Органический синтез

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

ОРГАНИЧЕСКИЙ
СИНТЕЗ

Практикум

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета для студентов вуза,
обучающихся по направлениям подготовки
18.03.01, 18.04.01 «Химическая технология», 04.04.01 «Химия»

УДК 547(075.8)
ББК 35.61я73
         О-64

В практикуме дано описание методов получения, очистки и первичной идентификации ор-
ганических соединений, приведен список контрольных вопросов по теории и эксперименту
в органическом синтезе, собран материал по общему и специальному лабораторному практикуму
для дисциплин «Органическая химия», «Химия гетероциклических соединений», «Химия биоло-
гически активных веществ», «Тонкий органический синтез», «Основы химии элементоргани-
ческих соединений».
Рекомендуется студентам вуза при изучении различных разделов органической химии
и смежных дисциплин.

Органический синтез : практикум / Е. Н. Уломский, Э. В. Носова, И. А. Уте-
пова [и др.] ; под общ. ред. И. А. Утеповой ; Министерство науки и высшего
образования Российской Федерации, Уральский федеральный университет. —
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 114 с. : ил. — Библиогр.: с. 111—
112. — 100 экз. — ISBN 978-5-7996-3117-8. — Текст : непосредственный.
ISBN 978-5-7996-3117-8

О-64

ISBN 978-5-7996-3117-8

А в т о р ы:
Е. Н. Уломский, Э. В. Носова, И. А. Утепова,
С. Л. Деев, О. Н. Чупахин, В. Л. Русинов

П о д  о б щ е й  р е д а к ц и е й
И. А. Утеповой

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Теоретическая и прикладная химия»
Южно-Уральского государственного университета
(заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор  О. К. Шарутина);
А. В. Щепочкин,  кандидат химических наук, младший научный сотрудник
Института органического синтеза УрО РАН

© Уральский федеральный университет, 2020

УДК 547(075.8)
ББК 35.61я73

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ......................................................................................................... 5

Введение .............................................................................................................. 6

1. СИНТЕЗ ........................................................................................................... 7
1.1. Реакционный сосуд .................................................................................... 7
1.2. Перемешивание .......................................................................................... 8
1.3. Теплообмен (нагревание, охлаждение и конденсация) ................................. 10
1.4. Измерение и регулирование температуры .................................................... 16
1.5. Прибор для органического синтеза ............................................................. 17
1.6. Реакции в безводной среде и инертной атмосфере ....................................... 18

2. ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ .................................. 22
2.1. Выделение твердых веществ из реакционной массы .................................... 22
2.2. Выделение жидких веществ из реакционной массы .................................... 27
2.3. Очистка твердых органических соединений. Перекристаллизация .............. 32
2.4. Хроматография ........................................................................................ 33

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ...................................... 47
3.1. Определение температуры плавления ........................................................ 47
3.2. Определение температуры кипения ............................................................ 48

4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРЫ ......................... 49

5. ПРЕПАРАТИВНАЯ ЧАСТЬ .............................................................................. 52

6. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ «ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ» ....................... 54
6.1. Реакции нуклеофильного замещения ......................................................... 54
6.2. Реакции, протекающие с участием альдегидов и кетонов ............................. 58
6.3. Синтезы с помощью магнийорганических соединений ................................ 62
6.4. Реакции электрофильного ароматического замещения ................................. 64
6.5. Реакции восстановления нитросоединений до аминов ................................ 66
6.6. Синтез и реакции ароматических солей диазония ....................................... 67

7. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ХИМИЯ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ» ........................................... 72
7.1. Синтез пиррола по Кнорру (3,5-бис(этоксикарбонил)-2,4диметилпиррол) ... 72
7.2. Синтез пиррола ........................................................................................ 74
7.3. Синтез 5,6-дифторизатина ......................................................................... 75
7.4. Синтез 6,7-дифтор-2-метилхинолин-4-карбоновой кислоты ......................... 76
7.5. Синтез 2,3-диметилиндола ........................................................................ 77
7.6. Синтез индола .......................................................................................... 79

7.7. Синтез 3,5-диметилпиразола ....................................................................... 80
7.8. Синтез диэтилового эфира 2,6-диметил-4-фенилпиридин-
2,6-дикарбоновой кислоты ....................................................................... 81
7.9. Синтез хиноксалина ................................................................................. 83
7.10. Синтез пиразин-2,3-дикарбоновой кислоты ............................................... 84
7.11. Синтез 2-бромпиридина .......................................................................... 85
7.12. Синтез мезо-тетрафенилпорфирина .......................................................... 86
7.13. Синтез хинолина ..................................................................................... 88

8. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ» ........................................ 90
8.1. Синтез стрептоцида .................................................................................. 90
8.2. Синтез изониазида .................................................................................... 92
8.3. Синтез фтивазида [(4-гидрокси-3-метоксибензилиден)-
изоникотиновой кислоты гидразида] ......................................................... 93
8.4. Синтез барбитала ..................................................................................... 94
8.5. Синтез фурацилина .................................................................................. 95
8.6. Синтез дибазола ....................................................................................... 96
8.7. Синтез меркаптопурина .............................................................................. 97

9. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ТОНКИЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ» .............................................................. 99
9.1. Синтез йодбензола ..................................................................................... 99
9.2. Синтез изонитрозоацетоуксусного эфира/изопропил нитрита ...................... 100
9.3. Синтез этил-2-циано-3,3-диметилтиоакрилата ........................................... 102
9.4. 1-Морфолино-2-цианоэтилен ..................................................................... 103

10. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ОСНОВЫ ХИМИИ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ» .................. 104
10.1. 2-Фенилбутанол-2 (метилэтилфенилкарбинол) ........................................... 104
10.2. Синтез трифенилметанола (трифенилкарбинола) ..................................... 105
10.3. Ацетилферроцен ...................................................................................... 107
10.4. (R,S)-2,2'-Дигидрокси-1,1'-бинафтил (BINOL) ........................................... 109

Библиографический список ................................................................................ 111

ПРЕДИСЛОВИЕ

Практикум предназначен для студентов бакалавриата и магистратуры
химико-технологического, физико-технологического институтов, института
новых материалов и технологий, института радиоэлектроники и информа-
ционных технологий — РтФ для проведения лабораторно-практических
занятий по дисциплинам «Органическая химия», «Химия гетероциклических
соединений», «Химия биологически активных веществ», «Тонкий органи-
ческий синтез», «Основы химии элементорганических соединений».
Целью является формирование у студентов навыков научно-исследова-
тельской деятельности в ходе экспериментального раскрытия теоретических
положений органического синтеза.
Для того чтобы студенты могли успешно овладеть основными способа-
ми организации самостоятельной работы, в первых разделах приводятся
теоретическое описание методов проведения органического синтеза, выде-
ления и очистки органических соединений, идентификации продуктов реак-
ции, а также данные по мерам предосторожности при работе в лаборатории.
Кроме того, в разделе «Препаративная часть» представлен план оформле-
ния отчета.
По каждой теме лабораторных занятий сформулированы теоретические
вопросы, которые студенты могут использовать при подготовке к работе.
Вопросы аналогичны тем, что предлагаются студентам на занятии для оценки
степени их готовности к работе. Более того, в каждой работе сформулиро-
ваны вопросы по методике синтеза, которые способствуют более осмыслен-
ному выполнению экспериментов в лаборатории.

ВВЕДЕНИЕ

Работа под названием «Органический синтез» предполагает последова-
тельность действий, приводящих к образованию необходимого продукта
из реагентов, посредством операций, характерных для органического синтеза. 
Получение органических соединений включает следующие основные
стадии:
a) собственно синтез — порядок и скорость сочетания реагентов, создание 
условий для их взаимодействия, температурный режим протекания реакции 
и проч. В результате процесса образуется так называемая реакционная 
масса;
б) выделение продукта — отделение целевого вещества от побочных
продуктов, оставшихся реагентов, растворителя, удаление основных примесей 
и получение продукта в виде сырья для очистки. Полученный в результате 
выделения продукт называют сырым (но не мокрым!);
в) очистку продукта — получение целевого продукта в чистом виде.
Операции очистки определяются агрегатным состоянием получаемого вещества, 
а также его химическими и физическими свойствами;
г) идентификацию (анализ) полученного вещества — установление структуры 
вещества аналитическими методами и определение его характеристических 
констант (температуры кипения, плавления; плотность; показатель
преломления и проч.). Для ранее синтезированного соединения обычно бывает 
достаточно сравнения некоторых физико-химических свойств полученного 
продукта со справочными данными.

1. СИНТЕЗ

Основными операциями синтеза являются нагревание, охлаждение, перемешивание, 
встряхивание, растворение и проч. Обычно считается целесообразным 
проводить синтез в некотором сосуде хотя бы потому, что в нем
удобно регулировать условия протекания синтеза. Кроме того, из этого сосуда 
можно легко обработать реакционную массу на стадии выделения сырого 
продукта. Поэтому необходимо ознакомиться с основными видами реакционных 
сосудов, применяемых в органическом синтезе.

1.1. Реакционный сосуд

Для проведения реакции используют обычно сосуд, в который можно поместить 
исходные соединения и осуществить синтез. Для этого необходимо
соблюдение следующих условий:
а) объем сосуда должен быть больше общего объема загружаемых ингредиентов. 
Обычно коэффициент заполнения () реакционного сосуда составляет 
0,5—0,7, а при проведении реакции с перемешиванием значение составляет 
0,4—0,5;
б) материал, из которого сделан реакционный сосуд, должен соответствовать 
требованиям, предъявляемым к температурным режимам реакции,
и не должен реагировать с исходными веществами и реакционной массой;
в) сосуд должен легко соединяться с дополнительными приборами, необходимыми 
для проведения синтеза.
Наиболее простыми и удобными в пользовании реакционными сосудами 
являются химические стаканы, которые могут быть изготовлены из фарфора (
рис. 1, а) или термостойкого стекла (рис. 1, б). Стеклянные стаканы
менее прочны, чем фарфоровые, однако стекло лучше проводит тепло, а кроме
того, позволяет наблюдать протекание реакции.

Рис. 1. Реакционные сосуды:
а — из фарфора; б — термостойкого стекла; в — колба Эрленмейера

а
б
в

Исключительная простота конструкции, отличающая стаканы, устанавливает 
жесткий предел их функциям, оставляя лишь простые синтезы. Так,
стаканы нельзя использовать при нагревании низкокипящих и легковоспламеняющихся 
растворителей. В этом случае часто применяют плоскодонную
колбу Эрленмейера (рис. 1, в), к тубусу которой можно присоединить дополнительные 
приборы, колбу можно закрыть пробкой.
При всех удобствах колбы Эрленмейера ее нельзя использовать при ра-
боте с вакуумом во избежание взрыва. Кроме того, при перемешивании
и кипячении суспензий осадок скапливается у стенок колбы, что мешает нор-
мальному протеканию реакции.
Универсальной формой реакционного сосуда, позволяющей совершать
наибольшее количество операций, оказывается сферическая или близкая к ней
посуда, чаще всего применяемая в синтезе, — круглодонные (рис. 2, а),
а также грушевидные (рис. 2, б) и остродонные (рис. 2, в) колбы.

Рис. 2. Виды колб:
а — круглодонная; б — грушевидная; в — остродонная; г — трехгорлая

а
б
в
г

Колбы чаще всего изготавливают из термостойкого стекла, однако из-
вестны случаи использования стальных, медных и даже полиэтиленовых
колб. Материал для колбы выбирают в соответствии с условиями реакции.
Сложные синтезы, в ходе которых необходимо осуществление несколь-
ких операций (прибавление реагентов, перемешивание, пропускание газов,
температурный контроль и проч.), требуют специальных колб с нескольки-
ми горлами (рис. 2, г), число которых обычно не превышает четырех. Если
по каким-либо причинам возникает необходимость в большем числе горл,
используют специальные многогорлые насадки.

1.2. Перемешивание

Перемешивание в органическом синтезе очень часто используется
для обеспечения фазовой и термической однородности реакционной массы.
Перенос реагентов через поверхность раздела фаз в гетерогенных системах
(твердое вещество — жидкость, жидкость — жидкость или жидкость — газ)
замедлен, следовательно, уменьшена скорость протекания реакции.

В этом случае перемешиванием достигают увеличения поверхности
межфазного контакта, таким образом ускоряя реакцию. Часто бывает необ-
ходимо добавление реагентов к реакционной массе в ходе процесса, возни-
кающие при этом локальные увеличения концентрации прибавляемого ве-
щества могут привести к изменению результата взаимодействия. Переме-
шивание позволяет быстро и равномерно распределять реагент в реакционной
массе.
В органическом синтезе обычно используют локальное нагревание (или
охлаждение), способное привести к нежелательным местным температурным
скачкам. Перемешиванием при этом достигают термической однородности
по всему объему смеси.
Простейший случай перемешивания наблюдается при кипячении реак-
ционной массы. В тех случаях когда вязкость среды не слишком велика, ин-
тенсивное кипячение позволяет добиться вполне удовлетворительного пере-
мешивания. Необходимо помнить о необходимости внесения перед кипяче-
нием центров парообразования — так называемых кипелок (кусочки пористого
кирпича, фарфора или запаянных с одной стороны стеклянных капилляров).
При проведении реакций жидкости с газами хорошее перемешивание
обеспечивается сильным током проходящего газа. Этим способом иногда
пользуются, пропуская через реакционную массу ток воздуха или инертного
газа. Метод очень прост в аппаратурном оформлении и особенно часто ис-
пользуется в тех случаях, когда в реакционную массу добавляют газообраз-
ный реагент (аммиак, углекислый газ и проч.) или избавляются от ненужно-
го газообразного продукта продуванием воздуха. Универсальным средством
перемешивания в лабораторной практике являются стеклянные мешалки,
однако возможно применение и полиэтиленовых, тефлоновых, металлических
мешалок. Формы мешалок бывают самыми разнообразными в зависимости
от требуемой эффективности перемешивания и конструкционных особеннос-
тей реакционного сосуда.
Простейшие мешалки представляют собой изогнутые стеклянные палоч-
ки (рис. 3, а), но эффективность их невелика. Наиболее эффективны пропел-
лерные мешалки (рис. 3, б), они же часто используются при работе с широко-
горлыми сосудами.
Для узкогорлых сосудов используют лопастные (рис. 3, в) или проволоч-
ные мешалки, однако их эффективность мала. Очень мощными и удобными
в работе являются мешалки, изготовленные из тефлоновой трубки.
Магнитные мешалки (рис. 3, г) часто используют в лабораторных син-
тезах, особенно при необходимости перемешивания в закрытом сосуде. Якорь
из металла, заключенный в стеклянную, полиэтиленовую или тефлоновую
оболочку, приводится в движение вращением сильного постоянного магнита.
Мешалки такого рода очень удобны, однако их мощность невелика и в вяз-
ких реакционных массах они часто останавливаются.

Перемешивание в самом простом случае осуществляется вручную
при помощи палочки, однако для продолжительных реакций используют
электрические двигатели с мешалками. Частоту вращения при этом обычно
регулируют при помощи лабораторных автотрансформаторов.
При всех преимуществах электродвигателей они обычно не заземлены,
поэтому возможно искрение (например, при работе с легковоспламеняющи-
мися жидкостями), в качестве двигателя используют турбинки, приводимые
в движение напором воды или газа.

1.3. Теплообмен
(нагревание, охлаждение и конденсация)

Нагревание и охлаждение относятся к операциям, наиболее часто исполь-
зуемым в органическом синтезе. Температура влияет на скорость химичес-
кой реакции и даже на ее результаты. Подводом и отводом тепла также
достигают изменения агрегатного состояния вещества (плавление, испаре-
ние, возгонка, конденсация и проч.).
Теплопередача осуществляется посредством теплопроводности, конвек-
ции и излучения.
Принято считать, что теплопроводность представляет собой обмен теп-
ловой энергией между неподвижными частицами, например, в стеклянной
стенке колбы или в неподвижном слое газа.
Конвекция представляет собой передачу тепла посредством движения
и перемешивания потоков жидкостей или газов, а также обмен энергией
между потоками и неподвижной поверхностью.
Излучением называют передачу тепла лучами с длиной волны в диапазоне 
1—300 мкм.

Рис. 3. Виды мешалок:
а — простейшая; б — пропеллерная; в — лопастная; г — магнитная

а
б
в
г

двигатель

мешалка
мешалка

якорь

Количество тепла (Q), передаваемого по механизму теплопроводности,
зависит от ряда факторов:

Q =  · F · (t/),

где — коэффициент теплопроводности материала; F — площадь поверхности 
теплообмена; t — разность температур; — толщина слоя (или стенки), 
через который проводится тепло.
Таким образом, движущей силой теплообмена является разность температур, 
т. е. эффективность теплопередачи тем выше, чем больше t.
Из представленного соотношения также очевидно, что количество передаваемого 
тепла (Q) возрастает с увеличением коэффициента теплопроводности , 
зависящего от природы теплопроводящего материала. Так, для воздуха = 
5,8 · 10–5, для воды — 1,4 · 10–3, для стекла — 2,0 · 10–3, для меди —
0,92 кал/с · см · град.
Теплообмен между неподвижной твердой поверхностью и потоками
жидкости или газа может осуществляться как естественным движением потоков (
естественная конвекция), так и путем механического перемешивания (
принудительная конвекция).
Для конвективной теплопередачи справедливо следующее соотношение:

Q =  · F · t.

Коэффициент теплопередачи () зависит от многих факторов: плотности
подвижной фазы, скорости потоков, их теплопроводности и теплоемкости.
Так, при естественной конвекции в воде = 2,0 · 10–2, а при принудитель-
ной — 1,5 · 10–1 кал/с · см2· град.
Обычно теплопередача в процессе теплообмена осуществляется обоими
способами. Так, даже при очень интенсивном движении жидкости или газа
к твердой стенке «прилипает» тонкий неподвижный слой среды (называе-
мый ламинарным), в котором теплопередача осуществляется исключитель-
но за счет теплопроводности. Поскольку теплопроводность газов и боль-
шинства жидкостей очень мала, ламинарный слой создает наибольшее со-
противление теплопередаче между фазами, обменивающимися теплом.
Таким образом, на передачу тепла при нагревании, охлаждении, а также
конденсации паров оказывает влияние множество факторов, и успешное
осуществление этих операций зависит от правильности выбора режима тепло-
обмена, природы теплоносителя, скорости его потоков, конструкции прибо-
ра и проч.
Экономия энергии и материалов, представляющаяся важной в промыш-
ленных процессах, не играет большой роли в лабораторных синтезах, где оп-
ределяющим фактором является эффективность (быстрота и точность) дости-
жения необходимой температуры.

1.3.1. Нагревание
Прямой нагрев на пламени спиртовки или газовой горелки возможен
только при использовании сосудов, изготовленных из термостойких мате-
риалов (металл, термостойкое или кварцевое стекло). Нагрев осуществляет-
ся при непрерывном движении горелкой для равномерного обогрева всей
поверхности сосуда.
Использование электрических плиток (особенно с закрытым элементом)
является более безопасным вариантом прямого нагрева. Однако и он непри-
меним для нагревания легковоспламеняющихся жидкостей. Удобство пря-
мого способа нагревания состоит в возможности быстрого удаления источ-
ника тепла.
Во избежание местных перегревов, а также для более точной регулиров-
ки температурного режима используют различные бани. Наиболее простым
их видом является баня воздушная (рис. 4, а).
Но воздух — плохой и ненадежный проводник тепла (возможны мест-
ные перегревы реакционной массы в колбе), поэтому регулировать темпера-
туру воздушной бани и реакционной массы трудно. Частым вариантом
воздушной бани является баня паровая, позволяющая нагревать реакцион-
ную массу при температуре 100 °С. При применении песчаных бань — ме-
таллических чашек, заполненных мелким песком, — оказывается возможным
нагрев практически во всем диапазоне температур, чаще всего применяемых
в органическом синтезе. Однако и здесь терморегуляция является непрос-
той проблемой; также возможны местные перегревы, приводящие зачастую
к последствиям неожиданным и нежелательным.

Рис. 4. Бани:
а — воздушная; б — водяная

а
б

баня

теплоноситель

термометр
сопротивления

терморегулятор

Избежать локальных перегревов можно при использовании жидкостных
бань. Наиболее распространенный вариант — водяная баня, позволяющая
осуществлять мягкий нагрев в диапазоне температур 20—100 °С. Регулиро-