шпоры. Шпоры 1-12. Хим синтез это отрасль химической науки, изучающая способы получения веществ. Цели хим синтеза
 Скачать 0.57 Mb.
|
|
Получение ацетона в промышленности. Ацетон получают несколькими способами: - Метод Удриса-Сергеева или кумольный способ . Он осуществляется в три стадии. На первой стадии бензол алкилируют пропиленом до изопропилбензола (кумола), который затем окисляют кислородом в щелочной среде при 130°C до кумилгидропероксида. В результате гидролиза последнего в кислой среде при 60°C образуются конечные продукты процесса - фенол и ацетон: C6H6 + CH3CH=CH2 --> C6H5CH(CH3)2 C6H5CH(CH3)2 + O2 --> C6H5C(CH3)2OOH 12. Получение анилина в промышленности (по Зинину, Перкину, Бешану). Сравнительная характеристика синтеза анилина в промышленности и лабораторных условиях. В промышленности анилин получают в две стадии. На первой стадии бензол нитруется смесью концентрированной азотной и серной кислот при температуре 50 - 60°C в результате образуется нитробензол. На втором этапе нитробензол гидрируют при температуре 200-300°C в присутствии катализаторов C6H5NO2 + 3 H2 → C6H5NH2 + 2 H2O Впервые окисление нитробензола было произведено с помощью железа: 4 C6H5NO2 + 9 Fe + 4 H2O → 4 C6H5NH2 + 4 Fe3O4 Другим способом получение анилина является восстановление нитросоединений — Реакция Зинина: Особенности реакции Зинина: 1) эта реакция заключается в восстановлении нитробензола и выражается уравнением: С6Н5-NO2 + 6Н → С6Н5-NН2 + 2Н2О; 2) распространенным промышленным способом получения анилина является восстановление нитробензола металлами, например железом (чугунными стружками), в кислой среде; 3) восстановление нитросоединений соответствующего строения – это общий способ получения аминов Производство и применение Изначально анилин получали восстановлением нитробензола молекулярным водородом; практический выход анилина не превышал 15 %. При взаимодействии концентрированной соляной кислоты с железом выделялся атомарный водород, более химически активный по сравнению с молекулярным. Реакция Зинина является более эффективным методом получения анилина. В реакционную массу вливали нитробензол, который восстанавливается до анилина. Производство анилина в промышленном масштабе было организовано в 1866 г. шотландским химиком А. Купером. Анилин получали из очищенного нитробензола по схеме А. Бешана. В 1854 г. французским химиком Антуаном Бешаном была открыта реакция восстановления нитробензола железом в слабокислой среде. Этот метод получения анилина, известный как метод Бешана, оказался простым и доступным. Как промышленный метод получения анилина он существует с 1856 г. Достоинствами этого метода являются высокий выход анилина, отсутствие побочных продуктов, дешевизна восстанавливающего агента и простота технологического оформления процесса. С6Н5NO2 + 3Fe + 4H2O → С6Н5NH2 + 3Fe(OH)2 13. Факторы, определяющие выбор конкретной схемы синтеза: селективность, выход, время, цена, экологичность, токсичность и т.д. Понятие о селективности. Хемоселективность, региоселективность и стереоселективность. Продукто- и субстратоселективность. Факторы, влияющие на селективность химических процессов. Факторы, определяющие технологичность процесса: - число и продолжительность стадий; - селективность и постадийные выходы промежуточных и целевого продуктов; - качество и стабильность при хранении промежуточных и целевого продуктов; - возможность полного химического и технического контроля; - сложность используемого оборудования; - температурный режим и энергоемкость процессов; - количество и возможность переработки отходов; - возможность механизации и автоматизации процессов; - возможность регенерации растворителей и других видов сырья. Экономические факторы: - доступность и стоимость сырья и материалов; - материальный индекс производства; - трудоемкость процессов; - возможная стоимость оборудования и эксплуатационные затраты; - возможность реализации продукции на рынке; - патентная чистота; - возможность патентной защиты и продажи лицензий; - возможность экспорта продукции; - возможный масштаб производства; - источники сырья и вспомогательных материалов; - гарантированный спрос на продукцию; - место строительства. Факторы, определяющие безопасность ( в т.ч. экологическую): - токсичность, взрыво- и пожароопасность используемых веществ, вопросы охраны труда; - состав сточных вод и выбросов в атмосферу, вопросы охраны окружающей среды; - устойчивость и управляемость процессов; - надежность средств регулирования и механизации процессов; - сложность обеспечения безопасности. Для иллюстрации ниже приводится схематическое изображение трех возможных способов синтеза 3,4-  диметиламинобензола (промежуточного продукта в синтезе рибофлавина). Сравнение этих схем даже при неполных данных позволяет предположить, что первый метод должен быть малоэффективным,так как уже на первой стадии выход нужного нитроизомера мал, а, следовательно, потребуется разделение и очистка изомеров. Из оставшихся двух методов, вероятно предпочтителен второй (бромирование о-ксилола и аминирование бромксилола), так как для осуществления третьего метода потребуется синтез дихлорметилового эфира из параформа. Кроме того, использование в третьем методе хлорсульфоновой кислоты и электролитического восстановления на свинцовом катоде нетехнологично. 18. Методы синтеза средних, кислых и основных солей. Влияние гидролиза (совместного гидролиза) на результат синтеза неорганических солей в водном растворе. Методы синтеза двойных, смешанных и комплексных солей. Общие способы синтеза солей. 1.Получение средних солей: 1) металла с неметаллом: 2Na + Cl2 = 2NaCl 2) металла с кислотой: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 3) металла с раствором соли менее активного металла Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu 4) основного оксида с кислотным оксидом: MgO + CO2 = MgCO3 5) основного оксида с кислотой CuO + H2SO4= CuSO4 + H2O 6) основания с кислотным оксидом Ba(OH)2 + CO2 = BaCO3 + H2O 7) основания с кислотой: Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O 8) соли с кислотой: MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + H2O + CO2 BaCl2 + H2SO4 = BaSO4 + 2HCl 9) раствора основания с раствором соли: Ba(OH)2 + Na2SO4 = 2NaOH + BaSO4 10) растворов двух солей 3CaCl2 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6NaCl 2.Получение кислых солей: 1. Взаимодействие кислоты с недостатком основания. KOH + H2SO4 = KHSO4 + H2O 2. Взаимодействие основания с избытком кислотного оксида Ca(OH)2 + 2CO2 = Ca(HCO3)2 3. Взаимодействие средней соли с кислотой Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 = 3Ca(H2PO4)2 3.Получение основных солей: 1. Гидролиз солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой ZnCl2 + H2O = [Zn(OH)]Cl + HCl 2. Добавление (по каплям) небольших количеств щелочей к растворам средних солей металлов AlCl3 + 2NaOH = [Al(OH)2]Cl + 2NaCl 3. Взаимодействие солей слабых кислот со средними солями 2MgCl2 + 2Na2CO3 + H2O = [Mg(OH)]2CO3 + CO2 + 4NaCl 4.Получение комплексных солей: 1. Реакции солей с лигандами: AgCl + 2NH3 = [Ag(NH3)2]Cl FeCl3 + 6KCN] = K3[Fe(CN)6] + 3KCl 5.Получение двойных солей: 1.Совместная кристаллизация двух солей: Cr2(SO4) 3 + K2SO4 + 24H2O = 2[KCr(SO4) 2 • 12H2O[ 19. Механизмы разрыва и образования химической связи (гомолитический, гетеролитический и перициклический). Типы реагентов в органическом синтезе: радикалы, нуклеофилы, электрофилы; карбены и нитрены. Классификация органических реакций. Рацемические и хиральные реагенты. Химическая реакция – превращение одних веществ в другие – процесс, связанный с разрывом одних и образованием других, новых связей. Такой разрыв может происходить путем разделения связывающей пары электронов ковалентной связи. Каждый фрагмент (осколок) молекулы получает по одному электрону от прежней пары – это гомолитическое расщепление (гомолиз1):  Частицы (атомы или группы атомов), имеющие неспаренные электроны, называют радикалами (или свободными радикалами). Разрыв химической связи, при котором оба связывающих электрона переходят к одной из образующихся частиц, – это гетеролитическое расщепление (гетеролиз):  Величины энергий гетеролитического расщепления существенно выше, чем гомолитического (на 100 ккал/моль и больше). При гетеролизе нейтральной молекулы образуются положительный и отрицательный ионы, разделение которых требует больше энергии, чем разделение нейтральных частиц. В газовой фазе расщепление связи обычно происходит гомолитически. В ионизирующих растворителях (вода Н2О, спирты RОН, диметилформамид (СН3)2NСНО,диметилсульфоксид (СН3)2S=О), напротив, предпочтительным оказывается гетеролиз. Классификация реакций по характеру изменения связей (по механизмам) Механизм реакции предполагает детальное постадийное описание химических реакций. При этом устанавливают, какие именно ковалентные связи разрываются, в каком порядке и каким путем. Столь же тщательно описывают образование новых связей в процессе реакции. Рассматривая механизм реакции, прежде всего обращают внимание на способ разрыва ковалентной связи в реагирующей молекуле. Таких способов два – гомолитический и гетеролитический. хемагомолитического и гетеролитического разрывов ковалентной связи Радикальные реакции протекают путем гомолитического (радикального) разрыва ковалентной связи:  Радикальному разрыву подвергаются неполярные или малополярные ковалентные связи (С–С, N–N, С–Н) при высокой температуре или под действием света. Углерод в радикале СН3• имеет 7 внешних электронов (вместо устойчивой октетной оболочки в СН4). Радикалы неустойчивы, они стремятся захватить недостающий электрон (до пары или до октета). Один из способов образования устойчивых продуктов – димеризация (соединение двух радикалов): СН3 • + • СН3 СН3 : СН3, Н • + • НН : Н. 19 продолжение Нуклеофильное присоединение (сначала присоединяется CN–, потом Н+):  Электрофильное присоединение (сначала присоединяется Н+, потом Х–):  Элиминирование при действии нуклеофилов (оснований):  Элиминирование при действии электрофилов (кислот):  перициклические реакции — химические реакции, в которых реорганизация связей происходит CO2ласованно через циклическую последовательность непрерывно связанных атомов, т. е. разрыв и образование связей происходит одновременно в полностью сопряженном циклическом переходном состоянии. К перициклическим реакциям относятся часть реакций цикло-присоединения (см. выше) и некоторые молекулярные перегруппировки, в том числе электроциклические реакции и сигматропные перегруппировки. Радикальные реакции – это, например, реакции хлорирования, бромирования и нитрования алканов:  Ионные реакции протекают с гетеролитическим разрывом связи. При этом промежуточно образуются короткоживущие органические ионы – карбкатионы и карбанионы – с зарядом на атоме углерода. В ионных реакциях связывающая электронная пара не разъединяется, а целиком переходит к одному из атомов, превращая его в анион:  К гетеролитическому разрыву склонны сильно полярные (Н–O, С–О) и легко поляризуемые (С–Вr, С–I) связи. Различают нуклеофильные реакции (нуклеофил – ищущий ядро, место с недостатком электронов) и электрофильные реакции (электрофил – ищущий электроны). Утверждение, что та или иная реакция является нуклеофильной или электрофильной, условно всегда относится к реагенту. Реагент – участвующее в реакции вещество с более простой структурой. Субстрат – исходное вещество с более сложной структурой. Уходящая группа – это замещаемый ион, который был связан с углеродом. Продукт реакции – новое углеродсодержащее вещество (записывается в правой части уравнения реакции). К нуклеофильным реагентам (нуклеофилам) относят отрицательно заряженные ионы, соединения с неподеленными парами электронов, соединения с двойными углерод-углеродными связями. К электрофильным реагентам (электрофилам) относят положительно заряженные ионы, соединения с незаполненными электронными оболочками (АlCl3, ВF3, FeCl3), cоединения с карбонильными группами, галогены. Электрофилы – любые атом, молекула или ион, способные присоединить пару электронов в процессе образования новой связи.Движущая сила ионных реакций – взаимодействие противоположно заряженных ионов или фрагментов разных молекул с частичным зарядом (+ и –). Примеры ионных реакций разных типов. Нуклеофильное замещение:  Электрофильное замещение:  22. Понятие о ретроситетическом подходе (Кори). Дизайн и конструирование молекулы органического вещества. Синтоны и ретроны. Принципы расчленения целевых структур на синтоны. Критерии отбора соответствующих синтонам синтетических эквивалентов. Синтоны, в зависимости от их заряда, подразделяют на а-синтоны (синтоны с акцепторным атомом, имеющим положительный заряд), и d-синтоны (синтоны с донорным атомом, заряженным отрицательно). Аналогично, на атомы а- и d-типа подразделяются атомы С в углеродной цепи, имеющей на одном из концов акцепторную группу. Если углеродная цепь представляет собой полностью сопряженную систему, в ней наблюдается альтернирование донорных и акцепторных атомов:  В настоящее время считают [7], что такое же альтернирование акцепторных и донорных центров имеется и в насыщенной углеродной цепи с акцепторным атомом на конце:  Цепь атомов нумеруют, начиная с атома Х, которому приписывают нулевой номер. Синтоны, получающиеся при расчленении такой цепи, могут получить заряды, соответствующие этой "естественной" полярности, например:  или  В этом случае говорят о "естественных", или "логичных" синтонах. Если же заряды синтонов не соответствуют "естественному" альтернированию донорных и акцепторных атомов в углеродной цепи, говорят о синтонах с обращенной полярностью [8], например:   22 продолжение Синтоны и синтетические эквиваленты Трансформации разъединения соответствуют конструктивным реакциям, главным образом реакциям, в результате которых образуется связь углерод-углерод. Связи углерод-углерод или углерод-гетероатом могут образовываться в результате следующих основных типов процессов: 1)электроны для образования связи предоставляются обоими атомами, участвующими в реакции (радикальная реакция), например: 2) электроны для образования связи предоставляются одним из атомов (реакция нуклеофила и электрофила), например:  Операция противоположная конструктивной реакции - трансформация разъединения - может приводить к радикальным или ионным фрагментам, которые называют синтонами (радикальный, электрофильный, нуклеофильный):  Реальные химические соединения, имеющие остов синтона и соответствующим образом поляризованные, называются синтетическими эквивалентами данного синтона. Продукт каждой конструктивной реакции может быть разъединен по образованной связи С-С на синтоны, синтетическими эквивалентами которых являются исходные соединениями реакции. Реакция Манниха:  Синтонам, соответствующим реакции с гетеролитическим механизмом, можно произвольно приписать положительный или отрицательный заряд. Синтон, поляризация которого соответствует поляризации функционализированногополиена типа:  (где W - электроноакцепторная группа, а D - электронодонорная), называют синтоном с нормальной полярностью, синтон с противоположной поляризацией - синтоном с обращенной полярностью. Очевидно, что при реакции синтетических эквивалентов, соответствующих синтонам с нормальной полярностью, могут быть получены лишь молекулы, в которых функциональные группы разделены цепочкой из нечетного числа атомов углерода. Следовательно, при разъединениях (соответствующих реакциям электрофилов и нуклеофилов) для молекул, в которых функциональные группы разделены цепочкой из четного числа атомов углерода, один из получающихся синтонов будет иметь обращенную полярность. Простые правила, позволяющие отдать предпочтение тому или иному разъединению, заключаются в следующем: 1) разъединение должно базироваться на реальном механизме реакции образования соответствующей связи, что подразумевает в частности получение при разъединении: а) синтонов с нормальной полярностью или синтонов с обращенной полярностью (с известным способом обращения), которым могут быть поставлены в соответствие реальные синтетические эквиваленты; б) синтонов, которые соответствуют вероятным реакционным интермедиатам с наибольшей стабильностью. 2) разъединение должно приводить к максимальному упрощению, что может быть достигнуто: а) разъединением у места наибольшего разветвления молекулы б) разъединением, ведущим к синтонам с одинаковым остовом (учет симметрии). В англоязычной литературе для таких (d1, a2, d3) синтонов используют термин "umpoledsynthons" от немецкого "dieUmpolung" - обращение полярности. Так, например, в рассмотренном выше анализе ТМ4синтоны 4a, 5d, 6d и 7a являются естественными (логичными), а синтоны 4a, 5a, 6a и 7d - неестественными (нелогичными).  Конечно, такое подразделение синтонов условно, поскольку реально существуют реагенты, соответствующие "неестественным" (umpoled) синтонам [7-9]. Так, например, синтону 7d (ацил-анион) соответствует литиевая соль дитиана:  Теперь можно сформулировать принципы подхода к планированию синтеза из заданного исходного соединения: 1.Определите положение остова исходного соединения в ТМ. 2.Проведите расчленение связи, которая дает максимальное упрощение структуры. Лучше всего "малым укусом" (smallbite) разбить молекулу на два крупных "осколка". 3.Припишите продуктам расчленения заряды - при этом получатся синтоны. 4.Найдите реагенты, соответствующие этим синтонам. 5.Выберите наилучшую комбинацию синтонов с учетом соответствующих им реагентов. 6.Повторите процедуру до тех пор, пока не найдете способы построения всех интересующих Вас С-С связей. 7.Обратите ретросинтетическую процедуру и напишите схему синтеза. Однако, в своей работе химик-синтетик сталкивается с другой постановкой проблемы: как правило, известна лишь структура молекулы целевого соединения (ТМ). В этом случае задача усложняется - в начале анализа не известно, к каким исходным соединениям мы придем. Ясно лишь, что эти исходные соединения должны быть доступными. В этом случае решение также можно найти с помощью последовательных расчленений ТМ (disconnectionapproach). Именно такой подход является наиболее продуктивным. При этом очень важен правильный выбор расчленений и соответствующих трансформов. В ходе анализа предпочтение следует отдавать таким трансформам, которые дают максимальное упрощение структуры молекулы. Этим мощным упрощающим трансформам соответствуют "мощные реакции" [2] синтеза. Ряд таких реакций приведен в таблице 1. Эти реакции называются мощными, поскольку они в одну стадию приводят к значительному усложнению молекулы. При этом может произойти циклизация, либо существенная реорганизация молекулы. Относительно мало реакционноспособные функциональные группы могут превратиться в высоко реакционноспособные. О подобных мощных реакциях следует всегда помнить при конструировании дерева синтеза. 23. Карбкатионные реакции, приводящие к формированию углеводородного скелета. Понятие о стабильности карбкатионов. Получение карбкатионов из соединений различной природы (алкилгалогениды, алкены и т.д.). КАРБКАТИОНЫ (карбокатионы), орг. катионы с четным числом электронов, строение которых м.б. представлено (по крайней мере, формально) структурой с электронодефицитным атомом углерода.имеющим вакантную орбиталь (С+). Реальный электронный дефицит этого атома (карбкатионного центра) м.б. очень мал из-за взаимод. с окружающими структурными фрагментами (делокализация заряда).карбкатионы подразделяют на: 1) классические ("карбениевые ионы") производные СН3+, которые характеризуются малой степенью взаимод. между карбкатионным центром и структурными фрагментами в b- или более удаленных положениях (напр., соед. ф-лы I), и 2) неклассические ("карбониевые ионы") - обычно производные СН5+ - со значит. степенью такого взаимод., например соед. II.  Термин "карбониевые ионы" ("ионы карбония") используют также для обозначения всех карбкатионыкарбкатионы играют важную роль в орг. химии как интермедиаты мн. гетеролитич. реакций, имеющих теоретич. и прикладное значение (электроф. замещение в ароматич. ряду, электроф. присоединение, нуклеоф. замещение в алифатич. ряду, мол. перегруппировки, катионная полимеризация. каталитич. крекинг и др.). карбкатионы обычно образуются при действии электроф. реагентов, например, протонных кислот, на орг. соединения (как правило, ненасыщенные; ур-ния 1 и 2), при гетеролитич. разрыве связи (3), при разложении диазониевых катионов (4):  В газовой фазе карбкатионы образуются, например, при ионизации электронным пучком в масс-спектрометре. Т. наз. долговечные карбкатионы генерируют обычно протонированием сравнительно слабоосновных орг. соед. в сверхкислых средах (HSO3F-SbF5, HF-SbF5 и др.) при низких температурах. Относит.устойчивость карбкатионы зависит от их строения и изменяется в очень широких пределах, увеличиваясь по мере увеличения степени делокализации заряда. Эффективно делокализуют заряд ненасыщ. фрагменты (двойная связь, ароматич. кольцо и т. п.), заместители с неподеленными парами электронов (OR, NR2 и др.) или содержащие атом переходного металла (ферроценил и др.).карбкатионы - реакционноспособные частицы, они взаимод. с нуклеофилами, присоединяя их (напр., ур-ния 5 и 6) или отщепляя протон (электрофил) (7):  Многие карбкатионы склонны к перегруппировкам (взаимод. с "внутр. нуклеофилом"), протекающим обычно путем 1,2-сдвига карбкатионы-л. мигранта (разрешенная сигматропная реакция согласно правилам Вудворда-Хофмана): Все виды химической продукции! Опт Спирты, соли, сода, аммиак, ацетон. При заказе от 100 тыс. руб. - скидка от 5%! centrsnab-b2bcompany.ru  Разновидность карбкатионы - карбоксоний-катионы; в этих ионах карбкатионный центр обычно непосредственно связан с одной или нескарбкатионы группами OR. Их строение м.б. описано двумя резонансными структурами:  где R - H, Alk, Ar и др. или часть циклич. системы, как, например, в пирилиевых катионах. К карбоксоний-катионам относятся и ацилий-катионы:  |