45г ксилолів, а також невеликі кількості a- і b-метилнафталенів, антрацену, фенантрену, дифенілу. Оскільки коксування вугілля – це багатотоннажне виробництво, виділення аренів із смоли досягає великих об’ємів.

2. Ароматизація насичених вуглеводнів нафти, під час якої проходять процеси циклізації, дегідрування, ізомеризації:

Дегідрування шестичленних циклоалканів проводять при каталітичному риформінгу – нагріванні нафтових фракцій до 5000С під тиском 17-50 Атм на алюмокобальтовому чи паладійплатиновому каталізаторі:       ®       

3.  Тримеризація алкінів – реакція Зелінського-Казанського:

3СНºСН ® ,

Ацетилен                         Бензен

650^оC

3СН₃-СºСН ®

4. Лужне плавлення солей – реакція Дюма:

 + NaOH       ®                  +  Na₂CO₃.

Бензоат натрію             Плавл.             Бензен

5. Відновлення фенолів при їх перегонці з цинковим порошком

  + Zn       ®       + ZnO

Фенол                            Бензен

6. Гідроліз бензенсульфонових кислот гострою парою

+ H₂О          ®            + H₂SO₄.

Бензенсульфокислота             Бензен

7. Гідродезметилювання – новий спосіб одержання бензену із толуену, впроваджений у виробництво останнім часом, оскільки потреба у бензені вища, ніж у толуені.

8. Одержання гомологів бензену включає й інші способи, крім перелічених:

– із галогенопохідних за Вюрцом-Фіттігом:

+ 2Na + C₂H₅Br  ®         + 2NaBr;

Бромбензен                             Етилбензен

–     алкілування за Фріделем-Крафтсом:

+ С₂Н₅Br  ®   + HBr;

Бензен                    Етилбензен

відновлення кетонів за Клеменсеном

+ 2Zn + 4HCl  ®    + 2ZnCl₂;

Ацетофенон                            Етилбензен

9. Одержання поліаренів

1) Спосіб Бертло – пропускання парів бензену через розжарену залізну трубку:

2   ®    + Н2;

Бензен               Дифеніл

Спосіб Ульмана – нагрівання йодбензену з міддю:

Реакція Вюрца-Фіттіга:

Одержання арилметанів за Фріделем-Крафтсом:

3 CНCl₃®   + HCl;

Відновлення бензофенону:

 

 

Застосування ароматичних вуглеводнів

Бензен С₆Н₆ використовується як вихідний продукт для отримання різних ароматичних сполук – нітробензену, хлорбензену, аніліну, фенолу, стирену і т.д., вживаних у виробництві ліків, пластмас, фарбників, отрутохімікатів і багатьох інших органічних речовин.

Толуен С₆Н₅-СН₃ застосовується у виробництві барвників, лікарських і вибухових речовин (тротил, тол).

Ксилени С₆Н₄(СН₃)₂ у вигляді суміші трьох ізомерів (орто-, мета- і пара-ксиленів) – технічний ксилен – застосовується як розчинник і вихідний продукт для синтезу багатьох органічних сполук.

Ізопропілбензен (кумол) С₆Н₄-СН(СН₃)₂ – вихідна речовина для отримання фенолу і ацетону.

Вінілбензен (стирен) C₆H₅-CН=СН₂ використовується для отримання цінного полімерного матеріалу полістирену.

Бензен використовується для одержання фенолу, стирену, аніліну, галогенопохідних аренів, а також для синтезу барвників, поверхнево-активних речовин, фармацевтичних препаратів, поліестерів (лаки, смоли) тощо.

Толуен застосовується у виробництві вибухових речовин (тротил), бензойного альдегіду, фенолу, бензилхлориду, який є напівпродуктом в анілобарвниковій, парфюмерній, харчовій та інших галузях господарства.

Етилбензен іде на синтез стирену, з якого одержують полістирен (завдяки його високим електроізолювальним якостям з нього виготовляють електро- і радіовироби, труби, крани, посуд, пінопласти) і бутадієнстиреновий каучук – для виробництва автомобільних покришок, камер, ебоніту.

Кумол витрачається у великих кількостях для синтезу фенолу і ацетону.

Ксилол у суміші (о-, п- і м-ізомери) використовують як розчинник і як компонент моторного палива (підвищує октанове число до 120 та більше); n-ксилол є основою виробництва синтетичного волокна лавсану (терилен).

Антрацен використовують у виробництві антрахінонових барвників.

 

Екологічні питання

Екологічні питання хімії аренів пов’язані з їх використанням в синтезі промислових органічних сполук, реакціями галогенування, алкілування, ацилування (acylation), сульфування, нітрування, нітрозування та азосполучення. Отримані органічні сполуки, в свою чергу, є вихідними речовинами для синтезу величезної кількості промислових, сільськогосподарських, фармацевтичних, косметичних та інших виробів та препаратів. Виробництво цих органічних сполук повинно бути пов’язане з впровадженням безвідходних або екологічно чистих сучасних технологій. Окрім цього, найближчі гомологи бензену використовуються як розчинники. Наведемо фізико-хімічні та токсикологічні характеристики деяких сполук цього класу.

При хронічному отруєнні на виробництві вражає нирки, печінку, кістковий мозок і приводить до зменшення вмісту в крові червоних кров’яних тілець (білокрів’я). В промисловості використовується як сировина для синтезу циклогексану, фенолу, стиролу, аніліну, алкілбензенсульфонатів, інсектицидів, барвників, лікарських препаратів.

бензойної кислоти, 20 % якої з глюкуроновою кислотою виводиться з се-чею у вигляді глюкоуроніда.

Толуен використовують для синтезу тротилу (2,4,6-тринітротолуолу), бензойної кислоти, сахарину, домішок до моторних па-лив для підвищення октанового числа.

Ксилоли використовують для добування фталевих кислот, толуену, а також як розчинник у лаках, фарбах та мастилах, а також як високооктано-ву домішку до авіаційних бензинів.

 

Небензоїдні ароматичні сполуки

Розглянемо небензоїдні ароматичні сполуки на конкретних прикладах:

В сполуці І розрив супряження та невідповідність правилу Хюккеля (N=4е–); в сполуці ІІ існує замкнений ланцюг супряження та має місце відповідність правилу Хюккеля (N=6е–).

 

Неароматичні та антиароматичні сполуки

Якщо в циклічній супряженій системі кількість p-електронів відповідає правилу Хюккеля (N = 4n + 2,= 0,1,2,3…), то така система буде бідніша енергією, ніж відповідні системи з ізольованими p-зв’язками, а сама сполука буде ароматичною.

Якщо циклічні системи формально мають супряження p-електронів, але не відповідають правилу Хюккеля, то при цьому зростає енергія делокалізації p-електронів і такі системи можуть бути неароматичними або антиароматичними:

Системи з замкненими ланцюгами супряження (циклобутадієн-1,3; циклооктатетраєн-1,3,5,7; пентален), що мають в супряженій системі 4n-електронів називаються антиароматичними (Дьюар, 1952 р.). Їх стабільність значно менша, ніж у відповідних сполук з відкритим ланцюгом.