N-метиланилин, общая характеристика, применение, промышленные и лабораторные способы получения

 

2. Теоретические  основы синтеза аминов

 

Из множества способов получения аминов необходимо выделить два основных  типа: 1) введение  аминогруппы  в  молекулы  органических  веществ; 2) превращение уже имеющихся  азотсодержащих функциональных групп в аминогруппу.

К  первому  типу  реакций  относится  замещение  водорода,  галогена, гидроксила, алкоксигруппы, кислорода карбонильной группы и  др. на остаток аммиака или амина. 

 

 

Это  типичные  нуклеофильные  реакции.  Аминирующими  агентами  в этом  случае  являются  аммиак,  первичные  и  вторичные  амины,  амид  натрия,  фталимид  калия,  гидроксиламин  и  др.  

Сюда же можно отнести  реакции присоединения аммиака  и аминов по кратным С=С и С=О  связям или к окисям алкенов:

 

Ко второму типу относятся: а) перегруппировки таких соединений как амиды, азиды кислот, оксиды кетонов; б) реакции гидролиза ряда азотсодержащих соединений (амидов, анилидов, нитрилов, изонитрилов, азометинов);  в)  восстановление  различных  азотсодержащих  функций  в  аминную.

 

2.1 Аминирование  бензольного кольца

 

2.1.1 Замещение галогена аминогруппой

 

 

 Алкилгалогениды взаимодействуют  с аммиаком, а также с первичными  и вторичными аминами, давая  первичные, вторичные и третичные  амины через стадию образования  алкиламмониевых солей (синтез Гофмана).

Аминирующая активность аммиака и  алкиламинов связана с нуклеофильностью азота. Каждая из алкильных групп  увеличивает электронную плотность  на азоте, при этом усиливается реакционная  способность аминов. Третичные амины как стерически затрудненные молекулы реагируют в растворах медленнее, чем вторичные амины.

Механизм  реакции  – нуклеофильный, SN₁  или SN₂  в зависимости от

строения алкилгалогенида  и условий реакции. Для первичных  алкилгалогенидов в основном это SN₂ :

 

Галогениды, способные  образовывать сравнительно устойчивые карбкатионы (бензил, аллил и др.), реагируют с аминами по механизму SN1:

 

Так как образовавшиеся амины конкурируют с аммиаком за следующую молекулу алкилгалогенида, то в результате реакции получается смесь аминов и четвертичного аммониевого основания. Равновесие можно сдвинуть в сторону образования первичного амина, применяя избыток аммиака, или в сторону третичного амина в избытке алкилгалогенида. Для получения аминов из солей можно использовать щелочи или избыток амина.

Смесь аминов, образовавшихся в результате реакции Гофмана, можно разделить  химическими методами. Если смесь  аминов обработать HNO₂ в кислой среде, то из первичного и вторичного аминов образуются спирт и нитрозоамин соответственно. Третичный амин останется в растворе в виде соли с минеральной кислотой. Нитрозоамин выделяется из раствора в виде осадка или масла. Его извлекают эфиром или отфильтровывают. При подщелачивании раствора разрушается соль третичного амина, и он выделяется  в  виде  основания.  В  растворе  остается  лишь  спирт,  полученный  в  результате реакции диазотирования первичного амина.

 

 

Другой метод основан  на реакции с арилсульфохлоридами. При взаимодействии  смеси  первичного  и  вторичного  аминов  с  бензол-  или  nтолуолсульфохлоридом образуются сульфамиды, которые отличаются друг от друга растворимостью в КОН. Третичный амин с выделяющимся хлороводородом дает соль, выпадающую в осадок.

 

 

 

Для  получения  индивидуальных  аминов  часто  приходится  выбирать

обходные пути. При  этом в реакцию вводят блокированные  производные аммиака,  которые  содержат  один  свободный  атом  водорода.  Например, фталимид. Блокирующую  группу отщепляют после реакции  алкилирования. Применение реакции  замещения галогена на аминогруппу для синтеза ароматических  аминов  весьма  затруднительно  из-за  малой  подвижности галогена. Тем не менее, можно получить анилин из хлорбензола под действием амида натрия в жидком аммиаке. При этом вначале, очевидно, образуется  продукт  элиминирования HCl.

 

2.1.2 Замещение гидроксила аминогруппой

 

Реакции  нуклеофильного  замещения  гидроксильной  группы  на  аминогруппу идут с трудом,  требуют высокой температуры  и давления.  Это вполне естественно, так как по сравнению с алкилгалогенами спирты обладают более слабым алкилирующим действием. Процесс облегчается при протонировании спирта, следствием чего является отщепление гидроксила в виде воды.

Для этого следует  проводить реакцию в присутствии H₂SO₄ или HCl, но помнить, что избыток кислоты дезактивирует амин. Из спиртов, как и по реакции Гофмана, получается смесь аминов. В промышленности таким способом получают N,N-диметиланилин.

Значительно облегчают  процесс аминирования спиртов катализаторы дегидратации – Al₂O₃, PbO₂.  

Обычно фенолы не склонны к реакции аминирования. Причиной этого является сопряжение р-электронов кислорода с ароматическим кольцом, приводящее к понижению электрофильности реакционного центра.

 

2.1.3 Аммонолиз простых и сложных эфиров.

 

Заменой  алкоксигруппы  на  аммиак  можно  получить  смесь  аминов. При этом полное алкилирование  аммиака осуществляется под действием выделившегося в результате реакции спирта.

 Простые эфиры фенолов  реагируют с аммиаком несколько  легче, чем 

диалкиловые.

 

Сложные  эфиры  карбоновых  кислот  гладко  превращаются  в  амиды.

Реакция подобна гидролизу  сложных эфиров, но идет без катализатора, так как сам аммиак обладает основными  свойствами.

При  осуществлении  реакций  нуклеофильного  замещения  различных 

функциональных групп в качестве аминирующего средства можно использовать не только аммиак, но и первичные или вторичные амины.

2.1.4 Арилирование первичных и вторичных аминов

Введение  в аминогруппу ароматического остатка  обычно сопряжено с некоторыми затруднениями, вследствие малой реакционноспособности галоида в ароматических соединениях. Например, хлорбензол и бромбензол не вступают в реакцию с анилином в условиях, аналогичных применяемым для получения этиланилина. Впрочем, в присутствии медной бронзы или йодистой меди эта реакция протекает более гладко.

При взаимодействии третичных  аминов с йодистыми алкилами образуются соли четвертичных аммониевых оснований. Общий способ получения таких соединений состоит в смешении обоих компонентов, иногда в каком-либо подходящем растворителе. Реакция протекает при комнатной температуре или при нагревании по схеме.

R'"R"R'N + RHal —> R'"R"R'RNHal

Вместо галоидных алкилов  можно пользоваться диалкилсульфатами  или алкиловыми эфирами ароматических  сульфоновых кислот, причем получаются сернокислые или арилсульфоновокислые соли соответствующих четвертичных аммониевых оснований.

Реакция образования  солей четвертичных аммониевых оснований  часто применяется для идентификации  третичных аминов, причем в качестве реактива наибольшее применение имеет йодистый метил. Рекомендуется также пользоваться для этой цели метиловым эфиром р-толуолсульфоновой кислоты.

Соли четвертичных аммониевых оснований образуются не только в  результате взаимодействия галоидных  алкилов или эфиров ароматических  сульфоновых кислот с третичными амидами, но и при действии эфиров йодуксусной кислоты на некоторые амины. Легче других вступают в эту реакцию бензилпиперидин, алифатические третичные амины и хинолин.

Легкость образования  четвертичных аммониевых солеи сильно зависит от характера исходных соединений.

Наличие заместителей в  о-положении к аминогруппе оказывает  замедляющее действие на скорость реакции, что ясно видно из сравнения констант, для диметил-о-, -т- и р-толуидина, а также для хинолина и изохинолина. Это явление еще более резко выражено при наличии двух заместителей в о-положении к аминогруппе.

 

2.2 Реакции  ароматических аминов

 

Ароматические амины  вступают в химические превращения  с  участием  аминогруппы  или  ароматического ядра.  Ароматические  амины  имеют  менее  выраженный основный  характер,  чем  алифатические.  Так,  константа диссоциации CH₃NH₂ равна 4,4 · 10^–5, тогда как для анилина она имеет значение 3,8 · 10^–10. Уменьшение основности  анилина по  сравнению с алифатическими  аминами может  быть  объяснено  взаимодействием  неподеленной электронной пары азота с электронами ароматической системы. Такое сопряжение понижает способность электронной пары присоединять протон. К тому же при солеобразовании теряется сопряжение заместителя с кольцом,  что  также  энергетически  невыгодно.  Присутствие  электроноакцепторных  групп  в  ядре (NO₂, COOH, SO₃H  и др.)  уменьшает основность. Противоположное действие оказывают электронодонорные заместители.

Основным  методом  синтеза  ароматических  аминов (анилинов) является  восстановление  соответствующих  нитропроизводных – доступных благодаря возможности прямого введения нитрогруппы в  ароматическое  кольцо (реакция  электрофильного  нитрования).

Так, нитробензол можно  превратить в анилин восстановлением некоторыми металлами (железо, олово) в кислой среде, водородом на катализаторе (никель Ренея, палладий, платина). Следует отметить, что нитрогруппа одна из наиболее легко восстанавливаемых функциональных групп в условиях каталитического гидрирования. Так, гидрирование  нитробензола  в анилин  происходит  в присутствии палладия на угле при нормальном давлении и комнатной температуре.

 

В настоящее время  не столько препаративное, сколько  историческое значение имеет восстановление нитрогруппы в аминогруппу сульфидом аммония по Зинину – в свое время это был первый приемлемый промышленный способ синтеза анилина. Восстановление нитробензолов можно проводить гидразином в присутствии никеля Ренея.

Альтернативным методом  синтеза анилина является взаимодействие хлорбензола с амидом натрия. Реакция происходит в весьма жестких условиях и применима только для простейших арилгалогенидов. Кроме того, следует учитывать, что эта реакция протекает по аринному  механизму  через  промежуточное  образование  дегидробензола и, следовательно, аминогруппа в продукте реакции может оказаться не у того атома углерода, у которого находился атом хлора.

 

2.2.1 Алкилирование ароматических аминов

 

 Подобно аминам  жирного ряда первичные  и  вторичные ароматические амины  реагируют с алкилгалогенидами. Эта реакция является способом получения вторичных и третичных аминов

             

Метилирование – замещение атома водорода, металла или галогена на метильную группу – СН₃. Осуществляется различными метилирующими агентами (йодистым метилом CH₃I, диметилсульфатом (CH₃O)₂SO₂, метилсерной кислотой CH₃OSO₃H,метиловыми эфирами органических сульфокислот, а также метанолом СН₃ОН и диметиловым эфиром (СН₃)₂О). Широко применяется в промышленном органическом синтезе. Метиланилин и диметиланилин в промышленности получают метилированием анилина метанолом над Al₂O₃, при высокой температуре.

 

2.2.2 Особенности N-Алкилирования анилина

 

Химические свойства анилина (C₆H₅NH₂) обусловлены наличием атома N и бензольного ядра,  которые взаимно влияют  друг  на  друга.   N-Алкилирование анилина проходит по общей схеме алкилирования аминов:

С₆Н₅NH₂ > С₆Н₅NHR > С₆Н₅NR₂ > С₆Н₅⁺NR₃   

На промежуточных этапах реакции образуются вторичные и  третичные амины, а на завершающем  — соли полностью замещенного  четвертичного аммония. В общем  случае, когда алкил R не вызывает больших  пространственных препятствий для дальнейшего течения реакции, скорости отдельных ее этапов мало отличаются друг от друга, и в результате алкилирования образуются смеси продуктов. Из них соли триалкиламмония легко отделить благодаря их растворимости в воде или же превратить в третичные амины при нагревании в щелочной среде под давлением.

С₆Н₅⁺NR₃X^– + NaОН > С₆Н₅NR₂ + ROН + NaX   

Наибольшие трудности  связаны с получением вторичных аминов; в обычных условиях они неизбежно образуются в смеси с первичными и третичными аминами. Разделение таких смесей, как правило, затруднительно, т. к. их компоненты имеют близкие температуры кипения.  

В качестве алкилирующих агентов применяются алифатические  спирты (в присутствии кислот), алкилгалогениды, простые эфиры, алкиловые эфиры серной кислоты и ароматических сульфокислот, непредельные соединения,  в присутствии водорода – альдегиды и кетоны. 

 

2.2.3 Алкилирование спиртами

 

Алкилирование ароматических  аминов спиртами проводят обычно с добавлением небольших количеств кислых агентов: минеральная кислота, хлорид фосфора (III), при 200 °С в автоклавах под давлением (до 3 МПа и выше). Обычно используют метанол и этанол, реже бутанол и высшие спирты; в качестве минеральной кислоты применяют хлороводородную и серную кислоты (0,05–0,3 моль на 1 моль амина).