Программа контрольной работы 1

1. Механизм сульфирования органических соединений концентрированной серной кислотой, олеумом, сульфотриоксидом, раствором SO₃ в сернистом ангидриде, раствором SO₃ в дихлорэтане, комплексами SO₃ с диоксаном в диоксане, комплексами SO₃ с диоксаном в дихлорэтане, хлорсульфоновой кислотой, раствором хлорсульфоновой кислоты в диоксане, раствором хлорсульфоновой кислоты в дихлорэтане, при «сульфировании аренов в парах», при сульфировании аренов методом запекания: образование атакующих частиц (их активность и концентрация в реакционной массе); особенность взаимодействия частиц с ареном (промежуточные вещества); влияние строения субстрата на скорость и направление реакции (приведите конкретные примеры). Механизм сульфатирования спиртов комплексами серного ангидрида: атакующие частицы (их активность в зависимости от лиганда); особенность взаимодействия частиц с спиртами (промежуточные вещества); влияние строения субстрата на скорость и направление реакции (приведите конкретные примеры). Механизм сульфирования анилина сульфотриоксидом в дихлорэтане: атакующие частицы (их активность и концентрация в реакционной массе); особенность взаимодействия частиц с ареном (промежуточные вещества); влияние строения субстрата на скорость и направление реакции (приведите конкретные примеры).

2. Общие сведения о процессе сульфирования: определение; приведите примеры различных типов сульфирования, субстратов, сульфирующих агентов; цель сульфирования органических соединений; общая характеристика целевого продукта; природные сульфокислоты (цистеиновая кислота, таурин и др.). Сульфирование концентрированной серной кислотой: область и примеры применения процесса; тепловой эффект; характеристика сульфирующего агента; влияние концентрации кислоты на направление и скорость реакции (примеры); «p-сульфирования», способ его выражения; влияние строения субстрата, температуры и времени на направление и скорость реакции; основные недостатки метода; способы выделение сульфокислот - химизм и особенности технологий. «Сульфирование в парах»: его суть, химизм, область и примеры применения процесса; основные достоинства и недостатки метода. «Сульфирование запеканием»: его суть, химизм, область и примеры применения процесса; основные достоинства и недостатки метода. Сульфирование серным ангидридом: характеристика серного ангидрида; область и примеры применения процесса; основные достоинства и недостатки метода; влияние строения субстрата на скорость и направление реакции. Сульфирование олеумом: характеристика олеума, область и примеры применения процесса; основные достоинства и недостатки метода. Сульфирование серным ангидридом в сернистом ангидриде: область применения, химическая схема, основные достоинства и недостатки метода. Сульфирование серным ангидридом в инертных растворителях: способы доставки серного ангидрида на предприятие, область и примеры применения, основные достоинства метода. Сульфирование комплексами серного ангидрида: стабильность и реакционная способность комплексов, область и примеры применения метода. Сульфирование хлорсульфоновой кислотой: область применения, достоинства и недостатки метода.

3. Напишите схемы реакций сульфирования N,N-диметиланилина олеумом и запеканием; анилина олеумом, запеканием и сульфотриоксидом в дихлорэтане; 1-аминонафталина олеумом, запеканием и сульфотриоксидом в дихлорэтане; N,N-диметил-1-аминонафталина олеумом и запеканием и сравните направление и скорость реакции. Приведите все возможные схемы сульфирования аренов и сделайте обоснованный выбор метода сульфирования нафталина, децилбензола, 2-гидроксинафталина, 1-нафтиламина,, 2-метилфурана, 4-метил-3-фуранкарбальдегида (4-метил-3-фуранкарбоновой кислоты), декстрана, 2-метил-7-этил-4-ундеканола. Напишите схемы реакций сульфирования серной кислотой (раствором SO₃ в дихлорэтане; раствором SO₃ в диоксане) и сравните реакционную способность: бензола, хлорбензола, толуола, метоксибензола, нитробензола; бензола, бензола, хлорбензола, фенола, этилфенилового эфира и фенилацетата; бензола, хлорбензола, толуола, метоксибензола, анилина. Ответ обоснуйте. Напишите схемы моносульфирования нафталина раствором SO₃ в дихлорэтане при низкой температуре, и 96% серной кислоты при 160^оС в течение 3 часов и объясните направление реакций. Напишите схемы сульфирования 2-нафталинсульфокислоты олеумом при 80-90^оС и 96% серной кислоты при 160^оС в течение 3 часов. Укажите, какие дисульфокислоты будут образовываться преимущественно. Укажите механизм и расположите следующие сульфокислоты в ряд по легкости десульфирования: п-нитро-, п-метокси, п-хлорбензолсульфокислота, бензолсульфокислота и п-толуолсульфокислота. По одному из способов разделения ксилолов технический продукт, представляющий собой смесь изомеров ксилола, сульфируют, а затем смесь моносульфокислот десульфируют при 120 – 122^оС. Какая ксилолсульфокислота и почему будет десульфироваться в этих условиях наиболее легко?

4. Механизм нитрования аренов концентрированной азотной кислотой, концентрированной азотной кислотой в присутствии кислот Льюиса, концентрированной азотной кислоты в инертных растворителях, азотной и серной кислот, смесью уксусного ангидрида и азотной кислоты, разбавленной азотной кислотой: образование атакующих частиц (их концентрация в реакционной массе); особенность взаимодействия частиц с ареном (промежуточные вещества); влияние строения субстрата на скорость и направление реакции (приведите конкретные примеры).

Напишите схемы реакций нитрования смесью азотной и серной кислот, азотной кислотой, азотной кислотой в уксусном ангидриде и сравните реакционную способность: бензола, хлорбензола, толуола, метоксибензола, нитробензола; бензола, хлорбензола, фенола, этилфенилового эфира и фенилацетата; бензола, хлорбензола, толуола, метоксибензола, N,N-диметиланилина. Ответ обоснуйте. Приведите все возможные схемы нитрования аренов и сделайте обоснованный выбор метода нитрования нафталина, децилбензола, 2-нафтола, 1-нафтиламина, 2-метилфурана,. Напишите схему нитрования изопентилбензола разбавленной азотной кислотой. Укажите возможные побочные продукты и способы повышения селективность процесса. Почему при нитровании бензойной кислоты, её метилового и этилового эфиров выход м-нитросоединений уменьшается от 82 до 73 и 68%? Объясните, почему при действии нитрующей смесью на N,N-диметиланилин, N-метиланилин и анилин выход п-нитросоединений в этом ряду увеличивается? При нитровании хлорбензола, толуола и трет.бутилбензола получены следующие смеси о-,м-,п-изомеров: 30%,0%,70%; 59%,4%,37%; 16%,11%,73%. Объясните приведенные данные.

       5. Нитрование смесью азотной и серной кислот: область и примеры применения процесса; достоинства и недостатки метода; состав и технология приготовления нитрующей смеси; роль серной кислоты, фактор нитрующей активности; тепловой эффект, аппаратурное оформление процесса, порядок слива реагентов; гетерогенное нитрование - модуль ванны, интенсивность перемешивания, температурный коэффициент, особенности слива реагентов, типовой процесс выделения нитропродуктов; гомогенное нитрование; пути устранения недостатков метода. Нитрование концентрированной азотной кислотой: область и примеры применения процесса; достоинства и недостатки метода; тепловой эффект, аппаратурное оформление процесса, порядок слива реагентов; гетерогенное нитрование - модуль ванны, интенсивность перемешивания, температурный коэффициент, особенности слива реагентов, типовой процесс выделения нитропродуктов; гомогенное нитрование; основные направления устранения недостатков метода - катализаторы, растворители, удаление реакционной воды. Нитрование азотной кислотой в уксусном ангидриде: область и примеры применения процесса; достоинства и недостатки метода; тепловой эффект, порядок слива реагентов, интенсивность перемешивания, температурный коэффициент, особенности слива реагентов, типовой процесс выделения нитропродуктов; основные направления устранения недостатков метода. Нитрование алканов и аренов разбавленной азотной кислотой: область и примеры применения процесса; достоинства и недостатки метода; основные направления устранения недостатков метода.

ЗАНЯТИЕ №8

Тема занятия: Реализация нуклеофильного замещения в промышленных условиях

 (2ч).

Актуальность темы: процессы нуклеофильного замещения галогенов, сульфогрупп и других атомов и групп атомов имеют исключительное значение, как на предприятиях органического синтеза, так и химфармпромышленности.

Цель занятия: ознакомить студентов с промышленными методами нуклеофильного замещения галогенов, сульфогрупп и других атомов и групп атомов в органических соединениях.

Конкретные задачи

Студент должен знать: процессы нуклеофильного замещения, их химизм, механизм реакций, влияния строения субстрата на тип замещения, направление и скорость реакции;

- методы нуклеофильного замещения, область их применения, их достоинства и недостатки, пути совершенствования. Студент должен уметь: выбрать метод нуклеофильного замещения в зависимости от свойств субстрата и реагента.

При подготовке к практическому занятию студент обязан проработать материал лекций, основной и дополнительной литературы в соответствии с темой, целью и конкретными задачами, после чего ответить на приведенные ниже задания и вопросы.

Обратите внимание нахимизм и основные механизмы нуклеофильного замещения галогенов и сульфогрупп, нуклеофильность частиц, факторы определяющие направление и скорость реакции нуклеофильного замещения, область применения методов, их достоинства и недостатки. Надо быть готовым к ответу на следующие вопросы:

Значение процессов замещения галогена в молекуле органического соединения на другие атомы и группы в химической технологии БАВ. Основные механизмы реакций замены галогена: нуклеофильное замещение галогена у sp³-гибридного атома углерода (S_N1 и S_N2 механизмы), лимитирующие стадии, молекулярность, порядок реакции, стереохимия, побочные процессы, зависимость типа механизма от структуры реагирующих соединений, полярности среды, и нуклеофильности атакующей частицы, аллилгалогениды, аллильная перегруппировка; нуклеофильное замещение галогена у sp²-гибридного атома углерода (механизмы S_NAr –присоединение-отщепление и S_NAr-отщепление-присоединение). Основные факторы, влияющие на скорость, направление и механизм процесса нуклеофильного замещения: строение алифатического, ароматического и гетероциклического субстрата, природа уходящего галогена, реакционная способность нуклеофила, природа растворителя (теория Хьюза-Ингольда). Межфазный катализ.

Замена атома галогена на -ОН, -OR, -SH, -SR-группы. Гидролиз моногалогенидов, а также геминальных ди-, три- и тетрагалогенпроизводных; значение реакции; выбор оптимальных условий. Примеры промышленной технологии простых эфиров, тиоспиртов и тиоэфиров. Использование межфазного катализа. Замена атома галогена на группы -NH₂, -NHR, -NR₂. Реакции Гофмана и Меншуткина. Методы синтеза чистых первичных (синтез Габриэля) и вторичных аминов. Методы получения амидов. Примеры промышленной технологии. Замена атома галогена на -CN, -SO₃H и др. нуклеофилы. Основные закономерности и выбор оптимальных условий проведения. Побочные процессы. Значение процесса, примеры использования, цианметилирование. Использование межфазного катализа.

Значение процессов нуклеофильного замещения сульфогруппы в биоорганическом синтезе. Общие сведения о процессе. Механизм, кинетика и термодинамика процесса. Основные способы осуществления и область применения каждого из методов. Важнейшие параметры. Технология и аппаратурное оформление. Типовые технологические схемы. Примеры осуществления промышленно важных процессов замены сульфогруппы на гидроксильную или аминогруппу и др. нуклеофилы в синтезах БАВ. Специфические особенности аппаратурного осуществления процесса.