Решение задачи 1115: Получение производных бензола через дезаминирование

Задача 1115. Используя на одной из стадий реакцию дезаминирования, предложите схемы получения из бензола указанных соединений: а) м-бромхлорбензола; б) 1, 3, 5-трибромбензола; в) м-толуидина. Решение: Для решения этой задачи нам потребуется использовать реакцию дезаминирования, которая обычно проводится через образование диазониевых солей. Диазониевые соли являются очень универсальными промежуточными продуктами в органическом синтезе, позволяющими вводить различные заместители в ароматическое кольцо. а) Получение м-бромхлорбензола из бензола. Для получения м-бромхлорбензола нам нужно ввести бром и хлор в мета-положения друг к другу. Это можно сделать, используя направляющие свойства заместителей и реакцию дезаминирования. 1. Нитрование бензола: Бензол нитруется смесью концентрированной азотной и серной кислот с образованием нитробензола. Нитрогруппа является мета-ориентантом. \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \] 2. Бромирование нитробензола: Нитробензол бромируется в присутствии катализатора (например, FeBr₃). Поскольку нитрогруппа является мета-ориентантом, бром вступает в мета-положение. \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3} \text{C}_6\text{H}_4(\text{NO}_2)\text{Br} (\text{м-бромнитробензол}) + \text{HBr} \] 3. Восстановление м-бромнитробензола: м-Бромнитробензол восстанавливается до м-броманилина. Обычно для этого используют железо или олово в кислой среде, а затем обрабатывают щелочью. \[ \text{C}_6\text{H}_4(\text{NO}_2)\text{Br} + 3\text{Fe} + 6\text{HCl} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_4(\text{NH}_2)\text{Br} (\text{м-броманилин}) + 3\text{FeCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \] (или с использованием Sn/HCl) 4. Диазотирование м-броманилина: м-Броманилин обрабатывается нитритом натрия в присутствии соляной кислоты при низкой температуре (0-5 °C) для образования диазониевой соли. \[ \text{C}_6\text{H}_4(\text{NH}_2)\text{Br} + \text{NaNO}_2 + 2\text{HCl} \xrightarrow{0-5^\circ\text{C}} \text{C}_6\text{H}_4(\text{N}_2^+\text{Cl}^-)\text{Br} (\text{м-бромфенилдиазонийхлорид}) + \text{NaCl} + 2\text{H}_2\text{O} \] 5. Замещение диазогруппы на хлор (реакция Зандмейера): Диазониевая соль обрабатывается хлоридом меди(I) в соляной кислоте. Диазогруппа замещается на хлор. \[ \text{C}_6\text{H}_4(\text{N}_2^+\text{Cl}^-)\text{Br} + \text{CuCl} \xrightarrow{\text{HCl}} \text{C}_6\text{H}_4\text{BrCl} (\text{м-бромхлорбензол}) + \text{N}_2 + \text{CuCl}_2 \] Схема реакций: Бензол \(\xrightarrow{\text{HNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4}\) Нитробензол \(\xrightarrow{\text{Br}_2, \text{FeBr}_3}\) м-Бромнитробензол \(\xrightarrow{\text{Fe/HCl}}\) м-Броманилин \(\xrightarrow{\text{NaNO}_2, \text{HCl}}\) м-Бромфенилдиазонийхлорид \(\xrightarrow{\text{CuCl, HCl}}\) м-Бромхлорбензол б) Получение 1, 3, 5-трибромбензола из бензола. Для получения 1, 3, 5-трибромбензола нам нужно ввести три атома брома в мета-положения. Это можно сделать, используя активирующие свойства аминогруппы и реакцию дезаминирования. 1. Нитрование бензола: Бензол нитруется с образованием нитробензола. \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \] 2. Восстановление нитробензола: Нитробензол восстанавливается до анилина. \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + 3\text{Fe} + 6\text{HCl} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 (\text{анилин}) + 3\text{FeCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \] 3. Бромирование анилина: Аминогруппа является сильным орто-пара-ориентантом и сильно активирует бензольное кольцо. При бромировании анилина бромной водой происходит замещение во все орто- и пара-положения, если они свободны. В данном случае образуется 2, 4, 6-триброманилин. \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 + 3\text{Br}_2 \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{C}_6\text{H}_2(\text{NH}_2)\text{Br}_3 (\text{2,4,6-триброманилин}) + 3\text{HBr} \] 4. Диазотирование 2, 4, 6-триброманилина: 2, 4, 6-Триброманилин обрабатывается нитритом натрия в присутствии соляной кислоты при низкой температуре для образования диазониевой соли. \[ \text{C}_6\text{H}_2(\text{NH}_2)\text{Br}_3 + \text{NaNO}_2 + 2\text{HCl} \xrightarrow{0-5^\circ\text{C}} \text{C}_6\text{H}_2(\text{N}_2^+\text{Cl}^-)\text{Br}_3 (\text{2,4,6-трибромфенилдиазонийхлорид}) + \text{NaCl} + 2\text{H}_2\text{O} \] 5. Дезаминирование (замещение диазогруппы на водород): Диазониевая соль обрабатывается восстановителем, например, фосфорноватистой кислотой (H₃PO₂) или этанолом, для замещения диазогруппы на водород. Это приводит к образованию 1, 3, 5-трибромбензола. \[ \text{C}_6\text{H}_2(\text{N}_2^+\text{Cl}^-)\text{Br}_3 + \text{H}_3\text{PO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_3\text{Br}_3 (\text{1,3,5-трибромбензол}) + \text{N}_2 + \text{H}_3\text{PO}_3 + \text{HCl} \] Схема реакций: Бензол \(\xrightarrow{\text{HNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4}\) Нитробензол \(\xrightarrow{\text{Fe/HCl}}\) Анилин \(\xrightarrow{3\text{Br}_2, \text{H}_2\text{O}}\) 2,4,6-Триброманилин \(\xrightarrow{\text{NaNO}_2, \text{HCl}}\) 2,4,6-Трибромфенилдиазонийхлорид \(\xrightarrow{\text{H}_3\text{PO}_2}\) 1,3,5-Трибромбензол в) Получение м-толуидина из бензола. Для получения м-толуидина (м-метиланилина) нам нужно ввести метильную и аминогруппу в мета-положения. 1. Нитрование бензола: Бензол нитруется с образованием нитробензола. \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \] 2. Восстановление нитробензола: Нитробензол восстанавливается до анилина. \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + 3\text{Fe} + 6\text{HCl} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 (\text{анилин}) + 3\text{FeCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \] 3. Ацилирование анилина: Анилин ацилируется уксусным ангидридом или хлоридом ацетила для защиты аминогруппы и уменьшения её активирующего действия. Это предотвращает полизамещение и образование продуктов окисления. Образуется ацетанилид. \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 + (\text{CH}_3\text{CO})_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NHCOCH}_3 (\text{ацетанилид}) + \text{CH}_3\text{COOH} \] 4. Нитрование ацетанилида: Ацетамидная группа (-NHCOCH₃) является орто-пара-ориентантом, но менее сильным, чем аминогруппа. При нитровании ацетанилида образуется смесь орто- и пара-нитроацетанилидов. Пара-изомер обычно преобладает. \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{NHCOCH}_3 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{п-C}_6\text{H}_4(\text{NHCOCH}_3)\text{NO}_2 + \text{о-C}_6\text{H}_4(\text{NHCOCH}_3)\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \] Нам нужен мета-изомер, поэтому этот путь не подходит для прямого получения м-толуидина. Давайте пересмотрим стратегию для м-толуидина. Нам нужно ввести метильную группу в мета-положение к аминогруппе. Альтернативный путь для м-толуидина: 1. Ацилирование бензола (реакция Фриделя-Крафтса): Бензол ацилируется хлоридом ацетила в присутствии AlCl₃ с образованием ацетофенона. \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_3\text{COCl} \xrightarrow{\text{AlCl}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{COCH}_3 (\text{ацетофенон}) + \text{HCl} \] 2. Нитрование ацетофенона: Карбонильная группа (-COCH₃) является мета-ориентантом. Нитрование ацетофенона приводит к образованию м-нитроацетофенона. \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{COCH}_3 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{м-C}_6\text{H}_4(\text{COCH}_3)\text{NO}_2 (\text{м-нитроацетофенон}) + \text{H}_2\text{O} \] 3. Восстановление карбонильной группы до метильной (восстановление Клемменсена или Вольфа-Кижнера): м-Нитроацетофенон восстанавливается до м-нитротолуола. Восстановление Клемменсена: \[ \text{м-C}_6\text{H}_4(\text{COCH}_3)\text{NO}_2 \xrightarrow{\text{Zn(Hg), HCl}} \text{м-C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)\text{NO}_2 (\text{м-нитротолуол}) \] или Восстановление Вольфа-Кижнера: \[ \text{м-C}_6\text{H}_4(\text{COCH}_3)\text{NO}_2 \xrightarrow{\text{N}_2\text{H}_4, \text{KOH, диэтиленгликоль}} \text{м-C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)\text{NO}_2 (\text{м-нитротолуол}) \] 4. Восстановление нитрогруппы: м-Нитротолуол восстанавливается до м-толуидина. \[ \text{м-C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)\text{NO}_2 + 3\text{Fe} + 6\text{HCl} \rightarrow \text{м-C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)\text{NH}_2 (\text{м-толуидин}) + 3\text{FeCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \] В этом пути реакция дезаминирования не используется. Задача требует использования реакции дезаминирования на одной из стадий. Давайте попробуем другой подход, который включает дезаминирование. Новый подход для в) м-толуидина с использованием дезаминирования: 1. Нитрование бензола: \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \] 2. Восстановление нитробензола: \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + 3\text{Fe} + 6\text{HCl} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 (\text{анилин}) + 3\text{FeCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \] 3. Ацилирование анилина: \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 + (\text{CH}_3\text{CO})_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{NHCOCH}_3 (\text{ацетанилид}) + \text{CH}_3\text{COOH} \] 4. Нитрование ацетанилида: Образуется смесь орто- и пара-нитроацетанилидов. Нам нужен мета-изомер, но ацетамидная группа является орто-пара-ориентантом. Это означает, что прямой нитрование не даст мета-изомера. Давайте подумаем, как получить мета-положение. Мы можем использовать нитрогруппу как мета-ориентант, а затем превратить ее в аминогруппу. Попробуем такой путь: 1. Нитрование бензола: \[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \] 2. Метилирование нитробензола (реакция Фриделя-Крафтса не подходит, так как нитрогруппа дезактивирует кольцо). Введение метильной группы в мета-по