Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре

Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре протекают очень легко из-за активирующего влияния гидроксильной группы, которая, будучи заместителем I рода, преимущественно направляет входящий заместитель в орто- и пара- пололжения.

Галогенирование фенолов происходит легко и для этого катализатор не требуется.

Особо следует отметить реакцию бромирования: при действии бромной воды образуется 2,4,6–трибромфенол, который плохо растворим в воде и выделяется в виде белого творожистого осадка. Данная реакция протекает количественно, поэтому может использоваться не только как качественная, но и в количественном анализе.

Нитрование разбавленной азотной кислотой (20-25%) приводит к образованию смеси орто- и пара – нитрофенолов:

Характерной особенностью орто–нитрофенола является наличие внутримолекулярной водородной связи, благодаря чему он легко перегоняется с водяным паром. Эта особенность позволяет использовать данный метод для разделения орто- и пара-изомеров.

Нитрозирование фенолов осуществляют с помощью азотистой кислоты либо в воде, либо в среде уксусной кислоты (для водонерастворимых фенолов).

Эта реакция характеризуется высокой избирательностью по отношению к пара-положению: соотношение пара- и орто - нитрозофенолов составляет 15:1:

Сульфирование фенолов приводит к фенолсульфоновым кислотам. Температурный фактор играет важную роль в соотношении о- и п- изомеров. Так, при действии конц. H₂SO₄ на фенол орто – изомер преобладает, если t^o < 100^oC. Повышение температуры выше 100^o C способствует перегруппировке орто – изомера в пара – изомер:

Карбоксилирование проводится действием СO₂ на сухой фенолят натрия. Реакция открыта Г. Кольбе и усовершенствована Р. Шмиттом. Реакция Кольбе-Шмитта лежит в основе синтеза салициловой кислоты:

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу приводит обычно к орто- и пара- изомерам. В качестве алкилирующих агентов используют спирты и алкены в присутствии протонных кислот или кислот Льюиса:

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу приводит к гидроксикетонам. Ацилирующими реагентами служат ангидриды или хлорангидриды, а катализа- торы – кислоты Льюиса.

Более распространённым методом ацилирования является перегруппировка Фриса: сложные эфиры фенолов при нагревании в присутствии хлорида алюминия переходят в орто- или пара- гидроксикетоны. Преимущественное образование орто- или пара- изомеров определяется природой растворителя и температурным режимом: если процесс вести в нитробензоле, то при температуре 20-25^оС ацильный остаток перегруппировывается в пара- положение, а в более жёстких условиях (выше 150-160^оС) преобладает орто- изомер:

Формилирование (введение альдегидной группы) осуществляется взаимодействием фенола с большим избытком хлороформа и водным раствором гидроксида натрия или калия. Данная реакция, как правило, приводит к орто – гидроксиальдегидам и известна как реакция Раймера-Тимана:

Взаимодействие с формальдегидом (гидроксиметилирование). Фенол в кислой или щелочной средах образует гидроксибензиловые спирты:

Далее эти соединения конденсируются друг с другом, образуя в конечном итоге трёхмерные сетчатые структуры, которые представляют собой фенолформальдегидные смолы (карболит или бакелит)

Фенопласты широко используют в технике в качестве заменителей пластмасс.

Гидрирование

При каталитическом гидрировании фенола образуется циклогексанол, который находит широкое применение в промышленном синтезе капролактама, и далее – капрона.

Резорцин восстанавливается до дигидропроизводного, которое легко трансформируется в дикетон:

13.3.5. Окисление

Фенолы сравнительно легко окисляются и механизм окисления зависит от природы одно- или двухэлектронного окислителя. При окислении двухэлектронным окислителем – дихроматом калия или оксидом марганца (IV) в кислой среде образуется п-хинон (п-бензохинон):

Предполагается, что фенол, взаимодействуя с хромовой кислотой, образует сложный эфир, который далее отщепляет анион HCrO₃^¯ и превращается в карбокатион. Последний подвергается гидратации с образованием гидрохинона, который затем окисляется до п-хинона:

При одноэлектронном процессе окисления образуется феноксильный радикал, который димеризуется:

Если в оба орто- положения ввести объёмные заместители, то образующийся феноксильный радикал становится устойчивым и в отсутствии воздуха и агрессивных окислительных реагентов может существовать длительное время. Примером такого соединения является 2,6–ди-трет-бутил–4–метилфенол:

Данный механизм лежит в основе антиоксидантных свойств фенолов.

Отдельные представители

Фенол (карболовая кислота). Бесцветное кристаллическое вещество с характерным запахом. На воздухе кристаллы розовеют вследствие окисления. С водой образует моногидрат С₆Н₅ОН · Н₂О, который плавится при 16^оС. Обладает антисептическими свойствами и применяется в виде 3-5% водного раствора исключительно наружно для дезинфекции инструментария, рабочих мест в медицинских учреждениях и т.д.

Резорцин (1,3-дигидроксибензол). Кристаллическое вещество, растворимое в воде. Обладает антисептическими свойствами. Менее токсичен, чем фенол, поэтому применяется в виде водных и водно-спиртовых растворов в концентрациях 2-5%, и в составе мягких лекарственных форм мазей (5-20% мази) наружно при кожных заболеваниях.

Пирокатехин (1,2-дигидроксибензол). Моно- и диметиловый эфиры (гваякол и вератрол соответственно) используются в производстве лекарственных препаратов. Пирокатехин является структурной основой гормона мозгового слоя надпочечников – адреналина и его аналога – норадреналина.

Адреналин 3′,4′–дигидроксифенил-2- метиламиноэтанол

Норадреналин 3′,4′–дигидроксифенил-2- аминоэтанол

Оба вещества используют в качестве сосудосуживающих (симпатомиметических) средств.

Аминофенолы. Из этой группы соединений рассмотрим п-аминофенол, который можно получить восстановлением п-нитрофенола:

Они являются амфотерными соединениями: образуют соли с кислотами и растворяются в щелочах. Растворы п-аминофенола легко окисляются кислородом воздуха с образованием токсических соединений хиноидной структуры.

п-Аминофенол используется для получения азокрасителей, а также лекарственного препарата парацетамола, применяемого в качествежаропонижающего и болеутоляющего средства.

Вопросы для самоподготовки

1. Приведите структурные формулы всех изомерных фенолов, имеющих состав С₇H₈O. Путём последовательных реакций получите их из бензола. Назовите все промежуточные продукты синтезов.

2. Сравните кислотные, основные и нуклеофильные свойства п -крезола и изомерного ему ароматического спирта. Каково их отношение к действию хлороводорода, водного раствора гидроксида натрия, металлического натрия, уксусной кислоты и уксусного ангидрида.

3. Объясните правило ориентации на примере взаимодействия фенола и резорцина с HNO₃ и Br₂/H₂O.

4. Кумоловым синтезом получите фенол, а из него гидрохинон и пирокатехин. Как можно различить все три вещества?

5. Из бензола, используя реакцию Кольбе-Шмитта, получите салициловую и пара-амисалициловую кислоты.

6. Напишите и назовите все вещества, приведенные в схеме превращения:

бензол ® о-дихлорбензол ® о-дигидроксибензол ® о-метоксифенол ® 4-гидрокси-3 метоксибензальдегид

 

Глава 14. Простые эфиры