Полизамещённые бензолы

9 заданий

Согласованная и несогласованная ориентация

Если в кольце уже два заместителя, возможны два случая.

Согласованная ориентация: оба заместителя направляют электрофил в одни и те же положения. В 4-нитротолуоле метильная группа направляет в орто-положения к себе, а нитрогруппа — в мета-положения к себе; это одни и те же положения 2 и 6.
Несогласованная ориентация: заместители направляют в разные положения. Тогда побеждает более сильный активатор.

Положение между двумя заместителями, стоящими в мета-положении друг к другу, почти не занимается: к нему трудно подойти.

орто-ксилол: свободны положения 3, 4, 5, 6 — Свободные положения в трёх ксилолах

мета-ксилол: положение 2 затруднено, 5 не активировано — Свободные положения в трёх ксилолах

edit_noteРазбор задачи: бромирование 4-метиланизола

В 4-метиланизоле метоксигруппа направляет бром в орто-положения к себе (положения 2 и 6), а метильная группа — в орто-положения к себе (3 и 5). Метоксигруппа — гораздо более сильный активатор (+M), поэтому бром вступает в орто-положение к ней: продукт — 2-бром-4-метиланизол.

boltСила активаторов

\(\ce{NH2}\), OH > \(\ce{OCH3}\), \(\ce{NHCOCH3}\) > алкил > галоген > мета-ориентанты. При несогласованной ориентации положение определяет заместитель, стоящий в этом ряду левее.

auto_awesomeКсилолы из нефти

Смесь ксилолов из нефти разделяют кристаллизацией и адсорбцией: пара-ксилол плавится при 13 °C, а орто- и мета-изомеры — ниже −25 °C. Пара-ксилол нужен больше всего: его окисляют в терефталевую кислоту для полиэтилентерефталата (урок 82).

Порядок стадий

В синтезе полизамещённого бензола главный вопрос: какой заместитель должен задать положение следующего?

Выпишите заместители продукта и их взаимное расположение (орто, мета или пара).
Для каждого заместителя решите, чем и в каком виде его вводят: аминогруппу — восстановлением нитрогруппы, карбоксильную группу — окислением алкильной, линейную алкильную цепь — ацилированием и восстановлением.
Найдите порядок, при котором каждый следующий заместитель попадает в нужное положение.
Проверьте совместимость условий: реакция Фриделя — Крафтса не идёт на дезактивированном кольце и с анилином.

Смена ориентанта

Некоторые превращения меняют ориентирующее действие группы:

окисление алкильной группы: орто/пара-ориентант → мета-ориентант COOH;
восстановление нитрогруппы: мета-ориентант → сильный орто/пара-ориентант \(\ce{NH2}\);
восстановление кетона: мета-ориентант C=O → орто/пара-ориентант \(\ce{CH2R}\).

edit_noteРазбор задачи: 4-бромбензойная кислота из толуола

Бром и карбоксильная группа должны быть в пара-положении. Карбоксильная группа — мета-ориентант, поэтому бромировать бензойную кислоту нельзя: получилась бы 3-бромбензойная кислота. Значит, сначала бромируют толуол (\(\ce{Br2}\), \(\ce{FeBr3}\)): метильная группа направляет бром в орто- и пара-положения, пара-изомер отделяют. Затем метильную группу окисляют перманганатом — получается 4-бромбензойная кислота.

boltКакой заместитель вводить первым

Нужен мета-продукт — первым вводите акцептор (или то, что станет акцептором позже). Нужен орто- или пара-продукт — первым вводите донор или алкильную группу, а превращайте её после.

auto_awesomeПарацетамол

Промышленный синтез парацетамола — пример планирования: фенол нитруют (OH направляет в пара-положение), нитрогруппу восстанавливают до аминогруппы, а её ацетилируют уксусным ангидридом. Три стадии — и заместители стоят точно в пара-положении.

Защитные и блокирующие группы

Иногда заместитель слишком активен или занимает не то положение. Тогда применяют временные группы.

Защита аминогруппы ацилированием. Анилин в нитрующей смеси окисляется и протонируется; катион \(\ce{C6H5NH3+}\) — мета-ориентант. Ацетиламиногруппа \(\ce{-NH-CO-CH3}\) — умеренный донор, она не протонируется и своим объёмом направляет электрофил в пара-положение. После реакции ацетильную группу снимают гидролизом.
Блокировка сульфогруппой. Сульфогруппа занимает пара-положение, электрофил вступает в орто-положение, затем сульфогруппу удаляют водяным паром (урок 76).
Трет-бутильная группа тоже блокирует пара-положение и снимается нагреванием с кислотой Льюиса (урок 77).

ацетанилид: (CH₃CO)₂O — Защита аминогруппы ацилированием при нитровании анилина

edit_noteРазбор задачи: пара-нитроанилин

Прямое нитрование анилина даёт смолы и заметное количество мета-изомера. Поэтому анилин сначала ацилируют уксусным ангидридом: получается ацетанилид. Ацетанилид нитруют — нитрогруппа вступает в пара-положение. Затем амид гидролизуют кислотой или щёлочью, и получается чистый пара-нитроанилин. Три стадии вместо одной дают один изомер.

boltПриглушить, закрыть, снять

Слишком активную группу (\(\ce{NH2}\), OH) приглушают ацилированием, ненужное положение закрывают сульфогруппой или трет-бутильной группой, а в конце синтеза защиту снимают.

history_eduАнилиновые красители

В 1856 году восемнадцатилетний Уильям Перкин, пытаясь синтезировать хинин, окислил загрязнённый анилин и получил фиолетовый краситель мовеин. С этого открытия началась промышленность синтетических красителей, а вместе с ней — точная химия замещения в бензольном кольце.

push_pinГлавное

Если заместители направляют электрофил в одно положение, ориентация согласованная; если в разные — побеждает более сильный активатор, а положение между двумя заместителями, стоящими в мета-положении друг к другу, почти не занимается. Порядок стадий определяется тем, какой заместитель должен задать положение следующего. Окисление алкильной группы превращает орто/пара-ориентант в мета-ориентант, восстановление нитрогруппы — мета-ориентант в сильнейший орто/пара-ориентант. Аминогруппу защищают ацилированием, пара-положение — сульфогруппой.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.