Учебное пособие: Методы органического синтеза

Электрофильное нитрование. Среди электрофильных нитрующих агентов доминирующее положение занимает HNO₃ . Безводная и конц. HNO₃ способны к самопротонированию: 2HNO₃ [Н₂ NО₃ ]⁺ + NO₃ ^- NО₂ ⁺ + NO^- ₃ + H₂ O. Присутствие воды снижает концентрацию NO⁺ ₂ и в 93 – 95%-ной HNO₃ спектрофотометрически он уже не обнаруживается. Для увеличения нитрующей активности HNO₃ используют ее смеси с H₂ SO₄ или олеумом, к-рые генерируют NO₂ , связывая воду:

В безводной H₂ SO₄ при содержании HNO₃ меньше 10% равновесие полностью сдвинуто вправо. Применяют также комбинации HNO₃ , разложение оксидов азота и органических нитратов с кислотами Льюиса (АlСl₃ , ZnCl₂ , BF₃ и др.); сильным нитрующим действием обладает смесь HNO₃ с (СН₃ СО)₂ О благодаря образованию ацетилнитрата и N₂ O₅ (последний при содержании в смеси более 90% HNO₃ полностью диссоциирует на NO⁺ ₂ и NO^- ₃ ); перспективны также смеси HNO₃ с безводным SO₃ или N₂ O₅ . Вместо HNO₃ можно применять ее соли, однако в промышленности такой метод не используют из-за осложнения процесса регенерации отработанных к-т. В случае слабой взаимной р-римости нитрующего агента и субстрата, а также для уменьшения побочных процессов нитрование проводят в органических р-рителях, например нитрометане, сульфолане, уксусной к-те; полярные р-рители способствуют диссоциации [H₂ NO₃ ]⁺ и тем самым увеличивают концентрацию NO₂ .

В лабораторной практике широко используют апротонные нитрующие агенты (нитраты, соли нитрония, полинитросоед. и др.), активность которых в реакциях электрофильного нитрования увеличивается в ряду: AlkONO₂ < (CH₃ )₂ C(CN) ONO₂ < < RC(N0₂ )₃ RN(N0₂ )₂ < NO₂ F < CH₃ COONO₂ < < N₂ O₅ < NO₂ ⁺ X^- .

Субстратами для электрофильного нитрования служат ароматические и гетероциклические соединения, олефины, относительно сильные СН – кислоты, амины, спирты.

Нитрование ароматического соединения протекает по схеме:

Возможно также образование s‑комплекса, в котором группа NO₂ связана с атомом углерода кольца, несущим заместитель. Соединения с электронодопорными заместителями более реакционноспособны и нитруются в орто- и пара-положения, а с электроноакцепторными – в мета-положение. В промышленности для нитрования ароматических соединений применяют в основном смесь HNO₃ и H₂ SO₄ (выход нитропродуктов ~ 90–95%). Основная побочная р-ция – окисление, приводящее, как правило, к деструкции ароматического кольца. В зависимости от реакционной способности субстрата условия нитрования варьируют в широких пределах – от водной HNO₃ при 0 °С (обязательно присутствие оксидов азота) до дымящей HNO₃ в олеуме при повышенных температурах. При низких температурах с высокой скоростью протекает нитрование ароматических соединений солями нитрония; при этом часто лимитирующая стадия-скорость растворения соли нитрония. Используют также заместительное нитрование – замещение сульфо-, диазо- и др. функциональных групп. Этим приемом пользуются, в частности, в случаях, когда невозможно прямое нитрование. Нитрование олефинов апротонными нитрующими агентами в зависимости от условий и строения реагентов может идти по разным направлениям, включая отщепление Н⁺ , присоединение элементов р-рителя и противоиона, полимеризацию и др., например:

При нитровании олефинов тетранитрометаном в зависимости от строения олефина образуются либо алифатическое полинитро – соединение, либо производные изоксазолидина, например:

Некоторые СН – кислоты при нитровании образуют анионы соответствующих нитросоединений; например, при действии на флуорен этил – нитрата в присутствии С, Н₅ ОК образуется К – соль 9‑нитро-флуорена, примером нитрования карбанионов может служить также превращение солей моно- и динитросоединений соответственно в геминальные ди- и тринитропроизводные при действии FNO₂ . Соединения с активированной метиленовой группой можно нитровать и в кислых условиях; например, при обработке диэтилмалоната HNO₃ образуется нитродиэтилмалонат, нитрование в аналогичных условиях 1,3 – индандиона с последующим щелочным гидролизом образующегося a – нитрокетона – удобный метод синтеза первичных нитроалканов:

Электрофильное нитрование аминов в отличие от нитрования по атому С – обратимый процесс и протекает по схеме:

В промышленности нитрование аминов проводят кислыми нитрующими агентами (конц. HNO₃ или ее смесями с H₂ SO₄ , уксусной к-той или ангидридом). Слабоосновные амины и амиды нитруются с высокими выходами. Высокоосновные амины (первичные и вторичные), протонирующая форма которых не реагирует с NO₂ ⁺ , превращают либо в амиды, которые нитруют и затем снимают защитную ацильную группу щелочным гидролизом, либо в N‑хлорамины; в последнем случае нитрование проводят в присутствии катализаторов (НСl, ZnCl₂ ).

Нитрование третичных аминов конц. HNO₃ или ее смесью с уксусным ангидридом сопровождается разрывом связи С– N (такой тип нитрирования называется нитролизом). Эту реакцию широко используют в промышленности, например для получения гексагена и октогена из уротропина. Жирно – ароматические амины типа ArNHR часто нитруются в ядро, что происходит в результате непосредственного нитрования по атому С или перегруппировки N‑нитропроизводного; при этом группа NO₂ вступает в ортo – положение к аминной функции. В ряде случаев нитрования по атому N проводят через стадию образования соли. Для этого амин обрабатывают разб. HNO₃ и на образовавшийся нитрат действуют конц. HNO₃ или уксусным ангидридом:

В лабораторных условиях заместительное нитрование ацетамидов, сульфамидов, уретанов, имидов или их солей проводят в апротонной среде апротонными нитрующими агентами, например солями нитрония:

Из первичных аминов можно синтезировать N, N‑дини-троамины, которые, в свою очередь, являются нитрующими агентами.

Спирты нитруют любыми нитрующими агентами, содержащими NO⁺ ₂ (в кислых средах р-ция обратима), например: RCH₂ OH + NO₂ ⁺ X^- RCH₂ ONO₂ + НХ.

Нуклеофильное нитрование осуществляют солями HNO₂ :

В реакцию вступают алкилгалогениды, в основном бромиды и иодиды, a‑галогенкарбоновые к-ты и их эфиры, алкилсульфаты. В качестве нитрующих агентов используют нитриты щелочных металлов в апротонных диполярных р-рителях или проводят нитрование в присутствии краун – эфиров. Побочные продукты реакции – органические нитриты, что связано с двойственной реакционной способностью NO^- ₂ . Реакцию используют для получения алифатических нитросоединений.

Радикальное нитрование. Характерно в основном для парафинов и олефинов. Источником NO^. ₂ служат HNO^. ₃ и оксиды азота. Нитрование парафинов проводят разб. HNO₃ под давлением при повышенной температуре (Коновалова реакция). Р-ция нитрования протекает по схеме:

Наряду с нитрованием идет также процесс окисления, связанный с взаимодействием NO^. ₂ с орг. радикалом по атому кислорода. Наиболее легко протекает нитрование по третичным атомам углерода, трудно – по первичным. В промышленности нитропарафины получают жидкофазным и парофазным нитрованием смеси парафинов. Жидко-фазное нитрование проводят HNO₃ при нормальном или повышенном давлении и температуре выше 180 °С, или оксидами азота при давлении 2–4,5 МПа, 150–220 °С, время контакта ~15 с. В этих условиях линейные углеводороды нитруются быстрее, чем их разветвленные изомеры. Парофазное нитрование (метод Хэсса) осуществляют HNO₃ при давлении 0,7–1,0 МПа, 400–500 °С, время контакта ~ 1 с. Побочные процессы – деструкция углеводородной цепи и окисление. Эти методы используют также для нитрования алифатических боковых цепей жирно – ароматических соединений (р-цию проводят в присутствии катализаторов – О₂ , О₃ , галогенов и др.),

Нитрование непредельных соединений HNO₃ приводит к формальному замещению атома водорода у sp² -гибридизованного атома углерода на группу NO₂ . Условия нитрования зависят от строения непредельных соединений. Обычно применяют 70–80%-ную HNO₃ или разб. HNO₃ в присутствии оксидов азота.