- •Минобрнауки россии
- •Краткая аннотация полученных результатов
- •Введение.
- •1.Литературный обзор
- •1.1 Существующие подходы к синтезу нитроанилинов.
- •1.2. Селективность процесса восстановления
- •1.3.Критерии токсичности.
- •1.3.1. Понятие токсичности
- •1.3.2. Методы определения токсичности веществ.
- •1.3.3. Биотестовый метод определения токсичности веществ.
- •1.3.3.1. Тест-объекты, используемые для биотестирования.
- •1.3.4. Химическое строение и действие токсических веществ.
- •1.3.5. Пути проникновения в организм
- •1.3.6.Токсичность некоторых нитро- и аминоароматических соединений
- •2. Результаты и обсуждения
- •2.1. Акустическое воздействие на бинарную систему и селективное восстановление динитроарен.
- •2.2.Токсикологический эксперимент.
- •2.2.1. Экспериментальные данные по биологической активности амино- и динитроарен.
- •2.2.1.1. Эксперимент на цериодафниях.
- •2.2.1.2. Эксперимент на водорослях
- •2.2.2. Значение липофильности для нитросоединений и анилинов.
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1.Методика проведения селективного восстановления динитроароматических соединений под действием ультразвука.
- •3.2. Эксперимент на Ceriodaphnia affinis Цериодафнии как тест-объект для токсикологических исследований.
- •3.2.1. Методика проведения острого опыта на Ceriodaphnia affinis
- •3.2.2. Обработка и оценка результатов эксперимента на Ceriodaphnia affinis
- •3.3. Эксперимент на смешанной культуре Chlorella vulgaris и Scenedesmus quadricauda
- •3.3.1. Методика проведения острого опыта на смешанной культуре Chlorella vulgaris и Scenedesmus quadricauda
- •3.3.2. Обработка и оценка результатов эксперимента на Chlorella vulgaris и Scenedesmus quadricauda
- •3.4. Статистическая обработка результатов
- •Приложение.
- •Выводы:
- •Литература
Введение.
В настоящее время для интенсификации и повышения эффективности протекания химических реакций, приводящих к ценным органическим продуктам, используют различные подходы, включая гомо- и гетерогенный, межфазный, мицеллярный катализ, инициаторы, ультрафиолетовое излучение, высокое давление и многие другие физические воздействия.
Таким образом, наиболее актуальным является поиск новых способов осуществления химических превращений, обладающих рядом преимуществ, а именно: возможность проведения синтеза в более мягких условиях (низкая температура, без использования катализаторов и агрессивных сред), селективность процесса, облегчение выделения продуктов реакции, а так же снижение общего оперативного времени проведения реакций.
В последние годы достигнуты большие успехи в создании разных конструкций эффективных генераторов ультразвука, в связи с чем наблюдается повышенный интерес к использованию ультразвукового излучения для интенсификации различных химических реакций.
Поэтому, цель данной работы - создание эффективного, экологически безопасного и ресурсосберегающего метода селективного восстановления динитроароматических соединений.
В связи с чем были поставлены следующие задачи:
1) Выбор восстанавливающего агента;
2) Исследование селективности процесса восстановления;
3) Идентификация продуктов реакций;
4) Освоение методик проведения токсикологического теста на Ceriodaphniaaffinisи на смешанной культуре водорослей (ChlorellavulgarisиScenedesmusquadricauda)для оценки степени токсичности исследуемых соединений;
5) Определение летальной концентрации веществ, вызывающую гибель 50 % тест-организмов (LC50).
Создание экологически безопасного, дешевого, а так же ресурсосберегающего способа проведения селективного восстановления металлами переменной степени окисления нитроароматических веществ является ведущей задачей современной химической промышленности.
1.Литературный обзор
1.1 Существующие подходы к синтезу нитроанилинов.
Процессы получения ароматических соединений, содержащих одновременно нитро- и аминогруппы, в том числе нитроанилинов, представляют как теоретический, так и практический интерес.
(1)
Этот класс ароматических соединений включает в себя большой ряд практически ценных продуктов моногоцелевого назначения. Они используются при получении лекарств [70], красителей [71,72] и др.. Кроме того, отработка эффективных методологий синтеза соединений, содержащих подобные разнообразные функции (нитро-, аминогруппа, галогены и др.) является весьма актуальной для современного органического синтеза, поскольку служит базисом для инструментария при получении широких рядов заданных структур и их модификации.
На сегодняшний день для синтеза нитроанилинов используется целый набор методов.
Нитрогруппа отличается высокой стабильностью по отношению к электрофильным реагентам и разнообразным окислителям. Большинство нуклеофильных агентов за исключением литий- и магнийорганических соединений, а также литийалюминийгидрида не действуют на нитрогруппу. Нитрогруппа относится к числу превосходных нуклеофильных групп в процессах активированного ароматического нуклеофильного замещения (SNAr). Так, например, нитрогруппа в 1,2,4- тринитробензоле легко замещается под действием гидроксид-, алкоксид-ионов или аминов.
(2)
Наиболее важной реакцией ароматических нитросоединений является восстановление их до первичных аминов. Эта реакция была открыта в 1842 году Н.Н.Зининым, который впервые восстановил нитробензол до анилина действием сульфида аммония [1].
В настоящее время для восстановления нитрогруппы в аренах до аминогруппы в промышленных условиях применяется каталитическое гидрирование. В качестве катализатора используют медь на силикагеле в качестве носителя. Катализатор готовят нанесением карбоната меди из суспензии в растворе силиката натрия и последующим восстановлением водородом при нагревании. Выход анилина над этим катализатором составляет 98 %.
(3)
Иногда в промышленном гидрировании нитробензола до анилина в качестве катализатора используют никель в комбинации с оксидами ванадия и алюминия. Такой катализатор эффективен в интервале 250-300ои легко регенерируется при окислении воздухом. Выход анилина и других аминов составляет 97-98 %. Восстановление нитросоединений до аминов может сопровождаться гидрированием бензольного кольца. По этой причине для получения ароматических аминов избегают использовать в качестве катализаторов платину, палладий или никель Ренея.
Другим методом восстановления нитросоединений является восстановление металлом в кислой или щелочной среде. Восстановление нитрогруппы до аминогруппы происходит в несколько стадий, последовательность которых сильно различается в кислой и щелочной среде. Рассмотрим последовательно процессы, протекающие при восстановлении нитросоединений в кислой и щелочной среде.
В качестве восстановителя применяют железо, олово, цинк и соляную кислоту. Эффективным восстановителем нитрогруппы является хлорид олова (II) в соляной кислоте. Этот реагент особенно эффективен в тех случаях, когда в ароматическом нитросоединений есть другие функциональные группы: CHO, COR, COOR и др., чувствительные к действию других восстановителей.
Восстановление нитросоединений до первичных аминов в кислой среде происходит ступенчато и включает три стадии с переносом двух электронов на каждой стадии.
(4)
В кислой среде каждый из промежуточных продуктов быстро восстанавливается до конечного продукта анилина и их не удается выделить в индивидуальном виде. Однако, в апротонных растворителях в нейтральной среде можно зафиксировать промежуточные продукты восстановления.
При восстановлении нитробензола натрием или калием в ТГФ сначала образуется анион-радикал нитробензола за счет переноса одного электрона от щелочного металла.
(5)
Катион щелочного металла связан в контактную ионную пару с атомом кислорода нитрогруппы анион-радикала. При дальнейшем восстановлении анион-радикал превращается в дианион, который после протонирования дает нитрозобензол.
(6)
Дальнейшее восстановление нитрозосоединений до N-арилгидроксиламина включает две аналогичные стадии одноэлектронного восстановления до анион-радикала и далее до дианиона нитрозосоединения, который при протонировании превращается в N-арилгидроксиламин.
(7)
Последняя стадия восстановления арилгидроксиламина до первичного амина сопровождается гетеролитическим расщеплением связи азот-кислород после протонирования субстрата.
(8)
В нейтральном водном растворе можно получить фенилгидроксиламин в качестве продукта восстановления нитробензола. Фенилгидроксиламин получается при восстановлении нитробензола цинком в водном растворе хлорида аммония.
(9)
Арилгидроксиламины легко восстанавливаются в амины при обработке железом или цинком и соляной кислотой.
(10)
Поскольку фенилгидроксиламин является промежуточным продуктом восстановления, его можно не только восстановить до анилина, но и окислить до нитрозобензола.
(11)
Это, вероятно, один из лучших методов получения ароматических нитрозосоединений, которые не удается иным способом выделить в качестве промежуточного продукта восстановления нитросоединений.
Ароматические нитрозосоединения легко димеризуются в твердом состоянии, причем их димеры бесцветны. В жидком и газообразном состоянии они мономерны и окрашены в зеленый цвет.
(12)
В щелочной среде нитрозобензол быстро взаимодействует со вторым промежуточным продуктом восстановления фенилгидроксиламином с образованием азоксибензола. Эта реакция по существу подобна присоединению азотистых оснований к карбонильной группе альдегидов и кетонов.
(13)
В лабораторных условиях азоксибензол с хорошим выходом получается при восстановлении нитросоединений боргидридом натрия в ДМСО, метилатом натрия в метиловом спирте или старым способом при использовании в качестве восстановителя As2O3или глюкозы.
(14)
Азоксибензол при действии цинка в спиртовом растворе щелочи восстанавливается сначала до азобензола, а при действии избытка цинка далее до гидразобензола.
(15)
В синтетической практике производные азоксибензола могут быть восстановлены до азобензола.Он проявляет свойства жирорастворимого красителя и может быть использован для окраски технических жидкостей. Если в молекулу азобензола ввести амино- или оксигруппы, то цвет таких азокрасителей изменится с оранжево – красного до красного, при введении гидроксигрупп, до красного, при введении аминогрупп до сине-фиолетового.
Азобензол восстанавливается до анилина через гидразобензол, как установлено Н.Н.Зининым в 1845. Замещенные азобензолы обычно получают реакцией азсочетания диазсоединений, полученных диазотированием ароматических аминов и фенолов или ароматических аминов[2], под действием триалкилфосфита в качестве восстановителя. С другой стороны, азобензол легко окисляется до азоксибензола перкислотами.
(16)
Азобензол существует в виде цис- и транс- изомеров. При восстановлении азоксибензола получается более стабильный транс-изомер, который при облучении УФ-светом превращается в цис-изомер.
(17)
Несимметричные производные азобензола получаются при конденсации нитрозосоединений и первичных ароматических аминов.
(18)
Восстановление нитрогруппы до аминогруппы сульфидом и гидросульфидом натрия в настоящее время имеет значение только для частичного восстановления одной из двух нитрогрупп, например, в м-динитробензоле или 2,4-динитроанилине.
(19)
Существует еще пару методов восстановление нитроарен до ароматических аминосоединений, которые в свою очередь применялись в моей работе.
Восстановление хлоридом олова (II) позволяет оказать более сильное и специфическое восстанавливающее действие и часто дает лучшие результаты, чем восстановление металлическим оловом.
Хлорид олова (II) восстанавливает нитро- и азосоединения до аминов, избирательно восстанавливает нитрогруппы в полинитро-, гетероциклических и галогеннитросоединениях[3]:
(20)
Наиболее отчетливо избирательность восстановления проявляется в трехзамещенных производных бензола с двумя нитрогруппами в положениях 2 и 4 относительно третьего заместителя. Так, в 2,4-динитротолуоле хлорид олова восстанавливает нитрогруппу в положении 2, практически не затрагивая нитрогруппу в положении 4.
(21)
Метод позволяет вести восстановление в гомогенной среде, т.к. хлорид олова растворяется в воде и в этиловом спирте. Благодаря этому восстановление идет быстро, с хорошими выходами и при низких температурах, хотя реакцию можно вести и при температуре кипения. Проведение восстановления хлоридом олова не вызывает особых затруднений и в основном не отличается от методики восстановления оловом. Порядок загрузки реагентов особой роли не играет. [4]
Регенерацию олова лучше всего осуществлять электрохимическим методом. Этот способ позволяет вернуть в цикл практически все олово. В лабораторной практике иногда пользуются осаждением олова в виде нерастворимого сульфида при пропускании сероводорода через реакционную массу.
(22)
В заключение отметим, что существуют методы прямого введения аминогруппы в ароматическое кольцо – реакции электрофильного аминирования, которые протекают при действии на полиалкилбензолы гидроксиламино-о-сульфокислоты, а также неорганических азидов в присутствии хлороводорода и кислот Льюиса[5]