Полисахариды

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА
ГОРОДА СЕМЕЙ
Документ СМК 3
УМКД
УМКД 042-______
уровня
/03-2013
УМКД
Редакция № 1
Учебно-методические
«18»__09__2013 г.
материалы по курсу
«Органическая химия
циклических
соединений»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Органическая химия циклических соединений»
для специальности 5В011200 – «Химия»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2013
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 2 из 123
Содержание
1. Глоссарий по дисциплине
2. Краткий конспект лекций
2.1. Лекция №1-2 Углеводы
2.2. Лекция №3-4. Дисахариды, высшие полисахариды.
2.3. Лекция №5. Алициклические соединения.
2.4. Лекция № 6-7. Углеводороды ряда бензола, их классификация.
2.5. Лекция №8. Бензол и его алкилзамещённые производные.
2.6. Лекция №9-12. Правила ориентации для реакций
электрофильного замещения в бензольном кольце.
2.7. Лекция №13-14. Галогено- , сульфо- и нитропроизводные бензольного ряда.
2.8. Лекция №15 Ароматические сульфокислоты.
2.9. Лекция № 16. Фенолы и ароматические спирты.
2.10. Лекция № 17-18. Альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты ряда бензола.
2.11. Лекция №19-20. Ароматические амины.
2.12. Лекция № 21. Ароматические диазо- и азосоединения.
2.13. Лекция № 22-23. Многоядерные ароматические
соединения с неконденсированными бензольными кольцами.
2.14. Лекция № 24-25. Ароматические углеводороды с
конденсированными бензольными кольцами.
2.15. Лекция № 26. Пятичленные гетероциклические соединения.
2.16. Лекция № 27. Шестичленные гетероциклические соединения.
2.17. Лекция № 28-29. Гетероциклические соединения с
несколькими гетероатомами.
2.18. Лекция № 30. Небензоидные ароматические системы
ароматические системы.
3. Методические указания для проведения лабораторных занятий.
4. Методические рекомендации по СРСП.
5. Методические рекомендации по СРС.
6. Контрольно-измерительные средства.
стр.
4
8
8
27
36
48
58
64
68
79
82
83
86
89
90
94
97
100
104
107
109
114
119
123
2
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 3 из 123
Глоссарий по дисциплине
«ХИМИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ
ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ»
Автокаталитическая реакция - реакция, в которой конечный или промежуточный продукт
действует как катализатор. Для такой реакции скорость часто увеличивается во времени.
Аддукт - новое соединение типа АВ, каждая молекула которого образована прямым
соединением двух отдельных составляющих А и В. Стехиометрия может быть не только 1:1.
Акцептор электрона - соединение, к которому может быть перенесен электрон.
Амбидентный - соединение обладающее двумя реакционными центрами, с каждым из
которых в ходе реакции может быть образована новая связь. При этом реакция при одном
центре резко тормозит реакцию по другому. Термин применим к сопряженным
нуклеофилам,
например
енолят-ионам.
Анти - Стереохимическое отношение, обозначающее “на противоположной стороне”


Два заместителя у атомов, связанных простой связью, находятся в анти-положении,
если торсионный угол между ними больше 90° или в син-положении если он меньше
90°.
Тип присоединения к двойной связи.
Апротонный - Растворитель не обладающий ни протогенной, ни протофильной
способностью.
Ароматический - Циклическая молекула, устойчивость которой благодаря делокализации
значительно больше, чем устойчивость гипотетической классической структуры (например,
структуры
Кекуле),
обладает
А.
(см.
правило
Хюккеля).
Бирадикал - Частица, электронное состояние которой описывается формулой, содержащей
два
неспаренных
электрона
на
атомных
орбиталях
различных
атомов.
Восстановление - Полный перенос одного или нескольких электронов к молекуле. Процесс,
обратный
окислению.
Гетеролиз - Расщепление связи таким образом, что оба связывающих электрона остаются с
одним
из
двух
фрагментов,
связь
между
которыми
разрывается.
Гидратация
Присоединение
воды
или
элементов
воды
к
молекуле.
Гидрофобное взаимодействие - Тенденция углеводородов (или липофильных групп в
растворенных веществах) образовывать межмолекулярные агрегаты в водной среде (и
аналогичные
внутримолекулярные
взаимодействия).
Гиперконъюгация -системой. Это понятие
связями и незаполненными или частично заполненными p-орбиталями.
Гомолиз - Расщепление связи, происходящее таким образом, что у каждого из
молекулярных фрагментов, связь между которыми разрывается, остается один связывающий
электрон.
Гость - Органический или неорганический ион или соединение, которое занимает полость,
щель или гнездо внутримолекулярной структуры молекулы-хозяина и образует с ней
комплекс или захватывается полностью внутри кристаллической структуры хозяина.
Диссоциация - Разделение молекулы на две или несколько частиц. Примерами являются
мономолекулярный гетеролиз, разделение ионной пары на составляющие свободные ионы.
Донор электрона - Соединение, которое может передавать электрон другому соединению.
Изомеризация - Химическая реакция, главный продукт которой является изомером главного
реагента. Изомеризация необязательно подразумевает молекулярную перегруппировку,
например, переходы конформеров.
3
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 4 из 123
Изотопный эффект - Отношение констант скорости или констант равновесия двух реакций,
которые отличаются только изотопным составом одного или нескольких химически
идентичных компонентов Клегк./ Ктяж.
Ингибирование - Уменьшение скорости реакции, вызываемое добавлением веществаингибитора, которое влияет на реагент, катализатор или интермедиат.
Индекс реакционной способности - Какой либо численный индекс, выведенный из
квантовохимических модельных расчетов, позволяющий предсказать относительную
реакционную способность различных положений в молекуле. Наиболее успешно
применяется к реакциям замещения в сопряженных системах.
Индукционный эффект - Экспериментально наблюдаемый эффект передачи заряда по цепи
атомов за счет электростатической индукции. Не смешивать с эффектом поля.
Инициирование - Реакция или процесс, генерирующий свободные радикалы, которые затем
участвуют в цепной реакции.
Интермедиат, промежуточный продукт - Молекула, время жизни которой заметно больше,
чем время молекулярного колебания (соответствующее локальному минимуму
потенциальной энергии на глубине большей, чем RT) и которая образуется из реагентов и
превращается далее, давая продукты химической реакции.
Ионизация - Генерация одного или нескольких ионов. Может происходить при потере
электрона нейтральной молекулой за счет мономолекулярного гетеролиза на два или
несколько ионов. Другим вариантом является гетеролитическая реакция замещения,
включающая нейтральные молекулы.
RCl + AlCl3 -> R+ + AlCl4Ион-радикал - Радикал, имеющий электрический заряд. Положительно заряженный радикал
называют “катион-радикал”, отрицательно заряженный радикал называют “анион-радикал”.
Если положение неспаренного спина и заряда невозможно связать с определенным атомом,
значки точки и заряда располагают последовательно ·+ или ·– в соответствии названием
“радикал-ион”.
Карбанион - Название частиц, содержащих четное число электронов и имеющих
неподеленную пару на трехвалентном атоме углерода или имеющих хотя бы одну
резонансную
структуру
с
НЭП
на
трехвалентном
атоме
углерода.
Карбин - Частица, содержащая электронейтральный одновалентный атом углерода с тремя
несвязывающими
электронами.
Карбокатион - Катион, содержащий четное число электронов, в котором значительная доля
избыточного положительного заряда, локализована на одном или нескольких углеродных
атомах.
Межфазный катализ - Явление увеличения скорости реакции между веществами,
находящимися в различных фазах, при добавлении небольшого количества агента
(называемого межфазным катализатором), который переносит одни из реагентов (как
правило, анион), через поверхность раздела в другую фазу, где и идет реакция.
Катализаторами являются соли ониевых ионов или агенты, которые комплексуют
неорганические
ионы.
Мезомерный эффект - Экспериментально наблюдаемый эффект заместителя, связанный с
перекрываением его р-орбиталей с р-орбиталями остальной молекулы. Это
перекрывание вызывает делокализацию электронного заряда, который может перемещаться
к
заместителю
или
от
него.
Нуклеофил Реагент, который образует связь со своим партнером в реакции
(электрофилом),
отдавая
оба
связывающих
электрона.
Нуклеофильность
4
УМКД 042_____/03-2013


Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 5 из 123
Свойство быть нуклеофилом.
Относительная реакционная способность.
Нуклеофуг Уходящая группа, которая уносит связывающую электронную пару.
Например,
при
гидролизе
алкилхлоридов
Clявляется
нуклеофугом.
Обрыв цепи - Стадии в цепной реакции, в которых реакционноспособный интермедиат
разрушается
или
дезактивируется
и,
таким
образом,
обрывает
цепь.
Перенос электрона - Процесс, в результате которого осуществляется перенос электрона к
молекуле.
Переходное состояние - Состояние с более положительной молярной энергией Гиббса
между реагентами и продуктами, через которое должен пройти ансамбль атомов на пути от
реагентов
к
продуктам
реакции
в
любом
направлении.
Перициклическая реакция - Химическая реакция, в которой согласованная реорганизация
связей происходит через циклическую последовательность непрерывно связанных атомов.
Ее можно рассматривать как реакцию, происходящую через полностью сопряженное
циклическое
переходное
состояние.
Пиролиз - Термолиз, обычно связанный с действием высокой температуры.
Радиолиз - Расщепление одной или нескольких связей в результате действия излучения
высокой
энергии.
Разложение - Распад одной частицы на два или несколько фрагментов.
Реакционная способность - Термин выражает кинетическое свойство. Соединение является
более реакционноспособным, чем другое, если оно имеет большую константу скорости в
определенной элементарной стадии реакции с тем же самым партером.
Реакция
присоединения
Реакция приводящая к одному продукту из двух или трех реагирующих молекул. В
результате
образуется
две
связи.
Реакция
конденсации
Реакция с участием двух или нескольких реагентов, в которой образование основного
продукта сопровождается образованием воды или других (аммиака, этанола, сероводорода)
простых
соединений.
Реакция внедрения - Химическая реакция общего типа X–Z + Y –> X–Y–Z. Обратную
реакцию
называют
экструзией.
Реакция замещения - Элементарная или многостадийная реакция, в которой один атом или
группа
замещается
другим
атомом
или
группой.
Реакция отщепления - Химическая реакция, главным признаком которой является
бимолекулярный отрыв атома (нейтрального или заряженного) от молекулы.
Реакция с переносом протона - Химическая реакция, главной особенностью которой
является межмолекулярный или внутримолекулярный перенос протона от одного
реакционного
центра
к
другому.
Реакция
элиминирования
Реакция,
обратная
реакции
присоединения.
Селективность - Способность различать, проявляемая реагентом в конкурентной атаке двух
или нескольких субстратов или двух или нескольких положений в одном и том же субстрате.
Количественно выражается отношением констант скорости конкурентных реакций или
десятичным
логарифмом
этого
отношения.
Сигматропная перегруппировка - Молекулярная перегруппировка, которая включает
-связи между ранее непосредственно несвязанными атомами, и разрыв
-связи. Обычно имеет место
-связи в
-связей не меняется.
Согласованный (концертный) процесс - Два или несколько простых изменения,
протекающие в той же самой элементарной стадии. Т.е. в этой ситуации простые изменения
включают переходное состояние более низкой энергии, чем при последовательных
5
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 6 из 123
изменениях.
Соединение включения - Комплекс, в который одни компонент (хозяин) образует
кристаллическую решетку, имеющую полости в форме длинных туннелей или каналов, в
которых располагаются другие молекулы (гости). Между гостем и хозяином не образуется
химической связи, а имеется притяжение за счет сил Ван-дер-Ваальса. Если полость в
решетке хозяина замкнута со всех сторон, то такие соединения называются “клатраты” или
“клеточные
соединения”.
Сольватация - Любое стабилизирующее взаимодействие растворенного вещества с
растворителем или аналогичное взаимодействие с растворителем отдельных групп
нерастворимого вещества (ионные группы в ионнообменных смолах). Примерами такого
взаимодействия являются обычные электростатические и вандерваальсовы силы, а также
химически более специфические эффекты, такие, как образование водородной связи.
Сольволиз - В широком смысле – реакция с растворителем, включающая разрыв одной или
более связей в реагирующей растворенном веществе. Например, алкоголиз.
Сопряженная пара кислота-основание Кислоту Бренстеда ВН+, образованную основанием В,
называют кислотой, сопряженной основанию В, а В есть основание, сопряженной кислоты
ВН+.
Специфический катализ Ускорение реакции одним катализатором в большей степени, чем
семейством родственных веществ. Чаще всего термин используется в связи со
специфическим
катализом
водородным
или
гидроксил-ионом.
Теломеризация - Образование в качестве продукта присоединения олигомера с
одинаковыми концевыми группами X' и X" при цепной реакции, в которой длина
образующегося полимера (теломера) лимитируется переносом (передачей) цепи.
Термодинамический контроль - Характеризует условия, которые приводят к продуктам
реакции в соотношении, контролируемом константами равновесия их взаимного
превращения и (или) взаимного превращения интермедиатов, образованных в
лимитирующей
стадии
или
после
нее.
Термолиз - Некатализируемое расщепление одной или нескольких ковалентных связей в
результате
взаимодействия
на
соединение
повышенной
температуры.
Уходящая группа - Атом или группа, которые в результате реакции оказываются
отделенными от атома, который в данной реакции рассматривают как оставшуюся или
главную
часть
субстрата.
Хозяин - Молекула, которая образует комплексы с органическими или неорганическими
гостями или химическое соединение, которое может включать другие молекулы в полости
своей
кристаллической
структуры.
Хромофор - Одна из группировок в молекуле, с которой связан цвет вещества.
Циклоприсоединение - Реакция, в которой две или несколько ненасыщенных молекул
соединяются с образованием одного циклического продукта, в котором имеет место общее
уменьшение
кратности
связей.
Циклоэлимирование
Реакция
обратная
циклоприсоединению.
6
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 7 из 123
Краткий конспект лекций
Лекция №1-2 Углеводы
Цель: ознакомиться с определением, общей формулой, составом, классификацией углеводов
Основные вопросы:
1. Определение, общая формула, состав, классификация, номенклатура.
2. Моносахариды; изомерия, методы получения.
3. Оптическая изомерия. Структурные и проекционные формулы.
4. Кольчато-цепная таутомерия. Мутаротация.
5. Реакции циклических цепных форм и циклических форм.
Краткое содержание:
Моносахариды (простые сахара). Строение моносахаридов. Альдегидные (кетонные)
формулы моносахаридов
Строение моносахаридов. Строение простейших оксиальдегидов и оксикетонов с двумя и
тремя атомами углерода вытекает непосредственно из их свойств и способов образования.
Установить строение даже простых углеводов, т. е. оксиальдегидов и оксикетонов,
содержащих в молекуле четыре и больше атомов углерода, представило значительно более
трудную задачу. Многолетние исследования строения углеводов показали, что простые
углеводы или сахара, представляют собой в кристаллическом индивидуальном состоянии
внутренние циклические полуацетали многоатомных альдегидо- или кетоноспиртов. В
растворах этм циклические формы находятся в состоянии равновесия со своими
нециклическими формами, имеющими строение настоящих многоатомных альдегидо- или
кетоноспиртов.
Альдегидные (кетонные) формулы моносахаридов. Первые сведения о строении
углеводов были получены в 1860 г. Бертело. На основании факта образования глюкозой
С6Н12О6 сложных эфиров при нагревании ее с органическими кислотами Бертело заключил,
что глюкоза является многоатомным спиртом.
В 1869 г. А. А. Колли показал, что при почти количественно протекающей реакции глюкозы
с хлористым ацетилом в молекулу глюкозы вступают четыре ацетильные группы и один
атом хлора на место, очевидно, пяти гидроксильных групп, т. е. глюкоза должна была бы
быть пятиатомным спиртом. Поскольку глюкоза обладает восстанавливающими свойствами
и способна окисляться в кислоту с тем же числом углеродных атомов, можно было думать,
что шестой атом кислорода в глюкозе входит в альдегидную группу. На основании этого для
глюкозы была предложена (А. Байер, Фиттиг, 1870—1871) формула пятиатомного
альдегидоспирта:
В дальнейшем был получен ряд подтверждений правильности этой формулы.
Наличие в глюкозе нормальной цепи из шести атомов углерода было доказано
восстановлением глюкозы иодистым водородом во вторичный иодистый гексил нормального
строения:
Кроме того, окисление глюкозы бромной водой приводит к получению глюконовой кислоты,
которая при восстановлении иодистым водородом переходит в нормальную капроновую
кислоту:
7
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 8 из 123
Наличие альдегидной группы было доказано тем, что к глюкозе, так же как и к альдегидам,
присоединяется синильная кислота (Килиани, 1887):
Изомер глюкозы — фруктоза, имеющая тот же состав С6Н12О6, при энергичном окислении
азотной кислотой расщепляется на винную и щавелевую кислоты. Это становится понятным,
если допустить в молекуле фруктозы наличие кетонной группы в положении 2 в нормальной
шестиуглеродной цепи:
Фруктоза также присоединяет синильную кислоту. Омыление образующегося при этом
нитрила дает оксикислоту с разветвленной цепью. Эта оксикислота восстанавливается в
метил-н-бутилуксусную кислоту (2-метилкапроновую), что подтверждает правильность для
фруктозы формулы пятиатомного кетоноспирта:
Моносахариды, содержащие, подобно глюкозе, альдегидную группу, получили название
альдоз; моносахариды, содержащие кетонную группу, стали называть кетозами.
Подавляющее большинство природных моносахаридов содержит неразветвленную цепь
углеродных атомов. Представители моноз с разветвленной цепью встречаются лишь в виде
исключения.
По числу углеродных атомов моносахариды, или монозы, делят на тетрозы, содержащие
цепь из четырех атомов углерода, несущих атомы кислорода, пентозы — с пятью атомами
углерода, гексозы —с шестью, гептозы — с семью, октозы — с восемью, нонозы — с
девятью атомами углерода и т. д. Альдегидо- и кетоноспирты с числом атомов меньше
8
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 9 из 123
четырех многие исследователи не причисляют к моносахаридам, поскольку эти вещества не
дают циклических форм.
Указанные названия обычно применяют лишь к тем моносахаридам, в молекуле которых
число кислородных атомов равно числу атомов углерода, т. е. к таутомерам альдегидо- и
кетоноспиртов, имеющих гидроксильную группу при каждом углеродном атоме, кроме
входящего в карбонильную группу, Например, моносахарид СН2ОН—(СНОН)4—СНО
называют гексозой, а соединение СН3—(СНОН)4—СНО предпочитают называть не гексозой,
а метилпентозой.
Пространственные конфигурации моносахаридов; D- и L-ряды
Моносахариды содержат асимметрические углеродные атомы: тетрозы — два
асимметрических углеродных атома, пентозы — три, гексозы — четыре. Благодаря этому у
моносахаридов мы встречаем большое число стереоизомеров, которые удобно изображать,
пользуясь проекционными формулами Э. Фишера. Упрощенное проекционное изображение
углеродного скелета молекулы гексозы (с четырьмя асимметрическими атомами углерода)
дано на рис. 40. Для альдогексозы, имеющей четыре асимметрических атома углерода, число
стереоизомеров, в согласии с формулой N= 2n, будет равно 24= 16 (одним из них является
природная глюкоза). У альдогексоз (так же как и у кетогексоз) половина оптически
деятельных стереоизомеров является антиподами другой половины. Таким образом, 16
стереоизомеров альдогексоз образуют 8 пар антиподов, подобно тому как 4 стереоизомера
системы с двумя Рис. 40. асимметрическими атомами образуют 2 пары антиподов.
Например, природной D-глюкозе соответствует синтетически полученный антипод:
Определение взаимного расположения атомов водорода и гидроксильных групп у каждого
асимметрического углеродного атома представляет трудную задачу, в разрешении которой
большая заслуга принадлежит Э. Фишеру. Он показал, что конфигурация трех
асимметрических атомов в молекулах всех известных в то время природных гексоз
одинакова, например:
Тождество конфигураций трех асимметрических атомов 3, 4, 5 доказывалось реакцией с
фенилгидразином, при которой исчезали различия в системах углеродных атомов 1 и 2, в
результате чего из приведенных выше гексоз получалось одно и то же соединение.
9
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 10 из 123
Э. Фишер предложил относить эту группу сахаров к D-ряду, подчеркивая сходство их
конфигурации с конфигурацией природной (правовращающей) D-глюкозы.
Антиподы этих сахаров, получаемые синтетически, были отнесены к L-ряду.
В дальнейшем было признано более удобным (М. А. Розанов) устанавливать
принадлежность сахара к D- или L-ряду, сравнивая расположение атома водорода и
гидроксила у последнего асимметрического атома углерода с расположением их у
правовращающего и левовращающего глицеринового альдегида.
Следует напомнить, что буквы D и L не дают никаких указаний о направлении вращения
плоскости поляризации. Для этого применяют знаки (+)- и (—)-. Например, природная
фруктоза обозначается D(—)-фруктоза, так как она относится к D-ряду и обладает левым
вращением.
На стр. 628 дана схема генетических отношений D-глицеринового альдегида и тетроз, пентоз
и гексоз D-ряда.
Циклические (полуацетальные) формулыстроения моносахаридов
Хотя альдегидные и кетонные формулы строения моносахаридов и хорошо объясняли
многие реакции этих веществ, однако вскоре начали накопляться факты, которые на
основании этих формул не могли быть объяснены.
1. Оказалось, что альдогексозы, вступая во многие реакции, характерные для альдегидов
(окисление, присоединение HCN и др.), в то же время не обнаруживают некоторых
альдегидных реакций. Например, глюкоза не дает в обычных условиях окрашивания с
фуксинсернистой кислотой (реакция Шиффа), не образует в обычных условиях
бисульфитного соединения с NaHSO3, а также не вступает в некоторые другие реакции,
характерные для альдегидов.
2. При стоянии свежеприготовленных растворов моносахаридов их удельное вращение
изменяется. Это явление называется мутаротацией (иногда мультиротацией).
3. Способы образования и свойства некоторых производных моноз, в частности так
называемых алкилгликозидов, непонятны, если принимать для моноз формулы
многоатомных альдегидо- или кетоноспиртов. Гликозиды образуются при нагревании
моносахаридов со спиртами в присутствии небольших количеств сухого хлористого
водорода. При нагреD-Глицериновый альдегид и альдозы D-ряда с 4, 5 и 6 атомами углерода
10
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 11 из 123
вании с разбавленными минеральными кислотами гликозиды легко гидролизуются, давая
вновь молекулу монозы и одну молекулу спирта, например:
Если принимать для глюкозы приведенную выше альдегидную формулу, то непонятно,
почему из пяти спиртовых гидроксилов лишь один оказывается особенно
реакционноспособным. Непонятно также, почему гликозиды так легко гидролизуются,
будучи соединениями типа простых эфиров, как известно очень трудно гидролизуемых.
Все эти факты становятся понятными, если принять, что альдегидная формула соответствует
лишь одной из таутомерных форм моносахаридов и что в растворах моносахаридов
большинство их молекул содержится в виде таутомерных циклических форм,
представляющих собой внутримолекулярные полуацетали многоатомных альдегидо- или
кетоноспиртов.
Впервые циклическую полуацетальную формулу глюкозы предложил А. А. Колли (1870). Он
объяснил отсутствие некоторых альдегидных реакций у глюкозы наличием трехчленного
этиленоксидного (α-окисного) цикла:
Позже Толленс (1883) предложил аналогичную полуацетальную формулу глюкозы, но с
пятичленным (γ-окисным) бутиленоксидным кольцом:
11
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 12 из 123
После того как были в основном отчетливо развиты представления о таутомерии и
таутомерных превращениях, было сделано предположение (Скрауп, 1889), что глюкоза в
раствоpax существует в двух таутомерных формах — альдегидной и циклической:
В новейших работах, как мы увидим далее, было показано, что такие моносахариды, как
глюкоза, манноза, галактоза, содержат не пятичленные — γ-окисные, а шестичленные — δокисные циклы.
альфа- и бета-Формы моносахаридов
α- и β-Формы моносахаридов. Каждая циклическая форма моносахаридов благодаря
появлению нового асимметрического углеродного атома, входившего ранее в карбонильную
группу, должна существовать, так же как и ее производные, в двух модификациях. Такие
модификации были вначале неизвестны. Однако в дальнейшем из глюкозы удалось получить
дзе стереоизомерные модификации метилглюкозида, названные α-и β-глюкозидами (Э.
Фишер, Ван-Экенштейн, 1893—1894), а затем выделить две модификации свободной
глюкозы (Танре, 1895) и других моносахаридов. По аналогии с α- и β-глюкозидами они были
названы α- и β-формами:
Возможность существования α- и β-форм не зависит от числа членов в цикле, как это легко
видеть из приведенных формул. α-Формой называют такую форму, у которой расположение
полуацетального гидроксила такое же, как гидроксила (свободного или участвующего в
образовании оксидного кольца) у асимметрического углеродного атома, определяющего
принадлежность к D- или к L-ряду.
При обозначении α-форм моносахаридов D-ряда полуацетальный гидроксил обычно пишут
справа, а у α-форм моносахаридов L-ряда — слева:
12
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 13 из 123
Иногда α- и β-формы называют анамерами (от греч. ана — вверх, кверху от..), так как при
вертикальном изображении формул альдоз эти формы отличаются конфигурациями у
первого, обычно записываемого вверху, углеродного атома.
Принадлежность данной модификации исследуемого моносахарида к α- или к β-форме
обычно устанавливают, применяя разные методы, в частности находя относительное
расположение полуацетального гидроксила и гидроксила у соседнего углеродного атома.
Для этого часто пользуются определением электропроводности раствора борной кислоты в
присутствии исследуемой формы моносахарида. Если оба гидроксила расположены по одну
сторону плоскости окисного кольца (цис-положение), то борная кислота образует с глюкозой
сильно диссоциированную, обладающую высокой электропроводностью в растворах
комплексную кислоту:
При транс-расположении этих гидроксилов образование таких комплексных кислот
оказывается стерически невозможным и растворы обладают низкой электропроводностью.
Таким путем было установлено, что α-глюкоза обладает цис-положением гидроксилов, а βглюкоза — транс-положением (Бузекен, 1913).
Характер окисных колец моносахаридов
Пиранозы и фуранозы. Со времен работ Толленса, и особенно после формулирования
теории напряжения Байера, для циклических полуацеталей моносахаридов принимали
существование пятичленного бутиленоксидного, или γ-окисного кольца.
Считалось, что здесь проявляется постулируемая теорией напряжения легкость образования
пятичленных циклов; в качестве косвенного подтверждения приводили тот факт, что,
например, лактоны альдоновых кислот являются γ-лактонами:
В 20-х годах нашего века возникли сомнения в правильности формул с пятичленными
циклами. Исследования, проведенные в 1925—1930 гг., показали, что моносахариды
(глюкоза, манноза, галактоза и др.) обычно содержат не пяти-, а шестичленные кольца.
Хеуорс разработал следующий метод определения строения кольца. В молекуле
моносахарида, например глюкозы, замещают во всех гидроксильных группах атомы
водорода на метильные группы. Полученное пентаметильное производное гидролизуют
разбавленной кислотой. При этом гидролизуется только метоксильная группа у первого
атома углерода, тогда как метоксильные группы у остальных углеродных атомов, связанные
по типу простых эфиров, в этих условиях не гидролизуются. Из продуктов окисления
полученной тетраметилглюкозы азотной кислотой выделена в виде диамида
триметоксиглутаровая кислота (один из ее изомеров — ксилотриметоксиглутаровая
кислота):
13
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 14 из 123
Получение при окислении тетраметилглюкозы соединения, содержащего при четвертом
углеродном атоме метоксильную группу, служит несомненным доказательством того, что
четвертый углеродный атом исходного моносахарида не мог участвовать в образовании
полуяцетального кольца. Следовательно, глюкоза обладает не пятичленным, γ-окисным, а
шестичленным, δ-окисным, циклом.
В дальнейшем наличие в моносахаридах шестичленных циклов было доказано и другими
методами, в частности путем так называемого периодатного окисления.
Некоторые производные моносахаридов, а также свободные монозы, в водных растворах
содержат в небольших количествах изомерные формы с пятичленными кольцами.
Э. Фишер еще в 1914 г. выделил, кроме α- и β-метилглкжозидов, еще третий глюкозид,
названный им γ-глюкозидом. Он оказался смесью двух глюкозидов с пятичленным кольцом,
которые находятся друг к другу в таком же отношении. как α- и β-глюкозиды с
шестичленным циклом:
Моносахариды, входящие в состав некоторых полисахаридов, обладают иногда
пятичленными циклами. Так, например, в состав тростникового сахара, а также в состав
полисахарида инулина остаток фруктозы входит с пятичленным, γ-окисным, циклом.
В водных растворах моносахаридов не обнаружено таутомерных форм с трех-, четырех- или
семичленными циклами (т. е. α- и β- или ε-окисных форм), хотя в специальных условиях
производные этих форм могут быть получены.
Окисные формы моносахаридов с полным правом можно рассматривать как производные
гетероциклических соединений: шестичленные — как производные пирана, а пятичленные
— как производные фурана, точнее как производные тетрагидропирана и тетрагидрофурана:
14
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 15 из 123
Хеуорс предложил для моносахаридов новую номенклатуру и новый способ условного
перспективного изображения структур, очень наглядно показывающий взаимное
пространственное расположение гидроксильных групп:
По номенклатуре Хеуорса, δ-окисные формы гексоз называют пиранозами, а γ-окисные —
фуранозами, добавляя к этим названиям начальные слоги обычного названия моносахарида.
Таким образом, например, правовращающая глюкоза получает название глюкопиранозы.
Обычная фруктоза (с δ-окисным кольцом) называется фруктопиранозой; форма же фруктозы
(с γ-окисным кольцом), входящая в состав тростникового сахара, будет называться
фруктофуранозой.
Таутомерия моносахаридов в растворах
Представление о таутомерии моносахаридов в растворах, а также установленное
преобладание в водных растворах циклических форм позволили объяснить особенности
моносахаридов, казавшиеся ранее необъяснимыми.
Упоминавшееся уже явление мутаротации получило почти исчерпывающее объяснение.
Установлено, что твердые кристаллические моносахариды представляют собой
шестичленные циклические структуры — пиранозы. В зависимости от условий
кристаллизации можно получить чистую α-пиранозу или чистую β-пиранозу. При
растворении же любой из этих однородных форм в растворе постепенно устанавливается
равновесие между различными стереоизомерами (α- и β-пиранозами, α- и β-фуранозами),
причем величина удельного вращения изменяется от величины, свойственной раствору того
или иного чистого изомера, вплоть до некоторой промежуточной.
Процесс мутаротации сильно ускоряется в присутствии щелочей.
Равновесный раствор обладает постоянным удельным вращением (при данных
температурных условиях, составе растворителя и пр.).
Объяснение возможности взаимного превращения α- и β-форм сначала искали в
промежуточном образовании гидратной формы моносахарида:
15
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 16 из 123
Однако дальнейшее изучение явления мутаротации растворов самих моносахаридов и
некоторых их производных в неводных растворителях привело к заключению, что
промежуточной формой при мутаротации может являться не только гидратная форма, но
также нециклическая форма со свободной альдегидной или кетонной группой, часто
называемая оксо-формой.
По-видимому, в зависимости от условий (в частности, температурных) промежуточной
формой при взаимных превращениях α- и β-форм (как пираноз, так и фураноз) может быть
оксо-форма или ее гидрат. Сложную систему динамического равновесия в водном растворе
глюкозы следует, вероятно, представлять таким образом:
Отсутствие некоторых альдегидных реакций у моносахаридов объясняется тем, что оксоформы содержатся в водных растворах лишь в ничтожных количествах, а преобладают
циклические формы.
Позднее было выяснено, что альдегидную реакцию с фуксинсернистой кислотой, не идущую
в обычных условиях, удается провести с реактивом, приготовленным особым способом (без
избытка сернистой кислоты), причем оказалось возможным даже фотоколориметрически
сравнивать содержание альдегидной формы в растворах различных моносахаридов.
Свойства гликозидов, казавшиеся весьма своеобразными, также получили теперь
естественное объяснение. Если циклические формы моносахаридов являются
полуацеталями, то гликозиды являются циклическими ацеталями, что видно из следующего
сопоставления:
16
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 17 из 123
Полуацетальный гидроксил, возникший из кислорода карбонильной группы (альдегидной
или кетонной), должен, конечно, резко отличаться от прочих спиртовых гидроксилов, что и
наблюдается в действительности. Этот гидроксил, отличающийся своей реакционной
способностью, участвует в образовании гликозидов, почему его часто называют
гликозидным гидроксилом.
Естественно, что гликозиды должны быть сходны с ацеталями: как и ацетали, они легко
гидролизуются кислотами и обычно стойки по отношению к щелочам.
Оксо-формы моносахаридов не были получены в свободном состоянии Однако оказалось
возможным получить некоторые их производные со свободной альдегидной группой
(производные аль-формы), например:
Эти вещества обладают большой реакционной способностью, в частности дают в обычных
условиях окрашивание с фуксинсернистой кислотой и образуют кристаллические
бисульфитные соединения.
Многочисленные исследования растворов моносахаридов химическими и физическими
методами приводят к заключению, что в растворах альдоз содержание оксо-форм ничтожно,
т. е. альдозы в растворах мало дециклизованы. При этом содержание оксо-форм в растворах
альдопентоз С5Н10О5 гораздо больше, чем в растворах альдогексоз C6H12O6. Глюкоза в
растворах является, по-видимому, наименее дециклизованным моносахаридом из
альдогексоз: содержание оксо-формы в ее растворе равно 0,024%. Содержание оксо-формы в
растворе рибозы 8,5%. Кетозы дециклизованы в растворах в гораздо большей степени, чем
альдозы.
Степень дециклизации, зависящая от стойкости циклических форм, обусловливается, повидимому, всей конфигурацией данного моносахарида. В настоящее время известно
несколько «факторов нестабильности». Эти вопросы будут рассмотрены в томе II при
изложении данных о конформациях моносахаридов. Уже давно было обращено внимание на
то, что in vitro (лат. — в стекле) сахара обладают значительной стойкостью, тогда как в
организмах — in vivo (лат. — в живом) чрезвычайно быстро идут как процессы расщепления
моносахаридов (брожение, окисление), так и синтетические процессы (например,
образование крахмала, гликогена). Когда Э. Фишер получил γ-метилглюкозид и оказалось,
что он гидролизуется разбавленными кислотами почти в 100 раз. быстрее, чем обычные α- и
β-глюкозиды, возникла идея, что в организмах глюкоза при нормальных условиях переходит
в особую «активную» форму. Такую неизвестную активную форму стали называть γ17
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 18 из 123
сахаром, не связывая сначала с этим названием какого-либо представления о структуре. В
дальнейшем, когда у γ-глюкозидов было доказано наличие пятичленного кольца, γ-сахарами
стали называть фуранозы. Однако впоследствии оказалось, что наибольшей реакционной
способностью обладают не фуранозы, а оксо-формы. Кроме того, было обнаружено, что при
углеводном обмене в организмах простые сахара, прежде чем расщепиться, как правило,
превращаются в фосфорнокислые эфиры.
По-видимому, «активирование» сахаров и заключается в их фосфорилировании,
способствующем дециклизации молекул моносахарида (Б. Н. Степаненко).
Способы получения оксиальдегидов, оксикетонов и моносахаридов
1. Окисление многоатомных спиртов. Например, окислением этиленгликоля СН2ОН—
СН2ОН может быть получен простейший оксиальдегид СН2ОН—СНО, обычно называемый
гликолевым альдегидом. Окислением глицерина могут быть получены оксиальдегид и
оксикетон:
Окислением высших многоатомных спиртов могут получаться моносахариды, как альдозы,
так и кетозы. Например, при окислении маннита получаются альдогексоза и кетогексоза:
Интересно, что превращение многоатомных спиртов в кетозы может быть осуществлено
путем биологического окисления, например с помощью энзима, вырабатываемого так
называемой сорбозной бактерией.
2. Обмен галоидов на гидроксилы в галоидных производных альдегидов и кетонов.
Например:
3. Конденсация альдегидов, кетонов или альдегидов с кетонами. Конденсацией двух
молекул ацетальдегида получается альдоль СН3—СН(ОН)—СН2—СНО, являющийся одним
из простейших представителей β-оксиальдегидов; конденсацией двух молекул ацетона
получается оксикетон — диацетоновый алкоголь (СН3)2С(ОН)—СН2—СО—СН3 и т. д.
Конденсацией муравьиного альдегида под действием известковой или баритовой воды
получается смесь оксиальдегидов и оксикетонов, в которой содержатся также и гексозы.
Этим способом А. М. Бутлеров еще в 1861 г. получил густой сироп, в котором он установил
присутствие сахаристого вещества, названного им метиленитаном. Им же была отмечена
важность этого первого искусственного синтеза вещества, относящегося к классу углеводов.
Впоследствии Э. Фишер из такого сиропа, содержащего смесь гексоз, выделил гексозу
СбН12О6, названную им акрозой. Она оптически недеятельна, как и все синтетические
вещества. Э. Фишер доказал, что акроза представляет собой рацемическую смесь антиподов
кетозы СН2ОН—(СНОН)3—СО—СН2ОН, а именно: природной D-фруктозы и ее не
встречающегося в природе антипода — L-фруктозы.
Реакция конденсации формальдегида в акрозу выражается суммарным уравнением
Как было позднее показано, эта реакция протекает, вероятно, последовательно через стадии
образования промежуточных соединений с участием меньшего числа молекул
формальдегида. Так, при конденсации формальдегида под действием углекислого кальция в
числе прочих продуктов получается гликолевый альдегид, образовавшийся путем
альдольной конденсации двух молекул муравьиного альдегида:
18
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 19 из 123
Высшие моносахариды могут быть получены также конденсацией низших оксиальдегидов.
Так, конденсацией двух или трех молекул гликолевого альдегида получены тетроза и
гексоза:
Синтез моносахаридов из альдегидов и кетонов путем альдольной конденсации играет
важную роль в биологических процессах.
4. Конденсация натрийацетоуксусного эфира с окисью этилена. Таким путем может быть
легко получен γ-ацетопропиловый спирт, или 4-кетопентан-1-ол (И. Л. Кнуньянц, Г. В.
Челинцев, Е. Д. Осетрова). Схематически процесс можно представить так:
Образующийся лактон расщепляют затем разбавленными кислотами:
5. Гидролиз полисахаридов и гликозидов. Моносахариды часто получаются при
процессах присоединения воды (гидролиз) к полисахаридам и гликозидам.
6. Восстановление альдоновых кислот. Альдозы могут быть получены восстановлением
соответствующих одноосновных многоатомных оксикислот, так называемых альдоновых
кислот. Легко восстанавливаются (например, амальгамой натрия) не самые оксикислоты, а
их лактоны. Например, альдогексозы легко получаются восстановлением лактонов
соответствующих гексоновых кислот.
Эта реакция позволяет переходить от низших моносахаридов к высшим. Так, в результате
присоединения синильной кислоты, например, к глюкозе получается нитрил СН2(ОН)—
(СНОН)4—СН(ОН)—CN, который при омылении дает глюкогептоновую кислоту; при
восстановлении лактона этой кислоты получается альдогептоза. Этим способом Э. Фишеру
удалось дойти до синтеза ноноз.
7. Расщепление соединений с бóльшим числом атомов углерода в молекуле.
Чрезвычайно важными способами получения оксиальдегидов, и в частности моноз, являются
способы, при которых происходит расщепление углеродной цепи. Пользуясь ими, можно
осуществить последовательный переход от высших моноз к низшим.
Так, окислением альдоновых кислот перекисью водорода в присутствии ацетата окисного
железа можно получить монозу с меньшим на единицу числом атомов углерода в молекуле,
например:
Подобный же переход осуществляется при действии на амиды альдоновых кислот солями
хлорноватистой кислоты (в щелочной среде), например:
19
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 20 из 123
Наконец, оксимы гексоз при действии уксусного ангидрида могут отщеплять молекулу воды,
образуя нитрилы глюконовых кислот:
Последние при действии аммиачного раствора окиси серебра отщепляют молекулу
синильной кислоты, образуя низшие монозы:
Свойства оксиальдегидов, оксикетонов и моносахаридов
Низшие представители этих классов — обычно бесцветные жидкости, многоатомные
оксиальдегиды и оксикетоны — кристаллические вещества, иногда густые сиропы; они
очень хорошо растворимы в воде, хуже — в спирте, нерастворимы в эфире. Многие из них
обладают сладким вкусом, свойственным сахаристым веществам.
Ввиду того что большая часть реакций моноз отвечает их оксиальдегидной или
оксикетонной формам, свойства моносахаридов будут излагаться вместе со свойствами
оксиальдегидов и оксикетонов с использованием для удобства ациклических формул. Лишь в
тех случаях, когда обнаруживаются особенности свойств моносахаридов, зависящие от их
циклического строения, будут использоваться циклические окисные формулы.
1. Окисление. Оксиальдегиды и монозы легко окисляются, причем в зависимости от
условий получаются весьма разнообразные продукты окисления. Осторожным окислением
оксиальдегидов можно получить одноосновные оксикислоты с тем же числом атомов
углерода; из альдоз получаются альдоновые кислоты.
Для получения альдоновых кислот окисление альдоз обычно проводят в кислой среде
хлором, бромом, гипохлоритом, разбавленной азотной кислотой. При более энергичном
окислении альдоз, например концентрированной азотной кислотой, помимо альдегидной
группы, окисляется первичная спиртовая и образуются двухосновные оксикислоты, так
называемые сахарные кислоты. Продуктами окисления альдоз являются также уроновые
кислоты, например глюкуроновая, образующаяся из глюкозы, галактуроновая — из
галактозы и т. д. При образовании уроновых кислот окисляется первичный спиртовый
гидроксил альдозы и в конце цепи образуется карбоксильная группа, тогда как альдегидная
группа остается неизмененной:
При окислении оксикетонов, а также при менее осторожном окислении оксиальдегидов
происходит расщепление их молекул.
При окислении моносахаридов в щелочной среде происходит их глубокое расщепление с
образованием ряда продуктов, в том числе очень легко окисляющихся. Поэтому
моносахариды, так же как оксиальдегиды и α-оксикетоны, у которых гидроксильная группа
находится при атоме углерода, соседнем с карбонильной группой, являются сильными
восстановителями. Подобно альдегидам, они восстанавливают аммиачную окись серебра с
образованием металлического зеркала, а также фелингову жидкость с образованием красной
закиси меди.
20
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 21 из 123
Восстановление фелинговой жидкости моносахаридами применяется для их
количественного определения объемным методом (по количеству израсходованной
фелинговой жидкости) или весовым методом (по количеству осевшей закиси меди).
2. Восстановление. Осторожное восстановление оксиальдегидов, оксикетонов и моноз
ведет к получению соответствующих многоатомных спиртов, в том числе (из моноз)
тетритов, пентитов, гекситов и пр.
3. Присоединение синильной кислоты. Оксиальдегиды, оксикетоны и монозы
присоединяют синильную кислоту, образуя нитрилы высших глюконовых кислот:
4. Действие гидроксиламина. При действии гидроксиламина получаются оксимы моноз,
например:
5. Действие фенилгидразина. Одной из наиболее важных реакций, которая позволяет
выделять в чистом виде отдельные монозы, а также устанавливать тождество моноз
различного происхождения, является взаимодействие моноз с фенилгидразином. В первую
очередь фенилгидразин действует на монозы так же, как на простейшие альдегиды и кетоны,
т. е. с выделением воды и образованием фенилгидразона:
При нагревании полученных гидразонов с фенилгидразином или при нагревании моноз с
избытком фенилгидразина сначала соседняя с карбонильной группой первичная или
вторичная спиртовая группа окисляется в карбонильную, причем фенилгидразин
восстанавливается до анилина и аммиака. Вновь образовавшаяся карбонильная группа (для
кетоз — альдегидная, а для альдоз — кетонная) вступает в реакцию с третьей молекулой
фенилгидразина, и получаются так называемые озазоны моноз
Описанный механизм образования озазонов, постулированный Э. Фишером, в последние
годы подвергся проверке. Казалась мало вероятной вторая фаза реакции — восстановление
фенилгидразина (до аммиака) столь слабым восстановителем, как вторичная спиртовая
группа фенилгидразона. Было предложено несколько различных вариантов механизма
реакции, из которых наиболее достоверным является следующий (Вейганд; М. М. Шемякин
и В. М. Майминд):
Из альдоз и кетоз могут получиться озазоны одинакового строения, если конфигурации
незатронутых при реакции асимметрических атомов в молекулах альдозы и кетозы
одинаковы, как, например, у глюкозы и фруктозы.
Гидразоны и озазоны моноз обычно хорошо кристаллизуются. Некоторые гидразоны и
многие озазоны трудно растворимы в воде, благодаря чему их легко выделить в
кристаллическом виде из водных растворов моноз.
Интересно, что метилфенилгидразин
21
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 22 из 123
дает озазоны только с кетозами, с альдозами же образует лишь легко растворимые
гидразоны, что и позволяет с помощью метилфенилгидразина отделять альдозы от кетоз.
При действии кислот на гидразоны происходит реакция, обратная реакции образования
гидразонов, т. е. присоединяется молекула воды и образуются исходная моноза и
фенилгидразин. Озазоны при действии кислот могут отщеплять обе молекулы
фенилгидразина, давая так называемые озоны СН2(ОН)—(СНОН)3—СО—СНО, содержащие
рядом две карбонильные группы.
Аналогичные реакции с фенилгидразином дают все простейшие оксиальдегиды и
оксикетоны, содержащие гидроксильную группу рядом с карбонильной. Так, глицериновый
альдегид дает гидразон
и озазон
Тот же озазон получается и из диоксиацетона.
До настоящего времени окончательно не установлено, почему при образовании озазонов
реакция останавливается на присоединении двух остатков фенилгидразина, почему не
происходит окисления у третьего углеродного атома, присоединения третьего остатка
фенилгидразина и т. д.
Это явление пытаются объяснить тем, что после введения двух остатков фенилгидразина
возможна стабилизация молекулы вследствие образования водородной связи и замыкания за
этот счет шестичленного цикла в одной из его таутомерных форм:
Для идентификации сахаров их озазоны можно превратить путем кипячения с CuSO4 в
производные триазола, так называемые озотриазолы
имеющие более высокие температуры плавления, чем исходные озазоны.
При взаимодействии фенилгидразона альдозы с солью диазония в холодном пиридиновом
растворе выпадает блестящий красный кристаллический осадок формазана, существующего
в виде хелатного соединения:
22
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 23 из 123
Образование формазанов, обладающих четкими температурами плавления, является
хорошим методом идентификации сахаров, имеющим преимущества перед реакцией
образования озазонов: возникает возможность отличать альдозы от кетоз, не дающих
формазанов, а также различать эпимерные альдозы, дающие одинаковые озазоны.
Окисление формазанов дает соли тетразолия:
Тетразолиевые соли, производные сахаров, при малой токсичности обладают
бактерицидностью. Они легко (в животных тканях) восстанавливаются в исходные
формазаны. Превращение хорошо растворимых бесцветных солей тетразолия в
яркоокрашенные нерастворимые формазаны используется для количественного определения
восстанавливающих сахаров (стр. 644 и 649), а также при изучении процессов
биологического восстановления в тканях.
6. Действие щелочей. Оксиальдегиды, оксикетоны и монозы весьма чувствительны к
действию щелочей. Так, например, глюкоза уже при действии разбавленных щелочей на
холоду частично превращается в стереоизомерную альдозу (маннозу) и в кетозу (фруктозу).
Аналогично, фруктоза частично превращается в глюкозу и маннозу, а манноза — в глюкозу
и фруктозу. Легкость превращения моноз в щелочной среде объясняется тем, что, как было
показано спектроскопическими исследованиями в ультрафиолетовой области, в этих
условиях значительно повышается содержание в растворе оксо-формы, отличающейся
наибольшей химической активностью.
При указанных превращениях, открытых еще Лобри де Брюином и Ван-Экенштейном (1897),
сначала образуется промежуточная енольная форма, которая в свою очередь может
образоваться из оксо-формы:
Как видно из схемы, конфигурация второго углеродного атома, характерная для глюкозы,
маннозы и фруктозы, исчезает при превращении их в енольную форму, из которой могут
образоваться все три монозы.
Подобные превращения могут претерпевать все моносахариды. Происходящее при этих
превращениях изменение конфигурации второго углеродного атома альдоз носит название
эпимеризации, а альдозы, отличающиеся лишь конфигурацией второго углеродного атома,
называются эпимерами. Эпимеры дают одинаковые озазоны.
23
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 24 из 123
На енолизацию и взаимные превращения моноз в щелочной среде оказывает влияние не
только концентрация ионов гидроксила, но и характер катиона щелочи (А. М. Кузин, С. А.
Балезин).
При нагревании моноз со щелочами, как и в случае альдегидов, происходит побурение и
осмоление моноз, сопровождающееся их частичным окислением. При этом образуется
большое число продуктов расщепления, конденсации, полимеризации и т. д. При нагревании
глюкозы и фруктозы со щелочами одним из важнейших продуктов расщепления язляется
молочная кислота; образуется также муравьиная кислота и другие вещества.
7. Действие кислот. Действие кислот на пентозы и гексозы может быть использовано для их
распознавания, а именно: при нагревании пентоз с разбавленными кислотами легко
отщепляется вода и образуется летучий гетероциклический альдегид — фурфурол:
Из метилпентоз аналогичным путем получается метилфурфурол.
Действие кислот на гексозы ведет сначала к образованию оксиметилфурфурола, который при
кипячении с разбавленными кислотами разлагается на левулиновую и муравьиную кислоты:
Поскольку производные фурфурола дают с рядом веществ окрашенные продукты
конденсации,
способность
моносахаридов
образовывать
при
действии
высококонцентрированных кислот фурфурол или его производные используется для
качественного обнаружения и количественного (колориметрического) определения сахаров.
Для этого продукты реакции моносахаридов с кислотами подвергаются конденсации с
фенолами, карбазолом или другими реагентами. В последние годы для этой цели очень часто
пользуются также реакцией с антроном, дающим с углеводами в присутствии H2SO4 синее
окрашивание. Эта реакция применяется для определения не только восстанавливающих, но и
невосстанавливающих сахаров, поскольку в присутствии серной кислоты происходит их
гидролиз.
8. Окрашивание фуксинсернистой кислоты. Простейшие оксиальдегиды (гликолевый и
глицериновый альдегиды) дают окрашивание с фуксинсернистой кислотой при обычных
условиях. Альдозы дают окрашивание лишь с фуксинсернистой кислотой, приготовленной
особым образом.
9. Замещение атомов водорода гидроксильных групп. Присутствие гидроксильных групп
в молекулах моноз обнаруживается соответствующими типическими реакциями:
а) При действии щелочей и даже при действии окислов тяжелых металлов легко
получаются производные моносахаридов типа алкоголятов, называемые сахаратами.
б) Действием на монозы ангидридов кислот может быть получен ряд сложных эфиров
моноз, вплоть до полного эфира, в котором атомы водорода во всех гидроксильных группах
замещены на кислотные остатки. Например, при полном ацетилировании гексоз могут быть
получены пентаацетилгексозы С6Н7О(ОСОСН3)5. Подобно гликозидам, пентаацетилгексозы
существуют в двух стереоизомерных формах (α- и β-), например:
24
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 25 из 123
При действии хлористого или бромистого водорода на пентаацетильные соединения гексоз, а
также при действии хлористого ацетила на монозы полуацетальный гидроксил
(ацетилированный или свободный) замещается аа галоид. Получающиеся при этом
ацетогалогенозы, например ацетохлорглюкоза и ацетобромглюкоза, также существуют в α- и
β-формах:
Ацетогалогенозы играют важную роль в синтезах гликозидов и других производных сахаров.
в) Атомы водорода в гидроксильных группах моноз могут быть замещены углеводородными
радикалами. Так, например, при действии метилирующих агентов [(CH3)2SO4; CH3J]
замещение может произойти во всех пяти гидроксилах глюкозы:
Полученное пентазамещенное производное иногда называют пентаметилглюкозой, но
правильнее называть его тетраметилметилглюкозидом.
Метильные группы, замещающие атомы водорода во всех гидроксилах, кроме
полуацетального, связанные по типу простых эфиров, стойки к гидролизу (щелочному и
кислотному), отличаясь в этом отношении от метильной группы, присоединенной за счет
полуацетального гидроксила. Метилированные производные моноз сыграли очень важную
роль при установлении строения моносахаридов и полисахаридов.
г) Замещение в монозах атома водорода в полуацетальном гидроксиле на радикал приводит к
образованию гликозидов — веществ, широко распространенных в природе.
Синтетически простейшие гликозиды можно получить взаимодействием монозы и спирта в
присутствии сухого хлористого водорода. Для получения гликозидсв более
высокомолекулярных спиртов или ароматических оксисоединений пользуются другим
методом: конденсацией пентаацетилзамещенной монозы со спиртом получают
тетраацетилпроизводное гликозида, которое омыляют в щелочной среде, и выделяют
свободный гликозид (Гельферих). Гликозиды можно получить также, исходя из
ацетогалогеноз, которые путем замещения галоида на алкоксил превращают в
тетраацетилзамещенные гликозиды, а затем ацетильные группы омыляют (Кенигс и Кнорр).
Гликозиды представляют собой кристаллические вещества или сиропы; метилированные
гликозиды перегоняются в высоком вакууме без разложения. Будучи в большинстве случаев
стойки к щелочам, гликозиды гидролизуются кислотами, распадаясь на сахар и несахарную
компоненту, носящую название
25
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 26 из 123
агликона. Гликозиды легко гидролизуются также под действием ферментов, носящих
название гликозидаз.
Скорость кислотного гидролиза гликозидов сильно зависит от их строения. Так, фуранозиды
гидролизуются кислотами приблизительно в 100 раз быстрее, чем пиранозиды. Особенно
специфичен ферментативный гидролиз: α-гликозиды расщепляются только α-гликозидазами
(например, содержащейся в дрожжах), а β-гликозиды — только β-гликозидазами (например,
содержащейся в ферментном препарате эмульсине, получаемом из горьких миндалей).
Изучение скорости гидролиза гликозидов (кислотного и ферментативного) дает важные
сведения для решения вопроса о том, является ли данный гликозид производным пиранозы
или фуранозы, α- или β--формы.
10. Конденсация моноз с альдегидами и кетонами. Под влиянием конденсирующих
средств (H2SO4, CuSO4 и т. д.) монозы дают с альдегидами и кетонами ацеталеподобные
соединения, которые приобрели большое значение для установления строения и
конфигурации моноз и полисахаридов и для синтеза последних. Особенно важны соединения
с ацетоном, причем для гексоз известны моно- и диацетонпроизводные.
Ацетонпроизводные
моносахаридов,
которые
называются
также
изопропилиденпроизводными, образуются преимущественно таким образом, что каждая
изопропилиденовая группа замещает атомы водорода двух соседних гидроксилов,
находящихся в цис-положении. Так, например, диацетонгалактоза образуется по следующей
схеме:
Она имеет строение 1,2-3,4-диизопропилиденгалактопиранозы.
Если в равновесном растворе сахара хотя бы в небольшом количестве содержится
таутомерная форма с двумя парами соседних гидроксилов в цис-положении, то в реакцию с
ацетоном вступает именно эта форма, в которую постепенно переходят другие таутомеры.
Так, хотя в растворе глюкозы преобладают пиранозы, при реакции с ацетоном получается
диацетонглюкофураноза, поскольку глюкопиранозы не имеют двух пар цис-гидроксилов;
При
осторожном
кислотном
гидролизе
диацетонпроизводных
получаются
монсацетонпроизводные. Например, из 1,2-5,6-диизопропилиденглюкозы получается 1,2изопропилиденглюкофураноза
Указанные закономерности образования ацетонпроизводных моноз не всегда соблюдаются.
Если в молекуле нет двух пар цис-расположеныых гидроксилов и они не могут образоваться
при таутомерных превращениях (например, в случае ацетонирования глюкозидов),
изопропилиденные группы могут присоединяться и иначе. Так, например, при
ацетонировании
метилα-маннопиранозида
образуется
2,3-4,6диизопропилиденманнопиранозид.
Ацетонпроизводные стойки к щелочам, но легко гидролизуются разбавленными кислотами;
гидроксильные группы, оставшиеся свободными после ацетонирозания, могут быть
26
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 27 из 123
метилированы, ацилированы, замещены на галоид и т. д. Ацетонпроизводные могут быть
применены для синтеза производных моноз с определенным положением заместителей или
непосредственно, или же после осторожного гидролиза с отщеплением ацетона. Так как
многие ацетонпроизводные имеют фуранозое кольцо (по указанным выше причинам), их
часто используют для синтезов производных фураноз.
11. Брожение. Очень многие оксиальдегиды и оксикетоны способны под влиянием
некоторых микроорганизмов претерпевать химические превращения, известные под
названием брожений (спиртовое, маслянокислое, молочнокислое и уксусное брожение).
Замечательно, что наиболее легко подвергаются брожению вещества с числом атомов
углерода в молекуле, кратным трем, т. е. глицериновый альдегид, диоксиацетон, гексозы и
нонозы. Брожение гексоз различной конфигурации происходит с неодинаковой легкостью,
причем из двух оптических антиподов обычно легче подвергаются брожению антиподы,
встречающиеся в природе. Пользуясь этим обстоятельством, удалось выделить из многих
синтетических оптически недеятельных моноз неизвестные ранее оптические антиподы
природных соединений.
Вопросы для самоконтроля:
1. Определение, общая формула, состав, классификация, номенклатура.
2. Моносахариды; изомерия, методы получения.
3. Оптическая изомерия. Структурные и проекционные формулы.
4. Кольчато-цепная таутомерия. Мутаротация.
5. Реакции циклических цепных форм и циклических форм.
Рекомендуемая литература:
1.
Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2.
Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция №3-4. Дисахариды, высшие полисахариды.
Цель: ознакомиться с типами дисахаридоа, составом, свойствами полисахаридов
Основные вопросы:
1. Два типа дисахаридов.
2. Инверсия сахара.
3. Высшие полисахариды.
Краткое содержание:
Полисахариды, или полиозы (сложные сахара)
Полисахаридами называются углеводы, которые при гидролизе распадаются с образованием
нескольких молекул моносахаридов, далее не гидролизующихся. Таким образом, это
ангидридоподобные соединения, образующиеся при выделении воды из нескольких молекул
моноз:
п молекул моноз — (п — 1)Н2О → 1 молекула полисахарида
Все полисахариды построены по типу гликозидов. При их образовании выделяется вода, как
правило за счет полуацетального гидроксила одной молекулы и какого-либо гидроксила
(полуацетального или обычного спиртового) другой молекулы, например:
27
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 28 из 123
Желая подчеркнуть такое строение полисахаридов, их иногда называют гомозидами, в
отличие от гетерозидов — обычных гликозидов, при гидролизе распадающихся на простые
сахара и вещества неуглеводного характера (агликоны). Гомозиды, или сложные сахара, при
гидролизе образуют лишь молекулы простых сахаров.
Важнейшая реакция полисахаридов — это реакция гидролиза, обратная реакции их
образования:
1 молекула полисахарида + (п— 1)Н2О → п молекул моноз
Кроме изображенного этим уравнением полного гидролиза, возможны промежуточные
реакции неполного гидролиза. Если к полисахариду присоединяется вода в количестве,
недостаточном для полного расщепления молекулы полисахарида на молекулы
моносахаридов, то из молекулы более сложного полисахарида получаются две или несколько
молекул менее сложных углеводов.
Гидролиз полисахаридов, называемый иногда инверсией (по аналогии с гидролизом
тростникового сахара, в результате которого изменяется направление вращения плоскости
поляризации), происходит или под каталитическим влиянием минеральных кислот, или под
действием природных катализаторов — энзимов.
Скорость кислотного гидролиза полисахаридов в значительной степени зависит от их
строения, в частности от того, в каком виде входят в них остатки моносахаридов: в виде
пиранозных или фуранозных колец, α- или β-конфигураций и т. д.
Особенно специфичен ферментативный гидролиз полисахаридов. Ферменты, каталитически
ускоряющие гидролиз полисахаридов (носящие общее название карбогидраз), действуют
строго избирательно, например только на α-гликозидную связь (α-гликозидазы) или только
на β-гликозидную связь (β-гликозидазы). Избирательность действия карбогидраз зависит
также от ряда других, более тонких особенностей структуры полисахарида. Так, например,
некоторые ферменты вызывают гидролиз только тех гликозидных связей, которые находятся
на определенном по счету месте от конца полигликозидной цепи (известны карбогидразы,
гидролизующие каждую вторую гликозидную связь, каждую пятую или каждую шестую
гликозидную связь). В связи с избирательным действием карбогидраз ферментативный
гидролиз полисахаридов является важным методом изучения их строения
К полисахаридам относятся весьма различные по молекулярному весу и свойствам вещества,
и поэтому обычно полисахариды делят на две подгруппы:
1. Олигосахариды — низкомолекулярные полисахариды, растворимые в воде и способные
кристаллизоваться.
2. Высшие полиозы — высокомолекулярные полисахариды, мало растворимые или вовсе
нерастворимые в воде, в большинстве случаев не кристаллизующиеся.
Олигосахариды обладают, как правило, сладким вкусом; при гидролизе каждая молекула
олигосахарида распадается на небольшое число молекул моносахарида (от двух до шести).
Общеизвестным примером олигосахаридов является тростниковый, или свекловичный,
сахар, гидролизующийся с образованием одной молекулы глюкозы и одной молекулы
фруктозы.
Высшие полиозы (высшие полисахариды) сладким вкусом не обладают; при гидролизе
каждая молекула полиозы распадается на очень большое число молекул моноз, исчисляемых
28
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 29 из 123
иногда десятками и сотнями тысяч. Самыми важными представителями высших полиоз,
широко распространенными в природе, являются крахмал и целлюлоза.
Олигосахариды. Дисахариды (биозы)
В зависимости от числа молекул простых сахаров, образующихся при гидролизе молекулы
олигосахарида, различают:
Наибольшее значение имеют дисахариды (биозы).
Дисахариды являются своеобразными гликозидами, в которых роль агликона играет остаток
второй молекулы моносахарида:
Остатки двух, молекул моносахарида, соединенные в молекуле дисахарида, могут быть
одинаковыми или разными. При образовании дисахарида одна молекула моносахарида
всегда образует связь со второй молекулой с помощью своего полуацетального гидроксила.
Что касается второй молекулы моносахарида, то она может участвовать в образовании этой
связи либо также своим полуацетальным гидроксилом, либо каким-нибудь из остальных, т.
е. спиртовых, гидроксилов; в последнем случае один полуацетальный гидроксил в молекуле
дисахарида будет оставаться свободным.
Отсутствие или наличие в молекуле свободного полуацетального гидроксила очень сильно
влияет на свойства данного дисахарида. Если при образовании дисахарида обе молекулы
моносахарида участвовали в образовании связи своими полуацетальными гидроксилами, то
оба остатка моносахаридов имеют стабильную циклическую форму и без гидролиза
дисахарида альдегидная группа образоваться не может. Такой дисахарид не обладает
восстанавливающими свойствами и не дает других альдегидных реакций: не образует
гидразонов с фенилгидразином, не присоединяет синильной кислоты и т. д. Такие
дисахариды носят название невосстанавливающих дисахаридов или дисахаридов группы
трегалозы (трегалоза — дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы, причем в
образовании трегалозы участвуют полуацетальные гидроксилы):
29
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 30 из 123
Если в реакции образования дисахарида участвует полуацетальный гидроксил одной
молекулы моносахарида и спиртовый гидроксил другой молекулы, то в молекуле дисахарида
сохраняется один полуацетальный гидроксил. В этом случае циклическая форма одного из
остатков моносахарида может переходить в альдегидную форму. Дисахариды, построенные
таким образом, обладают восстанавливающими свойствами и дают типичные альдегидные
реакции: образуют гидразоны, присоединяют синильную кислоту и т. д. Такие дисахариды
носят название восстанавливающих дисахаридов или дисахаридов типа мальтозы (мальтоза
— дисахарид, построенный из двух остатков глюкозы, причем в образовании мальтозы
участвуют полуацетальный гидроксил одной молекулы глюкозы и спиртовый гидроксил у
четвертого углеродного атома второй молекулы глюкозы):
Так как один остаток моносахарида способен дециклизоваться и переходить в другие
циклические формы, дисахариды типа мальтозы обнаруживают мутаротацию, а также могут
кристаллизоваться в α- и β-формах.
При осторожном окислении дисахаридов типа мальтозы альдегидная группа
восстанавливающего остатка моносахарида превращается в карбоксильную и получаются
так называемые альдобионовые кислоты. Под влиянием оснований восстанавливающий
остаток таких дисахаридов (содержащий свободный полуацетальный гидроксил)
подвергается эпимеризации. Таким образом, восстанавливающие дисахариды весьма близки
по свойствам к моносахаридам.
К представителям первого класса дисахаридов относятся грегалоза и особенно сахароза
(тростниковый сахар), к важнейшим представителям дисахаридов второго класса —
мальтоза, целлобиоза, генциобиоза и лактоза (молочный сахар). Из перечисленных
дисахаридов лишь трегалоза, сахароза и лактоза встречаются в природе в свободном
состоянии как таковые; остальные, если и встречаются в природе, то лишь как продукты
неполного гидролиза высших полиоз и гликозидов.
Большинство природных биоз состоит из гексоз, т. е. они имеют формулу C12H22O11 или
2C6H12O6—Н?О. Как редкие исключения известны и биозы, состоящие из одной молекулы
гексозы и одной молекулы пентозы. Так, например, временах журавлиного гороха (Vicia
angustifolia) находится гликозид, дающий при неполном гидролизе вицианозу С11Н20О10 —
биозу, распадающуюся при дальнейшем гидролизе на гексозу — D-глюкозу и пентозу — Lарабинозу.
гликозид петрушки — апиин дает биозу, распадающуюся при дальнейшем гидролизе на Dглюкозу и апиозу.
Строение дисахаридов
При изучении строения дисахаридов должно быть установлено следующее:
30
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 31 из 123
1. Остатки каких моносахаридов участвуют в образовании дисахарида?
2. В виде каких форм входят эти остатки моносахаридов? Здесь в свою очередь должны
быть решены вопросы: а) о наличии α- или β-форм, в частности о характере гликозидной
связи (α- или β-), и б) о наличии пиранозного или фуранозного кольца. В
невосстанавливающих дисахаридах циклы обоих остатков фиксированы, и вопросы (а) и (б)
решаются однозначно; в случае же восстанавливающих дисахаридов фиксирован цикл лишь
одного остатка, а второй остаток может существовать в виде всех таутомерных форм,
свойственных моносахаридам, и поэтому в отношении второго остатка следует говорить
лишь о преобладающей форме при данных условиях.
3. За счет каких гидроксилов происходит соединение двух молекул моносахаридов при
образовании дисахарида?
Чтобы выяснить, остатки каких моносахаридов образуют молекулу дисахарида, последний
обычно подвергают гидролизу; образовавшиеся моносахариды идентифицируют теми или
другими методами.
Для установления характера гликозидной связи (α- или β-) очень часто пользуются
избирательным ферментативным гидролизом при помощи α-гликозидазы (например, из
дрожжей) и β-гликозидазы (например, из эмульсина). Для невосстанавливающих
дисахаридов вопрос о характере гликозидной связи решается труднее, чем для
восстанавливающих, и для его выяснения требуются специальные детальные исследования.
Ценные сведения о наличии пиранозных или фуранозных колец можно получить при
изучении кинетики кислотного гидролиза: скорость гидролиза фуранозидов обычно
значительно больше скорости гидролиза пиранозидов. Более точные сведения о характере
колец дает метод метилирования (см. ниже).
При решении вопроса о том, каким образом соединяются остатки моносахаридов, отсутствие
альдегидных реакций, а также отсутствие мутаротации являются прямыми указаниями на
участие в образовании дисахарида полуацетальных гидроксилов обеих молекул
моносахарида. В случае же восстанавливающих дисахаридов наиболее надежные данные
дает метод метилирования.
Сущность метода метилирования заключается в следующем. Действием на дисахарид
иодистого метила или диметилсульфата (в щелочной среде) атомы водорода всех
гидроксильных групп замещают на метальные группы. При метилировании дисахаридов,
построенных, например, из гексоз, образуются октаметилзамещенные дисахариды. После
метилирования проводят осторожный кислотный гидролиз, в результате которого
метилированный дисахарид расщепляется на метилированные моносахариды. Изучение
строения метилированных моносахаридов, в частности определение расположения
свободных гидроксилов, дает возможность заключить, за счет каких гидроксильных групп
были связаны в дисахариде остатки простых сахаров. При кислотном гидролизе
метилированных дисахаридов типа мальтозы, кроме расщепления гликозидной связи,
соединяющей два остатка моносахарида, будет происходить также гидролиз
метилгликозидной связи одного из остатков моносахарида (имевшего до метилирования
свободный полуацетальный гидроксил, отсутствующий у дисаларидов типа трегалозы).
Таким образом, если гидролизовать октаметил производные дисахаридов типа трегалозы и
типа мальтозы, то в первом случае получаются две молекулы тетраметилгексозы, а во втором
— молекула тетраметилгексозы и молекула триметилгексозы.
Гидролиз октаметилтрегалозы:
31
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 32 из 123
Гидролиз октаметилмальтозы:
Чтобы установить строение восстанавливающих дисахаридов, состоящих из остатков двух
различных моносахаридов, требуется еще выяснить, в каком из них полуацетальный
гидроксил был замещен и в каком он оставался свободным. Для этого нужно определить,
который из остатков моносахарида образовал при метилировании триметилпроизяодное и
который — тетрапроизводное.
В природных дисахаридах особенно часто встречается связь 1,4', т.е. гликозидной связью
соединены первый углеродный атом одного моносахарида с четвертым углеродным атомом
другого. Однако встречаются связь 1,6' и другие связи.
Периодатный метод, широко применяемый в последнее время в химии высших полиоз, дает
возможность, в частности, отличить в дисахаридах связи 1,4' и 1,6' При действии йодной
кислоты на дисахарид, содержащий связи 1,4', выделяется иод, тогда как при наличии связи
1,6' иод не выделяется. Выделение иода из иодной кислоты обусловлено, по-видимому,
восстанавливающим действием образующегося редуктона О=СН—СН(ОН)—СН=О:
например мальтоза (связь 1.4') в аль-форме реагирует с иодной кислотой:
32
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 33 из 123
Если в дисахариде есть связь 1,6', при периодатном окислении, по-видимому, не происходит
ни образования остатка редуктона, ни гидролиза гликозидной связи:
Для рационального обозначения строения восстанавливающих дисахаридов их
рассматривают как производные того моносахарида, который сохранил свободный
гликозидный гидроксил, причем цифрой указывают, к какому атому углерода этого
моносахарида присоединен гликозидный остаток второго моносахарида, а буквой α или β —
в какой форме гликозидный остаток второго моносахарида находится в данном дисахариде.
Так, мальтоза называется 4-(α-глюкопиранозидо)-глюкозой. Аналогично обозначаются
невосстанавливающие дисахариды; так, например, трегалоза называется 1-(αглюкопиранозидо)-α-глюкопиранозидом.
Способы получения дисахаридов
Некоторые биозы встречаются в природе в свободном виде или в виде гликозидов. Другие
биозы могут быть получены путем неполного гидролиза высших углеводов. Природные
источники являются в настоящее время важнейшими для получения дисахаридов Синтезы
дисахаридов представляют главным образом теоретический интерес, в частности с их
помощью подтверждается строение биоз. Наиболее важными являются следующие синтезы
дисахаридов:
1. Взаимодействие ацетогалогенозы с натриевым производным моносахарида с
последующим омылением ацетильных остатков:
33
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 34 из 123
Этим методом, предложенным и осуществленным в 1879 г. А. А. Колли, был впервые
произведен синтез дисахаридов; позднее аналогичные синтезы провели Мархлевский (1896),
Фишер и Армстронг (1902).
Все последующие химические методы синтеза дисахаридов в основном лишь воспроизводят
и совершенствуют метод А. А. Колли.
2. Взаимодействие ацетогалогенозы с ацетилированной монозой, обладающей лишь
одним свободным гидроксилом, в присутствии карбоната или окиси серебра (Кёнигс и
Кнорр, 1902). Полученный при конденсации ацетилированный дисахарид (в приведенном
ниже примере — октаацетилизотрегалоза) подвергают омылению для отщепления
ацетильных групп:
Обычно при этом из α-ацетобромглюкозы получаются дисахариды не с α- , а с β-гликозидной
связью; однако, применяя некоторые катализаторы, можно получать таким образом и
дисахариды с α-гликозидной связью.
34
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 35 из 123
В большинстве случаев этим методом получают дисахариды типа трегалозы.
3. Взаимодействие ацетогалогенозы с изопропилидензамешенными сахарами или
изопропилиденангидросахарами. Например, с диизопропилиденпроизводными сахаров реакция идет
следующим образом:
а с изопропилиденангидросахарами по схеме:
Для последующего отщепления ацетильных и изопропилиденовых остатков пользуются
методом каталитического восстановления.
35
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 36 из 123
Метод получения дисахаридов через изопропилиденпроизводные разработан сравнительно
недавно. Он дает больше возможностей, чем предыдущие методы, для синтеза биоз с
остатками моносахаридов, связанными в различных положениях (не только в положении 1,4',
но и 1,6' и др.).
4. Энзиматические синтезы. а) Синтезы из свободных сахаров при помощи карбогидраз.
Эти синтезы известны наиболее давно. Дисахарид с α-гликозидной связью — мальтоза был
получен еще в 1902 г. при действии дрожжей (α-глюкозидазы) на концентрированный
раствор глюкозы. При действии на концентрированные растворы моносахаридов эмульсина
(содержащего β-глюкозидазу) можно получить дисахариды с β-гликозидной связью.
Реакции образования дисахаридов при непосредственном взаимодействии молекул,
свободных моносахаридов (в присутствии катализаторов) получили название реверсии, как
реакции, обратные гидролизу дисахаридов, иногда называемому инверсией.
б) Синтезы из фосфорнокислых эфиров и свободных сахаров при помощи фосфорилазы.
После того как Каган (1940) установил расщепление дисахаридов при действии
неорганических фосфатов и фермента фосфорилазы
была воспроизведена и обратная реакция — ферментативный синтез дисахаридов, в
частности тростникового сахара, из фосфорнокислых эфиров моносахаридов и свободных
сахаров:
В последние годы проведен целый ряд подобных энзиматических синтезов дисахаридов
Вопросы для самоконтроля:
1. Два типа дисахаридов.
2. Инверсия сахара.
3. Высшие полисахариды.
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция №5. Алициклические соединения.
Цель: ознакомиться с циелоарканами, изучить правило напряжения Байера, свойства
циклопарафинов
Основные вопросы:
36
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 37 из 123
1. Циклоалканы; общая формула, виды изомерии.
2. Понятие напряжения Байера и Питцера.
3. Химические свойства циклопарафинов.
Краткое содержание:
АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ (от греч. aleiphar, род. падеж aleiphatos - масло,
смола, жир и kyklos - круг, кольцо) (циклоалифатич. соединения), содержат в молекулах
один или неск. циклов, состоящих из атомов углерода (за исключением ароматич.
соединений). По числу колец в молекуле различают моноциклич. соед. (1 кольцо) и
полициклические, или многоядерные (2 кольца-бициклич., 3-трициклич. и т.д.). По
взаимному расположению колец многоядерные алициклические соединения делят на:
соединения с изо-лиров. циклами (ансамбли циклов), причем входящие в них циклы м. б.
связаны непосредственно или разделяться одним либо неск. атомами; спирановые (имеют
один общий атом С для двух циклов)-см. также Спиросоединения; конденсированные (2
общих атома С); мостиковые (3 и более). Разновидность мостиковых алициклических
соединений-каркасные, или полиэдрич., соед., представляющие собой жесткие пространств.
структуры, напоминающие по форме разл. многогранники (см. также Полиэдрические
соединения).
Моноциклич. алициклические соединения по числу атомов в цикле делят на малые (3 или 4
атома), обычные (5-7) и макроциклы, подразделяемые в свою очередь на средние (8-12) и
большие циклы (13 и более). Циклы могут содержать только простые связи (циклоалканы),
простые и двойные связи-циклоалкены (1 двойная связь), циклоалкадиены (2 двойные связи)
и т.д., средние и большие циклы-также тройные связи (циклоалкины). В молекулах
алициклических соединений могут присутствовать функц. группы, связанные с
углеводородным циклом, напр. О (циклоалканоны), ОН (циклоалканолы), СООН (циклоалканкарбоновые к-ты).
Номенклатура. Систематич. названия алициклических соединений (в т.ч. и по номенклатуре
ИЮПАК) образуют, прибавляя приставку "цикло" к названию соответствующего алифатич.
соединения, содержащего такое же число атомов С. Примеры таких назв.: циклопропан (ф-ла
I), циклопентадиен (II), циклононин (III), циклогексанон (IV), 2-гидроксициклодеканон (V).
За основу назв. полициклич. соединений с изолир. циклами выбирается наиб. цикл. Так,
ансамбль из двух циклов ф-лы VI наз. циклопропилциклогексаном. В названиях ансамблей,
состоящих из одинаковых циклов, непосредственно связанных между собой, используют
приставки, соответствующие числу этих циклов, и цифры (локанты), указывающие их
взаимное расположение, напр. 1,1 :4',1"-терцик-логексан (VII). Ансамбли, в к-рых циклы
разделены атомом или группой атомов, называют как производные соответствующих
алифатич. углеводородов, напр. трициклогексилметан (VIII).
В случае спиранов за основу выбирается назв. алифатич. углеводорода с тем же общим
числом атомов С, перед к-рым ставятся приставка "спиро" и цифры (в квадратных скобках),
указывающие число атомов в каждом из циклов, связанных со спироатомом, напр. спиро [4,
37
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 38 из 123
3]октан). Для конденсированных и мостиковых алициклических соединений основой
названия также служит назв. алифатич. углеводорода, имеющего то же общее число атомов
С, в приставке указывается число циклов и после слова "цикло" цифрами - число атомов С в
каждом цикле между узловыми (общими для двух циклов) атомами, напр. бицикло
[2,2,1]гептадиен (X), бицикло[5,2,0]нонан (XI). Названия полициклич. соед., включающих 6членные циклы, часто производят от названий соответствующих ароматич. систем, напр.
декагидронафталин, или декалин (XII). Для обозначения систем из трех и более циклов часто
используют тривиальные названия, напр. адамантан.
Изомерия циклоалканов
Для циклоалканов характерны как структурная, так и пространственная изомерия.
Структурная изомеpия
1. Изомерия углеродного скелета:
а) кольца
б) боковых цепей
2. Изомерия положения заместителей в кольце:
3. Межклассовая изомерия с алкенами:
Пространственная изомерия
1. Цис-транс-изомерия, обусловленная различным взаимным расположением в пространстве
заместителей относительно плоскости цикла. В цис-изомерах заместители находятся по одну
сторону от плоскости кольца, в транс-изомерах – по разные:
38
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 39 из 123
2. Оптическая изомерия некоторых ди- (и более) замещенных циклов. Например, транс-1,2диметилциклопропан может существовать в виде двух оптических изомеров, относящихся
друг к другу как предмет и его зеркальное изображение.
3. Поворотная изомерия циклоалканов. Все циклы, кроме циклопропана, имеют неплоское
строение, что обусловлено стремлением атомов углерода к образованию нормальных
(тетраэдрических) углов между связями. Это достигается поворотами по σ-связям С–С,
входящим в цикл. При этом возникают различные конформации (поворотные изомеры) с
разной энергией и чаще реализуются те из них, которые обладают наименьшей энергией, т.е.
более устойчивые. Например, в циклогексане наиболее устойчивой является конформация
"кресла".
В этой пространственной форме отсутствует угловое напряжение, т.к. все валентные углы
имеют нормальные для sp3-гибридизованных атомов значе
пара соседних атомов углерода (фрагмент этана) находится в заторможенной конформации
Распространение в природе. Осн. источник 5- и 6-членных алициклических соединений в
пром-сти-нефть. Алициклические соединения входят как структурные фрагменты в
молекулы многих прир. соед., напр. 3-членные моноциклич.-в пиретрины, 5-членные - в
простагландины, 6-членные-в терпены. 15- и 17-Членные циклич. кетоны, обладающие
мускусным запахом, содержатся в выделениях желез нек-рых животных. Полициклич.
структуры широко представлены в нефти, а также содержатся в растительных и животных
продуктах-терпенах, стероидах, гиббереллинах.
Свойства. Циклопропан и циклобутан - газы, остальные алициклические соединенияжидкие или твердые в-ва. Циклоалканы имеют т-ры кипения на 10-20°С выше, а плотность
на ~ 20% больше, чем соответствующие н-алканы. Для напряженных алициклических
соединений с малыми и средними циклами (см. Напряжение молекул)характерны аномально
высокие теплоты сгорания.
Специфич. особенности, зависящие от размера цикла, проявляются в ИК- и КР-спектрах.
Частоты валентных колебаний С—Н для ненапряженных алициклических соединений мало
отличаются от соответствующих частот н-алканов, но они выше для напряженных
алициклических соединений. Частоты деформац. колебаний С—Н и пульсационных
39
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 40 из 123
колебаний кольца достаточно характеристичны и позволяют различать алициклические
соединения с разл. величиной цикла. Определенные особенности, связанные с размером
цикла, могут проявляться и в частотах, соответствующих колебаниям заместителей и
кратных связей.
Особое значение имеют стереохим. исследования алициклических соединений. В частности,
работы по конформац. анализу 6-членных алициклических соединений послужили основой
для создания этого широко используемого метода В зависимости от размера цикл,
содержащий двойную связь, может существовать только в цис-конфигурации (3-7-членные
циклы) или в цис- и транс-формах, причем у больших циклов более стабильны трансизомеры. Для замещенных алициклических соединений характерна также геом. изомерия,
зависящая от взаимного расположения заместителей по отношению к кольцу. В полициклич.
алициклических соединениях, в частности в спи-ранах, встречаются особые виды оптич.
изомерии при отсутствии асимметрич. атомов, обусловленные хиральностью молекулы в
целом.
По хим. св-вам алициклические соединения в целом аналогичны соответствующим
алифатич. соединениям. Ряд особенностей связан с их циклич. природой. Так, напряженные
3-членные циклы легко разрываются при каталитич. гидрировании, действии галогенов, НВг
или
H2SO4,
напр.:
Циклобутан устойчив к действию большинства перечисленных реагентов, но подвергается
каталитич.
гидрированию,
хотя
и
труднее,
чем
циклопропан:
6-Членные алициклические соединения дегидрируются в присут. катализаторов с
образованием ароматич. соединений (эта р-ция происходит при ароматизации
нефтепродуктов
в
пром-сти;
см.
Риформинг):
Многие функциональные замещенные алициклические соединения легко претерпевают
расширение или сужение цикла, напр. Демьянова перегруппировку. Для алициклических
соединений со средними циклами характерны особенности в физ. св-вах и специфич. р-ции,
обусловленные взаимод. непосредственно не связанных, но сближенных в пространстве
группировок, находящихся на противоположных сторонах цикла.
Ряд алициклических соединений обладает физиол. активностью, напр. циклопропаннаркотин, ср-во, хаульмугровая и гиднокарповая к-ты, включающие циклопентеновое
кольцо, обладают антилепрозной активностью, ряд производных адамантанапротивовирусные ср-ва.
Свойства циклоалканов
Физические свойства циклоалканов закономерно изменяются с ростом их молекулярной
массы. Пpи ноpмальных условиях циклопpопан и циклобутан – газы, циклоалканы С5 – С16 –
жидкости, начиная с С17, – твердые вещества. Температуры кипения циклоалканов выше, чем
у соответвующих алканов. Это связано с более плотной упаковкой и более сильными
межмолекулярными взаимодействиями циклических структур.
Химические свойства циклоалканов сильно зависят от размера цикла, определяющего его
устойчивость. Трех- и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными, тем не
40
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 41 из 123
менее, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов. Валентные углы в
циклопропане и циклобутане значительно меньше нормального тетраэдрического угла
3
-гибридизованному атому углерода.
Это приводит к большой напряженности таких циклов и их стремлению к раскрытию под
действием реагентов. Поэтому циклопропан, циклобутан и их производные вступают в
реакции присоединения, проявляя характер ненасыщенных соединений. Легкость реакций
присоединения уменьшается с уменьшением напряженности цикла в ряду:
циклопропан > циклобутан >> циклопентан.
Наиболее устойчивыми являются 6-членные циклы, в которых отсутствуют угловое и другие
виды напряжения.
Малые циклы (С3 – С4) довольно легко вступают в реакции гидрирования:
Циклопропан и его производные присоединяют галогены и галогеноводороды:
В других циклах (начиная с С5) угловое напряжение снимается благодаря неплоскому
строению молекул. Поэтому для циклоалканов (С5 и выше) вследствие их устойчивости
характерны реакции, в которых сохраняется циклическая структура, т.е. реакции замещения.
Синтез. Алициклические соединения можно получить: 1) из ациклич. предшественников; 2)
из ароматич. или гетероциклич. соединений; 3) взаимными превращениями алициклических
соединений. К первой группе методов относятся разл. способы циклизации
дизамещенных соединений, напр. Дикмана реакция (для синтеза алициклических соединений
с числом атомов в цикле 5 и более); действие Zn на
дигалогениды (р-ция используется
для
синтеза
гл.
обр.
3-и
4-членных
алициклических
соединений):
41
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 42 из 123
Специфич. метод синтеза 3-членных циклов-присоединение карбенов по связи С=С. Для
получения 4-членных циклов используется (2 + 2)-циклоприсоединение, напр.:
Исключительно важен диеновый синтез, приводящий к 6-членным алициклическим
соединениям,
напр.:
Средние циклы синтезируют циклоолигомеризацией непредельных соед., обычно в присут.
комплексных металлоорг. катализаторов. Так, циклотетрамеризацией ацетилена получают
циклооктатетраен, циклодимеризацией и циклотримеризацией бутадиена-соотв. 1,5циклооктадиен и 1,5,9-циклододекатриен.
Из методов второй группы Наиб. значение имеет гидри-рование ароматич. соед., приводящее
к 6-членным алициклическим соединениям.
Среди многочисл. способов превращения алициклических соединених, помимо уже
упоминавшейся перегруппировки Демьянова, можно отметить Фаворского реакцию и Коупа
перегруппировку.
Встречаются
в
самых
разнообразных
природных
соединениях,
в частности, в нефти.
Алициклические соединения определяют как карбоциклические (в цикле присутствуют
только атомы углерода) соединения, которые в своих реакциях обнаруживают
преимущественно алифатический характер в противоположность поведению ароматических
соединений. Их удобно подразделить по числу колец в молекуле на моноциклические
(одноядерные) и полициклические (многоядерные - бициклические, трициклические и т.д.)
кольцевые системы. Многие насыщенные алициклические углеводороды найдены в нефти.
Ненасыщенные алициклические углеводороды, возникающие, по крайней мере формально,
при полимеризации изопрена CH2=C(CH3)CH=CH2 и известные под названием терпенов, в
изобилии встречаются во многих эфирных маслах. Алициклические системы часто
встречаются в природных соединениях, иных, чем терпены, например в каротиноидах и
стероидах.
А.
МОНОЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
1. Синтез. Следующие реакции иллюстрируют общие методы синтеза. Обычно пяти- и
шестичленные кольца образуются легче всего, так как углерод может сохранить в них
нормальные валентные углы. 1) Из дигалогенидов:
2) Из малонового или ацетоуксусного эфира:
42
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 43 из 123
3) Конденсация эфиров двухосновных кислот (реакция Дикмана):
В развитие метода получения кетонов с большими циклами разработан метод
внутримолекулярной ацилоиновой конденсации путем кипячения эфиров дикарбоновых
кислот с металлическим натрием; образующиеся оксикетоны могут быть легко превращены в
циклические кетоны. 4) Внутримолекулярная альдольная конденсация некоторых дикетонов:
5) Сухая перегонка кальциевых, бариевых или ториевых солей адипиновой кислоты (n = 4) и
ее высших гомологов:
6) (2 + 2)-циклоприсоединением получают 4-членные циклы:
7) Диеновый синтез используется для получения 6-членных циклов:
43
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 44 из 123
Существует еще много других методов синтеза алициклических соединений, среди них
гидрирование производных бензола, внутримолекулярная конденсация g- и d-дикетонов,
полимеризация ацетилена в особых условиях с образованием 8- и 10-членных циклов,
прямая циклизация насыщенных углеводородов и т.д. Кроме того, возможны превращения
циклов друг в друга, при этом может происходить расширение или сужение цикла.
2. Расширение и сужение цикла. Методы расширения и сужения цикла главным образом
основаны на способности циклических систем претерпевать молекулярные перегруппировки.
В связи с этим особенно широко используется перегруппировка Вагнера - Мейервейна и
родственные перегруппировки (RX + Y (r) RўY + X), сопровождающие многие реакции
замещения в алифатическом ряду, в которых в качестве промежуточных частиц возникают
неустойчивые ионы R+. Ниже следуют примеры: 1) Диазотирование циклических аминов
(реакция Демьянова):
2) Действие щелочи на 2-галогеноциклоалканоны (перегруппировка Фаворского):
3) Пинаколиновая перегруппировка циклических гликолей:
4) Многие циклопарафины можно мягко и обратимо изомеризовать над хлоридом алюминия,
например:
3. Стереоизомерия (см. разд. II.Б, "Оптическая изомерия") алициклических соединений
включает как геометрическую (цис-транс), так и оптическую изомерию. Явление
44
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 45 из 123
геометрической изомерии возникает всякий раз, когда два или более заместителей
присоединены к кольцу, поскольку атомы углерода кольца не могут свободно вращаться
один относительно другого. Когда изомер не может быть совмещен со своим зеркальным
изображением, имеет место оптическая изомерия, т.е. его можно разделить на право- и
левовращающую формы. Если же изомер обладает плоскостью симметрии, он не может быть
разделен на энантиомеры. Когда алициклическое кольцо несет различные заместители на
каждом из n углеродных атомов, возможно 2n - 1 геометрических изомеров. Любой из этих
изомеров, если он асимметричен, может быть разделен на право- и левовращающую формы.
Когда два или более заместителей одинаковы, вследствие симметрии достаточно часто число
изомеров оказывается меньше теоретического максимума. Так, инозит (CHOH)6 (см. разд.
IV-2.А.6) имеет только 8 изомеров, и лишь один из них можно разделить на правую и левую
формы. Проблема стереоизомерии алициклических соединений играет решающую роль при
определении структуры физиологически активных природных соединений и в их синтезе.
Часто только один изомер из сотен теоретически возможных имеет заметную
физиологическую
активность.
4. Реакции. Между реакциями алифатических и алициклических соединений наблюдается
существенное сходство. Те реакции, которые требуют подхода внешнего реагента (например,
реакции присоединения по карбонилу, реакции замещения), часто протекают быстрее с
алициклическими, чем с алифатическими соединениями, содержащими то же число
углеродных атомов. Эта ситуация возникает в результате жесткости кольца,
ограничивающей стерические препятствия, обусловленные неупорядоченным движением
заместителей, присоединенных к атакуемому атому углерода. В то же время,
внутримолекулярные реакции могут ускоряться или затрудняться благоприятным или
неблагоприятным расположением реагирующих групп. Так, цис-дикарбоновые кислоты, как
правило, легко образуют ангидриды, тогда как у транс-изомеров это превращение обычно
затруднено или просто невозможно. Цис-гидроксикислоты легко образуют лактоны, а трансизомеры - нет. Отщепление элементов галогеноводорода под действием сильных оснований
с образованием олефина требует транс-расположения отщепляющихся H и X.
Соответственно водород в транс-положении к соседнему галогену достаточно лабилен, а в
цис-положении необычайно стабилен. Из-за сходства алициклических и алифатических
соединений детальное обсуждение отдельных алициклов будет опущено. Особую группу
реакций составляют реакции разрыва колец (раскрытия цикла): 1) гидрогенолиз:
2) окисление циклоолефинов:
3) окислительное расщепление циклических гликолей под действием HIO4 (см. разд. IV1.Б.1):
45
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 46 из 123
4) окисление циклических кетонов азотной кислотой (см. разд. IV-1.Б.6, "Адипиновая
кислота"); 5) бекмановская перегруппировка циклических кетоксимов:
Ниже рассмотрены примеры наиболее важных природных соединений циклопентанового и
циклогексанового
рядов.
5. Природные производные циклопентана. Некоторые природные душистые вещества,
например жасмон из масла жасмина, содержат циклопентановую структуру
Из кислот ряда циклопентана хаульмугровая кислота
из масла хаульмугровой пальмы применяется для лечения проказы. Ауксины а и б, факторы
роста
растений,
являются
ненасыщенными
гидроксикислотами,
производными
циклопентана:
6. Природные производные циклогексана. Терпены, являющиеся производными
циклогексана, достаточно часто встречаются в природе, особенно в эфирных маслах.
Наиболее обычны моноциклические терпены со скелетом ментана:
Ментадиены C10H16 можно рассматривать как продукты конденсации двух молекул
изопрена CH2=C(CH3)-CH=CH2. Для них возможны многочисленные изомеры,
существование которых обусловлено различным расположением двойных связей (D) и
оптической изомерией. Типичным примером является лимонен (D1,8), который встречается в
виде D-формы в маслах апельсина и тмина, в виде L-формы в сосновом и еловом масле и в
рацемической форме (дипентен) в скипидаре. Из ментенов C10H18 наиболее важен D3ментен (из масла тмина), который может быть получен дегидратацией ментола (см. ниже).
Многие спирты, например ментол (ментанол-3 из масла перечной мяты) и a-терпинеол (D1ментенол-8 из масел кардамона и майорана), являются производными этих углеводородов.
Двухатомные спирты этого ряда известны под названием терпины. Из них наибольший
интерес представляет терпингидрат (ментандиол-1,8), который образуется во многих
эфирных маслах при стоянии. Среди кетонов этого ряда заслуживают упоминания изомеры
ментона-3 и пулегона (D4(8)-ментенона-3), которые содержатся в мятном масле, и карвон
(D1,8-ментадиенон-6), найденный в маслах тмина и укропа. Терпены представляют собой
летучие приятно пахнущие жидкости; их применяют как отдушки и в производстве духов.
Для парфюмерной промышленности большое значение имеют два родственных терпенам
46
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 47 из 123
кетона, а именно a- и b-иононы. Они обладают запахом фиалок. Их смесь получают
синтетически альдольной конденсацией ацетона с цитралем (CH3)2C=CH-(CH2)2C(CH3)=CH-CH=O.
Полигидроксипроизводные
циклогексана.
Некоторые
природные
полигидроксициклогексаны в химическом отношении занимают среднее положение между
сахарами и таннинами (см. разд. IV-3.А.2, "Ароматические кислоты"). Выше уже упоминался
гексаатомный спирт инозит. Одна из неактивных форм, называемая мезо-инозитом, широко
распространена в растительных и животных тканях. Метиловые эфиры D- и L-форм
находятся соответственно в Pinus lambertiana и в коре квебрахо. Кверцит
(циклогексанпентол) встречается в правовращающей форме в желудях. Хининовые
алкалоиды находятся в хинной корке в соединении с хинной (1,3,4,5тетрагидроксициклогексанкарбоновой) кислотой. Эта кислота при дегидратации дает
шикимовую кислоту (3,4,5-D1-тригидроксициклогексенкарбоновую кислоту), которая
найдена
в
плодах
японского
звездчатого
аниса
(бадьяна).
7. Макроциклические системы. Алициклические соединения с большими, чем
циклогексан, кольцами встречаются редко и имеют относительно небольшое значение.
Исключениями являются очень большие кольца пахучих начал циветты и мускуса,
например:
Б.
БИЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
1. Бициклические терпены. Наиболее часто встречаются бициклические терпены, которые
можно рассматривать как производные следующих четырех углеводородов:
Можно заметить, что туйановая система включает метиленовый мостик. В пинане, каране и
камфане имеется изопропилиденовый мостик
Циклопропановые кольца в производных карана и туйана и циклобутановое кольцо в
производных пинана легко расщепляются сильными кислотами. Из группы туйана наиболее
широко распространен в различных эфирных маслах (например, в цейлонском кардамоне и
майоране) сабинен (D1(7)-туйен). Известны также два изомерных туйона (туйанона-2). Карен
(D1(6)-карен) содержится в индийском скипидаре (из сосны длиннохвойной Pinus longifolia);
карон (каранон-2) получен синтетически действием щелочи на 8-бромментанон-2
(дигидрокарвонгидробромид). a-Пинен (D1(6)) и b-пинен (D1(7)) являются главными
компонентами скипидара. a-Пинен легко окисляется кислородом воздуха с раскрытием
циклобутанового кольца. Разбавленные неорганические кислоты превращают его в терпин
(см. разд. IV-2.А.6). Присоединение хлороводорода дает неустойчивый пиненгидрохлорид
47
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 48 из 123
(1-хлорпинан), который быстро изомеризуется в борнилхлорид (2-хлоркамфан); эта реакция
играет ключевую роль в синтезе камфоры. Наиболее важным членом группы камфана
является камфора (камфанон-2). Она находится в японском камфарном масле в виде
правовращающей формы. Рацемическую форму получают из борнилхлорида обработкой
последнего щелочью. Образующийся при этом камфен при гидратации и окислении дает
камфору.
Камфора широко используется в производстве нитроцеллюлозы, целлулоида, бездымного
пороха и в медицине. Восстановление камфоры или гидратация камфена дают смесь
стереоизомерных спиртов - камфанолов-2 - борнеола и изоборнеола, каждый из которых
можно разделить на D- и L-формы. Обе формы борнеола встречаются в природе, например, в
Dryobalanops
camphora
и
розмариновом,
пихтовом
и
других
маслах.
Декалин и сесквитерпены. Декалиновая (декагидронафталиновая) система колец также
встречается в природных соединениях, в основном в сесквитерпенах, которые содержат 15
атомов углерода (тримеры изопрена).
Декалин может существовать в цис- и транс-формах, так как второе кольцо может быть
присоединено к первому двумя различными путями, каждый из которых ведет к
ненапряженному и неплоскому изомеру. Бициклические сесквитерпены являются
диметилизопропилдекалинами с двумя двойными связями. Как и терпены, они построены из
изопреновых единиц C5H8. Примером служит кадинен. Кадинен и a-эвдесмол из
эвкалиптового масла имеют следующую структуру:
В.
ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Наиболее важными полициклическими соединениями являются стероиды, в основе
структуры которых лежит скелет циклопентанопергидрофенантрена. Стероиды входят в
состав растительных и животных организмов. К стероидам относятся стерины (например,
холестерин), желчные кислоты (например, холевая кислота), половые гормоны (например,
эстрон, прогестерон, тестостерон), гормоны коры надпочечников (например, кортикостерон,
кортизон), сердечные гликозиды (например, дигитоксин). Трициклические системы
встречаются у сесквитерпенов (например, санталена) и дитерпенов (например, абиетиновой
кислоты).
Вопросы для самоконтроля:
1. Циклоалканы; общая формула, виды изомерии.
2. Понятие напряжения Байера и Питцера.
3. Химические свойства циклопарафинов.
48
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 49 из 123
4. Состав циклоалканов отражает общая формула
5. Сколько структурных изомеров циклоалканов соответствует молекулярной формуле
С5Н10?
6. Сколько пространственных изомеров имеет 1,2-диметилциклопропан?
7. С какими реагентами взаимодействуют:
а) циклопропан; б) циклогексан?
8. Какие соединения образуются в реакции хлорирования:
а) циклопропана; б) циклогексана?
9. Какие соединения образуются при действии металлического натрия на следующие
вещества:
а) 1,4-дихлорпентан;
б) 2,4-дибром-3-метилпентан?
Рекомендуемая литература:
1. ФизерЛ., ФизерМ., Органическая химия. Углубленный курс, пер. с англ., 2 изд., т. 2, М.,
1970, гл. 15;
2. Общая органическая химия, пер. с англ., т. I, ч. 2, М., 1981., Л. И. Беленький.
Лекция №6-7.
Тема: Углеводороды ряда бензола, их классификация.
1. Бензол, ароматичность, структурное и электронное строение, структурная изомерия.
2. Правило ароматичности Хюккеля.
3. Химические свойства бензола.
4. Механизм реакции SЕ2.
Краткое содержание:
 Арены или ароматические углеводороды – это соединения, молекулы которых
содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой
системой сопряженных связей.
Простейшие представители (одноядерные арены):
Многоядерные арены: нафталин С10Н8, антрацен С14Н10 и др.
Термин "ароматические соединения" возник давно в связи с тем, что некоторые
представители этого ряда веществ имеют приятный запах. Однако в настоящее время в
понятие "ароматичность" вкладывается совершенно иной смысл.
Ароматичность молекулы означает ее повышенную устойчивость, обусловленную
делокализацией π-электронов в циклической системе.
49
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 50 из 123
Критерии ароматичности аренов:
1. Атомы углерода в sp2-гибридизованном состоянии образуют циклическую систему.
2. Атомы углерода располагаются в одной плоскости (цикл имеет плоское строение).
3. Замкнутая
система
сопряженных
связей
содержит
4n+2 π-электронов (n – целое число).
Этим критериям полностью соответствует молекула бензола С6Н6.
Бензол
С6Н6
–
родоначальник
ароматических
углеводородов.
Каждый из шести атомов углерода в его молекуле находится в
состоянии sp2-гибридизации (часть I, раздел 4.3.2) и связан с двумя
соседними атомами углерода и атомом водорода тремя σ-связями.
Валентные углы между каждой парой πобразом, скелет σ-связей представляет собой правильный
шестиугольник, в котором все атомы углерода и все σ-связи С–С и С–
Н лежат в одной плоскости:
р-Электроны всех атомов углерода взаимодействуют между собой путем бокового
перекрывания соседних 2р-АО, расположенных перпендикулярно плоскости σ-скелета
бензольного кольца. Они образуют единое циклическое π-электронное облако,
сосредоточенное над и под плоскостью кольца.
Все связи С–С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм, что соответствует
промежуточному значению между длиной простой связи (0,154 нм) и двойной (0,134 нм).
Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет чисто простых и
двойных связей (как в формуле, предложенной в 1865 г. немецким химиком Ф.Кекуле), а все
они выровнены (делокализованы, см. анимацию). Поэтому структурную формулу бензола
изображают в виде правильного шестиугольника (σ-скелет) и кружка внутри него,
обозначающего делокализованные π-связи:
50
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 51 из 123
Формула Кекуле также нередко используется, но при этом учитывается, что она лишь
условно передает строение молекулы.
Гомологи бензола – соединения, образованные заменой одного или нескольких атомов
водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы (R):
Общая формула гомологического ряда бензола CnH2n-6 (n ≥ 6).
Номенклатура. Широко используются тривиальные названия (толуол, ксилол, кумол и т.п.).
Систематические названия строят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова
бензол (корень):
Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в
кольце, с которыми они связаны. Нумерацию кольца проводят так, чтобы номера радикалов
были наименьшими. Например:
Для дизамещенных бензолов R-C6H4-R используется также и другой способ построения
названий, при котором положение заместителей указывают перед тривиальным названием
соединения
приставками:
орто- (о-) заместители у соседних атомов углерода кольца, т.е. 1,2-;
мета(м-)
заместители
через
один
атом
углерода
(1,3-);
пара- (п-) заместители на противоположных сторонах кольца (1,4-).
51
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 52 из 123
Ароматические одновалентные радикалы имеют общее название "арил". Из них наиболее
распространены в номенклатуре органических соединений два: C6H5- (фенил) и C6H5CH2(бензил).
Изомерия
(структурная):
1) положения заместителей для ди-, три- и тетра-замещенных бензолов (например, о-, м- и пксилолы);
2) углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее 3-х атомов углерода:
3) изомерия заместителей R, начиная с R = С2Н5.
Например,
молекулярной
формуле
С8Н10
соответствуют
4
изомера:
три ксилола CH3-C6H4-CH3 (о-, м-, п-) и этилбензол C6H5-C2H5.
Пространственная изомерия относительно бензольного кольца в алкилбензолах отсутствует.
Свойства аренов
Физические свойства. Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкие вещества
(см. табл.), нерастворимые в воде, но хорошо растворяющиеся во многих органических
жидкостях. Легче воды. Огнеопасны. Бензол токсичен (поражает почки, печень, костный
мозг, кровь).
Физические
свойства
аренов
По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов.
Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. Делокализация шести πэлектронов в циклической системе понижает энергию молекулы, что обусловливает
повышенную устойчивость (ароматичность) бензола и его гомологов.
Поэтому арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, которые ведут
к
нарушению
ароматичности.
52
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 53 из 123
Для аренов более характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а
именно, реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом.
-электронной плотности с двух сторон плоского
ароматического цикла ведет к тому, что бензольное кольцо является нуклеофилом и в связи с
этим склонно подвергаться атаке электрофильным реагентом. Таким образом, для
ароматических соединений наиболее типичны реакции электрофильного замещения.
Механизм
электрофильного
замещения
обозначается
символом
SЕ
(по первым буквам английских терминов: S – substitution [замещение],
E – electrophil [электрофил]).
Другие реакции (присоединение, окисление), в которых участвуют делокализованные
углерод-углеродные связи бензольного кольца и нарушается его ароматичность, идут с
трудом.
Реакции замещения в бензольном кольце
Механизм реакций – электрофильное замещение.
1. Галогенирование
Замещение атома водорода в бензольном кольце на галоген происходитв присутствии
катализаторов AlCl3, AlBr3, FeCl3 и т.п. (кислот Льюиса):
2. Нитрование
Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесью концентрированныхазотной и серной
кислот):
3. Алкилирование
Замещение атома водорода в бензольном кольце на алкильную группу(алкилирование)
происходит под действием алкилгалогенидов (реакция Фриделя-Крафтса) или алкенов в
присутствии катализаторов AlCl3, AlBr3, FeCl3 (кислот Льюиса).
53
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 54 из 123
Замещение в алкилбензолах
Гомологи бензола (алкилбензолы) более активно вступают в реакции замещения по
сравнению с бензолом.
Например, при нитровании толуола С6Н5CH3 может происходить замещение не одного, а
трех атомов водорода с образованием 2,4,6-тринитротолуола:
Здесь ярко проявляется взаимное влияние атомов в молекуле на реакционную способность
вещества. С одной стороны, метильная группа СH3 (за счет +I-эффекта) повышает
электронную плотность в бензольном кольце в положениях 2, 4 и 6:
и облегчает замещение именно в этих положениях.
Взаимное влияние атомов определяет направление реакций электрофильного замещения в
гомологах бензола и его производных – правила ориентации.
54
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 55 из 123
С другой стороны, под влиянием бензольного кольца метильная группа СH3 в толуоле
становится более активной в реакциях окисления и радикального замещения по сравнению с
метаном СH4
Толуол, в отличие от метана, окисляется в мягких условиях (обесцвечивает подкисленный
раствор KMnO4 при нагревании):
Легче, чем в алканах, протекают реакции радикального замещения в боковой цепи
алкилбензолов:
Это объясняется тем, что на лимитирующей стадии легко (при невысокой энергии
активации) образуются устойчивые промежуточные радикалы. Например, в случае толуола
образуется радикал бензил ĊH2-C6H5. Он более стабилен, чем алкильные свободные
радикалы (ĊН3, ĊH2R), т.к. его неспаренный электрон делокализован за счет взаимодействия
с π-электронной системой бензольного кольца:
Реакции присоединения к аренам
В реакции присоединения, приводящие к разрушению ароматической структуры
бензольного кольца, арены могут вступать с большим трудом.
1. Гидрирование
Присоединение водорода к бензолу и его гомологам происходит при повышенной
температуре и давлении в присутствии металлических катализаторов.
55
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 56 из 123
Эта реакция является обратной образованию бензола при дегидрировании
циклогексана (раздел 3.2).
2. Радикальное
хлорирование
аренов
В условиях радикальных реакций (ультрафиолетовое облучение, повышенная
температура) возможно присоединение галогенов к ароматическим соединениям. При
радикальном хлорировании бензола получен "гексахлоран" (средство борьбы с
вредными насекомыми).
Применение гексахлорана в настоящее время запрещено из-за его токсичности для
человека и животных.
Заметим, что в случае гомологов бензола более легко происходит реакция
радикального замещения атомов водорода в боковой цепи (раздел 7.3.2):
Реакции окисления аренов
Бензол не окисляется даже под действием сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и т.п.).
Поэтому он часто используется как инертный растворитель при проведении реакций
окисления других органических соединений.
В отличие от бензола его гомологи окисляются довольно легко.
1. При действии раствора KMnO4 в кислой среде и нагревании в гомологах бензола
окислению подвергаются только боковые цепи:
56
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 57 из 123
Окисление других гомологов (этилбензол, пропилбензол и т.д.) также приводит к
образованию бензойной кислоты. Разрыв связи при этом происходит между двумя
ближайшими к кольцу атомами углерода в боковой цепи.
Алкильные группы в алкилбензолах окисляются легче, чем алканы. Это объясняется
влиянием бензольного кольца на атомы в боковой цепи.
2. Бензол и его гомологи на воздухе горят коптящим пламенем, что обусловлено
высоким содержанием углерода в их молекулах:
Бензол и его летучие гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные
смеси.
Основными природными источниками ароматических углеводородов являются
каменный уголь и нефть.
1. При коксовании каменного угля образуется каменноугольная смола, из которой
выделяют бензол, толуол, ксилолы, нафталин и многие другие органические
соединения.
2. Ароматизация нефти:
а) дегидроциклизация (дегидрирование и циклизация) алканов, содержащих в
основной цепи не менее 6 атомов углерода, при нагревании в присутствии
катализатора
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие из приведенных на рисунке структур соответствуют бензолу?
2.Какой тип гибридизации характерен для атомов углерода в молекуле бензола?
3. Какие арены изомерны друг другу:
57
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
а)
б)
в)
г)
д)
е) изопропилбензол ?
4. В цепи превращений веществом Z является . . .
стр. 58 из 123
орто-ксилол;
этилбензол;
метилбензол;
1-метил-3-этилбензол;
мета-ксилол;
При взаимодействии толуола (1 моль) с бромом (1 моль) образуются:
а) орто-бромтолуол; б) мета-бромтолуол;
в) пара-бромтолуол; г) 2,3,5-трибромтолуол;
Какое вещество из образующихся в приведенной схеме превращений (X, Y или Z)
используется как средство борьбы с вредными насекомыми?
Укажите, какие реагенты необходимы для осуществления следующих превращений:
Массовая доля выхода бензола при тримеризации ацетилена составляет 42%. Чему
равна масса ацетилена, необходимого для получения бензола количеством вещества
1 моль?
Рекомендуемая литература:
3. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
4. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция №8.
Тема: Бензол и его алкилзамещённые производные.
1. Номенклатура. Изомерия ди- и тризамещённых бензола.
2. Толуол; электронное строение (+Ι, +М-эффекты), резонансные структуры.
3. Свойства алкилбензолов.
4. Электрофильное замещение.
Краткое содержание:
58
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 59 из 123
Объяснение ароматичности
Ранние представления
Бензол и его гомологи обладали свойствами, которые невозможно было объяснить формулой
Кекуле. Предпринимались попытки предложить другие структурные формулы, однако ни
одна из них не объясняла всех наблюдаемых свойств ароматических соединений.
Метод молекулярных орбиталей Хюккеля
В 1930-х годах Хюккелем впервые были применены методы квантовой механики для
объяснения необычных свойств ароматических соединений. В то время отсутствовали ЭВМ,
способные находить решения уравнения Шредингера для сложных систем. В связи с этим
важной задачей являлась разработка упрощенных методов решения подобных задач.
В МОХ π-электронная система молекулы рассматривается независимо от σ-каркаса, что
существенно упрощает всю задачу в целом
Критерии ароматичности
Существуют несколько критериев, по которым молекула может быть отнесена к
ароматическим.
Правило Хюккеля
Ароматическими являются молекулы, подчиняющиеся правилу Хюккеля: ароматической
является плоская моноциклическая сопряженная система, содержащая (4n + 2)π-электронов
(где n = 0,1,2…). Это правило выводится непосредственно из квантово-химических
вычислений МОХ.
Современные представления
В современной физической органической химии выработано общая формулировка критерия
ароматичности. Ненасыщенная циклическая или полициклическая диатропная молекула или
ион может рассматриваться как ароматическая, если все атомы цикла входят в полностью
сопряженную систему таким образом, что в основном состоянии все π-электроны
располагаются только на связывающих молекулярных орбиталях аннулярной (замкнутой)
оболочки.
Ароматические соединения
Кроме бензольного кольца и его конденсированных аналогов ароматические свойства
проявляют многие гетероциклы: пиррол, фуран, тиофен, пиридин, индол, оксазол и другие.
При этом в шестичленные циклы гетероатом отдает свои валентные электроны, а в 5атомных — неподеленную электронную пару.
Одним из простейших ароматических соединений является бензол. Эти соединения играют
большую роль в органической химии и обладают многими химическими свойствами,
свойственными только этому классу соединений.
Ароматизация — образование ароматических углеводородов из соединений других классов.
Процессы ароматизации протекают также в условиях биохимического синтеза в растениях,
животных и микроорганизмах. В промышленности широко применяют процессы
ароматизации продуктов переработки нефти для увеличения содержания в них
ароматических углеводородов. II. Понятие ароматичности
Оценка энергии молекулы бензола путем определения теплоты гидрирования показывает,
что последняя составляет 206 кДж/моль, что существенно меньше, чем утроенное значение
теплоты гидрирования изолированной двойной связи циклогексена (119 кДж/моль х 3 = 357
кДж/моль). Отсюда следует, что молекула бензола обладает меньшей энергией, чем ее
следовало бы ожидать для циклогексатриена. Разность указанных значений составляет (357206) = ~ 150 кДж/моль и называется энергией стабилизации, энергией делокализации или
энергией резонанса.
Очевидно, делокализация -электронов в бензольном кольце, приводящая к неразличимости
-связей, дает выигрыш энергии по сравнению с состоянием, когда эти связи локализованы.
Реакции, приводящие к нарушению системы -связей, приводят к потере этого выигрыша и
59
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 60 из 123
поэтому затруднены. Этим и объясняется устойчивость бензола к действию большинства
восстановителей, окислителей и электрофильных реагентов.
Таким образом, ароматичность можно определить как особую стабилизацию
делокализованной циклической -cистемы.
II.1.Концепция ароматичности Хюккеля
Устойчивость соединения к действию окислителей или других электрофильных реагентов
зависит от реакционной способности последних и особенностей строения субстрата. В связи
с этом долгое время понятие ароматичности формулировалось не всегда однозначно. В 1931
году на основании представлений квантовой механики Э.Хюккель дал определение,
позволяющее производить отнесение той или иной системы к ароматическим.
Правило Хюккеля: ароматической является плоская моноциклическая сопряженная
система, содержащая (4n + 2) -электронов (где n = 0,1,2...). Так, для бензола число электронов равно 6; таким образом он удовлетворяет Хюккелевскому критерию
атоматичности (n = 1). Число (4n + 2) называется Хюккелевским числом электронов.
Следует отметить, что в образовании сопряженной системы электронов могут участвовать не
только -электроны, но и неподеленная электронная пара или пустая р-орбиталь,
следовательно, ароматическими могут быть не только нейтральные, но и заряженные
частицы - катионы и анионы. Так, были получены устойчивые катион тропилия и анион
циклопентадиенилия:
Нетрудно видеть, что число -электронов в обеих этих системах равно шести, как и в случае
бензола (4n+2; n = 1).
Чтобы лучше понять причины большей устойчивости бензола по сравнению с другими
непредельными системами, рассмотрим его с позиции теории молекулярных орбиталей. При
этом будем учитывать только валентные р-электроны, находящиеся на молекулярных орбиталях.
В теории молекулярных орбиталей предполагается, что электроны в молекуле принадлежат
не отдельным атомам, и не отдельной химической связи, а всей молекуле. Уровни энергии,
на которых располагаются электроны, называются молекулярными орбиталями (МО).
Каждая молекула имеет определенное количество МО (определяемое числом и природой
атомов, входящих в состав молекулы), которые могут быть свободными или занятыми.
Заполнение орбиталей электронами происходит, начиная с наиболее низкой по энергии МО;
на каждой орбитали может находиться не более двух электронов; два электрона,
находящиеся на одной орбитали, имеют антипараллельные (противоположно направленные)
спины.
Молекулярные орбитали делятся на связывающие, несвязывающие и антисвязывающие
(разрыхляющие). Если заполнение орбитали энергетически выгодно (то есть энергия
молекулы понижается при помещении электрона на данную орбиталь), то такая МО
называется связывающей; если, наоборот - заполнение орбитали энергетически невыгодно
(то есть энергия молекулы повышается при помещении электрона на данную орбиталь), то
это антисвязывающая МО; если же при заполнении орбитали нет ни выигрыша, ни
проигрыша в энергии, говорят о несвязывающей МО. Таким образом, оценив характер
заполненных МО, можно судить об устойчивости молекулы.
60
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 61 из 123
Cогласно теории МО, шесть атомных р-орбиталей атомов углерода комбинируются с
образованием шести молекулярных -орбиталей, из которых три связывающие, а три разрыхдя.щие. На рисунке ниже показаны симметрия и узловые свойства молекулярных орбиталей бензола. Связывающая МО 1 c самой низкой энергией не имеет узлов и
охватывает все шесть атомов углерода. За ней следуют две вырожденные по энергии
связыывающие МО 2 и 3, каждая из которых имеет по одному узлу. Узел на орбитали 2
перпендикулярен узлу на орбитали 3. Так как в бензоле имеется шесть -электронов, каждая
из связывающих МО 1, 2 и 3 занята парой электронов с противоположными спинами.
Остальные три МО бензола - 4*, 5* и 6* - разрыхляющие орбитали, вакантные в основном
состоянии. Орбитали 4* и 5* вырождены и имеют по два узла; орбиталь 6* имеет три узла.
Для оценки устойчивости циклических полностью сопряженных полиенов удобно
пользоваться простым мнемоническим приемом, известным под названием круг Фроста.
Для этого правильный многоугольник, с числом углов, равным количесву атомов углерода в
цикле, вписывают в круг таким образом, чтобы одна из вершин находилась в самой низшей
точке круга. Точки, в которых вершины многоугольника касаются круга, считают уровнями
энергии молекулярных -орбиталей. При этом оценка уровней энергии -орбиталей сводится
к решению простой чисто геометрической задачи.
Горизонтальный диаметр обозначает несвязывающий уровень; орбитали, расположенные
ниже горизонтального диаметра - связывающие, а расположенные выше антисвязывающиеИспользуем этот подход для оценки прочности бензола и циклобутадиена систем плоских и сопряженных. На рисунке ниже приведены соответствующие диаграммы
уровней энергий их -орбиталей.
Как видно из рисунка, в случае бензола все шесть -электронов располагаются попарно на
трех связывающих орбиталях. Три антисвязывающие орбитали бензола в основном
электронном состоянии не заняты электронами. Такая система устойчива В случае же
циклобутадиена из четырех
-электронов на связывающей орбитали могут быть
61
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 62 из 123
расположены только два электрона, два же других должны оказаться на несвязывающей
орбитали, точнее (по правилу Гунда) - по одному на обеих несвязывающих. Таким образом,
циклобутадиен должен представлять собой бирадикал, то есть быть весьма неустойчивым,
что и наблюдается на практике (см. раздел II.2).
Аналогично, графическим методом может быть проведена оценка устойчивости других
нейтральных и заряженных циклических сопряженных полиенов.
IV. Реакции ароматических углеводородов
Наиболее характерны для ароматических углеводородов реакции замещения. При этом в
результате реакций не происходит разрушения ароматического секстета электронов.
Известны также многочисленные примеры реакций радикального галогенирования и
окисления боковых цепей алкилбензолов. Процессы, в которых разрушается стабильная
ароматическая система, мало характерны
Критерии ароматичности
Ранее отмечалось, что ароматичность представляет собой особую стабилизацию
делокализованной циклической -системы, содержащей (4n+2) -электронов (раздел II.1).
Однако, вывод об особой стабилизации этих циклических систем требует определенных
экспериментальных доказательств.
Критериями ароматичности должны быть характеристики, описывающие основное
состояние вещества. нельзя использовать данные по реакционной способности, поскольку
реакционная способность зависит не только от энергии основного состояния, но и от
энергии переходного состояния. Кроме того, механизм реакции может включать несколько
стадий, каждая из которых характеризуется своей энергией переходного состояния. Наконец,
механизм одной и той же реакции может различаться для различных классов ароматических
соединений.
Наиболее надежны физические критерии ароматичности. Важнейшими из них являются
термодинамические, магнитные и структурные свойства сопряженных циклических
полиенов.
Термодинамические свойства. Выигрыш энергии за счет делокализации -электронов по
замкнутой цепи является необходимым и достаточным условием ароматичности и может
служить надежным критерием при количественной оценке ароматичности (см. введение к
разделу II - энергия делокализации). Главная трудность использования этого метода
заключается в необходимости сопоставления энергии реального ароматического соединения
с энергией гипотетической несуществующей циклической молекулы, имеющей
локализованные простые и двойные связи.
Энергия делокализации нафталина, определенная, как и в случае бензола, из теплот
гидрирования, составляет 255 кДж/моль, т.е. меньше, чем для двух изолированных
бензольных ядер (150 кДж/моль х 2 = 300 кДж/моль). Аналогичная ситуация наблюдается и
для других конденсированных ароматических соединений - энергия их стабилизации всегда
меньше суммы энергий стабилизации соответствующего количества изолированных молекул
бензола.
При использовании в качестве критерия ароматичности энергии делокализации возникает
две проблемы. 1. Неопределенность в оценке теплоты образования гипотетического
циклического полиена. Решение этой проблемы состоит в разумном выборе модельных
соединений. Для того, чтобы избежать неопределенности при расчете энергии
гипотетических циклических полиенов как объектов сравнения, решено было заменить их
реальными ациклическими полиенами с открытой цепью. 2. Корректная оценка вкладов
сжатия -связей и -делокализации в значение общей энергии делокализации. Наиболее
точными здесь являются характеристики, получаемые в результате квантовохимических
расчетов. Для расчета теплот атомизации (теплот, необходимых для фрагментации на
отдельные атомы) сопряженных циклических полиенов был использован специальный
квантовохимический метод, а для расчета теплот атомизации линейных полиенов 62
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 63 из 123
суммирование энергий простых и двойных С-С-связей, постоянных для ациклических
полиенов. Разность теплот атомизации сопряженного циклического полиена и
ациклического полиена называют энергией резонанса Дьюара. Деление на число электронов дает величину энергии резонанса в пересчете на один электрон - REPE.
Структурные критерии. Ароматические соединения отличаются от неароматических
особой геометрией молекулы. Для них характерна тенденция к расположению всех атомов
ароматического цикла в одной плоскости и выравнивание длин связей в ароматической
цикле. Поскольку в настоящее время существуют надежные экспериментальные методы
определения геометрических параметров молекулы (рентгеноструктурный анализ,
исследование дифракции электронов и нейтронов), копланарность и степень выравниваниия
связей могут быть использованы в качестве критериев ароматичности.
Отметим, что полная эквивалентность длин связей наблюдается только в бензоле и
моноциклических ионах С3Н3+, С5Н5-, С7Н7+; для всех остальных карбоциклических и
гетероциклических соединений углерод-углеродные связи различаются по длине и могут
быть как длиннее, так и короче, чем в бензоле. (Так, например, в нафталине связь С(1)-С(2)
укорочена до 1.375 А, а связь С(2)-С(3) удлинена до 1.41 А по сравнению с бензолом, так же
как и связь С(1)-С(9) - 1.42 А. Тем не менее, между ароматическими и неароматическими
полиенами наблюдается отчетливо выраженное различие: в неароматических соединениях
наблюдается альтернирование (чередование) двойных и одинарных связей, тогда как для
ароматических соединений характерно отсутствие альтернирования длин связей. Это в
равной мере характерно как для ароматических аннуленов, так и для конденсированных
углеводородов.
Магнитные критерии. Наиболее простым и надежным метдом определения ароматичности
является определение положения сигналов протонов сопряженного циклического полиена в
спектрах ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Метод основан на том, что в ароматических
соединениях при облучении внешним магнитным полем индуцируют диамагнитный
кольцевой ток, который в свою очередь, вызывает возникновение внутреннего локального
магнитного поля, направленного противоположно внешнему магнитному полю. Это
локальное магнитное поле усиливает внешнее магнитное поле снаружи ароматического
кольца и направлено против него внутри кольца:
Рис. 1. Силовые линии магнитного поля бензола. (Но - внешнее магнитное поле)
В результате все внешние протоны ароматического кольца дезэкранируются, и их сигналы
смещаются в область более слабого поля, что можно наблюдать на ЯМР-спектре. Такая
диамагнитная анизотропия кольца служит удобным качественным критерием для
определения ароматичности доступным методом спектроскопии ЯМР.
Получение ароматических углеводородов
Главным источником ароматических углеводородов являются нефть и каменный уголь. В
основе промышленного получения ароматических углеводородов лежат реакции
дегидрирования циклоалканов и дегидроциклизации алканов - каталитический риформинг
нефти. Катализатором обычно является платина, нанесенная на окись алюминия высокой
степени чистоты.
В этих условиях ароматические углеводороды получаются в результате трех основных типов
реакций:
1) дегидрирование циклогексана и его гомологов, например:
63
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 64 из 123
2) дегидроизомеризация гомологов циклопентана, например:
3) дегидроциклизация алканов, имеющих шесть и более атомов углерода, например:
В настоящее время около 90% бензола и его гомологов получают в промышленности в
результате каталитического риформинга нефти.
Важный источник ароматических соединений - коксование каменного угля. При коксовании
каменного угля образуется кокс (75% от массы угля), коксовый газ (300 м3 на одну тонну
угля) и каменноугольная смола (2-4% от массы угля). Коксовый газ содержит 30-40 г/м3
аренов - бензола, толуола и ксилолов. Из каменноугольной смолы фракционной перегонкой
выделяют целый ряд органических соединений:
Температура перегонки,
о
С
Перегоняющиеся вещества
80-170
бензол, толуол, ксилолы, этилбензол, мезитилен,
стирол, пиридин
170-250
нафталин, 1- и 2-метилнафталины, бифенил, фенол,
крезолы и др.
270-300
антрацен,
фенантрен,
тетрацен,
аценафтен,
флуорен; различные гетероциклы - индол, хинолин,
изохинолин и др.
Наболее общим методом получения алкилбензолов является алкилирование бензола по
Фриделю-Крафтсу с помощью алкилгалогенидов, спиртов или алкенов:
Другим классическим способом синтеза алкилбензолов является реакция Вюрца-Фиттига
(1864 год) - конденсация смеси алкилгалогенида и арилгалогенида под действием
металлического натрия:
Алкилбензолы могут быть также получены при восстановлении жирноароматических
кетонов амальгамированным цинком по Клемменсену:
Ar-C(O)-Alk + Zn(Hg) + HCl Ar-CH2-Alk
Вопросы для самоконтроля:
1. Номенклатура. Изомерия ди- и тризамещённых бензола.
2. Толуол; электронное строение (+Ι, +М-эффекты), резонансные структуры.
3. Свойства алкилбензолов.
4. Электрофильное замещение.
64
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 65 из 123
Рекомендуемая литература:
 Реутов О.А. Органическая химия. — М.: Изд-во МГУ, 1999. — Т. 2. — 624 с.
 Агрономов А.Е. Избранные главы органической химии. — 2-е. — Москва: Химия,
1990. — 560 с.
 Горелик М.В. Современное состояние проблемы ароматичности // Успехи химии. —
1990. — Т. 59. — № 2. — С. 197-228.
Лекция №9-12. Правила ориентации для реакций электрофильного замещения в
бензольном кольце.
1. Заместители первого рода.
2. Особенности атомов галогенов.
3.Заместители второго рода.
4. Согласованная и несогласованная ориентация.
Краткое содержание:
Электрофильное ароматическое замещение (SEAr)
А. Механизм SEAr (Substitution Electrophilic in Arenes)
Электрофильное замещение в ароматическом ядре является одной из наиболее хорошо
изученных и широко распространенных органических реакций. Чаще всего, конечным
результатом электрофильного замещения является замещение атома водорода в
ароматическом ядре на другой атом или группу атомов:
Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре (как и реакции электрофильного
присоединения к С=С связи) начинаются с образования -комплекса - электрофильный
агент координируется с молекулой бензола за счет -электронной системы последнего:
В бензольном ядре -система, будучи устойчивой (энергия стабилизации; см. раздел II), не
нарушается столь легко, как в алкенах. Поэтому соответствующий -комплекс может быть не
только зафиксирован с помощью физико-химических методов, но и выделен
Как правило, стадия образования -комплекса протекает быстро и не лимитирует скорости
всего процесса.
Далее ароматическая система нарушается, и возникает ковалентная связь электрофила с
атомом углерода бензольного ядра. При этом -комплекс превращается в карбокатион
(карбениевый ион), в котором положительный заряд делокализован в диеновой системе, а
атакованный электрофилом атом углерода переходит из sp2- в sp3-гибридное состояние.
Такой катион называется -комплексом. Как правило, стадия образования -комплекса
является скорость определяющей. Делокализация положительного заряда в -комплексе
осуществляется не равномерно между пятью атомами углерода, а за счет 2,4,6-положений
бензольного кольца (ср. с аллильным катионом, где положительный заряд распределен
между 1,3-положениями):
65
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 66 из 123
При электрофильном присоединении к алкенам также сначала образуется -комплекс,
переходящий затем в -комплекс, однако дальнейшая судьба -комплекса в случае
электрофильных реакций алкенов и аренов различна. -Комплекс, образующийся из алкенов,
стабилизируется за счет транс-присоединения нуклеофила; -комплекс, формирующийся из
ароматической системы, стабилизируется с регенерацией ароматического секстета электронов:
Таким образом, наиболее типичная схема реакции ароматического электрофильного
замещения такова:
Ниже приведен энергетический профиль такой реакции
соответствующей стадии):
(Еа - энергия активации
Еще раз подчеркнем, что реакции SЕAr, по результату представляющие собой замещение, на
самом деле по механизму являются реакциями присоединения с последующим
отщеплением.
Б. Ориентация присоединения в монозамещенных бензолах
При рассмотрении реакций электрофильного замещения в монозамещенных бензолах
возникает две проблемы: 1. Новый заместитель может вступать в орто-, мета- или параположения, а также замещать уже имеющийся заместитель (последнее, так называемое ипсозамещение
,
менее
распространено
см.
раздел
IV.1.Д
(нитрование).
2. Скорость замещения может быть больше или меньше скорости замещения в бензоле.
Влияние имеющегося в бензольном кольце заместителя можно объяснить исходя из его
электронных эффектов. По этому признаку заместители можно разделить на 3 основных
группы:
1. Заместители, ускоряющие реакцию по сравнению с незамещенным бензолом
(активирующие) и направляющие замещение в орто,-пара- положения.
2. Заместители, замедляющие реакцию (дезактивирующие) и направляющие замещение в
орто,-пара- положения.
66
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 67 из 123
3. Заместители, замедляющие реакцию (дезактивирующие) и направляющие замещение в
мета- положения.
Заместители, отмеченные в п.п. 1,2 (орто-,пара-ориентанты) называются заместителями Iго рода ; отмеченные в п.3 (мета-ориентанты) - заместителями II-го рода . Ниже
приведено отнесение обычно встречающихся заместителей в соотвествие с их электронными
эффектами.
Ориентанты I-го рода (орто-, пара-)
Ориентанты
(мета-)
II-го
рода
активирующие
дезактивирующие
дезактивирующие
Все алкильные группы; СH2Hal, -OH, -OR, -O-, OC(O)R,
-NH2,
-NHR,
-NR2,
NHC(O)R
Галогены: F, Cl, Br, I
-CHHal2, -СHal3, -N+R3, C(O)H, -C(O)R, -CN, SO3H, C(O)OH,
-C(O)OR, NO2
Очевидно, что электрофильное замещение будет происходить тем быстрее, чем более
электронодонорным является заместитель в ядре, и тем медленнее, чем более
электроноакцепторным является заместитель в ядре.
Для объяснения ориентации замещения рассмотрим строение -комплексов при атаке в
орто-, мета- и пара-положения монозамещенного бензола (как уже отмечалось, образование
-комплексов обычно является скоростьопределяющей стадией электрофильного замещения;
cледовательно, легкость их образования должна определять легкость протекания замещения
в данное положение):
Если группа Z - донор электронов (неважно, индуктивный или мезомерный), то при ортоили пара-атаке она может принимать непосредственное участие в делокализации
положительного заряда в -комплексе (структуры III, IV, VI, VII). Если же Z - акцептор
электронов, то указанные структуры будут энергетически невыгодными (из-за наличия
частичного положительного заряда на атоме углерода, связанном с электроноакцепторным
заместителем) и в этом случае оказывается предпочтительной мета-атака, при которой не
возникает таких структур.
Приведенное выше объяснение дано на основании так называемого динамического
эффекта , т.е. распределения электронной плотности в реагирующей молекуле. Ориентацию
электрофильного замещения в монозамещенных бензолах можно объяснить и с позиции
статических электронных эффектов - распределения электронной плотности в
нереагирующей молекуле. При рассмотрении смещения электронной плотности по кратным
67
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 68 из 123
связям можно заметить, что при наличии электронодонорного заместителя более всего
повышена электронная плотность в орто- и пара- положениях, а при наличии
электроноакцепторного заместителя эти положения наиболее обеднены электронами:
Особый случай представляют собой галогены - будучи заместителями в бензольном ядре,
они дезактивируют его в реакциях электрофильного замещения, однако являются орто-,
пара-ориентантами. Дезактивация (снижение скорости реакции с электрофилами) связана с
тем, что, в отличие других группировок с неподеленными электронными парами (таких как OH, -NH2 и т.п.), обладающих положительным мезомерным (+М) и отрицательным
индуктивным эффектом (-I), для галогенов характерно преобладание индуктивного эффекта
над мезомерным (+М< -I).
В то же время, атомы галогенов являются орто,пара-ориентантами, поскольку способны за
счет положительного мезомерного эффекта участвовать в делокализации положительного
заряда в -комплексе, образующемся при орто- или пара- атаке (структуры IV, VII в
приведенной выше схеме), и тем самым снижают энергию его образования.
Если в бензольном ядре имеется не один, а два заместителя, то их ориентирующее действие
может совпадать (согласованная ориентация) или не совпадать (несогласованная
ориентация). В первом случае можно рассчитывать на преимущественное образование
каких-то определенных изомеров, а во втором будут получаться сложные смеси.
Ниже приведены некоторые примеры согласованной ориентации двух заместителей; место
преимущественного вступления третьего заместителя показано стрелкой.
Вопросы для самоконтроля:
1. Изобразите диаграмму потенциальной энергии для реакции электрофильного
ароматического замещения, в которой медленной стадией является образование
-комплекса
(например,
нитрование
бензола
борфторидом
нитрония;
см. раздел IV.1.A).
2. Какой продукт преимущственно образуется при бромировании: а)пара-нитротолуола; б)
мета-нитробензолсульфокислоты; в) орто-нитрофенола.
3. Адреналин (1-(3',4'-дигидроксифенил)-2-метиламиноэтанол)- первый гормон, выделенный
из мозгового вещества надпочечников, в настоящее время синтезируюют в три стадии из
пирокатехина. Напишите уравнение первой стадии этого синтеза - реакции ацилирования
пирокатехина (1,2-дигидроксибензола) хлорангидридом хлоруксусной киcлоты и объясните
механизм).
4. Одной их качественных реакций на белки является ксантопротеиновая реакция,
указывающая на присутствие ароматических -аминокислот. Она заключается в обработке
белка азотной кислотой при нагревании. Напишите уравнение ксантопротеиновой реакции с
тирозином образовавшимся в результате
68
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 69 из 123
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция №13-14. Галогено- , сульфо- и нитропроизводные бензольного ряда.
1. Арилгалогениды. Галогенирование в ядро. Хлорирование толуола.
2. Хлорирование в боковую цепь.
3. Механизмы реакций SN1 и SN2. в соединениях с активированным и неактивированным
атомом галогена.
4. Хлорирование и нитрование арилгалогенидов по механизму SЕ2.
Краткое содержание:
Нуклеофильное ароматическое замещение
Нуклеофильная атака незамещенного бензольного ядра протекает гораздо с большим
трудом, чем электрофильная. Это связано с тем, что -электронное облако ядра отталкивает
приближающийся нуклеофил; кроме того, -система бензольного ядра гораздо менее
способна к делокализации (а, следовательно, к стабилизации) двух лишних электронов, чем к
делокализации положительного заряда в -комплексе при электрофильном замещении (см.
табл. в разделе IV.1.Б).
Нуклеофильное замещение значительно облегчается, если в бензольном ядре присутствует
достаточно сильный электроноакцепторный заместитель. Таким образом, заместители,
дезактивирующие арены к электрофильному замещению (см. табл. на с. ), активируют
его к нуклеофильному замещению, и наоборот.
При нуклеофильной реакции заместитель Х отщепляется вместе со связывающей парой
электронов:
Поэтому существенно, какую частицу он может при этом образовать: незаряженную
молекулу, энергетически бедный или энергетически богатый ион. Так, легко протекает
замещение галогена ( галогенид-анион), сульфо-группы ( сульфит- или гидросульфитион), диазо-группы (
молекулярный азот). Напротив, нуклеофильное замещение атома
водорода (
гидрид-анион) протекает с трудом (в отличие от замещения водорода в
электрофильных реакциях, где он отщепляется в виде протона) и только в том случае, если
сильно нуклеофильный и реакционноспособный гидрид-анион, образующийся в этой
реакции, может быть переведен, например, окислением в нейтральную частицу.(прим.39)
В отличие от электрофильного замещения в аренах, происходящего по универсальному
механизму SЕAr, существует целый ряд возможжных механизмов нуклеофильного
ароматического замещения, основные из которых рассмотрены ниже.
Нуклеофильное ароматическое замещение в активированных ароматических
соединениях (механизм SNAr).
Как уже было отмечено, -M и -I-заместители затрудняют электрофильное замещение, но
благоприятствуют нуклеофильному замещению. Нуклеофильное замещение в таких
активированных аренах происходит по механизму присоединения-элиминирования,
сходному с рассмотренным выше механизмом электрофильного замещения:
69
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 70 из 123
В стадии определяющей скорость, образуются анионные -комплексы, называемые обычно
комплексами Мейзенгеймера. (Мейзенгеймер получил аддукты из метиловых и этиловых
эфиров пикриновой кислоты, действуя на них, соответственно, этилатом или метилатом
калия, и доказал идентичность соединений, полученных обоими путями):
Активирующая (электроноакцепторная) группа принимает непосредственное участие в
делокализации отрицательного заряда, облегчая таким образом нуклеофильное замещение,
только в том случае, если она находится в орто- или пара- положении к уходящей группе. В
случае ее расположения в мета- положении к замещаемой группе структура подобная I
невозможна. Поэтому электроноакцепторные группы при нуклеофильном ароматическом
замещении проявляют свойства орто-, пара- ориентантов (в отличие от электрофильного
замещения, при котором они мета-ориентанты).
Таким образом, по механизму SNAr легко подвергаются нуклеофильному замещению атомы
галогенов и алкокси-группы в аренах, имеющих хотя бы один электроноакцепторный
заместитель в орто- или пара-положениях к замещаемой группировке. По аналогичному
механизму реагируют и 2- и 4-галогенпиридины (но не 3-галогенпиридины!).
Описанные реакции протекают в сравнительно мягких условиях (без значительно нагревания
реакционной смеси).
Нуклеофильное ароматическое замещение по механизму SRN1.
Ярким примером реакции, протекающей по этому типу механизма, может служить реакция
неактивированных арилгалогенидов, например, галогентриметилбензолов, с амидом натрия в
жидком аммиаке. Если уходящая группа - хлор или бром, реакция протекает по
рассмотренному ранее ариновому механизму. Однако, если уходящая группа - иод, реакция
протекает по принципиально иному пути, характерной особенностью которого является
промежуточное участие в нем радикалов и анион-радикалов. (Их образование
непосредственно доказано методов ЭПР).
В начальной стадии реакции арилгалогенид захватывает электрон. Образующийся анионрадикал диссоциирует далее на арил-радикал и иодид-анион. Далее арил-радикал реагирует с
70
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 71 из 123
амид-ионом с образованием нового анион-радикала, который, реагируя с ArI, дает конечный
амин и анион-радикал субстрата, продолжающий цепную радикальную реакцию:
ArJ + e- (ArI)-.
(ArI)-. Ar. + IAr. + NH2- (ArNH2)-.
(ArNH2)-. + ArI ArNH2 + (ArI)+.
В принципе, любой субстрат с подходящей электроноакцепторной группой Х, способный
образовывать анион-радикал в реакции с сольватированными электронами (как в
вышерассмотренном примере) или при фотоинициировании, и распадаться далее с
образованием свободного арил-радикала может вступать в реакции по механизму SRNAr.
Добавки веществ, являющихся ловушками свободных радикалов, ингибируют такого типа
реакции.(прим.41),
Характерной особенностью процессов, протекающих по данному механизму, является то,
что сильные электроноакцепторные заместители, подобные нитро- или трифторметильной
группе, не облегчают протекание реакции по механизму S RNAr; аминогруппа (донор
электронов!) напротив, не препятствует протеканию реакции по данному механизму.
Нечувствительна она и к пространственным препятствиям.
В заключение приведем общую схему основных механизмов ароматического
нуклеофильного замещения:
IV.3. Свободнорадикальное галогенирование бензола и алкилбензолов
Бензол не подвергается свободнорадикальному замещению по действием хлора или брома,
которое является типичной реакцией для алканов и циклоалканов(прим.42),. Энергетически
предпочтительнее оказывается радикальное присоединение хлора к бензолу с
образованием гексахлорциклогексана.(прим.43),
В отличие от бензола, толуол хлорируется на свету или в присутствии перекисей только по
метильной группе с образованием первоначально бензилхлорида, и затем бензальхлорида и
бензотрихлорида:
Столь резкое различие в поведении бензола и толуола объясняется более высокой
стабильностью бензильного радикала С6Н5СН2. по сравнению с фенильным радикалом
С6Н5.. Стабильность бензильного радикала объясняется сопряжением неспаренного
электрона, расположенного на р-орбитали, с -электронами бензольного кольца:
71
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 72 из 123
По существу стабилизация бензильного радикала аналогична стабилизации аллильного
радикала.
Свободнорадикальное бромирование толуола на свету или в присутствии перекиси
приводит к бензилбромиду:
Для высших алкилбензолов радикальное хлорирование имеет весьма ограниченную область
применения, так как этот процесс не отличается региоселективностью. Так, например, при
хлорировании этилбензола на свету образуются следующие продукты:
В отличие от хлорирования, бромирование осуществляется исключительно в -положение
по отношению к бензольному кольцу. В препаративном отношении удобнее всего
использовать N-бромсукцинимид:
Различие в селективности хлорирования и бромирования связано с более высокой
реакционной способностью атомарного хлора, а более реакционноспособный реагент, как
правило, менее селективен.
IV.4. Окисление и восстановление
Окисление. Бензольное кольцо, в силу своей особой стабильности, устойчиво к действию
большинства окислителей. Однако, алкильные группы, связанные с кольцом, легко
окисляются под действием окислителей, таких как бихромат натрия в кислой среде, оксид
хрома (VI) в уксусной кислоте или перманганат калия. В результате образуются продукты
окислительной деструкции боковых цепей - ароматические карбоновые кислоты:
При окислении трехокисью хрома в уксусном ангидриде происходит окисление метильной
группы алкиларенов до альдегидной; дальнейшему окислению до кислоты препятствует
образование диацетата, который устойчив в этих условиях. Катализируемый кислотой
гидролиз в водном спирте приводит к ароматическому альдегиду:
72
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 73 из 123
Бензиловые спирты гладко окисляются до альдегидов при применении в качестве окислителя
свежеосажденной двуокиси марганца:
Окисление конденсированных ароматических углеводородов приводит к различным
продуктам в зависимости от используемого реагента и условий реакции. Реагенты на основе
хрома (VI) в кислой среде окисляют нафталин и алкилнафталины до нафтохинонов, тогда как
бихромат натрия в водном растворе окисляет только алкильные группы. Окисление
нафталина перманганатом калия в щелочной среде сопровождается деструкцией одного
ароматического кольца с образованием моноциклических дикарбоновых кислот:
Антрацен гладко окисляется бихроматом натрия в серной кислоте или оксидом хрома (VI) в
уксусной кислоте до антрахинона:
Гидрирование. Хотя ароматическое кольцо бензола гидрируется в значительно более
жестких уловиях, чем двойная или тройная связь алкенов и алкинов, бензол и его
производные могут быть прогидрированы до производных циклогексана над никелем Ренея
(Т 120-150о и давление 100-150 атм). Более эффективны катализаторы платиновой группы,
среди которых лучшими являются родий или рутений, нанесенные на окись алюминия.
При гидрировании диалкилбензолов на Rh или Ru обычно образуется в основном цисизомер. Гидрирование на никеле Ренея не отличается стереоселективностью, всегда
образуется смесь цис-, транс-изомеров. Каталитическое гидрирование бензольного кольца
невозможно остановить на первой или второй стадии, поскольку циклогексадиены и
циклогексены гидрируются с большей скоростью, чем ароматические соединения.
Восстановление по Берчу. Ароматическое кольцо аренов может быть восстановлено
раствором натрия в жидком аммиаке в присутствие спирта как протонирующего агента.
Бензол восстанавливается при этом до несопряженного циклогексадиена-1,4: (прим.44),
73
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 74 из 123
Для этой реакции предложен механизм, включающий последовательное образование анионрадикала, радикала и аниона циклогексадиена:
Влияние заместителей в бензольном кольце согласуется с приведенным выше механизмом:
скорость восстановления возрастает при наличии электроноакцепторных заместителей и
протонирование при этом происходит в положения 1- и 4- бензольного кольца;
восстановление аренов с электронодонорными заместителями протекает медленнее, и
протонируются положения 2- и 5-:
При восстановлении нафталина в подобных образуется 1,4-дигидронафталин:
Замещенные нафталины ведут себя подобно производным бензола: при наличие в положении электроноакцепторной группы образуются 1,4-дигидропроизводные, а при
наличии электронодонорного заместителя - 5,6-дигидропроизводные.
В отличие от нитрования, при галогенировании атака ароматического субстрата может
осуществляться различными электрофилами. Свободные галогены, например, Cl 2 и
Br2,(прим.35) могут легко атаковать активированное ароматическое ядро (например, фенола),
но не способны реагировать с бензолами и алкилбензолами (фотохимическая активация
может, однако, в последнем случае привести к протеканию радикального замещения в
боковую цепь; см. раздел IV.3). Для поляризации атакующей молекулы галогена необходим
катализ кислотами Льюиса, такими как AlCl3, FeBr3, и т.п.; при этом в молекуле галогена
появляется так называемый "электрофильный конец" (энергия же, требующаяся для
образования катиона Наl+ существенно выше). Тем самым электрофильное замещение
существенно облегчается:
74
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 75 из 123
Галогенирование протекает очень энергично, если использовать реагенты, в которых галоген
в результате поляризации имеет сильный положительный заряд или даже существует как
катион. Так, очень инертный мета-динитробензол можно пробромировать бромом в
концентрированной серной кислоте в присутствии сульфата серебра. Предполагают, что в
этом случае промежуточно образуется бром-катион:
2Br2 + Ag2SO4 2Br+ + 2AgBr + SO42Реакционная способность элементарного иода в реакциях электрофильного замещения в
ароматическом ядре незначительна, так что прямое иодирование возможно только в случае
фенола и ароматических аминов. Иодирование других ароматических соединений проводят в
присутствии окислителя (обычно, азотной кислоты). Считается, что в этих условиях роль
электрофильного агента играет ион I-+OH2.
Для галогенирования аренов можно применять также смешанные галогены, например,
монохлорид брома (BrCl) или иода (ICl):
Галогенирование in vivo. В качестве примера электрофильного ароматического
галогенирования, протекающего в живых организмах, можно привести реакцию иодирования
-аминокислоты - тирозина в ходе биосинтеза иодсодержащих гормонов щитовидной железы
до 3-иодтирозина и далее до 3,5-дииодтирозина:
Углеводороды бензольного ряда. Бензол и его гомологи имеют общую формулу CnH2n - 6.
Гомологи состоят из бензольного кольца и одной или нескольких алифатических боковых
цепей, присоединенных к его углеродным атомам вместо водорода. Простейший из
гомологов - толуол C6H5CH3 - содержится в каменноугольной смоле и имеет существенное
значение как исходное соединение для получения взрывчатого вещества тринитротолуола и
75
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 76 из 123
капролактама. Следующая формула в ряду, C8H10, отвечает четырем соединениям:
этилбензолу C6H5C2H5 и ксилолам C6H4(CH3)2. (Высшие гомологи представляют меньший
интерес.) Когда к кольцу присоединены два заместителя, возникает возможность изомерии
положения; так, существуют три изомерных ксилола: Другие важные бензольные
углеводороды включают ненасыщенный углеводород стирол C6H5CH=CH2, используемый в
производстве полимеров; стильбен C6H5CH=CHC6H5; дифенилметан (C6H5)2CH2;
трифенилметан
(C6H5)3CH;
дифенил
C6H5-C6H5.
Получение. Бензольные углеводороды получают следующими методами: 1)
дегидрогенизация и циклизация парафинов, например:
2) синтез Вюрца - Фиттига:
3) реакция Фриделя - Крафтса с алкилгалогенидами или олефинами:
4) синтез кетонов по Фриделю - Крафтсу с последующим восстановлением по Клемменсену
(обработка амальгамой цинка и кислотой), которое превращает карбонильную группу в
метиленовое звено:
5) дегидрогенизация алициклических углеводородов:
6) декарбоксилирование кислот, например:
7) перегонка фенолов с цинковой пылью (метод полезен для установления структуры, но
редко применяется в синтезе) например:
Применимы также и другие методы, приведенные выше для получения алифатических
углеводородов (например, восстановление галогенидов, спиртов, олефинов). Реакции
76
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 77 из 123
углеводородов бензольного ряда можно подразделить на реакции боковой цепи и реакции
кольца. За исключением положения, соседнего с кольцом, боковая цепь ведет себя по
существу как парафин, олефин или ацетилен в зависимости от своей структуры. Углеродводородные связи на углероде, соседнем с кольцом, однако, заметно активированы, особенно
по отношению к таким реакциям с участием свободных радикалов, как галогенирование и
окисление. Так, толуол и высшие гомологи легко хлорируются и бромируются галогенами на
солнечном свету:
В случае толуола можно ввести второй и третий галогены. Эти a-хлорсоединения легко
гидролизуются щелочами:
Толуол нетрудно окислить до бензойной кислоты C6H5COOH. Высшие гомологи при
окислении претерпевают расщепление боковой цепи до карбоксильной группы, образуя
бензойную кислоту. Главной реакцией кольца является ароматическое замещение, при
котором протон замещается положительным атомом или группой, произведенной из
кислотного или "электрофильного" реагента:
Типичные примеры такого замещения: а) нитрование, Ar-H + HNO3 -> Ar-NO2 + H2O; б)
галогенирование, Ar-H + X2 -> Ar-X + HX; в) алкилирование олефинами и
алкилгалогенидами по Фриделю - Крафтсу (как указано выше); г) ацилирование по Фриделю
- Крафтсу,
д) сульфирование, Ar-H + H2SO4 (дымящая) -> ArSO3H + H2O. Введение первого
заместителя не встречает осложнений, поскольку все положения в бензоле эквивалентны.
Введение второго заместителя происходит в различные положения по отношению к первому
заместителю в первую очередь в зависимости от природы группы, уже имеющейся в кольце.
Природа атакующего реагента играет второстепенную роль. Группы, которые увеличивают
электронную плотность в ароматическом кольце -O-, -NH2, -N(CH3)2, -OH, -CH3, -OCH3, NHCOCH3 активируют орто- и пара-положения и направляют следующую группу главным
образом в эти позиции. Напротив, группы, которые оттягивают на себя электроны кольца
сильнее всего дезактивируют по отношению к электрофильной атаке орто- и параположения, поэтому замещение направляется главным образом в мета-положение.
Промежуточными по своему поведению являются некоторые группы, которые благодаря
противоположным электронным влияниям дезактивируют кольцо по отношению к
77
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 78 из 123
дальнейшему замещению, но остаются орто-пара-ориентантами: -Cl, -Br, -I и -CH=CHCOOH.
Эти принципы важны для синтеза в ароматическом ряду. Так, чтобы получить пнитробромбензол
необходимо сначала бромировать кольцо и затем нитровать его. Обратный порядок операции
дает мета-изомер. При жестких условиях кольцо можно "заставить" проявить свой скрытый
ненасыщенный характер. С очень активными платиновыми катализаторами при давлении
водорода в несколько атмосфер можно добиться гидрирования бензола в циклогексан (но
никогда не удается получить продукты частичного гидрирования вроде циклогексадиена).
Продолжительная обработка хлором и бромом на солнечном свету ведет к образованию
гексагалогеноциклогексанов.
2.
Замещенные
бензола.
Номенклатура.
1) Монозамещенные бензола можно рассматривать как производные бензола, например
этилбензол C6H5-C2H5, или как фенилпроизводные алифатических углеводородов,
например 2-фенилбутан C6H5-CH(CH3)C2H5, если у них нет тривиальных названий
(например, толуол, ксилол). Галогено- и нитропроизводные называют как производные
бензола, например нитробензол C6H5NO2, бромбензол C6H5Br. Другие монозамещенные
бензола обозначают особыми названиями: фенол C6H5OH, анизол C6H5OCH3, анилин
C6H5NH2, бензальдегид C6H5CH=O. 2) В дизамещенных соединениях указывают
относительные положения заместителей орто (о), мета (м) и пара (п), как в ксилолах (см.
разд. IV-3.А.1). Порядок старшинства в выборе первого заместителя является следующим:
COOH, CHO, COR, SO3H, OH, R, NH2, галоген и NO2. Например
Широко используются некоторые тривиальные названия, например,
3) В случае трех и более заместителей для обозначения положений используются цифры (от
1 до 6). При выборе первого заместителя применяются те же правила старшинства,
например:
78
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 79 из 123
4) Заместители в боковой цепи: такие соединения обычно называют как арилпроизводные
алифатических
соединений.
Примерами
могут
служить
a-фенилэтиламин
(C6H5)CH(NH2)CH3 и a-фенилмасляная кислота C2H5CH(C6H5)COOH. Существуют
многочисленные
тривиальные
названия
(например,
миндальная
кислота
C6H5CH(OH)COOH), которые будут рассмотрены при обсуждении соответствующих
соединений. Галогенопроизводные получают следующими методами: 1) прямое
галогенирование кольца
(Br2 реагирует сходным образом); 2) замещение диазониевой группы (см. ниже
"Ароматические амины") галогенид-ионом:
(при X = Cl- и Br- должны быть использованы в качестве катализаторов медь или CuX).
Атомы галогенов в ароматических галогенидах очень инертны к действию оснований.
Поэтому реакции замещения, аналогичные реакциям алифатических галогенидов, редко
оказываются практически полезными в случае арилгалогенидов. В промышленности
гидролиз и аммонолиз хлорбензола достигается в жестких условиях. Замещение
нитрогруппой в п- или о-положении активирует галоген по отношению к основаниям. Из
бром- и иодбензолов можно приготовить реактив Гриньяра. Хлорбензол не образует
реактивов Гриньяра, но из него можно получить фениллитий. Эти ароматические
металлоорганические соединения по свойствам похожи на алифатические аналоги.
Нитросоединения обычно получают прямым нитрованием кольца (см. разд. IV-3.А.1,
"Реакции") смесью концентрированных азотной и серной кислот. Реже их готовят
окислением нитрозосоединений (C6H5NO). Введение одной нитрогруппы в бензол протекает
относительно просто. Вторая входит более медленно. Третью удается ввести только при
продолжительной обработке смесью дымящих азотной и серной кислот. Это общий эффект
м-ориентирующих групп; они всегда снижают способность кольца к дальнейшему
замещению. Тринитробензолы ценятся как взрывчатые вещества. Для осуществления их
синтеза нитрование обычно проводят не на самом бензоле, а на таких его производных, как
толуол или фенол, в которых о,п-ориентирующие заместители могут активировать кольцо.
Общеизвестными примерами служат 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота) и 2,4,6тринитротолуол (тротил). Единственные полезные реакции нитросоединений - это реакции
их восстановления. Сильные восстанавливающие агенты (активированный катализаторами
водород, олово и соляная кислота, бисульфид-ион) превращают их прямо в амины.
Контролируемое электролитическое восстановление позволяет выделить следующие
промежуточные стадии:
79
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
Бисульфид
аммония
является
специфическим
динитросоединений в нитроанилины, например:
стр. 80 из 123
реагентом
для
превращения
Вопросы для самоконтроля:
1. Арилгалогениды. Галогенирование в ядро. Хлорирование толуола.
2. Хлорирование в боковую цепь.
3. Механизмы реакций SN1 и SN2. в соединениях с активированным и неактивированным
атомом галогена.
4. Хлорирование и нитрование арилгалогенидов по механизму SЕ2.
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция №15 Ароматические сульфокислоты.
1. Сульфирование бензола и его производных.
2. Электрофильные реагенты сульфирования.
3. Химические свойства сульфокислот.
4. Нитросоединения ароматического ряда.
Краткое содержание:
Детали механизма сульфирования исследованы менее подробно по сравнению с
нитрованием и галогенированием. Сам бензол сульфируется довольно медленно горячей
концентрированной серной кислотой, но быстро - олеумом, SO3 в инертных растворителях
или комплексом SO3 с пиридином. Природа электрофильной частицы зависит от условий
реакции, но, вероятно, это всегда SO3, или в свободном состоянии, или связанный с
"носителем", например, в виде H2SO4.SO3 (H2S2O7) в серной кислоте. Небольшие количества
SO3 образуются в H2SO4:
2H2SO4 SO3 + H3O+ + HSO4Атаку ароматического субстрата осуществляет атом серы поскольку он сильно
положительно поляризован, то есть электронодефицитен:
80
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 81 из 123
Сульфирование является обратимым процессом. Это имеет практическое значение: при
обработке сульфокислот водяным паром происходит замещение группы SO3Н на водород.
Таким образом, можно ввести группу SO3Н как заместитель, ориентирующий требуемым
образом последующие реакции (см. раздел IV.1.Б), а затем ее отщепить. Некоторые
интересные особенности имеет сульфирование нафталина (см. раздел IV.1.Г).
Алкилирование по Фриделю-Крафтсу
Подобно галогенам, алкилгалогениды могут быть так сильно поляризованы кислотами
Льюиса (хлоридами алюминия и цинка, трифторидом бора и др.), что они становятся
способными к электрофильному замещению в ароматическом ядре:
R-Cl + AlCl3 R +...Cl... -AlCl3 R+AlCl4R+AlCl4- + ArH Ar-R + HCl + AlCl3(прим.36)
Кроме алкилгалогенидов, источниками карбокатионов для галогенирования ароматических
соединений могут быть алкены или спирты. При этом необходимо присутствие протонной
кислоты, чтобы протонировать алкен или спирт. В случае спиртов требуется добавка не
менее чем эквимольного количества кислоты (так как вода, выделяющаяся в ходе реакции,
дезактивирует эквимольное количество катализатора), тогда как в реакциях с участием
алкилгалогенидов и алкенов достаточно добавлять незначительное количество катализатора.
В лаборатории алкилирование по Фриделю-Крафтсу имеет ограниченное применение, так
как обычно при этой реакции образуются смеси продуктов, что обусловлено рядом причин:
1) Образующийся продукт алкилирования легче вступает в реакции электрофильного
ароматического замещения, чем исходное соединение (Alk - электронодонорная группа),
поэтому дальше преимущественно алкилируется продукт. Если хотят получить продукты
моноалкилирования, то необходимо брать большой избыток ароматического соединения.
2) Как и сульфирование, реакция алкилирования по Фриделю-Крафтсу обратима (см. также
раздел IV.1.Г).
3) Даже в мягких условиях первичные и вторичные алкилгалогениды дают преимущественно
вторичные или третичные алкиларены соответственно, поскольку алкилирование
происходит в условиях, приближающихся к SN1 реакции.(прим.37) Перегруппировки можно
избежать, если работать при низких температурах.
Ацилирование по Фриделю-Крафтсу
Ацилирование ароматических соединений по Фриделю-Крафтсу является важнейшим
методом синтеза жирноароматических кетонов. Производные карбоновых кислот, такие как
ацилгалогениды и ангидриды, имеют полярную карбонильную группу и в принципе
способны к электрофильному замещению в ароматических системах:
Электрофильная активность этих соединений, однако, невелика, и должна быть повышена
действием кислот Льюиса. При этом кислотный катализатор, как правило, атакует атом
кислорода карбонильного соединения и, смещая электронную плотность, повышает
положительный заряд соседнего атома углерода. В результате образуется поляризованный
комплекс (а в пределе - ацилкатион), действующий как электрофил:
81
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 82 из 123
Важное отличие реакции ацилирования ацилгалогенидами от реакции алкилирования
алкилгалогенидами состоит в том, что в первой из этих реакций требуется более 1 моль
кислоты Льюиса, тогда как во второй необходимо только каталитические количество. Это
обусловлено тем, что кислота Льюиса образует комплекс как с ацилирующим производным
карбоновой кислоты, так и с кетоном - продуктом реакции. При взаимодействии с
ангидридами получающаяся кислота связывает еще моль моль катализатора, так что в целом
его необходимо по крайней мере два моль. В каждом случае по окончании реакции
образовавшийся комплекс кетона с хлоридом алюминия (или другой кислотой Льюиса)
должен быть гидролитически разрушен (соляной кислотой со льдом).
Полиацилирования не наблюдается, поскольку образующийся кетон значительно менее
реакционноспособен, чем исходное соединение (см. раздел IV.1.Б). Поэтому алкилбензолы
часто предпочитают получать не прямым алкилированием, а ацилированием по ФриделюКрафтсу
с
последующим
восстановлением.
Ароматические
соединения
с
сильнодезактивирующими заместителями, например, нитро- или циано- группами, также не
ацилируются по Фриделю-Крафтсу.
Термодинамический и кинетический контроль в реакциях электрофильного замещения
В предыдущем разделе, говоря о соотношении орто-, мета- и пара- изомерных продуктов,
предполагалось, что оно определяется соотношением скоростей их образования, то есть
контролируется кинетически. Однако, это не всегда наблюдается на практике. Если
реакция электрофильного замещения обратима, образующиеся из кинетически
контролируемого продукта исходные вещества подвергаются новым атакам(прим.33) и дают
термодинамически более устойчивые изомеры (обычно это мета-изомеры). Если в составе
продуктов преобладает наиболее устойчивый изомер, то реакция контролируется
термодинамически.
Например, в реакции алкилирования по Фриделю-Крафтсу (см.ниже - раздел IV.1.Д),
особенно при проведении реакции при повышенной температуре, часто образуется не смесь
орто-, пара- изомеров, а преимущественно мета-изомер. Это связано с обратимостью реакции
алкилирования, в результате чего в смеси накапливается наиболее стабильный продукт.
Известны примеры реакций, в которых тип реакций засисит от температуры. Так,
сульфирование нафталина концентрированной серной кислотой (см.раздел IV.1.Д) при 80оС
приводит почти полностью к -замещению, тогда как скорость образования при этой
температуре альтернативной 2-сульфокислоты очень мала, то есть имеет место
кинетический контроль . В то же время, сульфирование при 160оС приводит к продукту,
содержащему 80% 2-сульфокислоты, и лишь 20% 1-изомера. Тот факт, что в этих условиях
действует термодинамический контроль, подтверждается наблюдением, что при
нагревании чистой нафталин-1- или нафталин-2-сульфокислоты в концентрированной H2SO4
образуется равновесная смесь того же состава: 80% 2-сульфокислоты и 20% 1сульфокислоты:
82
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 83 из 123
Бензолсульфокислота C6H5SO3H получается при действии дымящей серной кислоты на
бензол. Она и другие сульфокислоты являются сильными кислотами (K > 0,1).
Сульфокислоты легко растворимы в воде, гигроскопичны; их трудно получить в свободном
состоянии. Чаще всего их используют в виде натриевых солей. Наиболее важные реакции
солей, а именно сплавление со щелочами (с образованием фенолов) и с цианидом натрия (с
получением нитрилов), уже обсуждались. При действии пентахлорида фосфора они дают
арилсульфохлориды (например, C6H5SO2Cl), которые находят применение в алифатических
и алициклических синтезах. Наиболее часто используемым таким способом
арилсульфохлоридом является п-толуолсульфохлорид (п-CH3C6H4SO2Cl), в литературе
часто называемый тозилхлоридом (TsCl). Нагревание сульфокислот в 50-60% серной кислоте
при 150° С вызывает их гидролиз до серной кислоты и исходных углеводородов:
Важной сульфокислотой является сульфаниловая кислота п-H2NC6H4SO3H (или пH3N+C6H4SO3-), амид (сульфаниламид) и другие производные которой представляют собой
важные химиотерапевтические средства. Сульфаниловую кислоту получают действием
дымящей серной кислоты на анилин. Многие моющие средства являются солями
длинноцепочечных сульфокислот, например NaO3S-C6H4-C12H25.
Вопросы для самоконтроля:
1. Сульфирование бензола и его производных.
2. Электрофильные реагенты сульфирования.
3. Химические свойства сульфокислот.
4. Нитросоединения ароматического ряда.
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция № 16. Фенолы и ароматические спирты.
1. Определение, номенклатура, электронное строение.
2. Получение и химические свойства.
3. Двух- и трёхатомные фенолы. Таутомерия резорцина
Краткое содержание:
фенол получают в промышленности прямым окислением бензола и гидролизом хлорбензола
в жестких условиях - раствором едкого натра при высокой температуре под давлением.
Фенол и некоторые из его простейших гомологов - метилфенолы (крезолы) и
диметилфенолы (ксиленолы) - найдены в каменноугольной смоле. Реакции фенолов
примечательны лабильностью гидроксильного водорода и устойчивостью гидроксильной
группы к замещению. Кроме того, пара-положение (и орто-положения, если пара-положение
83
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 84 из 123
блокировано) очень чувствительны к атаке реагентов, вызывающих ароматическое
замещение, и окислителей. Фенолы легко образуют натриевые соли при обработке едким
натром и содой, но не бикарбонатом натрия. Эти соли легко реагируют с ангидридом и
хлорангидридом кислот, давая сложные эфиры (например, C6H5OOCCH3), и с
алкилгалогенидами и алкилсульфатами, образуя простые эфиры (например, анизол
C6H5OCH3). Сложные эфиры фенолов можно также получить действием ацилирующих
агентов в присутствии пиридина. Фенольные гидроксильные группы можно удалить
перегонкой фенолов с цинковой пылью, но они не замещаются при нагревании с
галогеноводородными кислотами, как спиртовые гидроксильные группы. Гидроксильная
группа так сильно активирует орто- и пара-положения, что реакции нитрования,
сульфирования, галогенирования и им подобные протекают бурно даже при низких
температурах. Действие бромной воды на фенол ведет к 2,4,6-трибромфенолу, но пбромфенол можно получить бромированием в таких растворителях, как сероуглерод, при
низких температурах. Галогенирование без растворителя дает смесь о- и п-галогенофенолов.
Разбавленная азотная кислота легко нитрует фенол, давая смесь о- и п-нитрофенолов, из
которой о-нитрофенол можно отогнать с паром. Фенол и крезолы используют как
дезинфицирующие средства. Среди других фенолов важное значение имеют: а) карвакрол (2метил-5-изопропилфенол) и тимол (3-метил-6-изопропилфенол), которые встречаются во
многих эфирных маслах как продукты химических превращений терпенов; б) анол (ппропенилфенол), который встречается в виде соответствующего метилового эфира анетола в
анисовом масле; близкий к нему хавикол (п-аллилфенол) находится в маслах из листьев
бетеля и лавра и в виде метилового эфира, эстрагола, в анисовом масле; в) пирокатехин (2гидроксифенол), который встречается во многих растениях; в промышленности его
получают гидролизом (в жестких условиях) о-дихлорбензола или о-хлорфенола, а также
деметилированием гваякола (монометилового эфира пирокатехина), содержащегося в
продуктах сухой перегонки бука; пирокатехин легко окисляется в о-хинон
и находит широкое применение как восстановитель в фотографических проявителях; г)
резорцин
(м-гидроксифенол);
его
получают
щелочным
плавлением
мбензолдисульфокислоты и используют для приготовления красителей; он легко замещается в
положении 4 и восстанавливается в дигидрорезорцин (циклогександион-1,3), который
расщепляется разбавленной щелочью в d-кетокапроновую кислоту; его 4-нгексилпроизводное является полезным антисептиком; д) гидрохинон (п-оксифенол), который
встречается в некоторых растениях в виде гликозида арбутина; его получают
восстановлением хинона (см. выше "Ароматические амины"), продукта окисления анилина;
это легко обратимая реакция; при 50%-ном ее протекании образуется устойчивое
эквимолекулярное соединение хинона и гидрохинона - хингидрон; хингидронный электрод
часто применяется в потенциометрическом анализе; благодаря восстанавливающим
свойствам гидрохинона он, подобно пирокатехину, используется в фотографических
проявителях; е) пирогаллол (2,3-дигидроксифенол), который получают из галловой кислоты
(см. ниже "Ароматические кислоты") перегонкой над пемзой в атмосфере углекислого газа;
будучи мощным восстановителем, пирогаллол находит применение как поглотитель
кислорода в газовом анализе и как фотографический проявитель. Ароматические спирты это соединения, которые, подобно бензиловому спирту C6H5CH2OH, содержат
гидроксильную группу в боковой цепи (а не в кольце, как фенолы). Если гидроксильная
группа находится при углеродном атоме, соседнем с кольцом, она особенно легко
замещается на галоген при действии галогеноводородов на водород (над платиной) и легко
отщепляется при дегидратации (в C6H5CHOHR). Такие простые ароматические спирты, как
84
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 85 из 123
бензиловый, фенетиловый (C6H5CH2CH2OH), фенилпропиловый (C6H5CH2CH2CH2OH) и
коричный (C6H5CH=CHCH2OH), используются в парфюмерной промышленности и
встречаются в природе во многих эфирных маслах. Их можно получить по любой из общих
реакций, описанных выше для приготовления алифатических спиртов.
Вопросы для самоконтроля:
1. Определение, номенклатура, электронное строение.
2. Получение и химические свойства.
3. Двух- и трёхатомные фенолы. Таутомерия резорцина
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция № 17-18. Альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты ряда бензола.
1. Альдегиды и кетоны ароматического ряда, реакции получения.
2. Химические свойства. Бензоиновая конденсация. Окисление.
3. Карбоновые кислоты ароматического ряда, химические свойства.
4. Влияние заместителей в бензольном кольце на кислотные свойства бензойной кислоты.
Краткое содержание:
Бензальдегид C6H5CHO, простейший ароматический альдегид, образуется в масле горького
миндаля в результате ферментативного гидролиза гликозида амигдалина C6H5CH(CN)-OC12H21O10. Он находит широкое применение как промежуточное вещество в синтезе
красителей и других ароматических соединений, а также как отдушка и основа духов. В
промышленности его получают гидролизом бензилиденхлорида C6H5CHCl2, продукта
хлорирования толуола, или прямым окислением толуола в газовой (над V2O5) либо в жидкой
фазе с MnO2 в 65%-ной серной кислоте при 40° С. Для приготовления ароматических
альдегидов служат следующие общие методы: 1) синтез Гаттермана - Коха:
2) синтез Гаттермана:
3) синтез Раймера - Тимана (для получения ароматических гидроксиальдегидов):
Бензальдегид окисляется кислородом воздуха в бензойную кислоту; этого можно достичь
также применением других окислителей, например перманганата или дихромата. Вообще
бензальдегид и другие ароматические альдегиды вступают в карбонильные реакции
конденсации (см. разд. IV-1.А.4) несколько менее активно, чем алифатические альдегиды.
Отсутствие a-водородного атома препятствует вступлению ароматических альдегидов в
85
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 86 из 123
альдольную самоконденсацию. Тем не менее смешанная альдольная конденсация
используется в синтезе:
Следующие реакции типичны для ароматических альдегидов: 1) реакция Канниццаро:
2) бензоиновая конденсация:
3) реакция Перкина:
Некоторое значение имеют следующие ароматические альдегиды: 1) Салициловый альдегид
(о-гидроксибензальдегид) встречается в природе в душистом масле таволги. Его получают из
фенола синтезом Раймера - Тимана. Он находит применение в синтезе кумарина (см. разд.
IV-4.Г) и некоторых красителей. 2) Коричный альдегид C6H5CH=CHCHO содержится в
масле корицы и кассии. Его получают кротоновой конденсацией (см. разд. IV-1.А.4)
бензальдегида с уксусным альдегидом. 3) Анисовый альдегид (п-метоксибензальдегид)
содержится в масле кассии и используется в духах и ароматизирующих добавках. Его
получают синтезом Гаттермана из анизола. 4) Ванилин (3-метокси-4-гидроксибензальдегид)
является главным ароматическим компонентом экстрактов ванили. Его можно получить по
реакции Раймера - Тимана из гваякола или обработкой эвгенола (2-метокси-4-аллилфенола)
щелочью с последующим окислением. 5) Пиперональ обладает запахом гелиотропа. Его
получают из сафрола (масло американского лавра) аналогично тому, как получают ванилин
из эвгенола.
Ароматические кетоны. Эти вещества обычно получают из ароматических соединений и
хлорангидридов кислот по реакции Фриделя - Крафтса. Применяются также общие методы
получения алифатических кетонов. Специфическим методом получения гидроксикетонов
является перегруппировка Фриса в сложных эфирах фенолов:
(при повышенных температурах порядка 165-170° С преобладает о-изомер). Вообще
ароматические кетоны вступают в те же реакции, что и алифатические кетоны, но гораздо
более медленно. a-Дикетонбензил C6H5CO-COC6H5, получаемый окислением бензоина (см.
предыдущий
разд.
"Ароматические
альдегиды"),
претерпевает
характерную
перегруппировку
при
обработке
щелочью,
образуя
бензиловую
кислоту
(C6H5)2C(OH)COOH.
86
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 87 из 123
Ароматические кислоты. Простейшей ароматической карбоновой кислотой является
бензойная C6H5COOH, которая вместе с ее эфирами встречается в природе в составе многих
смол и бальзамов. Она широко применяется как пищевой консервант, особенно в форме
натриевой соли. Как и алифатические кислоты, бензойную кислоту и другие ароматические
кислоты можно получить действием углекислого газа на реактив Гриньяра (например,
C6H5MgBr). Их можно также приготовить гидролизом соответствующих нитрилов, которые
в ароматическом ряду получают из диазониевых солей или сплавлением натриевых солей
ароматических сульфокислот с цианидом натрия:
Другие методы их получения включают: 1) окислительное расщепление алифатических
боковых цепей
2) гидролиз трихлорметиларенов
3) синтез гидроксикислот по Кольбе
4) окисление ацетофенонов гипогалогенитами
Ниже перечислены некоторые из наиболее важных ароматических карбоновых кислот: 1)
Салициловую (о-гидроксибензойную) кислоту о-C6H4(COOH)OH получают из фенола
синтезом Кольбе. Ее метиловый эфир является душистым компонентом масла зимолюбки
(гаультерии), а натриевая соль ацетилпроизводного представляет собой аспирин (оацетоксибензоат натрия). 2) Фталевую (о-карбоксибензойную) кислоту получают
окислением нафталина. Она легко образует ангидрид, а последний при действии аммиака
дает фталимид - важное промежуточное вещество в синтезе многих соединений, включая
краситель индиго
3) Антраниловая (о-аминобензойная) кислота о-C6H4(NH2)COOH получается при действии
гипохлорита натрия на фталимид (реакция Гофмана). Ее метиловый эфир является
компонентом духов и встречается в природе в маслах жасмина и апельсиновых листьев. 4)
Галловая (3,4,5-тригидроксибензойная) кислота образуется вместе с глюкозой при гидролизе
некоторых сложных веществ растительного происхождения, известных под названием
таннинов.
Вопросы для самоконтроля:
1. Альдегиды и кетоны ароматического ряда, реакции получения.
2. Химические свойства. Бензоиновая конденсация. Окисление.
87
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 88 из 123
3. Карбоновые кислоты ароматического ряда, химические свойства.
4. Влияние заместителей в бензольном кольце на кислотные свойства бензойной кислоты.
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция №19-20. Ароматические амины.
1. Классификация, изомерия, номенклатура.
2. Методы получения анилина, вторичных и третичных аминов.
3. Электронной строение анилина.
4. Химические свойства ароматических аминов.
Краткое содержание:
Реакция нитрования является одной из наиболее изученных реакций ароматического
замещения. Для препаративных целей нитрование, как правило, проводят смесью
концентрированных азотной и серной кислот, так называемой нитрующей смесью . На
первой стадии реакции происходит образование иона нитрония +NO2, который и является
электрофильным агентом:
HO-NO2 + H2SO4 H2O+-NO2 + HSO4H2O+-NO2 + H2SO4 H3O+ + HSO4- + +NO2
Наличие иона нитрония в этом растворе подтверждено спектроскопически. Азотная кислота
в концентрированной серной кислоте практически нацело превращается в нитроний-катион.
Незначительная эффективность самой азотной кислоты в реакции нитрования бензола
объясняется низким содержанием иона +NO2.
B качестве нитрующих агентов используются также другие системы, в которых генерируется
либо катион +NO2, либо соединение общей формулы NO2-Y где Y - хорошая уходящая
группа. Некоторые из таких систем, нашедшие наибольшее применение, представлены в
таблице 1 в порядке увеличения их активности.
Таблица 1. Нитрующие реагенты.
Нитрующий реагент
Азотная
HO-NO2
Ацетилнитрат
O-NO2
Метод генерации
кислота
CH3C(O)-
Фенолы, эфиры фенолов,
бифенил
СН3СООН + HNO3
(СН3СО)2О + HNO3
Диоксид
азота
N2O4 (O=N-O-NO2)
Нитрующая смесь
Хлорид
Сl-NO2
нитрония
Арены, подвергающиеся
нитрованию
Бензол, алкилбензолы
Бензол, алкилбензолы
H2SO4 конц + HNO3
Бензол,
алкилбензолы,
галогенбензолы,
бензойная
кислота,
нитробензол, нафталин
Бензол,
алкилбензолы,
нитробензол,
88
УМКД 042_____/03-2013
Тетрафторборат нитрония
BF4-+NO2
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
HF.2BF3 + HNO3
стр. 89 из 123
Динитробензол
На примере реакции нитрования алкилбензолов отчетливо прослеживается влияние
пространственных факторов на направление электрофильного замещения. Так, при
нитровании толуола (метилбензола) орто-изомер образуется в качестве основного продукта,
а при переходе к этил-, изо-пропил- и особенно к трет-бутил-бензолу его выход существенно
уменьшается (см. табл. 2).
Таблица 2. Влияние пространственых факторов на соотношение орто-, пара-изомеров в
реакции нитрования (NO2+)
С6H5-R
Замещение в положения, %
орто-
мета-
пара-
C6H5-CH3
57
40
3
C6H5-C2H5
45
48
7
C6H5-CH(CH3)2
30
62
8
C6H5-C(CH3)3
12
79
9
При изучении нитрования алкилбензолов было обнаружено так называемое ипсо-замещение
, когда электрофильная атака протекает по тому атому углерода бензольного кольца, которое
уже содержит заместитель, например:
Ипсо-атака обычно имеет место при несогласованной ориентации заместителей первого
рода (особенно, находящихся в пара-положении). Она имеет место для практически всех
алкилбензолов, а также галоген- и алкоксиалкилбензолов с подобным расположением
заместителей.
Первичные амины получают восстановлением соответствующих нитросоединений. Они
представляют собой очень слабые основания (K = 10-10). N-алкиланилины можно
приготовить алкилированием первичных аминов. Они по большинству реакций напоминают
алифатические амины, за исключением взаимодействия с азотистой кислотой и с
окислителями. С азотистой кислотой в кислой среде (при 0-5° С) первичные амины дают
устойчивые соли диазония (C6H5N=N+X-), имеющие много важных синтетических
приложений. Замещение диазониевой группы галогеном уже обсуждалось. Эта группа может
89
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 90 из 123
быть также заменена на цианид-ион (с CuCN в качестве катализатора) с получением
ароматических нитрилов (C6H5CN). Кипящая вода превращает соли диазония в фенолы. В
кипящем спирте эта группа замещается на водород:
В почти нейтральном растворе диазониевые соли сочетаются с фенолами (и многими
аминами), давая азокрасители:
Эта реакция имеет огромное значение для промышленности синтетических красителей.
Восстановление бисульфитом ведет к арилгидразинам C6H5NHNH2. Вторичные ариламины,
подобно алифатическим вторичным аминам, дают N-нитрозосоединения. Третичные
ариламины C6H5NRRў, однако, дают п-нитрозоариламины (например, п-ON-C6H4NRR').
Эти соединения имеют некоторое значение для приготовления чистых вторичных
алифатических аминов, поскольку они легко гидролизуются до вторичного амина RRўNH и
п-нитрозофенола. Окисление ароматических аминов может затрагивать не только
аминогруппу, но и п-положение кольца. Так, анилин при окислении превращается во
множество продуктов, включая азобензол, нитробензол, хинон (
и анилиновый черный краситель). Арилалкиламины (например, бензиламин C6H5CH2NH2)
обнаруживают те же свойства и реакции, что и алкиламины с той же молекулярной массой.
Фенолы, ароматические гидроксисоединения, у которых гидроксильная группа
присоединена прямо к кольцу. Они значительно более кислотны, чем спирты, располагаясь
по силе между угольной кислотой и бикарбонат-ионом (для фенола Ka = 10-10). Наиболее
общий метод их получения - разложение солей диазония. Их соли можно получить
сплавлением солей арилсульфокислот со щелочью:
Вопросы для самоконтроля:
1. Классификация, изомерия, номенклатура.
2. Методы получения анилина, вторичных и третичных аминов.
3. Электронной строение анилина.
4. Химические свойства ароматических аминов.
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция № 21. Ароматические диазо- и азосоединения.
1. Соли диазония; получение, электронное строение, химические свойства.
2. Азосоединения, азокрасители.
Краткое содержание:
Нуклеофильное замещение диазогруппы (механизм SN1).
Существует большое число реакций солей диазония, в результате которых группа N 2
замещается на другие группы или атомы:
90
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 91 из 123
Эти реакции идут в мягких условиях; в значительной степени это обусловлено тем, что они
сопровождаются выделением бедной энергией химически инертной молекулы азота.
В зависимости от типа и условий проведения реакции ковалентная связь C-N (углерод
бензольного кольца и азот диазогруппы) может претерпевать гетеролитический или
гомолитический разрыв. В первом случае электронная пара переходит к атому азота; такие
реакции можно рассматривать как реакции нуклеофильного замещения диазогруппы. При
этом образуется чрезвычайно неустойчивый реакционноспособный фенил-катион
(медленная стадия)(прим.40), который затем быстро реагирует с нуклеофильным реагентом,
образуя конечный продукт:
Реакции такого типа протекают по механизму SN1. По такому механизму протекают реакции
солей диазония с водой, спиртами и галогенид-анионами:
Гомолитический разрыв связи C-N обычно происходит в присутствии солей меди (I) или
порошкообразной металлической меди. Медь относится к металлам с переменной
валентностью; как металлическая, так и одновалентная медь способны быть донорами
электронов; двухвалентная медь легко восстанавливается до одновалентной, так как при
этом происходит полное заполнение 3d электронного уровня до десяти электронов.
Учитывая это, можно предположить, что гомолитическому разрыву связи C-N в диазонийкатионе предшествует передача электрона от атома меди к положительно заряженному
атому азота. При завершении реакции регенерируется Cu+, поэтому в реакциях такого типа
используют каталитические количества солей меди (I):
С6H5-N+ N + Cu+ .C6H5 + N2 + Cu2+
.C H + X- + Cu2+
C6H5-X + Cu+
6 5
Данные реакции хотя и дают формально продукты нуклеофильного замещения, однако
фактически протекают по радикальному механизму. Ниболее известна реакция Зандмейера:
разложение хлорида арилдиазония под действием полухлористой меди с образованием
арилхлоридов (или соответствующая реакция с бромидами).
Вопросы для самоконтроля:
1. Соли диазония; получение, электронное строение, химические свойства.
2. Азосоединения, азокрасители.
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
91
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 92 из 123
Лекция № 22-23. Многоядерные ароматические соединения с неконденсированными
бензольными кольцами.
1. Дифенил и его получение.
2. Трифенилметильный радикал.
3. Красители трефенилметанового ряда.
Краткое содержание:
Из углеводородов с изолированными бензольными ядрами наибольший интерес
представляют ди- и три-фенилметаны, а также бифенил.(прим.13) Свойства бензольных ядер
в ди-и трифенилметанах такие же, как и в обычных алкилбензолах. Особенности их
химического поведения проявляются в свойствах С-Н связи алифатической
("метановой") части молеулы. Легкость гетеро- или гомолитического разрыва этой связи
зависит прежде всего от возможности делокализации возникающего положительного или
отрицательного заряда (в случае гетеролитического разрыва) или неспаренности электрона (в
случае гомолитического разрыва). В ди- и особенно в три-фенилметановой системе
возможность такой делокализации исключительно велика.
Рассмотрим вначале способность фенилированных метанов к диссоциации С-Н связи с
отщеплением протона ( СН-кислотность ). Сила СН-кислот, как и обычных протонных
ОН-кислот, определяется устойчивостью, а следовательно и легкостью образования,
соответствующих анионов (в рассматриваемом случае - карбанионов). Устойчивость и
легкость образования анионов, в свою очередь, определяются возможностью делокализации
в них отрицательного заряда. Каждое бензольное ядро, связанное с бензильным атомом
углерода, может принимать участие в делокализации возникающего на нем отрицательного
заряда, что можно представить с помощью граничных (резонансных) структур:
Для дифенилметана можно изобразить уже семь граничных структур:
а для трифенилметана - десять:
92
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 93 из 123
Поскольку с числом возможных граничных структур растет способность к делокализации,
ди- и особенно трифенилметил-анионы должны обладать особой устойчивостью.(прим.14) В
связи с этим можно ожидать, что СН-кислотность метанов будет увеличиваться с
увеличением числа фенильных колец, которые могут принимать участие в делокализации
заряда на центральном атоме углерода, т.е. возрастать в ряду
СН4 < С6Н5СН3 < (С6Н5)2СН2 < (С6Н5)3СН
Значения pKa указанных углеводородов, определенные специальными методами,
подтверждают это предположение. Дифенилметан (pKa 33) по кислотности приблизительно
равен аммиаку, а трифенилметан (pKa 31.5) - трет-бутанолу; трифенилметан более чем в 1010
раз кислее метана (pKa~ 40).(прим.15)
Окрашенный в вишневый цвет трифенилметилнатрий обычно получают восстановлением
трифенилхлорметана амальгамой натрия:
В отличие от обычных СН-связей sp3-гибридного атома углерода, бензильная С-Н связь трипара-нитрофенилметана гетеролитически расщепляется уже спиртовой щелочью:
В последнем случае в делокализации отрицательного заряда в анионе помимо трех
бензольных ядер дополнительно участвуют три нитро-группы.
Другой вид гетеролитического расщепления бензильной СН-связи - отрыв гидрид-аниона с
образованием соответствующих карбокатионов бензильного типа:
Поскольку бензольные ядра способны стабилизировать как положительный, так и
отрицательный заряды, фенилированные метаны по гидридной подвижности водорода в
алифатической части составят тот же ряд, что и по протонной подвижности, т.е. СН4<
С6Н5СН3< (С6Н5)2СН2< (С6Н5)3СН.
Однако, экспериментально сравнить легкость отрыва гидрид-аниона, как правило, бывает
трудно, поскольку для осуществления такого отрыва обычно используют весьма активные
кислоты Льюиса. Сравнительные оценки легко могут быть сделаны путем сопоставления
подвижности галогена (обычно хлора) в условиях SN1 реакций, поскольку в этом случае, как
и при отщеплении гидрид-аниона, стадией, определяющей скорость превращения, является
образование соответствующего карбокатиона. Действительно, оказалось, что в указанных
условиях наибольшей подвижностью хлор обладает в трифенилхлорметане, а наименьшей - в
бензилхлориде:
93
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 94 из 123
Ar-CR2-Cl ArCR2+ + Cl-; R = H или R = Ar
скорость реакции: (C6H5)3C-Cl > (C6H5)2CH-Cl > C6H5CH2-Cl
Реакционная способность хлора в первом из них напоминает таковую в хлорангидридах
карбоновых кислот, а во втором - в аллилхлориде. Ниже приведены данные об
относительных скоростях сольволиза хлоридов R-Cl в муравьиной кислоте при 25о С:
R-Cl + HCOOH R-O-C(O)H + HCl
R
CH2=CH-CH2
Относительные 0.04
скорости
C6H5-CH2
(CH3)3C
(C6H5)2CH
(C6H5)3C
0.08
1
300
3.106
Сравнительная устойчивость трифенилметильного ( тритильного ) катиона подтверждается
также многими другими экспериментальными данными. Примером может служить легкость
образования его солей с ненуклеофильными анионами, растворы которых в полярных
апротонных растворителях электропроводны (а, значит, имеют ионное строение) и
характерно окрашены в желтый цвет:
О том же свидетельствует способность трифенилхлорметана к диссоциации
трифенилметил-катион и хлорид-анион в растворе жидкого диоксида серы:
на
Устойчивость трифенилметильного катиона может быть еще увеличена введением в
бензольные кольца электронодонорных групп (например, амино-, алкил- и диалкиламино-,
гидроксильной, алкоксильной). Дальнейшее увеличение устойчивости карбокатиона
приводит к ситуации, когда он становится устойчивым в водном растворе, то есть
равновесие реакции
сдвинуто влево. Подобные тритильные катионы не только устойчивы, но и окрашены.
Примером может служить интенсивно окрашенный в фиолетовый цвет три(4диметиламинофенил)метильный катион. Его хлорид применяют в качестве красителя под
названием " кристаллический фиолетовый" . В кристаллическом фиолетовом
положительный заряд рассредоточен между тремя атомами азота и девятью атомами
углерода бензольных ядер. Участие одного из трех пара-диметиламинофенильных
заместителей в делокализации положительного заряда может быть отражено с помощью
следующих граничных структур:
I
Все трифенилметановые красители, содержащие аминные или замещенные аминные группы
в бензольном кольце(прим.16) , приобретают окраску в кислой среде, которая, как показано
94
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 95 из 123
выше на примере кристаллического фиолетового, способствуют возникновению структуры с
протяженной цепью сопряжения (структура I на схеме) - так называмой хиноидной
структуры . Ниже приведены формулы наиболее распространенных трифенилметановых
красителей.
R = CH3 малахитовый зеленый
(п-R2N-C6H4)2C+(C6H5)ClR = C2H5 бриллиантовый зеленый
R = H фиолетовый Дебнера
R = H парафуксин
(п-R2N-C6H4)3C+ClR = CH3 кристаллический фиолетовый
Аналогичное рассмотренному выше для трифенилметильных аниона и катиона влияние
должны оказывать бензольные ядра и на устойчивоть трифенилметильного радикала. В
последнем случае легкость разрыва связи, образованной центральным атомом углерода с
"не-фенильным" заместителем, обусловлена, в известной степени, и другими причинами.
Дело в том, что в трифенилметане, трифенилхлорметане, трифенилкарбиноле и т.п.
центральный атом углерода находится в sp3-гибридном состоянии и в соответствии с этим
имеет тетраэдрическую конфигурацию. По этой причине фенильные ядра расположены не в
одной плоскости и не сопряжены. При переходе к трифенилметил-катиону
(гетеролитический разрыв) или радикалу (гомолитический разрыв) центральный атом
углерода оказывается в sp2-гибридном состоянии; в результате этого структура
уплощается(прим.17) и взаимодействие (сопряжение) между тремя фенильными ядрами
усиливается. Это частично компенсирует энергетические затраты, связанные с
рассматриваемой диссоциацией, и таким образом облегчает ее.
Трифенилметильный радикал может быть генерирован из соответствующего хлорида
действием цинка, меди или серебра, которые в этом случае выступают в качестве доноров
электрона:
Этот радикал достаточно устойчив и в разбавленных растворах (в эфире, бензоле)
димеризуется лишь частично. Долгое время этому димеру приписывали структуру
гексафенилэтилена, однако оказалось, что на самом деле при димеризации возникает связь
между центральным углеродным атомом одного радикала и пара-положением одного из
фенильных ядер другого радикала :
По-видимому, в рассматриваемом случае один трифенилметильный радикал атакует
наименее пространственно затрудненное место другого, причем, естественно одно из тех
мест, которое участвует в делокализации неспаренного электрона.
Степень диссоциации таких димеров сильно зависит от природы арильных радикалов. Так, в
0.1 М бензольном растворе при 25о трифенилметильный радикал димеризован на 97%, а три4-нитрофенилметильный не димеризуется вообще.
Вопросы для самоконтроля:
1. Дифенил и его получение.
2. Трифенилметильный радикал.
3. Красители трефенилметанового ряда.
95
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 96 из 123
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция № 24-25. Ароматические углеводороды с конденсированными бензольными
кольцами.
1. Строение, химические свойства, изомерия.
2. Диеновый синтез.
Краткое содержание:
Правило Хюккеля об ароматичности (4n+2) -электронной системы выведено для
моноциклических систем. На полициклические конденсированные (т.е. содержащие
несколько бензольных колец с общими вершинами) системы оно может быть перенесено для
систем, имеющих атомы, общие для двух циклов, например, для показанных ниже
нафталина, антрацена, фенантрена, бифенилена:
нафталин
фенантрен
антрацен
бифенилен
Для соединений, имеющих хотя бы один атом, общий для трех циклов (например для
пирена), правило Хюккеля неприменимо.
Бициклические аннулены - нафталин или азулен являются электронными аналогами [10]аннуленов с десятью -электронами (см.раздел ii.2). Оба этих соединения обладают
ароматическими свойствами, но нафталин бесцветен, а азулен окрашен в темно-синий цвет,
поскольку в его строение существенный вклад вносит биполярная структура,
представляющая собой сочетание ядер циклопентадиенил-аниона и катиона тропилия:
Реакционная способность конденсированных ароматических углеводородов несколько
повышена по сравнению с моноциклическими аренами: они легче окисляются и
восстанавливаются, вступают в реакции присоединения и замещения.
АРОМАТИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
НАФТАЛИНОВОГО
РЯДА
1. Синтез a- и b-замещенных производных нафталина. Нафталин является главным
компонентом каменноугольной смолы. Он имеет исключительное значение в синтезе многих
промышленных продуктов, включая индиго и азокрасители. Однако его использование как
репеллента, отпугивающего моль, сократилось с введением таких новых средств, как пдихлорбензол. Его монозамещенные производные обозначаются как a- или b- в соответствии
с положением заместителя (см. табл. 4 в разд. III). Положения в полизамещенных
производных обозначаются цифрами. Вообще говоря, a-положение проявляет более высокую
реакционную способность. Нитрование, галогенирование и низкотемпературное
сульфирование ведут к a-производным. Доступ к b-положению достигается главным образом
посредством высокотемпературного сульфирования. В этих условиях a-сульфокислота
перегруппировывается в более устойчивую b-форму. Введение других заместителей в bположение становится после этого возможным при помощи реакции Бухерера: сначала из bнафталинсульфокислоты щелочным плавлением получают b-нафтол b-C10H7OH, который
затем при обработке бисульфитом аммония при 150° С и 6 атм дает b-нафтиламин b96
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 97 из 123
C10H7NH2; через соединения диазония, получаемые из этого амина обычным путем, теперь
можно ввести в b-положение галоген или цианогруппу. Реакция Фриделя - Крафтса между
нафталином и хлорангидридом также дает b-ацилпроизводные b-C10H7COR.
2. Реакции замещения производных нафталина. Реакции производных нафталина те же,
что и реакции производных бензола. Так, нафталинсульфокислоты служат источником
нафтолов; нафтиламины через соли диазония превращаются в галогено- и цианнафталины.
Поэтому особое обсуждение реакций соединений нафталина будет опущено. Однако реакции
замещения в производных нафталина представляют определенный интерес. 1) При наличии
о,п-ориентанта (-CH3, -OH) в 1(a)-положении атака направляется преимущественно в
положение 4 и затем в положение 2. 2) В присутствии м-ориентанта (-NO2) в положении 1
атака направляется в положение 8 (пери) и затем в положение 5. 3) При наличии о,пориентанта в положении 2 (b) атаке подвергается преимущественно положение 1, хотя
сульфирование может происходить в положении 6. Особенно важно, что никогда не
подвергается атаке положение 3. Это объясняют низкой степенью двоесвязности углеродуглеродной связи 2-3. В нафталине замещение протекает в более мягких условиях, чем в
бензоле. Нафталин также легче восстанавливается. Так, амальгама натрия восстанавливает
его в тетралин (тетрагидронафталин; формулу см. в табл. 4 в разд. III). Он также более
чувствителен к окислению. Горячая концентрированная серная кислота в присутствии ионов
ртути превращает его во фталевую кислоту (см. разд. IV-3.А.2 "Ароматические кислоты").
Хотя в толуоле метильная группа окисляется раньше кольца, в b-метилнафталине положения
1,4 более подвержены окислению, так что первым продуктом является 2-метил-1,4нафтохинон:
Антрацен и его производные. Антрацен (формулу см. в табл. 4, разд. III) содержится в
значительных количествах в каменноугольной смоле и находит широкое применение в
промышленности как промежуточное вещество в синтезе красителей. Положения 9,10
высокореакционноспособны в реакциях присоединения. Так, водород и бром легко
присоединяются, давая соответственно 9,10-дигидро- и 9,10-дибромантрацен. Окисление
хромовой кислотой превращает антрацен в антрахинон.
Антрахинон (т. пл. 285° С) представляет собой желтое кристаллическое вещество. Наиболее
общий способ получения антрахинона и его производных состоит в циклизации обензоилбензойных кислот при действии серной кислоты
о-Бензоилбензойные кислоты получают действием фталевого ангидрида на бензол (или
соответствующее его производное) в присутствии хлорида алюминия. Антрахинон
чрезвычайно устойчив к окислению. Такие восстановители, как цинковая пыль и щелочь или
бисульфит натрия, превращают его в антрагидрохинон (9,10-дигидроксиантрацен), белое
вещество, растворяющееся в щелочи с образованием кроваво-красных растворов. Олово и
соляная кислота восстанавливают одну кетогруппу в метиленовую, образуя антрон.
Нитрование в жестких условиях дает главным образом a(1)-производное вместе с заметным
количеством 1,5- и 1,8-динитроантрахинонов. Сульфирование серной кислотой приводит к
образованию главным образом b(2)-сульфокислоты, но в присутствии небольших количеств
сульфата ртути основным продуктом является a-сульфокислота. Дисульфирование в
присутствии сульфата ртути дает в основном 1,5- и 1,8-дисульфокислоты. В отсутствие
ртути образуются 2,6- и 2,7-дисульфокислоты. Сульфокислоты антрахинона имеют большое
значение, так как из них щелочным плавлением получают гидроксиантрахиноны, многие из
97
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 98 из 123
которых являются ценными красителями. Так, окислительное щелочное плавление bсульфокислоты дает краситель ализарин (1,2-дигидроксиантрахинон), который в природе
содержится в корнях марены. Сульфокислотные группы в антрахиноне можно также
непосредственно заменить аминогруппами с образованием аминоантрахинонов,
представляющих собой ценные красители. В этой реакции натриевую соль сульфокислоты
обрабатывают аммиаком при 175-200° С в присутствии мягкого окислителя (например,
мышьяковокислого натрия), добавляемого, чтобы разрушить образующийся сульфит.
2. Фенантрен и его производные. В природе фенантрен находится в каменноугольной
смоле. Он сам и его производные могут быть получены из о-нитростильбенкарбоновой
кислоты, образующейся конденсацией о-нитробензальдегида и фенилуксусной кислоты по
методу Пшорра:
Двойная связь в положении 9,10 высокореакционноспособна; она легко присоединяет бром и
водород и претерпевает окисление сначала в 9,10-фенантрахинон, а затем до дифеновой
кислоты
Реакции замещения в фенантрене обычно идут в положения 2, 3, 6 и 7.
3. Высшие многоядерные углеводороды привлекают к себе внимание главным образом в
связи с их высокой канцерогенной активностью. Вот некоторые примеры:
Красители пирантрон, идантреновый желтый и виолантрон являются кетопроизводными
сложных многоядерных углеводородов
Вопросы для самоконтроля:
1. Строение, химические свойства, изомерия.
2. Диеновый синтез.
Рекомендуемая литература:
98
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 99 из 123
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция № 26. Пятичленные гетероциклические соединения.
1. Определение, номенклатура, электронное строение.
2. Получение и химические свойства.
Краткое содержание:
Гетероциклические соединения - это углеродные циклические соединения, в которых один
или несколько атомов кольцевой системы являются отличными от углерода неметаллами
(кислородом, азотом или серой). Как и карбоциклические соединения, гетероциклы можно
подразделить на имеющие ароматический характер и продукты восстановления таких
ароматических гетероциклов, которые аналогично алициклическим соединениям
обнаруживают свойства и реакции, сходные со свойствами и реакциями алифатических
соединений. Гетероциклы удобно классифицировать а) по числу атомов в кольце, б) по числу
и природе гетероатомов. Ненасыщенные гетероциклы, обнаруживающие максимально
ароматический характер, берутся в качестве ключевых представителей каждой циклической
системы.
А.
ПЯТИЧЛЕННЫЕ
ГЕТЕРОЦИКЛЫ
1. Один гетероатом
2. Два гетероатома
3. Три и более гетероатомов
Резонанс (см. "Резонанс" в начале разд. IV-3) пятичленных колец включает значительный
вклад следующих структур:
Приобретенная таким путем энергия резонанса делает эти системы весьма устойчивыми к
реакциям присоединения по двойным связям, и они вступают во многие типичные реакции
ароматического замещения.
99
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 100 из 123
Все многообразие ароматических гетероциклических соединений может быть формально
произведено из карбоциклических ароматических соединений двумя способами.
1-ый способ: =СН-группа карбоцикла заменяется на гетероатом, способный предоставить в
ароматическую систему один электрон, находящийся на р-орбитали, перпендикулярной
плоскости цикла. К гетероатомам и группам, изоэлектронным =СН-группе, относятся: =N-,
=N+-R, =O+-, =S+-. Замена =СН-группы в бензоле на эти группы приводит к шестичленным
гетероциклам: пиридину , ионам пиридиния, пирилия и тиопирилия.(прим.18)
В пиридине неподеленная электронная пара атома азота находится на sp2-гибридной
орбитали и не принимает участия в создании ароматического секстета -электронов; наличие
неподеленной пары электронов у азота обусловливает свойства пиридина как типичного
третичного амина.
2-ой способ: замена фрагмента -СН=СН- на гетероатом, имеющий неподеленную пару рэлектронов, которая принимает участие в создании ароматической -электронной системы.
Например, группировка -СН=СН- в бензоле может быть заменена на гетероатомы и группы: O-, -S-, -Se-, -NH-, -NR-. Такая замена приводит к наиболее известным пятичленным
гетероциклам: фурану, тиофену, селенофену и пирролу .
Введение гетероатома в карбоциклическую ароматическую систему не нарушает
замкнутости электронной оболочки, но значительно отражается на распределении
электронной плотности и, как следствие на реакционной способности.
Ориентация замещения в конденсированных ароматических системах
Как отмечалось ранее (раздел II.6), энергия стабилизации двух конденсированных
ароматических ядер бензола меньше, чем для двух изолированных бензольных ядер. Отсюда
следует, что все реакции нафталина, при которых одно из бензольных ядер теряет
ароматичность, а другое сохраняется, будет сопровождаться потерей не 150 кДж/моль
энергии, как в случае бензола, а лишь 105 кДж/ моль (255-150 кДж/моль = 105 кДж/
моль)(прим.32). Это, очевидно, и является причиной повышенной по сравнению с бензолом
реакционной способности нафталина, а также последовательности протекания
гидрирования (бензольные ядра гидрируются последовательно, а не оба одновременно; см.
также раздел IV.4).
Для замещении в нафталине возможно образование двух региоизомерных продуктов при
атаке электрофила в - или в -положение. Потеря в энергии стабилизации при этом будет
одинаковой. Однако, атомы водорода в -положении обладают более высокой реакционной
способностью. Это можно объяснить, рассмотрев возможность делокализации
положительного заряда в соответствующих -комплексах.
Электрофильная атака по -положению:
100
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 101 из 123
Заметный вклад в делокализацию положительного заряда могут вносить только граничные
структуры I и II, в которых ароматическая система нарушена только частично (сохраняется
ароматический секстет электронов в одном из шестичленных циклов), а не структуры Ш-V, в
которых она нарушена полностью.
Электрофильная атака по -положению:
В этом случае заметный вклад в делокализацию положительного заряда в -комплексе может
внести только граничная структура VI, так как в остальных структурах VII-X полностью
нарушена ароматическая система.
Таким образом, поскольку при -атаке электрофила число граничных структур, вносящих
вклад в делокализацию положительного заряда, больше, такая ориентация электрофильного
замещения предпочтительна:
Еще более высокой реакционной способностью по сравнению с бензолом обладает антрацен.
При этом во всех случаях атака электрофильных реагентов происходит по центральному
ядру, а периферийные бензольные ядра сохраняются. Подобная закономерность может быть
объяснена, как и в случае нафталина, изменениями в энергии стабилизации антрацена в
результате превращения. Энергия стабилизации антрацена , определенная из результатов
измерения теплоты его гидрирования, составляет 351 кДж/моль. В продуктах присоединения
в положения 9,10- сохраняются два бензольных ядра, энергия стабилизации которых
составляет 300 кДж/моль (150 кДж/моль х 2). Следовательно, потери в энергии стабилизации
при образовании -комплекса составляют всего 50 кДж/моль (351-300 кДж/моль), то есть в
три раза меньше, чем в реакциях бензола, и вдвое меньше, чем в реакциях нафталина.
При участии в реакции замещения периферийных бензольных ядер антрацена потери в
энергии стабилизации были бы существенно большими. При этом сохранилась бы
ароматическая система антрацена с ее энергией стабилизации 255 кДж/моль, и потеря
энергии составила бы 96 кДж/моль (351-255 кДж/моль).
Фенантрен несколько более устойчив к действию электрофильных агентов, чем антрацен
(энергия его стабилизации - 385 кДж/моль), реакции замещения (а также окисления - см.
раздел IV.3) также протекают по центральному бензольному ядру:
Вопросы для самоконтроля:
1. Определение, номенклатура, электронное строение.
2. Получение и химические свойства.
101
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 102 из 123
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3.
Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция № 27. Шестичленные гетероциклические соединения.
1. Пиридин: строение, валентное состояние, атомов азота в ядре.
2. Химические свойства.
Краткое содержание:
1. Один гетероатом
2. Два гетероатома
Важные ряды соединений в каждом классе получают конденсацией гетероциклического
кольца с одним или несколькими бензольными, например:
Гетероциклические системы широко распространены в природе, особенно в алкалоидах,
растительных пигментах (антоцианины, флавоны), порфиринах (гемин, хлорофилл) и
витаминах группы В (тиамин, рибофлавин, фолевая кислота). Ниже рассмотрены подробнее
некоторые
гетероциклические
соединения.
Г.
ПРАКТИЧЕСКИ
ВАЖНЫЕ
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Фуран, летучая жидкость, устойчивая к действию щелочей, но чувствительная к кислотам
Его легче всего получить декарбоксилированием пирослизевой кислоты (2,5дикарбоксифурана), продукта пиролиза слизевой (тетрагидроксиадипиновой) кислоты.
102
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 103 из 123
Наиболее общим методом получения фурановых производных является дегидратация gдикетонов над хлоридом цинка:
Сухая перегонка пентоз HOCH2(CHOH)3CHO дает фурфурол (a-формилфуран). Фурфурол
проявляет многие свойства ароматического альдегида. Так, подобно бензальдегиду, он
вступает в реакцию Канниццаро и в бензоиновую конденсацию. Кумарон (бензофуран) (см.
выше "Конденсированные гетероциклические системы") вместе с его гомологами
содержится в каменноугольной смоле. Он имеет некоторую ценность для получения
кумароновых смол, которые образуются при его обработке серной кислотой. Производные
кумарона могут быть получены разложением дибромкумаринов щелочью:
или действием щелочи на о-гидрокси-b-хлорстирол, о-HO-C6H4-CH=CH-Cl. Кумароновая
структура встречается во многих природных растительных веществах, которые являются
мощными инсектицидами и ядами для рыб, например:
Тиофен (формулу см. выше, т. кип. 84° С) содержится в каменноугольной смоле и
сопровождает бензол при ее фракционировании. Его можно удалить из бензола осаждением
комплекса с ацетатом ртути, из которого при обработке соляной кислотой можно
регенерировать тиофен. Серная кислота также удаляет его из бензола путем образования aтиофенсульфокислоты. Производные тиофена можно получить следующими способами: 1)
перегонкой янтарных кислот или g-кетокислот с P2S3:
2) перегонкой g-дикетонов с P2S5:
Тиофен и его гомологи очень устойчивы к окислению или восстановлению кольца. Реакции
103
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 104 из 123
ароматического замещения (сульфирование, нитрование и т.д.) идут в a-положение.
Тионафтен (бензотиофен) получают окислением о-меркаптокоричной кислоты красной
кровяной солью (феррицианидом калия). Его 3-гидроксипроизводное, имеющее большое
промышленное значение в химии красителей, получают действием уксусного ангидрида на
о-карбоксифенилтиогликолевую кислоту о-HOOCC6H4-S-CH2COOH. Оно легко сочетается
с солями диазония в положение 2, давая азокрасители, и конденсируется с альдегидами и
кетонами, образуя тиоиндигоидные красители.
Пиррол (формулу см. выше), бесцветная, приятно пахнущая жидкость, содержащаяся в
каменноугольной смоле, легко полимеризуется на воздухе. У него практически нет свойств
основания, он устойчив к окислителям и щелочам, но легко полимеризуется в форме
компонентов белков (пролин, триптофан), алкалоидов (никотин, атропин) и порфиринов
(гемин, хлорофилл). Производные пиррола можно получить: 1) перегонкой сукцинимидов
с цинковой пылью; 2) нагреванием g-дикетонов с аммиаком; 3) нагреванием слизевой
кислоты (см. выше) с аммиаком или первичными аминами; 4) одновременным
восстановлением эквивалентных количеств b-кетоэфира и изонитрозокетона
Пирролы вступают в типичные реакции ароматического замещения в a-положение.
Обработка реактивов Гриньяра превращает их в a-пиррилмагнийгалогениды
которые вступают в типичные реакции Гриньяра. Расширения кольца с образованием
пиридиновой системы можно достичь: 1) обработкой хлороформом и этилатом натрия
2) пропусканием a-алкилпирролов через трубку, нагретую до красного каления
104
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 105 из 123
Восстановление путем каталитического гидрирования под давлением, хотя и медленно, ведет
к пирролидинам:
Индол (бензопиррол; формулу см. в табл. 4, разд. III) содержится в каменноугольной смоле и
эфирных маслах цветов апельсина и жасмина. Производные индола получают: 1) из оаминофенилацетальдегида о-H2NC6H4CH2CH=O отщеплением воды; 2) нагреванием
гидрохлоридов о-оў-диаминостильбенов:
3) из фенилгидразонов нагреванием с галогенидами меди или цинка
По своим реакциям индол похож на пиррол с тем исключением, что в реакциях замещения
участвует b-положение. Заслуживают упоминания следующие производные индола: 1)
скатол (b-метилиндол), вещество с неприятным запахом, присутствующее в экскрементах; 2)
триптофан (b-(b-индолил)аланин), аминокислота, встречающаяся во многих белках; 3)
гетероауксин (b-индолилуксусная кислота или 3-индолилуксусная кислота), фактор роста
растений; 4) индиго
Вопросы для самоконтроля:
1. Пиридин: строение, валентное состояние атомов азота в ядре.
2. Химические свойства.
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3. Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция № 28-29. Гетероциклические соединения с несколькими гетероатомами.
1. Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами.
2. Шестичленные гетероциклы с несколькими гетероатомами.
3. Пуриновые основания.
Краткое содержание:
Оксазол (формулу см. выше) известен в чистом виде. Его производные можно получить
конденсацией амидов с a-галогенокетонами:
105
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 106 из 123
или действием пентахлорида фосфора на ациламинокетоны:
Оксазолы - слабые основания, чувствительные к расщеплению сильными кислотами.
Изоксазол
и его производные представляют меньший интерес. Они могут быть получены
дегидратацией монооксимов b-дикетонов. Тиазол и его гомологи - слабые основания, в
которых кольцо обнаруживает высокую устойчивость к окислению, восстановлению и
действию сильных кислот
Тиазолы можно получить из a-ациламинокетонов действием P2S5, а также реакцией
тиоамидов с a-галогенокетонами:
Сильные кислоты превращают тиазолы в соли (C3H3SN + HX (r) C3H3SNH+X-), которые
устойчивы, но заметно гидролизуются в водных растворах. С алкилгалогенидами образуются
N-замещенные соли тиазолия, содержащие четвертичный азот:
Наиболее важным природным соединением, содержащим тиазольное кольцо, является
витамин B1 (тиамин). Ценный химиотерапевтический препарат сульфатиазол получают
действием N-ацетилсульфанилхлорида на 2-аминотиазол с последующим удалением
ацетильной группы гидролизом:
Имидазол (глиоксалин) и его гомологи
получают из альдегидов, a-дикетонов и аммиака:
106
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 107 из 123
Их также можно приготовить взаимодействием амидинов
с a-галогенокетонами. Имидазолы - более сильные основания, чем пирролы. С
алкилгалогенидами они дают N-алкилимидазолы. Эти вещества при пропускании через
трубку при температуре красного каления изомеризуются в 2-алкилимидазолы; при
взаимодействии со второй молекулой алкилгалогенида они превращаются в соли
имидазолия, содержащие четвертичный азот
Действие реактивов Гриньяра RMgX на имидазолы ведет к соответствующим 2имидазолилмагнийгалогенидам C3H3N2MgX, которые вступают в реакции, обычные для
реактивов Гриньяра. Имидазольное кольцо встречается во многих природных соединениях, в
том числе в аминокислоте гистидине (см. разд. IV-1.Б.4, "Аминокислоты"), алкалоидах
группы пилокарпина и пуриновых основаниях. Пиразол и его производные - только
синтетические соединения; кольцевая система пиразола
не встречается в природе. Пиразолы получают взаимодействием гидразина с b-дикетонами:
или действием диазоалканов на ацетилен:
Реакция фенилгидразина с a,b-ненасыщенными
дигидропиразолы, или пиразолины:
кетонами
или
эфирами
дает
Эти соединения легко окисляются в соответствующие пиразолы. Пиразольное кольцо очень
устойчиво к окислению, восстановлению и действию сильных кислот. Пиразолиниевые соли,
получаемые действием сильных кислот на пиразолины, нестойки и разлагаются в вакууме.
Наиболее важный класс пиразолов - пиразолоны
получаемые действием гидразина и его производных на b-кетоэфиры, например,
Пиразолоны ведут себя как смесь трех таутомерных (т.е. находящихся в равновесии) форм,
например:
107
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 108 из 123
1-Фенил-3-метилпиразол-5 является важным веществом. Окисление красной кровяной солью
(феррицианидом калия) превращает его в индигоидный краситель пиразоловый голубой:
Метилирование (CH3I при 100° С) превращает его в жаропонижающий препарат антипирин
(1-фенил-2,3-диметилпиразолон), 4-N-диметиламинопроизводное которого представляет
собой аналогичное лекарственное средство амидопирин (пирамидон). Кольцевые системы с
тремя и более гетероатомами не представляют практического интереса. Все они устойчивы к
окислению, восстановлению и действию сильных кислот. Фуразаны получают
дегидратацией диоксимов a-дикетонов. 1,2,3-Триазолы и тетразолы также относятся к этой
группе соединений.
Вопросы для самоконтроля:
1. Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами.
2. Шестичленные гетероциклы с несколькими гетероатомами.
3. Пуриновые основания.
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3. Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Лекция № 30. Небензоидные ароматические системы ароматические системы.
1. Циклопропенилий - катион. Понятие об антиароматичности.
2. Тенденция в развитии химии ароматических соединений.
Краткое содержание:
Системы, удовлетворяющие всем условиям, рассмотренным выше (плоские циклы с
непрерывной системой π-орбиталей), но числом электронов 4n, считаются
антиароматическими – то есть реально несуществующими. Но если в случае ароматичности
мы имеем дело с реальными молекулами, то в случае антиароматичности проблема сложнее.
Важно понять, что настоящая антиароматическая система находится не в минимуме, а в
максимуме потенциальной энергии, то есть представляет собой не молекулу, а переходное
состояние. Антиароматичность – чисто теоретическая концепция, описывающая, почему
некоторые циклические сопряженные системы или совсем неустойчивы и не могли быть
получены даже ценой огромных усилий, или проявляют явные тенденции к существованию в
виде обычного полиена с чередующимися простыми и кратными связями.
Например, циклобутадиен был бы антиароматичен, если бы существовал в виде квадратной
молекулы со связями одинаковой длины. Но такой квадратной молекулы в Природе нет.
Поэтому корректно следует сказать так: гипотетический квадратный циклобутадиен
антиароматичен, и поэтому не существует. Экспериментально, при очень низких
температурах выделяли замещенные циклобутадиены, но они по структуре оказывались
108
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 109 из 123
типичными неароматическими диенами – имели ясное различие между короткими двойными
и длинными простыми связями.
Реально существующие плоские сопряженные молекулы с 4n электронами всегда
представляют собой высокореакционноспособные неароматические полиены. Например,
бензоциклобутадиен реально существует (8 электронов во внешнем контуре), но обладает
свойствами чрезвычайно активного диена.
Антиароматичность – исключительно важное понятие в теории ароматичности. Теория
ароматичности предсказывает как существование особо стабильных ароматических систем,
так и нестабильность антиароматических систем. Оба этих полюса важны.
Антиароматичность – очень важное понятие в химии. Все ненасыщенные сопряженные
циклические системы, содержащие антиароматическое число π-электронов, всегда обладают
очень высокой реакционной способностью в различных реакциях присоединения.
Что не годится или не вносит вклад в ароматическую систему:
а) ониевые формы катионных центров – то есть катионы, содержащие полный октет
электронов. При этом такой центр разрывает сопряженную систему, например, Nметилпиррол ароматичен (6 электронов в цикле), а N,N-диметилпирролий неароматичен
(аммонийный азот не вносит вклад в π-систему):
Внимание – если ониевый центр является частью кратной связи, то именно кратная связь
участвует в образовании ароматической системы, поэтому, например, ароматичен Nметилпиридиний (6 π-электронов, по два от каждой из трех кратных связей).
Очень большое подспорье в рассмотрении аналогичных систем дает концепция
изоэлектронности. Изоэлектронные системы обычно аналогичны и в смысле
ароматичности. В этом смысле, например, N-метилпиридиний изоэлектронен метилбензолу.
Оба, очевидно, ароматичны.
б) неподеленные пары, лежащие в плоскости кольца. На одном атоме только одна πорбиталь может вносить вклад в ароматическую систему. Поэтому, в циклопентадиениланионе карбанионный центр дает вклад в 2 электрона, а в фенил-анионе атом углерода
карбанионного центра дает вклад в 1 электрон, как и в молекуле бензола. Фенил-анион
изоэлектронен пиридину, циклопентадиенил-анион – пирролу.
Все ароматичны.
в) Экзоциклическая двойная связь или радикальный центр. Такие структуры, как правило,
неароматичны, хотя каждая такая структура нуждается в особом рассмотрении с
привлечением реальных экспериментальных данных.
Например, хиноны неароматичны, хотя а) обладают плоскими полностью сопряженными
циклами, содержащими 6 электронов (четыре от двух кратных связей в цикле плюс два от
двух экзоциклических связей).
109
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 110 из 123
Наличие в некоторой сопряженной структуре так называемых хиноидных фрагментов, то
есть систем связей с двумя экзоциклическими двойными связями, всегда является
источником нестабильности, и благоприятствует процессам, переводящим систему с
хиноидным фрагментом в нормальную ароматическую систему. Так, антрацен является 14электронной ароматической системой, содержащей хиноидный фрагмент, поэтому, антрацен
легко присоединяет бром или диенофилы, так как в продуктах уже два полноценных
ароматических бензольных кольца:
Вопросы для самоконтроля:
1. Циклопропенилий - катион.
2. Понятие об антиароматичности.
3. Тенденция в развитии химии ароматических соединений.
Рекомендуемая литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3. Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
Методические указания
для проведения лабораторных занятий.
Выполнение лабораторных работ способствует укреплению знаний по органической
химии, развивает у студента самостоятельность и прививает навыки проведения
эксперимента. Для того чтобы работа в лаборатории проходила успешно, необходимо
предварительно изучить теоретический материал по учебникам, записям лекций и пособиям
по химическим практикумам. Этим вырабатывается сознательное отношение к выполнению
техники эксперимента, сама работа будет осмыслена, а, следовательно, и понята.
Работающим в лаборатории химии необходимо неукоснительно соблюдать правила
техники безопасности и правила работы с химической посудой и приборами. Нужно
научиться пользоваться химическими реактивами, химическим оборудованием, которые
перечислены в руководствах для работ по химическому практикуму.
Успех экспериментальной работы зависит не только от правильности выбора методов
работы, последовательности выполнения измерений, взвешиваний, но и от правильной
систематической записи результатов.
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, получившие допуск
после проверки преподавателем теоретических знаний по теме, знания методики выполнения
лабораторных работ и подготовившие лабораторный журнал к ведению записей по теме.
110
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 111 из 123
После выполнения лабораторной работы студент должен навести порядок на своем рабочем
месте и сдать его дежурному или лаборанту. После оформления результатов в лабораторном
журнале студент должен сдать отчет преподавателю.
Каждая лабораторная работ оформляется в лабораторном журнале в виде отчёта в
лабораторном журнале и должна содержать следующие обязательные компоненты:
1. Дата проведения
2. Лабораторная работа №
3. Тема лабораторной работы
4. Цель работы
5. Описание опытов, наблюдаемых явлений, запись уравнений реакций и выводов
Задания к лабораторным работам, контрольные вопросы и задачи по теме приведены в
учебнике Смолина Т,А. и др. Практические работы по органической химии, М, 1986.
План лабораторных занятий
по курсу «Функциональные производные органических молекул».
№
Наименование тем
1
1.
2
Моносахариды. Оптическая изомерия.
1. Реакции на гидроксильные группы в
моносахаридах
2. Реакции на карбонильные группы в
моносахаридах
3. Осмоление моносахаридов
4. Цветные реакции на моносахариды
2.
Дисахариды
4
1. Реакции на гидроксильные группы
в
дисахаридах
2. Реакции дисахаридов по карбонильным
группам
3. Гидролиз сахарозы
4. Реакции сахарозы с сульфатами никеля и
кобальта
2
Полисахариды
1. Качественные реакции на углеводы
2. Кислотный гидролиз крахмала
3. Свойства целлюлозы
4. Мутаротация глюкозы
3.
4.
5.
Кол-во часов
3
4
Фенолы
4
1. Реакция фенола с хлоридом железа (111),
азотистой кислотой
2. Образование и разложение фенолятов
3. Получение и свойства пикриновой кислоты
4. Сульфирование фенола
5. Окисление гидрохинона
Ароматические альдегиды и кетоны
4
1. Окисление альдегидов
2. Взаимодействие ароматических альдегидов со
щелочами
Руководс
тво
4
/ 1 / Смолина Т,А. и
др.
Практические
работы
по
органической
химии,
М,
1986.Работа
№ 77-80,
Стр 128-134
/1/
Работа № 81-84, 8687,
Стр 134-148
/1/
Работа № 88 а-е,
Стр 147-148
/1/
Работа
№
107,109-114
Стр 153-160
/1/
Работа
№
117,119-120,
Стр 160-165
100-
115-
111
УМКД 042_____/03-2013
6.
7.
8.
9.
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
3. Получение
производных
ароматических
альдегидов и кетонов
4. Конденсация бензальдегида с анилином.
Карбоновые кислоты ряда бензола.
1.Получение бензойной кислоты окислением
бензальдегида
2. Взаимодействие бензойной, салициловой,
коричной кислот с перманганатом калия
3. Взаимодействие бензойной, салициловой
кислот с хлоридом железа (111)
4. Отношение бензойной, салициловой кислот к
нагреванию
5.
Образование
и
свойства
эфиров
ароматических кислот
Ароматические диазо- и азосоединения.
1.Поучение солей диазония
2.Реакции солей диазония с выделением азота
3.Реакции солей диазония без выделения азота.
Азосочетание
4.Образование диазоаминобензола
Многоядерные ароматические соединения с
неконденсированными бензольными кольцами.
1. Получение красителя фенолфталеина
2.Получение флуоресцеина
3. Получение эозина
4. Получение аурина
5. Свойства фуксина
6. Восстановление фуксина
Ароматические
углеводороды
с
конденсированными бензольными кольцами.
1. Нитрование, сульфирование нафталина
2. Реакции α -, β – нафтолов
3. Нитрование, окисление антрацена
стр. 112 из 123
4
/1/
Работа № 122-130,
Стр 165-170
4
/1/
Работа № 144-150
Стр 177-184
2
/1/
Работа № 152-153
Стр 182-187
2
/1/
Работа № 155-160
Стр 187-192
30 ч.
Цель лабораторных занятий и вопросы для самоконтроля.
№
1
1.
Наименование тем
2
Моносахариды.
Оптическая
изомерия.
1. Реакции на гидроксильные
группы в моносахаридах
2. Реакции на карбонильные
группы в моносахаридах
3. Осмоление моносахаридов
4. Цветные реакции на
моносахариды
Цель занятия
Вопросы
самоконтроля
для
3
Освоить
методы
получения и
изучить
экспериментально
свойства моносахаридов
4
1. Напишите уравнение
реакции
глюкозы
с
гидроксидом меди (11)
2. Напишите уравнение
реакции
глюкозата
кальция
и
взаимодействия его с
оксидом углерода (IV).
3. Почему глюкоза не
даёт некоторых реакций
на
карбонильные
группы?
112
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 113 из 123
4. Что такое реактив
Фелинга?
5. Какой моносахарид –
глюкоза Или фруктоза
легче
окисляется
бромом?
2.
Дисахариды
1. Реакции на гидроксильные
группы в дисахаридах
2. Реакции дисахаридов по
карбонильным группам
3. Гидролиз сахарозы
4.
Реакции
сахарозы
с
сульфатами никеля и кобальта
3.
Полисахариды
1. Качественные реакции на
углеводы
2. Кислотный
гидролиз
крахмала
3. Свойства целлюлозы
4. Мутаротация глюкозы
1
4.
Фенолы
1. Реакция
фенола
с
хлоридом железа (111),
азотистой кислотой
2. Образование
и
разложение фенолятов
3. Получение и свойства
пикриновой кислоты
4. Сульфирование фенола
5. Окисление гидрохинона
Освоить
методы
получения и
изучить
экспериментально
свойства дисахаридов
1. Напишите уравнение
реакции
образования
моносахарата меди (11)
получившегося
при
взаимодействии
сахарозы с гидроксидом
меди (11)?
2. Во всех ли пробирках
появляется
красный
осадок оксида меди (1) в
опыте
с
реактивом
Фелинга?
3. Меняется ли окраска
раствора
в
опыте
обнаружения лактозы в
молоке?
Освоить
1. Напишите уравнение
экспериментальные
реакции дегидратации
методы
получения
и D-глюкозы?
изучения
свойств 2.
Изменяется
ли
полисахаридов
окраска растворов в
опыте
с
реактивом
Фелинга?
3. Объясните опыт на
пентозаны,
напишите
уравнение
реакции
дегидратации пентоз.
Освоить
1.Напишите уравнение
экспериментальные
реакции
фенола
с
методы
получения
и азртистой кислотой?
изучения свойств фенолов 2. Объясните причину
помутнения смеси при
взаимодействии
с
серной
кислотой
фенолятов?
3. Найдите в ИКспектрах фенола полосы
поглощения,
подтверждающие
присутсвие
гидроксильной группы
4.
Какой
продукт
образуется при действии
избытка бромной воды
113
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 114 из 123
5.
Ароматические альдегиды и
кетоны
1. Окисление альдегидов
2. Взаимодействие
ароматических альдегидов
со щелочами
3. Получение производных
ароматических альдегидов
и кетонов
4. Конденсация
бензальдегида
с
анилином.
Освоить
экспериментальные
методы
получения
и
изучения
свойств
альдегидов и кетонов
ароматичексого ряда
6.
Карбоновые
кислоты
ряда
бензола.
1.Получение бензойной кислоты
окислением бензальдегида
2. Взаимодействие бензойной,
салициловой, коричной кислот с
перманганатом калия
3. Взаимодействие бензойной,
салициловой кислот с хлоридом
железа (111)
4.
Отношение
бензойной,
салициловой
кислот
к
нагреванию
5. Образование и свойства
эфиров ароматических кислот
Освоить
экспериментальные
методы
получения
и
изучения
свойств
ароматических кислот
7
Ароматические
диазои
азосоединения.
1. Поучение солей диазония
2. Реакции солей диазония с
выделением азота
3. Реакции солей диазония
без
выделения
азота.
Азосочетание
4. Образование
диазоаминобензола
Освоить
экспериментальные
методы
получения
и
изучения
свойств
ароматических диазо- и
азосоединений
на трибромфенол?
5. Сравните лёкость
бромиролвания фенола с
бензолом и толуолом
1.Чем
объяснить
различное
поведение
бензальдегида
и
ацетофенона
в
проведённых опытах?
2.
Как
отличаются
бензальдегид
и
ацетофенон по ИК- и
ПМР-спектрам?
3. В результате каких
реакций
образуются
бензойная кислота и
бензиловый спирт?
1.Объясните различие в
поведении кислот по
отношению
к
перманганату калия
2.
Обясните
происходящие
изменения в опыте с
перманганатом калия и
коричной кислотой
3. Объясните механизмы
реакций бромирования
бензойной, салициловой
и коричной кислот
4. Что наблюдается при
взаимодействии
бензойной, салициловой
кислот
с
хлоридом
железа (111)
1. Напишите уравнение
реакции диазотирования
анилина и п-толуидина.
Рассмотрите механизм
реакции
2. Напишите реакцию
разложения
соли
фенилдиазония в водной
среде,
рассмотрите
механизм реакции
3. Объясните, почему
необходимо
из
реакционной
среды
удалять
избыток
азотистой кислоты при
получении йодбензола
114
УМКД 042_____/03-2013
8.
9.
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
Многоядерные
ароматические
соединения
с
неконденсированными
бензольными кольцами.
1.Получение
красителя
фенолфталеина
2.Получение флуоресцеина
3. Получение эозина
4. Получение аурина
5. Свойства фуксина
6. Восстановление фуксина
стр. 115 из 123
Освоить
экспериментальные
методы
получения
и
изучения
свойств
многоядерных
ароматических
соединений
с
неконденсированными
бензольными кольцами
1. Напишите уравнение
реакции
конденсации
фталевого ангидрида с
фенолом.
2. Объясните причину
изменения
окраски
фенолфталеина
в
зависимости
от
рН
среды
3.
Напишите
структурные формулы
фенолфталеина в кислой
и щелочной среде
4. Объясните причины
появления
окраски
флуоресцеина и эозина в
щелочной
среде
и
обесцвечивания
в
кислой
Ароматические углеводороды с Освоить
1.напишите уравнение
конденсированными
экспериментальные
реакции нитрования и
бензольными кольцами.
методы
получения
и сульфирования
1. Нитрование,
изучения
свойств нафталина
сульфирование нафталина ароматических
2. Объясните влияние
2. Реакции α -, β – нафтолов соединений
с температуры реакции на
3. Нитрование,
окисление конденсированными
место
вступления
антрацена
бензольными кольцами
сульфогруппы
в
ароматическое кольцо
нафталина
3.
Чем
вызвано
обесцвечивание
растворов α,β-нафтолов
при их окислении
4. напишите уравнение
реакции
бензоилирования
и
ацилирования β-нафтола
ЛИТЕРАТУРА:
Смолина Т. А. и др. Практические работы по органической химии, М, 1986.
Методические рекомендации по СРСП.
Самостоятельная работа под руководством преподавателя (СРСП) предполагает работу в
аудитории, которая включает выполнение контрольных заданий, выявляющих понимание
теоретических основ заданной темы; методики выполнения лабораторных опытов по теме;
оформление результатов лабораторных опытов в лабораторном журнале; решение задач;
сдачу отчетов по лабораторным работам и коллоквиумов по основным разделам курса.
Данная форма учебного занятия направлена на закрепление знаний студента. СРСП
выполняет функции консультирования и контроля.
Планы СРСП к лабораторным занятиям
115
УМКД 042_____/03-2013
№
1
1.
Тема
аудиторного.занятия
2
Углеводы
2.
Углеводороды ряда
бензола, их
классификация.
3.
Бензол и его
алкилзамещённые
производные.
4.
5.
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 116 из 123
Задание
Форма
Контроля
3
4
Ответить на вопросы и Письменная
решить
задачи
по контрольная
индивидуальным
работа.
карточкам.
Рассказать
методику Устный опрос.
выполнения
лабораторной
работы Оформление
№1.
лабораторСдать
отчет
после Ного журнала,
выполнения
Беседа.
лабораторной
работы
№1.
Ответить на вопросы и Письменная
решить
задачи
по контрольная
индивидуальным
работа.
карточкам.
Устный опрос.
Сдать
отчет
после Оформление
выполнения
лабораторлабораторной
работы Ного журнала,
№2.
Беседа.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
Рассказать
методику
выполнения
лабораторной
работы
№3,4.
Сдать
отчет
после
выполнения
лабораторной
работы
№3,4.
Правила ориентации для Ответить на вопросы и
реакций электрофильного решить
задачи
по
замещения в бензольном индивидуальным
кольце.
карточкам.
Рассказать
методику
выполнения
лабораторной
работы
№5..
Сдать
отчет
после
выполнения
лабораторной
работы
№5.
Ароматические
Ответить на вопросы и
сульфокислоты.
решить
задачи
по
Кол-во
ч.
5
0,5
0,5
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Оформление
лабораторНого журнала,
Беседа.
Конспект.
1
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Устный опрос.
Оформление
лабораторНого журнала,
Беседа.
1
Письменная
контрольная
1
116
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
индивидуальным
карточкам.
Рассказать
методику
выполнения
лабораторной
работы
№6,7.
Сдать
отчет
после
выполнения
лабораторной
работы
№6,7.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
6.
Фенолы и ароматические
спирты.
7.
Альдегиды, кетоны и
карбоновые кислоты ряда
бензола.
Выполнить упражнения
к лабораторной работе
№8
8.
Ароматические диазо- и
азосоединения.
9.
Многоядерные
ароматические
соединения с
неконденсированными
бензольными кольцами.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
Рассказать
методику
выполнения
лабораторной
работы
№8
Сдать
отчет
после
выполнения
лабораторной
работы
№8.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
10.
Ароматические
углеводороды с
конденсированными
бензольными кольцами.
Шестичленные
гетероциклические
соединения
11
Подготовить
вопросы
для
индивидуальной
консультации.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам. Рассказать
стр. 117 из 123
работа.
Устный опрос.
Оформление
лабораторНого журнала,
Беседа.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Оформление
лабораторНого журнала.
Беседа.
Проверка
лабораторно
го журнала.
Письменная
контрольная
работа.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Оформление
лабораторного журнала,
беседа.
1
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Оформление
журнала.
Беседа.
Беседа.
Устный опрос.
Проверка
лаб.журнала.
Беседа.
Устный опрос.
Проверка
лаб.журнала.
1
1
1
1
0,5
117
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 118 из 123
методику выполнения
лабораторной
работы
№9.
Сдать
отчет
после
выполнения
лабораторной
работы
№9.
12
Небензоидные
Подготовить
вопросы
ароматические системы для
индивидуальной
ароматические системы.
консультации.
Подготовить
лабораторный журнал
для отчета.
Итого
Беседа.
Устный опрос.
Проверка
лаб.журнала.
0,5
10
Планы СРСП к лекциям
№
Тема
аудиторного.занятия
2
Углеводы
Задание
2.
Дисахариды, высшие
полисахариды.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
3.
Алициклические
соединения.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
4.
Углеводороды ряда
бензола, их
классификация.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
5.
Бензол и его
алкилзамещённые
производные.
6.
Правила ориентации для Ответить на вопросы и Письменная
реакций электрофильного решить
задачи
по контрольная
замещения в бензольном индивидуальным
работа.
1
1.
3
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
Форма
Контроля
4
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Констпект.
Тесты.
Ответить на вопросы и Письменная
решить
задачи
по контрольная
индивидуальным
работа.
карточкам.
Устный опрос.
Беседа.
Кол-во
ч.
5
1
2
1
1
1
1
118
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 119 из 123
кольце.
карточкам.
Устный опрос.
Представить конспект Беседа.
СРС 1.
Сдать коллоквиум №1.
7.
Галогено- , сульфо- и
нитропроизводные
бензольного ряда.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
8.
Ароматические
сульфокислоты.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
9.
Фенолы и ароматические
спирты.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
10.
Альдегиды, кетоны и
карбоновые кислоты ряда
бензола.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
11.
Ароматические амины.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
12.
Ароматические диазо- и
азосоединения.
13
Многоядерные
ароматические
соединения с
неконденсированными
бензольными кольцами.
14
Ароматические
углеводороды с
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Конспект.
Тесты.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
1
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
1
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Конспекты.
Тесты.
Подготовить
вопросы Беседа. Устный
для
индивидуальной опрос.
консультации.
Предоставить
конспекты лекций и
СРС.
Ответить на вопросы и Письменная
решить
задачи
по контрольная
индивидуальным
работа.
карточкам.
Представить конспект
СРС 2.
Сдать коллоквиум №2.
Подготовить
вопросы Письменная
для
индивидуальной контрольная
1
1
1
2
1
1
119
УМКД 042_____/03-2013
конденсированными
бензольными кольцами.
15
Пятичленные
гетероциклические
соединения.
16
Шестичленные
гетероциклические
соединения.
17
Гетероциклические
соединения с
несколькими
гетероатомами.
Небензоидные
ароматические системы
ароматические системы.
18
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 120 из 123
консультации.
Предоставить
конспекты лекций и
СРС.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
работа.
Письменная
контрольная
работа.
1
Подготовить
вопросы
для
индивидуальной
консультации.
Предоставить
конспекты лекций и
СРС.
Сдать конспекты по
СРС№3.Сдать
коллоквиум №3.
Беседа. Устный
опрос.
1
Беседа. Устный
опрос.
1
Ответить на вопросы и Беседа. Устный
решить
задачи
по опрос.
индивидуальным
карточкам.
1
Итого
20
Методические рекомендации по СРС.
Самостоятельная работа студента (СРС) – ведущий вид деятельности, который
позволяет выработать у студента способности к самообразованию и саморазвитию, навыки
свободного критического мышления. СРС подразумевает внеаудиторную работу, которая
должна быть направлена на предварительную подготовку к лекциям, самостоятельное
изучение учебного материала в условиях библиотеки, компьютерного класса, через
Интернет, подготовку к лабораторным занятиям, коллоквиумам, самостоятельное
120
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 121 из 123
составление конспектов по темам СРС (вопросы указаны в Плане СРС), составление отчетов
по лабораторным занятиям, разбор задач по химии и пр.
СРС должны быть сданы в полном объеме в соответствии с темами , сроками и формами ,
указанными преподавателем.
План организации СРС
по курсу «Функциональные производные органических молекул»
№ Тема
Цель и содержание
Задания
Рекомендуемаял
итература
осн./доп.
к 1-4
1. 1. Природные
биополимеры.
Крахмал, амилоза,
амилопектин,
гликоген, целлюлоза.
Метод цикла Фроста.
Свойства атома
галогена в боковой
цепи.
2. Решение заданий
из учебного пособия:
Задачи и упражнения
по органической
химии/
Н.В.Васильева, С.В.
Буховец, Л.Е.
Журавлёва,
М.П.Грошева.- М.:
просвещение, 1982. –
239с.
Подготовиться
лекциям по теме.
Законспектировать
вопросы СРС по теме
(см.УМКД).
Подготовиться
к
лабораторным
занятиям №1-4.
Подготовить
отчеты
по ним.
Подготовиться
к
коллоквиуму №1.
2. Влияние
заместителей
на
кислотные свойства
фенола.
Фенолформальдегидн
ые
смолы.
Пирогаллол.
Пестициды.
Глифталевые смолы.
Производные
фиалевой
кислоты.
Сульфамидные
препараты.
Теория
Подготовиться
к 2,3,4
лекциям по теме.
Законспектировать
вопросы
СРС
по
темам (см.УМКД).
Подготовиться
к
лабораторным
занятиям №5-9.
Подготовить
отчеты
по ним.
Подготовиться
к
коллоквиуму №2.
Баллы
Форма
отчета
Срок
5
КонспектК
онтр.
Работа.
Решение
инд-ных
задач.
Выполнен
ие
лаб.работ
№1-4.
Коллоквиу
м №1.
1-7
недели
5
Конспект
8-14
Ответ по недели
индивид.
заданиям.
Выполнен
ие
лаб.работ
№5-9.
Коллоквиу
м №2.
.
121
УМКД 042_____/03-2013
3
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
цветности.
Аторопоизомерия
динитродифениловой
кислоты.
Биологическое
значение
производных
1,4нафтохинона.
Канцерогенные
углеводороды
каменноугольной
смолы.
Природные
соединения пиррола.
Кубовое
крашение.
Природные
биологически
активные соединения
на основе пиридина и
пиперидина.
Ароматические
системы с числом
электронов
более
шести:
азулен,
аннулены. Понятие
об
антиароматичности.
Тенденция в развитии
химии ароматических
соединений.
Решение заданий из Решение
учебного
пособия: индивидуальных
Задачи и упражнения задач.
по
орагнической
химии/
Н.В.Васильева, С.В.
Буховец,
Л.Е.
Журавлёва,
М.П.Грошева.М.:
просвещение, 1982. –
239с.
ИТОГО
стр. 122 из 123
2,5,6,7
5
Устная
защита
работы
15
15
неделя
45ч.
Литература:
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3. Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
4. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А., Начала органической химии, т1,2. М.,1974
122
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 123 из 123
5. Моррисон Р., Бонд Р. Органическая химия, М, 1974
6. Задачи и упражнения по орагнической химии/ Н.В.Васильева, С.В. Буховец, Л.Е.
Журавлёва, М.П.Грошева.- М.: просвещение, 1982. – 239с.
7. Смолина Т,А. и др. Практические работы по органической химии, М, 1986
Темы и основные вопросы коллоквиумов
по курсу «Функциональные производные органических молекул».
Коллоквиум 1 Углеводы; определение, общая формула, состав, классификация,
номенклатура. Моносахариды; изомерия, методы получения.
Оптическая изомерия.
Структурные и проекционные формулы. Кольчато-цепная таутомерия. Мутаротация.
Реакции циклических
цепных форм и циклических форм. Дисахариды, высшие
полисахариды. Два типа дисахаридов. Инверсия сахара. Природные биополимеры.
Алициклические соединения. Циклоалканы; общая формула, виды изомерии. Понятие
напряжения Байера и Питцера. Химические свойства циклопарафинов. Углеводороды ряда
бензола, их классификация. Бензол, ароматичность, структурное и электронное строение,
структурная изомерия. Правило ароматичности Хюккеля. Химические свойства бензола.
Механизм реакции SЕ2. Бензол и его алкилзамещённые производные. Номенклатура.
Изомерия ди- и тризамещённых бензола. Толуол; электронное строение (+Ι, +М-эффекты),
резонансные структуры. Свойства алкилбензолов. Электрофильное замещение. Правила
ориентации для реакций электрофильного замещения в бензольном кольце. Заместители
первого рода. Особенности атомов галогенов. Заместители второго рода. Согласованная и
несогласованная ориентация. Галогено- , сульфо- и нитропроизводные бензольного ряда.
Арилгалогениды. Галогенирование в ядро. Хлорирование толуола. Хлорирование в боковую
цепь. Механизмы реакций SN1 и SN2. в соединениях с активированным и неактивированным
атомом галогена. Хлорирование и нитрование арилгалогенидов по механизму
S Е2.
Ароматические сульфокислоты. Сульфирование бензола и его производных.
Электрофильные реагенты сульфирования. Химические свойства сульфокислот.
Нитросоединения ароматического ряда. Фенолы и ароматические спирты. Определение,
номенклатура, электронное строение. Получение и химические свойства. Двух- и
трёхатомные фенолы. Таутомерия резорцина.
Коллоквиум 2. Альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты ряда бензола. Альдегиды
и кетоны ароматического ряда, реакции получения. Химические свойства. Бензоиновая
конденсация. Окисление. Карбоновые кислоты ароматического ряда, химические свойства.
Влияние заместителей в бензольном кольце на кислотные свойства бензойной кислоты.
Ароматические амины. Классификация, изомерия, номенклатура. Методы получения
анилина, вторичных и третичных аминов. Электронной строение анилина. Химические
свойства ароматических аминов. Ароматические диазо- и азосоединения. Соли диазония;
получение, электронное строение, химические свойства. Азосоединения, азокрасители.
Многоядерные ароматические соединения с неконденсированными бензольными кольцами.
Дифенил и его получение. Трифенилметильный радикал. Красители трефенилметанового
ряда. Ароматические углеводороды с конденсированными бензольными кольцами.
Строение,
химические
свойства,
изомерия.
Диеновый
синтез.
Пятичленные
гетероциклические соединения. Определение, номенклатура, электронное строение.
Получение и химические свойства. Шестичленные гетероциклические соединения. Пиридин:
строение, валентное состояние, атомов азота в ядре. Химические свойства.
Гетероциклические соединения с несколькими гетероатомами. Пятичленные гетероциклы с
123
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 124 из 123
двумя гетероатомами. Шестичленные гетероциклы с несколькими гетероатомами.
Пуриновые основания. Небензоидные ароматические системы ароматические системы.
Циклопропенилий - катион. Понятие об антиароматичности. Тенденция в развитии химии
ароматических соединений..
Список литературы:
Основная.
1. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. М.,1982
2. Терней А. Современная органическая химия. М.,1979
3. Петров Е.Е., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М, 1974
4. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А., Начала органической химии, т1,2. М.,1974
5. Моррисон Р., Бонд Р. Органическая химия, М, 1974
6. Задачи и упражнения по орагнической химии/ Н.В.Васильева, С.В. Буховец, Л.Е.
Журавлёва, М.П.Грошева.- М.: просвещение, 1982. – 239с.
7. Смолина Т,А. и др. Практические работы по органической химии, М, 1986
Дополнительная.
1. Некрасов В.В. Руководство к малому практикуму по органической химии, М.,1975
2. Р.А.Реутов, А.Л.Курц и др. Органическая химия. 1,2 ч.ч. МГУ,1999
Контрольно-измерительные средства.
ВОПРОСЫ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ТЕСТОВ.
124
УМКД 042_____/03-2013
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 125 из 123
Наличие пяти спиртовых гидроксилов в маннозе доказывают с реактивом
Реактив, устанавливающий наличие карбонильной группы в молекуле фруктозы
D-арабинозе соответствует формула
L-фруктозе соответствует формула
Полуацетальный гидроксил у α-D-галактопиранозы располагается при углероде
Принадлежность к α-форме для D-фруктопиранозы определяется по расположению гидроксилов у
α-D-глюкофуранозе соответствует формула
Какое название соответсвует ниже приведённой формуле
Только α-D-глюкопираноза получается при гидролизе
с целью получения D-арабинозы подвергают окислению спирт
Укажите монозу, из которой оксинитрильным синтезом получают глюкозу и маннозу
синтезируют пироксилин при взаимодействии
при бромировании метилциклопентана получают
Какой алкан следует подвергнуть дегидроциклизации, чтобы получить 1,3-циклогексан
При реакции 1-метил-1-циклогексена с бромоводородом образуется
Указать заместители второго порядка
при нитровании толуола (катализатор серная кислота) получают
при сульфировании изопропилбензола получают
Орто-положение этилбензола обозначают номерами
Бромистый бензил получают при бромировании толуола
историческое название соединения
Для выделения фенола из фенольной фракции её обрабатывают
В лаборатории получают фенол кипячением с водой вещества
Схема качественной реакции фенола
В ароматических спиртах гидроксил связан с
родоначальник ароматических альдегидов
Чисто ароматическому кетону соответствует формула
Основание Шиффа образуется при взаимодействии
промышленное получение С6Н5 – СН = СН – СООН осуществляют по реакции
При окислении одного кольца в молекуле нафталина образуется
Конечный продукт схемы хлороформ + бензол (2моль) → ? + (О) → ?
первый гомолог ароматических карбоновых кислот
для синтеза фенилуксусной кислоты следует взять
за счёт карбоксила ароматические кислоты образуют
Укажите формулу имидазола
Нуклеофильное замещение в пиридине осуществляется реактивами
Условия необходимые для реакции диазотирования
ароматическую карбоновую кислоту через соль диазония получают по схеме
галловой кислоте соответствует название
при ацилировании салициловой кислоты уксусным ангидридом образуется
схема синтеза бензойнокислого аммония
миниматльный бензоилирующий эффект проявялет соединение
схема синтеза коричной кислоты по реакции Перкина
Введение нитрогруупы в боковую цепь арена осущеситвляют с помощью
нитрогруппа ориентирует при бромировании бром в
общая формула азосоединения
Пирогаллололом называют соединение
Кольцо порфина входит в состав
Формула индола
Для получения фенолята натрия к фенолу следует добавить
Изомерия ароматических спиртов обусловлена
125
УМКД 042_____/03-2013
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68.
69.
70.
71.
72.
73.
74.
75.
76.
77.
78.
79.
80.
81.
82.
83.
84.
85.
86.
87.
88.
89.
90.
91.
92.
93.
94.
95.
Редакция № 1
от 18 .09.2013 г.
стр. 126 из 123
Установить наличие альдегидной группы в молекуле глюкозы можно с реактивом
D-эритрозе соответствует формула
D-галактозе соответствует формула
Принадлежность к форме для фруктофуранозы определяется
Принадлежность к α-форме для глюкофуранозы определяется по расположению гидроксилов у
Принадлежность к ряду (D,L) у глюкозы определяются по расположению гидроксила при
ассиметрическом центре
β-D-глюкофуранозе соответствует формула
D-фруктозу синтезируют кислотным гидролизом из
D- маннозу синтезируют окислением спирта
пентоацетат β-D-глюкофуранозы можно получить при её взаимодействии с
D-глюкопираноза синтезируется при кислотном гидролизе
синтезировать L-глюкозу можно окисляя спирт
невосстановливающийся дисахарид не вступает в реакцию с
при взаимодлействии 1,2-диметилциклопропана с бромоводородом получают
для получения 1,2-диметилциклопентана к натриймалоновому эфиру следует добавить
для синтеза втричного пропилбензрла по реакции Фриделя-Крафтса следует взять
Заместители первого рода
бромирование боковой цепи гомологов бензола осуществляют
при озонировании толуола и разркшении озонида водой образуются
для получения о-диметилбензола следует взять
систематическая номенклатура соединения
1,4диоксибензол можно получить
спирт С6Н5 – СН2 – ОН по карбинольной номенклатуре называют
формула ацетофенона
при реакции Канницаро бензальдегид превращается в
коричному спирту соответсвует формула
при действии азотной кислоты на нафталин получают
схема получения дифенилметана по реакции Ульмана
В промышленности антрацен получают
Изомерия ароматических кислот обусловлена
Для введения СООН в ароматическое кольцо пиролизу подвергают натриевую соль
бензолсульфокислоты и
с целью получения бензойного ангидрида предпочтительнее использовать
Схема синтеза бензамида
Схема синтеза бензонитрила
максимальный бензоилирующий эффект проявляет соединение
непредельность С6Н5 – СН = СН – СООН орпеделяют реактивом
качественную реакцию на салициловую кислоту осуществляют реактивом
введение нитрогруппы в ароматическое кольцо осуществляют частицей
родоначальник ароматических аминов
анилин с разб. Серной кислотой при нагревании 200ºС образует
общая формула диазосоединений
через соль диазония фенол получают по схеме
хлористый фенилдиазоний в кислой среде цинковой пылью восстанавливается до
тиофену соответсвует формула
126