Методические материалы по органической химии. Практикум Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза
 Скачать 3.05 Mb.
|
Вопросы по методике синтеза. Почему нельзя добавлять сразу весь сульфат натрия вводу. От какой примеси отделяют N-(3,4-дифторфенил)-2-(гидроксимино)- ацетамида при перекристаллизации из воды. Почему требуется постепенное добавление реагента в серную кислоту на второй стадии. Почему для промывки конечного продукта используют ледяную воду. Синтез 6,7-дифтор-2-метилхинолин- 4-карбоновой кислоты Схема синтеза Разделы курса Бензоаннелированные производные пятичленных гетероароматических соединений, бензоаннелированные производные шестичленных гетероароматических соединений. Вопросы по теории. Механизм реакции изатина с карбонильными соединениями в щелочной среде. Различие в реакционной способности двух карбонильных групп в изатине. Электрофильное замещение, протекающее по бензокольцу изатина. Алкилирование по атому азота в присутствии основания. Методы работы проведение реакции при нагревании, нейтрализация. Методика синтеза Исходные соединения 5,6-Дифторизатин 2,25 г Гидроксид калия г Ацетон 18 мл К 2,25 г (12,3 ммоль) дифторизатина добавляют раствор 5,5 г (98 ммоль) гидроксида калия в 11 мл воды, перемешивают при температуре 25 Св течение мин, после чего смесь приобретает зеленый цвет и загустевает. К содержимому колбы добавляют 18 мл ацетона и нагревают 6 ч при температуре С. После охлаждения реакционной массы проводят нейтрализацию до рН 5—6 добавлением 10 й соляной кислоты, выпавший осадок отфильт- ровывают. Вопросы по методике синтеза. Почему нельзя допускать превышения установленной температуры при взаимодействии дифторизатина с гидроксидом калия. Техника безопасности при работе со щелочью. Синтез 2,3-диметилиндола Схема синтеза H 2 HCl – NH 4 Cl H 3 C O CH 3 CH 3 COOH Разделы курса Бензоаннелированные производные пятичленных гетероароматических соединений. Вопросы по теории. Механизм реакции Фишера, зависимость структуры продукта от природы исходных арилгидразина и кетона. Реакции электрофильного замещения в индоле. Другие методы построения индольного кольца. Механизм образования гидразона при кислотном катализе. Биологически важные соединения индольного ряда. Методы работы проведение реакции при нагревании, экстракция, сушка жидкости, перегонка низкокипящих жидкостей. Методика синтеза Исходные соединения Метилэтилкетон 4,5 г Фенилгидразин солянокислый г Ледяная уксусная кислота мл я соляная кислота мл Диэтиловый эфир мл й раствор гидроксида натрия 40 мл В двугорлую колбу с обратным холодильником и термометром помещают г метилэтилкетона, 25 мл ледяной уксусной кислоты и 7,5 г солянокислого фенилгидразина и нагревают до 90 С. Через 15—20 мин смесь разогревается сама и вскипает. После того как самопроизвольное вскипание прекращается, нагревают еще 30 мин при 90 С. Смесь охлаждают, выливают на лед (75 г, отфильтровывают, осадок промывают на фильтре 125 мл воды, растворяют в 75 мл эфира. Эфирный раствор промывают 20 мл й соляной кислотой, двумя порциями по 20 мл 5 го гидроксида натрия и двумя порциями воды по 20 мл. Эфирный экстракт высушивают безводным сульфатом натрия, эфир отгоняют. Вопросы по методике синтеза. На какой стадии синтеза продукт отделяют от образовавшегося хлорида аммония. Техника безопасности при отгонке диэтилового эфира. Для чего используют промывку раствором соляной кислоты, затем раствором гидроксида натрия 79 7.6. Синтез индола Схема синтеза+ HO H – H 2 O K, Разделы курса Бензоаннелированные производные пятичленных гетероароматических соединений. Вопросы по теории. Строение индола. Механизм циклизации формил-о-толуидина в присутствии сильного основания. Методы синтеза индола синтез Рейсерта и Лемгрубера—Бачо. Методы работы проведение реакции в инертной среде, перегонка низкокипящих жидкостей, перегонка при пониженном давлении. Методика синтеза Исходные соединения t-Бутанол 60 мл N-Формил-о-толуидин 6,8 г Металлический калий г Трехгорлую круглодонную колбу емкостью 0,5 л снабжают обратным холодильником и стеклянной трубкой для ввода газа, которую присоединяют к баллону с азотом. Третье горло колбы закрыто пробкой. Верхнюю часть холодильника соединяют с ловушкой, которая состоит из двух колб для отсасывания емкостью по 50 мл, соединенных последовательно. Первая колба пуста, вторая содержит 10 мл парафинового масла, причем вводная трубка в этой колбе оканчивается несколько ниже поверхности масла. В реакционную колбу помещают бутиловый спирт (60 мл) и вытесняют из нее воздух сухим азотом. Затем к спирту прибавляют по частям металлический калий (2,9 г. Смесь нагревают на водяной бане до тех пор, пока не растворится весь калий, после чего прибавляют N-формил-о-толуидин (6,8 г) и переводят его в раствор. Обратный холодильник меняют на обращенный вниз, в качестве приемника применяют колбу для отсасывания. Приемник предохраняют от доступа воздуха, соединяя его с ловушкой, которая применялась вначале процесса. Реакционную колбу погружают в металлическую баню и избыток спирта отгоняют. Остаток нагревают около мин до 350—360 С (при этом выделяются горючие газы, затем ему дают охладиться в токе азота. Остаток разлагают, прибавляя к нему 30 мл воды и смесь перегоняют с водяным паром, чтобы отделить индол. Дистиллят экстрагируют последовательно 30 и 10 мл эфира и соединенные вместе эфирные вытяжки взбалтывают с холодным разбавленным раствором 5 й соляной кислоты для удаления остатков о-толуидина. Эфирные вытяжки промывают 10 мл воды, затем 10 мл 5 го раствора соды и сушат над 2 г сернокислого натрия. Эфир отгоняют и остаток перегоняют в вакууме. Индол переходит при 142—144 С (27 мм рт. ст) (128 С (10 мм рт. ст С (5 мм рт. ст) в виде бледно-желтого масла, которое затвердевает, а затем плавится при 52—53 С. Затвердевший индол перекристаллизовы- вают из смеси 10 мл петролейного и 1 мл диэтилового эфиров. Вопросы по методике синтеза. Каким образом вводят газ в органическую реакцию. Как проводят перегонку при пониженном давлении. Как выбирают экстрагент. Техника безопасности при работе с диэтиловым эфиром. Сущность метода перекристаллизации, правила проведения, выбор растворителя для перекристаллизации. Синтез 3,5-диметилпиразола Схема синтеза H 2 -N H 2 Разделы курса. Азолы. Вопросы по теории. Строение амфотерных гетероциклов. Методы получения пиразола и имидазола, оксазола и изоксазола. Применение дикарбонильных соединений в синтезе пятичленных гетероциклов. Реакции электрофильного замещения в пиразоле, имидазоле, оксазоле, изоксазоле. Взаимодействие пиразола, имидазола и других пятичленных гетероциклов с алкилирующими агентами. Методы работы проведение реакции при охлаждении, экстракция, отгонка низкокипящих жидкостей Методика синтеза Исходные соединения Сернокислый гидразин 6,5 г й раствор NaOH 40 мл Ацетилацетон 5 г Диэтиловый эфир мл В трехгорлой литровой колбе, снабженной капельной воронкой, термометром и мешалкой (не допускать герметичности прибора, готовят раствор сернокислого гидразина (6,5 г) в 40 мл 10 го раствора NaOH и, помещая колбу в баню со льдом, охлаждают его до 15 С. Поддерживая эту температуру, к раствору в течение 30 мин прибавляют по каплям ацетилацетон (5 г), после чего смесь перемешивают при 15 С еще 1 ч. Затем прибавляют мл воды для растворения осадка неорганических солей и переносят влит- ровую делительную воронку, экстрагируя образовавшийся пиразол один раз 13 мл эфира, а затем еще четыре раза порциями по 5 мл. Эфирные вытяжки объединяют, промывают насыщенным раствором NaCl и сушат безводным поташом. После отгонки эфира получают 3,5-диметилпиразол в виде белых или слегка желтоватых кристаллов. Вопросы по методике синтеза. Прибор для органического синтеза, работа с капельной воронкой. С какой целью перед выделением 3,5-диметилпиразола в реакционную массу добавляют воду. Как проводится экстракция 3,5-диметилпиразола? 4. Какой осушитель применяют для 3,5-диметилпиразола? 5. Как провести отгонку эфира. Синтез диэтилового эфира 2,6-диметил- 4-фенилпиридин-2,6-дикарбоновой кислоты Схема синтеза Разделы курса Шестичленные гетероароматические соединения с одним гетероатомом. Вопросы по теории. Строение дефицитных гетероциклов. Химические свойства пиридина, EtOH N H Ph COOEt CH 3 EtOOC H 3 C HNO 3 N Ph COOEt CH 3 EtOOC H 3 C Ph O H 82 3. Синтез пиридина по Ганчу: механизм, зависимость строения пиридина от природы исходных реагентов. Влияние природы и положения заместителей на основность пиридина. Методы работы проведение реакции при нагревании, фильтрация, экстракция, перегонка низкокипящих жидкостей. Методика синтеза Исходные соединения Бензальдегид 2,12 г Этиловый эфир ацетоуксусной кислоты г Водный раствор аммиака (25 %) 1,7 мл Азотная кислота мл Этиловый спирт мл Диэтиловый эфир мл Стадия 1. В колбу последовательно помещают 25 мл этилового спирта г бензальдегида, 5,21 г этилового эфира ацетоуксусной кислоты и при легком ручном перемешивании прикапывают 1,7 мл 25 го раствора аммиака. Колбу закрывают обратным холодильником и кипятят в течение ч. Затем содержимое колбы охлаждают и переносят в стакан со 100 мл ледяной воды. Полученную суспензию оставляют в холодильнике на 30 мин, после чего выпавший осадок отфильтровывают и сушат в сушильном шкафу при 35 Св течение ночи. Высушенный продукт взвешивают и рассчитывают выход. Стадия 2. ВНИМАНИЕ ДАННЫЙ СИНТЕЗ ПРОВОДЯТ ПОД ТЯГОЙ! ВЫДЕЛЯЮТСЯ НИТРОЗНЫЕ ГАЗЫ Полученный дигидропиридин переносят в колбу, содержащую 40 мл 20 го раствора азотной кислоты, и кипятят с обратным холодильником в течение 1 ч. Затем раствор охлаждают и нейтрализуют добавлением твердого карбоната натрия до прекращения выделения углекислого газа. Продукт трижды экстрагируют диэтиловым эфиром по 20 мл. Объединенные фракции сушат сульфатом натрия (5 г, отгоняют эфир. Остаток растворяют в 5 мл спирта, после чего высаживают 5 мл воды и отфильтровывают. Продукт сушат в сушильном шкафу при 35 Св течение 8 ч и определяют выход. Вопросы по методике синтеза. Техника безопасности при работе с раствором аммиака и азотной кислотой. Почему для нейтрализации на последней стадии нельзя использовать раствор щелочи. Особенности проведения экстракции диэтиловым эфиром 83 7.9. Синтез хиноксалина Схема синтеза NH 2 NH 2 N N H O O H NaHSO 3 Разделы курса Шестичленные гетероциклы с двумя и более гетеро- атомами. Вопросы по теории. Строение пиридазина, пиримидина, пиразина и их бензоаннелирован- ных производных. Методы получения циннолина, хиназолина и хиноксалина. 3. Химические свойства хиноксалина и его изомеров (циннолина, хина- золина). 4. Применение производных хиноксалина. Методы работы проведение реакции при нагревании, экстракция, сушка жидкости, отгонка низкокипящей жидкости. Методика синтеза Исходные соединения Глиоксаль (30 й водный раствор мл Гидросульфит натрия г о-Фенилендиамин 10,8 г Карбонат натрия г Диэтиловый эфир мл Для получения аддукта глиоксаля с гидросульфитом натрия 30 й водный раствор глиоксаля (18 мл) прибавляют к раствору гидросульфита натрия (20,9 г) в 100 мл воды. Смесь нагревают до 70 С, после чего ее приливают к раствору о-фенилендиамина (10,8 г) в 150 мл горячей воды, выдерживают 15 мин, охлаждают до комнатной температуры и подщелачивают раствором карбоната натрия (45 г в 100 мл воды. Продукт реакции экстрагируют эфиром (3 50 мл. Объединенные эфирные вытяжки сушат сульфатом магния и после отгонки эфира остаток (он иногда закристалли- зовывается) перегоняют в вакууме. Хиноксалин гонится в виде почти бесцветной жидкости с Т кип 109—111 С (12 мм рт. ст, которая затвердевает при охлаждении с образованием напоминающих лед кристаллов. Вопросы по методике синтеза. Чем подщелачивают реакционную смесь перед экстракцией. Как проводят экстракцию хиноксалина? 84 3. Какой осушитель используют для эфирного экстракта хиноксалина? 4. Как проводят отгонку экстрагента. Как перегоняют хиноксалин при пониженном давлении. Синтез пиразин-2,3-дикарбоновой кислоты Схема синтеза N N N N HOOC HOOC KMnO 4 Разделы курса. Шестичленные гетероциклы с двумя и более гетеро- атомами. Вопросы по теории. Методы получения пиразина. Реакции нуклеофильного замещения в пиразине. Окисление хинолина, хиноксалина и других бензоаннелированных ге- тероциклов. Методы работы окисление, фильтрация, перекристаллизация. Методика синтеза Исходные соединения Хиноксалин 7,25 г Перманганат калия г (конц мл В трехгорлой круглодонной литровой колбе, снабженной мешалкой, капельной воронкой и обратным холодильником, суспендируют хиноксалин (7,25 г) в 200 мл воды. Суспензию нагревают до 90 Си при хорошем перемешивании прикапывают теплый раствор перманганата калия (52,5 г) в 450 мл воды. Скорость добавления перманганата регулируют таким образом, чтобы смесь все время кипела. После прибавления окислителя, на что требуется около 45 мин, смесь перемешивают еще 15 мин, затем слегка охлаждают и фильтруют через воронку Бюхнера. Двуокись марганца на фильтре тщательно промывают горячей водой (100 мл, объединенные водные фильтраты упаривают до объема 150 мл (при выпаривании фильтрата удобно пользоваться ротационным испарителем. Раствор осторожно подкисляют (при подкислении выделяется много углекислого газа и происходит значительное вспенивание) концентрированной НС (27,5 мл) и упаривают досуха. Остаток растирают и оставляют на ночь сушиться на воздухе. Для отделения неорганических примесей полученный продукт кипятят мин в колбе с обратным холодильником со 100 мл ацетона и 8 мл воды Охлаждают до комнатной температуры, фильтруют, осадок на фильтре промывают ацетоном (25 мл. Объединенные фильтраты досуха выпаривают, получая сырой продукт в виде коричневой массы. Пиразин-2,3-дикарбоновую кислоту очищают перекристаллизацией из воды (1,5 мл наг технического продукта) с применением активированного угля. Получают светло-коричневые кристаллы, которые сушат несколько часов при 110 °С. Вопросы по методике синтеза. Как отделяют продукт от неорганических примесей. Типы мешалок, прибор для органического синтеза с мешалкой. Как провести экстракцию пиразин-2,3-дикарбоновой кислоты из реакционной смеси. Техника безопасности при работе с перманганатом калия. Как провести перекристаллизацию пиразин-2,3-дикарбоновой кислоты. Синтез 2-бромпиридина Схема синтеза, Разделы курса. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Вопросы по теории. Реакции нуклеофильного замещения в пиридине. Диазотирование гетероароматических аминов. Какие меры предпринимают, чтобы свести к минимуму конкурирующую реакцию гидролиза катиона пиридил-2-диазония? Методы работы проведение реакции при пониженной температуре, экстракция, отгонка низкокипящих жидкостей. Методика синтеза Исходные соединения 2-Аминопиридин 15 г Бромистоводородная кислота (48 я мл Бром 24 мл Нитрит натрия г г В трехгорлую полулитровую колбу, снабженную мешалкой, капельной воронкой и термометром, помещают 79 мл 48 й бромистоводородной кислоты. Колбу охлаждают на бане со льдом и солью до 10 Си в течение мин прибавляют кее содержимому 2-аминопиридин (15 г. Затем, поддерживая температуру ниже 0 С, прикапывают 24 мл брома (при прибавлении первой половины брома реакционная смесь густеет в результате образования желто-оранжевого пербромида; первую половину брома прибавляют в течение 20 мин, вторую — в течение 10 мин. После этого в течение ч при той же температуре прибавляют раствор нитрита натрия (27,5 г) в 40 мл воды. По окончании добавления нитрита натрия содержимое колбы перемешивают еще 30 мин, затем прибавляют к нему раствор 60 г (1,5 моль в 60 мл воды с такой скоростью, чтобы температура не поднималась выше 20—25 С (при прибавлении щелочи окраска смеси темнеет, затем становится светло-желтой). Почти бесцветную реакционную массу экстрагируют тремя порциями эфира по 30 мл. Вытяжку сушат 1 ч над 10 г твердого КОН, эфир отгоняют и продукт реакции перегоняют в вакууме, применяя елочный дефлегматор высотой 15 см. Вопросы по методике синтеза. Техника безопасности при работе с нитритом натрия и бромом. Как добавляют бром к реакционной массе. Как проводят экстракцию 2-бромпиридина? 4. Как осуществляют сушку 2-бромпиридина? 5. Как проводят перегонку продукта под вакуумом с применением елочного дефлегматора. Синтез мезо-тетрафенилпорфирина Схема синтеза 4 Разделы курса. Пятичленные гетероароматические соединения с одним гетероатомом. Вопросы по теории. Конденсация пиррола с альдегидами. Фенилпорфиногены и полипиррилметаны. 3. Ароматические свойства порфиринов и методы их получения Методы работы синтез в инертной среде, колоночная хроматография. Методика синтеза Исходные соединения Бензальдегид 1,53 мл Пиррол 1,04 мл Хлоранил 2,77 г М раствора эфирата трехфтористого бора 0,4 мл В двухлитровую трехгорлую колбу, снабженную обратным холодильником и трубкой для подвода газа, помещают 1 л дихлорметана (промышленный дихлорметан следует предварительно очистить для этого его последовательно промывают 10 й серной кислотой, 10 й щелочью, водой, сушат поташом и перегоняют, собирая фракцию с Т кип 39,8—40,1 С. Колбу в течение 10 мин продувают азотом, затем вносят 1,53 мл бензальдегида и 1,04 мл пиррола. Смесь перемешивают 10 мин магнитной мешалкой, пропуская через нее слабый ток азота, после чего прибавляют 0,4 мл (0,001 моль М раствора эфирата трехфтористого бора в дихлорметане (для приготовления раствора эфирата трехфтористого бора такой концентрации 1,23 мл свежеперегнанного BF 3 Et 2 O (Т кип 125—126 С) разбавляют дихлорметаном до объема 4 мл. Окраска смеси сразу становится розовой и вскоре углубляется до красно-фиолетовой. Реакционную колбу закрывают от комнатного света плотной тканью и перемешивают при комнатной температуре 1 ч, продолжая пропускать азот. После этого в один прием прибавляют хлоранил (2,77 г) и нагревают смесь 1 ч на водяной бане (температура воды в бане С) без перемешивания, нос затемнением и пропусканием азота. Затем реакционную смесь упаривают на ротационном испарителе до объема 50 мл и остаток выливают в фарфоровую чашку на тщательно перемешанную смесь 10 г силикагеля (40/100 меш) и 2,5 г ВаСО 3 (тонко измельченный порошок). Полученную пасту оставляют на ночь сушиться на воздухе. После высушивания она представляет собой темно-серый порошок. Его помещают наверх хроматографической колонки, заполненной смесью, состоящей из 90 % силикагеля (40/100 меш) и 10 % тонкоизмельченного карбоната бария (толщина колонки 2,8 см, высота слоя наполнителя 40 см. Колонку элюируют смесью дихлорметан-гексан (3 : 1), вымывая всю фиолетовую зону (перед фиолетовой зоной следует собрать и отбросить небольшой (20 мл) бесцветный предгон). После полного вымывания мезо-тетрафенилпорфири- на в хроматографической колонке остаются весьма обширная травянисто- зеленая зона, а также небольшая черно-коричневая зона на старте, на что идет 800 мл элюента. Красно-фиолетовый элюат упаривают до объема 30—40 мл. Выпавшие фиолетовые кристаллы отфильтровывают, промывают гексаном. Выход сырого продукта 1,22 г (52,5 %). Поданным тонкослойной хроматографии (силикагель, петролейный эфир, 1 : 1), полученный продукт (R f 0,29) содержит лишь незначительную примесь с R f Ее можно отделить перекристаллизацией вещества из смеси дихлорметана с метанолом. |