Анодный синтез кольбе. Именные реакции в органической химии. Органический синтез. Механизмы химических процессов. Особенности реакции Кольбе - Шмидта

Или процесс Кольбе (названы в честь Адольфа Вильгельма Германа Кольбе и Рудольфа Шмитта ) - химическая реакция карбоксилирования фенолята натрия действием диоксида углерода в жестких условиях (давление 100 атм., температура 125 °C) с последующей обработкой продукта кислотой . В промышленности эта реакции используется для синтеза салициловой кислоты , которая является прекурсором аспирина , а также β-гидроксинафтойной и других кислот. Реакции Кольбе - Шмитта и её применению была посвящена обзорная статья .

Механизм реакции

Ключевой стадией механизма реакции Кольбе - Шмитта является нуклеофильное присоединение фенолят-иона к диоксиду углерода, что приводит к образованию соответствующего салицилата.

Направление реакции зависит от того, какой фенолят используется в качестве исходного соединения. При введении в реакцию фенолята натрия образуется орто -замещённый продукт. Это объясняется тем, что ион натрия способен стабилизировать шестичленное переходное состояние, из которого происходит электрофильная атака ароматического кольца фенола . При использовании фенолята калия образование шестичленного переходного комплекса менее выгодно, в связи с чем образуется пара -замещённый продукт.

Реакция облегчается присутствием электродонорных заместителей, так, многоатомные фенолы (флороглюцин, резорцин , пирокатехин) карбоксилируются в водном растворе карбоната калия.

Промышленным вариантом реакции Кольбе - Шмитта, использующимся для синтеза салициловой кислоты и её производных (p-амино-, 5-хлорсалициловой кислоты и пр.) является модификация Марассе - карбоксилирование смеси фенола и карбоната калия углекислым газом при 170°С и давлении 9-13 МПа.

Электролиз водных растворов солей карбоновых кислот (анодный синтез) приводит к образованию алканов:

Первой стадией процесса является анодное окисление анионов кислот до радикалов:

На катоде образуется водород и гидроксид соответствующего металла. Реакция Кольбе применима для получения как не разветвленных так и разветвленных алканов.

Упр.2. Напишите уравнения реакций получения по способу Кольбе: (а) 2,5-диметилгексана и (б) 3,4-диметилгексана.

Восстановление алкилгалогенидов

Удобным способом получения алканов является восстановление алкилгалогенидов цинком в водных растворах кислот:

В качестве восстановителей применяются и такие распространенные реагенты, как алюмогидрид лития, боргидрид натрия, натрий или литий в трет- бутиловом спирте, а также каталитическое восстановление водородом. Алкилиодиды могут быть также восстановлены путем нагревания с иодоводородной кислотой.

Декарбоксилирование карбоновых кислот (Дюма)

При нагревании карбоновых кислот со щелочами образуются алканы с числом атомов углерода на один меньше, чем у исходной кислоты:

Эта реакция может использоваться для получения лишь низших алканов, т. к. в случае использования высших карбоновых кислот образуется большое количество побочных продуктов.

Реакции алканов

По сравнению с другими классами органических соединений алканы мало реакционноспособны. Химическая инертность алканов объясняет их название “парафины”. Причиной химической устойчивости алканов является высокая прочность не полярных σ-связей С-С и С-Н. Кроме того, связи С-С и С-Н характеризуются очень низкой поляризуемостью.

В силу этого связи в алканах не проявляют склонность к гетеролитическому разрыву. На алканы не действуют концентрированные кислоты и щелочи и они не окисляются даже сильными окислителями. В то же время неполярные связи алканов способны к гомолитическому распаду.

Несмотря на то, что связь С-С менее прочная, чем связь С-Н (энергия связи С-С составляет около 88 ккал/моль, а С-Н - 98 ккал/моль), последняя разрывается с большей легкостью, так как находится на поверхности молекулы и более доступна для атаки реагентом.

Химические превращения алканов обычно проходят в результате гомолитического разрыва связи С-Н с последующим замещением атомов водорода другими атомами. Для алканов, таким образом, характерны реакции замещения.

Галогенирование

Метан, этан и другие алканы реагируют с фтором, хлором и бромом, но практически не реагируют с йодом. Реакцию между алканом и галогеном называют галогенированием.

А. Хлорирование метана

Практическое значение имеет хлорирование метана. Реакция проводится под действием освещения или при нагревании до 300 о С.

Рассмотрим механизм этой реакции на примере образования метилхлорида. Под механизмом подразумевается подробное описание процесса превращения реагентов в продукты. Установлено, что хлорирование метана проходит по радикальному цепному механизму S R .

Под действием света или тепла молекула хлора распадается на два атома хлора - два свободных радикала.

Радикал хлора, взаимодействуя с молекулой метана, отщепляет от последнего атом водорода с образованием молекулы HCl и свободного радикала метила:

СН 4 + Cl . ® CH 3 . + HCl продолжение цепи

СН 3 . + Сl-Cl ® CH 3 -Cl + Cl . продолжение цепи

Атом хлора далее будет реагировать с молекулой метана и т. д. Теоретически единственный атом хлора может вызвать хлорирование бесконечного множества молекул метана, и поэтому процесс называют цепным. Цепи могут обрываться при взаимодействии радикалов друг с другом:

CH 3 . + Cl . ® CH 3 -Cl

CH 3 . + CH 3 . ® CH 3 -CH 3 Oбрыв цепи

Cl . + Cl . ® Cl-Cl

или со стенкой сосуда

Формально свободный метильный радикал имеет тетраэдрическое строение:

Однако, вследствие малой величины барьера инверсии (переход одной формы молекулы в другую), статистически наиболее вероятным его состоянием является плоское.

В результате реакции хлорирования метана образуется смесь всех четырех возможных продуктов замещения атомов водорода на атомы хлора:

Соотношение между различными продуктами хлорирования зависит от соотношения метана и хлора. При необходимости получать метилхлорид следует брать избыток метана, а четыреххлористого углерода - хлора.

Карбоксилирование фенолятов по реакции Кольбе - Шмидта позволяет получать орто-гидроксиароматические карбоновые кислоты из фенолятов натрия. Реакция Кольбе - Шмидта происходит с участием диоксида углерода $CO_2$:

Рисунок 1.

Особенности реакции Кольбе - Шмидта

Оригинальная методика введения карбоксильных групп в ароматическую систему была открыта Г. Кольбе в 1860 году. При нагреве сухого щелочного фенолята с углекислым газом при температурах свыше 150$^\circ$С и давлении порядка 5 атм, образуется щелочная соль салициловой кислоты:

Рисунок 2.

При участии фенолятов калия, рубидия и цезия протекает аналогичная реакция с образованием преимущественно пара-замещенных гидроксиароматических кислот.

Рисунок 3.

В реакцию вводят не фенолы, а активные для электрофильного замещения феноляты, потому что диоксид углерода является очень слабым элекрофилом. Это объясняется образованием промежуточного комплекса фенолята натрия и диоксида углерода, в котором атом натрия координированный с двумя атомами кислорода, один из которых входит в молекулы $CO_2$. Атом углерода вследствие определенной поляризации приобретает больший положительный заряда и удобное расположение для атаки в opтo-положение фенольного кольца.

Рисунок 4.

Применение реакции Кольбе - Шмидта

Перегруппировка моносалицилатов и щелочных солей 2-нафтола

Безводные калиевые и рубидиевые моносалицилаты при нагревании свыше 200-220$^\circ$С дают дикалиевые и дирубидиевые соли пара -гидроксибензойной кислоты и фенол.

Рисунок 7.

Дищелочные соли калия и цезия 2-гидроксибензойной (салициловой) кислоты перегруппировываются в дищелочные соли 4 -гидроксибензойной кислоты:

Рисунок 8.

Дищелочные соли натрия и лития пара -гидроксибензойной кислоты наоборот при нагревании перегруппировываются в дищелочную соль салициловой кислоты:

Рисунок 9.

Из этого следует, что карбоксилирование щелочных фенолятов представляет собой обратимые реакции и их направление зависит только от природы катиона. Аналогичные закономерности наблюдаются и при корбоксилировании щелочных солей 2-нафтола:

Рисунок 10.

В отличие от одноатомных фенолов, двухатомные и трехатомные фенолы карбоксилируются в более мягких условиях. Так, резорцин карбоксилируется при пропускании $CO_2$ в водный раствор его дикалиевой соли при 50$^\circ$С с образованием 2,4-дигидроксибензойной кислоты.

Рисунок 11.

Реакция Раймера - Тимана

Фенолы и некоторые гетероциклические соединения типа пиррола и индола можно проформилювать хлороформом при основных условиях (реакция Раймера - Тимана). Вхождение альдегидной группировки ориентируется в орто-положение, и только в случае, когда они оба заняты, образуются пара-замещенные производные.

Рисунок 12.

Известно, что хлороформ в присутствии сильных оснований образует дихлорокарбен $:CCl_2$, который и является настоящей электрофильной частицей.

Рисунок 13.

Подтверждением этого является образование продуктов расширения цикла, характерных для действия $:CCl_2$, а именно, пиридина в реакции с пирролом, и выделение продуктов присоединения дихлорокарбена к ароматическим кольцам в ипсо-положение, так как это наблюдается в реакции формилирования пара-крезола. В последнем случае метильные группы не могут отщеплятся, как протон, под действием электрофила, и стабилизация происходит путем миграции протона к дихлорометильной группировки.

Рисунок 14.

Кольбе реакция

метод получения углеводородов электролизом растворов солей карбоновых кислот (электрохимический синтез):

При электролизе смеси солей различных кислот образуются наряду с симметричными (R-R, R"-R") также и несимметричные углеводороды (R-R"). К. р. позволяет получать высшие монокарбоновые (1) и дикарбоновые (2) кислоты (после гидролиза соответствующих эфиров):

RCOO - +R"OOC (CH 2) n COO→R (CH 2) n COOR" (1)

2ROOC (CH 2) n COO - →ROOC (CH 2) n COOR (2)

К. р. находит применение в промышленности, например для получения себациновой кислоты, используемой в производстве полиамидов (См. Полиамиды) и душистых веществ. Реакция предложена немецким химиком А. В. Г. Кольбе в 1849.

Лит.: Серрей А., Справочник по органическим реакциям, пер. с англ., М., 1962; Advances in organic chemistry, v. 1, N. Y., 1960, р. 1-34.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Кольбе реакция" в других словарях:

Кольбе (Kolbe) Адольф Вильгельм Герман (27.9.1818, Эллихаузен, ≈ 25.11.1884, Лейпциг), немецкий химик. С 1851 профессор Марбургского, а с 1865 Лейпцигского университетов. В 1845 К. синтезировал уксусную кислоту, исходя из сероуглерода, хлора и… …

I Кольбе (Kolbe) Адольф Вильгельм Герман (27.9.1818, Эллихаузен, 25.11.1884, Лейпциг), немецкий химик. С 1851 профессор Марбургского, а с 1865 Лейпцигского университетов. В 1845 К. синтезировал уксусную кислоту, исходя из сероуглерода,… … Большая советская энциклопедия

Или Кольбе процесс (названы в честь Адольфа Вильгельма Германа Кольбе и Рудольфа Шмидта) химическая реакция карбоксилирования фенолята натрия действием диоксида углерода в жестких условиях (давление 100 атм., температура 125 °C) с последующей… … Википедия

Реакция Кольбе Шмитта или Кольбе процесс (названы в честь Адольфа Вильгельма Германа Кольбе и Рудольфа Шмитта) химическая реакция карбоксилирования фенолята натрия действием диоксида углерода в жестких условиях (давление 100 атм.,… … Википедия

Реакция Кольбе Шмитта или Кольбе процесс (названы в честь Адольфа Вильгельма Германа Кольбе и Рудольфа Шмидта) химическая реакция карбоксилирования фенолята натрия действием диоксида углерода в жестких условиях (давление 100 атм.,… … Википедия

- (1818 84) немецкий химик. Разработал методы синтеза уксусной (1845), салициловой (1860, реакция Кольбе Шмитта) и муравьиной (1861) кислот, электрохимического синтеза углеводородов (1849, реакция Кольбе) … Большой Энциклопедический словарь

- (Kolbe) (1818 1884), немецкий химик. Разработал методы синтеза уксусной (1845), салициловой (1860, реакция Кольбе Шмитта) и муравьиной (1861) кислот, электрохимического синтеза углеводородов (1849, реакция Кольбе). * * * КОЛЬБЕ Адольф Вильгельм… … Энциклопедический словарь