В органической химии хорошо известно и широко используется такое понятие, как ароматичность некоторых органических соединений. Термин «ароматичность» связан прежде всего с бензолом, его гомологами и многочисленными производными. Этот термин относится исключительно к структуре молекул этих веществ, их свойствам, но не имеет никакого отношения к их запаху. Правда, первые ароматические соединения имели, вероятно, приятный запах (некоторые натуральные эфиры, душистые смолы, например ладан и др.).

Ароматичность - общий признак некоторых циклических органических соединений, обладающих совокупностью особых свойств.

Наличие единой замкнутой системы π-электронов в молекуле - основной признак ароматичности.

Ароматические соединения подчиняются правилу Э. Хюккеля (1931):

Плоские моноциклические соединения, имеющие сопряженную систему π-электронов, могут быть ароматическими, если число этих электронов равно 4 n +2 (где n = 0,1,2,3, 4 и т.д., т.е. число π-электронов в молекуле может быть 2, 6, 10, 14, 18 и т.д.).

Эти особенности обусловливают все важнейшие физические и химические свойства ароматических соединений. Например, они вступают преимущественно в реакции замещения (в основном электрофильного), а не присоединения (несмотря на формальную ненасыщенность). Ароматические соединения обладают высокой устойчивостью, например к окислителям. Их молекулы имеют плоское строение. Если же это требование не выполняется, то в молекуле нарушается параллельность осей 2р-орбиталей, что приводит к устранению сопряжения и, как следствие, к нарушению выравненности π-электронной плотности в системе.

Номенклатура

Систематическое название всех ароматических углеводородов - арены , а бензола - бензен . Гомологи бензола рассматривают как замещенные бензола и цифрами указывают положение заместителей. Однако систематическая номенклатура допускает название «бензол», а для некоторых гомологов бензола - тривиальные названия: винилбензол (I) называют стиролом , метилбензол (II) - толуолом, диметилбензол (III) - ксилолом, изопропилбензол (IV) - кумолом, метоксибензол (V) - анизолом и т.д.:

Ароматические радикалы имеют общее название - арилы (Аr). Радикал С 6 Н 5 - называют фенилом (от старого названия бензола - «фен»).

Изомерия.

Общая формула гомологов бензола С n Н 2 n -6 . Все шесть атомов водорода в молекуле бензола одинаковы и при замещении одного из них на один и тот же радикал образуется одно и то же соединение. Поэтому однозамещенный бензол изомеров не имеет. Например, существует только один метилбензол:

При замещении двух атомов водорода на метальные группы образуются три изомера - ксилолы , которые отличаются друг от друга расположением заместителей в кольце:

орто -диметилбензол, мета -диметилбензол, пара -диметилбензол,

или 1,2-диметилбензол или 1,3-диметилбензол или 1,4-диметилбензол

(о -ксилол) (м -ксилол) (п -ксилол)

Вместо буквенного обозначения (орто-, мета-, пара -, или сокращенно: о-,м-, п-) можно пользоваться цифровым: 1,2-, 1,3-, 1,4-. Изомеры могут отличаться характером заместителей:

пропилбензол изопропилбензол

Ароматические углеводороды представляют собой большую группу ве­ществ, содержащих в своей структуре чаще всего бензольный цикл или систему нескольких бензольных циклов. В рассмотренной ранее схеме последовательного дегидрирования циклогексана до циклегексена, циклогексадиена и циклегексатриена (бензола) первые две стадии эндотермичны, а стадия дегидрирования циклогексадиена с образованием бензола протекает с выделением энергии, что указывает на необычайно высокую энергетическую устойчивость бензола по отношению к другим участникам реакции и обуславливает специфические химические и физические свойства соединения, его так называемый ароматиче c кий характер.

Ароматический ряд объединяет соединения различных классов: углево­дороды, галоген-, гидроксил-, карбонилпроизводные, карбоновые кислоты, амины и т.д. Вещества всех этих классов являются производ­ными ароматических углеводородов.

Изомерия и номенклатура

Первый член ряда углеводородов с одним бензольным циклом – бензол, второй – метилбензол или толуол. Третий член ряда – ксилол – имеет три структурных изомера: орто- , мета- и пара- .

Изомерия производных бензола зависит как от величины и числа заме­стителей, так и от их относительного расположения. Так, при одинаковых заместителях бензол и однозамещённый бензол не имеют изомеров, ди- и тризамещён­ный – имеют по три изомера.

Если заместители разные, число изомеров, начиная с тризамещённого бензола, резко возрастает.

Кроме того, источником изомерии может явить­ся сам заместитель.

Для названия углеводородов ароматического ряда и их производных применяются тривиальная, радикально-функциональная и ИЮПАК номенклатуры. В радикально-функциональной номенкла-туре используются названия следующих радикалов :

	– фенилен
CH 3 –C 6 H 4 –			Например:
C 6 H 5 CH 2 –	– бензил		– хлористый бензил
	– бензилиден		–хлористый бензилиден

В номенклатуре ИЮПАК перед названием углеводорода проставляются названия заместителей с номерами углеродных атомов, которые несут эти заместители. Например:

При двух заместителях в бензольном цикле их взаимное расположение в цикле обозначается не только цифрами (счет идет по кратчайшему пути от одного к другому), но и с помощью приставок орто- , мета- , пара- , обозначающих соответственно 1,2-, 1,3- и 1,4- относительные положения.

Источники ароматических соединений

Основными источниками ароматических соединений являются камен­ноугольная смола, нефть, ацетилен и некоторые эфирные масла.

Каменноугольная смола получается при коксовании угля. Основными продуктами коксования являются коксовый газ, каменноугольная смола и кокс. По выходе из коксовой батареи газы коксования промываются водой. При этом поглощается аммиак и конденсируются продукты, составляющие каменноугольную смолу. Несконденсированные ароматические углеводороды адсорбируются затем тяжёлым поглотительным маслом и выделяются.

Каменноугольную смолу разделяют перегонкой на 5 фракций: углево­дородную, фенольную, нафталиновую, антраценовую и пёк. Для выделения индивидуальных соединений каждую фракцию разгоняют дополнительно. Выход смолы ~ 3 %, но при современных масштабах коксового производства промышленность получает огромное количество ароматическо­го сырья.

С одержание ароматических углеводородов в нефти колеблется пример­но от 20 % до 40 %. Поэтому нефть является важным поставщиком бензола и его производных.

Кроме того, ароматические углеводороды образуются при деструк­тивной переработке нефти. Процесс ароматизации нефти, кото­рый называют риформингом , протекает при температуре ~ 500 °С, давлении 15–40 атм на платиновом катализаторе (Pt/Al 2 O 3). При этом углеводороды нефти подвергаются де­гидроциклизации, дегидрированию, частичной дециклизации с образованием ароматических углеводородов.

Методы получения

– Ацетилен превращается в бензол при значительном нагревании и воз­действии активированного угля как катализатора.

– Наиболее распространённым способом синтеза гомологов бензола яв­ляется реакция алкилирования бензола галогеналканами, спиртами или олефинами в присутствии ката­лизаторов (например, галогенидов алюминия).

Алкилированием бензола этиленом и пропиленом получают этилбензол и изопропилбензол.

Дегидрирование этих продуктов даёт стирол и α-метилстирол – цен­ные мономеры для получения синтетического каучука и полимерных материалов.

Строение молекулы бензола

В 1865 г. Август Кекуле (Боннский университет) предложил формулу бензола с чередующимися двойными связями, которая использовалась до сих пор и в некоторых случаях будет использоваться далее. Эта формула находится в согласии со многими свойствами бензола: цикличностью структуры, равноценностью всех углеродных и водородных атомов, возможностью присоединения. Она объяснила существование лишь одного монозамещённого и трёх изомеров (орто-, мета- и пара- ) дизамещённого бензола.

Однако бензол более склонен к реакциям замещения, нежели присоединения, бензольное кольцо устойчиво к окислителям, хотя по формуле в нём три двойные связи.Бензол не дает реакций с бромной водой и раствором перманганата калия, характерных для непредельных соединений. Все эти факты формула Кекуле объяснить не могла.

Решающую роль в установлении строения бензола сыграли физические методы исследования вещества, преимущественно разработанные в прошлом веке. Молекула бензола неполярна. Бензол имеет ось симметрии 6-го порядка. Это означает, что ядра атомов и электроны в нём расположены совершенно симметрично. На основании рентгено- и электронограмм было установлено, что молекула бензола плоская и расстояния между центрами углеродных атомов одинаковы и равны 0,139 нм. Это почти средняя величина между длинами простой (0,154 нм) и двойной (0,134 нм) связей. Весьма интересные сведения дают термодинамические исследования. Например, образование двойной связи из простой С–С-связи, как это было показано в начале лекции, требует затраты энергии. В то же время дегидрирование 1,3-циклогексадиена с образованием бензола идет с выделением тепла.

Все эти физические и химические особенности строения и свойств бензола объяснимы с точки зре­ния современных представлений о строении бензола. Шесть углеродных ато­мов бензола находятся в состоянии s р 2 -гибридизации. Оси всех s р 2 -орбит лежат в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Перекрывание электронных s р 2 -облаков соседних атомов углерода создает σ-связи С–С. Все шесть σ-связей С–С одинаковы, лежат в одной плоскости. Молекула бензола, в которой углы между связями составляют 120°, не напряжена. Оси негибридизованных р -электронов шести атомов углерода перпендикулярны плоскости кольца. При боковом перекры­вании р -орбиталей образуется круговая молекулярная электронная орбита, по которой свободно, не связываясь с каким-либо атомом двигаются электроны.

.П ри этом достигается почти идеально равномерное распределение электронной плотности в системе сопряжения, которое приводит к энергетической стабилизации молекулы бензола на ~150 кДж∙моль -1 и появлению необычных свойств, совокупность которых объединяется термином «ароматичность». Ароматичность не имеет непосредственного отношения к запаху органических соединений. Термин «ароматичность» был предложен потому, что первые представители этого класса веществ обладали приятным запахом. Наиболее важными признаками ароматичности являются повышенная устойчивость ненасыщенной циклической структуры и большая склонность ароматических соединений к реакциям замещения, сохраняющим стабилизирующую их систему сопряженных связей в цикле, а не к реакциям присоединения, разрушающим эту систему и дестабилизирующим молекулу.

Необходимым условием сопряжения в ароматических системах являет­ся параллельность осей всех р -электроных орбиталей . Циклооктатетраен, например, лишён ароматических свойств, поскольку из-за большого углового напряжения при угле 135° между связями (вместо 120°, характерных для s р 2 –гибридизации) он не может сохранить плоской структуры, и оси р -орбиталей не параллельны.

Существуют несколько критериев, объединенных правилом Хюккеля , по которым молекула может быть отнесена к ароматической: для того чтобы соединение было ароматическим, в его молекуле должна содержаться циклическая система делокализованных  -электронов выше или ниже плоскости молекулы; облако  -электронов должно насчитывать (4n+2)  -электронов . Здесь n – любое целое число (0, 1, 2, 3, 4, ….)

Ароматические соединения встречаются в различных классах органических веществ.

Для изображения бензольного кольца используют формулы нескольких видов.

Формула Кекуле используется условно, в основном для написания уравнений реакций присоединения.

Физические свойства

Ароматические углеводороды бензольного ряда – это жидкие и твердые вещества, обладающие сильным запахом. Температура кипения бензола (C 6 H 6), 80,1 °C, выше температуры кипения гексана (C 6 H 14), 68,8 °C. Температуры кипения изомерных соединений различаются мало. Бензольные углеводороды практически не растворимы в воде.

Химические свойства

Для ароматических углеводородов характерны реакции присоединения и замещения. Причем наибольшая склонность к реакциям замещения.

Реакции присоединения , характеризующие бензол как ненасыщенное соединение:

– водород присоединяется к ароматическим углеводородам только в присутствии катализатора и при повышенной температуре.

– под влиянием жесткого ультрафиолетового облучения бензол присоединяет хлор и бром с образованием гексагалогенциклогексана, который при нагревании переходит в тригалогенбензол.

– подобно другим ненасыщенным углеводородам бензол озонируется с образованием сильного взрывчатого вещества – триозонида бензола.

Под действием воды триозонид даёт три молекулы глиоксаля. Эта реакция используется для установления строения соединений бензольного ряда.

Все эти превращения характеризуют бензол как ненасыщенное соединение.

Реакции замещения в ароматическом ядре

Правила замещения в бензольном цикле

Если в бензоле электронная плотность в кольце распределена равномерно, то в замещенном бензоле С 6 Н 5 Х под влиянием заместителя Х происходит перераспределение электронов и возникают области повышенной и пониженной электронной плотности. Это оказывает влияние на легкость и место вступления нового заместителя. Поскольку атакующая ядро группа прежде всего взаимодействует с отрицательно заряженной электронной системой сопряжения бензольного ядра, реакции замещения в ароматическом цикле должны протекать по ионному механизму с участие заряженных атакующих частиц.

Реакционная способность того или иного атома углерода в кольце определяется следующими факторами:

– положением и природой уже имеющихся заместителей;

– природой новой замещающей (атакующей) группы;

– условиями проведения реакции.

Первые два фактора наиболее значимы.

Заместители в бензольном кольце делятся на две группы

Заместители CH 3 , CH 2 R , CHR 2 , CR 3 , OH , OR , NH 2 , NHR , NR 2 , F , Cl , Br , I и другие называются заместителями первого рода. Они способны отдавать электроны – это электронодонорные заместители.

Заместители второго рода способны оттягивать на себя, принимать электроны. Это – электроноакцепторные заместители. К ним относятся SO 3 H , NO 2 , COOH , COOR , CHO , COR , CN , NH 3 + и другие.

В свою очередь, атакующие (замещающие) группы могут быть электрофильными или нуклеофильными. Электрофильные реагенты в реакции служат акцепторами электронов. В частном случае – это катионы . Нуклеофильные реагенты в реакции являются донорами электронов . В частном случае – это анионы .

Если реагент действует на ядро с одним заместителем, то можно выделить несколько вариантов их взаимодействия:

– заместитель первого рода; реагент электрофильный.

В качестве примера рассмотрим реакцию нитрования толуола нитрующей смесью (смесь азотной и серной кислот).

Метильная группа в толуоле является ориентантом первого рода. Это электронодонорная частица . Поэтому ядро в целом из-за смещения электронной плотности от метильной группы получает дробный отрицательный заряд. Ближайшие к заместителю атомы углерода цикла заряжаются также отрицательно . Последующие углероды цикла приобретают чередующиеся заряды (альтернирующий эффект). Реакция между азотной и серной кислотами нитрующей смеси дает несколько частиц, среди которых присутствует электрофильная частица NO 2 + (на схеме показана над стрелкой в скобках), которая атакует отрицательно заряженные атомы цикла. Происходит замещение водородных атомов на нитрогруппу в орто - и пара -положениях относительно метильной группы. Поскольку ядро имеет отрицательный заряд, а атакующая частица электрофильна (заряжена положительно), реакция облегчается и может протекать в более мягких условиях по сравнению с нитрованием бензола.

– Заместитель второго рода; реагент электрофильный.

Сульфогруппа (ориентант второго рода, электроноакцепторный) благодаря смещению электронной плотности к себе заряжает ядро в целом и ближайшие углероды ядра положительно. Атакующая частица электрофильна. Ориентация в мета -положение. Заместитель затрудняет действие реагента. Сульфирование следует проводить концентрирован-ной серной кислотой при повышенной температуре.

– Заместитель второго рода; реагент нуклеофильный.

В соответствии с зарядами нуклеофильная частица OK – атакует орто - и пара -положения и заместитель облегчает действие реагента. Тем не менее, реакции нуклеофильного замещения приходится проводить в довольно жестких условиях. Это объясняется энергетической невыгодностью переходного состояния в реакции и тем, что π -электронное облако молекулы отталкивает атакующую нуклеофильную частицу.

– Заместитель первого рода; реагент нуклеофильный.

Заместитель затрудняет действие реагента. Ориентация в мета -положение. Такие реакции практически не реализуются.

Если в ядре имеется несколько различных заместителей, то преимущественное направляющее действие оказывает тот из них, который обладает наибольшим ориентирующим действием. Например, в реакциях электрофильного замещения по силе ориентационного действия заместители можно расположить в следующий ряд:

OH > NH 2 > О R > Cl > I > Br > CH 3 ; Ориентирующая способность ориентантов второго рода убывает в следующей последовательности: NO 2 > COOH > SO 3 H . В качестве примера приведена реакция хлорирования орто -крезола (1-гидрокси-2-метилбензола):

Оба заместителя – ориентанты первого рода, электроно-донорные. Судя по зарядам на атомах углерода (в скобках – от группы –ОН), ориентация не совпадает. Поскольку фенольный гидроксил является более сильным ориентантом , в основном получаются продукты, соответствующие ориентации этой группы. Оба заместителя облегчают протекание реакции. Реакция электрофильная благодаря взаимодействию катализатора с молекулярным хлором.

На практике правила замещения чаще всего выполняются не строго. При замещении получаются все возможные продукты. Но продуктов, которые должны получаться по правилам, всегда больше. Например, при нитровании толуола образуется 62 % орто -, 33,5 % пара - и 4,5 % мета -нитротолуолов.

Изменение внешней среды (температура, давление, катализатор, растворитель и т. д.) обычно слабо влияет на ориентацию.

Ряд реакций замещения показан при объяснении правил ориентации. Рассмотрим еще несколько реакций.

– При действии на бензол хлора или брома в присутствии катализаторов – переносчиков галоидов, например, FeCl 3 , AlCl 3 , SnCl 4 и других происходит последовательное замещение атомов водорода при циклических углеродах на галоген.

В последней электрофильной реакции хлор как ориентант первого рода направляет второй атом хлора в орто - и пара - положения (преимущественно – в пара -). Однако в отличие от других ориентантов первого рода он затрудняет реакцию из-за своих сильно выраженных электороноакцепторных свойств, заряжая ядро положительно. В момент атаки электрофильной частицы галоген исходного соединения возвращает часть электронной плотности ядру, создавая заряды на его углеродах, соответствующие действию ориентанта первого рода (динамический эффект ориентации).

– Галогенирование алкилзамещенных бензола на свету протекает по радикальному механизму, и замещение происходит у α-углеродного атома боковой цепи :

– При нитровании по Коновалову (разбавленный водный раствор азотной кислоты, ~140 °C), протекающему по радикальному механизму, также приводит к замещению в боковой цепи :

– Окисление бензола и его гомологов

Бензольное кольцо окисляется очень трудно . Однако в присутствии катализатора V 2 O 5 при температуре 400 °C…500 °C бензол образует малеиновую кислоту:

Гомологи бензола при окислении дают ароматические кислоты . Причём боковая цепь даёт карбоксильную группу при ароматическом кольце, независимо от своей длины.

Подбором окислителей можно добиться последовательного окисления боковых цепей.

В присутствии катализаторов из алкилбензолов образуются гидроперекиси , разложением которых получают фенол и соответствующие кетоны.

Отдельные представители

Бензол – жидкость, t плав. = 5,4 °С, t кип = 80,1 °С, с водой образует азеотропную смесь, поэтому при перегонке легко обезвоживается. В промышленности имеет чрезвычайно широкое применение: как растворитель, для получения производных бензола и других соединений (хлорпроизводных, анилина, фенола, красителей, взрывчатых веществ, лечебных препаратов, капрона, нейлона, ацетона, полистирола и т.д.).

Толуол – жидкость, t плав. = –93 °С, t кип = 110,6 °С. Главное применение – производство взрывчатых веществ (тротил: тринитро-толуол), бензойного альдегида, хлористого бензила, которые служат сырьем для анилинокрасочной, парфюмерной, пищевой и других отраслей промышленности. Используется как растворитель.

Ксилолы. Смесь ксилолов используется как растворитель и для повышения октанового числа моторных топлив (ОЧ ≥ 120). Большое количество пара -ксилола идет на производство синтетического волокона лавсан. Получают ксилолы, главным образом, риформингом узких нефтяных фракций с пределами выкипания близкими к температуре кипения ксилолов.

Этилбензол. Получают алкилированием бензола этиленом в присутствии AlCl 3 . Используется в основном для получения стирола (винилбензола).

Стирол. Ароматические углеводороды с двойными связями в боковой цепи в настоящее время используются очень широко. Стирол является простейшим представителем этого вида углеводородов. Это – жидкость с t кип = 146°С. Важнейший способ получения состоит в следующем:

Под действием катализаторов стирол полимеризуется в твёрдую полупрозрачную массу – полистирол.

Полистирол имеет высокое электросопротивление и влагостойкость. Полимеризацией стирола и дивинила получают синтетический каучук, пригодный для изготовления шинной резины.

Многоядерные ароматические углеводороды

Ароматические соединения с несколькими кольцами можно разделить на 2 группы: соединения с неконденсированными ядрами и соединения с конденсированными ядрами .

К первой группе относятся дифенил и трифенилметан.

Дифенил образуется при пиролизе бензола, содержится в каменноугольной смоле.

2C 6 H 6  C 6 H 5 –C 6 H 5 + H 2

В лаборатории чаще всего получается синтезом по Вюрцу-Фиттигу.

2C 6 H 5 Br + 2Na  C 6 H 5 –C 6 Н 5 + 2NaBr

Дифенил – кристаллическое вещество с t плав. = 70 °С, t кип = 254 °С. Дифенил – типичное ароматическое соединение и в отношении химических свойств ведёт себя как бензол. В реакциях замещения бензольные кольца осуществляют взаимную ориентацию в пара -положение . Места заместителей обозначаются цифрами или приставками.

Вокруг простой связи, соединяющей кольца в дифениле, возможно внутреннее вращение с небольшой затратой энергии. Однако при введении заместителей в орто - и орто "-положения из-за пространственных затруднений вращение может прекратиться. При этом возникает два пространственных изомера, которые из-за их устойчивости можно выделить.

Наиболее важным производным дифенила является бензидин (п , n"-диаминодифенил). Его получают в технике бензидиновой перегруппировкой, открытой Зининым. Реакция заключается в изомеризации гидразобензола, получаемого восстановлением нитробензола.

Бензидин в больших количествах используется в анилинокрасочной промышленности.

Трифенилметан и его производные могут быть получены, например, алкилированием бензола и его производных и другими методами.

Трифенилметан и его производные обладают чрезвычайно подвижным водородным атомом или группами у центрального углерода. Объясняется это большой устойчивостью трифенилметильных радикалов или ионов благодаря стабилизирующему действию бензольных циклов.

Трифенилметан легко окисляется до трифенилкарбинола. Последний при действии HCl легко образует трифенилхлорметан. В свою очередь, это соединение восстанавливается до трифенилметана и гидролизуется до трифенилкарбинола.

Водородный атом трифенилметана легко замещается также на металлы и галогены.

Многие производные трифенилметана с амино- или гидрокси-группами в бензольных ядрах являются красителями.

Первым промышленным красителем трифенилметанового ряда был фуксин. Его можно получить при окислении смеси толуидинов и анилина.

Фенол и фталевый ангидрид при нагревании с серной кислотой образуют фенолфталеин. Он используется в химии как индикатор и в медицине как слабительное (пурген).

К трифенилметановым относятся такие красители, как метиловый фиолетовый (чернила), кристаллический фиолетовый, анилиновый синий, аурин, эозин, малахитовый зеленый и целый ряд других.

Простейшим соединением, принадлежащим к группе многоядер-ных ароматических углеводородов с конденсированными ядрами, является нафталин .

Нафталин содержится в каменноугольной смоле (5 %), которая является почти единственным его источником.

В соответствии с его структурной формулой может существовать два однозамещённых нафталина и десять дизамещённых.

Наличие в нафталине двух бензольных колец подтверждается следующими реакциями.

Окисление нафталина приводит к фталевой кислоте – это указывает на существование одного из бензольных ядер и орто -положение углеродных атомов второго цикла.

То же подтверждает окисление полученного нитрованием нафталина -нитронафталина. Восстановление -нитронафталина дает -нафтиламин. Аминогруппа активирует ядро, и окислению подвергается именно это аминосодержащее кольцо. Продуктом окисления опять-таки является фталевая кислота, что указывает на бензольный характер второго ядра.

Вполне понятно, что такой равномерности в распределении π-электронов как в бензоле, в нафталине нет. Поэтому нафталин менее ароматичен и более непределен, чем бензол.

Нафталин представляет собой кристаллическое вещество с t плав = 80 °C. Обладает большой летучестью (легко возгоняется).

Нафталин подобно бензолу способен вступать в реакции замещения и присоединения. Причём в этих реакциях он более активен. При замещении заместитель обычно становится в  -положение.

– При галогенировании нафталина получаются -галогеннафта-лины с небольшой примесью -галогенида.

– При нитровании также в основном получается -нитронафталин.

– Сульфирование при температуре 80 °C даёт -нафталинсульфо-кислоту, при температуре 160 ° C – в основном-нафталинсульфо-кислоту, являющиесяисходнми продуктоми для синтеза многих красителей.

– Гидрируется нафталин легче бензола. При каталитическом гидрировании получаются тетралин и декалин, применяемые в технике как растворители.

Реакции замещения в ядре нафтолов сначала идут в том же кольце, где находится гидроксил. Если галогенированию, нитрованию или сульфированию подвергается -нафтол, получаются пара -производные. Следующая замещающая группа встаёт в орто -положение.

При замещении в -нафтоле заместитель идёт в ближнее - положение. Второй заместитель направляется в другое ядро, к пятому -углероду, который находится как бы в пара -положении к гидрокси-группе.

Эфиры нафтолов имеют приятный запах и используются в парфюмерии. В основном же нафтолы идут на производство красителей.

Добавлением ещё одного кольца из нафталина можно получить два изомерных углеводорода: антрацен и фенантрен .

В технике антрацен выделяют из каменноугольной смолы.

Антрацен – кристаллическое вещество с t плав. = 213 °С. Положения 1,4,5 и 8 – это -положения; 2,3,6,7 – b; 9,10 – мезо или .

Для антрацена характерна ещё большая непредельность, чем для нафталина. Наиболее активными являются положения 9 и 10, которые находятся под влиянием сразу двух колец. Присоединение водорода и брома идёт именно по этим положениям.

При действии окислителей антрацен даёт антрахинон.

Антрацен и антрахинон идут на получение красителей.

Фенантрен также входит в состав каменноугольной смолы. Это кристаллическое вещество с t плав. = 99 °С. Фенантрен способен к реакциям присоединения в 9,10-положения.

Ароматические углеводороды с конденсированными ядрами могут иметь и большее количество колец: 4,5,6 и т.д. Они привлекают к себе внимание, потому что потенциально могут использоваться в анилинокрасочной и других областях промышленности. Кроме того, некоторые из них обладают канцерогенным действием и усиленно изучаются в связи с проблемами возникновения и профилактики онкозаболеваний.

Ароматические углеводороды - это циклические, сопряженные соединения, которые благодаря своему строению проявляют особые физико-химические свойства. Позже к понятию "ароматические углеводороды" было отнесено их специфические физико-химические свойства:

1. Склонность преимущественно к реакциям замещения;
2. Устойчивость к воздействию окислителей и высоких температур.

Простейшим представителем аренов является бензол и его гомологи, конденсированные бензоидные, небензоидные и гетероциклические соединения.

Ароматичность представляется особой стабилизацией делокализованных циклических $\pi$-систем, содержащих ($4n + 2$) $\pi$-электронов. Этой «особой стабилизации» не наблюдается в случае ($4n$) $\pi$ циклических систем. Для малых циклов такая система будет дестабилизированной, т.е. такие системы будут «антиароматическими». Однако утверждение об особой стабилизации требует не только теоретических выкладок, но и определенных экспериментальных подтверждений. В связи с этим вопрос о выборе надежных экспериментальных критериев ароматичности приобретает принципиальную важность.

Признаки ароматичности

Ароматический характер углеводородов обусловлен как легкостью образования ароматических циклов, так и особенностью их физических и химических свойств.

Характерные свойства ароматических соединений (аренов) определяются своеобразностью их строения и обусловливают химический критерий ароматичности:

Физико-химические критерии ароматичности

Основным критерием ароматичности является соответствии молекулы основным требованиям:

1. Молекула должна быть циклической и плоской;
2. Молекула должна иметь замкнутую цепь сопряжения $\pi$-электронов;
3. Количество $\pi$-электронов ($N$) в цепи сопряжение должно соответствовать правилу Хюккеля: $N = 4n + 2$, где $n = 0,1,2,3$ ...

Поэтому энергия сопряжение является главным критерием ароматичности.

Если соединение соответствует всем критериям ароматичности, то энергия сопряжение в молекулах достигает максимального значения, а сама соединение в результате этого становится чрезвычайно стабильной. Поэтому энергия сопряжение является главным критерием ароматичности.

Согласно определению IUРАС, ароматичность можно охарактеризовать как «понятие пространственной и электронной структуры циклических молекулярных систем, отражает эффекты циклической делокализации электронов, которые обеспечивают повышенную термодинамическую стабильность этих систем (по сравнению с ациклическими структурными аналогами) и тенденцию к сохранению структурного типа в ходе химических преобразований... ». Говоря о стабилизации циклических структур по сравнению с «ациклическими аналогами» ароматичность появляется как энергетически топологическое понятие, которое можно примерно оценить по физико-химическим наблюдениями. «Ациклические аналоги» на самом деле могут быть даже несуществующими химическими соединениями, а «плодом воображения с топологическими пределами».

Критерии оценки ароматичности

Критерии оценки ароматичности могут быть разделены на две категории в зависимости от контекста наблюдения - статические (изолированные молекулы) и динамические (молекула подвергается воздействию внешнего магнитного поля). Энергетические критерии (энтальпия реакций) и структурные (изменение длин связей) обуславливают принципиально различные магнитные критерии (ЯМР, изменения магнитной чувствительности) (Таблица 1).

Рисунок 4. Классификация критериев ароматичности

Структурная и энергетическая ароматичность

«Структурную» ароматичность можно оценить по средним длинами связей и отклонениями от этого среднего значения.

«Энергетическая» ароматичность может быть оценена через энтальпии реакций с раскрытием цикла. Резонансные энергии ($RE$), такие как резонансная энергия Бреслоу ($BRE$), рассчитываются по методу Хюккеля, в то время как для расчета энергий ароматической стабилизации ($ASE$) используют неэмпирические методы (ah initio).

Магнитная ароматичность

«Магнитная» ароматичность, обычно определяется количественно с помощью ЯМР, дезекрануванням ядер и независимого химического сдвига центра цикла (NICS «Nucleus Independent Chemical Schift»), как было предложено Шлейером в 1996г.

Подробная программа лекций и
комментарии ко второй части курса

Подробная программа лекций и комментарии к второй части общего курса лекций по органической химии (ППЛ) основаны на Программе общего курса органической химии, разработанной на кафедре органической химии химического факультета МГУ. ППЛ раскрывают наполнение второй части общего курса лекций фактическим материалом по теории и практике органической химии. ППЛ предназначена в первую очередь для студентов 3 курса, желающих хорошо и достаточно быстро подготовиться к экзаменам и коллоквиумам и понять, какой объём знаний должен иметь студент для получения отличной оценки на экзамене. ППЛ подготовлены таким образом, что обязательный материал программы напечатан нормальным шрифтом, факультативный материал – курсивом, хотя следует признать, что такое деление иногда является достаточно условным.

Одной из целей данного пособия является помощь студентам правильно и аккуратно составить конспект лекции, структурировать материал, сделать правильные акценты в записи, отделить обязательный материал от второстепенного при самостоятельной работе с конспектом или учебником. Необходимо отметить, что несмотря на широчайшее распространение современных методов обучения и доступность разнообразного учебного материала в учебниках и в Интернете, только самостоятельная упорная, если не сказать тяжёлая работа по конспектированию (лекций, учебников, других материалов), работа на семинарах, самостоятельное написание важнейших уравнений и механизмов, и самостоятельное решение синтетических задач способно привести к успеху в изучении органической химии (да и других предметов). Авторы считают, что прослушивание курса лекций создаёт основу для изучения органической химии и охватывает все темы, выносимые на экзамен. Однако, прослушанные лекции, равно как и прочитанные учебники остаются пассивным знанием до тех пор, пока не произойдёт закрепление материала на семинарах, коллоквиумах, при написании тестов, контрольных работ и анализе ошибок. В ППЛ отсутствуют уравнения химических реакций и механизмы важнейших процессов. Этот материал доступен на лекциях и из учебников. Каждый студент должен добывать какие-то знания самостоятельно: написать важнейшие реакции, механизмы и лучше не один раз (самостоятельная работа с конспектом лекций, с учебником, коллоквиум). Только то, что приобретается путём самостоятельной кропотливой работы запоминается надолго и становится активным знанием. То, что легко достаётся – легко теряется или забывается, причём это справедливо не только по отношению к курсу органической химии.

Помимо материалов программного характера данная разработка содержит ряд вспомогательных материалов, которые демонстрировались на лекциях и которые необходимы, по мнению авторов, для лучшего понимания органической химии. Эти вспомогательные материалы (цифры, таблицы и др.), даже если они напечатаны нормальным шрифтом чаще всего не предназначены для буквального запоминания, но нужны для оценки тенденций изменения свойств или реакционной способности органических соединений. Поскольку демонстрируемые на лекциях вспомогательные материалы, цифры, таблицы бывает трудно полностью и качественно записать в конспект, размещение этих материалов в данной разработке имеет целью помочь слушателям курса восполнить пробелы в записях и конспектах, а на лекции сосредоточиться не на стенографировании цифр и таблиц, а на восприятии и понимании материала, обсуждаемого лектором.

АРОМАТИЧНОСТЬ.

1. Алифатические (от греч. αλιφατικό- масло, жир) и ароматические (αρωματικόσ- благовоние) соединения (ХIХ век).

2. Открытие бензола (Фарадей, 1825). Строение бензола (Кекуле, 1865). о-, м-, п -изомеры, орто -ксилол.

3. Другие формулы, предложенные для бензола (Ладенбург, “Дьюар”, Тиле и др.). Изомеры бензола (призман, бициклогекса-2,5-диен, бензвален, фульвен).

4. Метод молекулярных орбиталей Хюккеля . Независимое рассмотрение σ- и π- связей (т.е. образованных sp 2 и р-орбиталями). Молекулярные орбитали бензола (три орбитали связывающие: одна орбиталь не имеет узлов, две орбитали имеют по одной узловой плоскости, все они заняты, на них всего 6 электронов; три орбитали разрыхляющие. Две из них имеют 2 узловых плоскости, самая высокая по энергии разрыхляющая орбиталь имеет три узловых плоскости. Разрыхляющие орбитали не заняты.

Понятие о круге Фроста для бензола, циклобутадиена и циклооктатетраена.

Правило Хюккеля . ПЛОСКИЕ, МОНОЦИКЛИЧЕСКИЕ, СОПРЯЖЕННЫЕ углеводороды будут ароматическими, если цикл содержит (4n+2) π – электронов .

Антиароматические соединения. Неароматические соединения. Циклооктатетраен.

5. Описание бензола по методу "валентных схем", теория резонанса (Полинг), мезомерия, использование предельных структур.

6. Аннулены. Метаноаннулены. Ароматические ионы. Конденсированные углеводороды. Гетероциклы.

Несколько комментариев по стабильности аннуленов.

-аннулен – не плоский, не может быть ароматичным.

1,6-метано-- аннулен - плоский, (кроме мостика, разумеется!), он ароматичен.

Аннулен – неароматический полиен, стабилен ниже -70 о С.

-аннулены не плоские циклы, если нет 2-х мостиков. Следовательно – не ароматичные.

Аннулены – обычные полиены.

-аннулен – плоский, ароматичный. Знать особенность его ПМР спектра!

7. Подробное рассмотрение КРИТЕРИЕВ АРОМАТИЧНОСТИ.

Критерии ароматичности – квантовомеханический – количество p -электронов 4n+2 (правило Хюккеля), см. комментарии ниже. Энергетический (повышение термодинамической устойчивости за счет делокализации электронов, так называемая энергия делокализации – ЭД ). ЭД в бензоле: (6a +8β) – (6a +6β) (для циклогексатриена) = 2β = 36 ккал/моль или 1,56 эВ – это ЭЭР (эмпирическая энергия резонанса). Есть еще несколько способов расчёта энергии резонанса: вертикальная энергия резонанса (она же ЭД по Хюккелю, измеряют в единицах интеграла β, для бензола она равна 0,333), еще бывает (на 5++) ЭРД (т.е. энергия резонанса Дьюара, на 1 электрон, 0,145 эВ для бензола), еще бывает (на 5+++) ЭР по Гессу-Шааду, для бензола: 0,065 эВ, то же, что и ЭДНОЭ в учебнике Реутов, Курц, Бутин. Еще бывает (на 5++++) ТЭР (топологическая ЭР). Еще "есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам" (В. Шекспир). Энергетический критерий из всех самый неудобный и неясный. Величины энергий для этого критерия берут всегда расчетные, потому что, как правило, невозможно подобрать соответствующую неароматическую молекулу для сравнения. Следует, поэтому, спокойно относиться к тому, что существует множество различных оценок энергии делокализации даже для классических ароматических молекул, а для более сложных систем эти величины вообще отсутствуют. Никогда нельзя сравнивать разные ароматические системы по величине энергий делокализации – нельзя сделать вывод, что молекула А ароматичнее молекулы В, потому что энергия делокализации больше. Структурный – очень важный, если не самый важный, критерий, так как имеет не теоретическую, а экспериментальную природу. Специфика геометрии молекул ароматических соединений заключается в тенденции к копланарному расположению атомов и выравниванию длин связей . У бензола выравнивание длин связей идеально – все шесть С-С связей одинаковы по длине. У более сложных молекул выравнивание не идеально, но значительно. В качестве критерия берут меру относительного отклонения длин сопряженных связей от среднего значения. Чем ближе к нулю, тем лучше. Эту величину можно проанализировать всегда, если имеется структурная информация (экспериментальная или из высококачественного квантовохимического расчета). Тенденция к копланарности обуславливается выгодностью коллинеарности осей атомных р -орбиталей для их эффективного перекрывания. Возникает вопрос: какое отклонение от плоскостного расположения допустимо без потери ароматичности? Примеры искажения плоскости в ароматических молекулах даны на лекции, их также можно найти в специальной литературе (см. ниже стр. 20). Магнитный (наличие кольцевого тока – диатропная система, влияние на химические сдвиги протонов снаружи и внутри кольца, примеры – бензол и -аннулен). Самый удобный и доступный критерий, так как для его оценки достаточно спектра 1 H ЯМР. Для точного определения используют теоретические расчеты химических сдвигов. Что такое диатропность? Химический – склонность к реакциям замещения, а не присоединения. Самый наглядный критерий, ясно различающий химию ароматических соединений от химии полиенов. Но работает он далеко не всегда. В ионных системах (например, в циклопентадиенил-анионе или тропилий-катионе) замещение наблюдать невозможно. Реакции замещения иногда проходят и на неароматических системах, а ароматические всегда в какой-то степени способны к реакциям присоединения. Поэтому химический критерий более правильно назвать ПРИЗНАКОМ ароматичности.

8. ПОНЯТИЕ АРОМАТИЧНОСТИ. ПРИЗНАКИ И КРИТЕРИИ АРОМАТИЧНОСТИ. - Комментарии

Ароматичность – понятие, характеризующее совокупность особых структурных, энергетических и магнитных свойств, а также особенностей реакционной способности циклических структур с системой сопряженных связей.

Хотя ароматичность – одна из важнейших и наиболее плодотворных концепций химии (не только органической), - не существует общепринятого краткого определения этого понятия. Ароматичность понимается через совокупность особых признаков (критериев), присущих ряду циклических сопряженных молекул в той или иной мере. Часть этих критериев имеет экспериментальную, наблюдаемую природу, но другая часть основывается на квантовой теории строения молекул. Ароматичность имеет квантовую природу. Невозможно объяснить ароматичность с позиций классической структурной теории и теории резонанса.

Не следует путать ароматичность с делокализацией и сопряжением. В молекулах полиенов (1,3-бутадиена, 1,3,5-гексатриена и т.п.) проявляется явно выраженная тенденция к делокализации электронов (см. 1-й семестр, химия диенов) и образованию единой сопряженной электронной структуры, что проявляется в спектрах (в первую очередь, электронных спектрах поглощения), некотором изменении длин и порядков связей, энергетической стабилизации, особых химических свойствах (электрофильное 1,4-присоединение в случае диенов и пр.). Делокализация и сопряжение – необходимые, но не достаточные условия ароматичности. Можно дать определение ароматичности как свойства, при котором сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет бόльшую стабильность, чем ту, которую можно было бы ожидать только при одном сопряжении . Однако этим определением нельзя пользоваться, не имея экспериментальных или расчётных данных по стабильности циклической сопряжённой молекулы.

Для того, чтобы молекула могла быть ароматической, она должна содержать хотя бы один цикл , каждый из атомов которого располагает пригодной для образования ароматической системы р -орбиталью. Ароматическим в полном смысле этого слова считается (в случае выполнения критериев, перечисленных ниже) именно этот цикл (кольцо, система колец).

В этом цикле должно быть 4n+2 (то есть 2, 6, 10, 14, 18, 22 и т.п.) электронов.

Это правило называется правилом или критерием ароматичности Хюккеля. Источник этого правила – сильно упрощенные квантовохимические расчеты идеализированных циклических полиенов, произведенные на заре развития квантовой химии. Дальнейшие исследования показали, что в основе своей это простое правило дает верные предсказания ароматичности даже и для очень сложных реальных систем.

Правилом, тем не менее, нужно правильно пользоваться, иначе прогноз может быть неверен. Общие рекомендации даны далее.

Молекула, содержащая хотя бы один ароматический цикл имеет право называться ароматической, но этим обобщением не стоит злоупотреблять. Так, очевидно, что стирол содержит бензольное кольцо, а следовательно может называться ароматической молекулой. Но нас в стироле может интересовать и этиленовая двойная связь, никакого прямого отношения к ароматичности не имеющая. С этой точки зрения стирол – типичный олефин с сопряжённой двойной связью.

Никогда не забывайте, что химия есть наука экспериментальная, и никакие теоретические рассуждения не заменяют и не подменяют знание реальных свойств веществ. Теоретические концепции, даже столь важные, как ароматичность, только помогают лучше понимать эти свойства и делать полезные обобщения.

Какие орбитали считаются пригодными для образования ароматической системы? – Любые орбитали, перпендикулярные плоскости цикла, и

а) принадлежащие входящим в цикл кратным (эндоциклическим двойным или тройным) связям;

б) соответствующие неподеленным парам электронов у гетероатомов (азота, кислорода, и т.п.) или карбанионов;

в) соответствующие шестиэлектронным (секстетным) центрам, в частности карбокатионам.

Обратите внимание, что перечисленные фрагменты а), б), в) дают четное число электронов в общую систему: любые кратные связи – 2 электрона, неподеленные пары – 2 электрона, вакантные орбитали – 0 электронов.

Что не годится или не вносит вклад в ароматическую систему:

а) ониевые формы катионных центров – то есть катионы, содержащие полный октет электронов. При этом такой центр разрывает сопряженную систему, например, N-метилпиррол ароматичен (6 электронов в цикле), а N,N-диметилпирролий неароматичен (аммонийный азот не вносит вклад в π-систему):

Внимание – если ониевый центр является частью кратной связи, то именно кратная связь участвует в образовании ароматической системы, поэтому, например, ароматичен N-метилпиридиний (6 π-электронов, по два от каждой из трех кратных связей).

Очень большое подспорье в рассмотрении аналогичных систем дает концепция изоэлектронности . Изоэлектронные системы обычно аналогичны и в смысле ароматичности. В этом смысле, например, N-метилпиридиний изоэлектронен метилбензолу. Оба, очевидно, ароматичны.

б) неподеленные пары, лежащие в плоскости кольца. На одном атоме только одна π-орбиталь может вносить вклад в ароматическую систему. Поэтому, в циклопентадиенил-анионе карбанионный центр дает вклад в 2 электрона, а в фенил-анионе атом углерода карбанионного центра дает вклад в 1 электрон, как и в молекуле бензола. Фенил-анион изоэлектронен пиридину, циклопентадиенил-анион – пирролу.

Все ароматичны.

в) Экзоциклическая двойная связь или радикальный центр. Такие структуры, как правило, неароматичны, хотя каждая такая структура нуждается в особом рассмотрении с привлечением реальных экспериментальных данных .

Например, хиноны неароматичны, хотя а) обладают плоскими полностью сопряженными циклами, содержащими 6 электронов (четыре от двух кратных связей в цикле плюс два от двух экзоциклических связей).

Наличие в некоторой сопряженной структуре так называемых хиноидных фрагментов, то есть систем связей с двумя экзоциклическими двойными связями, всегда является источником нестабильности, и благоприятствует процессам, переводящим систему с хиноидным фрагментом в нормальную ароматическую систему. Так, антрацен является 14-электронной ароматической системой, содержащей хиноидный фрагмент, поэтому, антрацен легко присоединяет бром или диенофилы, так как в продуктах уже два полноценных ароматических бензольных кольца:

Ароматичность полициклических структур представляет собой достаточно сложную теоретическую задачу. С формальной точки зрения, если в системе есть хотя бы одно бензольное кольцо, то ее можно считать ароматической. Такой подход, однако, не дает возможности рассмотреть свойства молекулы в целом.

Современный подход к полициклическим системам состоит в том, чтобы найти в них все возможные ароматические подсистемы, начиная с максимально большого – внешнего контура . В этом смысле, например, нафталин можно представить в виде общей 10-электронной системы (внешний контур) и двух одинаковых 6-тиэлектронных бензольных колец.

Если внешний контур не ароматичен, то следует искать меньшие ароматические контуры. Так, например, дифенилен по внешнему контуру имеет 12 электронов, что не соответствует правилу Хюккеля. Однако мы легко найдем в этом соединении два практически независимых бензольных кольца.

Если бициклические углеводороды плоские и имеют сопряженные двойные связи, правило Хюккеля работает для би- и полициклических углеводородов, имеющих одну общую связь (нафталин, антрацен, фенантрен , и т.п., а также азулен ). Правило Хюккеля плохо работает для конденсированных циклов, имеющих атом углерода, общий для 3 циклов. Правило подсчета пар электронов методом "обхода по периметру, или по одному из контуров" может помочь в этом случае, например:

аценафтилен пирен перилен

сумма π-электронов: 12 16 20

в том числе по периметру, 10 14 18 (по контуру нафталина – 10 и 10)

Однако, для подобных сложных циклов и это правило не всегда может работать. Более того, оно ничего не говорит о реальных свойствах молекулы. Например, аценафтилен, имеет обычную двойную связь между атомами 1 и 2 .

Различные примеры изоэлектронных ароматических гетероциклов.

ПИРРОЛ – ФУРАН – ТИОФЕН (6 π-электронов).

ПИРИДИН – ПИРИДИНИЙ – ПИРИЛИЙ (6 π-электронов).

Пиридазин – ПИРИМИДИН – пиразин (6 π-электронов).

Оксазолы – тиазолы – ИМИДАЗОЛ (6 π-электронов).

ИНДОЛ – ХИНОЛИН (10 π-электронов).

О "гайках" . В учебной литературе ароматические циклы часто обозначают с помощью окружности внутри многоугольника. Со всей определенностью отметим, что такой способ обозначения следует избегать во всех случаях, когда только возможно. Почему?

Потому что:

а) в сложных полициклических структурах кружки не имеют определенного смысла и не позволяют понять, где живет ароматичность – в отдельных циклах или в целом. Если нарисовать "гайками", например, антрацен, то не будет понятно, в чем кроется причина его "не-совсем-ароматичности" и ярко-выраженных диеновых свойств

б) даже самые классические ароматические системы типа бензола и его производных могут проявлять неароматические полиеновые свойства, для рассмотрения которых необходимо видеть структуру кратных связей.

в) именно кекулевская структура необходима для рассмотрения эффектов заместителей с помощью незаменимого инструмента – резонансных структур. "Гайка" в этом отношении совершенно бесплодна. Так, пользуясь формулой Кекуле, мы отлично поймем причину высокой кислотности п -нитрофенола и ярко-желтый цвет п -нитрофенолята. А что будем делать с "гайкой"?

Предпочтительным является простой "кекулевско-бутлеровский" способ, соответствующий классической теории строения и в явном виде обозначающий кратные связи. Нарисовав такую классическую структуру, вы всегда можете рассуждать о ее ароматичности или неароматичности, используя соответствующие правила и критерии. Именно классическая кекулевская структура принята как стандарт во всех ведущих международных химических журналах.

А когда все же уместны кружки ? Для обозначения небензоидных ароматических систем, особенно заряженных. В этом случае классическое обозначение несколько неуклюже и не показывает делокализацию заряда.

Также без кружков трудно обойтись в металлоорганической химии, где ароматические системы часто играют роль лигандов. Попробуйте без кружков отразить структуру ферроцена или других комплексов, содержащих циклопентадиенильный лиганд!

Плоскостность. Цикл, претендующий на звание ароматического и содержащий нужную непрерывную систему p -орбиталей должен быть плоским (или почти плоским). Это требование – одно из самых неприятных, так как определить "на глазок", какой цикл является плоским, а какой нет, весьма не просто. В качестве простых подсказок можно рассмотреть следующие положения:

а) циклические сопряженные системы, содержащие 2 или 6 электронов и удовлетворяющие рассмотренным условиям, как правило, плоские и ароматические. Такие системы обычно реализуются в циклах малого и среднего размера (2-8 членных);

б) циклические ионные системы с числом электронов 2, 6, 10, 14, практически обязательно ароматичны, так как ароматичность и является причиной существования и устойчивости таких ионов;

в) нейтральные системы с 10, 14, 18 и более электронами в одном единственном цикле большого размера, напротив, практически всегда нуждаются в дополнительных мерах по стабилизации плоской структуры в виде дополнительных мостиков, так как выигрыш энергии за счет образования большой ароматической системы не компенсирует ни энергии напряжения, возникающей в макроциклах, ни энтропии, теряемой при образовании единственной плоской структуры.

Внимание : Чтение следующего параграфа категорически не рекомендуется лицам со слабыми и неустойчивыми знаниями. Все, кто имеет рейтинг менее 99 баллов, могут пропустить этот параграф.

Антиароматичность . Системы, удовлетворяющие всем условиям, рассмотренным выше (плоские циклы с непрерывной системой π-орбиталей), но числом электронов 4n, считаются антиароматическими – то есть реально несуществующими . Но если в случае ароматичности мы имеем дело с реальными молекулами, то в случае антиароматичности проблема сложнее. Важно понять, что настоящая антиароматическая система находится не в минимуме, а в максимуме потенциальной энергии, то есть представляет собой не молекулу, а переходное состояние. Антиароматичность – чисто теоретическая концепция, описывающая, почему некоторые циклические сопряженные системы или совсем неустойчивы и не могли быть получены даже ценой огромных усилий, или проявляют явные тенденции к существованию в виде обычного полиена с чередующимися простыми и кратными связями.

Например, циклобутадиен был бы анти ароматичен, если бы существовал в виде квадратной молекулы со связями одинаковой длины. Но такой квадратной молекулы в Природе нет. Поэтому корректно следует сказать так: гипотетический квадратный циклобутадиен антиароматичен, и поэтому не существует. Экспериментально, при очень низких температурах выделяли замещенные циклобутадиены, но они по структуре оказывались типичными неароматическими диенами – имели ясное различие между короткими двойными и длинными простыми связями.

Реально существующие плоские сопряженные молекулы с 4n электронами всегда представляют собой высокореакционноспособные неароматические полиены. Например, бензоциклобутадиен реально существует (8 электронов во внешнем контуре), но обладает свойствами чрезвычайно активного диена.

Антиароматичность – исключительно важное понятие в теории ароматичности. Теория ароматичности предсказывает как существование особо стабильных ароматических систем, так и нестабильность антиароматических систем. Оба этих полюса важны.

Антиароматичность – очень важное понятие в химии. Все ненасыщенные сопряженные циклические системы, содержащие антиароматическое число π-электронов, всегда обладают очень высокой реакционной способностью в различных реакциях присоединения.

9. Тривиальные примеры синтеза небензоидных ароматических ионов.

Циклопропенилий-катион, тропилий-катион

Циклопентадиенилид-анион. Ароматические карбоциклические анионы С8, С10, С14.

10. Факультативно: попытки синтеза антиароматических молекул – циклобутадиен, циклопентадиенилий-катион.

Развитие понятия ароматичности. Циклобутадиенжелезо трикарбонил. Объемная, сферическая ароматичность, гомоароматичность и др.

11. Получение ароматических углеводородов.

1. Промышленные источники – нефть и каменный уголь.

Риформинг. Цепочка: гептан – толуол – бензол – циклогексан.

2. Лабораторные способы:

а) реакция Вюрца-Фиттига (устаревший способ, имеющий скорее историческое значение, не следует применять при решении задач),

б) каталитическая тримеризация ацетилена,

в) кислотно-катализируемая тримеризация ацетона и др. кетонов;

г) кросс-сочетание, как некаталитическое с использованием купратов, так и каталитическое в присутствии комплексов палладия,

д) реакция Фриделя-Крафтса, в основном следует использовать ацилирование с восстановлением по Клемменсену (алкиларилкетоны) или Кижнеру-Вольфу (любые кетоны и альдегиды),

е) ароматизация любых производных циклогексана, циклогексена, циклогексадиена под действием серы (сплавление, годится только для простейших соединений) или дихлордицианбензохинона (ДДХ или DDQ, реагент общего назначения).

12. Свойства кольца и алифатической боковой цепи в ароматических углеводородах.

1. Гидрирование. Когда бывает частичное гидрирование колец? Гидрирование функциональных групп (С=С, С=О) без гидрирования кольца. Примеры.

2. Восстановление по Бёрчу (Na, жидк. NH 3). Зачем нужен EtOH? Влияние доноров и акцепторов в кольце на направление реакции.

3. Свободнорадикальное галогенирование бензола (было в школе!). Галогенирование толуола и его гомологов в боковую цепь. Избирательность галогенирования.

4. Окисление боковой цепи и поликонденсированных ароматических углеводородов. Озонирование бензола и других ароматических соединений .

5. Реакция Дильса-Альдера для бензола и антрацена. Условия.

6. Реакция щелочных металлов и Mg с нафталином и антраценом (факультативно).

ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ.

1. Почему именно электрофильное замещение (ЭЗ)?

2. Какие бывают электрофилы и какие реакции ЭЗ мы будем разбирать подробно? (протонирование, нитрование, сульфирование, галогенирование, алкилирование, ацилирование, формилирование). Через месяц будут рассмотрены: азосочетание, нитрозирование, карбоксилирование).

3. Упрощенный механизм электрофильного замещения в ароматическом кольце (без π-комплексов). Аренониевые ионы. Сходство с аллильным катионом. Изображение аренониевых ионов на бумаге – резонансные структуры или "подкова" – обязательно научитесь рисовать резонансные структуры для s -комплексов, так как "подкова" заведет в тупик, когда дойдем до влияния заместителей на направление электрофильного замещения. Протонирование аренов.

4. Доказательства существования π-комплексов на примере реакции DCl и бензола (Г. Браун 1952). Доказательства существования σ-комплексов.

5. Обобщенный механизм ЭЗ, включающий образование π- и σ-комплексов. Лимитирующая стадия при ЭЗ в бензольном кольце. Понятие о кинетическом изотопном эффекте. Еще раз вспомним, что такое переходное состояние и интермедиат.

6. Ориентация при электрофильном замещении: орто-, мета, пара-, ипсо . Ориентанты первого и второго рода. Обязательно рисовать резонансные структуры для s -комплексов с различными заместителями. Отдельно разберите влияние на структуру s -комплексов заместителей с индуктивными и мезомерными эффектами, а также сочетанием разнонаправленных эффектов. Факторы парциальной скорости. Согласованная и несогласованная ориентация. Примеры различного соотношения о-/п- изомеров в случаях, когда в кольце имеется заместитель 1-го рода (например, пространственно-затруднённый) или 2-ого рода (орто-эффект). ЯМР бензолониевых ионов и некоторых аренов.

7. Рассмотрение конкретных реакций электрофильного замещения. Нитрование. Агенты. Экзотические агенты . Атакующая частица. Особенности нитрования разных классов соединений – нитроаренов (условия), галогенбензолов (деление о- и п- изомеров. Каким образом?), нафталина и дифенила . Нитрование ароматических аминов (защитные группы, как сделать о - и п - изомеры? Можно ли нитровать анилины в м-положение?). Нитрование фенола (условия, деление о- и п- изомеров).

7. Сульфирование аренов. Агенты, природа электрофила, обратимость. Особенности сульфирования нафталина, толуола, фенола, анилина, защита сульфогруппой при реакциях ЭЗ.

8. Производные сульфокислот: тозилхлорид, тозилаты, сульфамиды. Восстановление сульфогруппы.

9. Галогенирование. Ряд галогенирующих агентов по убыванию активности (знать хотя бы 3 примера). Природа электрофила, особенности галогенирования толуола, галогенбензолов, уметь получать все галогеннитробензолы, галогенирование нафталина, бифенила, анилина, фенола, анизола. Особенности иодирования. Хлорирование иодбензола без электрофильных катализаторов. Соединения поливалентного иода (PhICl 2 , PhI=O, PhI(OAc) 2)

10.Алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу. Алкилирование– 3 недостатка, примеры синтезов, обратимость, влияние галогена в RHal, агенты, внутримолекулярное алкилирование, ограничения по заместителям, особенности алкилирования фенолов и аминов, синтез н-алкилбензолов. Ацилирование – сравнение с алкилированием, реагенты, циклические ангидриды в ацилировании, внутримолекулярные реакции, перегруппировка Фриса.

Таблица 1.

Таблица 2. Данные по нитрованию галогенбензолов .

Соединение	продукты, %*			относительная скорость нитрования (бензол =1)**	Фактор парциальной скорости для о- и п- положения (бензол = 1)
	орто	мета	пара
С 6 Н 5 – F					0,054 (о ) 0,783 (п )
С 6 Н 5 – Cl					0,030 (о ) 0,136(п )
С 6 Н 5 – Br					0,033 (о ) 0,116(п )
С 6 Н 5 – I***					0,205 (о ) 0,648(п )

*) К. Ингольд. Теоретические основы органической химию М., "Мир", 1973, с. 263;

**) там же с. 247; ***) согласно новейшим исследованиям, механизм электрофильного замещения в арилиодидах может быть более сложным, чем было принято ранее.

О разделение о - и п- изомеров дизамещенных аренов кристаллизацией.

Таблица 3. Т. пл. о- и п -изомеров дизамещенных аренов в о С.

СРАВНЕНИЕ РЕАКЦИЙ АЛКИЛИРОВАНИЯ И АЦИЛИРОВАНИЯ ПО ФРИДЕЛЮ-КРАФТСУ.

	АЛКИЛИРОВАНИЕ		АЦИЛИРОВАНИЕ
РЕАГЕНТ	AlkHal, AlkOH, алкены. (Нельзя ArHal!).		Галогенангидриды карбоновых кислот (КК), ангидриды КК, редко – КК
КАТАЛИЗАТОР	Кислоты Льюиса, особенно б/в галогениды Аl, Fe, Sn и др., BF 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , катиониты.		AlCl 3 (не менее моля на моль, лучше еще больше), H 2 SO 4 , H 3 PO 4 .
ПРОДУКТ	Алкил- и полиалкиларены.		Ароматические кетоны. Можно ввести только одну ацильную группу.
ОСОБЕННОСТИ И НЕДОСТАТКИ	Практически малопригодна из-за множества побочных реакций, а именно: 1) полиалкилирование, 2) изомеризация исходных н-алкилов во втор.- и трет- алкилы. 3) изомеризация полиалкилбензолов в смесь или в более стабильный продукт.		Очень удобная реакция, практически не осложненная побочными реакциями. Образуется, как правило, только пара-изомер. Если п -положение занято, то орто-изомер (по отношению к наиболее сильному ориентанту).
ОБРАТИМОСТЬ	ЕСТЬ. (см. ниже)
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ	НЕЛЬЗЯ ИСПОЛЬЗОВАТЬ для аренов, содержащих заместители II-го рода. Можно использовать для арилгалогенидов.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ К ФЕНОЛАМ	НЕЖЕЛАТЕЛЬНО использовать AlCl 3 . МОЖНО использовать катализаторы – H 3 PO 4 , HF со спиртами в качестве алкилирующих реагентов.	CAcClможет идти ацилирование по кислороду. При нагревании эфира фенола идёт перегруппировка ФРИСА (кат. – AlCl 3). Иногда для реакции Фр-Кр можно использовать АсОН\ВF 3 Синтез фенолфталеина.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ К АРОМАТИ- ЧЕСКИМ, АМИНАМ	Прямое алкилирование практически невозможно, так как нельзя использовать AlCl 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , HF (атака AlCl 3 или Н + или алкила по азоту – в результате электронодонор-ные свойства азота уменьша-ются. При действии RHalобразуются N-алкиланилины).	Идет ацилирование по азоту. Катализаторы образуют комплексы по азоту. Возможно ацилирование при использовании двух экв. ацилирующего агента и ZnCl 2 с образованием п-ацил-N-ациланилинов.

Примечание:

Обратимость реакции алкилирования по Фриделю-Крафтсу приводит к тому, что в системе одновременно идут все возможные реакции алкилирования и деалкилирования, причем затрагивается и мета-положение, так как алкильная – группа активирует все положения бензольного кольца, хотя и в разной степени.

Тем не менее, из-за преимущественной орто-пара-ориентации процессов алкилирования и обратного деалкилирования под действием электрофила, например, при ипсо-атаке протона, в смеси при продолжительной реакции накапливаются наименее реакционноспособные и более термодинамически стабильные 1,3- и 1,3,5-изомеры, так как в них алкилы хуже ориентируют атаку протона под другие алкилы:

Похожие причины определяют и образование разных региоизомеров при сульфировании, с той существенной разницей, что сульфогруппа есть ориентант второго рода, что затрудняет полисульфирование.

12. ФОРМИЛИРОВАНИЕ – введение СНО группы.

Формилирование – частный случай ацилирования.

Многие производные муравьиной кислоты могут формилировать арены. Реакции формилирования с СО, НСN, HCO(NMe 2) 2 . Специфика подбора электрофильных катализаторов для реакций формилирования.

ГАТТЕРМАН-КОХ (1897) – ArH + CO + HCl (AlCl 3 / Cu 2 Cl 2). Бывает ли НС(О)С1? А НС(О)F?

ГАТТЕРМАН – НСN б\в + НС1 газ. Кат. AlCl 3 или ZnCl 2 .

Гаттерман-Адамс (факультативно) – Zn(CN) 2 + HCl. Можно использовать 1,3.5. триазин,/ НС1/А1С1 3 (факультативно), или С1 2 СНОR (на 5+++)

Губен-Геш (ацилирование с RCN, HCl и ZnCl 2).

ФОРМИЛИРОВАНИЕ ПО ВИЛЬСМЕЙЕРУ-ХААКУ . Только электронообогащенный арен! + ДМФА + РОС1 3 (можно SOCl 2 , COCl 2).

13. Реакция гидроксиметилирования, конденсация карбонильных соединений с аренами (ДДТ, дифенилолпропан), хлорметилирование.

14.Применимость реакций формилирования и гидроксиметилирования.

Гаттерман-Кох - алкилбензолы, бензол, галогенбензолы.

Гаттерман – активированные арены, толуол.

Вильсмейер-Хаак – только активированные арены

Хлорметилирование – фенол, анизол, алкил- и галогенбензолы.

Гидроксиметилирование – активированные арены.

(Активированные арены – это анилины, фенол и эфиры фенола.)

15. Триарилметановые красители. Кристаллвиолет (4-Ме 2 N-C 6 H 4) 3 С + Х - . Синтез из п-Ме 2 N-C 6 H 4 CHO + 2 Ме 2 NPh + ZnCl 2 → ЛЕЙКО-ФОРМА (белый цвет). Далее окисление (PbO 2 или другой окислитель) в трет- спирт, затем обработка кислотой, появление окраски.

ФАКУЛЬТАТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ.

1) Меркурирование бензола с Hg(OAc) 2 Гексамеркурирование бензола с Hg(OAc F) 2. Получение гексаиодбензола.

2) Декарбоксилирование ароматических кислот ArCOOH (нагревание с порошком меди в хинолине) = ArH + CO 2 . Если есть электроноакцепторные группы в кольце, то можно просто сильно нагреть соль аренкарбоновой кислоты. Если есть доноры, особенно в орто- положении, возможно замещение протоном карбоксильной группы, но это редко!

3) Экзотические электрофилы в реакциях с аренами: (HN 3 /AlCl 3 – дает анилин), R 2 NCl/ AlCl 3 дает R 2 NAr) (SCl 2 /AlCl 3 дает Ar 2 S. Роданирование анилина или фенола дироданом (SCN) 2 . Образование 2-аминобензотиазолов.

4) Существует большое количество "хитрых" реакций, которые запомнить невозможно, и не нужно, например PhOH + TlOAc + I 2 = о-иодфенол, или PhOH + t-BuNH 2 + Br 2 , -70 o C = о-бромфенол

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ.

Почему нуклеофильное замещение в аренах, не содержащих сильных электроноакцепторных групп, происходит с большим трудом?

1. S N Ar – ПРИСОЕДИНЕНИЕ-ОТЩЕПЛЕНИЕ.

1) Природа интермедиата. Комплексы Мейзенгеймера. (Условия стабилизации интермедиата.) ЯМР 13 С, м.д.: 3(ипсо), 75.8(о), 131.8(м), 78,0(п).

2) Нуклеофилы. Растворители.

3) Ряд подвижности галогенов. F (400)>>NO 2 (8)>Cl(1) ≈ Br(1.18)>I (0.26). Лимитирующая стадия.

4) Ряд активирующей способности заместителей (в каком положении?) NO 2 (1)>MeSO 2 (0.05)>CN(0.03)>Ac(0.01).

5) Примеры конкретных реакций и конкретных условий.

6) Факультативно: возможность замещения NO 2 - группы. Избирательное замещение NO 2 - группы. Пространственные факторы.

7) Нуклеофильное замещение водорода в ди- и тринитробензоле. Зачем нужен окислитель?

2. АРИНОВЫЙ механизм – (ОТЩЕПЛЕНИЕ-ПРИСОЕДИНЕНИЕ).

Меченый хлорбензол и орто-хлортолуол, амиды калия или натрия в жидком NH 3 . Механизм.

Гидролиз о-, м-, и п-хлортолуола, NaOH, H 2 O, 350-400 o C, 300 атм. ОЧЕНЬ ЖЕСТКИЕ УСЛОВИЯ!

Важность индуктивного эффекта. Случай о-хлоранизола.

Медленная стадия – отрыв протона (если Hal=Br, I) или отрыв галогенид- аниона (если Hal=Cl, F).Отсюда – необычный ряд подвижности галогенов: Br>I> Cl>F

Способы генерирования дегидробензола. Строение дегидробензола – в этой частице нет тройной связи! Улавливание дегидробензола.

3. Механизм S RN 1. Довольно редкий механизм. Генерация анион-радикалов – электрический ток, или облучение, или металлический калий в жидком аммиаке. Реакционная способность ArI>ArBr. Несколько примеров. Какие нуклеофилы можно использовать? Применение S RN 1 : реакции для a -арилирования карбонильных соединений через еноляты.

4. Нуклеофильное замещение в присутствии меди. Синтез дифенилового эфира, трифениламина, гидролиз о-хлоранизола.

5. Несколько редких примеров. Синтез салициловой к-ты из бензойной, нуклеофильное замещение в гексафторбензоле.

6. S N 1 Ar – см. тему "Диазосоединения".

Дополнительная литература по теме "Ароматические соединения"

М.В.Горелик, Л.С.Эфрос. Основы химии и технологии ароматических соединений. М., "Химия", 1992.

НИТРОСОЕДИНЕНИЯ.

Минимум знаний по алифатическим нитросоединениям.

1. СИНТЕЗ: а) прямое нитрование в газовой фазе – только простейшие (1 семестр, тема – алканы).

б) RBr + AgNO 2 (эфир) = RNO 2 (I) + RONO (II). Соотношение I и II зависит от R: Rперв . 80:10; Rвтор . 15:30. Rтрет 0: 10: 60 (Е2, алкен). Можно использовать NaNO 2 в ДМФ. Тогда количество RNO 2 больше даже для вторичных R. Способ б) хорош для RX, активных в S N 2-замещении, например СlСН 2 COONa + NaNO 2 в воде при 85 о С. (тема: нуклеофильное замещение и амбидентные анионы, 1 семестр).

в) НОВЫЙ СПОСОБ СИНТЕЗА – окисление аминогруппы с CF 3 CO 3 H (из (CF 3 CO) 2 О + H 2 O 2 в CH 2 Cl 2 или MeCN).Годится для алифатических и ароматических аминов. Иногда можно брать м-ХНБК (м-хлорнадбензойная кислота, m-CPBA, продажный реагент). НЕ БРАТЬ ДЛЯ ОКИСЛЕНИЯ KMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 ! Особенно для ароматических аминов!

2. СВОЙСТВА. Самое главное свойство – высокая СН-кислотность , таутомерия нитро- и аци-формы (рКа МеNO 2 10,5). Равновесие устанавливается медленно! С NaOH реагируют обе формы, а с содой – только аци-форма! (Ганч).

Высокая СН-кислотность делает нитросоединения аналогами енолизуемых карбонильных соединений. Кислотность нитрометана близка к кислотности ацетилацетона, а не простых альдегидов и кетонов, поэтому используются достаточно слабые основания – щелочи, карбонаты щелочных металлов, амины.

Реакция Анри (Генри) – аналог альдольной или кротоновой конденсации. Так как реакция Анри проводится в мягких условиях, продуктом часто является нитроспирт (аналог альдоля), а не нитроолефин (аналог кротонового продукта). RСН 2 NO 2 – всегда CH-компонента!

Реакции Михаэля и Манниха для RNO 2 . Факультативно: галогенирование в NaOH, нитрозирование, алкилирование анионов.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

1) Важнейшие промежуточные продукты восстановления нитробензола в кислой среде (нитрозобензол, фенилгидроксиламин) и щелочной среде (азоксибензол, азобензол, гидразобензол).

2) Селективное восстановление одной из нитрогрупп в динитробензоле.

3) ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВА ПРОДУКТОВ НЕПОЛНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НИТРОАРЕНОВ.

3а) Бензидиновая перегруппировка (Б.П.).

ВЫХОД 85% для бензидина. (R, R’ = H или др. заместитель). ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ НА ПОЛОЖЕНИЕ R и R’ до и после перегруппировки!

Еще 15% - побочные продукты – в основном дифенилин (2,4’-диаминодифенил) и орто -бензидин.

Кинетическое уравнение: V=k[гидразобензол] 2 – как правило, необходимо протонирование по обоим атомам азота.

Бензидиновая перегруппировка – внутримолекулярная реакция. Доказательство. Механизм - согласованная -сигматропная перегруппировка . Согласованный процесс для бензидина.

Если одно или оба пара-положения исходных гидразобензолов занято (R=Hal. Alk, AlkO, NH 2 , NMe 2), может происходить семидиновая перегруппировка с образованием СЕМИДИН ОВ.

Некоторые заместители, например SO 3 H, CO 2 H, RC(O), находящиеся в п-положении, могут отщепляться с образованием продуктов обычной Б.П.

Б.П. используется в производстве азокрасителей, диаминов, напр. бензидина, толидина, дианизидина. Открыта Н.Н.Зининым в 1845 г.

БЕНЗИДИН – КАНЦЕРОГЕН.

4) АЗОБЕНЗОЛ Ph-N=N-Ph. Син- анти- изомерия.

АЗОКСИБЕНЗОЛ Ph-N + (→О -)=N-Ph . (Задача: синтез несимметричных азо- и азоксибензолов из нитрозоаренов и ароматических аминов или арилгидроксиламинов соответственно, или синтез азоксибензолов из нитробензолов и ароматических аминов (NaOH, 175 o C).

5) ФЕНИЛГИДРОКСИЛАМИН . Перегруппировка в кислой среде.

На 5 +: родственные перегруппировки: N-нитрозо-N-метиланилин (25 o С), N-нитроанилин (10 o С, было), Ph-NH-NH 2 (180 o C). Механизм обычно межмолекулярный.

6) НИТРОЗОБЕНЗОЛ и его димер.

О реакции нитробензола RMgX с образованием алкилнитрозобензолов и других продуктов. Эта реакция показывает, почему НЕЛЬЗЯ ДЕЛАТЬ реактивы Гриньяра из галогеннитробензолов!

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АМИНОВ,

известные из материалов предыдущих лекций.

1. Алкилирование аммиака и аминов по Гофману

2. Восстановление нитрилов, амидов, азидов, оксимов.

3. Восстановление ароматических нитросоединений.

4. Перегруппировки Гофмана, Курциуса и Шмидта.

5. (Гидролиз амидов.)

Новые способы.

1. Восстановительное аминирование С=О (каталитическое).

2. Реакция Лейкарта (Эшвайлера-Кларка).

3. Синтез Габриэля,

4. Реакция Риттера.

5. Каталитическое арилирование аминов в присутствии медных и палладиевых катализаторов (реакции Ульмана, Бухвальда-Хартвига) – наиболее мощный современный метод синтеза разнообразных аминов.

Химические свойства аминов , известные из предыдущих лекций .

1. Нуклеофильное замещение (алкилирование, ацилирование).

2. Нуклеофильное присоединение к С=О (имины и енамины).

3. Элиминирование по Гофману и по Коупу (из окисей аминов).

4. Реакции электрофильного замещения в ароматических аминах.

5. Основность аминов (школьная программа).

Новые свойства .

1. Основность аминов (новый уровень знаний). Что такое рК а и рК b .

2. Реакция с азотистой кислотой.

3. Окисление аминов.

4. Разное – проба Хинсберга, галогенирование аминов.

ДИАЗОСОЕДИНЕНИЯ.

1. ДИАЗО- и АЗО- соединения. СОЛИ ДИАЗОНИЯ. Анионы – простые и комплексные. Растворимость в воде. Взрывчатые свойства. Распределение заряда на атомах азота. Ковалентные производные.

2. Диазотирование первичных ароматических аминов. Механизм диазотирования (упрощённая схема с использованием Н + и NO +). Сколько молей кислоты требуется? (Формально – 2, реально – больше.) Побочное образование триазенов и побочное азосочетание.

3. Агенты диазотирования в порядке уменьшения их реакционной способности.

NO + >>H 2 NO 2 + >NOBr>NOCl>N 2 O 3 >HNO 2 .

4. Нитрозирование втор . и трет . аминов. Реакция алифатических аминов с HNO 2 .

5. Приемы диазотирования: а) классический, б) для низкоосновных аминов, в) обратный порядок смешения, г) в неводной среде - использование i-AmONO. Особенности диазотирования фенилендиаминов. Контроль окончания реакции.

6. Поведение солей диазония в щелочной среде. Диазогидрат, син- и анти-диазотаты. Амбидентность диазотатов.

7. Реакции диазосоединений с выделением азота. 1) Термическое разложение арилдиазония протекает через высокореакционноспособные арил-катионы. Механизм замещения в этом случае аналогичен S N 1 в алифатической химии. По этому механизму идет реакция Шимана и образование фенолов и их простых эфиров. 2) Нуклеофилы – восстановители. Механизм – перенос электрона, и образование арил-радикала. По этому механизму протекает реакция с иодид-ионом, замещение диазогруппы на водород. 3) Реакции в присутствии порошка меди или солей меди(I). Также имеют радикальную природу, роль восстановителя играет медь. Нуклеофил переносится на арил-радикал в координационной сфере комплексов меди. Таких реакций большинство в химии солей диазония. Реакция Зандмейера и ее аналоги. 4) Реакция Несмеянова. 5) Диарилиодониевые и бромониевые соли.

8. Реакции диазосоединений без выделения азота. Восстановление. Азосочетание, требования к азо- и диазокомпонентам. Примеры азокрасителей (метилоранж).

9. Реакции Гомберга-Бахмана и Мейервейна Современная альтернатива – реакции кросс-сочетания, катализируемые комплексами переходных металлов и реакция Хека. На 5++: кросс-сочетание с солями диазония и диарилиодониевыми солями.

10. ДИАЗОМЕТАН. Получение, строение, реакции с кислотами, фенолами, спиртами (различие в условиях), с кетонами и альдегидами.

ФЕНОЛЫ И ХИНОНЫ.

Большинство важнейших методов синтеза фенолов известны из материалов предыдущих лекций:

1) синтез через Na-соли сульфокислот;

2) гидролиз арилхлоридов;

3) через соли диазония;

4) кумольный метод.

5) гидроксилирование активированных аренов по Фентону.

СВОЙСТВА ФЕНОЛОВ.

1) Кислотность; 2) синтез сложных эфиров; 3) электрофильное замещение (см. тему "Электрофильное замещение в аренах");

4) Реакции электрофильного замещения, не рассмотренные ранее: карбоксилирование по Кольбе, формилирование по Реймеру-Тиману, нитрозирование; 5) таутомерия, примеры; 6) Синтез простых эфиров; 6а) синтез аллиловых эфиров; 7) перегруппировка Кляйзена;

8) окисление фенолов, ароксильные радикалы; реакция Бухерера;

10) превращение PhOHв PhNR 2 .

ХИНОНЫ.

1. Строение хинонов. 2. Получение хинонов. Окисление гидрохинона, семихинон, хингидрон. 3. Хлоранил, 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-хинон (DDQ). 4. Свойства хинонов: а) окислительно-восстановительные реакции, 1,2- и 1,4-присоединение, реакция Дильса-Альдера.

ВАЖНЕЙШИЕ ПРИРОДНЫЕ ЕНОЛЫ, ФЕНОЛЫ И ХИНОНЫ.

ВИТАМИН С (1): Аскорбиновая кислота. Восстановитель. Окрашивание с FeCl 3 . В природе синтезируется всеми хлорофиллсодержащими растениями, пресмыкающимися и земноводными, многими млекопитающими. Человек, обезьяны, морские свинки в ходе эволюции утратили способность ее синтезировать.

Важнейшие функции – построение межклеточного вещества, регенерация и заживление тканей, целостность кровеносных сосудов, устойчивость к инфекции и стрессу. СИНТЕЗ КОЛЛАГЕНА (гидроксилирование аминокислот). (Коллаген – это наше все: кожа, кости, ногти, волосы.) Синтез норадреналина. Недостаток витамина С – ЦИНГА. Содержание витамина С: черная смородина 200 мг/100 г, красный перец, петрушка – 150-200, цитрусовые 40-60, капуста – 50. Потребность: 50-100 мг/день.

ТАННИН, это гликозид галловой кислоты (2). Содержится в чае, обладает дубящими свойствами

РЕЗВЕРАТРОЛ(3) – содержится в КРАСНОМ ВИНЕ (французском). Снижает вероятность сердечно-сосудистых заболеваний. Ингибирует образование пептида ЭНДОТЕЛИНА-1 – ключевого фактора в развитии атеросклероза. Способствует продвижению французского вина на рынок. Более 300 публикаций за последние 10 лет.

ГВОЗДИЧНОЕ МАСЛО: эвгенол (4).

ВИТАМИН Е (5) (токоферол – "потомство несу"). Антиоксидант. (Сам образует неактивные свободные радикалы). Регулирует обмен селена в глутатионпероксидазе – ферменте, который защищает мембраны от пероксидов. При недостатке – бесплодие, мышечная дистрофия, снижение потенции, возрастает окисляемость липидов и ненасыщенных жирных кислот. Содержится в растительных маслах, салате, капусте, желтке, злаках, овсянке (геркулес, мюсли). Потребность – 5 мг/день. Авитаминоз бывает редко.

ВИТАМИНЫ ГРУППЫ К (6). Регуляция свертываемости крови и минерализации костной ткани (карбоксилирование остатка глутаминовой кислоты в положение 4 (в составе белков!)) - результат: связывание кальция, рост костей. Синтезируется в кишечнике. Потребность – 1 мг/сут. Геморрагические заболевания. Антивитамины К. Дикумарин. Снижение свертываемости крови при тромбозах.

УБИХИНОН ("вездесущий хинон"), он же – коэнзим Q (7). Перенос электронов. Тканевое дыхание. Синтез АТФ. Синтезируется в организме.

ХРОМОН (8) и ФЛАВОН (9) – полухиноны, полуэфиры фенолов.

КВЕРЦЕТИН (10). РУТИН – витамин Р (11) (это кверцетин + сахар).

Витамин проницаемости. При недостатке кровотечение, утомляемость, боли в конечностях. Связь витаминов С и Р (аскорутин).

АНТОЦИАНИНЫ (от греч.: окраска цветов).

ЧТО ТАКОЕ ЛИГНИН?Из чего состоит древесина? почему она твердая и водонепроницаемая?

"АЛИЦИКЛЫ", 2 лекции.

1. Формальная классификация циклов (гетероциклы и карбоциклы, и те и другие могут быть ароматическими и неароматическими. Алициклами называются неароматические карбоциклы.

2. Распространение в природе (нефть, терпены, стероиды, витамины, простагландины, хризантемовая к-та и пиретроиды, др.).

3. Синтез – конец XIX в. Перкин мл. – из натрмалонового эфира. (см. п.13). Густавсон:

Br-CH 2 CH 2 CH 2 -Br + Zn (EtOH, 80 o C). Это 1,3-элиминирование.

4. БАЙЕР (1885 г.). Теория напряжения. Это даже не теория, а дискуссионная статья: По Байеру – все циклы плоские. Отклонение от угла 109 о 28’ – напряжение . Теория жила-жила лет 50, потом умерла, а термин – остался. Первые синтезы макро- и средних циклов (Ружичка).

5. ТИПЫ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦИКЛАХ: 1) УГЛОВОЕ (только малые циклы), 2) ТОРСИОННОЕ (заслоненное), ТРАНСАННУЛЯРНОЕ (в средних циклах).

Напр. по Байеру
Напр. по D H o f ккал/м (тепл. образ.)
Напр. по D H o f ккал/м : С 9 (12,5 ккал/м), С 10 (13 ккал/м), С 11 (11 ккал/м), С 12 (4 ккал/м), С 14 (2 ккал/м).
Теплота сгорания на CH 2 группу, ккал/м	МАЛЫЕ ЦИКЛЫ 166.6 (С3), 164,0 (С4)		ОБЫЧНЫЕ 158,7 (С5), 157,4 (С6)		СРЕДНИЕ ДО С 12 (C 13) МАКРОЦИКЛЫ > C 13

6. ЦИКЛОПРОПАН. Строение (С-С 0,151 нМ, Ð НСН = 114 о), гибридизация (по расчётамдляС-Н она ближе к sp 2 , для C-C– к sp 5 ), банановые связи, угол 102 о сходство с алкенами, ТОРСИОННОЕ напряжение – 1 ккал/м на С-Н, т.е. 6 ккал/м из 27.2 (табл.). Кислотность CH – рКа как у этилена =36-37, возможноесопряжение циклопропанового фрагмента с р -орбиталями соседних фрагментов (стабильность циклопропилметильного карбокатиона).

ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. 1. Гидрирование в С 3 Н 8 (Н 2 /Pt, 50 о С)/ 2. с влажным HBr – раскрытие цикла метилциклопропана по Марковникову, 1,5-присоединение к винилциклопропану 3. Радикальное галогенирование. 4. Устойчивость к некоторым окислителям (нейтральный раствор KMnO 4 , озон). В фенилциклопропане озон окисляет Phкольцо cобразованием циклопропанкарбоновой кислоты.

7. ЦИКЛОБУТАН. Строение (С-С 0,155 нМ, Ð НСН = 107 о), КОНФОРМАЦИЯ – складчатая, отклонение от плоскости равно 25 о. ТОРСИОННОЕ напряжение.

Почти нет ОСОБЕННОСТЕЙ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ:Гидрирование в С 4 Н 10 (Н 2 /Pt, 180 о С). Особенности строения оксетанов: ТОРСИОННОЕ напряжение – 4 ккал/м вместо 8.

8. ЦИКЛОПЕНТАН. Углового напряжения почти нет. В плоском – 10 пар заслоненных С-Н связей (это могло бы дать торсионное напряжение 10 ккал/м, но циклопентан – не плоский). Конформации: открытый КОНВЕРТ – полукресло – открытый КОНВЕРТ. ПСЕВДОВРАЩЕНИЕ – компромисс между угловым и торсионным напряжением.

9. ЦИКЛОГЕКСАН – КРЕСЛО. Углового и торсионного напряжения нет. Аксиальные и экваториальные атомы. Все С-Н связи соседних атомов углерода находятся в в заторможенном положении. Переход между двумя возможными кресловидными конформациями через твист-форму, и т.д. 10 5 раз в сек. ЯМР спектр циклогексана.Быстрые и медленные обменные процессы в ЯМР.

МОНОЗАМЕЩЕННЫЕ ЦИКЛОГЕКСАНЫ. Конформеры. Аксиальные и гош -бутановые взаимодействия.

Свободные конформационные энергии заместителей. – D G о, ккал/м: H(0), Me(1.74, это ~ 95% е-Ме конформера в равновесии), i-Pr(2.1), t-Bu (5.5), Hal (0.2-0.5) Ph(3.1).

Трет -бутильная группа как якорь, закрепляющий конформацию, в которой она сама занимает экваториальное положение. В трет -бутилциклогексане при комнатной температуре более 99,99% экваториального конформера.

Аномерный эффект. Открыт на моносахаридах и более подробно будет рассмотрен там.

10. ДИЗАМЕЩЕННЫЕ ЦИКЛОГЕКСАНЫ. Цис- транс- изомеры, энантиомеры для 1,2-. 1,3-. 1,4-дизамещённых циклогексанов.

11. ВЛИЯНИЕ КОНФОРМАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ на реакционную способность. Вспомнить элиминирование в ментил- и изоментилхлориде (1 сем). Правило Бредта.

12. Понятие о конформациях средних циклов (кресла-ванны, короны и т.п.) Трансаннулярное напряжение. Понятие о трансаннулярных реакциях.

13. Методы синтеза малых циклов.

14. СИНТЕЗ ОБЫЧНЫХ И СРЕДНИХ ЦИКЛОВ.

Через малоновый эфир.

Пиролиз Ca, Ba, Mn, Th солей a ,w –дикарбоновых кислот.

Конденсация Дикмана.

Через a ,w –динитрилы.

Ацилоиновая кондесация.

Метатезис алкенов.

Циклотри- и тетрамеризация на металлокомплексных катализаторах.

Реакция Демьянова.

15. Особенности строения циклоалкенов.

16. Синтез циклоалкинов.

17. Бициклы. Спираны. Адамантан.

18. Экзотика. Тетраэдран, кубан, ангуланы, пропеллан.

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.

1. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

Пиррол, фуран, тиофен, ароматичность, их производные в природе (порфирин, гем, хлорофилл, витамин В 12 , аскорбиновая кислота, биотин).

2. Методы синтеза пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом. Метод Пааля-Кнорра. Синтез пиррола по Кнорру и фурана по Фейсту-Бенáри. Превращения фурана в другие пятичленные гетероциклы по Юрьеву. Получение фурфурола из растительных отходов, содержащих пятиуглеродные углеводы (пентозаны).

3. Физические и химические свойства пятичленных гетероциклов.

Данные спектров ЯМР 1 Н и 13 С, δ м.д. (для бензола δН 7.27 и δС 129 м.д.)

Дипольные моменты

3.1 Электрофильное замещение в пирроле, фуране и тиофене.

По реакционной способности по отношению к электрофилам пиррол напоминает активированные ароматические субстраты (фенол или ароматические амины), Пиррол более реакционноспособен, чем фуран (фактор скорости более 10 5), тиофен значительно менее реакционноспособен, чем фуран (также приблизительно в 10 5 раз), но более реакционноспособен, чем бензол (фактор скорости 10 3 -10 5). Все пятичленные гетероциклы склонны к полимеризации и осмолению в присутствии сильных протонных кислот и высокореакционноспособных кислот Льюиса. Особенно высокой ацидофобностью отличается пиррол. ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В ПЯТИЧЛЕННЫХ ГЕТЕРОЦИКЛАХ, ОСОБЕННО ПИРРОЛЕ, НЕЛЬЗЯ БРАТЬ СИЛЬНЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ КИСЛОТЫ, AlCl 3 , А ТАКЖЕ СИЛЬНЫЕ ОКИСЛИТЕЛИ! Хотя это правило не абсолютно, и тиофен до некоторой степени устойчив к действию кислот, проще и надежнее совсем избегать таких реакций для всех донорных гетероциклов. Примеры реакций электрофильного замещения в пирроле, фуране и тиофене.

3.2. Основность и кислотность пиррола, алкилирование Li, Na, К и Mg производных пиррола.

3.3. Конденсация пиррола с альдегидами (формилирование, образование порфиринов).

3.4. Особенности химических свойств фуранов (реакция с бромом, реакция Дильса-Альдера.

3.5. Особенности химических свойств тиофена. Десульфуризация.

3.6. Реакции С-металлированных пятичленных гетероциклов.

4. Конденсированные пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

4.1. Индолы в природе (триптофан, скатол, серотонин, гетероауксин. Индиго.)

4.2 Синтез индолов по Фишеру. Механизм.

4.3 Сравнение свойств индола и пиррола. Аналогично пирролу индол ацидофобен и очень чувствителен к окислителям . Существенным отличием от пиррола является ориентация электрофильного замещения в положение 3.

5. Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами.Имидазол , амфотерность, таутомерия, использование при ацилировании. Сравнение с амидинами. Имидазол – донор и акцептор водородных связей. Это важно для химии ферментов, например химотрипсина. Именно гистидиновый фрагмент химотрипсина переносит протон и обеспечивает гидролиз пептидной связи.

6. Пиридин, ароматичность, основность (рКа 5,23; основность сравнима с анилином (рКа = 4,8), но немного больше). рКа производных пиридина: 2-амино-Ру= 6,9 , 3-амино-Ру = 6,0 . 4-амино-Ру = 9,2. Это довольно сильное основание. 4-нитро-Ру = 1,6; 2-циано-Ру= -0,26).

Производные пиридина в природе (витамины, никотин, NADP).

6.1. Данные спектров ЯМР 1 Н (13 С), δ, м.д.

6.2. Методы синтеза пиридинов (из 1,5-дикетонов, трёхкомпонентный синтез Ганча).

6.3. Химические свойства пиридина. Алкилирование, ацилирование, DMAP, комплексы пиридина с кислотами Льюиса. (cSO 3 , BH 3 , NO 2 + BF 4 - , FOTf). Мягкие электрофильные реагенты для сульфирования, восстановления, нитрования и фторирования соответственно.

6.4. Реакции электрофильного замещения для пиридина . Особенности реакций и примеры условий электрофильного замещения в пиридине.

6.5. N-окись пиридина, получение и её использование в синтезе . Введение нитрогруппы в 4- положение кольца.

6.6. Нуклеофильное замещение в 2-, 3-, и 4-хлорпиридинах. Факторы парциальных скоростей по сравнению с хлорбензолом.

Аналогичная тенденция наблюдается и для 2-, 3- и 4- галогенхинолинов.

6.7. Нуклеофильное замещение гидрид-иона:

реакция пиридина с алкил- или ариллитием;

реакция пиридина с амидом натрия (реакция Чичибабина). Так как элиминирование свободного гидрид-иона невозможно по энергетическим причинам, в реакции Чичибабина промежуточный сигма-комплекс ароматизуется за счет взаимодействия с продуктом реакции с образованием натриевой соли продукта и молекулярного водорода.

В других реакциях гидрид обычно удаляют с помощью окисления. Так, соли пиридиния могут подвергаться гидроксилированию, приводящему к образованию 1-алкилпиридонов-2. Процесс идет аналогично аминированию, но в присутствии окислителя, например, K 3 .

6.8. Литиопроизводные пиридина. Получение, реакции.

6.9. Пиридиновое ядро как сильный мезомерный акцептор. Устойчивость карбанионов, сопряженных с пиридиновым ядром в 2- или 4-положениях. Особенности химических свойств метилпиридинов и винилпиридинов.

7. Конденсированные шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом.

7.1. Хинолин . Хинин.

Спектры ЯМР 1 Н (13 С) хинолина, δ, м.д.

7.1. Методы получения хинолинов. Синтезы Скраупа и Дёбнера-Мил-лера. Понятие о механизме этих реакций. Синтез 2- и 4-метилхинолинов.

7.2. Изохинолины, синтез по Бишлеру-Напиральскому.

7.3. Химические свойства хинолинов и изохинолинов. Сравнение с пиридином, отличия свойств пиридина и хинолина.

Поведение гетероциклических соединений в присутствии окислителей и восстановителей, предназначенных для модификации боковых цепей.

Восстановители:

Пиррол – практически неограниченно устойчив к действию восстановителей, а также оснований и нуклеофилов (например, выдерживает гидриды, боран, Na в спирте без затрагивания кольца, даже при длительном нагревании).

Тиофен – также как и пиррол, устойчив к действию восстановителей, а также оснований, нуклеофилов за исключением восстановителей на основе переходных металлов. Любые соединения никеля (никель Ренея, борид никеля) вызывают десульфуризацию и гидрирование скелета. Катализаторы на основе палладия и платины обычно отравляются тиофенами и не работают.

Фуран – также как пиррол, но очень легко гидрируется.

Индол – полностью аналогичен пирролу.

Кольцо пиридина восстанавливается легче, чем кольцо бензола. Для боковых цепей можно использовать NaBH 4 , нежелательно (часто даже нельзя) использовать LiAlH 4 .

Для хинолина закономерности практически те же, что для пиридина, нельзя использовать LiAlH 4 .

В кватернизованной форме (N-алкилпиридиний, хинолиний) очень чувствительны к восстановителям (восстановление кольца), основаниям, нуклеофилам (раскрытие кольца).

Окислители.

Использование окислителей для соединений пиррола, индола и, в меньшей степени фурана, приводит, как правило, к разрушению кольца. Присутствие электроноакцепторных заместителей повышает устойчивость к окислителям, однако более подробная информация об этом выходит за пределы программы 3 курса.

Тиофен ведет себя подобно бензолу – обычные окислители не разрушают кольцо. Но категорически исключено использование перекисных окислителей в любой форме – происходит окисление серы до сульфоксида и сульфона с потерей ароматичности и немедленной димеризацией.

Пиридин достаточно устойчив к большинству окислителей в мягких условиях. Отношение пиридина к нагреванию с KMnO 4 (рН 7) до 100 o С в запаянной ампуле такое же, как и для бензола: кольцо окисляется. В кислой среде в протонированной форме пиридин еще более устойчив к окислителям, можно использовать стандартный набор реагентов. Надкислоты окисляют пиридин в N-оксид – см. выше.

Окисление одного из колец хинолина с KMnO 4 приводит к пиридин-2,3-дикарбоновой кислоте.

8. Шестичленные гетероциклы с несколькими атомами азота

8.1. Пиримидин. Производные пиримидина как компоненты нуклеиновых кислот и лекарственных препаратов (урацил, тимин, цитозин, барбитуровая кислота). Противовирусные и противоопухолевые препараты – пр-ные пиримидина (5-фторурацил, азидотимидин, алкилметоксипиразины – компоненты запаха пищи, фруктов, овощей, перца, гороха, жареного мяса. Так называемая реакция Мейяра (Maillard) (факультативно).

8.2. Понятие о химических свойствах производных пиримидина.

Пиримидин можно бромировать в положение 5. Урацил (см. ниже) тоже можно бромировать и нитровать в положение 5.

Легкие реакции S N 2Arв хлорпиримидинах (аналогия с пиридином!): по положению 4 идёт быстрее, чем по 2.

Замещение 2-С1 под действием КNH 2 в NH 3 ж. Механизм не ариновый, а ANRORC (на 5+++).

10. Биядерные гетероциклы с несколькими атомами азота. Пурины (аденин, гуанин).

Наиболее известные пурины (кофеин, мочевая кислота, ацикловир). Изостеры пуринов (аллопуринол, силденафил (виагра™)).

Дополнительная литература по теме "Гетероциклы"

1. Т.Джилкрист "Химия гетероциклических соединений" (Пер. с англ. - М.: Мир, 1996)

2. Дж. Джоуль, К.Миллс "Химия гетероциклических соединений" (Пер. с англ. - М.: Мир, 2004).

АМИНОКИСЛОТЫ .

1.Аминокислоты (АК) в природе. (≈ 20 аминокислот присутствуют в белках, это кодируемые АК, >200 АК встречаются в природе.)

2. α-, β-, γ-аминокислоты . S-конфигурация природных L-аминокислот.

3. Амфотерность, изоэлектрическая точка (рН обычно 5,0-6,5). Оснόвные (7,6-10,8), кислые (3,0-3,2) аминокислоты. Подтверждение цвиттер-ионного строения. Электрофорез.

4. Химические свойства АК – свойства COOHи NH 2 групп. Хелаты. Бетаины. Поведение при нагревании (ср. с оксикислотами). Образование азлактонов из N-ацетилглицина и гидантоинов из мочевины и АК – на 5++. Синтез сложных эфиров и N-ацилирование – путь к пептидному синтезу (см. лекцию про белок).

5. Химическое и биохимическое дезаминирование, (механизмы не учить!), принцип ферментативного переаминирования с витамином В 6 (было в теме "Карбонильные соединения" и в курсе биохимии).

7. Важнейшие способы синтеза аминокислот:

1) из галогенкарбоновых кислот – два примитивных способа, включая фталимидный. (Оба уже известны!)

2) синтез Штрекера;

3) алкилирование анионов СН-кислот – PhCH=N–CH 2 COOR и N-ацетиламиномалонового эфира.

4) Энантиоселективный синтез АК путем:

а) микробиологического (ферментативного) разделения и

б) энантиоселективное гидрирование с использованием хиральных катализаторов.

5) β-аминокислоты. Синтез по Михаэлю.

	Гидрофобные аминокислоты	Немного о биохимической роли (для общего развития)
АЛАНИН		Вынос аммиака из тканей в печень. Трансаминирование, превращение в пировиноградную к-ту. Синтез пуринов, пиримидинов и гема.
ВАЛИН*		Если в результате мутации валин встаёт на место глутаминовой к-ты в гемоглобине – бывает наследственное заболевание –серповидно-клеточная анемия. Серьёзная наследственная болезнь, распространенная в Африке, но при этом придающая устойчивость к малярии.
ЛЕЙЦИН*
ИЗОЛЕЙЦИН*
ПРОЛИН		Изгибы в молекулах белков. Отсутствие вращения там, где есть пролин.
ФЕНИЛАЛАНИН*		Если не превращается в тирозин – будет наследственное заболевание фенилпировино-градная олигофрения.
ТРИПТОФАН*		Синтез НАДФ, серотонина. Распад в кишечнике до скатола и индола.
	Гидрофильные аминокислоты
ГЛИЦИН Gly (G)	H 2 N-CH 2 -COOH	Участвует в огромном кол-ве биохимических синтезов в организме.
СЕРИН Ser (S)	HO-CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Участвуют (в составе белков) в процессах ацилирования и фосфорилирования.
ТРЕОНИН* Thr (T)	CH 3 -CH(OH)- CH(NH 2)-COOH
ТИРОЗИН Tyr (Y)		Синтез тиреоидных гормонов, адреналина и норадреналина
	"Кислые" аминокислоты
АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА Asp (D)	HOOC-CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Донор аминогруппы при синтезах.
ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА Glu (E)	HOOC-C 4 H 2 -CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Образует ГАМК (γ-аминомасляную кислоту (аминалон) – успокоительное средство. Gluвыносит NH 3 из мозга, превращаясь при этом в глутамин (Gln). 4- карбоксиглутаминоваяк-тавбелкахсвязываетСа.
	"А М И Д Ы" кислых аминокислот
АСПАРАГИН Asn (N)	H 2 N-CO -CH 2 -CH(NH 2)-COOH
ГЛУТАМИН Gln (Q)	H 2 N-CO -CH 2 -CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Донораминогрупп в синтезах
ЦИСТЕИН Cys (C)	HS-CH 2 -CH(NH 2)-COOH	Образование S-S связей (трет, структура белков, регуляция активности ферментов)
ЦИСТИН	Cys-S-S-Cys
МЕТИОНИН* Met	MeSCH 2 CH 2 - CH(NH 2)COOH	Донор метильных групп
	"Оснóвные" аминокислоты
ЛИЗИН* Lys (K)	H 2 N-(CH 2) 4 -CH(NH 2)-COOH	Образует сшивки в коллагене и эластине делает их эластичными.
АРГИНИН Arg (R) Содержит фрагмент гуанидина	H 2 N-C(=NH)-NH-(СН 2) 3 -СH(NH 2)-COOH	Участвует в выведении аммиака из организма
ГИСТИДИН His (H) Остаток имидазола		Синтез гистамина. Аллергия.

* - незаменимые аминокислоты. Из большинства аминокислот легко синтезируются глюкоза и жиры. Нарушения обмена аминокислот у детей приводит к умственной неполноценности.

ЗАЩИТНЫЕ ГРУППЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПЕПТИДНОМ СИНТЕЗЕ.

NH 2 -защитные группы –

RC(O)- = (HC(O)-) CF 3 C(O)- фталильная

ROC(O)- = PhСН 2 OC(O)- и замещённые бензилы, t-BuOC(O)- и др. трет -группы,

Флуоренилметилоксикарбонильная группа,

Ts-группа

СООН -защитные группы – эфиры – PhCH 2 O- и замещенные бензилы,

t-BuO- и флуоренилметиловые эфиры.

Отдельное рассмотрение защитных групп для других ФГ аминокислот не предусмотрено.

Методы создания пептидной связи.

1. Хлорангидридный (через X-NH-CH(R)-C(O)Cl). Способ устарел.

2..Азидный (по Курциусу, через X-NH-CH(R)-C(O)Y → C(O)N 3 как мягкий ацилирующий реагент.

3.Ангидридный – напр. через смешанный ангидрид с угольной кислотой.

4.Активированные эфиры (например С(О)-ОС 6 F 5 и т.п.)

5. Карбодиимидный – кислота + ДЦК + амин

6. Синтез на твёрдом носителе (напр. на смоле Меррифилда).

Биологическая роль пептидов. Несколько примеров.

1. Энкефалины и эндорфины – опиоидные пептиды.

например Tyr-Gly-Gly-Phe-Met и

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu измозгасвиньи. Известно несколько сотен аналогов.

2. Окситоцин и вазопрессин Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro- Leu -Gly-NH 2

│________________│

DuVigneaud, Ноб.пр. 1955 Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro- Arg -Gly-NH 2

│________________│

3. Инсулин контролирует усвоение глюкозы клеткой. Избыток глюкозы в крови (диабет) – приводит к гликозилированию всего подряд (в основном белков).

4. Превращения пептидов: ангиотензиноген → ангиотензин I → ангиотензин II. Один из основных механизмов регуляции артериального давления (АД), место приложения многих лекарств (блокаторы АПФ – ангиотензин-превращающего фермента. Катализатор 1 стадии – фермент ренин (выделен из почек).

5. Пептидные токсины. Действуют при болезнях - ботулизм, столбняк, дифтерия, холера. Яды змей, скорпионов, пчёл, токсины грибов (фаллоидин, амантин), морских беспозвоночных (Conusgeographus – 13 АК, два -S-S-мостика). Многие устойчивы при кипячении в кислом растворе (до 30 мин).

6. Пептидные антибиотики (грамицидин S).

7. Аспартам Asp-Phe-OMe в 200 раз слаще сахара. Горькие и "вкусные" пептиды .

8. Белки. Четыре уровня организации нативной белковой молекулы. Белок – уникальный (наряду с нуклеиновыми кислотами) тип макромолекулы, обладающей точно известной структурой, упорядоченной вплоть до деталей стереохимии и конформации. Все остальные известные макромолекулы, в том числе и природные (полисахариды, лигнин и т.п.) имеют в большей или меньшей степени неупорядоченное строение – широкое распределение молекулярных масс, свободное конформационное поведение.

Первичная структура – последовательность аминокислот. Как кратко обозначается первичная структура?

Вторичная структура – конформационно-регулярные элементы двух типов (α–спирали и β– слои) – так упорядочивается только часть белковой макромолекулы.

Третичная структура – уникальная упорядоченная стереохимическая конфигурация полной макромолекулы. Понятие о "складывании" (folding) полипептидной цепи в третичную структуру белка. Прионы.

Четвертичная структура – соединение нескольких субъединиц в белках, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Дисульфидные мостики (обратимое превращение цистеин-цистин) как способ закрепления третичной и четвертичной структуры.

УГЛЕВОДЫ.

1. Что такое углеводы? Углеводы вокруг и внутри нас.

2. Понятие о фотосинтезе производных D-глицериновой кислоты.Только для особо выдающихся студентов – об образовании дифосфата глицериновой кислоты из D-рибулозы.

3. Что такое D-ряд углеводов. (Кратко об истории возникновения понятия о D- и L- рядах).

4. Классификация углеводов: а) по количеству атомов С; б) по наличию С=О или СНО групп; в) по количеству циклических фрагментов.

5. Синтез углеводов из D-глицеринового альдегида по методу Килиани-Фишера. Как Фишер установил формулу глюкозы?

6. Вывод формул всех D-тетроз, -пентоз, -гексоз из D- глицеринового альдегида (открытые структуры). Для всех студентов – знать формулу глюкозы (открытую и циклическую), маннозы (2-эпимер глюкозы), галактозы (4-эпимер глюкозы), рибозы. Пиранозы и фуранозы.

7. Уметь перейти от открытой формы к циклической по Хеуорсу. Уметь нарисовать формулы α- и β–глюкозы (все заместители в е- положении кроме аномерного) в конформации кресла.

8. Что такое эпимеры, аномеры, мутаротация. Аномерный эффект.

9. Химические свойства глюкозы как альдегидоспирта: а) хелаты с ионами металлов, получение гликозидов, полных простых и сложных эфиров, изопропилиденовая защита ; б) окисление СНО группы ионами металлов, бромной водой, НNО 3 . Расщепление по Волю. Реакция с аминами и получение озазонов. Важнейшие принципы и приёмы избирательного алкилирования различных гидроксилов в глюкозе.

10. D-фруктоза как представитель кетоз. Открытая и циклическая формы. Реакция серебряного зеркала для фруктозы.

11. Понятие о дезоксисахарах, аминосахарах. Сюда же хитин и гепарин. Септулозы и октулозы в авокадо. Реакция Мейяра (Maillard).

12. ОЛИГОСАХАРИДЫ. Мальтоза, целлобиоза, лактоза, сахароза. Восстанавливающие и невосстанавливающие сахара.

13. Полисахариды – крахмал (20% амилозы + 80% амилопектина), иодкрахмальная проба, гликоген, целлюлоза, гидролиз крахмала в полости рта (амилаза) и гидролиз целлюлозы, нитроклетчатка, вискозное волокно, производство бумаги, группы крови и отличие между ними.

ВАЖНЕЙШИЕ ПОЛИСАХАРИДЫ.

ПОЛИСАХАРИД	СОСТАВ и строение	примечания
циклодекстрины	α-(6), β-(7), γ-(8) Состоит из глюкозы, 1-4 связи.	Отличные комплексообразователи, хелатообразователи
крахмал	α-глю-(1,4)-α-глю 20% амилозы + 80% амилопектина	Амилоза = 200 глю, линейный полисахарид. Амилопектин = 1000 и более глю, разветвлён.
гликоген	"разветвлённый" крахмал, участие 6-ОН	Запас глюкозы в организме
	Из остатков фруктозы	Содержится в топинамбуре
целлюлоза	β-глю-(1,4)-β-глю	Хлопок, клетчатка растений, древесина
целлюлоза	Ксантогенат по 6-положению	Получение вискозы – искусственного шелка, целлофана (упаковочной плёнки)
ацетат целлюлозы	Примерно диацетат	ацетатное волокно
нитрат целлюлозы	Тринитроэфир	Бездымный порох
Производство бумаги из древесины	Древесина = целлюлоза + лигнин. Обработать Са(НSO 3) 2 или Na 2 S + NaOH	Сульфатация древесины – удаление лигнина в воду – получение целлюлозной массы.
	Поли-α-2-дезокси-2-N-Ac-аминоглюкоза (вместо 2-ОН – 2-NH-Ac)	Если удалить Ас от азота получится хитозан – модная БАД
гиалуроновая кислота	– (2-AcNH-глюкоза – глюкуроновая кислота) n –	Смазка в организме (напр. в суставах).
	Строение очень сложное – (2-HO 3 S-NH-глюкоза – глюкуроновая кислота) n –	Увеличивает время свёртываемости крови
Хондроитин сульфат	Гликопротеины (коллаген), протеогликаны, связь через NН 2 аспарагина или ОН серина	Есть везде в организме, особенно в соединительной ткани, хрящах.

Примечание: Глюкуроновая к-та: 6-СООН – 1- СНО

Глюконовая к-та: 6-СН 2 ОН – 1-СООН

Глюкаровая к-та: 6-СООН – 1- СООН

1. Химия и биохимия нуклеиновых кислот.

Азотистые основания в РНК: У (урацил), Ц (цитозин) – производные пиримидина. А (аденин), Г (гуанин) – производные пурина. В ДНК вместо У (урацила) присутствует Т (тимин).

Нуклеозиды (сахар + азотистое основание): уридин, цитидин, тимидин, аденозин, гуанозин.

Нуклеотиды(фосфат + сахар + азотистое основание).

Лактим-лактамная таутомерия.

Первичная структура нуклеиновых кислот (соединение нуклеозидов через атомы кислорода у С-3 и С-5 рибозы (дезоксирибозы) с помощью фосфатных мостиков.

РНК и ДНК.

а) Главные основания и минорные основания (РНК). Только для тРНК список минорных оснований приближается к 50. Смысл их существования – защита от гидролитических ферментов. 1-2 примера минорных оснований.

в) Правила Чаргаффа для ДНК. Важнейшее: А=Т. Г=Ц. Однако Г+Ц < А+Т для животных и растений.

Принципы строения ДНК

1. Нерегулярность.
Существует регулярный сахарофосфатный остов, к которому присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно.

2. Антипараллельность.
ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно. 3`-конец одной расположен напротив 5`-конца другой.

3. Комплементарность (дополнительность).
Каждому азотистому основанию одной цепи соответствует строго определенное азотистое основание другой цепи. Соответствие задается химией. Пурин и пиримидин в паре образуют водородные связи. В паре A-Т две водородные связи, в паре Г-Ц – три, поскольку в этих основаниях в ароматическом кольце имеется дополнительная аминогруппа.

4. Наличие регулярной вторичной структуры.
Две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью.

Функции ДНК

1. ДНК является носителем генетической информации.
Функция обеспечивается фактом существования генетического кода . Количество молекул ДНК: в клетке человека – 46 хромосом, в каждой одна молекула ДНК. Длина 1 молекулы ~ 8 (т.е.2х4) см. В упакованном виде – 5 нм (это третичная структура ДНК, суперспирализация ДНК на белках-гистонах).

2. Воспроизведение и передача генетической информации обеспечивается процессом репликации (ДНК → новая ДНК).

3. Реализация генетической информации в виде белков и любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов.
Эта функция обеспечивается процессами транскрипции (ДНК в РНК) и трансляции (РНК в белок).

Репарация – восстановление повреждённого участка ДНК. Это происходит из-за того, что ДНК – двухцепочечная молекула, есть комплементарный нуклеотид, который "подсказывает", что нужно исправить.

Какие бывают ошибки и повреждения? а) Ошибки репликации (10 -6), б) депуринизация, потеря пурина, образование апуриновых сайтов (в каждой клетке потеря 5000 пуриновых остатков в сутки!), в) дезаминирование (например цитозин превратился в урацил).

Индуцируемые повреждения. а) димеризация пиримидиновых колец под действием УФ по С=С связям с образованием циклобутанового кольца (для удаления димеров используются фотолиазы); б) химическое повреждение (алкилирование, ацилирование и др.). Ремонт повреждений – ДНК-гликозилаза – апуринизация (или апиримидинизация) алкилированного основания – далее введение "нормального" основания в пять стадий.

Нарушение процесса репарации – наследственные болезни (пигментная ксеродерма, трихотиодистрофия и др.) Наследственных болезней около 2000.

Ингибиторы транскрипции и трансляции – антибактериальные препараты.

Стрептомицин – ингибитор синтеза белка у прокариотов.

Тетрациклины – "связываются с 30S субъединицей бактериальной рибосомы и блокируют присоединение аминоацил-тРНК в А-центр рибосомы, тем самым, нарушая элонгацию (т.е. считывание мРНК и синтез полипептидной цепи)".

Пенициллины и цефалоспорины – β-лактамные антибиотики. β-Лактамное кольцо ингибирует синтез клеточных стенок у грамотрицательных микроорганизмов.

Вирусы – ингибиторы матричных синтезов в эукариотических клетках.

Токсины – часто делают то же самое, что и вирусы. α–Аманитин – токсин бледной поганки, LD 50 0,1 мг на кг массы тела. Ингибирование РНК-полимеразы. Результат – необратимые изменения в печени и почках.

Рицин – очень сильный белковый яд из клещевины. Это фермент N-гликозилаза, который удаляет остаток аденина из 28S рРНК большой субъединицы рибосомы, ингибирует синтез белка у эукариотов. Содержится в касторовом масле.

Энтеротоксин возбудителя дифтерии (белок с массой 60 кД) – ингибирование синтеза белков в зеве и гортани.

Интерфероны – белки с размером около 160 АК, секретируются некоторыми клетками позвоночных в ответ на заражение вирусами. Количество интерферона – 10 -9 – 10 -12 г, т.е. одна молекула белка защищает одну клетку. Эти белки, как белковые гормоны, стимулируют синтез ферментов, которые разрушают синтез мРНК вирусов.

Наследственные болезни (моногенные) и (не путать!) семейная предрасположенность к болезням (диабет, подагра, атеросклероз, мочекаменная болезнь, шизофрения – это мультифакторные болезни.)

Принципы анализа нуклеотидной последовательности (факультативно).

ДНК технологии в медицине.

А. Выделение ДНК. Б. Расщепление ДНК с помощью рестриктаз. ДНК человека - 150х10 6 пар нуклеотидов. Их надо разделить на 500 000 фрагментов по 300 пар в каждом. Далее гель-электрофорез. Далее – блот-гибридизация по Саузерну с радиозондом или другие методики.

Секвенирование. Экзонуклеазы – отщепляют последовательно один мононуклеотид. Это устаревшая методика.

ПЦР (PCR) – полимеразно-цепная реакция. (Нобел. пр. 1993 г.: Кэрри Муллис)

Принцип: праймеры (это фрагменты ДНК ~20 нуклеотидов – коммерчески доступные) + ДНК-полимераза → наработка ДНК (амплификатор) → анализ ДНК (секвенатор). Сейчас всё делается автоматически!

Метод секвенирования ДНК с использованием меченых дефектных нуклеотидов (например, дидезоксинуклеотидов). Сейчас метки не радиоактивные, а флуоресцентные. Анализ на СПИД и другие ИППП. Быстро, но дорого. Лучше не болеть!

Успех ПЦР для диагностики и широкого распространения связан с тем, что ферменты, участвующие в процессе, выделенные из термостойких бактерий горячих источников и сделанные генной инженерией, выдерживают нагревание, при котором происходит денатурация (диссоциация цепей ДНК) и подготовка их к следующему циклу ПЦР.

ТЕРПЕНЫ, ТЕРПЕНОИДЫ И СТЕРОИДЫ.

Турпентин – летучее масло из сосновой смолы .

Терпены – группа ненасыщенных углеводородов состава (С 5 Н 8) n , где n³ 2, широко распространенные в природе. Содержат фрагменты изопентана, связанные, как правило, по типу “голова к хвосту” (это и есть Правило Ружички).

Монотерпены С 10 (С 5 Н 8) 2 Сескви терпены С 15 , (С 5 Н 8) 3 Дитерпены С 20 , (С 5 Н 8) 4 Тритерпены С 30 , (С 5 Н 8) 6 . Политерпены (каучук).

Степень гидрирования терпенов может быть разной, поэтому число атомов Н не обязательнодолжно быть кратно 8. Не бывает С 25 и С 35 терпенов.

Терпены бывают ациклические и карбоциклические.

Терпеноиды (изопреноиды) – это терпены (углеводороды) + функционально замещенные терпены. Обширная группа природных соединений с регулярным строением скелета.

Изопреноиды можно подразделить на

1) терпены, в т.ч. функционально замещенные,

2) стероиды

3) смоляные кислоты,

4) полиизопреноиды (каучук).

Важнейшие представители терпенов.

Некоторые особенности химии терпенов, бициклических молекул и стероидов.

1) неклассические катионы; 2) перегруппировки типа Вагнера-Мейервейна; 3) легкая окисляемость; 4) диастереоселективный синтез; 5) влияние удаленных групп.

Формально терпены – продукты полимеризации изопрена, но путь синтеза совершенно иной! Почему же именно производные полиизопрена получили такое распространение в природе? Это связано с особенностями их биосинтеза из ацетилкоэнзима А, т.е. фактически из уксусной кислоты. (Блох, 40-60 гг. Оба атома углерода из С 14 Н 3 С 14 ООН включаются в терпен.)

СХЕМА СИНТЕЗА МЕВАЛОНОВОЙ КИСЛОТЫ – важнейшего промежуточного продукта в биосинтезе терпенов и стероидов.

Конденсация ацетил коэнзима А в ацетоацетил коэнзим А проходит по типу сложноэфирной конденсации Кляйзена.

Синтез лимонена из геранилфосфата – важного промежуточного вещества как в синтезе самых разнообразных терпенов, так и в синтезе холестерина. Ниже приведено превращение лимонена в камфору под действием HCl, воды и окислителя (РР – остаток пирофосфата).

Превращение мевалоновой кислоты в геранилфосфат происходит путём 1) фосфорилирования 5-ОН, 2) повторного фосфорилирования 5-ОН и образование пирофосфата, 3) фосфорилирования по 3-ОН. Всё это происходит под действием АТФ, которая превращается в АДФ. Дальнейшие превращения:

Важнейшие стероидные гормоны.

Образуются в организме из холестерина. Холестерин не растворим в воде. Проникает в клетку и участвует в биосинтезе через комплексы со стеринопереносящими белками.

ЖЕЛЧНЫЕ КИСЛОТЫ . Холевая кислота. Цис-сочленение колец А и В. Желчные кислоты улучшают всасываемость липидов, понижают уровень холестерина, широко используются для синтеза макроциклических структур.

СТЕРОИДЫ – ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА.

1. Кардиотоники . Дигитоксин. Содержится в различных видах наперстянки (DigitalispurpureaL. или DigitalislanataEhrh.) Гликозиды – это природные соединения, которые состоят из одного или нескольких остатков глюкозы или другого сахара, чаще всего связанных через положения 1- или 4- с органической молекулой (АГЛИКОНом). Вещества похожей структуры и действия встречаются в яде некоторых видов жаб.

2. Диуретики. Спиронолактон (верошпирон). Антагонист альдостерона. Блокирует обратное всасывание ионов Na+, уменьшает таким образом количество жидкости, что приводит к понижению артериального давления Не влияет на содержание ионов К+ ! Это очень важно.

3. Противовоспалительные средства. Преднизолон. 6-Метилпреднизолон (см. формулу выше). Фторстероиды (дексаметазон (9a -фтор-16a -метилпреднизолон), триамцинолон (9a -фтор-16a -гидроксипреднизолон. Противовоспалительные мази.

4. Анаболики. Способствуют образованию мышечной массы и костной ткани. Метандростенолон.

5. БРАССИНОСТЕРОИДЫ - ПРИРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, ПОМОГАЮЩИЕ РАСТЕНИЯМ БОРОТЬСЯ СО СТРЕССОМ (засуха, заморозки, излишнее увлажнение), ОБЛАДАЮТ РОСТОРЕГУЛИРУЮЩЕЙ АКТИВНОСТЬЮ.

24-эпибрассинолид [(22R, 23R,24R)- 2α,3α,22,23- тетрагидрокси-В-гомо-7-окса-5α-эргостан-6-он.

Препарат "Эпин-экстра", ННПП "НЭСТ-М".

МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСНЫЙ КАТАЛИЗ (1 СЕМЕСТР).

Физические свойства

Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире, ацетоне.

Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода вих молекулах.

Физические свойства некоторых аренов представлены в таблице.

Таблица. Физические свойства некоторых аренов

Название	Формула	t°.пл., °C	t°.кип., °C
Бензол	C 6 H 6	5,5	80,1
Толуол (метилбензол)	С 6 Н 5 СH 3	95,0	110,6
Этилбензол	С 6 Н 5 С 2 H 5	95,0	136,2
Ксилол (диметилбензол)	С 6 Н 4 (СH 3) 2
орто-		25,18	144,41
мета-		47,87	139,10
пара-		13,26	138,35
Пропилбензол	С 6 Н 5 (CH 2) 2 CH 3	99,0	159,20
Кумол (изопропилбензол)	C 6 H 5 CH(CH 3) 2	96,0	152,39
Стирол (винилбензол)	С 6 Н 5 CH=СН 2	30,6	145,2

Бензол – легкокипящая ( t кип = 80,1°С), бесцветная жидкость, не растворяется в воде

Внимание! Бензол – яд, действует на почки, изменяет формулу крови (при длительном воздействии), может нарушать структуру хромосом.

Большинство ароматических углеводородов опасны для жизни, токсичны.

Получение аренов (бензола и его гомологов)

В лаборатории

1. Сплавление солей бензойной кислоты с твёрдыми щелочами

C 6 H 5 -COONa + NaOH t → C 6 H 6 + Na 2 CO 3

бензоат натрия

2. Реакция Вюрца-Фиттинга : (здесь Г – галоген)

С 6 H 5 -Г + 2 Na + R -Г → C 6 H 5 - R + 2 Na Г

С 6 H 5 -Cl + 2Na + CH 3 -Cl → C 6 H 5 -CH 3 + 2NaCl

В промышленности

• выделяют из нефти и угля методом фракционной перегонки, риформингом;
• из каменноугольной смолы и коксового газа

1. Дегидроциклизацией алканов с числом атомов углерода больше 6:

C 6 H 14 t , kat →C 6 H 6 + 4H 2

2. Тримеризация ацетилена (только для бензола) – р. Зелинского :

3С 2 H 2 600° C , акт. уголь →C 6 H 6

3. Дегидрированием циклогексана и его гомологов:

Советский академик Николай Дмитриевич Зелинский установил, что бензол образуется из циклогексана (дегидрирование циклоалканов

C 6 H 12 t, kat →C 6 H 6 + 3H 2

C 6 H 11 -CH 3 t , kat →C 6 H 5 -CH 3 + 3H 2

метилциклогексантолуол

4. Алкилирование бензола (получение гомологов бензола) – р Фриделя-Крафтса .

C 6 H 6 + C 2 H 5 -Cl t, AlCl3 →C 6 H 5 -C 2 H 5 + HCl

хлорэтан этилбензол

Химические свойства аренов

I . РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ

1. Горение (коптящее пламя):

2C 6 H 6 + 15O 2 t →12CO 2 + 6H 2 O + Q

2. Бензол при обычных условиях не обесцвечивает бромную воду и водный раствор марганцовки

3. Гомологи бензола окисляются перманганатом калия (обесцвечивают марганцовку):

А) в кислой среде до бензойной кислоты

При действии на гомологи бензола перманганата калия и других сильных окислителей боковые цепи окисляются. Какой бы сложной ни была цепь заместителя, она разрушается, за исключением a -атома углерода, который окисляется в карбоксильную группу.

Гомологи бензола с одной боковой цепью дают бензойную кислоту:

Гомологи, содержащие две боковые цепи, дают двухосновные кислоты:

5C 6 H 5 -C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 6K 2 SO 4 + 12MnSO 4 +28H 2 O

5C 6 H 5 -CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 3K 2 SO 4 + 6MnSO 4 +14H 2 O

Упрощённо:

C 6 H 5 -CH 3 + 3O KMnO4 →C 6 H 5 COOH + H 2 O

Б) в нейтральной и слабощелочной до солей бензойной кислоты

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6 H 5 COO К + K ОН + 2MnO 2 + H 2 O

II . РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ (труднее, чем у алкенов)

1. Галогенирование

C 6 H 6 +3Cl 2 h ν → C 6 H 6 Cl 6 (гексахлорциклогексан - гексахлоран)

2. Гидрирование

C 6 H 6 + 3H 2 t , Pt или Ni →C 6 H 12 (циклогексан)

3. Полимеризация

III . РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ – ионный механизм(легче, чем у алканов)

1. Галогенирование -

a ) бензола

C 6 H 6 + Cl 2 AlCl 3 → C 6 H 5 -Cl + HCl (хлорбензол)

C 6 H 6 + 6Cl 2 t ,AlCl3 →C 6 Cl 6 + 6HCl ( гексахлорбензол )

C 6 H 6 + Br 2 t,FeCl3 → C 6 H 5 -Br + HBr ( бромбензол )

б) гомологов бензола при облучении или нагревании

По химическим свойствам алкильные радикалы подобны алканам. Атомы водорода в них замещаются на галоген по свободно-радикальному механизму. Поэтому в отсутствие катализатора при нагревании или УФ-облучении идет радикальная реакция замещения в боковой цепи. Влияние бензольного кольца на алкильные заместители приводит к тому, что замещается всегда атом водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным кольцом (a -атома углерода).

1) C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 h ν → C 6 H 5 -CH 2 -Cl + HCl

в) гомологов бензола в присутствии катализатора

C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 AlCl 3 → (смесь орта, пара производных) +HCl

2. Нитрование (с азотной кислотой)

C 6 H 6 + HO-NO 2 t, H2SO4 →C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O

нитробензол - запах миндаля !

C 6 H 5 -CH 3 + 3HO-NO 2 t, H2SO4 → С H 3 -C 6 H 2 (NO 2) 3 + 3H 2 O

2,4,6-тринитротолуол (тол, тротил)

Применение бензола и его гомологов

Бензол C 6 H 6 – хороший растворитель. Бензол в качестве добавки улучшает качество моторного топлива. Служит сырьем для получения многих ароматических органических соединений – нитробензола C 6 H 5 NO 2 (растворитель, из него получают анилин), хлорбензола C 6 H 5 Cl, фенола C 6 H 5 OH, стирола и т.д.

Толуол C 6 H 5 –CH 3 – растворитель, используется при производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ (тротил (тол), или 2,4,6-тринитротолуол ТНТ).

Ксилолы C 6 H 4 (CH 3) 2 . Технический ксилол – смесь трех изомеров (орто -, мета - и пара -ксилолов) – применяется в качестве растворителя и исходного продукта для синтеза многих органических соединений.

Изопропилбензол C 6 H 5 –CH(CH 3) 2 служит для получения фенола и ацетона.

Хлорпроизводные бензола используют для защиты растений. Так, продукт замещения в бензоле атомов Н атомами хлора – гексахлорбензол С 6 Сl 6 – фунгицид; его применяют для сухого протравливания семян пшеницы и ржи против твердой головни. Продукт присоединения хлора к бензолу – гексахлорциклогексан (гексахлоран) С 6 Н 6 Сl 6 – инсектицид; его используют для борьбы с вредными насекомыми. Упомянутые вещества относятся к пестицидам – химическим средствам борьбы с микроорганизмами, растениями и животными.

Стирол C 6 H 5 – CH = CH 2 очень легко полимеризуется, образуя полистирол, а сополимеризуясь с бутадиеном – бутадиенстирольные каучуки.

ВИДЕО-ОПЫТЫ