Синтез похідних фенацилброміду

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХІМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

Курсова робота з теми Синтез похідних фенацилброміду Виконав: студент групи 4А Малахов Ростислав Геннадійович Керівник к.х.н. с.н.с. Смоляр Миколай Миколайович Донецьк

ВСТУП Фенацил бромід та його похідні знайшли широке використання в органічному синтезі. Окрім цього його широко використовують у воєнних діях. Хлорацетофенон був відкрито Гребе у 1871р, а хімічні властивості були дослідженні в роки першої світової війни. До його військового застосування справа не дійшла, так як промислові підприємства у кінці першої світової війни ще не були добудовані.

Під час другої світової війни хлорацетофенон, та бромацетофенон були заготовлені у великій кількості більшістю держав. Наряду з можливим воєнним використанням обидві сполуки використовувались в країнах західної Європи у якості поліцейського озброєння. В даний час вони у воєнних діях не використовуються[1].

Метою даної роботи є вибір оптимальної методики бромування ацетофенонів, та синтез похідних фенацилброміду для подальших досліджень в ряду триазоло[4,5-с]піридину.

1. Літературний огляд

1.1 Фізичні властивості

Хлорацетофенон представляє собою безбарвну кристалічну речовину, технічний продукт забарвлений у сірий колір, із запахом черемшини або квітучих яблук. Технічний продукт має забарвлення від солом’яного до сірого. Його фізичні властивості наступні: Т. кип., 139−141оС (при 14 мм.рт.ст.), 245−247оС (при 760 мм.рт.ст.), Т.пл., 58−59 оС. Тиск пари при 20оС, мм.рт.ст. 0,013.

Хоча тиск пари хлорацетофенону відносно низький, його леткість при 20оС складає 0,11мг/л Нижча границя подразнення для хлорацетофенону складає 510−4мг/л.

Хлорацетофенон практично не розчинний у воді (0,1%), але добре розчиняється у звичайних органічних розчинниках — хлор алканах, СS2, аліфатичних спиртах, ефірах, кетонах, та в бензолі; в деяких отруйних речовинах (ОР) наприклад, іприті, фосгені, хлорпікрині та хлорциані, він розчиняється у певних співвідношеннях. Погано розчиняється в SnCl4 та TiCl4.

Не дивлячись на низьку леткість пари хлорацетофенону роблять місцевість непрохідною без противогазу. Розчини хлорацетофенону в залежності від густини зараження, місцевих, та метеорологічних умов може бути стіїкими на протязі декількох годин та днів. Розчин хлорацетофенону в хлорпікрині у суміші з хлороформом (рецептура CNS) літом у лісі стійкий на протязі 2 г, а в зимку навіть до тижня; на відкритій місцевості літом приблизно 1 годину, в зимку 6 годин.

1.2 Способи добування У промисловості та лабораторії ?-хлорацетофенон можно отримати двома способами: хлорування ацетофенону, та за реакцією Фриделя-Крафтса із бензолу та хлорацетилхлориду.

1.2.1 Промисловий спосіб За першим способом ацетофенон хлорується при безпосереднії взаємодії з хлором в уксуснокислому середовищі

За новим способом хлорування можно проводити хлорокисом селену SeOCl2 у бензольному розчині. Вихідний ацетофенон отримують взаємодією бензолу з ацетилхлоридом у присутності катализатора Фриделя — Крафтса.

За другим способом бензол вводять у реакцію з хлорацетилхлоридом в присутності хлористого алюминія Цей спосіб здійснений у промисловому масштабі. З точки зору електронної теорії механізм реакції полягає в наступному Хлорацетилхлорид отримують методами, описанними в органічній химії.

1.2.2 Лабораторний синтез У двохгорлій колбі ємністю 1л з мішалкою, та зворотним холодильником змішують 100 мл сірковуглецю з 0,3 моль хлорацетилхлорида та 0,4 моль бензолу, та постійно при перемішуванні, додають 0,25 моль тонко роздрібненого хлористого алюмінію. Після приєднання зворотнього холодильнику, колбу вміщують у водяну баню при 50−55о С, перемішують приблизно 1год реакційну суміш, і залишать при такій самій температурі ще на 1−2 год, до завершення виділення хлористого водню. Зворотний холодильник замінюють на спадний холодильник, та видаляють сірковуглець відкачуванням при пониженому тиску (вибухонебезпечно). Для розкладання комплексу кетона з хлористим алюмінієм, ще теплий розчин обережно виливають на 250 см³ льоду, чи воду з льодом. Операція проводиться у колбі ємністю 2 л. Окис алюмінію, що іноді осаджується, розчиняють у невеликій кількості концентрованої соляної кислоти, органічний шар відділяють за допомогою ділильної воронки та екстрагують 2−3 рази ефіром. Об'єднані витяжки повторно промивають водою, потім 2% розчином NaOH та знову водою. Ефір екстрагують, сушать 8−10 год над СаСl2 чи К2СО3. Потім обережно відганяють ефір на водяній бані, при цьому краще використовувати маленькі перегоні колби (200мл), час від часу додають переганяємий розчин з воронки. Нарешті залишок, який вміщує хлорацетофенон, який переганяють, нагріваючи невеликим відкритим полум’ям. Предгон до 240 оС відбрасують, хлорацетофенон відганяють при 245−250 оС. При довгому стояні з дистиляту випадає кристалічний продукт, який перекристалізовують з розведеного спирту.

1.3 Хімічні властивості

За своєю будовою, хлорацетофенон є змішаним жирно ароматичним кетоном, і як такий відносно стійкий, та має малу реакційну здатність. Він вступає у реакції по карбоксильній групі, які властиві ароматичним кетонам, наприклад з гідроксіламіном та гідразіном, однак не утворює бісульфітного похідного.

1.3.1 Гідроліз Навіть при кип’ятінні з водою хлорацетофенон не гідролізується або гідролізується частково. Швидкість гідролізу збільшується при дії лугу, но при звичайній температурі настільки мала, що ця реакція не має значення для дегазації. Кількісне перетворення можно отримати лише при кип’ятінні з розчином лугів, особливо в тих випадках, коли використовуються спиртові розчини. В якості продукту гідролізу утворюється оксіметілфенілкетон (оксіацетофенон), кристалічна речовина, яка плавиться при 86 оС.

1.3.2 Інші реакції атому хлору Атом хлору у молекулі хлорацетофенону можна замінити і в результаті інших реакцій. При дії йодидів лужних металів у спиртових розчинах утворюються йодацетофенон — ігольчаті кристали:

Подібно аліфатичним галогенірованим кетонам, реакція з сульфідом натрія у спиртових розчинах и у випадку хлорацетофенону оказується найбільш придатною для можливої дегазації:

Утворившийся біс-фенациловий тіоєфір (т.пл. 74 оС) не проявляє фізіологічної активності.

При кип’ятінні хлорацетофенон з тіосульфатом натрію утворюється натрієва сіль фенацилтіосірчаної кислоти

1.3.3 Реакція конденсації

Як кетон хлорацетофенон реагує також з гідроксил аміном. При взаємодії з гідро хлоридом гідроксиламіну у водному метиловому спирті при кімнатній температурі утворюється оксим ?-хлорацетофенону (хлорметилфенілкетоксим) Це безбарвна кристалічна сполука (т.пл. 88,5−89 оС), яке має сильну лакримогенну дію і, подібно галогенірованим оксидам, викликає тривале подразнення шкіри. У якості можливого ОР ця сполука у літературі не згадувалась.

З семикарбазидом хлорацетофенон утворює відповідний семикарбазон.

1.3.4 Окислення З киснем повітря хлорацетофенон не реагує. Сильні окисники, наприклад, хромова кислота, перманганат калію, двуокис селену та гіпохлорити у відповідних розчинниках (бензол та діоксан) окислюють хлорацетофенон до бензойної кислоти Наряду з іншими у якості побічних продуктів при цьому утворюються фенілоцтова кислота та фенілгліоксаль. Азотна кислота діє на хлорацетофенон з одного боку як окисник, а з іншого як нітруючий агент.

1.3.5 Хлорування При відповідних умовах можливе подальше хлорування ацетофенону, як в боковий ланцюг, так і в ядро. Такі хлорпохідні мають послаблену сльозогінну дію, але відрізняються сильною шкіро-наривною дією, і тому використовувались, як ОР.

При використанні хлорного заліза як каталізатора хлорування приводить до утворення діхлорацетофенону (т.пл. 20−21,5 оС) та ?, 3,4-трихлорацетофенону, трихлорацетофенон отримують при підвищеній температурі при УФ-випромінюванні (т.пл. при 25 мм.рт.ст. 145 оС).

1.4 Історія відкриття та застосування Синтезований німецьким вченим Гребе у 1871 р. шляхом пропускання хлору крізь киплячий толуол. На прикінці 20-х років минулого століття вперше з успіхом був застосований французами при подавленні громодянських безладів у колоніях і через декілька років вже широко використовувався поліцією практично всіх розвинених країн. У 1923 р. керівництво США фінансувало масштабне дослідження хлорацетофенону у Эджвудском Арсиналі. У роки Другої світової війни були розроблені мікропорошкові форми хлорацетофенону які були більш эффективні та стійки на місцевості. У середині 60-х на озброєння американської поліції поступили «мейс» — рецептура на основі розчину хлорацетофенону у керосині .

Воєнне застосування. Під час Першої світової війни було використано близько 600 тонн лакриматорів. Найбільш ефективне застосування хлорацетофенону у вигляді аєрозоля. Застосовується у гранатах, генераторах аерозолів (в тому числі ранцевих), димових шашках та ін.

Застосування органами правопорядку. Підрозділи МВД РФ мають у розпорядженні різні види гранат «Черемуха», «Дрейф» та аерозольний розпилювачі «Черемуха-10М» які містять хлорацетофенон.

Застосування громадянами. У РФ максимально дозволено вміст хлорацетофенону у газовому балоні — 80 мг, у газових набоях — 100 мг. Закордонні зразки можуть вміщувати до 230 мг хлорацетофенону на набій. Кольорова маркировка набоїв — голуба, синя. В теперішній час практично повністю витіснили з ринку засоби самозахисту на основі CS, OC.

бром конденсація окислення хлорування

2. Результати та обговорення

2.1 Синтез п-метоксітолуолу Синтез п-метоксітолуолу проводили за схемою1

Схема 1

Синтез ацетофенонів можна проводити з використанням різних розчинників: чотирьох хлористий вуглецю[3] чи дихлорметану. У якості розчинника було обрано чотирьох хлористий вуглець, як більш безпечний та зручний у використанні. Даний синтез проводиться при пониженій температурі, у присутності каталізатору хлориду алюмінію та розчинника чотирьох хлористого вуглецю. Продукт очищують за допомогою перегонки при тиску 6 атм.

2.2 Синтез похідних фенацилброміду Синтез похідних фенацилброміду проводили за схемою2

Схема 2

Даний синтез проводиться при кімнатній температурі, у присутності каталізатора. У ролі каталізатора виступає 48% НВr. Реакцію треба проводити на протязі одного робочого дня, тому що при стоянні на повітрі продукт може окислитися. Для випадання осаду реакційну масу виливають на лід. Також бромування ацетофенонів можна проводити у суміші ефір-діоксан[5]. Цей метод синтезу потребує, набагато більше часу (приблизно 3 години). Вихід у даному випадку менше, ніж при синтезі у оцтової кислоті.

Фізичні властивості отриманих речовин наведені у таблиці 1.

Таблиця 1. Фізичні властивості отриманих речовин.

3. Експереминтальна частина п-Метоксіацетофенон. У витяжній шафі до трьохгорлої колби ємністю 250 мл оснащеною механічною мішалкою, зворотним холодильником (або дефлегматором) та крапельною воронкою, додають розчин 14 г безводного хлориду алюмінію ІІІ (димить на повітрі, викликає опіки шкіри), у 60 мл сухого чотирьох хлористого вуглецю, при сильному перемішуванні та охолодженні, у бані зі льодом. Повільно додають по краплинам 8 мл хлористого ацетилу (леткий, отруйний), а потім при охолоджені льодом з сіллю (0−5 оС) до реакційної суміші із цієї ж воронки додають 10 г толуолу. Суміш перемішують при кімнатній температурі до завершення виділення хлороводню, та виливають (поступово) у суміш 150 мл 2н хлороводню та 100 г льоду. Важкий органічний прошарок відділяють, промивають (по 2 рази порціями по 25 мл) 2н хлороводню, 2н карбонату натрію, та водою. Чотирьох хлористий вуглець відганяють. Залишок переганяють у вакуумі. Вихід п-метоксіацетофенону приблизно 12 г (85% від теоретичного); температура кипіння 163 оС при 28 мм.рт.ст., 174−175 оС при 50 мм.рт.ст. Температура топлення 37 оС. Загальна методика синтезу похідних фенацилброміду. До розчину 30,0 г (0.25 моль) ацетофенону у 50 мл крижаної оцтової кислоти, який містить краплину 48%-ої бромоводневої кислоти, додають при перемішуванні та охолоджені 39,9 г (0.25 моль) брому, з такою швидкістю, щоб температура реакційної суміші не перевищувала 20 оС. По закінченню додавання, реакційну суміш перемішують при кімнатній температурі на протязі 30 хвилин. Потім відбирають приблизно 1мл розчину, розтирають його скляною паличкою до того, поки не утворяться кристали, та вносять отриману затравку у охолоджену до 3−4 оС реакційну суміш, після цього фенацілбромід випадає у осад. Його відфільтровують та промивають декілька раз сумішшю етанол — вода 1:1 (загальний об'єм 100 мл); після сушіння під вакуумом отримують 24.4г (50%) безбарвних кристалів, з температурою топлення 47−48 оС.

4. Техніка безпеки

4.1 Бром Фізичні та хімічні властивості. Червоно-бура рідина т.пл.- 7.25 оС; т.кип. 58,78 оС; густина 3,1023 (25 оС); тиск пари 65,9 мм. рт. ст. (0 оС), 173 мм. рт. ст. (20 оС). Реагує з рядом елементів і з органічними сполуками. У воді гідролізується з утворенням НBr і HBrO3. В технічному бромі можуть вміщуватися домішки різних органічних сполук.

Добування. Хлорування бурових вод нафтових скважин, маточних лугів від переробки мінералів карілліта та сильвіниту, океанської води, рапи деяких озер, з наступною відгонкою брому.

Токсична дія. Подразнює дихальні шляхи. Може викликати подразнення легенів. Можливо, Br2 реагує з вологою на тканинах дихальних шляхів, і подразнюючу дію виявляють утворені при цьому О2 та НСl, а можливо, і більш складні сполуки. У крові порушується вміст вільних амінокислот, у крові та органах — активність деяких оксидаз. Після вдихання невеликої концентрації - кашель, запаморочення, головна біль, носові кровотечі. При більш високих концентраціях — коричневе забарвлення ротової порожнини, характерний запах повітря при видиханні, нежить, кашель, бронхіальна астма. Рідкий бром діє на шкіру припалює її, та забарвлює її у жовтий колір. Припустима концентрація 0,5 мг/м3. При роботі необхідно мати захисні окуляри, гумові рукавички.

4.2 Хлорид алюмінію Застосовується як каталізатор, при фарбуванні хутра, виготовленні замазочних масел. Отримують з глинозему, каоліну, бокситів чи глини з коксом та смолою обробленою газоподібним хлором 650−850 оС, чистий АlCl3- взаємодією Аl з хлором.

Фізичні та хімічні властивості. Безбарвні кристали. Возгоняється не плавлячись; густина 2,44; тиск пари 1 мм. рт. ст. (100 оС). розчинність у воді 44,38 г/100 г (25 оС). Внаслідок гідролізу димить на повітрі[7].

4.3 Лакриматори Дія цих речовин на організм складається з подразнення слизистих оболонок очей та носоглотки, що приводить до обильного сльозовиділенню, спазму вік, обільного виділення з носу. Вказані ефекти проявляються майже зразу — на протязі декількох секунд. Лакриматори подразнюють нервові закінчення, розміщенні у коньюктиві та роговиці ока, а вони викликають захисну реакцію: необхідність сльозами змити подразник та закриття повік яке, може перейти у спазм. Якщо очі закрити, то сльози будуть виділятися крізь ніс, змішуючись з виділеннями із самого носу. Руйнування слизистих оболонок при дії низьких концентрацій сльозогіних газів не відбувається, саме тому після завершення їх дії всі функції відновлюються. Хоча тривале застосування лакриматорів може призвести до розвиненню світлобоязні, яка триває декілька діб.

Послідовність появи признаків ураження залежить від типу лакриматору, його дози та способу застосування. Спочатку виникає легке подразнення слизистих оболонок, слабке сльозовиділення, а потім сильне сльозовиділення з обільними виділеннями з носу, різь у очах, спазми повік, та при тривалому отруєнні — тимчасова сліпота (при використані лакриматорів шкіряно — наривної дії можлива часткова чи повна втрата зору). Дуже небезпечне пряме попадання сильної струї деяких типів лакриматорів прямо у вічі — на цьому заснований принцип урожаючої дії у газових балонах. Найбільш відомі такі лакриматори, як хлорциани, бромбензилцианіди, хлорпікрин які використовуються у якості бойової отруєної речовини. Окрім сльозогінного, ці рече вони мають ще загально отруєною (хлорциан), удушливу (всі лакриматори), шкіряно-наривну дію.

Симптоми ураження швидко проходять при завершенні дії лакриматорів. Полегшує стан промивання очей, борною кислотою чи альбуцидом, а носоглотки — слабким (2%) розчином питної соди. В тяжких випадках використовують сильні анальгетики — промедол, морфін, у очі закапують 1%-ный раствор етилморфіну. Необхідно прийняти заходи для видалення крапель мало летких сльозогіних речовин з поверхні тіла та одягу, в яку вони інтенсивно всмоктуються, якщо цього не зробити вчасно, то отруєння може повторитися знову.

ВИСНОВКИ

1. Обрано оптимальну методику бромування ацетофенонів.

2. Синтезовано необхідну кількість похідних фенацилброміду для подальших досліджень в ряду триазоло[4,5-с]піридину.

Література

1. Франке З. «Химия отравляющих веществ» М, «Химия», 1973 г. С. 71−76.

3. Агрономов А. Е, Шабаров Ю. С., «Лабораторные работы в органическом практикуме» Изд.-2е, пер. И доп., М, «Химия», 1974 г. С. 171.

4. Титце Препаративна Органічна хімія 1999

5. Абрамянц М. Г., «Синтез фенацилбромидов»: ИнФОУ, 1997, С. 7−8.

6. Беккер Г., Бергер В., Пер. с нем. В. М. Потапов. «Практикум по органической химии.» Том ІІ, М, «Мир», 1979 г. С. 173.

7. «Вредные вещества в промышлености.» Под ред. проф. Н.В.Лазарєва Изд.-7е, пер. и доп. Т.ІІІ. «Неорганические и елементорганические соединения.» Л," Химия", 1977 г. С. 256−259.

.ur