Реакции замещения атома галогена

Реакции замещения атома галогена

 

БЕНЗИЛОКСИБЕНЗОЛ (бензилфениловый эфир)

 

ЭТОКСИМЕТИЛБЕНЗОЛ (бензилэтиловый эфир)

 

4.1.3. N, N -ДИЭТИЛБЕНЗОЛАМИН (N, N -диэтиланилин)

 

ДИБЕНЗИЛБЕНЗИМИДАЗОЛИЙ ХЛОРИД

 

     4.1.5. ТРИЭТИЛБЕНЗИЛАММОНИЙ ХЛОРИД (ТЭБАХ)

N-БЕНЗИЛ- N-ЭТИЛЭТАНАМИН (ДИЭТИЛБЕНЗИЛАМИН)

N- Бензилфталимид

Бензиламин

 

Вопросы для самоподготовки.

1. Охарактеризуйте возможные механизмы реакций нуклеофильного замещения атома галогена.
2. По какому механизму (S_N1 или S_N2) протекает реакция нуклеофильного замещения в ходе проведенного Вами синтеза? Мотивируйте Ваш выбор.
3. Приведите примеры использования реакций нуклеофильного замещения атома галогена в синтезе соединений различных классов.
4. Какова роль полярного апротонного растворителя в реакциях S_N2? Приведите формулы наиболее распространенных растворителей этого типа.
5. Как Вы думаете, какая из двух реакций (анилин + этилбромид или N-этиланилин + этилбромид) протекает легче и почему?
6. Какие процессы конкурируют с реакциями нуклеофильного замещения? Оцените возможность их протекания в ходе проведенного Вами синтеза.

 

 

 

4.1.1.   БЕНЗИЛОКСИБЕНЗОЛ
(бензилфениловый эфир)

 

 

Работу проводят в вытяжном шкафу!

В трехгорлую колбу объемом 50 мл, снабженную магнитной мешалкой, термометром и капельной воронкой, помещают 7,0 г тонко измельченного карбоната калия, 10 мл диметилформамида (ДМФА) и 5,0 г фенола. При перемешивании нагревают реакционную смесь до 50‑60 °С, после чего из капельной воронки прибавляют по каплям 6,4 г бензилхлорида (осторожно! вещество слезоточиво и сильно раздражает кожу). После прибавления всего реагента через капельную воронку вносят еще 5 мл диметилформамида и при перемешивании нагревают реакционную смесь при 100-110 °С (не выше!) в течение 1‑1,5 часов до исчезновения запаха бензилхлорида. Затем реакционную смесь выливают в 30 мл воды, при этом отделившийся маслянистый слой медленно закристаллизовывается. Осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают водой, высушивают и перекристаллизовывают из хлороформа. Выход около 5 г. Т. пл. 40 °С.

 

 

4.1.2.   ЭТОКСИМЕТИЛБЕНЗОЛ
(бензилэтиловый эфир)

 

 

Работу проводят в вытяжном шкафу! Работу со щелочью проводят в защитных очках!

В круглодонную колбу объемом 200 мл помещают 4,0 г гидроксида калия и 25 мл этанола. Колбу снабжают обратным холодильником и осторожно нагревают смесь до растворения щелочи (небольшое количество гидроксида калия может остаться нерастворенным). Раствор охлаждают и прибавляют 6,4 г бензилхлорида(осторожно! вещество слезоточиво и сильно раздражает кожу). Затем осторожно нагревают смесь до начала кипения и убирают нагрев. По окончании бурной стадии реакции (приблизительно через 15 минут) колбу помещают в горячую водяную баню и кипятят еще 20 минут, после чего реакционную смесь охлаждают в бане с холодной водой, прибавляют 50 мл ледяной воды и встряхивают до полного растворения твердого вещества. Затем прибавляют небольшими порциями 2 М раствор соляной кислоты до нейтральной реакции водного слоя. Полученный эфир отделяют в делительной воронке, промывают водой (2 × 5 мл), сушат безводным хлоридом кальция. Отделяют от осушителя фильтрованием и перегоняют, собирая фракцию с т. кип. 180-187 °С.

Выход около 4 г. Т. кип. 185 °С; n_D ²⁰ 1,4955.

 

 

4.1.3. N, N -ДИЭТИЛБЕНЗОЛАМИН
(N, N -диэтиланилин)

 

Работу со щелочью проводят в защитных очках!

Работа состоит из двух препаративных стадий: получение N‑этиланилина и синтез из него N, N -диэтиланилина

 

Получение N‑этиланилина

В круглодонной колбе объемом 100 мл, соединенной с обратным холодильником, кипятят 9,3 мл свежеперегнанного анилина с 13,5 г бромэтана до тех пор, пока реакционная масса не затвердеет (примерно 2‑4 часа). К охлажденной реакционной массе небольшими порциями при размешивании приливают раствор 6,3 г гидроксида натрия в 20 мл воды (колбу при этом охлаждают в бане с холодной водой). Выделившийся N ‑этиланилин отделяют с помощью делительной воронки, сушат твердым гидроксидом калия. Отделяют от осушителя фильтрованием и жидкость перегоняют из колбы Вюрца, собирая фракцию при 202‑208 °С. Выход около 9 г. Т. кип. 205 °С; n_D ²⁰ 1,5540.

 

По данной методике могут быть получены:

 

исходный амин	продукт реакции	выход,%	Т. кип., °С	nD 20
анилин	N- ИЗОПРОПИЛБЕНЗОЛАМИН (N- изопропиланилин)	65	206	1,5380

 

Получение N,N-диэтилангилина

 

В круглодонную колбу объемом 100 мл, соединенной с обратным холодильником кипятят 9 г N‑ этиланилина и 10 мл бромэтана и кипятят до затвердения реакционной массы. После охлаждения бромид дифениламмония растворяют в воде. Затем раствор охлаждают и добавляют к нему небольшими порциями при перемешивании раствор 6,4 г гидроксида натрия в 20 мл воды. Выделившийся N, N ‑диэтиланилин отделяют с помощью делительной воронки, высушивают твердым гидроксидом калия. Отделяют от осушителя фильтрованием и перегоняют. Собирают фракцию 214–216 °С. Выход около 10 г. Т. кип. 216 °С; n_D ²⁰ 1,5409.

N-бензил- N-этилэтанамин

(диэтилбензиламин)

[В.И.Теренин и др. Практикум по органической химии.

М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010, с. 183]

 Рекомендуется количества реагентов уменьшить в 2 раза

N- Бензилфталимид

[В. Ф. Травень, А. Е. Щекотихин. Практикум по органической химии. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014 г, с. 214]

Если не планируется вторая стадия (получение бензиламина), то загрузку рекомендуется уменьшить в 3 раза.

Безводный поташ (15 г) быстро растирают в ступке в мелкий порошок* и тщательно смешивают (в ступке) с фталимидом (15 г). Полученную смесь помещают в трехгорлую колбу, снабженную механической мешалкой, обратным холодильником и термометром**, прибавляют диметилформамид (50 мл) и бензилхлорид (15 г), присоединяют обратный холодильник и нагревают при перемешивании 1 ч на масляной или песчаной бане при 120 °C. Смесь охлаждают и при перемешивании выливают в воду (200 мл). Выпавший садок отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают водой, тщательно отжимают, промывают петролейным эфиром (20 мл) и снова отжимают (примечание 8). Перекристаллизовывают N-бензилфталимид из ледяной уксусной кислоты***. Выход N-бензилфталимида около 16 г (70%) с т. пл. 114–116 °C. Т. пл. чистого образца 115–116 °C.

-----

Примечания:

*Поташ гигроскопичен, поэтому измельчение следует проводить быстро, не допуская длительного пребывания измельченной соли на воздухе.

**Альтернативно, можно контролировать температуру бани.

***Если планируется вторая стадия, то перекристаллизацию можно не проводить.

 

Бензиламин

[В. Ф. Травень, А. Е. Щекотихин. Практикум по органической химии. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014 г, с. 214]

N-Бензилфталимид (16 г) помещают в колбу, прибавляют раствор гидроксида калия (20 г) в воде (100 мл), с помощью насадки Вюрца к колбе присоединяют прямой холодильник и отгоняют жидкость почти досуха. Остаток охлаждают, прибавляют 100 мл воды и снова отгоняют почти досуха. Водный дистиллят объединяют, насыщают поваренной солью* и экстрагируют продукт эфиром (3 раза по 20 мл). Экстракт сушат гидроксидом натрия, отфильтровывают от осушителя в колбу Вюрца, отгоняют эфир на водяной бане. Остаток перегоняют с воздушным холодильником, собирая фракцию с т. кип. 182–186 °C. Выход бензиламина — около 6 г (60%). Т. кип. чистого образца 184.5 °C, n_D²⁰ = 1.5441.

----

Примечание: *Для насыщения водного раствора используют 20–25 г NaCl на 100 мл дистиллята.

Тема IV. Образование связей углерод-гетероатом в алифатическом ряду (реакции нуклеофильного замещения)

 

Реакции замещения ОН-группы

 

Бромбутан

 

БРОМ-3-МЕТИЛБУТАН

БРОМЭТАН

БРОМПРОПАН

БРОМПРОПАН

ДИОКСАН

4.2.4. 2-МЕТИЛ-2-ХЛОРПРОПАН (трет -бутилхлорид)

МЕТИЛ-2-ХЛОРБУТАН

ХЛОРЦИКЛОГЕКСАН

4.2.6. 2-ЭТОКСИНАФТАЛИН (этиловый эфир β-нафтола, неролин новый)

ИЗОПЕНТИЛАЦЕТАТ

АНИЗОЛ

Вопросы для самоподготовки.

1. Рассмотрите способы активации ОН-группы в реакциях нуклеофильного замещения. Приведите примеры реакций.

2. Охарактеризуйте возможные механизмы реакций нуклеофильного замещения ОН-группы в спиртах и их производных. По какому механизму (S_N1 или S_N2) протекает реакция нуклеофильного замещения в ходе осуществленного Вами синтеза? Мотивируйте Ваш выбор.

3. Рассмотрите область применения синтеза простых эфиров кислотной дегидратацией спиртов. Какие еще методы синтеза простых эфиров Вам известны?

4. Рассмотрите область применения синтеза сложных эфиров из активированных эфиров (сульфатов, сульфонатов) и солей карбоновых кислот. Какие еще методы синтеза сложных эфиров Вам известны?

5. Какие побочные процессы возможны в ходе осуществленного Вами синтеза?

БРОМБУТАН

 

 

В круглодонную колбу объемом 50 мл помещают 15 мл воды и 17,5 г бромида натрия и тщательно перемешивают. К смеси добавляют 10,0 г бутанола-1, а затем постепенно при охлаждении и взбалтывании – 12 мл концентрированной серной кислоты. Смесь кипятят 2 часа с обратным холодильником, затем обратный холодильник заменяют на нисходящий и отгоняют 1‑бромбутан. Сырой продукт содержит примесь воды, дибутилового эфира, бутанола-1 и следы брома.

Бромид отделяют от водного слоя в делительной воронке и промывают водой. Затем переносят 1‑бромбутан в сухую делительную воронку и промывают 2 мл холодной концентрированной серной кислоты. Кислоту отделяют, продукт дополнительно промывают холодной водой и затем 10 % раствором гидрокарбоната натрия. Сушат безводным хлоридом кальция. Отделяют от осушителя фильтрованием и перегоняют, собирая фракцию 98-104 °С.

Выход около 16 г. Т. кип. 102 °С; n_D ²⁰ 1.4394.

 

По данной методике могут быть получены:

исходный спирт	продукт реакции	выход,%	т. кип., °С	nD 20
3-метилбутанол-1	1-БРОМ-3-МЕТИЛБУТАН	90	120	1,4409

 

БРОМЭТАН

 

Работу проводят в вытяжном шкафу!

В круглодонную колбу объемом 100 мл вливают 16 г этилового спирта, добавляют 18 мл воды и при постоянном охлаждении и встряхивании медленно, порциями приливают 69 г охлажденной серной кислоты. Смесь охлаждают до комнатной температуры и при перемешивании прибавляют 30 г тонко растертого бромида калия. Колбу соединяют с дефлегматором и длинным, хорошо действующим водяным холодильником, снабженным алонжем, конец которого опущен в приемник с ледяной водой. Реакционную смесь нагревают на плитке до тех пор, пока в приемник не перестанут поступать маслянистые капли, опускающиеся на дно приемника. Если реакционная смесь в колбе начнет сильно пениться, то на некоторое время прерывают нагревание. По окончании реакции бромэтан отделяют при помощи делительной воронки от воды, помещают его в плоскодонную колбу и сушат 30‑40 мин безводным хлоридом кальция. Отделяют от осушителя фильтрованием и перегоняют, собирая фракцию, кипящую при температуре 36-40 °С. Выход 22‑23 г. Т. кип. 38 °С; n_D ²⁰ 1.4239.

 

По данной методике могут быть получены:

исходный спирт	продукт реакции	выход,%	т. кип., °С	nD 20
пропанол-1	1-БРОМПРОПАН	70	71	1,4343
пропанол-2	2-БРОМПРОПАН	30-40	59	1,4251

 

 

ДИОКСАН

Работу проводят в вытяжном шкафу!

В перегонную колбу с дефлегматором объемом 100 мл помещают 30 мл сухого этиленгликоля и 1 мл концентрированной серной кислоты, тщательно перемешивают до однородности. Реакционную смесь осторожно нагревают до кипения. Через некоторое время начинается медленная отгонка продукта реакции. В начале перегонки температура паров составляет 84‑90 °С, в конце повышается до 102 °С. Нагревание заканчивают, когда содержимое колбы сильно чернеет, вспенивается, начинается выделение оксида серы(IV).

К бесцветному прозрачному дистилляту добавляют порошкообразный карбонат калия, периодически перемешивая содержимое колбы, до образования двух слоев – водного и органического. Верхний слой (диоксан) отделяют с помощью делительной воронки и сушат прокаленным карбонатом калия (если снова образуется два слоя, то их снова разделяют), затем органический слой сушат гидроксидом калия. Высушенный диоксан отделяют от осушителя и перегоняют, собирая фракцию 100‑103 °С. Выход около 12 г. Т. кип. 101 °С; n_D ²⁰ 1,4224.

 

 

4.2.4. 2-МЕТИЛ-2-ХЛОРПРОПАН
(трет -бутилхлорид)

 

 

В делительную воронку помещают 18,5 г трет ‑бутилового спирта и 21 мл концентрированной соляной кислоты. Смесь встряхивают и дают отстояться в течение 15–20 минут. Отделяют нижний слой, верхний промывают 5 % раствором гидроксида натрия, затем водой до нейтральной реакции промывных вод. Полученный продукт сушат безводным хлоридом кальция. Отделяют от осушителя фильтрованием и перегоняют с длинным водяным холодильником, собирая фракцию 49‑52 °С. Выход около 6 г. Т. кип. 52 °С; n_D ²⁰ 1,3857.

 

По данной методике могут быть получены:

исходный спирт	продукт реакции	выход,%	т. кип., °С	nD 20
2-метилбутанол-2	2-МЕТИЛ-2-ХЛОРБУТАН	80	86	1,4055

 

ХЛОРЦИКЛОГЕКСАН

Метод 1

 

 

В круглодонной колбе, снабженной газовводной трубкой, растворяют 15 г циклогексанола в 23,5 мл концентрированной соляной кислоты, раствор на холоду насыщают газообразным хлороводородом (приложение 2) и затем кипятят с обратным холодильником в течение 2 часов. После кипячения органический слой отделяют, несколько раз промывают водой, сушат над безводным хлоридом кальция. Отделяют от осушителя фильтрованием и перегоняют. Выход около 12 г. Т. кип. 141 °С; n_D ²⁰ 1.4625.

 

 

Метод 2

 

 

 

4.2.6. 2-ЭТОКСИНАФТАЛИН
(этиловый эфир β-нафтола, неролин новый)

 

 

В круглодонную колбу объемом 100 мл вносят 2,1 г β‑нафтола, вливают 3,2 мл абсолютного этанола и перемешивают смесь до растворения большей части β‑нафтола. Затем осторожно добавляют 0,5 мл концентрированной серной кислоты (смесь разогревается). Колбу снабжают обратным холодильником и нагревают на кипящей водяной бане в течение 3-3,5 часов, периодически перемешивая реакционную смесь. По окончании нагревания теплую смесь выливают тонкой струей при перемешивании в стакан, содержащий 7,5 мл 5 % раствора гидроксида натрия, нагретого до 50 °С. Смесь перемешивают до тех пор, пока продукт реакции не затвердеет. Водный раствор сливают методом декантации, а осадок еще раз обрабатывают горячим 5 % раствором гидроксида натрия. При обработке раствором щелочи из продукта удаляется β‑нафтол, не вступивший в реакцию. После остывания смеси к ней добавляют воду до начала кристаллизации, охлаждают ледяной водой, выпавший осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера и тщательно (не менее трех раз) промывают водой до нейтральной реакции промывных вод. Продукт очищают перекристаллизацией из этанола, сушат на воздухе. Выход около 2 г. Т. кип. 275-282 °С; т. пл. 37,5 °С.

 

 

4.2.7. 1-БУТОКСИБУТАН
(дибутиловый эфир)

 

 

В круглодонную колбу объемом 100 мл вносят 25 мл бутанола‑1 и (осторожно!) 2 мл концентрированной серной кислоты. Колбу снабжают насадкой Дина-Старка и кипятят, до тех пор, пока не выделится расчетное количество воды. После окончания реакции содержимое колбы охлаждают и при перемешивании приливают к нему 15 мл 10 % раствора гидроксида натрия и жидкость из ловушки. Органический слой отделяют и промывают в делительной воронке несколько раз 10 % гидроксидом натрия до щелочной реакции промывных вод, затем 15 мл воды и 10 мл насыщенного раствора хлорида кальция. После осушки над безводным хлоридом кальция дибутиловый эфир отделяют от осушителя фильтрованием и перегоняют из колбы с дефлегматором, собирая фракцию, кипящую в интервале 140‑145 °С. Выход около 10 г. Т. кип. 142 °С; n_D ²⁰ 1,4010.

 

ИЗОПЕНТИЛАЦЕТАТ

 

 

В колбу Вюрца объемом 150 мл, снабженную капельной воронкой и соединенную с нисходящим холодильником, помещают 12,5 г растертого в порошок безводного ацетата натрия (приложении 2). Из капельной воронки по каплям, при перемешивании приливают смесь 12,5 г изоамилового спирта и 12,5 г концентрированной серной кислоты. При этом колбу непрерывно нагревают на песчаной бане при температуре бани 150 °С. По окончании реакции и прекращении отгонки дистиллята верхний слой (смесь изоамилацетата и изоамилового спирта) отделяют при помощи делительной воронки, промывают раствором гидрокарбоната натрия, затем дважды промывают водой, сушат хлоридом кальция. Отделяют от осушителя фильтрованием и жидкий продукт перегоняют из колбы Фаворского, собирая фракцию 138‑142 °С. Выход около 12 г. Т. кип. 142 °С, n_D ²⁰ 1,3999.

 

 

4.2.9. 1-(ИЗОПЕНТОКСИ)-3-МЕТИЛБУТАН
(диизоамиловый эфир)

 

 

В круглодонной колбе, снабженой насадкой Дина-Старка, кипятят 20 г изоамилового спирта с 0,8 мл концентрированной серной кислоты. Кипячение прекращают, когда в водоотделителе соберется 1,8 мл воды. Реакционную смесь перегоняют с водяным паром до тех пор, пока в дистиллят не перестанут переходить маслянистые капли. Органический слой отделяют и сушат прокаленным карбонатом калия. Диизоамиловый эфир отделяют от осушителя фильтрованием перегоняют при 165‑172 °С (Осторожно! не перегонять досуха!). Выход около 10 г. Т. кип. 173 °С; n_D ²⁰ 1,4080.

АНИЗОЛ

 

 

Работу проводят в вытяжном шкафу!

В трехгорлую колбу объемом 100 мл, снабженную обратным холодильником, капельной воронкой и механической мешалкой, помещают 32 мл 2 М раствора гидроксида натрия и 5 г фенола. К полученному раствору прикапывают 7,0 г диметилсульфата (осторожно, ядовитое соединение, не вдыхать пары, избегать пападания на кожу). Смесь перемешивают при нагревании на водяной бане в течение 20 мин и после охлаждения переливают в делительную воронку, промывая колбу небольшим количеством эфира. Отделяют эфирный слой и сушат хлоридом кальция. Отделяют от осушителя фильтрованием и жидкость перегоняют. Анизол отгоняется при 145‑155 °С. Выход около 5 г. Т. кип. 154 °С, n_D ²⁰ 1,5170.

Mendeleev Communications

Issue 6

Pages 223-4

Journal

1995

-----

Реакции замещения атома галогена