Номер 249, страница 130 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.249. Ниже представлен синтез известного местного анестетика прокаина из nара-нитротолуола:

Приведите структурные формулы веществ А–В и прокаина, а также составьте уравнения всех стадий синтеза. Какую роль выполняет триэтиламин на третьей стадии?

Приведите структурные формулы веществ А—В и прокаина, а также составьте уравнения всех стадий синтеза.

Стадия 1: Окисление пара-нитротолуола
На первой стадии пара-нитротолуол окисляется сильным окислителем (дихромат калия в серной кислоте) до пара-нитробензойной кислоты (вещество А). В этих условиях алифатическая боковая цепь (метильная группа) окисляется до карбоксильной группы, в то время как нитрогруппа и ароматическое кольцо остаются незатронутыми.

Вещество А – пара-нитробензойная кислота. Его структурная формула:
$O_2N-C_6H_4-COOH$

Уравнение реакции:
$p\text{-}NO_2\text{-}C_6H_4\text{-}CH_3 + K_2Cr_2O_7 + 4H_2SO_4 \xrightarrow{t} p\text{-}NO_2\text{-}C_6H_4\text{-}COOH + K_2SO_4 + Cr_2(SO_4)_3 + 5H_2O$

Стадия 2: Получение хлорангидрида
Пара-нитробензойная кислота (А) реагирует с тионилхлоридом ($SOCl_2$). В результате этой реакции гидроксильная группа $(–OH)$ карбоксильной группы замещается на атом хлора с образованием хлорангидрида пара-нитробензойной кислоты (вещество Б).

Вещество Б – хлорангидрид пара-нитробензойной кислоты. Его структурная формула:
$O_2N-C_6H_4-COCl$

Уравнение реакции:
$p\text{-}NO_2\text{-}C_6H_4\text{-}COOH + SOCl_2 \rightarrow p\text{-}NO_2\text{-}C_6H_4\text{-}COCl + SO_2\uparrow + HCl\uparrow$

Стадия 3: Этерификация
Хлорангидрид Б вступает в реакцию со спиртом N,N-диэтилэтаноламином. Атом кислорода спиртовой группы атакует карбонильный углерод хлорангидрида, что приводит к образованию сложного эфира (вещество В) и выделению хлороводорода.

Вещество В – 2-(диэтиламино)этил-4-нитробензоат. Его структурная формула:
$O_2N-C_6H_4-COO-CH_2CH_2-N(C_2H_5)_2$

Уравнение реакции:
$p\text{-}NO_2\text{-}C_6H_4\text{-}COCl + HOCH_2CH_2N(C_2H_5)_2 \xrightarrow{(C_2H_5)_3N} p\text{-}NO_2\text{-}C_6H_4\text{-}COOCH_2CH_2N(C_2H_5)_2 + HCl$

Стадия 4: Восстановление нитрогруппы
На заключительной стадии нитрогруппа в веществе В восстанавливается до аминогруппы с помощью каталитического гидрирования (водород в присутствии никелевого катализатора). В результате образуется конечный продукт – прокаин.

Прокаин – 2-(диэтиламино)этил-4-аминобензоат. Его структурная формула:
$H_2N-C_6H_4-COO-CH_2CH_2-N(C_2H_5)_2$

Уравнение реакции:
$p\text{-}NO_2\text{-}C_6H_4\text{-}COOCH_2CH_2N(C_2H_5)_2 + 3H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} p\text{-}NH_2\text{-}C_6H_4\text{-}COOCH_2CH_2N(C_2H_5)_2 + 2H_2O$

Ответ: Структурные формулы веществ А, Б, В и прокаина, а также уравнения всех стадий синтеза приведены выше.

Какую роль выполняет триэтиламин на третьей стадии?

На третьей стадии синтеза, в реакции этерификации между хлорангидридом пара-нитробензойной кислоты (Б) и N,N-диэтилэтаноламином, в качестве побочного продукта образуется хлороводород ($HCl$). N,N-диэтилэтаноламин и продукт реакции (вещество В) содержат третичную аминогруппу, которая является основной. Выделяющийся $HCl$ мог бы протонировать эти аминогруппы, образуя соли. Это привело бы к снижению реакционной способности реагента и уменьшению выхода целевого продукта, так как равновесие реакции смещалось бы влево.

Для предотвращения этого в реакционную смесь добавляют триэтиламин $( (C_2H_5)_3N )$. Триэтиламин — это органическое основание, которое из-за стерических препятствий (объемные этильные группы) не реагирует с хлорангидридом, но эффективно связывает кислый хлороводород, образуя соль — хлорид триэтиламмония.

$(C_2H_5)_3N + HCl \rightarrow [(C_2H_5)_3NH]^+Cl^-$

Таким образом, триэтиламин выполняет роль акцептора (связывающего агента) протонов (в виде $HCl$). Это позволяет нейтрализовать побочный продукт, предотвратить нежелательные реакции и сместить химическое равновесие в сторону образования сложного эфира, тем самым увеличивая выход продукта.

Ответ: Триэтиламин выполняет роль основания, которое связывает побочный продукт реакции (хлороводород), предотвращает протонирование аминогрупп в реагенте и продукте и смещает равновесие реакции в сторону образования целевого вещества.