Synteza dwuetapowa II : otrzymywanie 1,3,5-tribromobenzenu

Tak więc otrzymałem już 2,4,6-trobromoanilinę, będąca tylko półproduktem, teraz zaś opowiem wam jak otrzymałem produkt finalny.

Tak więc 2,4,6-tribromoanilina ma być zamieniona w 1,3,5-tribromobenzen, który widzicie na obrazku obok. Podstawniki bromkowe ustawione są względem siebie w pozycji meta, niejako na wierzchołkach trójkąta równobocznego.
Tutaj trzeba wyjaśnić rzecz, która mniej obeznanych w Chemii - a zapewne i tacy tu zaglądają - może wprowadzać w błąd, mianowicie numeracja.
Wprowadza się ją dla określenia położenia podstawników względem siebie, tak aby na podstawie samej nazwy można było określić strukturę związku. W tym przypadku atomy bromu, którym wcześniej przypisywaliśmy numerację 2,4,6 w nowym związku są ponumerowane 1,3,5, co jednak nie oznacza że się przesunęły. Ich położenie zarówno względem siebie jak i węgli pierścienia pozostaje takie same, po prostu w pochodnej aniliny grupa aminowa była tą najważniejszą i to od niej zaczynaliśmy numerację; w pochodnej benzenowej numerację zaczynamy od dowolnego atomu bromu - są przecież równocenne - stąd inne cyfry.

No dobrze - zapyta ktoś - ale po co otrzymywać pochodną benzenową przez anilinę, którą trzeba poddawać przynajmniej dwom reakcjom, zamiast przeprowadzić od razu bromowanie benzenu?
No rzeczywiście, moglibyśmy zbromować benzen, i zapewne dałoby się otrzymać tripochodną, problem natomiast tkwi w tym, jaką pochodną byśmy otrzymali. Możliwe są trzy sposoby w jakie trzy bromy mogą się względem siebie rozłożyć na sześcioczłonowym benzenie - 1,3,5; 1,2,4 i 1,2,3. Co więcej, nie jest wcale takie pewne, czy reakcja zatrzyma się nam na pochodnej trzykrotnie podstawionej.
Aby zbromować benzen należy potraktować go Bromem w obecności chlorku żelaza (III) jako katalizatora. Jest to reakcja substytucji elektrofilowej. Gdy bromowałem anilinę nie było potrzeby dodawania jakiś specjalnych katalizatorów, aby z obojętnej cząsteczki Br2 uzyskać elektrofil, wystarczyła bowiem słaba polaryzacja jaką wzbudzał w niej ładunek zaktywowanego pierścienia, aby na jednym z atomów pojawił się ładunek dodatni, przez co chętnie przyłączał się do aktywnych nukleofilowo miejsc w pierścieniu. Benzen natomiast, pozbawiony podstawników, nie jest tak aktywny, dlatego trzeba stosować dodatki, zwiększające ładunek na atomie bromu.
Chlorek żelaza FeCl3 jest słabym kwasem Lewisa, może więc tworzyć kompleks z bromem. W reakcji z cząsteczką bromu, po przyłączeniu jednego z bromów do jonu kompleksowego, drugi tworzy nietrwały addukt: FeCl3Br⁻.....Br⁺. Ładunek dodatni jest tu silniejszy. Właściwie jest to jakby kation bromowy. Będąc silnym elektrofilem może podłączyć się do pierścienia, tworząc monopochodną.
Dopiero teraz zaczyna się robić ciekawie. Podstawnik Br- ma trzy wolne pary elektronowe, które mogą przechodzić na pierścień wskutek efektu mezomerycznego. Jego działanie na pierścień jest takie samo jak w przypadku choćby fenolu, dlatego jako że już podawałem tu rysunki takich struktur dla aniliny i dla fenolu nie widzę potrzeby tworzenia ich również w tym przypadku. Następne atomy bromu będą się więc podstawiały w pozycjach orto i para względem pierwszego podstawionego, choć z powodu jego dużej elektroujemności przyciągającej bliżej ładunek, najbardziej prawdopodobne będą obie pozycje orto, zatem otrzymamy 1,2,3-tribromobenzen. Dalej prowadzone bromowanie da nam ostatecznie heksapochodną, natomiast produktu o podstawnikach ułożonych tak jak na obrazku, w ten sposób nie otrzymamy.

Chemik czasem musi iść w swych syntezach drogami, które zdają się bardzo okrężne, a jednak często są to jedyne możliwe sposoby otrzymania dokładnie tego co sobie zamierzył.

Tak więc otrzymałem taką pochodną aniliny, w jakiej podstawniki ułożone są we właściwym porządku - teraz należałoby zrobić coś z grupą aminową. W jaki sposób?
Najlepszy sposób na pozbycie się tej grupy, to jej przekształcenie w sól diazoniową a następnie jej rozkład.

Sole diazoniowe to związki, w których cząstka organiczna połączona jest z grupą składającą się z dwóch atomów azotu, połączonych wiązaniem potrójnym. Ponieważ jeden z tych atomów jest jeszcze połączony z cząsteczką organiczną, a ma trzeci stopień utlenienia, to na grupie pojawia się ładunek dodatni, zwykle równoważony jakimś anionem - dlatego są to faktycznie sole jonowe
Są to związki dość nietrwałe - o ile sole arenodiazoniowe można jeszcze wydzielić w stanie czystym i przechowywać w niskich temperaturach, o tyle alkilowe bardzo szybko się rozkładają, wręcz wybuchowo. Szukając informacji do tej notki natknąłem się na opis wypadku w fabryce, gdzie robotnika zabił wybuch kubła farby, wywołany gwałtownym rozkładem bromku 2,4,6-tribromofenylodiazoniowego, jaki zgromadził się w pozostawionym na dłuższy czas naczyniu[2]. Informacja ta bardzo mnie zaciekawiła, bo taki właśnie związek otrzymałem pośrednio w trakcie syntezy. Są to związki bardzo ważne w syntezie organicznej, bo grupa diazoniowa łatwo ulega wymienieniu na wiele innych podstawników, i to w warunkach znacznie mniej agresywnych niż normalnie, z dużą selektywnością.

Samo otrzymywanie soli diazoniowych jest względnie proste - wystarczy dodać do aminy kwas azotowy (III). Jako że sam kwas azotawy (wg. starej nomenklatury) jest bardzo nietrwały, otrzymuje się go in situ poprzez zakwaszenie mocnym kwasem azotanu III sodu. Reakcję powinno się przeprowadzać w niskich temperaturach, aby zapobiec rozkładowi soli, jednak w tym przypadku rozkład był tym, na czym mi zależało. Bo gdy rozkłada się grupa diazoniowa, powstała w miejscu aminowej, powstaje wolny azot i pozbawiona podstawnika cząsteczka organiczna - na przykład nasz produkt, wedle wzoru:

Usuwanie grupy aminowej

I tak powstaje tribromobenzen. A jak się mi to robiło?

Do kolbki dwuszyjnej wlałem produkt z poprzedniego etapu rozpuszczony w rektyfikacie, dolałem odpowiednią ilość kwasu siarkowego i ustawiłem na łaźni wodnej. Do górnego wylotu kolby podłączyłem chłodnicę zwrotną, boczny wylot tymczasowo zatkałem szklanym korkiem. Moja aparatura wyglądała tak (na zdjęciu kolba jest w koszyczku grzejnym, ale potem zamieniłem go na łaźnię, bo się za bardzo grzał)

Aparatura

Podgrzałem zawartość do wrzenia i ostrożnie, małymi porcjami, dodawałem odmierzoną ilość azotynu sodu. Mieszanina burzyła się intensywnie a nawet pryskała, pod wpływem wydzielającego się azotu (nauczyciel opowiadał nem, że mieszanina parokrotnie już wytrysnęła przez wylot chłodnicy, skazując studenta na mycie całego wyciągu)

Burzy się

Po pewnym czasie, gdy zawartość przestała się burzyć, a cały azotan został już dodany, ochłodziłem kolbę i wylałem mieszaninę na dużą ilość wody. Następnie przesączyłem przez lejek Buchnera, otrzymując intensywnie pomarańczowy, igiełkowaty proszek, o miłym zapachu:

1,3,5-Tribromobenzen

Ostateczna wydajność okazała się bardzo dobra. Miałem otrzymać 1 gram, a po dodatkowym oczyszczeniu przez krystalizację z rektyfikatu, uzyskałem dokładnie tyle czystego związku.

Ponieważ zaliczyłem pewne zaległe kolokwia, w najbliższym czasie zrobię zaległe preparaty, ale opisy tych syntez pojawią się już w wakacje, po sesji.

-----
Źródła:
[1] Vogel Arthur Israel, Preparatyka organiczna, WNT 1984,
[2] http://www.crhf.org.uk/incident12.html