Лекция 16 - РНИМУ им. Н.И.Пирогова

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