Влияние различных факторов на процесс галогенирования

II. Галогенирование ароматических соединений (Аренов)

I. Общие сведения

Методы получения органических галогенидов в химической технологии БАВ

Методовполучения органических галогенидов много.Кроме собственно «галогенирования» -процесса замены атома водорода в молекуле органического соединения на галоген – используются много других методов, которые приводят к образованию связи C-Hlg. Выбор метода и условий проведения реакции зависит как от природы субстрата, так и от природы вводимого галогена.

Органическиегалогенидыхимически активны и широко используются в синтезе новых соединений, в том числе и БАВ.

Все онибиологически активны: галогениды алифатического ряда обладают наркотическими свойствами, а арилгалогениды часто проявляют антимикробные свойства. В связи с этим, в состав молекулы многих лекарственных соединений входит один или несколько атомов галогена (хлороформ, хлоралгидрат, бромизовал, дииодтирозин, левомицетин, фторурацил и т.д.). Биологическую активность галогенидов связывают, с одной стороны, с их высокой растворимостью в жировых тканях и липидах и, с другой стороны, с высокой химической активностью (в частности, алкилирующей).

Увеличение числа атомов галогена в молекуле соединения, как правило, приводит к увеличению его токсичности.

2.1. Механизм галогенированияаренов S_E атома воторода.

1) Строение арена. Электронодонорные заместители в ароматическом кольце стабилизируют s-комплекс, ускоряют процесс и направляют галоген в орто- и пара-положение, электроноакцепторные - дестабилизируют s-комплекс, замедляют процесс и направляют галоген в мета-положение.

Относительные скорости бромирования аренов формулы PhZ:

При этом необходимо учитывать условия реакции. Например, если протонировать гидроксильную группу в феноле или амино – в амине, то скорость реакции будет мала, а замещение пойдет в мета-положение, наоборот в щелочной среде активность фенола возрастает на несколько порядков:

2) Активность электрофильной частицы в большой степени определяется природой галогена и катализатором.

- Природа галогена влияет на активность электрофильной частицы настолько сильно, что практическое значениев основномимеют реакции прямого хлорированияи бромирования аренов.

Прямое фторирование не используется вследствие очень высокой экзотермичности процесса. Иодирование обратимо, идет очень медленно и требует активации. Поэтому реакцию часто проводят в присутствии окислителей, которые реагируют с выделяющимся иодоводородом либо повышают электрофильность молекулярного иода, окисляя его до I^Å.

- Катализаторамипроцесса галогенирования чаще всегоявляются а) кислоты Льюиса (FeCl₃ и др.), б) концентрированная серная кислота, в) иод, г) среда. Они влияют не только на скорость, но и на направление процесса. Удачный подбор катализатора может обеспечить высокую селективность процесса. Так, например, при бромировании хлорбензола в присутствии хлорида алюминия или ацетат таллия (III) получается почти исключительно пара-изомер:

а) Катализ кислотами Льюиса. В промышленности чаще всего реакцию проводят в присутствии галогенида железа (III), который, как правило, получают прямо в реакционной массе при добавлении в нее железа.

При хлорированииаренов в этих условиях электрофильной частицей является хлорид-катион. При бромированиив случае использования FeBr₃ и других мало активных кислот Льюиса, основной атакующей частицей является поляризованный комплекс, например:

Образование катиона галогена идет в незначительной степени.

б) Катализ серной кислотой:

в) Катализ иодом:

При использовании каталитических количеств иода идет хлорирование, так как образуется катион Сl^Å, а при соотношениях близких к эквимолекулярным – иодирование, так как образуется I^Å.

г) Каталитическое влияние растворителя. Роль электрофильной частицы может выполнять и поляризованная молекула. Степень её поляризации зависит от полярности растворителя. В связи с этим галогенирование активных субстратов (ароматических аминов, фенолов, полиалкилбензолов типа мезитилена, нафталина, и т.п.) молекулярным хлором и бромом возможно и без катализатора.

В воде при комнатной температуре амины и фенолы образуют тригалогенпроизводные. Монозамещенные фенолы можно получить лишь при очень низкой температуре (-70°С) и неполярном растворителе. Бромирование фенолов в этом случае идет исключительно в о-положение. Для моногалогенирования первичных аминов их предварительно ацилируют по аминогруппе.

Растворитель влияет на скорость реакциине только активируя галоген, но и сольватируя субстрат и промежуточные соединения.Согласно теории Хьюза-Ингольда,полярные растворителиускоряют реакции, в которых s-комплекс поляризован больше, чем реагенты (бромирование фенола), а неполярные или малополярные - реакции, в которых, наоборот, s-комплекс менее поляризован, чем исходные реагенты (хлорирование бензола).

При выборе растворителя следует учитывать также чисто технологические соображения (токсичность, взрыво-, пожароопасность, агрессивность). Так, наличие воды в реакционной массе при галогенировании аренов приводит к образованию соответствующей галогеноводородной кислоты, которая вызывает коррозию оборудования.

3) Концентрация реагирующих веществ. Чем она выше, тем быстрее идет реакция. Однако необходимо помнить, что в промышленных процессах, как правило, один из реагентов взят в избытке.

4)Температурапроцесса галогенирования арена может быть самой разной (от –70 до 300°С) и зависит от субстрата и природы галогена.

Реакция хлорирования в ядро, как правило, протекает быстро и с выделением большого количества тепла, поэтому в большинстве случаев реакционную массу охлаждают. Тепловой эффект бромирования значительно меньше, в этих случаях её подогревают. Эндотермическая реакцияиодирования всегда идет при нагревании.

Повышение температуры с целью увеличения скорости реакции необходимо осуществлять очень осторожно после детального изучения процесса. Даже незначительное повышение температурыможет существенно ускорить реакцию и привести к образованию большого количества полигалогензамещенных. Резкое изменение её может привести к изменению направления реакции. Причиной этого может быть переход от гетеролитического механизма к гомолитическому. Так, пиридин при 300°С (пемза) бромируется в положение 3, а при 500°С – в положение 2.

Поэтому для достижения желаемого результата строго выдерживают заданную температурупроцесса.