Номер 71, страница 145 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

4.71. Парацетамол (4-ацетаминофенол) является одним из наиболее популярных жаропонижающих препаратов. Предложите способ синтеза парацетамола из неорганических веществ.

Дано:

Неорганические вещества (например, углерод (C), оксид кальция (CaO), вода ($H_2O$), серная кислота ($H_2SO_4$), азотная кислота ($HNO_3$), железо (Fe), соляная кислота (HCl)).

Найти:

Способ синтеза парацетамола (4-ацетаминофенола).

Решение:

Синтез парацетамола, начиная с неорганических веществ, является многостадийным процессом. Ниже предложена одна из возможных последовательностей реакций.

1. Стадия 1: Синтез бензола

   Ключевым исходным органическим соединением является бензол, который можно получить из неорганических реагентов через ацетилен.

   1.1. Получение карбида кальция при сплавлении оксида кальция (из известняка $CaCO_3$) с коксом (углеродом):

   $CaO + 3C \xrightarrow{2000-2500^{\circ}C} CaC_2 + CO$

   1.2. Получение ацетилена из карбида кальция и воды:

   $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2$

   1.3. Тримеризация ацетилена в бензол над активированным углем при высокой температуре (реакция Зелинского-Казанского):

   $3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 600^{\circ}C} C_6H_6$

2. Стадия 2: Синтез фенола из бензола

   Для введения гидроксильной группы в бензольное кольцо можно использовать метод сульфирования с последующим щелочным плавлением.

   2.1. Сульфирование бензола концентрированной серной кислотой:

   $C_6H_6 + H_2SO_4 (конц.) \rightarrow C_6H_5SO_3H + H_2O$

   2.2. Полученный продукт (бензолсульфокислоту) сплавляют с гидроксидом натрия, получая фенолят натрия:

   $C_6H_5SO_3H + 2NaOH \xrightarrow{300-350^{\circ}C} C_6H_5ONa + Na_2SO_3 + H_2O$

   2.3. Фенол выделяют из его соли действием более сильной кислоты, например, угольной (пропусканием $CO_2$) или соляной:

   $C_6H_5ONa + H_2O + CO_2 \rightarrow C_6H_5OH + NaHCO_3$

3. Стадия 3: Синтез 4-аминофенола из фенола

   Эта стадия включает две последовательные реакции: нитрование и восстановление.

   3.1. Нитрование фенола разбавленной азотной кислотой. Гидроксильная группа является орто-, пара-ориентантом, поэтому образуется смесь орто- и пара-нитрофенолов. Целевым продуктом является пара-изомер.

   $C_6H_5OH + HNO_3 (разб.) \xrightarrow{t \approx 20^{\circ}C} p\text{-}HOC_6H_4NO_2 + o\text{-}HOC_6H_4NO_2 + H_2O$

   Изомеры разделяют, используя различие в их физических свойствах (например, перегонкой с водяным паром, орто-нитрофенол более летуч).

   3.2. Восстановление 4-нитрофенола до 4-аминофенола. Классическим методом является восстановление металлом в кислой среде (например, железом в соляной кислоте):

   $p\text{-}HOC_6H_4NO_2 + 3Fe + 7HCl \rightarrow [p\text{-}HOC_6H_4NH_3]Cl + 3FeCl_2 + 2H_2O$

   Далее 4-аминофенол выделяют обработкой щелочью.

4. Стадия 4: Ацетилирование 4-аминофенола

   Это заключительный этап синтеза, на котором вводится ацетильная группа. В качестве ацетилирующего агента обычно используют уксусный ангидрид или ацетилхлорид.

   4.1. Для полноты картины, уксусный ангидрид также можно синтезировать из ацетилена:

   $C_2H_2 + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} CH_3CHO$

   $2CH_3CHO + O_2 \xrightarrow{кат.} 2CH_3COOH$

   $2CH_3COOH \xrightarrow{P_2O_5, t} (CH_3CO)_2O + H_2O$

   4.2. Ацетилирование 4-аминофенола уксусным ангидридом. Реакция идет преимущественно по более нуклеофильной аминогруппе.

   $p\text{-}HOC_6H_4NH_2 + (CH_3CO)_2O \rightarrow p\text{-}HOC_6H_4NHCOCH_3 + CH_3COOH$

   Полученное вещество $p\text{-}HOC_6H_4NHCOCH_3$ — это парацетамол.

Ответ:

Предложен способ синтеза парацетамола из неорганических веществ, включающий следующие ключевые превращения: $C, CaO \rightarrow CaC_2 \rightarrow C_2H_2 \rightarrow C_6H_6 \rightarrow C_6H_5SO_3H \rightarrow C_6H_5OH \rightarrow p\text{-}HOC_6H_4NO_2 \rightarrow p\text{-}HOC_6H_4NH_2 \rightarrow p\text{-}HOC_6H_4NHCOCH_3$. Ацетилирующий агент (уксусный ангидрид) также синтезируется из ацетилена: $C_2H_2 \rightarrow CH_3CHO \rightarrow CH_3COOH \rightarrow (CH_3CO)_2O$.