Короткая схема (оптимальная, промышленно и учебно распространённая):
бензол → (Friedel–Crafts, метилирование) → толуол → (нитрование) → p‑нитротолуол (извлечение/очистка p‑изомера) → (окисление метильной группы) → p‑нитробензойная кислота.
Детали по стадиям, механизмы, условия и побочные реакции.
1) Мeтилирование (Friedel–Crafts alkylation)
- Цель: ввести активирующую орто/пара‑директирующую группировку (метильную), чтобы затем получить преимущественно p‑изомер при нитровании.
- Реагенты и условия: $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{Cl}$ (или $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{Br}$), катализатор $\mathrm{AlC}{\mathrm{l}}_3$, безводный растворитель (дихлорметан), температура примерно $0$–$25^{\circ }\mathrm{C}$.
- Механизм (коротко): образование карбокатиона/комплекса $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3^{+}$ с $\mathrm{AlC}{\mathrm{l}}_3$ → электрофильное замещение на бензольном кольце → восстановление ароматичности отъёмом протона.
- Побочные реакции и меры контроля: полиалкилирование (образование ди‑/поли‑метилированных продуктов) — минимизируют избытком бензола (катализатор в стехиометрии малых значений), низкой температурой и контролем эквивалентов; образование орто‑изомера вместе с пара — отделяют физически.
2) Нитрование толуола → нитротолуолы (EAS)
- Цель: получить p‑нитротолуол.
- Реагенты и условия: смесь концентрированных азотной и серной кислот (нитрующая смесь), температура низкая, обычно $0$–$5^{\circ }\mathrm{C}$ для мононитрования; краткое время реакции, затем охлаждение/разбавление.
- Механизм: генерация нитиониевого катиона $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2^{+}$ (HNO3 + H2SO4) → атака на активированное толуольное кольцо → нестабильный σ‑комплекс → отщепление протона, восстановление ароматичности.
- Региоselectivность: CH3 — орто/пара‑директор; реальное распределение o:p часто даёт значительную долю орто. Для повышения p‑доли используют: низкую температуру, разбавленную смесь, пространственные факторы, либо последующее выделение p‑изомера (рекомбинативная кристаллизация).
- Очистка: фракционная перегонка (если пары по Ткип различны) или кристаллизация/реэкристаллизация (p‑изомер часто легче кристаллизуется).
- Побочные реакции: образование dinitro‑продуктов при перегреве/избытке реагента; окисление боковой цепи при агрессивных условиях — избегать длительного нагрева в кислой среде.
3) Окисление боковой метильной группы → карбоксильная
- Цель: превратить p‑нитротолуол в p‑нитробензойную кислоту.
- Надёжный метод: сильное окисление бenzylic hydrogen с $\mathrm{KMn}{\mathrm{O}}_4$ в щёлочи или ${\mathrm{K}}_2\mathrm{C}{\mathrm{r}}_2{\mathrm{O}}_7/{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$.
- Условия (KMnO4): водный раствор $\mathrm{KMn}{\mathrm{O}}_4$ + $\mathrm{NaOH}$, нагревание/кипячение до полного потребления исходного толуола; затем подкисление раствора соляной кислотой и выделение кислоты. Температура кипения раствора; окончательное кислотообразование при добавлении HCl.
- Механизм (упрощённо): последовательное окисление бenzylic‑H → бензиловый спирт → альдегид → карбоновая кислота; действующий окислитель — MnO4−, восстановление до $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_2$ (осадок).
- Совместимость нитрогруппы: нитрогруппа относительно устойчива к этим условиям; при чрезмерно жёстких условиях возможна частичная нитроредукция или побочные окисления — контролировать избыток окислителя и время.
- Побочные реакции: разложение/нитросоединений при очень агрессивном окислении; образование тёмных побочных продуктов от полимеризации/дальнейшего окисления ароматического ядра (редко при контролируемых условиях).
Региональная селективность и альтернативы
- Главная трудность — получение чистого p‑изомера на стадии нитрования толуола (конкурирует o‑изомер). Практически решяют:
- контроль условий нитрования (низкая $T$, стехиометрия),
- последующая селективная кристаллизация p‑изомера,
- либо применяют блокирующую стратегию: вводят временную группировку, дающую высокую пара‑селективность, затем заменяют её на CO2H — но это обычно сложнее, чем путь через толуол.
- Альтернативный путь (менее простой): бензол → хлорбензол → нитро‑параселективная функционализация с использованием направляющих/литирования и карбоксилирования (используют порционно защищённые/ориентированные реакции с литиеванием), но нитрогруппа несовместима с многих органометаллических реагентов — потому такой путь требует дополнительной защиты/манипуляций.
Безопасность и практические замечания
- Friedel–Crafts и нитрование — экзотермические; контролировать температуру, делать в вытяжке, избегать влаги при AlCl3.
- KMnO4 — сильный окислитель; органические примеси могут воспламеняться при контакте с концентрированным окислителем — осторожность при смешивании концентрированных растворов.
- Очистка p‑изомера часто проще рекристаллизацией; для аналитической проверки используют ИК, NMR, точку плавления и хроматографию.
Итог: Практический, проверенный маршрут — метилирование бензола (Friedel–Crafts) → нитрование толуола с выделением p‑нитротолуола → окисление боковой цепи (KMnO4/щелочь, затем кислотизация) → p‑нитробензойная кислота. Этот путь обеспечивает контроль пара‑ориентации через исходную активирующую группу и позволяет очисткой получить желаемый пара‑изомер.