Функционализация органических соединений

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»













Е. А. Филатова




ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ




Учебное пособие












Ростов-на-Дону - Таганрог
Издательство Южного федерального университета 2020

УДК 547-3(075.8)
ББК 24.2я73
    Ф51

Печатается по решению кафедры органической химии
     Южного федерального университета (протокол № 5 от 4 февраля 2020 г.)

Рецензенты:
доцент кафедры физической и коллоидной химии Южного федерального университета, кандидат химических наук С. А. Бородкин;
доцент кафедры химии Донского государственного технического университета, кандидат химических наук Л. М. Астахова



     Филатова, Е.А.
Ф51 Функционализация органических соединений: учебное пособие / Е. А. Филатова; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. - 167 с.
        ISBN 978-5-9275-3498-2


       Содержит полное и систематическое изложение материала, входящего в учебную программу курса по дисциплинам «методы синтеза органических соединений» и «синтез функциональных органических материалов», изучаемых студентами по направлениям подготовки 04.05.01 - «Фундаментальная и прикладная химия» и 04.04.01 - «Химия» Южного федерального университета. Пособие содержит 16 глав, в которых последовательно рассматриваются способы введения или замещения тех или иных функциональных групп в молекулах органических соединений. Выделяются преимущества и недостатки определенных методов, рассматривается выбор необходимых реагентов и условий реакции. Описываются способы построения циклических систем. В конце каждой темы содержаться упражнения для индивидуальных заданий.
       Предназначено для студентов, которые обучаются по программам специалитета и магистратуры в области органической химии.


УДК 547-3(075.8)
ББК 24.2я73

ISBN 978-5-9275-3498-2

                                               © Южный федеральный университет, 2020
                                               © Филатова Е. А., 2020
                                               © Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................8
ВВЕДЕНИЕ ...............................................10

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КРАТНОЙ
        УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОЙ СВЯЗИ. СИНТЕЗ АЛКЕНОВ ...18
      1.1. Реакции гидрирования - дегидрирования...................18
      1.2. Гидроборирование алкенов и алкинов .....................24
      1.3. Р—Элиминирование........................................26
      1.4. Реакция Чугаева ........................................28
      1.5. Декарбоксилирование янтарных кислот ....................29
      1.6. Реакция Виттига ........................................29
      1.7. Реакция Хека ...........................................30
      1.8. Восстановление аренов по Берчу .........................30
      Задачи к главе 1 ............................................32

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КРАТНОЙ
        УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОЙ СВЯЗИ. СИНТЕЗ АЛКИНОВ ...34
      2.1. Промышленные способы (карбидный метод и пиролиз метана) ...............34
      2.2. Дегидрогалогенирование галогеналканов и галогеналкенов .34
      2.3. Алкилирование алкинов ..................................35
      2.4. Реакция Бестманна-Охиры ................................36
      2.5. Реакция Соногаширы .....................................38
      2.6. Окислительная димеризация ацетилена ....................39
      2.7. Методы перемещения кратной связи в цепи ................40
      Задачи к главе 2 .................................42

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ .................................43
      3.1. Прямое галогенирование алканов .........................43
      3.2. Присоединение к кратным связям .........................44
      3.3. Реакции нуклеофильного замещения .......................47
      3.4. Реакция Бородина-Хунсдикера ............................49

3

      3.5. Гидроборирование алкенов ........................ 49
      3.6. Галогенирование аренов .......................... 49
      Задачи к главе 3...................................... 51

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ СПИРТОВ .................................... 53
      4.1. Гидратация алкенов .............................. 53
      4.2. Гидролиз алкил- и аллилгалогенидов............... 53
      4.3. Гидроксимеркурирование-демеркурирование алкенов . 54
      4.4. Гидроборирование алкенов ........................ 55
      4.5. Реакции металлорганических соединений с карбонильными соединениями ........................................ 56
      4.6. Взаимодействие металлорганических соединений с оксиранами ........................................ 56
      4.7. Этинилирование карбонильных соединений........... 57
      4.8. Восстановление карбонильных соединений .......... 58
      4.9. Восстановление оксиранов ........................ 60
      4.10. Диазотирование первичных алкиламинов ........... 60
      Задачи к главе 4...................................... 61

ГЛАВА 5. СИНТЕЗ ГЛИКОЛЕЙ(1,2-ДИОЛОВ)........................ 62
      5.1. Окисление алкенов ............................... 62
      5.2. Гидратация эпоксидов ............................ 64
      5.3. Пинаконовое восстановление ...................... 65
      Задачи к главе 5...................................... 65

ГЛАВА 6. СИНТЕЗ ФЕНОЛОВ......................................67
      6.1. Щелочное плавление солей сульфокислот ........... 67
      6.2. Гидролиз солей диазония ......................... 67
      6.3. Замещение галогена в ароматических соединениях .. 67
      6.4. Кумольный способ (промышленный метод) ........... 69
      Задачи к главе 6...................................... 69

ГЛАВА 7. СИНТЕЗ ПРОСТЫХ ЭФИРОВ ............................. 71
      7.1. Синтез Вильямсона ............................... 71
      7.2. Дегидратация спиртов ............................ 72
      7.3. Метилирование спиртов диазометаном .............. 73


4

      7.4. Присоединение спиртов к алкенам .................73
      7.5. Оксимеркурирование-демеркурирование алкенов .....73
      7.6. Получение эпоксидов..............................74
      Задачи к главе 7 .....................................75

ГЛАВА 8. СИНТЕЗ АЛИФАТИЧЕСКИХ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ..................................................77
      8.1. Гидроформилирование алкенов .....................77
      8.2. Окисление спиртов ...............................77
      8.3. Окислительное расщепление гликолей ..............79
      8.4. Озонолиз алкенов ................................80
      8.5. Восстановление хлорангидридов карбоновых кислот .81
      8.6. Гидролиз гем-дигалогеналканов ...................81
      8.7. Гидратация алкинов ..............................82
      8.8. Взаимодействие нитрилов с реактивом Гриньяра ....82
      8.9. Термическое разложение Са- и Ва-солей карбоновых кислот ...82
      8.10. Реакция Нефа ...................................83
      8.11. Дитиановый метод Кори-Зеебаха ..................84
      8.12. Метод Лепуорта-Шторка ..........................86
      Задачи к главе 8 .....................................87

ГЛАВА 9. СИНТЕЗ АРОМАТИЧЕСКИХ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ..................................................88
      9.1. Ацилирование по Фриделю-Крафтсу .................88
      9.2. Реакция Гаттермана-Коха .........................88
      9.3. Реакция Губена-Гёша .............................89
      9.4. Формилирование по Вильсмайеру-Хааку .............89
      9.5. Реакция Реймера-Тимана ..........................90
      Задачи к главе 9 .....................................91

ГЛАВА 10. РЕАКЦИИ КОНДЕНСАЦИИ ..............................92
      10.1. Синтезы с малоновым и ацетоуксусным эфирами ....98
      10.2. Сопряженное присоединение по Михаэлю ..........104
      Задачи к главе 10 ...................................105

5

ГЛАВА 11. СИНТЕЗ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ ............................................ 107
      11.1. Оксосинтез....................................... 107
      11.2. Гидролиз производных карбоновых кислот .......... 108
      11.3. Реакции окисления ............................... 109
      11.4. Карбоксилирование ............................... 111
      11.5. Реакция Арндта-Эйстерта ......................... 111
      11.6. Галоформная реакция ............................. 112
      11.7. Перегруппировка Фаворского ...................... 113
      11.8. Взаимопревращения производных карбоновых кислот . 114
      Задачи к главе 11...................................... 119

ГЛАВА 12. СИНТЕЗ НИТРОСОЕДИНЕНИЙ............................. 120
      12.1. Прямое нитрование алифатических и ароматических соединений ....................................... 120
      12.2. Реакции нуклеофильного замещения ................ 121
      12.3. Окисление аминов ................................ 123
      Задачи к главе 12...................................... 124

ГЛАВА 13. СИНТЕЗ АЛКИЛАМИНОВ ................................ 126
      13.1. Процесс Габера................................... 126
      13.2. Алкилирование аммиака по Гофману. Реакция Меншуткина 126
      13.3. Синтез Габриэля ................................. 127
      13.4. Восстановление азотсодержащих соединений ........ 128
      13.5. Реакции Эшвейлера-Кларка и Лейкарта-Валлаха ..... 131
      13.6. Гидролиз амидов.................................. 132
      13.7. Расщепление амидов по Гофману, реакция Шмидта и Курциуса ........................ 132
      13.8. Реакция Манниха.................................. 135
      Задачи к главе 13...................................... 136

ГЛАВА 14. СИНТЕЗ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ ....................... 138
      14.1. Реакция Бухвальда-Хартвига ...................... 138
      14.2. Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду по типу присоединения-отщепления ................. 139

6

      14.3. Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду по типу отщепления-присоединения ................139
      14.4. Анион-радикальный механизм нуклеофильного ароматического замещения ........................140
      14.5. Нуклеофильное замещение водорода в аренах     и гетаренах ........................141
      Задачи к главе 14 ...................................145

ГЛАВА 15. СИНТЕЗ   НИТРИЛОВ ...............................147
      Задачи к главе 15 ...................................150

ГЛАВА 16. ПОСТРОЕНИЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР .................152
      16.1. Трехчленные циклы - производные циклопропана...153
      16.2. Четырехчленные циклы - производные циклобутана.156
      16.3. Методы построения пяти- и шестичленных циклов..158
      Задачи к главе 16 ...................................165

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ..................................166

ПРЕДИСЛОВИЕ


   Задачей органического синтеза является построение сложных органических молекул из более простых органических или неорганических соединений. Простыми считают соединения, содержащие малое число атомов углерода, неразветвленные цепи, ненапряженные циклы, мало реакционноспособные группировки и т. п. Соединения, лишенные функциональных групп, не вступают в конструктивные реакции и для синтеза бесполезны. Простые углеводороды мало реакционноспособные соединения, и для того, чтобы проводить с ними реакции, необходимо вводить какие-либо функциональные группы. Реальные синтезы вынуждены включать стадии перефункционирова-ния - замены одной функциональной группы на другую, защиты и даже удаления функциональных групп. Для этого необходимо владеть знаниями о методах получения того или иного класса соединений и перехода одного типа органических соединений к другим. Наиболее ценны для использования в синтезе моно- и дифункциональные производные углеводородов, содержащие от одного до шести атомов углерода. Наиболее пригодными в органическом синтезе функциональными группами является двойная и тройная углеродуглеродные связи: -Hal, -ОН, -CHO, -C=O, -COOH, -COOR, -NO2, -NH2, -CN. Поэтому в данном учебном пособие будут рассмотрены различные способы введения в молекулу органического соединения именно этих групп. Учебное пособие включает в себя 16 глав, относящихся к синтезу различных классов соединений.
   Поскольку для каждого целевого соединения можно найти несколько путей синтеза, задача синтетика состоит в том, чтобы выбрать из всех возможных путей наилучший. Выбор наиболее подходящего химического превращения, условий его проведения (реагенты, температура, растворитель), обеспечивающих максимальный выход и сводящих к минимуму побочные процессы, составляет тактику органического синтеза.
   Предлагаемое учебное пособие предназначено для теоретической подготовки студентов на химическом факультете Южного федерального университета по направлениям 04.05.01 - «Фундаментальная и прикладная химия» (специалитет) и 04.04.01 - «Химия» (магистратура).
   Цель этого учебного пособия - углубить знания студентов, дополнить их представлением о многих именных реакциях, а также расширить понимание 8

Предисловие

о механизмах приводимых процессов. Учебное пособие систематизировано по синтезу отдельных классов органических соединений, рассмотрены методы построения циклических структур. В разделах указаны преимущества или недостатки определенных методик. В конце каждой главы сформулированы задачи по теме для самопроверки усвоенного материала. Все это должно упростить поиск возможного пути синтеза для того или иного соединения.

ВВЕДЕНИЕ


   Прежде чем приступить к синтезу соединений различного класса, хочется вспомнить, почему вообще протекают химические реакции. Из второго за

кона термодинамики известно, что каждая система стремится к наиболее

устойчивому состоянию. Экстраполируя это положение на химические веще

ства, можно предположить, что два вещества будут реагировать друг с дру

гом, если устойчивость продуктов реакции окажется выше устойчивости ис

ходных веществ. Мерой полноты протекания реакции является константа равновесия Кр, вытекающая из приложения закона действующих масс к об
ратимой химической реакции.

A + B  w-=— C + D

Kp =

[C][D] [A][B]

    При Кр>10⁴-10⁵ процесс идет до конца. Такие превращения характеризи
руются скоростью исчезновения исходных веществ, поэтому принято говорить, что они управляются кинетикой. Химическая кинетика устанавливает

связь между скоростью и условиями проведения реакции.
   При Кр<1-10³ реакция идет не до конца, а находится в некотором равновесии. Такие реакции называют обратимыми и говорят, что они управляются термодинамикой. Химическая термодинамика изучает химические реакции на основе трех общих законов взаимопревращения теплоты, работы и энергии. Термодинамика изучает такие параметры, как энтальпия Н, энтропия S, свободная энергия Гиббса G, энергия активации Еа. Термодина

мика на основе этих параметров определяет направление, в котором в данных условиях может самопроизвольно проходить реакция, а именно, если выполняются следующие неравенства: AH <0, AS> 0 и AG< 0. Все эти параметры связаны между собой следующими уравнениями:
AG = AH - TAS

AG = -2,3 RTlgK
   Известны случаи, когда одна и та же реакция в одних условиях управляется кинетикой (кинетический контроль), а в других условиях - термодинамикой (термодинамический контроль). При этом, как правило, происходит смена продукта реакции. Например, нафталин1 при температуре ниже 100 оС сульфируется с образованием а-нафталинсульфокислоты 2, тогда как выше 150 оС основным продуктом реакции является ^-нафталинсульфокислотаЗ. Причина этого

10

Введение

заключается в том, что скорость сульфирования a-положения нафталинового кольца намного превышает скорость в-сульфирования. И при пониженной температуре, когда имеет место кинетический контроль реакции, образуется a-изомер 2. Однако соединение 2 термодинамически менее устойчиво, чем в-нафталинсульфокислота 3. Поэтому при достаточно высокой температуре происходит десульфирование 2 и переход сульфогруппы в термодинамически более выгодное в-положение. Относительная неустойчивость a-нафталинсульфокислоты может быть объяснена стерическими помехами, которые создает сульфогруппе пери-водородный атом во втором бензольном кольце.

H₂SO₄

>150°С

H₂SO₄

<100°С

   Для полного понимания химических процессов, происходящих в реакционной колбе, требуется установить механизм возможных превращений. Не всегда достоверно мы можем говорить о тех или иных процессах, но , основываясь на экспериментальных наблюдениях и теоретических данных, можно с высокой долей вероятности предположить путь протекания реакции. Знание многих механизмов реакции делает возможным правильно предсказывать реакционную способность и управлять ходом процесса. Под механизмом реакции принято понимать детальное описание пути превращения исходных соединений в продукты реакции. Для сложных реакций, состоящих из нескольких стадий, механизм реакции - это совокупность стадий, в результате которых исходные вещества превращаются в продукты. Поэтому стехиометрические уравнения, как правило, не отражают истинного механизма. Например, восстановление нитробензола 4 до анилина 7 включает на промежуточных стадиях образование нитрозобензола 5 и фенилгидроксиламина 6, которые в определенных условиях можно выделить из реакционной смеси.

11

Введение

Классификация механизмов
   В большинстве органических реакций происходит разрыв одной или нескольких ковалентных связей. В зависимости от того, каким образом разрывается связь, механизмы органических реакций можно квалифицировать по трем типам.
   1.    Гетеролитический или ионный, когда при разрыве ковалентной связи оба электрона остаются на одном из атомов:А + в:
   Большинство органических реакций протекают именно гетеролитически.
   2.    Гомолитический или свободнорадикальный, когда при разрыве ковалентной связи электронная пара связи делится пополам между атомами, в результате чего образуются две частицы с неспаренными электронами -радикалами: A—B     " A' ⁺ B'
   При фотосинтезе или термическом крекинге очень легко диссоциируют перекисные соединения. Например, для надкислоты 8 характерно двухстадийное расщепление: диссоциация 8 по связи кислород-кислород, а затем карбоксильный радикал 9 расщепляется с высвобождением углекислого газа, давая алкильный или арильный радикал 10:
hu or Л
R-C-O—О-Н ----------•- R—С-О* + -ОН
               и                       Я
               О                     9 о
              8 надкислоты             |
                                     R*+ СО₂
                                     10
   3.    Перициклический механизм, когда электроны движутся по замкнутому кольцу. Обязательное условие перициклической реакции - это ее одностадийность и синхронность. В этих реакциях не образуются интермедиаты, йоны или свободные радикалы, и невозможно сказать, спарены или неспа-рены движущиеся электроны. В формировании переходного состояния принимают участие по одной орбитали от каждого входящего в него атома.
||⁷⁺(-|| —[□]—□


Типы химических реакций
   Органических реакций очень много, и они весьма разнообразны. Однако все реакции можно отнести к пяти категориям.

12

Введение

   1.    Замещение может быть свободнорадикальным, а также нуклеофильным или электрофильным, в зависимости от того, какой реагент рассматривать как субстрат, а какой - как атакующий агент.
   а)    Свободнорадикальное замещение характерно для алканов, у которых происходит замещение водорода, например, на хлор. На первой стадии происходит инициирование свободных радикалов под действием УФ-облучения, далее следует рост цепи и в конце процесс завершается обрывом цепи - рекомбинацией радикалов.
ho
                CI-CI — 2CI •

Н3С-Н + ci- -------- СНз + на
                СН₃ + Cl- ------ H3C-CI
   б)    Мономолекулярное нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода (SN1) представляет собой двухстадийный процесс, протекающий через образование на первой лимитирующей стадии карбокатиона. Если реакционный центр в исходной молекуле хирален, то имеет место рацемизация.
I -х<э I© N“Q I I
,C„,         ,cy ------* .C,„     ₊   .„.c^
' \ C\ / \                     V        I
x +x°                      Nu Nu
   в)    Бимолекулярное нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода (SN2) представляет собой одностадийный синхронный процесс образования новой и разрыв старой связи. В случае наличия хирального центра, у которого происходит замещение, наблюдается инверсия с обращением конфигурации.
0 I                    8⁺ I S’             I . VO
   :NiT + ,C „             NU-- C--X ------► ^Cᵥ „     ⁺ X
V              / \             Nu \
                X
   г)    В случае нуклеофильного замещения в ароматическом ряду характерно три типа реакций: одно мономолекулярное SN1Ar и два бимолекулярных процесса, SN2Ar(AE) - присоединение-отщепление и SN2Ar(EA) - отщепление-присоединение.
   Мономолеклярный SN1Ar процесс характерен только для солей диазония, которые с выделением азота образуют нестабильный арильный

13

Введение

карбокатион. Последующее быстрое присоединение нуклеофила приводит

к продукту замещения диазогруппы.

   Бимолекулярный процесс присоединение-отщепление SN2Ar(AE) протекает через образование на первой стадии анионного а-комплекса (лимитирующая стадия). Водород подвергается нуклеофильному замещению очень трудно, поэтому обычно уходящей группой Х является галоген. Однако

и в этом случае процесс идет легко лишь при наличии в орто- и пара-по

ложениях к Х электроноакцепторных групп Z (-NO2, CN, -COOR и т. п.), ко

торые создают большой положительный заряд на углероде, с которым свя

зан Х и увеличивают стабильность анионного о-комплекса.

+ Nu°

X Nu    Nu
   ф - ф
    Z       Z

^-комплекс
   Бимолекулярный процесс отщепление-присоединение SN2Ar(EA) тоже характерен для арилгалогенидов. При действии сильных оснований типа

амида натрия в жидком аммиаке или металлорганических соединениях на первой стадии происходит отщепление в-водородного атома и галогена, что приводит к образованию бензина с тройной связью, который далее быстро присоединяет нуклеофил, например, аммиак.

NaNH₂

-NH₃ - NaX

бензин

   д)     Электрофильное ароматическое замещение SE2Ar. Лимитирующей обычно является первая стадия образования катионного а-комплекса, а по
следующее отщепление протона приводит к ароматизации субстрата.

E

E

л-комплекс

E

электрофуг

14

Введение

   2.    Реакции присоединения к кратным связям могут происходить по че

тырем возможным механизмам.

   а)  Электрофильное бимолекулярное присоединение ADE2.

Е

л-комплекс

  I © Nu
-С-С-----  ± ।

  I YU
—с-с— ।

   На первой лимитирующей стадии происходит образование карбокатиона. Последующее присоединение нуклеофила протекает с противоположной стороны, давая продукт транс-присоединения.
   б)    Нуклеофильное бимолекулярное присоединение AdN2 идет очень трудно. В качестве нуклеофила в таких реакциях выступают только сильные основания - RO⁻, NH2⁻, R⁻.


        C=C + Nu


I ©
—c-c—

        Nu¹

        НзО⁺  I H
        —   -SUF


ст-комплекс

   Реакция облегчается, когда у двойной связи находится электроноакцепторная группа (СНО, COOR, CN, NO2 и т. п.). В этом случае присоединение идет вопреки правилу Марковникова, по типу 1,4-присоединения.
\0>>    < ч ₀-    ©          I H HO     H3O+   | H
  C=C-C=O ⁰   + Nu -----► Nu-C-C=C-O -------c  _C-C-C₌O
z ¹                          ¹¹¹               Nu

  в) Свободнорадикальное присоединение (гомолитическое).
\С/    -ЛГ            ■ Y                 X Y
C=C +  X-Y -------- -C-C—   + X-Y ----- -C-C— + Y ■


   Радикальное присоединение идет против правила Марковникова. Вызвано это повышенной стабильностью третичных, аллильных и некоторых других радикалов, образующихся при присоединении атакующего радикала

в определенную позицию в молекуле.

   г)  Синхронное присоединение (перициклическое).

X X
'—-I
Y

                                    I
           —C-X
           —C-Y
             I

15