Синтез производных бензола: порядок стадий

8 заданий

Порядок и превращение групп

linkОпора

Урок 187. Ориентация при нескольких заместителях — предсказывать место замещения в дизамещённом бензоле
Урок 188. Ограничения электрофильного замещения — знать, когда реакция не идёт

Теперь мы знаем, куда направляют электрофил заместители (уроки 185–187) и когда замещение не идёт (урок 188). Этих знаний достаточно, чтобы планировать синтез замещённых бензолов. Синтез превращается в задачу на порядок действий: нужно решить, какой заместитель ввести первым, и не забыть, что некоторые группы можно превратить в другие уже после замещения.

Как спланировать синтез

Определите, как заместители в целевой молекуле расположены друг относительно друга: в орто/пара- или в мета-положении.
Если заместители в орто- или пара-положении, первым вводят орто/пара-ориентант, а если в мета-положении — мета-ориентант.
Если нужная группа направляет не туда, введите сначала её предшественника, а потом превратите его. Ацильная группа (мета-ориентант) по Клемменсену превращается в алкильную; метильная группа (орто/пара-ориентант) горячим раствором \(\ce{KMnO4}\) окисляется до карбоксильной (урок 192); нитрогруппа (мета-ориентант) восстанавливается до аминогруппы (орто/пара-ориентанта).
Реакцию Фриделя — Крафтса проводят до введения сильных акцепторов.

пара-изомер: Cl₂/FeCl₃, затем CH₃COCl/AlCl₃ — 4-Хлорацетофенон: хлорирование, затем ацилирование

мета-изомер: CH₃COCl/AlCl₃, затем Cl₂/FeCl₃ — 4-Хлорацетофенон: хлорирование, затем ацилирование

Примеры

1. 4-Нитробензойная кислота. Заместители в пара-положении, значит, первым вводят орто/пара-ориентант. Толуол нитруют (метил направляет нитрогруппу в пара-положение), а затем окисляют метил до карбоксильной группы.

Метил — орто/пара-ориентант, потом его окисляют

2. 3-Нитробензойная кислота. Заместители в мета-положении, значит, сначала нужен мета-ориентант: толуол окисляют до бензойной кислоты, а потом нитруют.

Карбоксил — мета-ориентант, нитруют после окисления

3. 1-Бром-3-пропилбензол. Пропил — орто/пара-ориентант, поэтому его вводят через мета-ориентант: ацилируют бензол, бромируют (бром вступает в мета-положение к ацильной группе) и восстанавливают кетон по Клемменсену.

Предшественник группы задаёт нужную ориентацию

errorОдни и те же реакции в разном порядке дают разные изомеры

4-Нитробензойную и 3-нитробензойную кислоты получают из толуола одними и теми же реакциями — нитрованием и окислением, — но в разном порядке. Планируя синтез, сначала решите, каким должен быть ориентант в момент замещения, и лишь потом расставляйте стадии.

edit_noteПопробуйте сами

Как получить 3-бромбензойную кислоту из толуола?

expand_moreПоказать решение

Окислить толуол до бензойной кислоты, а затем бромировать (\(\ce{Br2/FeBr3}\)): карбоксильная группа направит бром в мета-положение.

Блокирующие группы

Иногда замещение нужно направить в положение, которое само по себе замещается не в первую очередь, например в орто-положение. Тогда главное положение (обычно пара) временно занимают группой, которую можно ввести и потом снять. Такими блокирующими группами служат сульфогруппа (урок 179) и трет-бутильная группа.

Как использовать блокирующую группу

Займите нежелательное положение (обычно пара) съёмной группой: сульфогруппой, которую снимают нагреванием с разбавленной кислотой, или трет-бутильной группой, которую снимают нагреванием с сильной кислотой.
Проведите нужное замещение: оно пойдёт в оставшееся свободное положение (орто).
Снимите блокирующую группу.

\[\ce{ArSO3H + H2O ->[t] ArH + H2SO4}\]

Примеры

1. 2-Хлоранизол без пара-изомера. Анизол сульфируют (сульфогруппа занимает пара-положение), хлорируют (хлор вступает в орто-положение к метоксигруппе) и снимают сульфогруппу нагреванием с разбавленной кислотой.

2. 2-Бромтолуол через трет-бутил. 4-трет-Бутилтолуол бромируют (бром вступает в орто-положение к метилу), а затем трет-бутильную группу снимают кислотой при нагревании.

трет-Бутил снимается как устойчивый катион

errorБлокирующая группа должна легко сниматься

Сульфогруппа отщепляется при гидролизе, трет-бутильная группа — в виде устойчивого третичного катиона, поэтому обе годятся как временные. Нитрогруппа на эту роль не годится: удалить её с кольца нельзя, и она осталась бы в продукте.

edit_noteПопробуйте сами

Как прохлорировать толуол только в орто-положение?

expand_moreПоказать решение

Занять пара-положение сульфогруппой (или трет-бутильной группой), прохлорировать, а затем снять блокирующую группу.

push_pinГлавное

Порядок введения групп задаёт изомер: сначала вводят группу, которая направит следующую туда, куда нужно. Инструменты: превращение ориентанта (ацил → алкил по Клемменсену: мета → орто/пара; нитро → амино; алкил → COOH окислением: о/п → мета), блокирующие группы (\(\ce{-SO3H}\), трет-бутил), и правило: Фридель — Крафтс — до введения сильных акцепторов.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.