Галоформная реакция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Галоформная реакция

Введение

Тема данной работы носит название: Галоформная реакция. Эта реакция имеет и именное название: реакция Эйнхорна. Общее определение звучит следующим образом:

ГАЛОФОРМНАЯ РЕАКЦИЯ (галоформное расщепление) - расщепление соединений, содержащих ацетильную группу, под действием щелочи и галогена (или гипогалогенита) на карбоновые кислоты, в молекулах которых на один атом С меньше, чем в исходном соединение, и на галоформ (хлороформ, бромоформ или йодоформ), например:

где R = H, Alk, алкенил; Hal = Cl, Br, I.

Эта реакция позволяет синтезировать карбоновые кислоты с хорошим выходом, что подтверждается экспериментальной частью этой работы.

Целью этой работы являлось на практике проиллюстрировать механизм этой реакции. Для этого мной был проведен синтез анисовой кислоты (п-метоксибензойной кислоты).

Задачи работы:

1. Изучить механизм галоформной реакции;

2. Синтезировать п-метоксиацетофенон как основной реагент;

3. На проведении синтеза анисовой кислоты проследить особенности галоформной реакции.

Литературный обзор

Галоформная реакция является одним из видов реакции замещения при б-углеродном атоме карбонильных соединений, а точнее их галогенирования. Поэтому целесообразно будет начать с изучения именно этого процесса.

Галогенирование карбонильных соединений относится к числу наиболее изученных реакций. Галогенирование альдегидов и кетонов осуществляется исключительно в б-положение по отношению к карбонильной группе и не ускоряется на свету.

Галогенирование карбонильных соединений обычно проводят под действием брома, хлора или йода в уксусной кислоте, хлора в соляной кислоте, комплексом брома с диоксаном или ДМФА. Ниже приведены некоторые типичные примеры:

б-Галогенкетоны широко применяются в органическом синтезе в реакциях бимолекулярного нуклеофильного замещения галогена на другие группировки, а также для получения б, в-ненасыщенных кетонов путем дегидрогалогенирования. Так, например, 2-бром-2-метилциклогексанон при обработке пиридином образует 2-мерилциклогексен -2-он в результате обычного Е2-элиминирования.

Галогенирование кетонов катализируется как кислотами, так и основаниями, и скорость галогенирования в присутствии основания намного выше, чем в кислой среде.

При изучении кинетики и механизма галогенирования кетонов было установлено, что скорость кислотно-катализируемой реакции не зависит ни от концентрации, ни от природы галогена. Так, скорость галогенирования ацетона одинакова для бромирования, иодирования, хлорирования и не зависит от концентрации галогена. Аналогичная зависимость была обнаружена и для многих других кетонов. Это означает, что в медленной, определяющей скорость всей реакции стадии из кетона образуется какая-то реакционноспособная частица, которая затем быстро реагирует с галогеном с образованием б-галогензамещенного кетона, и эта стадия не отражается на скорости всей реакции. Дополнительная информация о механизме этой реакции была получена при изучении дейтороводородного обмена и рацемизации оптически активных карбонильных соединений. Дейтероводородный обмен алифатических и циклических кетонов, катализируемый кислотой, наблюдается только для атомов водорода при б-углеродных атомах по отношению к карбонильной группе:

Для одного и того же кетона скорость кислотно-катализируемого галогенирования равна скорости катализируемого кислотой дейтероводородного обмена в идентичных условиях. Как было обнаружено Ингольдом, кислотно-катализируемая рацемизация оптически активного фенил-бутилкетона C₆H₅COC*H(CH₃)-CH₂CH₃ протекает с такой же скоростью, как и кислотно-катализируемое иодирование и дейтороводородный обмен. Аналогичная зависимость имеет место для кислотно-катализируемого галогенирования, изотопного обмена и рацемизации 3-фенил-2-бутанона и других кетонов.

Это означает, что во всех этих реакциях образуется один и тот же интермедиат, и скорость его образования определяет скорость всего процесса галогенирования, изотопного обмена, рацемизации. Для кислотно-катализируемых реакций галогенирования, рацемизации и водородного обмена таким интермедиатом может быть только енол, который имеет плоскость симметрии и поэтому ахирален. Изомеризация енола в кетон приводит к образованию R- или S-энантиомера с равной вероятностью. Изотопный обмен водорода и галогенирование исключительно при б-углеродном атоме также согласуется только с механизмом, предусматривающим образование енола в качестве единственного интермедиата:

Механизм кислотного катализа изомеризации кетона в енол заключается в протонировании карбонильной группы с последующим отщеплением протона от б-углеродного атома оксониевой формы. Эта реакция формально подобна процессам Е1-элиминирования:

Равновесие протонирования кетона сильно смещено влево, т.к карбонильные соединения относятся к очень слабым основаниям. Катион, образующийся при реакции енола с галогеном или катионом дейтерия, стабилизирует отщепление протона из гидроксильной группы с регенерацией карбонильной группы:

Аналогичный ход рассуждений применим и для катализа тех же реакций основанием. Скорость рацемизации, галогенирования и изотопного обмена для фенил-втор- бутилкетона оказывается одинаковой и при катализе гидроксид-ионом. Однако скорость этих реакций, катализируемых основанием, в тысячу раз превышает скорость кислотно-катализируемого процесса. Из этого следует, что интермедиат, образующийся в присутствии основания, должен быть гораздо реакционноспособной частицей по сравнению с ковалентным енолом. Такой частицей может быть только енолят-ион, получающийся в результате отщепления протона от б-углеродного атома карбонильного соединения, как слабой С-Н кислоты:

Плоский, ахиральный енолят-ион равновероятно протонируется или галогенируется по б-углеродному атому с тыла или с фронтальной стороны с образованием рацемической формы кетона или б-галогензамещенного кетона.

В кислой среде, где галогенированию подвергается енольная форма, можно добиться введения в б-положение только одного атома галогена. Галогенкетоны имеют более низкую величину рК? и протонируются труднее, чем исходный кетон. Это понижает скорость енолизации галогензамещенного кетона, что благоприятствует введению только одного атома галогена. В противоположность этому галогенирование енолят-иона в основной среде невозможно остановить на стадии монозамещения. Енолят-ион по крайней мере в тысячу раз реакционноспособнее самого енола. Кроме того, более высокая кислотность б-галогензамещенного кетона предопределяет более высокую скорость депротонирования по сравнению с депротонированием незамещенного кетона. Поэтому все атомы водорода при обоих б-атомах углерода кетона чрезвычайно легко замещаются на галоген. Галогенирование кетонов с участием енолят-инов обычно выполняют в бинарной смеси воды и органического растворителя в присутствии гидроксида натрия или калия, где непрерывно создается стационарная концентрация енолят-иона. В этих условиях метилкетоны первоначально образуют 1,1,1,-тригалогенкетоны, которые затем подвергаются щелочному расщеплению до галоформа и аниона карбоновой кислоты:

Это расщепление носит название галоформной реакции.

На галоформной реакции основан простейший тест на присутствие группы СН₃-С (О) - выпадает светло-желтый осадок при смешивании неизвестного вещества с йодом в щелочном растворе. Метод основан на быстром образовании тригалогенпроизводного по метильной группе и последующей потере довольно устойчивого тригалогенметид-аниона в реакции присоединения-отщепления.

Суммарная реакция выглядит следующим образом:

На этом примере рассмотрим механизм галоформной реакции:

Выпавший желтый осадок является иодоформом (СН₃I), откуда эта реакция и получила свое название иодоформная.

Характерный запах в больницах в прежнее время был обусловлен широким употреблением иодоформа в качестве антисептика. Сейчас в медицине применяют другие бактерицидные препараты, но иодоформ по- прежнему используется в ветеринарии.

Реакция идет также хорошо с бромом и хлором, но, поскольку бромоформ и хлороформ являются жидкостями, в аналитической химии лучше использовать иод.

Образование галоформа служит реакцией не только на метилкетоны, но и позволяет синтезировать из них карбоновые кислоты.

галоформный реакция карбоновый анисовый

Общая схема реакции:

Примеры:

Реакцию проводят при 0-20 °С (реже при 50-70 °С) в воднодиоксановом растворе или в воде при строгом контроле рН. Выходы галоформа и карбоновой кислоты достигают 90%, но уменьшаются, если R в алкилметилкетоне содержит атомы Н, легко замещаемые на галоген, или если реакцию проводят в слишком разбавленных растворах. В последнем случае в качестве побочного продукта может образовываться тетрагалогенид углерода:

Большинство химических реакций не настолько специфичны, что они позволяют определить только одну функциональную группу. Галоформная реакция не является исключением. Галогены окисляют вторичные спирты типа RCH(OH)CH₃ в метилкетоны RC(O)CH₃ , которые, реагируя дальше, дают галоформ. В результате спирты типа RCH(OH)CH₃ реагируют с этим соединением так же, как метилкетоны.

Общая часть

Для проведения галоформной реакции был выбран синтез анисовой (4-метоксибензойной) кислоты.

Для получения этой кислоты используют несколько методик - некоторые из них мы рассмотрим в рамках этой работы.

Способ № 1:

Анисовая кислота -- C₈H₈O₃, или метилпараоксибензойная кислота

образуется при окислении анетола, при чем аллильная группа C₃H₅ превращается в карбоксильную (СOОН); вместе с тем образуется щавелевая кислота и вода по следующему равенству:

С₁₀Н₁₂О + 3,5О₂ = С₈Н₈О₃ + С₂Н₂О₄ + Н₂О

Для получения анисовой кислоты приливают 1 часть анисового масла (или, лучше, анетола, отжатого от жидких порций масла) в нагретый до 50°С раствор 5-ти частей кислого хромовокислого калия в 20 частях воды. Реакция наступает тотчас же и продолжается несколько минут. По охлаждении отфильтровывают выделившуюся анисовую кислоту, промывают ее, растворяют в аммиаке и вновь выделяют из раствора соляной кислотой.

Если не соблюдать при окислении анисового масла вышеприведенных отношений, а взять избыток масла, то реакция не доходит до образования анисовой кислоты, а получается анисовый альдегид

Наилучшие выходы достигаются, если смешать в объемистой колбе раствор 2-х частей кислого хромовокислого калия в 8,5 частях воды с 3-мя частями серной кислоты, смесь охладить и прибавить к ней 1 часть анетола; массу при этом хорошенько взбалтывают, причем она разогревается до 80°С. По окончании реакции прибавляют значительное количество воды и перегоняют все в струе водяного пара, причем альдегид переходит в виде нерастворимого в воде масла; последнее отделяют, взбалтывают с крепким раствором кислого сернистокислого натра, причем получается, как и при прочих альдегидах, кристаллическое соединение, которое прожимают для удаления посторонних примесей и разлагают углекислым натром; при этом альдегид выделяется в виде масла с ароматическим запахом и жгучего вкуса; кипит при 247° -- 248°С; удельный вес его (при 18°С) = 1,1228. Окислители переводят анисовый альдегид в анисовую кислоту. Анисовый альдегид находится в таком же отношении к анисовой кислоте, как обыкновенный альдегид к уксусной. По своим реакциям он схож с бензойным альдегидом, с цианистым калием уплотняется в анизоин C₁₆H₁₆O₄ (соответствующий бензоину); с амальгамой натрия получаются гидроанизоин и изогидроанизоин C₁₆H₁₈O₄ (отвечающие гидробензоинам из бензойного альдегида); с алкогольным едким калием распадается на анисовый спирт и анисовую кислоту, а при нагревании с соляной кислотой до 200°С -- на хлористый метил CH₃Cl и пара-оксибензойный альдегид C₆H₄(OH)COH. Подобно тому, как уксусному альдегиду отвечает обыкновенный винный спирт, анисовому альдегиду соответствует анисовый спирт.

Для получения его растворяют анисовый альдегид в равном объеме спирта и смешивают с тройным объемом спиртового едкого калия, причем все застывает, спустя некоторое время, в кристаллическую массу; спирт удаляют выпариванием на водяной бане, массу обрабатывают водой и извлекают эфиром, при чем анисовый алкоголь растворяется в эфире и после испарения этого последнего остается в виде кристаллической массы, плавящейся при 25°С и кипящей при 258°С; окислители легко переводят спирт в соответственный альдегид и затем в кислоту.

Способ № 2:

В трехгорлой колбе на 500мл, снабженной механической мешалкой, капельной воронкой и термометром (при этом колба должна сообщаться с атмосферой), при сильном перемешивании и охлаждении к раствору 1 моль NaOH в 200мл воды прибавляют по каплям 0,3 моль брома. Температура при этом не должна подниматься выше 10°С. Раствор охлаждают до 0°С и прибавляют по каплям 0,1 моль п-метоксиацетофенона, предварительно растворенного в 100мл диоксана ( температура также не должна превышать 10°С). Затем смесь перемешивают 1ч при комнатной температуре. Образовавшийся бромоформ отделяют в делительной воронке или отгоняют с водяным паром; к щелочному раствору прибавляют 10г пиросульфата натрия в 150 мл воды, а затем подкисляют концентрированной соляной кислотой (выделяется диоксид серы, работать под тягой).

Реакционную смесь обрабатывают следующим способом:

отсасывают выделившуюся кислоту и перекристаллизовывают ее из спирта.

Именно этой методикой я и воспользовалась для получения анисовой кислоты, т.к. исходное вещество - п-метоксиацетофенон можно было синтезировать в лабораторных условиях, а анисовое масло (предлагалось в способе № 1) отсутствовала. А также способ обработки более приемлем, чем в способе №1.

Мною использовался способ №2, как упоминалось выше, но с некоторыми изменениями.

Во-первых, был заранее синтезирован необходимый кетон: п- метоксиацетофенон по следующей методике:

Реакция: Ациллирование по Фределю-Крафцу (механизм данной реакции не рассматривается в рамках этой работы)

Прибор состоит из трехгорлой колбы емкостью 250 мл, снабженной механической мешалкой, капельной воронкой и обратным холодильником (воду можно не подключать). Обратный холодильник соединяется резиновой трубкой с химической воронкой, погруженной в стакан с водой так, чтобы края воронки не доставали до воды 3-5 мл (для поглощения хлорводорода без засасывания воды в колбу).

В колбу помещают 14 г безводного AlCl₃ (дымит на воздухе, вызывает ожоги кожи!) и 60мл сухого четыреххлористого углерода. При сильном перемешивании и охлаждении в бане со льдом медленно добавляют по каплям 8,6г хлористого ацетила(легко летуч, ядовит!), а затем при охлаждении (0-5°С в реакционной смеси) из той же воронки прибавляют 10г анизола. Смесь перемешивают при комнатной температуре до прекращения выделения НСl (30мин-1ч с момента выделения НСl) и выливают (постепенно) в смесь 150мл 2н соляной кислоты и 100г льда. Нижний органический слой отделяют, промывают в делительной воронке 2 раза порциями по 25мл 2н раствором соляной кислоты, раствором Na₂CO₃ и водой. Органический раствор рекомендуется выдержать над осушителем, хотя в некоторых случаях этого не делают, поскольку небольшое количество воды, попавшей в реакционную смесь, может отгоняться в виде азеотропа с CCl₄.

Раствор отфильтровывают от осушителя и отгоняют четыреххлористый углерод на ротационном испарителе. Остаток перегоняют в вакууме (чтобы вещество не закристаллизовалось в холодильнике, рубашку холодильника не заполняют водой).

Во-вторых, загрузки всех веществ были уменьшены примерно в три раза (все изменения связанные с этим смотрите в экспериментальной части).

Итак, суммарная реакция данного эксперимента выглядит следующим образом:

Рассмотрим механизм галоформной реакции на данном примере:

Анисовая кислота трудно растворяется в холодной воде, довольно легко в горячей и из насыщенного горячего раствора выделяется при охлаждении в виде длинных, бесцветных одноклиномерных игл или призм. В спирте она легко растворяется, плавится при 184°,2, не разлагаясь, и кипит при 275° -- 280°.

Известно множество замещенных производных анисовой кислоты, причем на месте водорода в бензольном остатке может стоять хлор, бром, йод, нитрогруппа NO₂ и амидная группа NH₂. Она представляет одноосновную кислоту; ее соли большею частью растворимы и хорошо кристаллизуются, только соли тяжелых металлов трудно или вовсе не растворяются. Константин Зайцев первый указал, что при нагревании с йодистоводородной кислотой анисовая кислота распадается на йодистый метил CH₃I и параоксибензойную кислоту C6H4(ОН)СООН, чем и определил строение анисовой кислоты - при накаливании с окисью бария она дает углекислоту и анизол C6H5ОСН3; при сплавлении с едким калием получается параоксибензойная кислота.

Анисовая кислота обладает антисептическими свойствами. Может использоваться для синтеза других веществ.

В исследовательской органической химии используется в качестве маркера, благодаря легкости идентификации фрагмента анисовой кислоты по ПМР-спектру: отдельностоящий сигнал протонов метоксигруппы при д~4 миллионных долей и "крыши" AB-системы ароматических протонов при д~7.

Экспериментальная часть

Первая стадия: получение п-метоксиацетофенон.

Таблица1.Свойства и расчет количеств исходных веществ:

Теоретический выход продукта: 16.5 г.

Выход по методике: 12г (85%).

Ход работы:

1. Собрала установку: трехгорлая колба емкостью 250 мл, снабженная механической мешалкой, капельной воронкой с противодавлением и обратным холодильником (воду не подключала). Обратный холодильник соединяется трубкой с химической воронкой, погруженной в стакан с водой так, чтобы края воронки не доставали до воды 5 мл (для поглощения хлорводорода без засасывания воды в колбу).

2. В колбу засыпала безводный треххлористый алюминий и залила сухой четыреххлористый углерод (все количества смотреть в таблице1).

3. При сильном перемешивании и охлаждении на бане со льдом медленно добавляла по каплям хлористый ацетил.

4. При охлаждении по каплям (из той же воронки) добавила анизол. При этом наблюдается бурное выделение хлорводорода, а также изменение цвета раствора в колбе: был зеленоватый, стал коричневый.

5.Затем смесь перемешивала в течение 1.5 часа, пока не перестал выделяться хлорводород.

6. После этого в стакан со 100г льда и 150 мл 10%-ой соляной кислотой (предварительно охладила в холодильнике, чтобы не растаял лед) постепенно при перемешивании вылила смесь. Внизу отделился органический слой сиреневого цвета. Оставила на 2 дня.

7. По истечение двух дней нижний органический слой стал желтоватым. К сожалению, в следствие человеческого фактора произошли значительные потери полученного вещества. Поэтому не удалось провести заключительные стадии этого синтеза.

8. Осталась незначительная часть вещества, я попробовала продолжить синтез: органический слой промыла в делительной воронке порциями по 25 мл 10%-ой соляной кислотой, раствором карбоната натрия и водой. В органический раствор добавила 10мл четыреххлористого углерода и осушитель. Оставила на неделю.

9. Отфильтровала раствор от осушителя и отогнала четыреххлористый углерод на ротационном испарителе. Объем остатка был настолько мал, что было решено взять готовый п-метоксиацетофенон для дальнейшего синтеза.

Вторая стадия: получение анисовой (п-метоксибензойной) кислоты.

Таблица2. Свойства и расчет количеств исходных веществ:

Теоретический выход: 4.6г.

Выход по методике (с учетом уменьшения загрузок): 3.5г.

Таблица3. Характеристики продуктов реакции:

Ход работы:

1. Собрала установку: трехгорлая колба емкостью 250 мл, снабженная механической мешалкой, Ч-образной насадкой (капельная воронка и сообщение с атмосферой), термометром.

2. Приготовила раствор гидроксида натрия: 12г в 60мл воды. Залила его в колбу.

3. При охлаждении на ледяной бане и сильном перемешивании стала добавлять по каплям бром (все количества см. в таблице2) - раствор стал оранжевый. При этом температура не превышала 10°С, а точнее 5°С.

4. После этого раствор охладила на ледяной бане до 0°С и стала прибавлять по каплям п-метоксиацетофенон (температура не превышала 10°С.). При этом раствор постепенно менял цвет оранжевый - смесь желтого и белого-белый.

Т.к п-метоксиацетофенон был твердым, я предварительно растворила его в 30 мл диоксана - раствор получился желтоватого оттенка.

5. Эту смесь перемешивала в течение 75 минут при комнатной температуре.

6. После этого семь перенесла в делительную воронку, немного взболтала - сразу же отделился бромоформ - 7 мл. Но в растворе желтого цвета образовались белые хлопья неизвестного происхождения. Попыталась от них избавиться путем высаливания - никаких результатов. Поэтому было решено просто их отфильтровать.

7. Раствор оставила не неделю.

8. К щелочному раствору (предварительно проверить на рН) добавила раствор пиросульфата натрия (раствор приготовила из 3г пиросульфата натрия и 45мл воды; растворение проходило плохо, поэтому пришлось прибегнуть к нагреванию, но часть пиросульфата все равно не растворилась). При добавлении не наблюдалось визуального выделения газа, а также вспенивания раствора.

9. Затем раствор отфильтровала. Подкислила соляной кислотой до рН=3-5.

Сразу началось образование белой аморфной массы.

10. Выделившуюся кислоту отфильтровала. Масса неочищенной кислоты составила 10.67 г.

11. Провела перекристаллизацию 2г кислоты из этилового спирта:

- собрала установку: круглодонная колба 50мл, снабженная обратным холодильником.

- засыпала кислоту в колбу.

- добавила не большое количество этилового спирта, довела до кипения - вещество не растворилось, поэтому добавила еще несколько небольших порций спирта - кислота растворилась

- горячий спиртовой раствор фильтруем (горячая воронка, колба, складчатый фильтр)

- раствор оставила на 2 дня

- отфильтровала образовавшиеся кристаллы, оставила сушиться на воздухе

12. Определила температуру плавления.

Вывод

В ходе данной работы удалось изучить и проиллюстрировать особенности и механизм галоформной реакции.

Конечным итогом можно считать получение анисовой кислоты, т.к физико-химические данные( температура плавления) совпали с литературными.

Список литературы

1. О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин Органическая химия в 4-х частях Часть3. - М.:БИНОМ, 2004.

2. А. Терней Современная органическая химия в 2-х томах Т2. - МИР,1979.

3. Лабораторные работы по органической химии / Под ред.А.В. Мануйлова, Новосибирск: НГУ, 1993.

4. Органикум: Практикум по органической химии в 2-х томах/ М.:МИР,1979-Т2.

5. Лекционный материал К.Ю. Колтунова

Размещено на Allbest.ru