Синтез бинафтилфосфорной кислоты

 

 

 

Синтез 1,1’-бинафтил-2,2’-фосфорной кислоты

Курсовая работа

по курсу

«Органическая химия»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………3

Глава 1. Литературный обзор…………………………………………….4

1.1. Получение фенолов…………………………………………………..4

1.1.1. Замещение сульфогруппы на гидроксил………………………....4

1.1.2. Замещение галогена  на гидроксил………………………………..5

1.1.3. Замещение диазогруппы на  гидроксил…………………………..7

1.1.4. Получение фенола из гидропероксида кумола…………………..8

1.2. Свойства фенолов……………………………………………………11

1.2.1. Кислотные свойства фенолов……………………………………..11

1.2.2. Таутомерия фенолов……………………………………………….13

1.2.3. С- и О-Алкилирование амбидентных фенолят-ионов………….16

1.2.4. Этерификация фенолов……………………………………………18

1.2.5. Окисление  фенолов………………………………………………..19

1.3. Окислительное  сочетание фенолов…………………………………21

 

1.3.1. Реагенты для окислительного  сочетания фенолов………………22

 

1.4 Стратегия синтеза……………………………………………………..24

 

Глава 2. Экспериментальная  часть……………………………………….24

 

2.1. Синтез 2,2’-Дигидрокси-1,1’-бинафтила (β-бинафтола)………….24

 

2.2. Синтез 1,1’-бинафтил-2,2’-фосфорной кислоты хлорангидрида…25

 

2.3. Синтез 1,1’-бинафтил-2,2’-фосфорной  кислоты…………………...26

 

Заключение………………………………………………………………….26

 

Литература…………………………………………………………………..27

Приложение…………………………………………………………………28

 

Введение

Фенолами называются соединения, у которых гидроксильная  группа присоединена непосредственно к ароматическому кольцу бензола. Соединения, содержащие гидроксильную группу у конденсированных ароматических соединений, называют нафтолами, фенантролами, антролами и т.д.

При наличии нескольких заместителей начало нумерации определяет гидроксильная группа и эти соединения рассматриваются как производные фенола.

Фенолы применяются  в производстве синтетических смол, пластмасс, полиамидов и других полимеров, лекарственных препаратов, красителей, поверхностно-активных веществ, антиоксидантов, антисептиков, взрывчатых веществ.

Фенолы и их производные содержатся в древесине, торфе, углях, нефтяных остатках. В живой природе фенолы, главным образом в виде производных, присутствуют в клетках растений (флавоноиды, таннины, антоцианы, лигнин,меланины, гуми-новые к-ты и др.); в свободном состоянии встречаются редко: фенол - в иглах и шишках сосны, лишайниках; пирокатехин - в чешуе лука, плодах грейпфрута; флороглюцин -в шишках секвойи, коре яблонь и слив;гидрохинон -в листьях и семенах груши; тимол (З-гидрокси-4-изопропил-толуол) - в листьях тимьяна.

Целью данной курсовой работы является синтез 1,1’-бинафтил-2,2’-фосфорной кислоты из β-нафтола.

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Получение фенолов

1.1.1. Замещение сульфогруппы на гидроксил

Фенол в небольшом  количестве выделяют из каменноугольной  смолы,однако коксохимическое производство не может удовлетворить потребности  химической промышленности в феноле. Наиболее старый промышленный метод получения фенолов заключается в сплавлении щелочных арилсульфонатов с твердым гидроксидом натрия или гидроксидом калия или со сравнительно легкоплавкой смесью этих гидроксидов при 300-350оС.

Этот метод принято  называть щелочным плавлением сульфонатов. Хотя точный механизм реакции в расплаве двух ионных соединений неизвестен, ее следует отнести к процессам нуклеофильного ароматического замещения, где гидроксид-ион играет роль нуклеофильного агента, а сульфит-ион - уходящей группы.

При щелочном плавлении бензолсульфоната натрия, меченного атомом углерода I-14C, установлено, что гидроксильная группа вступает к тому же атому углерода, у которого находилась сульфогруппа. Это исключает механизм с участием дегидробензола в качестве интермедиата нуклеофильного замещения. Подтверждением этому служит образование исключительно 4-метилфенола из п-толуолсульфокислоты.

Для получения самого фенола метод щелочного плавления в настоящее время не используется, но он широко используется для получения 2-нафтола , резорцина, ализарина и других фенолов.

 

1.1.2. Замещение галогена на гидроксил

Вслед за щелочным плавлением арилсульфонатов был предложен  более простой и доступный  метод получения фенолов из арилгалогенидов  замещением галогена на гидроксил. Арилгалогениды, не содержащие активирующих электроноакцепторных группировок, вступают в реакцию обмена в очень жестких условиях. Однако при нагревании хлорбензола с 15-20%-ным водным раствором гидроксида натрия при 360-390оС и давлении 28 мПа (280-300атм) образуется фенол.

На основании экспериментов  с хлорбензолом было показано, что в этих условиях реакция идет по ариновому механизму. Дегидробензол, образующийся из хлорбензола, превращается в фенол за счет присоединения гидроксид-иона, а при присоединении фенолят-иона дает смесь дифенилового эфира и анионов 2-гидроксибифенила и 4-гидроксибифенила.

Фенолят-ионы, подобно  енолят-ионам, представляют собой типичные амбидентные анионы, у которых  заряд делокализован между атомом кислорода и атомами углерода в орто- и пара-положениях бензольного кольца. Образование дифенилового эфира, 2-гидрокси- и 4-гидроксибифенилов объясняется амбидентной природой фенолят-иона. Дифениловый эфир при 360-390оС в водном растворе NaOH необратимо гидролизуется в фенол. 2-Гидрокси- и 4-гидроксибифенилы в отличие от дифенилового эфира не подвергаются гидролизу, их суммарное количество среди смолообразных продуктов реакции составляет 20-25%.

Из этого следует, что основным путем стабилизации дегидробензола является захват гидроксид-иона с образованием фенола. Ариновый механизм замещения хлора в неактивированных арилхлоридах на гидроксил под действием гидроксидов щелочных металлов подтверждается также образованием смеси мета- и орто-метилфенолов в соотношении 3:2 из о-хлортолуола, смеси 1- и 2-нафтолов как из 1-хлорнафталина, так и из 2-хлорнафталина. В присутствии солей меди (II), играющих роль катализатора, ариновый механизм полностью подавляется из-за резкого ускорения прямого замещения галогена по SNAr-механизму.

Применение солей меди (II) позволяет проводить региоселективное замещение галогена на гидроксил без примеси кокого-либо другого изомерного фенола.

Роль ионов меди в  этой реакции до настоящего времени  не получила удовлетворительного объяснения.

Введение в молекулу арилгалогенида электроноакцепторных заместителей в орто- или пара-положения увеличивают скорость обмена галогена на гидроксил в некатализируемой реакции. Для такой реакции на основании многочисленных экспериментальных данных предложен SNAr-механизм замещения, хотя  -комплекс Мейзенгеймера не был зафиксирован в процессах обмена галогена на гидроксил.

Накопление электроноакцепторных групп позволяет осуществлять замещение  в очень мягких условиях, в отдельных  случаях гидролиз удается провести в нейтральной среде.

 

1.1.3. Замещение диазогруппы на гидроксил

Универсальным методом  замены аминогруппы на гидроксил  в ароматическом ряду является диазотирование первичного амина с последующими разложением соли диазония в водном растворе серной кислоты.

Принято считать, что  замещение диазогруппы на гидроксил протекает по SN1-механизму, крайне редко реализующимся для других реакций в ароматическом ряду. Этот механизм включает следующие стадии:

Так как образующийся на первой стадии арильный катион может  реагировать с любым нуклеофилом, имеющимся в реакционной среде, наиболее целесообразно использовать для гидролиза в фенолы соответствующие гидросульфаты диазония. В качестве побочного продукта при этом образуется эфир ArOSO3H, который легко гидролизуется в фенол. Кроме того, при этом практически не наблюдаются реакции нуклеофильного ароматического замещения (SNAr), активированного N+ 2 -группой (аналогия с NO2 -группой). Наилучшие результаты для получения оптимально высокого выхода фенолов достигается при постепенном введении раствора соли диазония в кипящий раствор серной кислоты. Некоторые наиболее типичные превращения представлены следующими уравнениями:

 

1.1.4. Получение фенола из гидропероксида кумола

Современный промышленный метод получения фенола заключается  в кислотно-катализируемом разложении гидропероксида кумола. Исходное вещество для всего цикла превращений - кумол получается в очень больших количествах при алкилировании бензола пропиленом по Фриделю-Крафтсу.

Далее кумол окисляют кислородом воздуха при 100-130оС до гидропероксида кумола.

Эта реакция протекает  по цепному, радикальному механизму  с участием кумильного радикала. Инициатор  радикального превращения отщепляет  атом водорода из бензильного положения  кумола с образованием достаточно стабильного  третичного кумильного радикала. Этот радикал далее реагирует с кислородом с образованием нового перекисного радикала, который отщепляет атом водорода от исходного кумола с регенерацией кумильного радикала.

Третья, заключительная стадия всего процесса, по своему механизму напоминает перегруппировки карбкатионов. Различие заключается в том, что миграция фенила происходит к положительно заряженному атому кислорода.

Разложение гидропероксида кумола до фенола и ацетона проводят в присутствии 1% водной серной кислоты при 50-90оС.

В целом это очень  экономичный способ получения одновременно двух важнейших продуктов - ацетона  и фенола. Аналогично в результате окисления пара- и мета-диизопропилбензолов - побочных продуктов крупнотоннажного производства кумола, образуются бисгидропероксиды. При их разложении получаются соответственно гидрохинон и резорцин.

Теоретически наиболее перспективным промышленным способом получения фенола является окисление  бензола кислородом, однако до сих  пор не найдено достаточно удобных и дешевых каталитических систем для этого превращения. Сравнительно низкий выход и образование побочных продуктов не позволяют рекомендовать этот способ для получения замещенных производных фенола.

Известно несколько  примеров электрофильного гидроксилирования ароматических соединений под действием пероксида водорода и органических перкислот в суперкислых средах.

Электрофильное гидроксилирование  не нашло практического применения для введения гидроксильной группы в ароматическое кольцо.

 

1.2. Свойства фенолов

1.2.1. Кислотные свойства фенолов

 

Несмотря на то, что фенолы по строению подобны  спиртам, они являются намного более  сильными кислотами, чем спирты. Для  сравнения приведем величины рКа  в воде при 25оС для фенола (10,00), для циклогексанола (18,00). Из этих данных следует, что фенолы на восемь и более порядков по кислотности превосходят спирты.

 

OH

      

+   H2O

O

    

+   H3O

pKa=10.00

  

OH

O

    

+   H2O

    

+   H3O

pKa=18.00

  


Диссоциация спиртов  и фенолов представляет собой  обратимый процесс, для которого положение равновесия количественно характеризуется величиной разности свободных энергий ∆ Gо продуктов и исходных веществ. Для определения влияния строения субстрата на положение кислотно-основного равновесия необходимо оценить разницу энергий между кислотой ROH и сопряженным основанием RO− . Если структурные факторы стабилизируют сопряженное основание RO− в большей степени, чем кислоту ROH, константа диссоциации возрастает и рКа, соответственно уменьшается. Напротив, если структурные факторы стабилизируют кислоту в большей степени, чем сопряженное основание, кислотность уменьшается, т.е. рКа возрастает. Фенол и циклогексанол содержат шестичленное кольцо и поэтому структурно похожи, но фенол в 108 раз более сильная ОН-кислота по сравнению с циклогексанолом.

Это различие объясняется  большим +М эффектом О− в феноксид-ионе. В алкоголят-ионе циклогексанола отрицательный заряд локализован только на атоме кислорода и это предопределяет меньшую стабильность алкоголят-иона по сравнению с феноксид-ионом. Феноксид-ион относится к типичным амбидентным ионам, т.к. его отрицательный заряд делокализован между кислородом и атомами углерода в орто- и пара- положениях бензольного кольца. Поэтому для феноксид-ионов, как амбидентных нуклеофилов, должны быть характерны реакции не только с участием атома кислорода, но и с участием атома углерода в орто- и пара-положениях в бензольном кольце.

 

Стабилизация феноксид-ионов по сравнению с алкоголят-ионами по своей природе аналогична стабилизации другого класса амбидентных анионов - енолят-ионов карбонильных соединений по сравнению с карбанионами алканов. Вместе с тем делокализация заряда в феноксид-ионе происходит в меньшей степени, чем в карбоксилат-ионе, и, соответственно, фенолы более слабые кислоты по сравнению с карбоновыми кислотами. Фенолы растворяются в водном растворе гидроксида натрия, но они не реагируют с гидрокарбонатом натрия. Это простейший, хотя и не очень надежный тест, по которому можно различать фенолы и карбоновые кислоты, которые взаимодействуют с гидрокарбонатом натрия с выделением углекислого газа.

 

Влияние заместителя  в бензольном кольце на кислотность  фенолов согласуется с представлениями  об их электронных эффектах. Электронодонорные  заместители понижают, а электроноакцепторные - усиливают кислотные свойства фенолов. В таблицах 1 и 1а (см. Приложение) приведены данные по кислотности некоторых фенолов в воде при 25оС.

 

1.2.2. Таутомерия фенолов

Естественно, что  между амбидентными феноксид и енолят-ионами существует определенная аналогия. Фенол  также является аналогом енола и между ним и его кето-формами (2,4- и 2,5-циклогексадиенами) должны существовать отношения, подобные тем, которые наблюдаются для равновесия кето- и енольной форм кетонов.

Для самого фенола энтальпия этого равновесия составляет величину порядка +23 Ккал/моль, что соответствует логарифму константы равновесия в уравнении Гиббса порядка 9,5   2,5, т.е. равновесие целиком смещено в сторону фенольной формы. Таким образом, соотношение двух таутомерных форм здесь полностью обратно тому, которое наблюдается для кетонов, где преобладает кето-форма. Это различие не удивительно, если принять во внимание ароматическую стабилизацию бензольного кольца фенола. Для других одно- и двухатомных фенолов бензольного ряда также не удается наблюдать прототропную таутомерию. Для полициклических конденсированных ароматических соединений различие в термодинамической устойчивости фенольной и диеноновой форм резко уменьшается, и для 1-нафтола фенольная форма на 12,5 Ккал/моль стабильнее диенона, тогда как для 9-гидроксиантрацена кетоформа антрона уже оказывается термодинамически более стабильной формой.

Для 9-гидроксиантрацена  известны обе формы, причем в неполярных растворителях (петролейный эфир, бензол, ССl4) равновесие сдвинуто в сторону антрона (К20=400 в бензоле). Устойчивость таутомерных кето-форм возрастает при переходе к полиатомным фенолам. Так, при плавлении 1,4-дигидроксинафталина получается равновесная смесь, содержащая 10%-дикетоформы.

Длительное  время не предпринималось попыток  фиксации или стабилизации кето-формы фенолов ряда бензола и нафталина и проблема таутомерии фенолов не привлекала внимания исследователей. В 1968 году В.А.Коптюг с сотрудниками предложил простой и чрезвычайно эффективный способ стабилизации кето-формы разнообразных фенолов с помощью сильных кислот Льюиса- хлорида или бромида алюминия. Эти жесткие кислоты Льюиса связывают жесткий карбонильный кислород кето-формы в очень стабильный комплекс, который может быть зафиксирован с помощью ПМР- и ИК-спектроскопии. При этом для 1-нафтола, 2-нафтола и фенолов бензольного ряда, содержащих хотя бы одну алкильную группу в мета-положении к гидроксилу, равновесие в неполярной среде нацело смещается в сторону кето-формы.

Эти комплексы  можно рассматривать также как  биполярные ионы, т.е. как гидроксиаренониевые ионы, образующиеся при протонировании фенолов по бензольному кольцу. Для них должны быть характерны реакции, типичные для аренониевых ионов. Действительно, комплекс 2-нафтола с хлоридом алюминия может быть использован в качестве электрофильного агента в электрофильном ароматическом замещении в бензольном кольце.

Аналогично  реагирует и комплекс мета-крезола  с AlBr3.

Кето-енольная таутомерия лежит в основе замещения  фенольного гидроксила на аминогруппу, которое происходит при нагревании 1- или 2-гидроксинафталина, сульфопроизводных   - и  -нафтолов, 6- или 8-гидроксихинолинов и других гидроксипроизводных нафталина, антрацена, хинолина с водным раствором сульфита или гидросульфита аммония при 130-150оС.

Эта реакция, открытая Г.Бухерером в 1904 году, применима  к одноатомным фенолам ряда нафталина, антрацена и других конденсированных ароматических систем, но в нее  практически не вступают одноатомные  фенолы бензольного ряда.

В ряду производных  бензола в реакцию вступают многоатомные фенолы, содержащие две или три гидроксильные группы в мета-положении к друг другу:

Для реакции  Бухерера предложен, но строго не доказан  механизм, в котором сульфит- или  гидросульфит-ион присоединяется в  -положение кето-формы нафтола с образованием  -кетосульфокислоты в качестве интермедиата, который в отдельных случаях был выделен в индивидуальном виде.

Последующее аминирование и отщепление сернистой кислоты  приводит к амину. Реакция обратима и при обработке 1- или 2-амино-нафталина и их производных гидросульфитом натрия в воде при 130-150оС они превращаются в соответствующие фенолы, например:

 

 

1.2.3. С- и О-Алкилирование амбидентных фенолят-ионов

Феноксид-ионы, как типичные амбидентные анионы, способны к реакциям О- и С-алкилирования. В большинстве случаев феноксид-ионы подвергаются региоселективному О-алкилированию независимо от природы радикала и уходящей группы алкилирующего агента. Самые разнообразные жесткие и мягкие алкилирующие агенты дают эфиры фенолов в реакциях со щелочными фенолятами. Наилучшие результаты для О-алкилирования достигаются в диполярных апротонных растворителях, хорошо сольватирующих катионы щелочных металлов.

Если же растворитель избирательно сольватирует кислородный  центр феноксид-иона, открывается возможность для С-алкилирования. Кислородный центр феноксид-ионов подвергается избирательной сольватации с помощью водородной связи в воде, трифторэтаноле, феноле. В этих растворителях удается осуществить С-алкилирование феноксид-иона под действием таких мягких алкилирующих агентов, как аллилгалогениды и бензилгалогениды.

Кислородный центр  аниона блокируется в результате избирательной сольватации и  алкилирующий агент атакует другой нуклеофильный центр амбидентного аниона - атом углерода в орто-положении по отношению к атому кислорода. Аналогичный результат может быть достигнут за счет блокирования кислородного центра противоионом в сложном ассоциате ионных пар щелочных фенолятов и нафтолятов. Действительно, при алкилированиии фенолята натрия в бензоле аллилбромидом образуется 2-аллилфенол, тогда как в ацетоне в тех же условиях получается только аллиловый эфир фенола.

По той же причине алюминиевые соли фенолов  подвергаются С-алкилированию в  орто-положение бензольного кольца.

Эта реакция  имеет практическое значение для синтеза стерически затрудненных фенолов, используемых в качестве стабилизаторов полимеров против термоокислительной деструкции. Фенолы, подобно карбоновым кислотам, подвергаются селективному О-метилированию при действии диазометана в эфирном растворе. Напомним, что спирты реагируют с диазометаном только в присутствии катализаторов - кислот Льюиса.

 

 

1.2.4. Этерификация фенолов

Ариловые эфиры  карбоновых кислот нельзя получать прямой этерификацией фенолов карбоновыми  кислотами. Обратимая реакция фенола с уксусной кислотой эндотермична в отличие от реакции этерификации спиртов, которая экзотермична.

Ариловые эфиры  карбоновых кислот получают ацилированием  фенолов или их Na-, K-солей галогенангидридами или ангидридами кислот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.5. Окисление фенолов

 

Окисление пространственно  незатрудненных фенолов относится  к числу сложных, многостадийных процессов, механизм которых мало изучен. Очевидно лишь то, что механизм окисления  может сильно меняться в зависимости  от природы одно- или двухэлектронного окислителя. Сам фенол при окислении двухэлектронным окислителем - бихроматом натрия или MnO2 в серной кислоте образует с удовлетворительным выходом пара-хинон.

 

OH O


Na2Cr2O7

H2SO4 - H2O

O    п-хинон

 

Предполагают, что первоначально из фенола и  хромовой кислоты получается фениловый  эфир хромовой кислоты, который затем  отщепляет анион HCrO3- с образованием карбкатиона, стабилизирующегося при гидратации до гидрохинона, который далее окисляется до хинона.


O

CrO3H

O

O

  
 

-HCrO3

HOH

+  H

  
       
   

H

OH

  
 

OH

O

    
   

Na2Cr2O7

    
   

H2SO4 - H2O

    
 

OH

O

    
       

 

Ароматические амины гладко окисляются солью Фреми  до пара-хинонов.

 

 

NH2

o

CH O

O

CH

  

CH3O

    
     

CH3

(KO3S)2NO ,20 C

    

3

  

3

  
   

H2O - ацетон

    

O

96%

  
           
             


Соль Фреми  легко доступна и получается в  настоящее время следующим образом:

NaNO2

+  Na2S2O5   +  CH3COOH

  

0-5 oC

(NaO3S)2N-OH  +  CH3COONa

  
 

H2O

  
             

3(NaO3S)2N-OH  +  KMnO4

0-20 oC

3(NaO3S)2NO  +  MnO2   +  KOH  +  H2O

  

H2O

  
           
 

2(NaO3S)2NO  +  4KCl

    

0-5 oC

  

2(KO3S)2NO  +  4NaCl

  
     

H2O

  
             


Самый простой  и удобный способ получения орто- и пара-бензохинонов состоит в окислении соответственно пирокатехина и гидрохинона. В качестве окислителей можно использовать самые разнообразные реагенты: дихромат натрия, ферроцианид калия, перкислоты, оксид серебра, тетраокись азота и ряд других окислителей.

 

 

OH

  

o

O

  
     
       
   

Na2Cr2O7,30 C

    
           
           
   

H2SO4,H2O

            
 

86-92%

  
   

OH

      

O

  
         


Аналогично  ведут себя и пара-аминофенолы.

 

 

 

NH2

o

O

  
   

Cl

Cl

  

Na2Cr2O7,10 C

  
       
   

H2SO4,H2O

83%

  
   

OH

  

O