Нитриране

Това е общата реакция на нитриране на бензен. Започваме с бензен, към който добавяме концентрирани азотна и сярна киселина. При това една нитро група се присъединява към бензеновия пръстен, на мястото на този протон. Да разгледаме механизма за нитриране на бензен. Започваме тук със структурната формула на азотната киселина. А това е структурната формула на сярната киселина. Сярната киселина е по-силна от азотната киселина. В първата стъпка сярната киселина ще действа като киселина по Брьонстед-Лаури и ще отдаде един протон. Нека да е ето този протон. Азотната киселина ще действа като основа и ще приеме този протон. Можем да покажем несподелената електронна двойка, която присъединява този протон и тези два електрона остават тук при този кислород. Сега да покажем киселинно- основната реакция. Имаме тук нашето съединение. Ще поставя тези атоми. Този кислород все още има формален заряд –1. После тук отдясно този кислород вече е свързан с един водород. (забравих да покажа заряд +1 при азота) Този кислород току-що си взе още един протон. Той пак има една несподелена електронна двойка, което му придава формален заряд +1. Ще оцветя тези електрони тук. Тази несподелена електронна двойка присъедини един протон, от което кислородът придоби заряд +1. Обърни внимание, че се образува вода като напускаща група. Ако тези електрони се преместят тук, тези ще бъдат изтласкани при кислорода. Затова ще покажа резултата за това. Тук ще имаме вода, която ще се отдели. Ще запиша тук отдясно Н2О. Ще покажа и тези електрони. Тези електрони тук в цикламено са тези, които се отделят с водната молекула, водата е напускащата група. Ако се отдели вода, тук остава т.нар. нитрониев йон. Ще напиша тук нитрониевия йон, който изглежда ето така. Сега ще оцветя тези електрони. тези електрони тук се преместват и образуват пи-връзка. Тя може да се представи чрез тези електрони тук долу. Сега формалните заряди: тези азотни атоми имат заряд +1. Този азот всъщност е sp-хибридизиран, което прави нитрониевия йон линеен. Нитрониевият йон е положително зареден. Той ще бъде електрофилът в нашата реакция. Това е нашият електрофил, положително зареден йон. Тук горе, ако се замислим, получихме спрегнатата основа на сярната киселина, значи HSO4– ето тук. Добре, сега ще покажа какво става след като получихме нашия електрофил. Електрофилът ще се присъедини към бензеновия пръстен. Ще имаме нуклеофилно-електрофилна реакция. Тук ще запиша бензеновия пръстен. Поставям и водородите атоми в бензеновия пръстен. Сега получихме нитрониев йон. Предназначението на катализатора е да получим този електрофил. Имаме положително заредени нитрониеви йони. И сега имаме нуклеофил-електрофилна ситуация, в която отново р-електроните от бензеновия пръстен ще действат като нуклеофил и ще атакуват електрофила. Значи тези електрони ще атакуват този положително зареден азот, който ще изтласка тези електрони тук при този кислород. Сега ще запиша резултата от нуклеофилната атака. Имаме нашия пръстен. Имаме водород. Отново, както е прието, ще покажа, че електрофилът се присъединява към двойната връзка при горния въглерод, това, което беше двойна връзка. Сега тук имаме азот. Имаме азот, свързан с двойна връзка с горния въглерод. После тук ще имаме кислород с три несподелени електронни двойки, който има заряд –1. Азотът отново ще има формален заряд +1. Сега ще оцветя тези електрони. Отново, тези р-електрони ще бъдат привлечени от положителния заряд, нуклеофил - електрофил. Тези р-електрони ще образуват тази връзка ето тук с нашата нитро група. Виждали сме го няколко пъти вече, че отнемаме връзка от този въглерод тук. Ето тук ще дойде нашият положителен заряд +1. Сега можем да напишем резонансните структури. Ще напиша резонансните структури. Тези р-електрони можем да преместим тук. Ще го напиша. Тук горе имаме водород. Нитро групата можеш да запишеш просто като NO2. Ще го направя така, за да спестя малко време. Тези р-електрони са все още тук. Ето тези р-електрони ще се преместят тук. Ще оцветя ето тези. Тези р-електрони в синьо ще дойдат ето тук, като отнемаме връзка от този въглерод. Сега мога да поставя заряд +1 при този въглерод. Можем да направим още една резонансна структура. Мога да покажа тези електрони, че се преместват тук. Нека да го направя. Имаме нашия пръстен. Имаме нитро група, която вече е при пръстена. Тук имаме р-електрони. И имаме още р-електрони, които се преместват тук, като при това отнемаме връзка от горния въглерод. Сега тук е нашият формален заряд +1. Имаме три резонансни структури. Спомни си пак, че сигма-комплексът е хибрид от тези трите. И сме готови за последната стъпка, отделянето на протон от сигма-комплекса. Ако се върнем тук горе, можем да видим кой ще действа като основа. Тази водна молекула тук ще действа като основа. Несподелена електронна двойка от водната молекула ще отнеме този протон, което ще доведе до преместването на тези електрони, за да се възстанови ароматният пръстен. Нека да го покажа. Тук ще се възстанови бензеновият пръстен. И отнемаме този протон. Отнемаме един протон от сигма-комплекса, при което се получава продукт с нитро група на негово място. Сега отново ще оцветя тези електрони. Този път ще използвам зелено. Тези електрони ето тук, когато отнемем протон от сигма-комплекса, тези електрони ще се преместят тук, за да се възстанови ароматният пръстен и получаваме нашия продукт. Присъединихме нитро групата. Това е реакцията на нитриране. Получаваме отново бензенов пръстен с нитро група към него. Понякога, когато правиш синтез, е полезно нитро групата да се превърне в амин. Много набързо ще разгледаме още една полезна реакция. След като се получи нитро група ето по този начин, можеш да превърнеш тази нитро група в амин по няколко различни начина. Класическият начин е да се редуцира нитро групата. В първата стъпка можеш да използваш или желязо, или олово и източник на протони, нещо като HCl ще свърши отлична работа. Тъй като процесът е в кисела среда, във втората стъпка трябва да неутрализираме с нещо като натриев хидроксид. Тези стъпки ще редуцират нитро групата до амин. Сега ще покажа продукта. Вместо NO2 при пръстена, сега имаме NH2. Това е молекула анилин. Има и други начини за редукция на нитро група до амин. Това е само един от класическите начини за това. Така че може да е полезно при решаване на задачи за синтез, които ще разгледаме по-късно в този курс.