Алкилирование и ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

Фенолы

Алкилирование и ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

Фенолы

Электрофильное замещение в ароматическом кольце фенолов

Реакции ароматического кольца фенолов протекают по механизму электрофильного ароматического замещения. Гидроксильная группа ориентирует вступление электрофильного реагента в орто— и пара-положения бензольного кольца.

Из-за донорного влияния гидроксигруппы (+М эффект) реакции электрофильного замещения  в фенолах протекают значительно легче, чем в бензоле и его гомологах.

Фенолы и фенолят-анионы вступают во взаимодействие даже с очень слабыми электрофилами, с которыми большинство других ароматических соединений не реагирует – катионами арендиазония ArN2+, нитрозония NO+, иминия R2C=N+H2 и диоксидом углерода (одним из самых слабых электрофилов).

Галогенирование

В отличие от бензола галогенирование фенола не требует катализа и протекает при действии молекулярного галогена.

При бромировании фенола в водном растворе остановить реакцию на стадии образования монобромпроизводного невозможно, образуется сразу 2,4,6-трибромофенол, который при избытке брома превращается в 2,4,4,6-тетрабромоциклогексадиен-2,5-он.

Это происходит из-за того, что в воде фенол частично диссоциирован и галогенированию подвергается фенолят-анион, значительно легче вступающий в реакции электрофильного замещения.

Получающийся вначале монобромфенол является более сильной кислотой (-I эффект атома брома) по сравнению с фенолом и, следовательно бромируется быстрее, чем фенол. 2,4-Дибромфенол, в свою очередь, реагирует с бромом легче, чем бромфенол. Как следствие – образование в этой реакции исключительно трибромпроизводного даже при недостатке брома.

Для того чтобы осуществить моногалогенирование фенола, необходимо проводить реакцию в условиях, где диссоциация фенола полностью подавлена. Например, п-бромфенол синтезируют при действии на фенол бромом в среде бромоводородной кислоты, сероугрерода или реакцией фенола с диоксандибромидом  в хлороформе.

Нитрование

Нитрование фенола протекает при действии разбавленной азотной кислоты и приводит к двум изомерам – орто— и пара-нитрофенолам. Дальнейшее взаимодействие с концентрированной азотной кислотой дает сначала динитрофенолы и затем 2,4,6-тринитрофенол (пикриновую кислоту). Этот процесс сопровождается значительным смолообразованием из-за окислительного действия азотной кислоты.

Поэтому для синтеза пикриновой кислоты преимущественно применяют нитрование 4-гидроксибензол-1,3-дисульфокислоты, основанное на ипсо-замещении сульфогрупп на нитрогруппы.

Сульфирование

Сульфирование фенола осуществляют путем нагревания с концентрированной серной кислотой. Температура проведения реакции решающим образом определяет строение  образующихся оксибензолсульфокислот.

орто-Изомер, скорость образования которого выше, чем пара-изомера, является доминирующим продуктом, если температура проведения реакции не превышает 100 °С.  Его называют кинетическим продуктом.

Напротив, при более высоких температурах основным продуктом является пара-изомер, скорость образования которого ниже, но он обладает высокой термодинамической устойчивостью  Реакция электрофильного ароматического сульфирования обратима и при нагревании орто-оксибензолсульфокислоты, с серной кислотой выше 100 °С получают пара-изомер – продукт термодинамического контроля реакции.

Алкилирование

В отличие от алкилирования фенола по гидроксигруппе, которое идет в щелочной среде, введение алкильных заместителей в ароматическое кольцо фенола протекает при действии галогеналканов, спиртов или алкенов в присутствии катализаторов – минеральных кислот или кислот Льюиса (реакция Фриделя-Крафтса).

орто-Аллилфенолы образуются при нагревании до 200-220 °С аллилфениловых эфиров. Это превращение называют перегруппировкой Кляйзена. Реакция протекает внутримолекулярно и аллильная группа присоединяется к бензольному кольцу γ-углеродным атомом.

Если орто-положения  в аллилфениловом эфире заняты, по перегруппировка Кляйзена осуществляется в пара-положение. Так, аллил-2,6-диметилфениловый эфир перегруппировывается при нагревании в 4-аллил-2,6-диметилфенол.

Ацилирование

Ацилирование фенола по Фриделю-Крафтсу можно осуществить только в присутствии кислот Льюиса.  Фенол взаимодействует с ацетилхлоридом в присутствии хлорида алюминия, давая смесь о— и п-ацетилфенолов (о— и п-гидроксиацетофенонов).

Другой способ получения  С-ацилпроизводных фенолов основан на упомянутой выше перегруппировке Фриса. Ариловые эфиры карбоновых кислот при нагревании в присутствии AlCl3  или AlBr3 превращаются в орто— и пара-ацилфенолы.

При этом, варьируя температуру и растворитель, можно изменить соотношение изомеров в пользу одного из них.

Механизм реакции включает две стадии: 1) межмолекулярное ацилирование бензольного кольца одной молекулы сложного эфира комплексом второй молекулы с кислотой Льюиса; 2) межмолекулярный перенос О-ацильной группы к молекуле фенола.

Ацилирование многоатомных фенолов нитрилами в присутствии газообразного хлороводорода  носит название реакции Геша. Например, резорцин при действии ацетонитрила в условиях реакции Геша дает 2,6-дигидроксиацетофенон.

Ацилирование фенолов фталевым ангидридом в присутствии серной кислоты или хлорида цинка приводит к образованию фталеинов, многие из которых являются индикаторами (фенолфталеин, тимолфталеин) или красителями (флуоресцеин).

Формилирование

Введение формильной группы в ароматическое кольцо фенолов осуществляется различными методами – для этого применимы реакции Реймера-Тимана,  Вильсмайера-Хаака, Гаттермана.

Взаимодействие фенола с хлороформом в щелочной среде (реакция Реймера-Тимана) дает орто-гидроксибензальдегид (салициловый альдегид).

Электрофильной частицей в реакции выступает дихлоркарбен, который генерируется из хлороформа под действием щелочи.

Промежуточно образующийся орто-(дихлорметил)фенол гидролизуется в ходе реакции до альдегида.

По Реймеру-Тиману формилируется большинство С-замещенных фенолов, нафтолы и многоатомные фенолы, при этом формильная группа вступает всегда в орто-положение относительно гидроксила.

Для формилирования фенолов по Вильсмайеру-Хааку используют замещенные амиды муравьиной кислоты – N,N-диметилформамид и N-метилформанилид, которые в ходе реакции превращают в электрофильные иминиевые соли взаимодействием с хлорокисью фосфора, тионилхлоридом или фосгеном.

Последние, хотя и являются слабыми электрофилами,  атакуют ароматическое ядро, что приводит к соответствующим иммониевым солям, которые далее гидролизуются до альдегидов. Формильная группа вводится исключительно в пара-положение относительно гидроксильной группы.

 

Классическое формилирование по Гаттерману-Коху (СО и HCl), протекающее для бензола, нафталина и их гомологов, для фенолов неосуществимо. Однако сам Л. Гаттерман предложил модификацию метода, приемлемую для фенолов, в том числе и многоатомных, и нафтолов.

При действии на фенол б/в HCN и газообразного хлороводорода (реакция Гаттермана) образуется пара-гидроксибензальдегид. В некоторых случаях вместо токсичного цианистого водорода используют цианид цинка.

Природа электрофильной реагирующей частицы в этой реакции точно не определена.

Карбоксилирование (реакция Кольбе)

Нагревание фенолята натрия с диоксидом углерода при давлении в 5 атм приводит к образованию салицилата натрия. Интересно, что при использовании в качестве исходного соединения фенолята калия карбоксильная группа вступает в пара-положение бензольного кольца и образуется пара-гидроксибензоат калия.

Электрофилом в реакции Кольбе выступает диоксид углерода, который атакует электроноизбыточные орто— или пара-положения фенолят-аниона.

Предполагают, что если в реакционной смеси присутствуют ионы натрия, то за счет комплексообразования происходит стабилизация переходного состояния, ведущего к образованию салициловой кислоты.

Многоатомные фенолы реагируют с диоксидом углерода в более мягких условиях. Например, резорцин карбоксилируется уже при кипячении с раствором карбоната натрия.

Азосочетание

Фенолят-ионы взаимодействуют с солями арендиазония в слабощелочной среде с образованием производных азобензола.

При этом азосочетание протекает преимущественно по пара-положению фенола, и только если пара-положение занято – диазосотавляющая атакует свободное орто-положение.

Фенолы, содержащие сильные электроноакцепторы (например, нитрофенолы) не вступают в эту реакцию. (См. главу Диазосоединения)

Нитрозирование

Катион нитрозония, генерируемый из нитрита натрия и соляной или уксусной кислот селективно атакует пара-положение фенола. Получающийся пара-нитрозофенол существует виде таутомерной смеси с монооксимом п-бензохинона, причем содержание последнего превалирует.

Конденсация с формальдегидом

Большое промышленное значение имеет конденсация фенола с формальдегидом, в результате которой получают фенолоформальдегидные смолы (бакелит), которое было разработано Бакелундом. Реакция катализируется кислотами или основаниями и по механизму напоминает одновременно альдольно-кротоновую конденсацию альдегидов и электрофильное замещение в аренах.

Так, образующийся из формальдегида при действии кислоты карбокатион атакует орто— или пара-положения молекулы фенола. Получающийся гидроксиметилфенол дегидратируется, давая гидроксифенилметильный карбокатион, который далее реагирует с молекулой фенола или гидроксиметилфенола.

Дальнейшая поликонденсация приводит к образованию разветвленного полимера бакелита.

Упражнения к теме «Фенолы и хиноны»

Тесты для самопроверки

Источник: https://chimfak.sfedu.ru/images/files/Organic_Chemistry/phenoles/phenoles-5.htm

Алкилирование и ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

Алкилирование и ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

По реакция алкилирования и ацилирования в ароматические соединения можно ввести алкильные и ацильные группы.

Как уже было рассмотрено ранее фенолы алкилируются в кольцо под действием самых разнообразных алкилирующих агентов:

  • алкенов;
  • спиртов;
  • алкилгалогенидов в условиях кислотного катализа.

Ацилирование фенолов также осуществляют различными методами.

Алкилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

Фенол подвергается алкилированию по Фриделем — Крафтса при обработке алкилирующим агентом, кислотой Льюиса, такой как $FeBr_3$ или $A1C1_3$ и катализатором. При этом образуются соли типа $ArOAlCl_2$. Примером является взаимодействие крезола с изобутиленом с образованием пространственно затрудненного фенола — 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенола (ионола):

Рисунок 1.

Аналогично по реакции фенола с изопропиловым спиртом получают 2,4,6-триизопропилфенол:

Рисунок 2.

При таком алкилировании по Фриделю — Крафтсу атакующим электрофилом является алкилкатион, образующийсяпо реакции алкил с кислотой Льюиса. При отсутствии других нуклеофилов эти электрофильные частицы реагируют с ароматическим кольцом.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Алкилирование по Фриделю — Крафтсу имеет два важных ограничения, которые сильно уменьшают его ценность и делают реакцию вообще менее выгодной, чем ацилирование.

Алкилфенолы в общем случае более реакционные в реакциях электрофильного замещения, чем сам фенол.

Учитывая это алкилирование по Фриделю — Крафтсу имеет склонность к дальнейшему алкилированию, в результате чего образуются диалкил- или более алкилированные продукты, как это показано в обоих случаях, рассмотренных выше.

Единственным практическим путем управления подобными реакциями замещения является поддержание большого избытка фенола. Этот способ приемлем для самого бензола, поскольку он относительно дешевый и летучий, но неприемлем для большинства его замещенных производных, которые стоят дороже или менее доступны.

Другое важное ограничение алкилирования по Фриделю — Крафтсу связано с альтернативной реакцией многих карбокатионов, в частности при отсутствии реакционных нуклеофилов, а именно с перегруппировкой в изомерные карбокатионы.

Проведение моноалкилирования по Фриделю — Крафтсу отличается крайне невысокой региоселективностью и приводит к получению смесей орто- и пара-изомерных продуктов. Алкилирование фенолов — обратимая реакция, и при наличии сильных кислот Льюиса, при условии термодинамического контроля реакции происходят перегруппировки:

Рисунок 3.

Классическое ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

В классических условиях ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу с использованием комплексов ацилгалогенида с хлоридом алюминия приводит к неудовлетворительным выходам продуктов, так как в ацилирование вступает и гидроксильная группа фенола. Более эффективным методом является ацилирование с использованием комплекса карбоновой кислоты с трехфтористым бором в качестве ацилирующего агента:

Рисунок 4.

Конденсация фенолов с фталевым ангидридом

Конденсация фенолов с фталевым ангидридом в присутствии минеральных кислот или кислот Льюиса (А. Байер, 1874 г.) также следует рассматривать как одну из разновидностей реакции ацилирования по Фриделю-Крафтсу. В этом случае две молекулы фенола конденсируются с одной молекулой фталевого ангидрида с образованием производных трифенилметана, называемых фталеинами.

Рисунок 5.

При $pH$ выше 9 водные растворы фенолфталеина окрашиваются в малиновый цвет в результате процесса расщепления лактонного цикла с образованием дианиона.

Рисунок 6.

Аминометилирование

Рисунок 7.

Реакция Манниха, или аминометилюванние, характерна для соединений с активной метиленовой группой. Она происходит как многокомпонентная реакция с участием формальдегида и вторичного амина (в виде гидрохлорида) и позволяет ввести в соединения аминометильную группу $-CH_2NR_2$.

В реакцию также вступают активированые ароматические субстраты, такие как фенолы, вторичные или третичные ароматические амины, гетероциклические соединения типа индола, пиррола, фурана. Так можно получить ароматические соединения с аминометильным группировкой $-CH_2NR_2$.

Среди аминов часто используют диметиламин, а вместо формальдегида можно вводить другой альдегид.

Механизм реакции заключается в образовании соли имина с формальдегидом и вторичным амином через промежуточный аминаль и его дегидратации при каталитической действия $H+$. Иминиевий ион является электрофилом атакующим ароматическое кольцо. Иминиевий ион, образованный формальдегидом и диметиламином, можно выделить в виде йодида (соли Ешенмозера — $ICH_2NMe_2$).

Источник: https://spravochnick.ru/himiya/poluchenie_fenolov/alkilirovanie_i_acilirovanie_fenolov_po_fridelyu-kraftsu/

Реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце

Алкилирование и ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

Гидроксильная группа относится к числу групп, активирующих электрофильное замещение в ароматическом кольце и направляющих заместитель в орто— и пара-положения. Фенолы вступают практически во все типичные реакции электрофильного замещения как с сильными, так и со слабыми электрофильными агентами.

Галогенирование

Галогенирование фенолов не требует катализа кислотами Льюиса и легко осуществляется под действием молекулярного галогена.

Галогенирование фенола молекулярным бромом или хлором в полярной среде практически невозможно остановить на стадии моногалогенирования, поскольку реагирующей частицей здесь является фенолят-ион, который содержит очень сильную активирующую группу –O-.

Скорость галогенирования фенолят-иона по крайней мере в тысячу раз выше, чем фенола. Галогензамещенный фенол является более сильной кислотой, чем сам фенол, что облегчает введение второго и третьего атома галогена в орто— и пара-положения.

Бромирование фенола в воде приводит к образованию нерастворимого 2,4,6-трибромфенола. Эта реакция настолько чувствительна, что позволяет обнаружить фенол в концентрации 10-5М в водном растворе. 2,4,6-Трибромфенол взаимодействует еще с одним молем брома с образованием 2,4,4,6-тетрабромциклогекса-2,5-диенона, окрашенного в желтый цвет.

При обработке продукта этой реакции раствором гидросульфита натрия или другого слабого восстановителя он легко превращается в исходный 2,4,6-трибромфенол.

При бромировании фенола в растворе бромистоводородной кислоты диссоциация полностью подавляется и галогенированию подвергается сам фенол.

При этом в зависимости от условий и количества галогена может быть получен п-бромфенол или 2,4-дибромфенол.

Аналогичным образом протекает хлорирование фенола хлором в соляной кислоте, но здесь получается значительное количество о-хлорфенола. Моногалогензамещенные производные фенолов удобно получать при галогенировании в неполярной среде, что также исключает диссоциацию фенолов.

В качестве галогенирующего агента кроме самих галогенов можно использовать комплексы галогенов с диоксаном, ДМФА.

Во всех случаях соотношение пара/орто-изомеров при бромировании и иодировании значительно выше, чем при хлорировании.

Нитрование

Нитрование фенолов разбавленной 20-25%-ной азотной кислотой приводит к получению смеси орто- и пара-нитрофенолов.

Даже в таких мягких условиях нитрование сопровождается окислением фенола и этот процесс становится доминирующим, если для нитрования использовать концентрированную азотную кислоту.

Поэтому для получения 2,4,6-тринитрофенола (пикриновой кислоты) используют видоизмененный способ нитрования.

Фенол первоначально сульфируют до 4-гидрокси-1,3-бензолдисульфокислоты, а затем нитруют азотной кислотой.

Вторая стадия по существу представляет собой электрофильное ипсо-замещение сульфогруппы на нитрогруппу.
Для нитрования фенолов в качестве нитрующего агента кроме азотной кислоты можно использовать ацетилнитрат и N2O4. Эти реагенты способствуют преимущественному нитрованию в орто-положение к гидроксильной группе.

Сульфирование

Моносульфирование фенола серной кислотой приводит к образованию смеси орто- и пара-изомеров гидроксибензолсульфоксилоты. При 20оС в реакционной смеси содержится 49% орто-изомера и 51% пара-изомера, тогда как при 120оС доля пара-изомера возрастает до 96%.

Изменение в соотношении продуктов сульфирования обусловлено обратимостью реакций, когда в равновесии преобладает термодинамически более стабильный пара-изомер. Сульфирование ворто-положение протекает с большей скоростью, но орто-гидроксибензолсульфокислота легко гидролизуется на исходные реагенты в отличие от пара-изомера, для которого скорость гидролиза мала.

Нитрозирование

Нитрозирование фенолов осуществляется с помощью азотистой кислоты в воде или уксусной кислоте. Эта реакция отличается очень высокой региоселективностью и замещение идет в пара-положение к гидроксильной группе. Типичное распределение орто— и пара-изомеров при нитрозировании можно проиллюстрировать на примере самого фенола.

Алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Так как фенолы взаимодействуют с галогенидами алюминия и другими кислотами Льюиса с образованием солей типа ArOAlCl2, прямое их алкилирование в условиях реакции Фриделя-Крафтса провести не удается. Фенолы алкилируют алкенами и спиртами в условиях кислотного катализа.

В качестве катализаторов предпочитают использовать серную, фтористоводородную, фосфорную кислоты или катиониты КУ-2 и другие катионообменные смолы.

Таким образом, из крезола и изобутилена в промышленности получают пространственно затрудненный фенол — 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол (ионол), который широко применяется для стабилизации полимеров.

Аналогично из фенола и изопропилового спирта получается 2,4,6-триизопропилфенол.

Ацилирование фенолов в классических условиях реакции Фриделя-Крафтса комплексом ацилгалогенида и хлорида алюминия приводит к неудовлетворительным результатам, так как ацилированию подвергается гидроксильная группа фенола.

Более эффективна такая модификация этого метода, когда в качестве ацилирующего агента используется комплекс карбоновой кислоты и трехфтористого бора. Ацильная группа при этом вводится практически исключительно в пара-положение бензольного кольца.

Так, например, фенол при взаимодействии с комплексом уксусной кислоты и BF3 дает пара-гидроксиацетофенон с 95%-ным выходом.

Наиболее общий метод получения гидроксикетонов ароматического ряда основан на перегруппировке Фриса. Ариловые эфиры карбоновых кислот при нагревании с AlCl3 или AlBr3перегруппировываются в изомерные орто— и пара-гидроксикетоны.

Соотношение орто- и пара-изомеров зависит главным образом от температуры и растворителя. В более жестких условиях преобладает орто-гидроксикетон, а при 20-25оС — пара-гидроксикетон.

Механизм перегруппировки Фриса, по-видимому, заключается в межмолекулярном ацилировании орто- или пара-положения бензольного кольца арилового эфира комплексом второй молекулы сложного эфира и AlCl3 с образованием ацильного производного гидроксикетона и фенола.

Перегруппировка завершается межмолекулярным переносом ацильной группы к фенолу.

Формилирование

Формилирование – это введение группы СНО (см. лек.35). Синтетически наиболее важными являются формилирование фенолов по Вильсмейеру-Хааку и Реймеру-Тиману.

Реакция Вильсмейера-Хаака

N-Алкиламиды муравьиной кислоты — N,N-диметилформамид (ДМФА) и N-метилформамид в присутствии хлорокиси фосфора являются региоселективными формилирующими агентами. С помощью этих реагентов альдегидная группа вводится в пара-положение по отношению к ОН -группе.

Эту реакцию можно также рассматривать как ацилирование, где роль катализатора (кислоты Льюиса) выполняют хлорокись фосфора (POCl3). Наиболее эффективна система ДМФА-POCl3, в которой ДМФА служит и реагентом, и растворителем.

Электрофильным агентом в реакции Вильсмейера-Хаака является иминиевая соль, которая образуется при взаимодействии ДМФА и хлорокиси фосфора.

Иминиевая соль при необходимости может быть выделена в индивидуальном виде, однако обычно ее не выделяют и используют непосредственно после ее образования.

Реакция Вильсмейера-Хаака чрезвычайно проста в экспериментальном отношении и обеспечивает очень высокие выходы ароматических гидроксиальдегидов.

Реакция Реймера-Тимана

Формилирование фенолов по Реймеру-Тиману достигается при нагревании смеси фенола и большого избытка хлороформа с водным раствором гидроксида натрия при 50-70оС.

Выходы альдегидов обычно невелики и редко превышают 30%, однако метод исключительно прост и доступен в практическом отношении.

Главное достоинство реакции Реймера-Тимана заключается в преимущественном образовании орто-, а не пара-изомеров, как это имеет место в реакции Вильсмейера-Хаака.

Механизм включает образование дихлоркарбена как интермедиата. Дихлоркарбен :CCl2 выполняет роль электрофильного агента по отношению к феноксид-иону, образующемуся в щелочной среде. Предполагаемый механизм реакции Реймера-Тимана может быть представлен следующей последовательностью превращений:

Реакция протекает только в сильно щелочной среде при наличии фенольного гидроксила, тогда как простые эфиры фенолов и диалкиланилины не формилируются в этих условиях.

Карбоксилирование феноксид-ионов (реакция Кольбе)

Будучи сильными нуклеофилами феноксид-анионы способны взаимодействовать с таким слабым электрофильным реагентом как оксид углерода (IV). При нагревании сухих фенолятов натрия или лития с СО2 при повышенном давлении, образуются натриевые или литиевые соли салициловой кислоты.

В аналогичных условиях из фенолятов калия, рубидия и цезия получаются только соли пара-гидроксибензойной кислоты.

Такое различие в направлении карбоксилирования Na- и К-солей фенола принято объяснять различием в хелатообразовании этих двух катионов с атомом кислорода CO2 в переходном состоянии реакции, приводящем к салициловой кислоте. Катионы натрия и, особенно, лития значительно более эффективны по сравнению с катионом калия в способности к образованию координационной связи с атомом кислорода.

Предполагается, что для фенолятов калия, рубидия и цезия электрофильная атака осуществляется исключительно в пара-положение без какой-либо координации катиона по атому кислорода.

В отличие от одноатомных фенолов двухатомные и трехатомные фенолы карбоксилируются в более мягких условиях. Так, резорцин карбоксилируется при пропускании СО2 в водный раствор его дикалиевой соли при 50оС. При этом образуется 2,4-дигидроксибензойная кислота.

Конденсация с альдегидами и кетонами

Фенолы реагируют с формальдегидом в водном растворе в присутствии основания с образованием полимерного продукта, получившего название феноло-формальдегидной смолы, карболита или бакелита.

Взаимодействие феноксид-иона с формальдегидом напоминает альдольную конденсацию с той лишь разницей, что роль нуклеофильного агента вместо енолят-иона выполняет амбидентный феноксид-ион, а карбонильной компонентой является формальдегид.

Подобно альдолям, орто— и пара-изомеры гидроксиметилфенола подвергаются дегидратации с образованием хинонметидов — соединений, родственных орто— и пара-хинонам.

Последующее присоединение феноксид-иона к хинонметиду представляет собой присоединение амбидентного аниона к a ,b -непредельному кетону по Михаэлю.

В результате дальнейшей поликонденсации в орто— и пара-положение к гидроксигруппе фенола получается трехмерная структура конечного продукта — бакелита. Бакелит представляет собой прозрачную смолу, в которой линейные звенья связаны «поперечными» связями в пара-положениях.

Фенол конденсируется с ацетоном в кислой среде с образованием так называемого бисфенола А.

Получено много подобных продуктов конденсации фенолов с кетонами. Они находят применение в качестве антиоксидантов и мономеров для получения эпоксидных смол.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/8_52829_reaktsii-elektrofilnogo-zameshcheniya-v-aromaticheskom-koltse.html

Алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Алкилирование и ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

В фенольном ряду эти реакции имеютнекоторые особенности, связанные с тем,что фенолы образуют комплексы с кислотамиЛьюиса и дальнейшая реакция алкилированияне происходит.

Поэтому сначала проводят О-алкилированиефенола, затем С-алкилирование илиацилирование по Фриделю-Крафтсу, послечего регенерируют ОН-группу.

Известный индикатор – фенолфталеин –продукт ацилирования фенола фталевымангидридом.

Активирующие свойства гидроксильнойгруппы в фенолах столь велики, чтопозволяют осуществлять превращения,невозможные в бензольном ряду.

Карбоксилирование (реакция Кольбе-Шмитта)

Фенолят-анионы способны вступать вреакцию ароматического электрофильногозамещения со столь слабым электрофиломкак оксид углерода IV(углекислый газ).

Реакция Кольбе-Шмитта промышленныйметод получения салициловой кислоты,предшественника широко распространенноголекарства – ацетилсалициловой кислоты(аспирина).

Формилирование (реакция Раймера-Тимана)

Нагревание фенола с хлороформом вприсутствии щелочи приводит к введениюв орто-положение бензольного кольцаальдегидной группы. Электрофилом в этойреакции является дихлоркарбен (:ССl2),образующийся при взаимодействиихлороформа со щелочью. Далее проходитобычная реакцияSEAr.В условиях реакции дихлорбензильноепроизводное гидролизуется, затемотщепляет молекулу воды, превращаясьв альдегид.

Лекция № 29 Простые эфиры

  • Диалкиловые эфиры. Классификация, изомерия, номенклатура. Физические свойства. Химические свойства: образование оксониевых солей, расщепление кислотами, автоокисление. Получение межмолекулярной дегидратацией спиртов и действием алкилгалогенидов на алкоголяты. Получение и применение в синтезе краун-эфиров. Виниловые эфиры. Получение, гидролиз и причины легкости его протекания, полимеризация.
  • Простые циклические эфиры. Эпоксисоединения: получение, реакции с водой, спиртами, галогеноводородами, аммиаком и аминами, реактивами Гриньяра. Тетрагидрофуран, диоксан.
  • Токсикологические свойства и техника безопасности при работе с простыми эфирами.

Тиоаналоги спиртов, фенолов и эфиров.

  • Общая характеристика, номенклатура. Получение алкилтиолов реакцией алкилирования сероводорода и его солей. Получение арентиолов восстановлением аренсульфонилхлоридов. Физические свойства тиолов, полярность связи S-H. Кислотные свойства тиолов, реакции алкилирования и окисления. Диметилсульфоксид. Тиоэфиры (сульфиды), их получение, физические свойства. Реакции алкилирования и окисления тиоэфиров. Токсичность бис(2-хлорэтил)сульфида. Техника безопасности при работе с органическими соединениями серы. Антидоты.

Простые эфиры

Простыми эфирами называют соединенияобщей формулы R-O-R’,гдеRиR’углеводородные радикалы. Простые эфирыбывают алифатическими, ароматическими,смешанными, симметричными и несимметричными,а также циклическими.

Получение

Некоторые способы получения эфиров:межмолекулярной дегидратацией спиртов,синтезом Вильямсона в спиртах и фенолахи присоединением спиртов к алкинам былирассмотрены ранее.

Часто используют методы, которые можноназвать «модифицированными синтезамиВильямсона», заключающиеся вовзаимодействии алкоксид аниона салкилирующими агентами. К наиболеераспространенным алкилирующим агентамотносятся диметилсульфат и эфирыпара-толуолсульфокислоты.

Эфиры могут быть получены также полученыприсоединением спиртов к алкенам вприсутствии кислот Льюиса при нагреваниии повышенном давлении.

Получение оксиранов см. раздел «Алкены».Пяти- и шестичленные циклы с эфирнымкислородом получают внутримолекулярнойдегидратацией 1,4- или 1,5-диолов,соответственно.

Свойства простых эфиров весьма ограничены.Их очень часто используют в качестверастворителей (например, при полученииреактивов Гриньяра). Избыток электроннойплотности на эфирном кислороде приводитк появлению нуклеофильных и основныхсвойств. Основность простых эфировочень мала, оксониевые соли образуютсяисключительно в безводной среде иустойчивы только при пониженныхтемпературах.

Алкиловые эфиры образуют устойчивыекомплексы с кислотами Льюиса. Комплексыс трифторидом бора используют дляполучения борфторида триэтилоксония– очень мощного алкилирующего агента.С его помощью алкилируют соединения ссамой низкой реакционной способностью.

Основность эфиров проявляется вспособности избирательно образовыватькомплексы с металлами. С этой цельюиспользуют макроциклические полиэфиры– краун-эфиры (англ. crown– корона).

Использование краун-эфиров позволяетрастворять в неполярных органическихрастворителях высокополярныенеорганические вещества и проводитьневозможные в других условиях реакции.

Источник: https://studfile.net/preview/1864824/page:10/

Фенолы и хиноны. 4

Алкилирование и ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

[предыдущий раздел][содержание][следующий раздел]

3.5.5. Алкилирование и ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

Так как фенолы взаимодействуют с галогенидами алюминия и другими кислотами Льюиса с образованием солей типа ArOAlCl2, прямое их алкилирование в условиях реакции Фриделя-Крафтса провести не удается. Фенолы алкилируют алкенами и спиртами в условиях кислотного катализа.

В качестве катализаторов предпочитают использовать серную, фтористоводородную, фосфорную кислоты или катиониты КУ-2, даукс и другие катионообменные смолы.

Таким образом, из крезола и изобутилена в промышленности получают пространственно затрудненный фенол — 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол (ионол), который широко применяется для стабилизации полимеров.

Аналогично из фенола и изопропилового спирта получается 2,4,6-триизопропилфенол.

Ацилирование фенолов в классических условиях реакции Фриделя-Крафтса комплексом ацилгалогенида и хлорида алюминия также приводит к неудовлетворительным результатам, так как ацилированию подвергается гидроксильная группа фенола.

Более эффективна такая модификация этого метода, когда в качестве ацилирующего агента используется комплекс карбоновой кислоты и трехфтористого бора. Ацильная группа при этом вводится практически исключительно в пара-положение бензольного кольца.

Так, например, фенол при взаимодействии с комплексом уксусной кислоты и BF3 дает пара-гидроксиацетофенон с 95%-ным выходом.

Наиболее общий метод получения гидроксикетонов ароматического ряда основан на перегруппировке Фриса. К.Фрис в 1908 году нашел, что ариловые эфиры карбоновых кислот при нагревании с AlCl3 или AlBr3 перегруппировываются в изомерные орто- или пара-гидроксикетоны. Как правило, в результате перегруппировки образуется смесь орто- и пара-изомеров без примеси мета-изомера.

Соотношение орто- и пара-изомеров зависит главным образом от температуры и растворителя. В более жестких условиях преобладает орто-гидроксикетон, а при 20-25оС — пара-гидроксикетон.

Механизм перегруппировки Фриса, по-видимому, заключается в межмолекулярном ацилировании орто- или пара-положения бензольного кольца арилового эфира комплексом второй молекулы сложного эфира и AlCl3 с образованием ацильного производного гидроксикетона и фенола.

Перегруппировка завершается межмолекулярным переносом ацильной группы к фенолу.

В отличие от самих фенолов их простые эфиры очень легко подвергаются региоселективному ацилированию по Фриделю-Крафтсу в мягких условиях с образованием пара-алкоксиарилкетонов. Наилучшие результаты достигаются при ацилировании простых эфиров фенолов ацилгалогенидами в хлористом метилене при 0оС в присутствии двух молей AlCl3 или AlBr3.

Конденсацию фенолов с фталевым ангидридом в присутствии серной кислоты или хлорида цинка ( А.Байэр, 1874 год ) следует рассматривать как одну из разновидностей реакции ацилирования по Фриделю-Крафтсу. В этом случае две молекулы фенола конденсируются с одной молекулой фталевого ангидрида с образованием производных трифенилметана, называемых фталеинами.

При рН выше 9 водный раствор фенолфталеина окрашивается в малиновый цвет в результате расщепления лактонного цикла и образования дианиона.

При конденсации фталевого ангидрида с резорцином образуется желто-зеленый флуоресцеин, широко используемый в качестве флуоресцирующего средства.

[предыдущий раздел]

[содержание][следующий раздел]

3.5.6. Формилирование фенолов

В этом разделе из множества методов введения формильной группы в орто- и пара-положения к гидроксильной группе фенолов будут подробно рассмотрены только наиболее синтетически важные реакции: реакции Гаттермана, Вильсмейера-Хаака и Реймера-Тимана.

3.5.6а. Реакция Гаттермана

Попытки введения формильной группы в ароматическое кольцо фенолов, нафтолов и их простых эфиров с помощью СО и HCl ( катализаторы AlCl3 или AlCl3 — Cu2Cl2 ; реакция Гаттермана-Коха ) оказались безуспешными.

Поэтому сам Гаттерман предложил метод введения альдегидной группы, в котором в качестве формилирующего агента использовалась смесь безводного HCN и газообразного хлористого водорода (катализатор ZnCl2 , реакция Гаттермана).

Формильная группировка вступает в пара-положение к ОН- и RO-группе фенолов или их простых эфиров. Выходы целевых продуктов около 80%.

Следует отметить, что истинная природа электрофильной частицы, принимающей участие при введении формильной группы с помощью HCN, HCl и кислоты Льюиса точно не установлена. Для того, чтобы избежать применения ядовитой синильной кислоты, Р.

Адамс модифицировал условия реакции, заменив ее цианидом цинка. Это позволило из цианида цинка и HCl получать непосредственно в реакционной смеси HCN и безводный хлористый цинк, играющий роль слабой кислоты Льюиса.

Этот метод дает хорошие результаты при формилировании фенолов и их простых эфиров.

Реакция Гаттермана стала очень популярной после того, как было установлено, что вместо цианидов для введения формильной группы можно использовать нетоксичный и легко доступный симметричный 1,3,5-триазин. Этот метод обеспечивает высокие выходы альдегидов при формилировании алкилбензолов, фенолов, эфиров фенолов, конденсированных углеводородов и гетероциклических соединений.

Определенное сходство с реакцией Гаттермана имеет реакция Геша. К.Геш (1915 г) нашел, что реакционноспособные фенолы (обычно двухатомные фенолы, производные резорцина) могут быть успешно ацилированы при взаимодействии с нитрилами и сухим хлористым водородом в присутствии хлорида цинка, как слабой кислоты Льюиса.

Сам фенол и многие другие одноатомные фенолы в условиях реакции Геша дают не кетоны, а соли иминоэфиров ArOC(R) = N+ H2Cl- .

[предыдущий раздел]

[содержание][следующий раздел]

3.5.6б. Реакция Вильсмейера-Хаака

Для введения альдегидной группы в ароматическое кольцо, активированное диалкиламино-, гидрокси- или алкоксигруппой, эффективна реакция, описанная в 1927 году А.Вильсмейером и А.Хааком.

N-Алкиламиды муравьиной кислоты -диметилформамид и N-метилформамид — в присутствии хлорокиси фосфора являются превосходными региоселективными формилирующими агентами. С помощью этих реагентов альдегидная группа вводится в пара-положение по отношению к имеющейся NR2; ОН или OR-группе.

Эту реакцию можно также рассматривать как ацилирование, где роль катализатора — (кислоты Льюиса) выполняют хлорокись фосфора (POCl3 ), тионилхлорид (SOCl2), фосген (COCl2). Наиболее эффективна система ДМФА-POCl3, в которой ДМФА служит и реагентом, и растворителем.

Электрофильным агентом в реакции Вильсмейера-Хаака является иминиевая соль, которая образуется при взаимодействии ДМФА и хлорокиси фосфора, тионилхлорида или фосгена.

Иминиевая соль при необходимости может быть выделена в индивидуальном виде, например, при взаимодействии ДМФА с фосгеном, где после отщепления СО2 образуется соль (CH3)2N+ =CHCl Cl- . Однако обычно ее не выделяют и используют непосредственно после ее образования.

Реакция Вильсмейера-Хаака чрезвычайно проста в экспериментальном отношении и обеспечивает очень высокие выходы ароматических альдегидов, содержащих NR2,OR и ОН группу.

Она оказывается практически ценной при формилировании конденсированных ароматических углеводородов — антрацена, азулена, пирена и др., а также разнообразных гетероциклических соединений ряда фурана, тиофена, пиррола, индола.

В таблице 2 приведены сводные данные по формилированию фенолов, нафтолов, их простых эфиров.

Таблица 2

Исходное соединениеРеагентКатализаторУсловия реакцииПродукт и выход %
фенолДМФАPOCl3ДМФА,

20оС

4-оксибензальдегид, 85%
резорцинHCN, HClZnCl2эфир,

-5оС

2,4-дигидроксибензальдегид, 70%
2-нафтолCHCl2OCH3SnCl4CH2Cl2,

20оС

2-гидрокси-1-формилнафталин, 82%
2-метоксинафталинДМФАPOCl3ДМФА,

20оС

2-метокси-1-нафтальдегид, 90%
анизолCl2CHOCH3SnCl4CH2Cl2,

0-20оС

анисовый альдегид,67%
анизолAlCl320оСанисовый альдегид, 67%
анизолДМФАPOCl3ДМФАанисовый альдегид, 21%
анизолHClZn(CN)2бензол,

40оС

анисовый альдегид, 94%

[предыдущий раздел]

[содержание][следующий раздел]

3.5.6в. Реакция Реймера-Тимана

Эта реакция по своему механизму резко отличается от реакций электрофильного замещения в ароматическом кольце фенолов, поэтому ее целесообразно рассматривать отдельно от других способов формилирования фенолов.

Формилирование фенолов по Реймеру-Тиману достигается при нагревании смеси фенола и большого избытка хлороформа с водным раствором гидроксида натрия при 50-70оС.

Выходы альдегидов обычно невелики и редко превышают 30%, однако метод исключительно прост и доступен в практическом отношении.

Главное достоинство реакции Реймера-Тимана заключается в преимущественном образовании орто-, а не пара-изомеров, как это имеет место для реакций Гаттермана и Вильсмейера-Хаака.

Механизм включает образование дихлоркарбена как интермедиата. Дихлоркарбен : CCl2 выполняет роль электрофильного агента по отношению к феноксид-иону, образующемуся в щелочной среде. Предполагаемый механизм реакции Реймера-Тимана может быть представлен следующей последовательностью превращений:

При проведении реакции в D2O более 97% дейтерия включается в формильную группу салицилового альдегида. Это означает, что превращение

не осуществляется как внутримолекулярный сдвиг.

Хотя анион дихлорметилциклогексадиенона не был выделен в качестве промежуточного продукта реакции Реймера-Тимана, для самого фенола приведенный выше механизм имеет экспериментальные доказательства.

Для фенолят-ионов, у которых орто- или пара-положение занято алкильной группой, помимо гидроксибензальдегида другим продуктом реакции всегда оказывается циклогексадиенон, содержащий дихлорметильную группу.

Так, например, из пара-крезола получается 2-гидрокси-5-метилбензальдегид и 4-метил-4-дихлорметилциклогексадиен-2,5-он примерно в равных количествах.

2,4,6-Триметилфенол образует оба возможных изомерных дихлорметилциклогексадиенона, в которых CHCl2 — группа не подвергается гидролизу.

2,6-Ди-трет-бутил-4-метилфенол в этих условиях дает, как и следовало ожидать, только один из двух возможных изомеров.

Образование аномальных продуктов служит убедительным подтверждением механизма, предлагаемого для нормального направления реакции, приводящего к образованию альдегида после изомеризации и гидролиза дихлорметильной группы.

Реакция протекает только в сильно щелочной среде при наличии фенольного гидроксила, тогда как простые эфиры фенолов и диалкиланилины не формилируются в этих условиях. Выходы альдегидов в реакции Реймера-Тимана невелики, так как большая часть дихлоркарбена гидролизуется в водной щелочи с образованием CO и NaCl.

Кроме того, дихлорметиловый эфир фенола, образующийся в результате атаки дихлоркарбена по кислородному атому амбидентного фенолят-иона, нацело гидролизуется до исходного фенола.

[предыдущий раздел][содержание][следующий раздел]

Источник: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/phenol/4.html

Booksm
Добавить комментарий