Программа МК-5 «Реализация нуклеофильного замещения в промышленных условиях»

Напишите схему замещения галогена в алкилгалогенидах на нуклеофил по механизму S_N1 и S_N2 и: объясните стереохимию реакции; укажите, как скорость реакции зависит от строения радикала; возможные побочные процессы; как природа галогена влияет на скорость реакции; как сила нуклеофила, природа и полярность растворителя способствуют этим реакциям; катализаторы, ускоряющие эти реакции. Напишите схему замещения галогена в арилгалогенидах на нуклеофил по механизму S_NAr и укажите, как строение субстрата и природа галогена влияют на скорость реакции; заместители в кольце, ускоряющие и затрудняющие реакцию; факторы, способствующие этой реакции. Напишите схему замещения галогена в арилгалогенидах на нуклеофил по механизму отщепление-присоединение и укажите, в каких случаях реализуется эта реакция; возможный побочный процесс; заместители в кольце, направляющие реакцию по этому механизму; соединения, реагирующие по этому механизму; факторы, способствующие этой реакции. Укажите, по какому механизму замещается галоген в активированных и неактивированных арилгалогенидах, в a-положении пиридина на гидроксил, амино-, меркаптогруппу? Напишите схему механизма. Какие реакции (S_N1 или S_N2) лучше протекают в диметилформамиде, в диметилсульфоксиде, в уксусной кислоте, в присутствии AlCl₃, в присутствии Ag⁺? Зачем в случае реакции S_N2 часто к апротонному растворителю (ацетон, диоксан) добавляют воду? Как влияет наличие о- и п-расположенных электроноакцепторных и электронодонорных заместителей на нуклеофильную подвижность галогена? Как влияет положение галогена в нитробензоле, в 1-нитронафталине, в толуоле на его нуклеофильную подвижность? Какие реакции (S_N1 или S_N2) лучше протекают с бензилгалогенидами, с аллилгалогенидом, при использовании сильных или слабых нуклеофилов (NH₂^-, RO^- и др.)?

Напишите схему реакции: бензилхлорида с водой; бензилиденбромида с водным раствором серной кислоты; хлороформа с водным раствором щелочи; дифенилдихлорметана с водой; п-нитрохлорбензола с сульфидом натрия; реакции хлорацетата натрия с сульфидом натрия; о-нитрохлорбензола с этилатом натрия; бензиламина с этилбромидом; анилина с метилиодидом; о,п-динитрохлорбензола с метиламином; 1,2-диметил-4-бромбензола с аммиаком в присутствии солей меди; этилбромида с цианидом натрия; бензилхлорида с цианидом натрия; винилбромида с этилтиолятом натрий; 3,4-дихлорнитробензола с метанолом в присутствии щелочи; п-хлорбензилхлорида с водой; 3,4-дихлорнитробензола с водной щелочью при нагревании; 2,3-дихлорнитробензола с метилатом натрия при нагревании; 1,3-дихлорпропена (2,3-дихлорпропена) с метилатом натрия; п-хлорбензилхлорида с цианидом натрия; 1,2-дихлор-2-бутена с водой при нагревании. Сравните реакционную способность: бутил-, втор.бутил- и трет.бутил- хлоридов в реакциях S_N1; бутил-, втор.бутил- и трет.бутил- хлоридов в реакциях S_N2; бензил-, втор.бутил- и трет.бутил- хлоридов в реакциях S_N1; бензил-, втор.бутил- и трет.бутил- хлоридов в реакциях S_N2; бутил-, винил- и трет.бутил- хлоридов в реакциях S_N1; бутил-, винил- и трет.бутил- хлоридов в реакциях S_N2; бензилхлорида, хлорбензола и п-нитрохлорбензола в реакциях с NH₃; хлорбензола п-метокси- и п-нитрохлорбензола в реакциях с водой.

ЗАНЯТИЕ №9

Тема занятия: Процессы нитрозирования, азосочетания, замены диазогруппы в промышленности. (2 ч).

Актуальность темы. Процессы нитрования широко применяются в химической технологии органических веществ, в том числе в синтезе лекарств.

Цель занятия: изучить методы нитрозирования ароматических и алифатических соединений, а также методы получения азосоединений и замены диазогруппы на другие функциональные группы, осуществляемые в химической промышленности.

Конкретные задачи. Студент должен знать: методы нитрозирования, азосочетания и замены диазогруппы на другие атомы и группы атомов, применяемые в промышленности, их химизм и механизмы реакций, сравнительные характеристики и области применения основных методов нитрозирования; технологию процессов нитрозирования, диазотирования, азосочетание и замены диазогруппы на другие атомы и группы атомов для ароматических и алифатических соединений. Студент должен уметь: обосновывать выбор методов нитрозирования, диазотирования, азосочетание и замены диазогруппы на другие атомы и группы атомов.

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 основных методов нитрования, на реагенты и их свойства, область применения методов, их достоинства и недостатки, механизмы реакций, атакующие частицы их активность, факторы определяющие направление и скорость сульфохлорирования. Необходимо быть готовым отвечать на следующие вопросы:

Определение процессов диазотирования и нитрозирования и их общая характеристика. N-, С- и О-нитрозирование. Значение диазо- и нитрозосоединений в химическом синтезе БАВ. Механизмы этих реакций и их взаимосвязь: активные частицы, их соотношение в зависимости от условий реакции, лимитирующая стадия. Современные представления о структуре алифатических и ароматических диазосоединений. Прототропные превращения в ряду диазосоединений. Алифатические и ароматические N- и О-нитрозосоединения: их строение, устойчивость,перегруппировка Фишера-Хеппа. Влияние основных технологических параметров на ход диазотирования и нитрозирования: температура, кислотность среды, концентрация нитрита, перемешивание, порядок смешения реагентов. Типовые способы диазотирования ароматических аминов; типовые технологические схемы и аппаратурное оформление. Основные требования к оборудованию. Кислотно-основные превращения ароматических диазосоединений. Основные реакции диазосоединений. Замена диазогруппы на ОН-группу (катализаторы разложения, совмещенная схема, её достоинства и недостатки), на галоген (реакции Зандмейера – Гаттермана, Шимана), на CN- и другие группы. Современные представления о механизме процессов замены диазониевой группы. Восстановление солей диазония.

Реакция азосочетания: с фенолами, аминами (С-, N- и О-азосочетание) Примеры промышленного применения этих реакций в химическом синтезе БАВ. Особенности технологии и аппаратурное оформление этих процессов. Опыт математического моделирования этих процессов.

Другие способы получения диазо- и нитрозосоединений. Синтез алифатических диазосоединений из N-нитрозо-N-алкиламидов карбоновых и сульфокислот, из N-нитрозо-N-алкилмочевины, из натриевой соли формальдоксима, из кетогидразонов, из моногидразонов 1,2-дикарбонильных соединений, из тозилгидразонов, из аренсульфонилазидов. Синтез нитрозо соединений из аминов и алкилгидроксиламинов.

Программа МК6 «Процессы нитрозирования, азосочетания, замены диазогруппы в промышленности»

1.Приведите пример и дайте определение процессам диазотирования, С-нитрозирования, N-нитрозирования, О-нитрозирования, азосочетания. Приведите примеры и укажите, какие субстраты вступают в реакции диазотирования, в реакции С-нитрозирования, в реакции N-нитрозирования, в реакции О-нитрозирования, в реакции азосочетания. Приведите пример реакции ароматических аминов и опишите свойства солей диазония; реакции диазотирования диазотирования алифатических аминов и объясните её результат. Приведите пример и объясните, в каких условиях проводят реакцию азосочетания с фенолами, с аминами. Приведите схему диазотирования этилового эфира аминоуксусной кислоты и объясните устойчивость продукта реакции.

2.Напишите химическую схему механизма азосочетания с аминами и фенолами; диазотирования; N-нитрозирования; С-нитрозирования. Напишите схему образования атакующих частиц в реакции диазотирования и сравните их реакционную способность и укажите, в каких условиях образуется каждая из них; Напишите хим. схему механизма диазотирования ароматических аминов в среде соляной кислоты; в среде разбавленной серной кислоты; в среде концентрированной серной кислоты. Напишите хим. схему предполагаемого механизма замены диазогруппы на иод. Напишите хим. схему механизма нитрозирования вторичных аминов в среде соляной кислоты; в среде разбавленной серной кислоты; в среде концентрированной серной кислоты.

3.Опишите технологию процесса диазотирования первичных ароматических аминов. Объясните влияние перемешивания, температуры, концентрации кислоты, количества нитрита натрия и охлаждения, р К _b амина, рН среды на ход процесса диазотирования ароматических и алифатических аминов. Опишите технологию процесса диазотирования ароматических аминов, содержащих карбоксильные группы; содержащих сульфогруппы; с пониженной реакционной способностью; 2,4-динитроанилина. Укажите причины применения избытка минеральной кислоты при диазотировании ароматических аминов.

4.Сравните устойчивость солей диазония и активность в реакциях азосочетания с фенолом (анилином): бензол-, п-нитробензол-, п-толуолдиазоний хлоридов; бензол-, п-хлорбензол-, п-метоксибензолдиазоний хлоридов; бензол-, п-карбоксибензол-, п-гидроксибензолдиазоний хлоридов.

5. Сравните активность аминов в реакциях диазотирования: анилин, п-нитроанилин, п-толуидин; п-хлоранилин, п-метоксианилин; анилин, п-аминобензойная кислота, п-аминофенол; анилин, бензиламин, п-толуидин при рН=1; анилин, бензиламин, п-метоксианилин при рН=3; анилин, бензиламин, п-толуидин при рН=3.

6.Напишите схему и укажите условия реакции: п-метиланилина с бензолдиазоний бромидом; п-метилфенола с бензолдиазоний гидросульфатом; N-метиланилина с нитритом натрия; N,N-диметиланилина с нитритом натрия; бензиламина с нитритом натрия; замещение диазогруппы на гидроксильную; замещение диазогруппы на хлор (бром) по Зандмейеру и по Гаттерману; замещение диазогруппы на цианогруппу; замещение диазогруппы на нитрогруппу; замещение диазогруппы на водород; замещение диазогруппы на фтор; замещение диазогруппы на иод; N-нитрозо-N-метиланилина с соляной кислотой в среде спирта (эфира) и укажите практическое значение реакции.

ЗАНЯТИЕ №10

Тема занятия: Промышленные методы введения галогена в молекулу органического соединения. (2 ч).

Актуальность темы: введение галогена в молекулу органического соединения является одним из наиболее широко применяемыхпроцессов в органическом синтезе, в том числе в синтезе биологически активных веществ.

Цель занятия: ознакомить студента с промышленными методами введения галогена в молекулу органического соединения.

Конкретные задачи: Студент должен знать: основные методы введения галогена в молекулу органического соединения, их химизм, механизмы реакций, влияния строения субстрата на направление и скорость реакции, выбор метода и условий процесса, достоинства, недостатки методов и области их применения; влияние основных технологических факторов на выход целевого продукта. Студент должен уметь:  выбрать метод введения галогена в молекулу органического соединения в зависимости от свойств субстрата.

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 основных методов получения галогенидов, реагенты и их свойства, область применения методов, их достоинства и недостатки, механизмы реакций, атакующие частицы их активность, факторы определяющие направление и скорость реакции. Надо быть готовым к ответу на следующие вопросы:

 

Общие сведения о процессах галогенирования. Значение органических галогенидов в химической технологии БАВ. Галогенирование ароматических соединений в присутствии катализаторов. Основные методы введения атома галогена в ароматическое ядро (галогенирование в присутствии кислот Льюиса, галогенирование в кислых средах, галогенирование гипогалогенными кислотами). Общий механизм процесса: электрофильные частицы; основные катализаторы и механизм их действия; порядок реакции. Сравнительная характеристика фторирования, хлорирования, бромирования, иодирования. Влияние основных технологических параметров на ход процесса: температуры, катализатора, имеющихся заместителей, растворителя. Особенности технологии процессов галогенирования. Основные стадии. Хлорирование в безводной среде в присутствии кислот Льюиса: подготовка хлорирующего агента и субстрата, особенности конструкции хлораторов (абсорберов), выбор растворителя, выделение продуктов, очистка отходящих газов (конденсационный и сорбционный методы). Бромирование: особенности технологии и аппаратурного оформления, бромирование в присутствии окислителей, основные приемы регенерации брома. Иодирование: особенности технологии и аппаратурного оформления, иодирование хлориодом, регенерация иода. Примеры промышленно важных процессов галогенирования в синтезе биологически активных соединений. Утилизация отходов производства.

Галогенирование алканов и в боковую цепь алкиларенов. Основные сведения о механизме и кинетике процессов. Тепловой эффект, направление и селективность процесса. Пути увеличения селективности процессов: специфические переносчики галогенов. Инициаторы реакции. Влияние основных технологических факторов на ход процессов: фазы, ингибиторов, температуры, перемешивания, материал аппаратов и конструкция хлораторов. Основные методики гомолитического галогенирования, их сравнительная характеристика. Примеры хлорирования и бромирования. Особенности технологии радикального фторирования.

Галогенирование алкенов и др. непредельных соединений. Механизмы электрофильного и радикального присоединения галогенов, галогенводородов, гипогалогенирования, радикального замещения. Факторы, определяющие направление и скорость процессов. Особенности технологии. Типовые методики и технологические схемы. Примеры их использования в технологии синтетических БАВ.

Галогенирование карбонильных соединений и карбоновых кислот. Гомолитическое и гетеролитическое галогенирование карбонильных соединений. Галогенирование карбонильных соединений по a-углеродному атому в условиях кислого и щелочного катализа. Кинетика, механизм, область применения метода. Галоформная реакция, ее модификации (иодоформная реакция). Замена кислорода на хлор и фтор. Взаимодействие ненасыщенных карбонильных соединений с галогенводородами. Типовые методики, технологические схемы. Примеры использования в синтезе лекарственных веществ. Гомолитическое и гетеролитическое галогенирование карбоновых кислот. Галогенирование по a-углеродному атому. Методы получения ацилгалогенидов. Фторирование кислот. Типовые технологические схемы. Примеры использования в технологии.

Галогенирование спиртов (замена гидроксильной группы на атом галогена). Основные методы "галогенирования" спиртов, их сравнительная характеристика (галогенводородами, галогенидами фосфора, хлористым тионилом, комплексами трифенилфосфина, через эфиры сульфокислот). Типовые схемы. Примеры галогенирования спиртов в синтезе лекарственных веществ и при химической модификации природных биологически активных субстратов.

Получение органических галогенидов замещением одних атомов галогена на другие. Условия проведения и технология соответствующих процессов. Примеры использования в химико-фармацевтической промышленности и при химической модификации БАВ природного происхождения.