Органическая химия Курс лекций для студентов фармацевтического факультета Бауков Юрий Иванович профессор кафедры химии Белавин Иван Юрьевич профессор кафедры химии Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова, г. Москва 2012− − 2013 учебный год, 4-й семестр 1 Лекция 16(01) Органические соединения с азотсодержащими функциональными группами. Амины (2), нитросоединения, диазосоединения, азокрасители. Исходный уровень к лекции 16(01) – амины, нитросоединения (школьный курс; 3-й семестр, лекция 11) 2 Органические соединения с азотсодержащими функциональными группами ● Амины ○ Основные способы получения ○ Электронное и пространственное строение ○ Кислотно-основные свойства ○ Нуклеофильные свойства аминов ○ Реакции аминов с азотистой кислотой ○ Реакция диазотирования • Нитросоединения • Диазо- и азосоединения ○ Алифатические диазосоединения ○ Азосоединения (диазены) 3 Амины Амины – Основные способы получения 1. R Hal + 2 NH3 R NH2 + NH4Hal 2. R NO2 [H] R NH2 3. O R C R' N R" LiAlH 4 R' R CH2 N R" 4 Основные способы получения (продолжение) 4. Восстановление R C N LiAlH4 или Na/C2H5OH R NH2 o или Н2, Ni, 120 C, 140 атм 5. Восстановление R R' C N OH + H2 R Ni, 20 oC, 3 атм. CН NН2 R' 6. Восстановительное R" R N H C О + R' R'" H2, Ni, R CH N R' R" R'" 5 Основные способы получения (продолжение) 7. Синтез Габриэля C O O C K2CO3 NH N K C C6H5CH2Cl NCH2C6H5 C O O C C O H2O, KOH O COOK CH2NH2 + COOK 8. Расщепление амидов кислот по Гофману O R C NH2 Cl2 или Br2 / NaOH - Na2CO3, - NaCl или NaBr R NH2 6 Основные способы получения (продолжение) 9. Замещение сульфогруппы Ar SO3Na NaNH2 - Na2SO3 Ar NH2 10. Замещение гидроксигруппы в нафтолах и некоторых фенолах (реакция Бухерера) NaHSO3 Ar OH + NH3 o p, t Ar NH2 7 Основные способы получения (продолжение) 11. Алкилирование O O O Ar S Cl + H2N R Ar S NH R - HCl O O O - Hal- O Ar S N O R' R R' O NaOH, H2O O Ar S N O R Ar S N R - H2O O Ar S N R + Hal R' O NaOH R Ar S ONa + H N O R' 8 Электронное и пространственное строение аминов N R sp R" R' 3 C2H5 C3H7 C2H5 C3H7 C3H7 C2H5 N N N CH3 CH3 CH3 R S H N sp2 H C2H5 CH3 N CH=CH2 C2H5 CH2=CH N CH3 C6H5 C6H5 S R 9 Кислотно-основные свойства Амины – + R R' N H Cl R" R R' N + HCl R" + R R' N R R' N H + OH + H 2O R" R" B + H2O BH+ BH+ + OH B + H+ KB = KBH + = [BH+ ] [OH ] [B ] [B ] [H+] + [BH ] pKB = - lgKB pKBH + = - lgKBH + 10 Количественная оценка основности алифатические амины > ароматические амины pKBH + 4 5 10 11 (CH3)2NH > CH3NH2 > (CH3)3N > C6H5CH2NH2 > NH3 pKBH + 10.7 10.6 9.8 9.4 9.25 C6H5NH2 п-CH3C6H4NH2 м-CH3C6H4NH2 о-CH3C6H4NH2 pKBH + 4.6 5.08 4.73 4.45 п-NO2C6H4NH2 м-NO2C6H4NH2 о-NO2C6H4NH2 pKBH + 1.02 2.45 0.28 Слабые кислотные свойства аминов R2NH + C4H9Li R2NLi + C4H10 11 Нуклеофильные свойства аминов R R' N + δ+ С Hal С N R' Hal R" R" R NH2 R' + O C δ+ R" δ+ O R N H + R" C R' X R R' + R N H+ R' R N C R" - H2O O - HX R" C δ+ R O R' N R R' N CH2 CH2 OH 12 Изонитрильная проба по Гофману R NH2 + CHCl3 + 3KOH HO + H CCl3 - H2O, - Cl- R NH2 + Cl C Cl R N C Cl H + OH - H2O, - Cl + R N C + 3KCl + 3H2O изонитрил CCl2 (дихлоркарбен) H Cl + OH + R N CH O, Cl 2 Cl H R N=C + R N C изонитрил 13 Реакции аминов с азотистой кислотой 1. Первичные R NH2 + HNO2 R OH + N2 + H2O (много побочных продуктов) 2. Вторичные амины R N H + HNO2 R' R R' N N=O + H2O N-нитрозоамин 3. Алифатические R R' O R N СH2R" + HNO2 R' N N=O + R" C H N-нитрозоамин 4. Ароматические R N + HNO2 R' R O N N R' п-нитрозо-N,N-диалкиланилин 14 Реакция диазотирования 5. Первичные ароматические амины Ar NH2 + NaNO2 2HCl, 0 oC + Ar N N Cl - NaCl, - H2O Схема механизма реакции 0 5 oC NaNO2 + HCl Ar NH2 + +N O Ar N N OH H+ H+ H+ HO N O – H2O +N O нитрозил-катион H Ar N N O Ar N N OH нитрозамин диазогидроксид H Ar N N O H – H2O Ar N N катион диазония 15 Применение солей арилдиазония в органическом синтезе 1. Получение + Ar N N HSO4 to + H 2O Ar OH + N2 + H 3SO4 2. Получение + Ar N N Cl + NaBF4 - NaCl + Ar N N BF4 to - N2, -BF3 Ar F борфторид арилдиазония (сухой) 3. Введение в ароматическое кольцо + Ar N N Cl CuCl + Ar N N Br CuBr Ar Cl + N2 Ar Br + N2 16 Применение солей арилдиазония в органическом синтезе (продолжение) 4. Введение в ароматическое кольцо + Ar N N Cl + Ar N N BF4 + NaNO2 сухой в растворе CuCN Ar CN + N2 Cu - NaBF4 Ar NO2 + N2 5. Получение (реакция Несмеянова) + 2 Ar N N HgCl3 + 6 Cu Ar Hg Ar + 2N2 + 6CuCl + Hg 17 Применение солей арилдиазония в органическом синтезе (продолжение) 6. Дезаминирование Ar NH2 H3PO2 + Ar N N HSO4 Ar H + N2 7. Получение + Ar N N HSO4 Na2SO3 Ar NH NH2 8. Использование в реакции + Ar N N + Ar N N X + диазокомпонента Ar N N Y азокомпонента R (Y = OH, N ) R' Y + HX азосоединение 18 Особенности реакций электрофильного замещения в ароматических аминах + NH3 NH2 H+ NH2 Br NH2 O NHCCH3 O NHCCH3 Br + 3 Br2 Br2 - 3 HBr - HBr Br Br NH2 + HNO3 H2SO4 большой избыток NH2 O2N 19 O NHCCH3 NH2 HNO3 (CH3CO)2O O NHCCH3 NO2 KOH NH2 NO2 H2O OCH3 OCH3 Сульфирование + NH3 HSO4 OCH3 NH2 OCH3 NH2 H2SO4, SO3 H2SO4 SO3H + NH3 HSO4 «реакция запекания» NHSO3H 200 oC ( H2O) о-дихлоробензол NH2 200 oC о-дихлоробензол SO3H 20 Алкилирование и ацилирование NH2 + CH2 CH2 Al, AlCl3 NH2 C2H5 NHCOCH3 O + CH3 C AlCl3, H2SO4 Cl O CH3C O NHCCH 3 Формилирование по Вильсмайеру─Хааку O R2N + H C N CH3 CH3 POCl3 O R2N C H 21 Нитросоединения Нитросоединения – Основные способы получения 1. Нитрование 2. Реакция алифатических галогенопроизводных 3. Реакция 4. Окисление [O] R3C NH2 O KMnO4 или RC R3C NO2 OOH 5. Окисление R R' C N OH CF3C(O)OOH R R' CH NO2 22 Строение нитрогруппы + O R N O + O R N O Кислотные свойства алифатических нитросоединений R R' С H + O C N R' OH R + O N O H2O + NaOH R R' H + C N + O + O Na Таутомерия – 23 Реакции нитросоединений Реакции конденсации R R' С NO2 + R" R'" C OH O H R" R R'" C C NO2 OH R' to если R' = H R" R R'" C C NO2 O C H + CH3 NO2 NaOH H2O CH CH NO2 24 Присоединение к α ,β -ненасыщенным карбонильным соединениям R R' С R O NO2 + R"CH CH C основание R'" H H O R' С CH C C R'" NO2 R" H Аминометилирование R R' С O NO2 + H C H + H H N R" HCl R'" R R" + H2O R' C CH2 N R'" NO2 введение 25 Восстановление нитросоединений C6H5NO2 [H] C6H5NH2 Последовательность восстановления в кислой среде R NO2 [2H] R N O [2H] R NH OH [2H] R NH2 26 Последовательность восстановления в щелочной среде С6H5NO2 [2H] C6H5 N O [2H] C6H5 N N C6H5 [2H] [2H] C6H5 NH OH + OH H2O C6H5 N N C6H5 O C6H5 NH NH C6H5 [2H] 2 С6H5NH2 27 Диазо- и азосоединения Диазосоединения – Алифатические диазосоединения CH2 + N N CH2 + N N CH2 + N N + CH2 N N Получение диазоалканов O CH3 H2N C N N O R' C N NH2 R KOH + HgO CH2N2 + KCNO + 2 H2O R' R + C N N + Hg + H2O 28 Получение диазоуксусного эфира и диазокетонов + [H3NCH2COOC2H5]Cl + NaNO2 O R C Cl + CH2 + N N CH2N2 H+ N2CHCOOC2H5 + NaCl + 2H2O + R C CH N N + O Реакции алкилирования диазоалканами R OH + CH2N2 X OH + CH2N2 (RO)3Al R OCH3 X OCH3 алкилирование карбоновых кислот, сульфокислот, фенолов 29 Синтез кетенов Реакции диазометана с альдегидами и кетонами R R' C O + CH2 + N N R C CH2 R' O O R R' C + CH2 N N N2 O R R' C CH2 R O O C + CH 2 R' R R' C CH 2 30 Генерирование карбена CH2N2 hυ или to CH2 + N2 карбен C C C + CH2 C CH2 + CH2 31 Азосоединения (диазены) Азосоединения – Алифатические азосоединения СH3 C CH3 + H 2N NH2 + HC N O CH3 CH3 CH3 CH3 HgO NC C NH NH C CN NC C N N C CN CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 NC C N N C CN CH3 CH3 to CH3 2 NC C + CH3 N2 32 Ароматические азосоединения ─ индикаторы и красители N N CH3 N N N SO3Na CH3 CH3 N CH3 CH3 CH3 + N + N N Н N N SO3Na SO3Na Н 33