Ароматические имины и их комплексы с переходными металлами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ароматические имины и их комплексы с переходными металлами

Автор:

Рыбакова Надежда

Руководитель: Ройтерштейн Д. М.

Москва

2013

Оглавление

Введение

§1. Карбонильные соединения.

1. Что такое карбонильные соединения

2. Реакции присоединения по двойной связи С=О

3. Реакция образования иминов

§2. Практическая часть.

1. Получение ароматических иминов

2. Получение комплексов иминов с переходными металлами

3. Обсуждение результатов

Заключение

Список литературы

Введение

В ходе своего исследования я подробнее ознакомлюсь с карбонильными соединениями - альдегидами и кетонами, а также с реакциями присоединения по двойной связи С=О и реакцией образования иминов. При выполнении практической части работы я постараюсь справиться с поставленными задачами и достичь конечной цели исследования.

Актуальность темы: Данная тема не изучается в школьном профильном курсе, однако рассмотрение теоретического материала по данному вопросу и полученные в ходе лабораторной работы навыки помогут в изучении химии в дальнейшем. Полученные в ходе исследования соединения имеют также практическую ценность, например, комплексные соединения иминов с европием обладают люминесцентными свойствами и могут использоваться в производстве светодиодов.

Цель: получение ароматических иминов на основе ортоаминофенола и ортоанизидина и их комплексов с переходными металлами.

Задачи:

1. Ознакомление с литературой по химии по теме «Нуклеофильное присоединение по двойной связи С=О», составление небольшого реферата по прочитанному материалу.

2. Освоение основных методов работы в химической лаборатории с помощью проведения экспериментов в лаборатории органической химии в МГПУ ИЕН.

3. Получение иминов реакцией нуклеофильного присоединения ароматических аминов к карбонильным соединениям.

4. Выделение в индивидуальном виде полученных иминов и подтверждение их строения.

5. Получение комплексов иминов с металлами и доказательство их индивидуальности.

§1. Карбонильные соединения

1. Что такое карбонильные соединения

карбонильный соединение нуклеофильный амин

Карбонильными соединениями называют алифатические (ациклические, не имеющие цикла), ароматические (циклические) или смешанные органические соединения, содержащие группу C=O (карбонильную группу). «Соединения, в которых карбонильная группа соединена с двумя радикалами, называют кетонами. Соединения, где карбонильная группа соединена с одним радикалом и одним атомом водорода, называются альдегидами.» [7]

Простейший альдегид - формальдегид (HCOH). Наличие в этом соединении валентных углов, близких к 120 °, указывает на sp2-гибридизацию карбонильного углерода. В формальдегиде углерод образует 3 у-связи с двумя атомами водорода и кислородом. В карбонильной группе также возникает р-связь (результат перекрывания не участвующей в гибридизации р-орбитали углерода и р-орбитали кислорода).

Кислород обладает более высокой электроотрицательностью, чем углерод. Вследствие этого электроны у- и р- связи углерода сильно смещены к атому кислорода. На атоме углерода образуется частичный положительный заряд д+, а на атоме кислорода образуется частичный отрицательный заряд д-. «Другими словами, карбонильная группа обладает высокой полярностью» [7].

Активность карбонильной группы определяется величиной частичного положительного заряда д+ на карбонильном атоме углерода. Она также сильно зависит от природы заместителей R и R1. «С усилением электроноакцепторных свойств этих заместителей карбонильная активность увеличивается, а с усилением электронодонорных свойств - уменьшается» [5]. Отсюда можно сделать вывод, что альдегиды более активны, чем кетоны.

2. Реакции присоединения по двойной связи С=О.

«Химическим следствием полярности карбонильной группы являются разнообразные реакции присоединения различных полярных агентов по карбонильной группе» [7]. Количество реакций по C=O связи намного превосходит число реакций присоединения по кратной углерод-углеродной связи (для последних реакций характерен электрофильный механизм присоединения). Активностью карбонильной группы определяется легкость взаимодействия карбонильных соединений с нуклеофильными агентами.

Нуклеофилом в химии называется такой реагент, который образует химическую связь с электрофилом, предоставляя электронную пару, образующую новую связь. Такая реакция проходит по донорно-акцепторному механизму. Присоединение нуклеофильного агента по карбонильной группе - обратимый процесс. Примеры нуклеофильных агентов:

· нейтральные молекулы (аммиак, первичные и вторичные амины, вода, спирты и др.)

· анионы (CN-, HSO3-, H- и др.)

Нуклеофильный агент атакует карбонильный атом углерода перпендикулярно плоскости двойной связи, при этом углерод изменяет свою гибридизацию с sp2 до sp3.



Присоединение нуклеофильных агентов по карбонильной группе является обратимым процессом практически во всех случаях. Исключение составляет реакция восстановления карбонильной группы с помощью комплексных гидридов LiAlН4; NaBH4; LiBH4, с образованием первичных или вторичных спиртов, а также присоединение металлоорганических соединений.

Реакции присоединения по двойной связи в карбонильных соединениях относят к реакции нуклеофильного присоединения AN.

Альдегиды более реакционноспособны в реакциях присоединения нуклеофильных реагентов по сравнению с кетонами. Более высокая реакционная способность альдегидов отчасти связана с отсутствием стерических (геометрических) препятствий для атаки нуклеофильного агента. В кетонах две алкильные группы создают препятствия для образования продукта присоединения, это объясняется пространственным строением молекул.

Реакция с водой [2]. Альдегиды и в значительно меньшей степени кетоны обратимо присоединяют воду, образуя гидратные формы (гем-диолы):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механизм гидратации карбонильных соединений изучен очень подробно, поскольку эта реакция моделирует другие, более сложные процессы нуклеофильного присоединения к карбонильной группе.

В первой, быстрой, стадии происходит образование комплекса кислоты НВ с карбонильной группой, в котором резко усиливается электрофильный характер карбонильного углерода. Во второй, медленной стадии, определяющей скорость всего процесса, к этому комплексу присоединяется вода. Завершается процесс гидратации депротонированием образовавшейся во второй стадии частицы.

Образующиеся гидратные формы обычно неустойчивы, выделить их не удается.

Реакция со спиртами. Спирты обратимо присоединяются к карбонильным соединениям с образованием полуацеталей:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полуацетали при взаимодействии со второй молекулой спирта превращаются в ацетали (или кетали - если карбонильное соединение - кетон):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ацетали получают из альдегидов или кетонов в присутствии кислоты. Реакция начинается с протонирования молекулы карбонильного соединения. «Протонированная частица легче реагирует с таким слабым нуклеофилом, как молекула спирта» [6]. После присоединения спирта происходит отщепление протона (возврат катализатора) от оксониевого иона и образуется полуацеталь. Дальнейшее превращение полуацеталя в ацеталь протекает только в условиях кислотного катализа и представляет собой реакцию мономолекулярного нуклеофильного замещения. Молекула полуацеталя протонируется по гидроксильной группе, которая при этом превращается в хорошую уходящую группу -- молекулу воды. После отщепления воды возникает карбокатион (II), стабилизированный при участии неподеленной пары электронов атома кислорода этоксигруппы. К карбокатиону присоединяется нуклеофил (молекула спирта), затем отщепляется протон, и образуется конечный продукт.



Для кетонов равновесие смещено в сторону исходных реагентов, и для получения кеталей требуется применять «специальные» методы, например азеотропную отгонку воды с толуолом или ксилолом.

В современной синтетической практике для получения и ацеталей, и кеталей применяют этиленгликоль, 1,3-пропиленгликоль или 2,2-диметил-1,3-пропандиол с азеотропной отгонкой воды в присутствии п-толуолсульфокислоты в качестве катализатора:

Ацетали и кетали нашли широкое применение в качестве защитной группы для карбонила альдегида и кетона. Ацетали и кетали относятся к классу простых эфиров с двумя алкоксильными группами у одного атома углерода. Подобно другим простым эфирам они стабильны по отношению к сильным основаниям - магний- и литийорганическим соединениям, гидриду и амиду натрия, комплексным гидридам и др. Это позволяет для бифункциональных соединений, содержащих карбонильную группу, осуществлять избирательное превращение с участием другой группы, что можно проиллюстрировать двумя следующими примерами:

Присоединение гидросульфитов служит для выделения альдегидов из смесей с другими веществами и для получения их в чистом виде, поскольку полученное сульфопроизводное очень легко гидролизуется:

В эту реакцию вступают большинство альдегидов, метилкетоны и циклические кетоны. Реакцию проводят с насыщенным раствором гидросульфита натрия, при этом выпадает осадок кристаллического гидросульфитного производного.

Присоединение реактивов Гриньяра [5]. Взаимодействие альдегидов и кетонов с магнийорганическими соединениями RMgHal (реактив Гриньяра) является одним из универсальных способов получения спиртов: из формальдегида получают первичные спирты, из других альдегидов - вторичные спирты, а из кетонов - третичные.

По Гриньяру реакцию с использованием магния проводят в две стадии. Сначала к магниевой стружке в абсолютном диэтиловом эфире прибавляют по каплям эфирный раствор алкилгалогенида. Вскоре начинается экзотермическая реакция, эфир закипает, а магний постепенно переходит в раствор, образуя магнийорганическое соединение состава RMgX (реактив Гриньяра).

На следующей стадии к полученному эфирному раствору реактива Гриньяра добавляют карбонильное соединение и после разложения водой или разбавленной минеральной кислотой для растворения основной соли магния выделяют соответствующий спирт (реакция Гриньяра).

Реактив Гриньяра как нуклеофил легко атакует карбонильный углерод, имеющий частичный положительный заряд, смещая пи-электроны на кислород. В результате этого происходит присоединение частицы RMgX по двойной связи карбонильной группы с образованием магниевого алкоголята, гидролиз которого приводит к получению спирта:

Присоединение циановодорода. Альдегиды и пространственно незатрудненные кетоны присоединяют цианистый водород с образованием циангидринов:



Механизм этой реакции был установлен Лепуортом в 1904 г. Фактически это была первая органическая реакция, для которой был детально изучен механизм превращения. Лепуорт обнаружил, что реакция обратима, а скорость ее прямо пропорциональна концентрации карбонильного соединения, цианистого водорода и основания. Цианистоводородная (синильная) кислота является слабой кислотой Образующийся при ее депротонировании цианид-ион присоединяется к карбонильному углероду, происходит протонирование образовавшейся частицы:



В органическом синтезе циангидрины широко применяются для синтеза альфа, бета-ненасыщенных соединений, альфа-оксикислот и б-аминокислот:

Реакции с азотсодержащими нуклеофилами. Альдегиды и кетоны взаимодействуют с различными соединениями, содержащими аминогруппу, при этом нуклеофильное присоединение чаще всего сопровождается отщеплением воды:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реакция катализируется как кислотами, так и основаниями, соответственно и гидролиз полученных производных может осуществляться в кислой и щелочной средах. Присоединение нуклеофила к карбонильному соединению протекает через биполярный ион (I) и приводит к образованию неустойчивого гем-аминоспирта (II), который затем подвергается дегидратации в конечный продукт. Такой ход реакций альдегидов и кетонов с соединениями, содержащими аминогруппу, обусловливает их общее название как реакций присоединения--отщепления:

Реакция с гидразином. При взаимодействии альдегидов и кетонов с гидразином и замещенными гидразинами получаются гидразоны. Свободная аминогруппа гидразона способна вступать в реакцию со второй молекулой карбонильного соединения с образованием азина, поэтому гидразоны в большинстве случаев бывает трудно выделить.

Пункт 2 написан на основе источников литературы 2 и 6 (см. Список литературы).

3. Реакция образования иминов

При взаимодействии альдегидов и кетонов с первичными аминами образуются N-замещенные имины или основания Шиффа (азометины):

Механизм реакции достаточно сложен:

Имины, полученные из алифатических аминов и алифатических карбонильных соединений, обычно малоустойчивы, быстро разлагаются или полимеризуются. Производные ароматических аминов или ароматических альдегидов более стабильны. Образование иминов происходит в ряде биохимических реакций, например, на одной из стадий зрительного цикла.

Пункт 3 написан на основе источников литературы 3 и 5 (см. Список литературы).

Ознакомление с реакциями присоединения по двойной связи С=О позволяет лучше понять реакцию образования иминов, которая является частным случаем реакций нуклеофильного присоединения по двойной связи. Именно эта реакция необходима для выполнения практической части исследования. Мы получили ароматические имины на основе ортоаминофенола и ортоанизидина:



Полученные соединения: 2-(2-гидроксофенилиминометил)-анизол и 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенол.

§2. Практическая часть

1. Получение ароматических иминов

Получение 2-(2-гидроксифенилиминометил)-анизола.

(HOC6H4N=CHC6H4OCH3)

В круглодонную колбу на 250 мл с насадкой Дина-Старка поместили 6,80 г (0,05 моль) о-метоксибензальдегида, 5,45 г (0,05 моль) о-аминофенола, 82 мл толуола и 0,20 г п-ксилолсульфокислоты. Кипятили при перемешивании с обратным холодильником (водоотделителем). Прекратили кипячение после прекращения выделения воды (объем выделившейся воды 0,90 мл). Получили раствор темно-коричневого цвета. Для удаления п-ксилолсульфокислоты реакционную смесь промыли насыщенным раствором NaHCO3, затем разделили слои на делительной воронке, нижний водный слой отбросили. Промыли дистиллированной водой. Органический слой высушили над безводным сульфатом натрия. Отогнали толуол на роторном испарителе и остаток перекристаллизовали из этанола (50 мл) и высушили на воздухе. Перенесли полученный остаток на фильтр и промыли. Растворили сухой остаток в 70 мл хлористого метилена. Прилили к 500 мл петролейного эфира. Отделили выпавший твердый осадок с помощью фильтрования.

Получено: 5,20 г (40 %) в виде темно-коричневых кристаллов.

ЯМР-спектр: 3,9 (с, 3 Н); 6,8-8,2 (м, 8 Н); 9,2 (с, 1 Н).

Получение 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенола.

(H3COC6H4N=CHC6H4OH)

В круглодонную колбу на 250 мл с насадкой Дина-Старка поместили 6,10 г (0,05 моль) салицилового альдегида, 6,15 г (0,05 моль) о-анизидина, 70 мл толуола, 0,20 г п-ксилолсульфокислоты. Кипятили при перемешивании с обратным холодильником (водоотделителем). Прекратили кипячение после прекращения выделения воды (объем выделившейся воды 0,90 мл). Получили раствор темно-желтого цвета. Для удаления п-ксилолсульфокислоты реакционную смесь промыли насыщенным раствором NaHCO3, затем разделили слои на делительной воронке, нижний водный слой отбросили. Промыли дистиллированной водой. Органический слой высушили над безводным сульфатом натрия. Отогнали толуол на роторном испарителе, и остаток перекристаллизовали из изопропилового спирта (30 мл) и высушили на воздухе.

Получено: 8,11 г (71 %) в виде темно-желтых кристаллов, tпл.=58-60°С.

ЯМР-спектр: 3,8 (с, 3 Н); 6,9-7,4 (м, 8 Н); 8,7 (с, 1 Н); 13,8 (с, 1 Н).

2. Получение комплексов иминов с переходными металлами

Получение комплекса 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенола с неодимом.

0,25 г (0,00112 моль) 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенола растворили в 4 мл этанола. 0,20 г кристаллогидрата хлорида неодима (NdCl3 ? 6H2O) растворили в 3 мл этанола. Нагрели пробирки с растворами до полного растворения веществ и смешали растворы. Оставили в холодильнике на 2 недели при температуре -12°С. Кристаллы выпали. Отделили образовавшиеся кристаллы от маточного раствора с помощью пипетки. Кристаллы высушили на воздухе.

Получение комплекса 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенола с медью.

0,53 г (0,002 моль) 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенола растворили в 4 мл этанола. 0,20 г кристаллогидрата хлорида меди (CuCl2 ? 2H2O) растворили в 3 мл этанола. Нагрели пробирки c растворами до полного растворения веществ и смешали растворы. Профильтровали раствор, затем промыли абсолютным спиртом. Оставили в холодильнике на 3 недели при t° -12°С. Кристаллы выпали. Быстро, не давая раствору нагреться, отделили выпавшие кристаллы от маточного раствора с помощью пипетки. Кристаллы высушили на воздухе.

Получено: 0,33 (50 %) г в виде темно-зеленых кристаллов.

Для CuCl2C28H28N2O5:

Вычислено (%): C 55,35; H 4.61; N 4.61.

Найдено (%): C 55,35; H 4.49; N 4.61.

Получение комплекса 2-(2-гидроксофенилиминометил)-анизола с неодимом.

0,25 г (0,00112 моль) 2,2-гидроксофенилиминометиланизола растворили в 4 мл этанола. 0,20 г кристаллогидрата хлорида неодима (NdCl3 ? 6H2O) растворили в 3 мл этанола. Нагрели пробирки с растворами до полного растворения веществ и смешали растворы. Поместили на магнитную мешалку на 1 час. Оставили в холодильнике на 3 недели при температуре -12°С. Образование комплекса не наблюдалось.

Получение комплекса

2-(2-гидроксофенилиминометил)-анизола с медью.

0,53 г (0,002 моль) 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенола растворили в 4 мл этанола. 0,20 г кристаллогидрата хлорида меди (CuCl2 ? 2H2O) растворили в 3 мл этанола. Нагрели пробирки c растворами до полного растворения веществ и смешали растворы. Поместили на магнитную мешалку на 1 час. Оставили в холодильнике на 3 недели при t° -12°С. Кристаллы выпали. Быстро, не давая раствору нагреться, отделили выпавшие кристаллы от маточного раствора с помощью пипетки. Кристаллы высушили на воздухе.

Получено: 0,15 г (30 %) в виде темно-коричневых кристаллов.

Для CuCl2C28H28N2O5:

Вычислено (%):C 55,35; H 4.61; N 4.61.

Найдено (%): C 57,89; H 4,33; N 4,39.

3. Обсуждение результатов

Основной целью нашей практической работы было получение ароматических иминов (которые относятся к основаниям Шиффа). Основания Шиффа синтезируется из ароматических аминов и карбонильных соединений. Реакция протекает по механизму нуклеофильного присоединения:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Амин присоединяется к углероду карбонильной группы. Поэтому для проведения синтеза мы брали ароматические амины (о-аминофенол, о-анизидин) и соединения, содержащие карбонильную группу (о-метоксибензальдегид, салициловый альдегид). Наличие карбонильной группы обеспечивает протекание реакции нуклеофильного присоединения по двойной связи C=O.

2. Следующая стадия механизма протекания реакции: происходит дегидратация соединения до имина. Реакция обратима, поэтому в процессе синтеза мы удаляли воду в реакционной системе для смещения равновесия в сторону получения продуктов.

Реакции получения ароматических иминов:



Индивидуальность полученных нами соединений была подтверждена с помощью сопоставления температуры их плавления с литературными данными. Данные в статье [1] для C14H13NO2: 57-58°С. Полученные нами данные: 58-60°С.

Строение полученных соединений было подтверждено с помощью спектров ЯМР. Анализируя спектр 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенола, мы видим синглет протонов метильной группы, мультиплет протонов ароматических колец, синглет протона при двойной связи C=N, синглет протона гидроксильной группы. Анализируя спектр 2-(2-гидроксофенилиминометил)-анизола, мы видим синглет протонов метильной группы, мультиплет протонов ароматических колец, синглет протона при двойной связи C=N.

Также в цели нашего исследования входило получение комплексов синтезированных нами ароматических иминов с переходными металлами. Для наиболее успешного получения комплексов были выбраны именно эти лиганды, так как в их состав входят 2 атома кислорода (O) и 1 атом азота (N). Все эти атомы обладают неподеленными электронными парами, следовательно, такой лиганд может быть координирован с металлом тремя атомами одновременно.

Для получения комплексов мы использовали разные переходные металлы - медь (Cu) и неодим (Nd). Реакции проводили в одинаковых условиях. Мы растворяли вещества в этиловом спирте, так как он является универсальным растворителем для органических и неорганических соединений. Растворы сливали, нагревали, затем охлаждали до получения кристаллов.

Уравнение реакции для получения комплексов с медью:

CuCl2 ? H2O + 2L CuCl2L2 ? H2O,

где L: 2-(2-гидроксофенилиминометил)-анизол, 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенол.

Был проведен химический анализ для установления состава комплексов. По данным элементного анализа комплексы 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенола с медью и 2-(2-гидроксифенилиминометил)-анизола с медью соответствует формуле: CuCl2C28H28N2O4. По-видимому, каждый из комплексов на один атом меди содержит 2 лиганда, а также координированную молекулу воды.

По данным элементного анализа для продуктов реакции 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенола с хлоридом неодима можно сделать вывод, что реакция не прошла, потому что элементный состав выделенного продукта соответствует составу лиганда, вступавшего в реакцию.

Можно сделать вывод, что полученные нами лиганды хороши для получения комплексов с медью, но они не подходят для получения комплексов с неодимом.

Заключение

В процессе работы мы освоили основные приемы органического синтеза. Мы получили следующие ароматические имины: 2-(2-гидроксифенилиминометил)-анизол (HOC6H4N=CHC6H4OCH3) и 2-(2-метоксифенил)-иминометилфенол (H3COC6H4N=CHC6H4OH). Используя эти вещества как лиганды, мы получили их комплексы с медью.

Список литературы

1. R. V. Singh and J. P. Tandon. N-Substituted Salicylaldimines Derivatives of Germanium (IV) - Monatshefte fur Chemie 111, 1391-1397 (1980), Table 1, 2; p. 1393-1394.

2. В. Л. Белобородов, С. Э. Зурабян, А. П. Лузин, Н. А. Тюкавкина; Под ред. Тюкавкиной Н.А. Органическая химия: Учеб. для вузов: В 2 кн. / - 2-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2003. - Кн. 1. Основной курс.

3. Грандберг К.И., Мелешонкова Н.Н., Миняев М.Е., Ройтерштейн Д.М. Программа и основное содержание лабораторного практикума по курсу «Органический синтез». - Для студентов Химико-биологического факультета МГПУ, стр. 3-10.

4. И. Э. Нифатьев, П. В. Ивченко. Практический курс спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Методическая разработка. - М.: 2006.

5. М.А. Юровская, А. В. Куркин. Основы органической химии. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - стр. 123-136.

6. Н. С. Яресько, В. П. Горбунова, Л. С. Красавина, И. В. Манакова, Д. И. Дмитриевская, Н. Г. Луценко, О. Б. Сафронова, В. Ф. Травень. Органическая химия для учащихся школ с углубленным изучением химии. Учебное пособие, 3-е издание - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2011, стр. 134-144.

7. Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия. - глава 16.

Размещено на Allbest.ru

...