C, N, O-ацилирование

Московская городская олимпиада по химии

Реферат

C-, N-,O- ацилирование в органической химии

ученика 10 класса

общеобразовательной школю №1303

(Химический лицей)

Кондакова Николая

Москва, 1999

Оглавление

1. Введение 3

2. С ацилирование 4

3. О ацилирование 7

4. N ацилирование 10

5. Список литературы 11

Ацилирование - введение ацильной группы (ацила) RCO в молекулу органического соединения путем замещения атома водорода. В широком смысле ацилирование это замещение любого атома или группы атомов на ацила. В зависимости от атома к которому присоединяют ацил различают C-, N-, O-, S- ацилирование…

(Химическая энциклопедия, том I, стр. 233).

Реакции ацилирования находят широкое применение в современной органическом синтезе. Наиболее распространенными являются реакции С , O и N ацилирования, с помощью которых получают соответственно кетоны, сложных эфиры или амиды.

Частными случаями реакции ацилирования являются реакции формилирования (введение НСО группы), ацетилирования (СН3СО группы) и бензоилирования (С6Н5СО группы).

Несмотря на различия в методах проведения реакций, общим для всех вариантов ацилирования является реакция некого субстрата и ацилирующего агента, протекающая как правило по механизму электрофильного замещения. Наиболее распространенными ацилирующими агентами являются ангидриды и хлорангидриды карбоновых кислот.

Реакции С ацилирования

Наиболее распространенной реакцией С-ацилирования является открытая еще в XIX веке реакция Фриделя Крафтса. Механизм этой реакции достаточно долго оставался загадкой, однако теперь является точно установленным, что реакция протекает по механизму электрофильного замещения.

Реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду протекают по одному и тому же пути и начинаются с атаки электрофильной частицы (будь то катион или положительно заряженный конец сильнополяризованной связи) на ароматическую *-электронную систему. При этом образуется резонансно стабилизированный неароматический *-комплекс, или бензониевый ион. За этим следуют потеря протона и сопутствующая ей реароматизация с образованием соединения, в котором электрофильная частица заменила атом водорода у первоначально атакованного углерода.

В случае реакции ацилирования в качестве ацилирующего агента как правило применяются ацилхлориды в присутствии кислот Льюиса (чаще всего хлорида алюминия). В таком случае реакция начинается с взаимодействия ацилхлорида с катализатором с образованием собственно электрофильного агента:

Положение равновесия зависит от природы реагентов и от растворителя: высокая диэлектрическая проницаемость сдвигает равновесие в сторону образования карбениевого иона.

Затем электрофильный агент реагирует с ароматической молекулой:

Выбор катализатора определяется реакционной способностью ароматического соединения. Чаще всего применяют хлорид алюминия и только для очень реакционноспособных систем (например, для тиофена) используются хлорид цинка, серную кислоту и др.

Тригалогениды алюминия образуют комплексы и с ацилирующим средством, и с образующимся карбонильным соединением; комплекс с последним в условиях реакции устойчив. Для синтезов по Фриделю-Крафтцу с ацилгалогенидами необходимы поэтому по меньшей мере мольные количества катализатора. При взаимодействии с ангидридами кислот получающаяся кислота связывает еще один моль катализатора, поэтому в целом необходимы по крайней мере два моль катализатора. В каждом случае по окончании реакции образовавшийся комплекс кетона с хлоридом алюминия должен быть гидролитически разрушен (соляной кислотой со льдом).

Реакцию ацилирования по Фриделю-Крафтцу удается распространить на ароматические углеводороды (в том числе полициклические), галогенпроизводные, реакционноспособные гетероциклы (например, тиофен, фуран). Ароматические амины образуют с катализатором неацилирующийся комплекс. Если же аминогруппа защищена ацетилированием, то реакция удается.

Ароматические соединения с сильноинактивирующими заместителями, например с нитро-, циан- и карбонильными группами, не ацилируются по Фриделю-Крафтцу. Поэтому при ацилировании можно не опасаться вторичного и полизамещения.

Интересным случаем реакции Фриделя-Крафтца является взаимодействие с ангидридами дикарбоновых кислот, приводящее к образованию оксокислот, которые в дальнейшем можно перевести в хиноны:

Растворителем при ацилировании по Фриделю-Крафтцу может служить избыток ацилируемого углеводорода. Иногда применяют дисульфид углерода, так как он практически не влияет на реакционную способность хлорида алюминия, но комплекс образовавшегося ароматического кетона с хлоридом алюминия остается при этом чаще всего в твердой фазе, поэтому при больших загрузках реакционная смесь с трудом перемешивается и обрабатывается. Кроме того, дисульфид углерода ядовит и очень легко воспламеняется. В нитробензоле или галогеноуглеродах (дихлорэтане или трихлороэтилене) активность катализатора несколько понижена из-за комплексообразования, кроме того ацилирование по Фриделю-Крафтцу в них можно применять только при температурах ниже 50oC, так как в противном случаем они сами вступают в реакцию.

В менее полярном 1,2-дихлорэтане (этиленхлориде) из нафталина получают *-кетон и, напротив, в сильнополяризованной среде (нитробензола) - *-кетон.

Общая методика ацилирования по Фриделю-Крафтцу.

В трегорлой колбе емкостью 1л, снабженной мешалкой и капельной воронкой с хлоркальциевой трубкой, смешивают 400мл 1,2-дихлорэтана с 1,2 моля тонкорастертого хлорида алюминия и добавляют по каплям при перемешивании и охлаждении ледяной водой 1,05 моля ацилхлорида. Затем из капельной воронки при охлаждении водой добавляют 1 моль ароматического соединения так, чтобы температура смеси поддерживалась около 20оС. Реакционную смесь перемешивают еще 1 ч. и оставляют на ночь. При ацилировании галогенбензолов нагревают 5 ч. при 50оС, причем ацилируемое соединение используемся в качестве растворителя (все количества галогенбензола сразу помещают в колбу).

Для разложения комплекса кетона с хлоридом алюминия содержимое колбы осторожно выливают на 500мл льда, выпадающий гидроксид алюминия переводят в раствор, добавляя небольшое количество концентрированной соляной кислоты. Затем в делительной воронке отделяют органический слой, а водные дважды извлекают дихлорэтаном. Объединенные вытяжки тщательно промывают водой, 2%-ным раствором гидроксида натрия и снова водой. После сушки карбонатом калия растворитель отгоняют, а кетон перегоняют в вакууме.

Приведенная методика также пригодна для полумикросинтезов.

Реакции О ацилирования.

Реакция этерификации, являющаяся по сути реакцией О ацилирования, используется в качестве основного способа получения сложных эфиров.

Вследствие малой активности карбонильных групп в карбоновых кислотах они, как правило, медленно реагируют со спиртами. Этерификацию можно существенно ускорить, добавляя сильные кислоты (серную кислоту, безводный хлороводород, сульфоновые кислоты, кислые ионообменные смолы):

Скорость этерификации карбоновой кислоты, как и следовало ожидать, возрастает вместе с ростом положительного заряда на карбонильном углероде, т.е. с ростом кислотности. Так, муравьиная, щавелевая, пировиноградная кислоты реагируют достаточно быстро и без добавления катализатора.

Сильно влияют на этерификацию стерические факторы. С ростом объема алкильных остатков, связанных с карбоксильной группой, а также спиртовым гидроксилом, скорость этерификации падает. Поэтому разветвление у -углеродного атома, а также о-замещенные ароматические кислоты вступают в реакцию медленно и с плохими выходами. В ряду от первичных к третичным спиртам реакция затрудняется еще и тем, что в условиях реакции (сильнокислая среда) параллельно возрастает и тенденция к превращению спиртов в простые эфиры и олефины. Эфиры третичных спиртов получаются прямой этерификацией лишь с очень малыми выходами.

Равновесие реакции этерификации не очень благоприятно для получения сложных эфиров. Равновесие можно сдвинуть вправо, используя 5-10-кратный избыток более дешевого исходного вещества (им обычно бывает спирт) либо постоянно удаляя из реакционной смеси продукты реакции - воду или сложный эфир.

Общие методики этерификации карбоновых кислот.

I. Связывание воды водоотнимающими средствами.

Смешивают 1 моль карбоновой кислоты (или 0.5 моля дикарбоновой), 5 молей соответствующего абсолютного спирта и 0.2 моля концентрированной серной кислоты и кипятят без доступа воздуха с обратным холодильником 5 ч. В случае менее стойких вторичных спиртов лучше не применять в качестве катализатора серную кислоту, а насытить кипящую смесь хлороводородом и увеличить продолжительность кипячения до 10 ч. После этого отгоняют главную массу избыточного спирта на колонке Вигре длинной 20 см и выливают остаток в пятикратный объем ледяной воды. Органический слой отделяют, а водный раствор нейтрализуют водным трижды экстрагируют эфиром. Объединенные органические слои нейтрализуют раствором карбоната натрия, промывают