Краткий оптимальный маршрут (минимум реалистичных стадий): 3 стадии

1) введение метильной группы (бензол → толуол) — Friedel–Crafts-алкилирование;
2) нитрование толуола (получение смеси o‑ и p‑нитротолуолов, выделение p‑изомера);
3) окисление метильной группы до карбоксильной (p‑нитротолуол → 4‑нитробензойная кислота) — окисление перманганатом.

Далее — обоснование выбора, конкретные реагенты/условия, побочные реакции и способы их подавления.

Шаг 1. Бензол → толуол

Реакция: Friedel–Crafts алкилирование с CH3Cl/AlCl3 (или CH3Br/AlCl3).Условия: низкая температура (0–25 °C), избыток бензола (например 5–10×) для подавления полиалкилирования; сухие неполярные растворители (CS2, ССl4 или без растворителя).Почему: метильная группа — сильный орто/пара‑директор; полученный толуол прост в дальнейшей нитрации; Friedel–Crafts — прямой и быстрый способ получить толуол из бензола.Побочные реакции: полиалкилирование (ди‑/три‑метилзамещённые продукты), образование изомерных побочных продуктов; гидролиз каталитических комплексов при наличии влаги.Подавление: применять избыток бензола, контролировать температуру и время реакции, строгая сушка реакционной смеси и реагентов, использовать безопасную работу с AlCl3 (введение CH3Cl в избыток бензола с перемешиванием).

Примечание: в лабораторной практике иногда предпочтительнее не прямой Friedel–Crafts (из‑за полиизомерии) — можно получить толуол промышленным путём или через более сложные маршруты (ацил → восстановление), но это увеличит число стадий.

Шаг 2. Толуол → нитротолуолы (nitration)

Реакенты/условия: концентрированная HNO3 + концентрированная H2SO4 (смесь «нитрующего агента»), препаратируют смесь при 0–5 °C; в реактор медленно добавляют толуол к смеси кислот (или наоборот при строгом контроле); поддерживать низкую температуру и короткое время выдержки, затем нейтрализация/выделение органического слоя.Почему: классическая электрофильная нитрация даёт преимущественно о‑ и p‑изомеры на активном толуоле; при контролируемых условиях можно минимизировать динитридацию.Ожидаемый результат: смесь орто‑ и пара‑нитротолуолов (пара — значительная доля, но не единственный продукт).Побочные реакции: динитрование (образование dinitrotoluene при слишком «жесткой» нитрации), окисление боковой цепи (при слишком высокой температуре/длительном контакте), о‑ и p‑изомеры (смесь).Подавление: работает контроль температуры (холодная реакция), использовать не слишком сильный избыток HNO3, короткое время реакции, добавление толуола медленно; для уменьшения динитрации — не нагревать, сразу удалять продукт после окончания введения реагентов. Разделение o/p‑изомеров: фракционная перегонка, ректификация или колоночная хроматография; в ряде случаев p‑нитротолуол кристаллизуется легче и может быть выделен рекристаллизацией.

Шаг 3. p‑нитротолуол → 4‑нитробензойная кислота

Реактор/реагент: KMnO4 в щелочной/нейтральной водной среде; нагрев (кипячение, reflux) до полного окисления боковой метильной группы до CO2– (карбоксилат), затем кислотная обработка (HCl) для осаждения кислоты.Почему: щелочной перманганат — стандартный, надёжный метод окислять бензильные метильные группы до карбоновой кислоты без разрушения ароматического ядра при контролируемых условиях; нитрогруппа обычно устойчива к таким условиям.Условия: добавлять KMnO4 порционно при нагреве; контролировать стехиометрию (избыток KMnO4 приводит к побочным окислениям); после завершения реакции отфильтровать MnO2, прокислить раствор, выделить 4‑нитробензойную кислоту.Побочные реакции: чрезмерное окисление (потеря ароматического кольца → CO2), частичное окисление нитрогруппы при очень жёстких условиях, разложение продукта; если в смеси остались о‑нитротолуолы, получится и 2‑нитробензойная кислота.Подавление: контролировать количество и скорость введения KMnO4, поддерживать контроль температуры; при наличии смеси o/p‑нитротолуолов предварительно разделить и окислять только p‑изомер, чтобы избежать получения смеси н‑кислот.

Очистка и выделение конечного продукта

После окисления прокислить до pH ~1–2, охладить: 4‑нитробензойная кислота плохо растворима в воде и осадится; фильтровать, промыть, перекристаллизовать (напр., из этанола/водно‑этанольного раствора) для удаления примесей (2‑ни Tro продукт).Если при нитрации получена смесь 2‑ и 4‑нитротолуолов, лучше разделить их до шага окисления (фракционная перегонка или хроматография), иначе получите смесь кислот, которую сложнее разделить.

Альтернативы/замечания

Можно получить толуол также путём гидрокрекинга или восстановительного превращения ацетил‑производных (фридель–крафтс ацил → восстановление), но это добавит стадии.Окисление боковой цепи можно проводить и другими окислителями (например, O2/Cu катализ, KMnO4 — наиболее прост и надёжен в лаборатории). Хромпик (Jones) менее предпочтителен из‑за токсичности и риска побочных реакций.Если цель — строго пара‑изомер без сложной разделительной работы, можно применять направляющие/блокирующие группы (например, временная нитросульфонирование/сульфонирование) — но это увеличит число стадий.

Итог

Минимальное практическое число стадий: 3 (алкилирование → нитрование → окисление).Основные проблемы: полиалкилирование на шаге 1; образование смеси o/p и динитрации на шаге 2; образование смеси кислот и возможное чрезмерное окисление на шаге 3.Основные способы подавления: избыток бензола и сухие условия при алкилировании; низкая температура, контролируемое добавление и короткое время при нитрации; осторожное дозирование и температура при окислении, а также предварительная очистка p‑нитротолуола перед окислением.