Нитроалканы
Общие сведения
Нитроалканы представляют собой класс органических соединений, в которых нитрогруппа непосредственно присоединена к насыщенному атому углерода алкильного радикала. По своим химическим свойствам и методам синтеза данные вещества фундаментально отличаются от ароматических нитросоединений. Благодаря наличию сильной электроноакцепторной нитрогруппы, углерод-водородные связи в альфа-положении приобретают повышенную кислотность, что обуславливает исключительную реакционную способность нитроалканов. Ввиду этого они выступают крайне ценными промежуточными продуктами (интермедиатами) в тонком органическом синтезе, открывая пути для получения разнообразных классов органических веществ, включая сложные альдегиды, кетоны, оксимы и различные непредельные функциональные соединения.
Классификация
Классификация нитроалканов традиционно основывается на степени замещенности атома углерода, с которым связана нитрогруппа. Выделяют первичные нитроалканы, в которых функциональная группа находится у первичного углеродного атома, вторичные нитроалканы с нитрогруппой при вторичном атоме углерода и третичные нитроалканы. Данное структурное деление имеет критическое значение, поскольку оно напрямую определяет химическое поведение молекул в реакциях таутомеризации, нитрозирования, окисления и кислотного расщепления. В частности, третичные нитроалканы лишены подвижного атома водорода в альфа-положении, вследствие чего они не способны образовывать аци-форму и не вступают во многие реакции, характерные для их первичных и вторичных гомологов.
Способы получения
Методология синтеза нитроалканов включает ряд специфических химических процессов. Прямое нитрование алканов может быть осуществлено при высоких температурах (500–700 градусов Цельсия) с использованием водной азотной кислоты с концентрацией 50–70 процентов, либо при воздействии тетраоксида диазота при температуре 300–500 градусов Цельсия. Данный метод применяется ограниченно и только для синтеза простейших нитроалканов, поскольку жесткие термические условия провоцируют крекинг углеводородного скелета, что приводит к образованию сложных, трудноразделяемых смесей продуктов.
Исторически важным методом синтеза первичных нитроалканов является реакция алкилирования нитрит-иона, открытая Виктором Мейером в 1872 году. Процесс заключается во взаимодействии нитрита серебра с первичными или вторичными алкилбромидами либо алкилиодидами в среде эфира, петролейного эфира или без растворителя при комнатной температуре либо при охлаждении (около нуля градусов Цельсия). Алкилхлориды в реакции не используются из-за их химической инертности в данных условиях. Поскольку нитрит-ион является амбидентным нуклеофилом (содержит два нуклеофильных центра — атомы кислорода и азота, не объединенные в единую сопряженную систему), реакция дает смесь целевого нитроалкана и алкилнитрита. Метод Мейера обеспечивает высокий выход первичных нитроалканов (75–85 процентов), однако считается малопригодным для получения вторичных (выход около 15 процентов) и третичных (около 5 процентов) производных.
Для эффективного синтеза вторичных нитроалканов, а также альфа, омега-динитроалканов и нитрозамещенных кетонов применяется реакция Корнблюма, разработанная в 1955 году. В основе метода лежит алкилирование нитритов щелочных металлов (преимущественно нитрита натрия) первичными или вторичными алкилгалогенидами в диполярных апротонных растворителях (диметилформамиде или диметилсульфоксиде). Для предотвращения побочного нитрозирования нитроалкана параллельно образующимся алкилнитритом в реакционную массу добавляют специальные акцепторы: мочевину, фенолы, резорцин или флороглюцин. В этих условиях выход первичных нитроалканов снижается до 60 процентов, однако выход вторичных нитроалканов значительно повышается. Третичные алкилгалогениды в данных условиях подвергаются реакции элиминирования и нитроалканов не образуют. Метод Корнблюма также позволяет с высоким выходом (60–80 процентов) превращать эфиры альфа-галогензамещенных карбоновых кислот в эфиры альфа-нитрозамещенных кислот.
Альтернативным подходом является окисление азотсодержащих соединений. Оксимы кетонов успешно окисляются трифторпероксусной кислотой в ацетонитриле. Реакция протекает через промежуточное образование аци-формы нитросоединения, которая в кислой среде изомеризуется в целевой нитроалкан. Аналогичным путем окисляются первичные амины под действием пероксусной или мета-хлорнадбензойной кислоты.
Для целенаправленного получения нитрометана применяется реакция Кольбе: взаимодействие хлорацетата натрия с нитритом натрия в нагретом (до 80 градусов Цельсия) водном растворе. Процесс сопровождается образованием аниона нитроуксусной кислоты, который в дальнейшем декарбоксилируется до нитрометана с выходом около 38 процентов. Классический метод Кольбе неэффективен для получения гомологов нитрометана, однако на его фундаментальной основе разработан общий метод синтеза высших нитроалканов. В рамках данного подхода дианионы карбоновых кислот подвергаются нитрованию алкилнитратами. Последующее декарбоксилирование образующихся альфа-нитрозамещенных кислот приводит к получению соответствующих нитроалканов с препаративным выходом 45–65 процентов.
Свойства
Фундаментальным физико-химическим свойством первичных и вторичных нитроалканов является их способность к таутомерии. Соединения существуют в динамическом равновесии с аци-формой (нитроновой кислотой). Таутомерные переходы катализируются как присутствием кислот, так и оснований. Аци-форма (например, фенилнитрометана) окрашивается в интенсивный красный цвет при взаимодействии с хлоридом железа(III) и способна титроваться бромом, что используется для аналитической идентификации.
При воздействии оснований на нитроалканы генерируется амбидентный анион, в котором отрицательный заряд распределен между атомами кислорода и углерода. Строение этого аниона во многом аналогично строению енолят-ионов карбонильных соединений, что делает схожей и их химическую реакционную способность. Нитроалканы вступают в реакции галогенирования, алкилирования, ацилирования и конденсации. Галогенирование протекает по атому углерода, причем реакцию можно селективно остановить на стадии моногалогенирования.
Качественной реакцией, позволяющей различать типы нитроалканов, является нитрозирование под действием азотистой кислоты. Первичные нитроалканы образуют бесцветные нитроловые кислоты, при добавлении к которым гидроксида натрия образуются соли ярко-красного цвета. Вторичные нитроалканы реагируют с образованием псевдонитролов, водные растворы которых имеют выраженную голубую окраску. Третичные нитроалканы с азотистой кислотой в холодной среде не реагируют.
Процессы алкилирования амбидентных солей нитроалканов могут протекать по двум направлениям. О-алкилирование приводит к образованию нитроновых эфиров (эфиров аци-формы). Эти соединения термически нестабильны и при нагревании свыше 20 градусов Цельсия распадаются на оксимы и карбонильные соединения (альдегиды — в случае первичных производных). Данный процесс имеет большое синтетическое значение для получения альдегидов путем реакции солей нитропропана с бензилгалогенидами. В случае реакции с орто- или пара-нитробензилхлоридами С-алкилирование протекает по бимолекулярному анион-радикальному механизму. Разработаны эффективные методы С-алкилирования с использованием альфа-нитрозамещенных эфиров, нитрилов и динитросоединений, что позволяет вводить заместители даже к третичному атому углерода. Обработка первичных нитроалканов эквивалентами бутиллития в тетрагидрофуране при температуре минус 100 градусов Цельсия приводит к образованию дианионов, которые способны региоселективно вступать в реакции С-ацилирования (с хлорангидридами и ангидридами) и С-алкилирования.
Первичные и вторичные нитроалканы активно участвуют в реакции Анри (открыта в 1895 году), представляющей собой конденсацию с альдегидами или кетонами. Катализаторами выступают гидроксиды, алкоксиды или карбонаты щелочных металлов. Продуктами реакции являются бета-гидроксинитроалканы, дегидратация которых дает альфа, бета-непредельные нитросоединения. Ввиду того, что кислотность нитроалканов превосходит кислотность карбонильных реагентов, реакция протекает весьма избирательно, если контролировать щелочную среду во избежание альдольной конденсации самих альдегидов.
Анионы нитроалканов способны присоединяться по кратным связям альфа, бета-непредельных карбонильных соединений, сложных эфиров и цианидов. Эта реакция, известная как присоединение по Михаэлю, является превосходным методом конструирования углеродного скелета и получения алифатических динитросоединений. Взаимодействие первичных и вторичных нитроалканов с формальдегидом и аминами приводит к реакциям аминометилирования по классическому механизму реакции Манниха.
Крайне важной в синтетическом отношении является реакция Нефа (1894 год) — расщепление солей аци-форм нитроалканов до карбонильных соединений под действием разбавленных растворов минеральных кислот при низких температурах (0–5 градусов Цельсия). В ходе этого превращения первичные нитроалканы трансформируются в альдегиды, а вторичные — в кетоны.
Применение
Спектр применения нитроалканов в химической промышленности и лабораторном синтезе чрезвычайно широк. Благодаря возможности трансформации нитрогруппы (посредством реакции Нефа или через распад нитроновых эфиров), нитроалканы служат важнейшими прекурсорами для получения карбонильных соединений, оксимов и альдегидов, особенно в тех случаях, когда целевая молекула содержит функциональные группы, чувствительные к действию классических окислителей. Реакции конденсации (реакция Анри) и присоединение по Михаэлю делают нитроалканы незаменимыми субстратами для построения длинных углеродных цепей. Они масштабно применяются в синтезе непредельных альдегидов, алифатических полинитросоединений, сложных многоядерных органических структур и аминоспиртов, находящих применение в фармацевтическом синтезе.