Анилин (от португальского anil «кустарник индиго» и -ine , обозначающий производное вещество) [6] представляет собой органическое соединение с формулой C 6 H 5 NH 2 . Состоящий из фенильной группы ( -C 6 H 5 ), присоединенной к аминогруппе ( -NH 2 ), анилин является простейшим ароматическим амином . Это промышленно значимое химическое вещество , а также универсальный исходный материал для тонкого химического синтеза. Его основное применение — производство прекурсоров полиуретана , красителей и других промышленных химикатов. Как и большинство летучих аминов, он имеет запах тухлой рыбы . Он легко воспламеняется , горя дымным пламенем, свойственным ароматическим соединениям. [7] Он токсичен для человека.
По сравнению с бензолом он богат электронами. Таким образом, он быстрее участвует в реакциях электрофильного ароматического замещения . Кроме того, он также склонен к окислению : хотя свежеочищенный анилин представляет собой почти бесцветное масло, воздействие воздуха приводит к постепенному потемнению до желтого или красного цвета из-за образования сильно окрашенных окисленных примесей. Анилин можно диазотировать с образованием соли диазония , которая затем может подвергаться различным реакциям нуклеофильного замещения.
Как и другие амины, анилин является одновременно основанием (p K aH = 4,6) и нуклеофилом , хотя и в меньшей степени, чем структурно сходные алифатические амины.
Поскольку ранним источником бензола, из которого они получены, была каменноугольная смола , анилиновые красители также называют красителями каменноугольной смолы .
В анилине длина связи C-N составляет 1,41 Å [8] по сравнению с длиной связи C-N 1,47 Å для циклогексиламина [9] , что указывает на частичную π-связь между C (арилом) и N. [ 10] Длина химической связи C ( арил )-NH 2 в анилинах весьма чувствительна к эффектам заместителей . Длина связи C-N составляет 1,34 Å в 2,4,6-тринитроанилине против 1,44 Å в 3-метиланилине . [11]
Аминная группа в анилинах представляет собой слегка пирамидальную молекулу с гибридизацией азота где-то между sp 3 и sp 2 . Азот описывается как имеющий высокий p-характер. Аминогруппа в анилине более плоская (т.е. представляет собой «более мелкую пирамиду»), чем в алифатическом амине, из-за сопряжения неподеленной пары с арильным заместителем. Наблюдаемая геометрия отражает компромисс между двумя конкурирующими факторами: 1) стабилизация неподеленной пары N на орбитали со значительным s-характером способствует пирамидализации (орбитали с s-характером имеют меньшую энергию), а 2) делокализация неподеленной N-пары в арильное кольцо предпочитает планарность (неподеленная пара на чистой p-орбитали дает лучшее перекрытие с орбиталями π-системы бензольного кольца). [12] [13]
В соответствии с этими факторами замещенные анилины с электронодонорными группами более пирамидальны, а анилины с электроноакцепторными группами более плоские. В исходном анилине неподеленная пара примерно на 12% содержит s-символ, что соответствует гибридизации sp 7.3 . [12] [ необходимы пояснения ] (Для сравнения, алкиламины обычно имеют неподеленные пары на орбиталях, близких к sp 3 .)
Угол пирамидализации между связью C–N и биссектрисой угла H–N–H составляет 142,5°. [14] Для сравнения: у более сильно пирамидальной аминогруппы в метиламине это значение составляет ~125°, тогда как у аминогруппы в формамиде угол составляет 180°.
Промышленное производство анилина включает два этапа. Сначала бензол нитруют концентрированной смесью азотной и серной кислот при температуре от 50 до 60 °C с получением нитробензола . Нитробензол затем гидрируется (обычно при 200–300 ° C) в присутствии металлических катализаторов : [15] Ежегодно производится около 4 млрд кг. [16]
Восстановление нитробензола до анилина впервые осуществил Николай Зинин в 1842 году с помощью сульфидных солей ( реакция Зинина ). Восстановление нитробензола до анилина было также выполнено в рамках восстановления Антуаном Бешаном в 1854 году с использованием железа в качестве восстановителя ( восстановление Бешана ). Эти стехиометрические пути остаются полезными для специальных анилинов. [17]
Альтернативно анилин можно получить из аммиака и фенола , полученных кумоловым способом . [7]
В торговле различают три марки анилина: анилиновое масло для синего, представляющее собой чистый анилин; анилиновое масло красного цвета, смесь эквимолекулярных количеств анилина и орто- и пара-толуидинов ; и анилиновое масло для сафранина , которое содержит анилин и ортотолуидин и получается из дистиллята (échappés) плавленного фуксина . [18]
Известно множество аналогов и производных анилина, в которых фенильная группа дополнительно замещена. К ним относятся толуидины , ксилидины , хлоранилины , аминобензойные кислоты , нитроанилины и многие другие. Их также обычно получают нитрованием замещенных ароматических соединений с последующим восстановлением. Например, этот подход используется для превращения толуола в толуидины и хлорбензола в 4-хлоранилин . [7] Альтернативно, используя подходы сочетания Бухвальда-Хартвига или реакции Ульмана, арилгалогениды можно аминировать водным или газообразным аммиаком. [19]
Химический состав анилина богат, поскольку это соединение уже много лет доступно по низкой цене. Ниже приведены некоторые классы его реакций.
Окисление анилина было тщательно исследовано и может привести к реакциям, локализованным на азоте, или, что чаще, к образованию новых связей CN. В щелочном растворе образуется азобензол , а мышьяковая кислота образует вещество фиолетового цвета — виоланилин. Хромовая кислота превращает его в хинон , тогда как хлораты в присутствии некоторых солей металлов (особенно ванадия ) дают анилиновую чернь . Соляная кислота и хлорат калия дают хлоранил . Перманганат калия в нейтральном растворе окисляет его до нитробензола ; в щелочном растворе к азобензолу , аммиаку и щавелевой кислоте ; в растворе кислоты до анилиновой черной. Хлорноватистая кислота дает 4-аминофенол и парааминодифениламин . [18] Окисление персульфатом дает различные полианилины . Эти полимеры обладают богатыми окислительно-восстановительными и кислотно-основными свойствами.
Подобно фенолам , производные анилина весьма чувствительны к реакциям электрофильного замещения . Его высокая реакционная способность отражает то, что это енамин , который усиливает электронодонорную способность кольца. Например, реакция анилина с серной кислотой при 180°С дает сульфаниловую кислоту H 2 NC 6 H 4 SO 3 H .
При добавлении бромной воды к анилину бромная вода обесцвечивается и образуется белый осадок 2,4,6-триброманилина . Для получения монозамещенного продукта необходима защита ацетилхлоридом:
Реакция образования 4-броманилина заключается в защите амина с помощью ацетилхлорида, а затем обратном гидролизе с образованием анилина.
Крупнейшая промышленная реакция анилина включает его алкилирование формальдегидом . Показано идеализированное уравнение:
Полученный диамин является предшественником 4,4'-МДИ и родственных диизоцианатов.
Анилин является слабым основанием . Ароматические амины , такие как анилин, обычно являются гораздо более слабыми основаниями, чем алифатические амины. Анилин реагирует с сильными кислотами с образованием иона анилиния (или фениламмония) ( C 6 H 5 −NH+3). [20]
Традиционно слабую основность анилина объясняют сочетанием индуктивного эффекта со стороны более электроотрицательного углерода sp 2 и резонансных эффектов, поскольку неподеленная пара азота частично делокализована в пи-систему бензольного кольца. (см. картинку ниже):
В таком анализе отсутствует учет сольватации. Анилин, например, более щелочной, чем аммиак в газовой фазе, но в десять тысяч раз менее щелочной в водном растворе. [21]
Анилин реагирует с ацилхлоридами, такими как ацетилхлорид, с образованием амидов . Амиды, образующиеся из анилина, иногда называют анилидами , например CH 3 -C(=O)-NH-C 6 H 5 — ацетанилид . При высоких температурах анилин и карбоновые кислоты реагируют с образованием анилидов. [22]
N -Метилирование анилина метанолом при повышенных температурах над кислотными катализаторами дает N -метиланилин и N , N -диметиланилин :
N -Метиланилин и N , N -диметиланилин — бесцветные жидкости с температурами кипения 193–195 °С и 192 °С соответственно. Эти производные имеют важное значение в цветной промышленности.
При кипячении с сероуглеродом образуется сульфокарбанилид (дифенилтиомочевина ) ( S=C(-NH-C 6 H 5 ) 2 ), который может разлагаться на фенилизотиоцианат ( C 6 H 5 -N =C=S ) и трифенил. гуанидин ( C 6 H 5 -N=C(-NH-C 6 H 5 ) 2 ). [18]
Анилин и его замещенные по кольцу производные реагируют с азотистой кислотой с образованием солей диазония . Одним из примеров является тетрафторборат бензолдиазония . Посредством этих промежуточных продуктов аминогруппа может быть преобразована в гидроксильную ( -OH ), цианидную ( -CN ) или галогенидную группу ( -X , где X представляет собой галоген ) посредством реакций Зандмейера . Эта соль диазония также может взаимодействовать с NaNO 2 и фенолом с образованием красителя , известного как бензолазофенол, в процессе, называемом сочетанием . Реакция превращения первичного ароматического амина в соль диазония называется диазотированием. В этой реакции первичный ароматический амин реагирует с нитритом натрия и с 2 молями HCl , которая известна как «ледяная смесь», поскольку используемая температура составляет 0,5 ° C, и образует соль диазония бензола в качестве основного продукта, а также воду и хлорид натрия . [ нужны разъяснения ]
Он реагирует с нитробензолом с образованием феназина по реакции Воля-Ауэ . Гидрирование дает циклогексиламин .
Будучи стандартным реагентом в лабораториях, анилин используется во многих нишевых реакциях. Его ацетат используется в анилинацетатном тесте на углеводы, определяя пентозы путем преобразования в фурфурол . Он используется для окрашивания нейронной РНК в синий цвет при окраске по Нисслю . [ нужна цитата ]
Кроме того, анилин является исходным компонентом при производстве диглицидиланилина . [23] Эпихлоргидрин является другим основным ингредиентом. [24] [25]
Анилин преимущественно используется для получения метилендианилина и родственных соединений конденсацией с формальдегидом. Диамины конденсируются с фосгеном с образованием метилендифенилдиизоцианата , предшественника уретановых полимеров. [7]
Другие области применения включают химикаты для переработки резины (9%), гербициды (2%), а также красители и пигменты (2%). [26] В качестве добавок к каучуку производные анилина, такие как фенилендиамины и дифениламин , являются антиоксидантами. Показательными препаратами, приготовленными из анилина, является парацетамол (ацетаминофен, тайленол ). Анилин в основном используется в красильной промышленности как предшественник индиго , синего цвета синих джинсов . [7]
Анилин был впервые выделен в 1826 году Отто Унвердорбеном путем деструктивной перегонки индиго . [27] Он назвал его Кристаллином . В 1834 году Фридлиб Рунге выделил из каменноугольной смолы вещество , которое при обработке хлорной известью приобретало красивый синий цвет . Он назвал его кианол или цианол . [28] В 1840 году Карл Юлиус Фриче (1808–1871) обработал индиго едким поташем и получил масло, которое он назвал анилин , в честь растения, дающего индиго, анил ( Indigofera suffruticosa ). [29] [30] В 1842 году Николай Николаевич Зинин восстановил нитробензол и получил основание, которое он назвал бензидамом . [31] В 1843 году Август Вильгельм фон Хофман показал, что это все одно и то же вещество, известное впоследствии как фениламин или анилин . [32]
В 1856 году, пытаясь синтезировать хинин , ученик фон Гофмана Уильям Генри Перкин открыл мовеин . Мовен быстро стал коммерческим красителем. Затем последовали другие синтетические красители, такие как фуксин , сафранин и индилин . На момент открытия мовена анилин был дорогим. Вскоре после этого, применив метод, описанный в 1854 году Антуаном Бешаном [33] , он был приготовлен «тоннами». [34] Сокращение по Бешану позволило развить крупную красительную промышленность в Германии. Сегодня название BASF , первоначально Badische Anilin- und Soda-Fabrik (англ. Baden Aniline and Soda Factory), ныне крупнейшего поставщика химической продукции, отражает наследие индустрии синтетических красителей, построенной на анилиновых красителях и расширенной за счет родственных азокрасителей. красители . Первым азокрасителем был анилиновый желтый . [35]
В конце 19-го века производные анилина, такие как ацетанилид и фенацетин , появились в качестве анальгетиков , а их побочные эффекты, подавляющие сердцебиение, часто компенсировались кофеином . [36] В течение первого десятилетия 20-го века, пытаясь модифицировать синтетические красители для лечения африканской сонной болезни , Пауль Эрлих , который придумал термин «химиотерапия» для своего волшебного подхода к медицине, потерпел неудачу и переключился на модификацию атоксила Бешана . , первый органический препарат мышьяка , и по счастливой случайности получил лекарство от сифилиса - сальварсан - первый успешный химиотерапевтический агент. Целевой микроорганизм Сальварсана , еще не признанный бактерией, все еще считался паразитом, и медицинские бактериологи, полагая, что бактерии невосприимчивы к химиотерапевтическому подходу, проигнорировали отчет Александра Флеминга 1928 года о воздействии пенициллина . [37]
В 1932 году компания Bayer начала искать применение своих красителей в медицинских целях. Герхард Домагк идентифицировал как антибактериальное средство красный азокраситель, представленный в 1935 году как первое антибактериальное лекарственное средство, пронтозил , который вскоре был обнаружен в Институте Пастера как пролекарство , разлагающееся in vivo до сульфаниламида – бесцветного промежуточного соединения для многих очень стойких к цвету азокрасителей – уже с патент с истекшим сроком действия, синтезированный в 1908 году в Вене исследователем Паулем Гельмо для его докторского исследования. [37] К 1940-м годам было произведено более 500 родственных сульфаниламидных препаратов . [37] Лекарства, пользовавшиеся большим спросом во время Второй мировой войны (1939–45), эти первые чудодейственные лекарства , химиотерапия широкой эффективности, способствовали развитию американской фармацевтической промышленности. [38] В 1939 году в Оксфордском университете в поисках альтернативы сульфаниламидным препаратам Говард Флори разработал пенициллин Флеминга и превратил его в первый системный антибиотик – пенициллин G. ( Грамицидин , разработанный Рене Дюбо в Институте Рокфеллера в 1939 году, был первым антибиотиком, однако его токсичность ограничивала его местное применение.) После Второй мировой войны Корнелиус П. Роудс представил химиотерапевтический подход к лечению рака. [39]
Некоторые ранние американские ракеты, такие как Aerobee и WAC Corporal , использовали в качестве топлива смесь анилина и фурфурилового спирта с азотной кислотой в качестве окислителя. Комбинация является гиперголической и воспламеняется при контакте топлива и окислителя. Он также плотный и может храниться в течение длительного времени. Позднее анилин был заменен гидразином . [40]
Анилин токсичен при вдыхании паров, проглатывании или чрескожном всасывании. [41] [42] МАИР относит его к Группе 2А ( вероятно канцерогенно для человека). Анилин считается одной из возможных причин вымирания лесов . [43]
Существует множество методов обнаружения анилина. [44]
Воздействие анилина на крыс может вызвать токсичную для селезенки реакцию , включая онкогенную реакцию. [45] У крыс, подвергшихся воздействию анилина в питьевой воде, наблюдалось значительное увеличение окислительного повреждения ДНК селезенки, что определялось как 2,8-кратное увеличение содержания 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозина (8-OHdG) в их ДНК . [45] Хотя путь эксцизионной репарации оснований также был активирован, его активности было недостаточно для предотвращения накопления 8-OHdG. Накопление окислительных повреждений ДНК в селезенке после воздействия анилина может усилить мутагенные явления, лежащие в основе онкогенеза.
Анилин, обозначающий C 6 H 5 -NH 2 , является единственным названием первичного амина, сохранившимся в качестве предпочтительного названия IUPAC, для которого разрешено полное замещение в кольце и атоме азота. Это сохраненное название типа 2а; правила замены см. в П-15.1.8.2. Замещение ограничивается группами заместителей, указанными в качестве префиксов в соответствии со старшинством функциональных групп, явно выраженным или подразумеваемым в названии функционального исходного соединения. Название бензонамин может использоваться в общей номенклатуре.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )