Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 42. ДОБУВАННЯ ТА ЗАСТОСУВАННЯ АНІЛІНУ

Добування. Основний спосіб добування аніліну — відновлення нітробензену воднем за температури 250—350 оС та наявності каталізатора:

Відновлення можна також проводити металічним залізом, цинком, оловом у середовищі хлоридної кислоти.

Уперше синтез аніліну з нітробензену здійснив російський учений М. М. Зінін у 1842 р., тому реакцію називають реакцією Зініна. Відтоді анілін став легкодоступною сировиною для виробництва великої кількості різноманітних органічних речовин.

Застосування. Анілін відіграв винятково важливу роль у розвитку синтетичної органічної хімії та хімічної промисловості, зокрема виробництва анілінових барвників і лікарських засобів.

Сама назва аніліну пов’язана з барвниками, його вперше було виділено з продуктів розкладу індиго — синього барвника рослинного походження (португ. anil — індиго, тобто блакитний). Перші синтетичні барвники мовеїн (фіолетового кольору) та фуксин (червоного кольору) було добуто в результаті хімічних перетворень із аніліну. Згодом він став основною сировиною для синтезу інших барвників, що отримали назву анілінових (мал. 135).

Мал. 135. Структурні формули анілінових барвників (наведено не для запам’ятовування)

Розвиток анілінофарбової промисловості потребував великої кількості аніліну як вихідної сировини. Найдешевший спосіб його добування — з бензену, оскільки бензен є одним із продуктів переробки кам’яного вугілля. У результаті реакції нітрування бензену утворюється нітробензен, який за реакцією Зініна відновлюють до аніліну. Склався такий ланцюг перетворень:

У цьому ланцюзі тісно переплетені теорія і практика, розвиток науки й потреби промисловості. Щоб пояснити це, удамося до історії.

Уважається, що виникнення промисловості органічного синтезу в Європі на початку 60-х років ХІХ ст. пов’язане з виробництвом синтетичних барвників на основі продуктів переробки кам’яного вугілля. Проте перші синтетичні барвники було добуто випадково у результаті хімічних експериментів. На той час хіміки не мали чітких уявлень про склад і будову цих сполук, не володіли теоретичними знаннями, на основі яких можна було б вести цілеспрямований синтез.

Розвиток теоретичних уявлень про взаємозв’язок між будовою та властивостями органічних речовин сприяв визначенню будови барвників, відкрив шлях для їх синтезу й широкого використання. У свою чергу, розвиток хімічних виробництв стимулював розвиток теоретичної органічної хімії. Згодом було розроблено теорію кольоровості органічних речовин, що пов’язувала їхній колір і електронну будову молекул.

Микола Миколайович Зінін (1812—1880)

Російський хімік, випускник, а згодом професор Казанського університету, професор Медико-хірургічної академії в Петербурзі. Синтезував низку органічних сполук, вивчаючи реакції окиснення й відновлення. Відкрив метод відновлення ароматичних нітросполук, що невдовзі став основою нової галузі хімічної промисловості — анілінофарбової. Видатний педагог, засновник казанської школи хіміків. Серед його учнів — О. М. Бутлеров, М. М. Бекетов, О. П. Бородін.

У розробці теорії кольоровості велику роль відіграли українські вчені, зокрема А. І. Кіпріанов і його учні. Застосування цієї теорії дало змогу виконати такі важливі практичні завдання, як синтез текстильних барвників заданого кольору, а також створення світлочутливих матеріалів для виробництва кольорових фото- й кіноплівок.

Пошуки дешевої сировини для промисловості сприяли досконалому вивченню складу продуктів переробки кам’яного вугілля, серед яких було виявлено багато цінних сполук, що їх також використовують в органічному синтезі.

Анілінофарбова промисловість потребувала й неорганічних речовин, зокрема кислот і лугів. Ці потреби стимулювали паралельний розвиток неорганічного синтезу.

Анілін прислужився не лише промисловості барвників, а й фармацевтичній промисловості.

Анілін чинить жарознижувальну й знеболювальну дію, проте його не використовують як лікарський засіб через високу токсичність. А от серед похідних аніліну є багато ліків. Структура аніліну — основа так званих сульфамідних препаратів, до яких належать відомі вам бісептол, білий стрептоцид і багато інших.

Як засвідчує історія, лікарські засоби рослинного, тваринного й мінерального походження відомі людині здавна. Вправними лікарями були стародавні китайці та індуси, греки й римляни, араби. На Русі здавна використовували цілющі трави. У ХІІ ст. дуже популярним був «Травник» (посібник із лікування рослинами), створений онукою князя Володимира Мономаха, дружиною візантійського імператора Євпраксією.

Із розвитком хімічної науки з’явилася можливість виділяти з природних матеріалів біологічно активні речовини, вивчати їх і застосовувати в чистому вигляді. Хоча перевірені часом препарати природного походження ще й досі залишаються на озброєнні сучасної медицини, вони вже не можуть повною мірою задовольнити її потреби.

Андрій Іванович Кіпріанов (1896—1972)

Український хімік-органік, академік. Закінчив Харківський університет. Працював у Харківському, Київському університетах, очолював Інститут органічної хімії АН України. Засновник наукової школи українських хіміків-органіків. Один із перших учених-хіміків застосував електронну теорію для з’ясування залежності властивостей органічних сполук від їхньої будови. На цій основі сформулював теорію кольоровості органічних речовин. Синтезував чимало нових барвників, що їх використовують у промисловості фоточутливих матеріалів.

Сучасна медицина використовує величезну кількість лікарських засобів синтетичного походження. Їх створення ґрунтується на знанні взаємозв’язку між складом, будовою та властивостями органічних речовин, зокрема їхньою фізіологічною дією.

Синтез лікарських засобів тісно пов’язаний з розвитком хімії барвників. Коли було виявлено, що клітини живих організмів здатні забарвлюватися деякими барвниками, постало питання: чи не можуть барвники зв’язуватися із хвороботворними мікроорганізмами й знищувати їх? Звісно, ці речовини не повинні вражати живі тканини.

Таким препаратом був червоний стрептоцид, що виявив бактерицидну дію. Це було в 1935 р. Згодом з’ясувалося, що ця речовина в організмі розщеплюється до простішої, що й чинить лікувальну дію — до білого стрептоциду. Він має порівняно просту будову:

Поява у 30—40-х роках ХХ ст. сульфамідних препаратів забезпечила можливість лікування від таких смертельно небезпечних хвороб, як зараження крові, стрептококова ангіна, крупозне запалення легенів. Пізніше сульфамідні препарати було витіснено ефективнішими, зокрема антибіотиками, хоча ще часто сульфаміди залишаються незамінними протизапальними ліками.

Серед синтетичних лікарських засобів чільне місце посідають похідні бензену, аніліну, нітрогеновмісних гетероциклічних сполук. Наприклад, відомий протизапальний засіб аспірин (ацетилсаліцилова кислота) містить у своєму складі бензенове ядро та функціональні карбоксильну й естерну групи (мал. 136):

Мал. 136. Лікарські засоби є продуктами багатоступеневого синтезу

Знеболювальний (анестезувальний) засіб новокаїн — похідна сполука яара-амінобензойної кислоти:

Протизапальний засіб панадол є похідною сполукою ηαρα-амінофенолу:

Сировиною для виробництва синтетичних лікарських препаратів є продукти вугільної, нафтохімічної, лісохімічної та інших галузей промисловості. Наприклад, для виробництва білого стрептоциду з продуктів коксування кам’яного вугілля виділяють бензен, із нього добувають нітробензен, що далі перетворюють на анілін. Анілін є вже так званим напівпродуктом, з якого за кілька хімічних стадій добувають сульфамід — власне білий стрептоцид.

Виробництво аспірину також складається з декількох стадій. Фенол, добутий із кам’яного вугілля, перетворюють на натрій (літій) фенолят, з нього під дією вуглекислого газу отримують саліцилову кислоту, яку за допомогою етанової кислоти перетворюють на етиловий естер.

Створення нового лікарського засобу — надзвичайно копітка праця. Із десятків тисяч сполук фармакологічну активність можуть виявити десятки, а ввійти в медичну практику — лише одиниці. Пошукова робота потребує участі багатьох фахівців — хіміків-синтетиків, біохіміків, фармакологів, хіміотерапевтів, представників технічних спеціальностей.

Українські вчені мають досягнення в синтезі медичних препаратів. Популярний нині протигрипозний засіб ремантадин було створено за участю українських хіміків (с. 54, мал. 28).

Завдання для самоконтролю

1. Схарактеризуйте значення реакції Зініна.

2. Яку роль відіграв анілін у розвитку хімічної промисловості?

3. Назвіть функціональні групи сполук, згаданих у параграфі.

4. Для виробництва аніліну масою 186 кг треба затратити:

А нітробензен масою 123 кг; водень об’ємом 44,8 м3

Б нітробензен масою 246 кг; водень об’ємом 44,8 м3

В нітробензен масою 246 кг; водень об’ємом 134,4 м3

Г нітробензен масою 123 кг; водень об’ємом 268,8 м3

Додаткові завдання

5. Поясніть, на чому ґрунтується припущення про sр3-гібридизацію електронних орбіталей атома Нітрогену в молекулах амінів.

6. Порівняйте будову молекул бензену й аніліну.

7. Складіть порівняльну таблицю властивостей метанаміну й аніліну.

8. Розмістіть за зростанням основних властивостей такі сполуки:

а) метанамін, анілін, пара-хлороанілін;

б) C6H5—NH2, (CH3)2NH, CH3NH2.

9. Порівняйте галузі застосування аніліну й фенолу.

10. Складіть рівняння реакцій за наведеною схемою перетворень:

СаСО3 —> Х —> СаС2 —> Y —> С6Н6 —> Z —> C6H7N —> C6H4Br3N.

Укажіть речовини X, Y, Z.

А X — метан, Y — етин, Z — анілін

Б X — кальцій оксид, Y — етин , Z — нітробензен

В X — кальцій оксид, Y — метан, Z — толуен

11. Поясніть на прикладі виробництва анілінових барвників, як ви розумієте взаємозв’зок теорії і практики.

12. Формула барвника малахітового зеленого

Якщо замінити метильні групи на етильні, то утвориться барвник брильянтовий зелений. Складіть формулу цієї сполуки. Де її використовують?

Висновки

• Аміни містять функціональну аміногрупу —NH2, сполучену з алкільною групою.

• Основні параметри молекули триметиламіну:

гібридизація електронних орбіталей атомів Нітрогену й Карбону — sp3;

довжина зв’язку С—N — 0,147 нм; енергія зв’язку С—N — 305 кДж/моль;

валентний кут —108о;

види ізомерії — структурна ізомерія карбонового ланцюга, положення аміногрупи та ізомерія між первинними, вторинними й третинними амінами.

• Аміни — полярні сполуки.

• Первинні й вторинні аміни утворюють водневі зв’язки.

• Внаслідок наявності неподіленої пари електронів у атома Нітрогену аліфатичні аміни виявляють основні властивості й реагують з кислотами й водою.

• Анілін виявляє властивості, зумовлені взаємним упливом аміногрупи та бензенового ядра: не діє на індикатори, реагує лише із сильними кислотами, а також із бромною водою.

• Основний спосіб добування амінів — відновлення нітросполук.

• Анілін добувають з нітробензену за реакцією Зініна.

• Анілін і його похідні широко використовують у різних галузях промисловості, зокрема в анілінофарбовій і фармацевтичній.