AROMATSKI KARBOHIDROGENI - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemiju... · svakog supstituenta u...

AROMATSKI KARBOHIDROGENI

Benzaldehid

(iz višanja, breskvi, badema)

Toluen

(iz Tolu balzama)

Benzen, C6H6, –

Michael Faraday,

1825. London

izoliran iz uljnog ostatka

gasa za osvjetljenje

1791-1867

Friedrich August Kekulé

(1829-1896)

Kekuléov originalni model benzena.

C

CC

C

CCH

H

H

H

H

H

C

CC

C

CC

H

H

H

H

H

H

C

CC

C

CC

H

H

H

H

H

H

Kekuleove rezonantne forme

ili ili

Struktura benzena – hibridne orbitale

..O

HO

HO

NCH3

C

O OCH2CH2N(CH2CH3)2 N

N

Cl

O

Estron Morfin

Diazepam (Valium)

Prirodni.....i

...sintetski aromatski spojevi...kao lijekovi..

Prokain

...sintetski aromatski spojevi...kao lijekovi..

Neki aromatski spojevi nađeni u katranu uglja

NOMENKLATURA AROMATSKIH

SPOJEVA

MONOSUPSTITUIRANI aromatski spojevi

- benzen osnova imena.

Sam benzen je dobio ime prema

benzojevoj kiselini koja je izolirana iz tzv.

benzoa smole, a iz koje se može dobiti

benzen.

MONOSUPSTITUIRANI aromatski spojevi

Brombenzen Nitrobenzen Propilbenzen

Fluorbenzen (1,1-Dimetiletil)benzen

(terc-Butilbenzen)

MONOSUPSTITUIRANI aromatski spojevi

Alkilsupstituirani benzeni (Areni)– alkilna

grupa u bočnom lancu ima 6 C-atoma ili

manje

CH2CH3

Etilbenzen

Fenilsupstituirani alkani – alkilna grupa

ima više od 6 C-atoma

MONOSUPSTITUIRANI aromatski spojevi

CHCH2CH2CH2CH2CH3

CH3CH2CH2

CH2CH2CH2

Fenilna grupa

1,3-Difenilpropan

2-Fenilheptan

4-Fenilnonan

Benzilna grupa je drugi naziv za

monosupstituirani metilbenzen (toluen)

MONOSUPSTITUIRANI aromatski spojevi

Benzilna grupa Benzilbromid

Br

Difenileter Dibenzileter

DISUPSTITUIRANI BENZENI

Mogu se imenovati na dva načina. Obje

metode opisuju odnos dva supstituenta na

šesteročlanom aromatskom prstenu:

Sistematsko numerisanje aromatskog

prstena (IUPAC)

Korištenje prefiksa orto-, meta- ili para-.

DISUPSTITUIRANI BENZENI

Br

Br

NO2

NO2

CH3

CH3

o-dibrombenzen m-dinitrobenzen p-dimetilbenzen

1,2-dibrombenzen 1,3-dinitrobenzen 1,4-dimetilbenzen

orto = o- = 1,2-disupstitucija

meta = m- = 1,3-disupstitucija

para = p- = 1,4-disupstitucija

DISUPSTITUIRANI aromatski spojevi

1,2-Dihlorbenzen 1-Brom-3-nitrobenzen 1-Etil-4-(1-metiletil)benzen

(o-Dihlorbenzen) (m-Bromnitrobenzen) (p-Etilizopropilbenzen)

Postoje brojna nesistematska (trivijalna)

imena za monosupstituirane i

disupstituirane derivate benzena koje

dozvoljava IUPAC:

Metilbenzen 1,2-Dimetilbenzen 1,3,5-Trimetilbenzen Etenilbenzen Metoksibenzen

(Toluen) (o-Ksilen) (Mezitilen) (Stiren) (Anisol)

OH NH2 CN C OCH3

CH3

CH3 OH

CH3

Fenol Anilin Benzonitril Acetofenon

Krezol

CH(CH3)2 CH CH2 OCH3 COOH CH(CH3)2 CH CH2 OCH3 COOH

Kumen Benzojeva kiselina

Nesistematska (trivijalna) imena

POLISUPSTITUIRANI BENZENI

imenuju se označavanjem broja položaja

svakog supstituenta u prstenu tako da

imaju što je moguće manji broj, a navode

se abecednim redom ispred osnovnog

imena – benzen, odnosno dozvoljenog

trivijalnog imena koje se uzima za osnovu.

POLISUPSTITUIRANI BENZENI

1-Brom-2,3-dimetilbenzen 1,2,4-Trinitrobenzen 1-Etenil-3-etil-5-etinilbenzen

2-Brom-4-hlor-1-nitrobenzen 4-Brom-1-hlor-2-nitrobenzen 1-Brom-4-hlor-2-nitrobenzen

4-Brom-1,2-dimetilbenzen 2,5-Dimetilfenol 2,4,6-Trinitrotoluen (TNT)

POLISUPSTITUIRANI BENZENI

5-Brom-2-nitrotoluen 3-Brom-4-hlorfenol 2-Etil-4-jodanilin

CH3

NO2

Cl

Br

NO2

CH2CH3

OH

Br

Cl

POLISUPSTITUIRANI BENZENI

4-Brom-2-etil-1-nitrobenzen 5-brom-2-hlorfenol 4-hlor-2-nitrotoluen

NE

1-brom-3-etil-4-nitrobenzen

POLICIKLIČKI AROMATSKI

KARBOHIDROGENI

Naftalen Antracen

Tetracen Fenantren

(Naftacen)

Struktura naftalena

Karcinogeni benzenoidni karbohidrogeni

Benzo[a]piren Benz[a]antracen

Dibenz[a,h]antracen

Enzimatska konverzija benzo[a]pirena, nađenog u čađi

dimnjaka, sušenom mesu i duhanskom dimu, u konačni

karcinogen:

Metabolit benzo[a]pirena vezuje se za DNA.

Hückelovo pravilo aromatičnosti:

Da bi spoj bio aromatičan, mora:

biti cikličan

biti planaran

imati jednu p orbitalu na svakom atomu u prstenu

imati delokalizovan, konjugirani sistem

imati 4n + 2 p elektrona (za n = 0, 1, 2, itd.)

Hückelov broj elektrona = 2, 6, 10, 14, 18, itd.

Erich Hückel

1896 –1980,

AROMATSKI SISTEMI:

H

HH

# p e = 6 2 6 6

NE-AROMATSKI SISTEMI:

HH

H

# p e = 4 8 4 10

Some Non-Aromatic SystemsSome Non-Aromatic Systems

HH

H

# # pp e = 4e = 4 88 44 10 10

(not planar!)(not planar!)NE-AROMATSKI SISTEMI:

HH

H

nije planaran!

# p e = 10

HETEROAROMATSKI SISTEMI:

N

N

N

H

N

H

Piridin Pirol Imidazol

(ima 1p u sp2 (1p je u p orbitali) (ima 1p u sp2, i

hibridnoj orbitali) 1p u p orbitali)

DOBIVANJE AROMATSKIH

UGLJIKOVODIKA

iz katrana kamenog uglja (odvajanje frakcionom

destilacijom)

najveće količine se dobivaju iz alkana u nafti

katalitičko reformiranje ili platforming:

CH3(CH2)4CH3Pt

400oC+ 4 H2

n-heksan benzen

(NE) REAKTIVNOST BENZENA

Visok stepen nezasićenosti (SN = 4; prsten

i 3 C=C veze), a ipak ne adira Br2 kao

alkeni

Reaguje sa Br2 u prisustvu FeBr3

katalizatora u reakciji SUPSTITUCIJE, a

ne adicije.

Benzen Brombenzen

(supstitucioni produkt)

(Adicioni produkt)

ne nastaje

Bromiranje benzena – supstitucija SE

STABILNOST BENZENA

Rezonantna energija benzena računata iz toplote hidrogenacije – DH.

Benzen je za 150 kJ/mol (36 kcal/mol) stabilniji nego što bi se moglo

očekivati za “cikloheksatrien”!

Supstitucija elektrofila na benzenu - SE

Y+

Y

Opšti mehanizam elektrofilne aromatske supstitucije:

sporo

: B

brzo

Aromatski prsten

Halogeniranje

Nitriranje

Sulfonovanje

Aciliranje

Alkiliranje

Supstitucija elektrofila

na benzenu - SE

Pet najpoznatijih

ELEKTROFILNIH

AROMATSKIH

SUPSTITUCIJA:

Brom (Br), hlor (Cl) ili iod (I) zamjenjuju H

atom; reagensi: Br2/FeCl3; Cl2/AlCl3 ili FeCl3; I2/HNO3 ili CuCl2

1. Halogeniranje

katalizator

: Baza

2. Nitriranje

Nitrobenzen

nitratna kiselina

Nitro grupa (NO2) zamjenjuje H atom

Nitro spojevi se mogu reducirati do arilamina

Sulfo grupa (SO3H) zamjenjuje H atom

Sulfonovanje je povratna reakcija

3.Sulfonovanje

Benzensulfonska kiselina

4. Friedel-Craftsovo alkiliranje

Alkilna grupa (R) zamjenjuje H atom

James Mason Crafts

(1839 –1917)

Charles Friedel

(1832 –1899)

Etilbenzen

Acilna grupa (RC=O) zamjenjuje H atom

5. Friedel-Craftsovo aciliranje

Kiselinski

halogenid Keton

Acilna grupa (RC=O) može poticati iz kiselinskih

hlorida ili kiselinskih anhidrida:

Acetilhlorid Acetofenon

Acetofenon Acetanhidrid

Acil-supstituirani benzeni mogu se prevesti u

alkil-supstituirane benzene redukcijom uz H2/Pd:

alkil-supstituirani benzen

acil-supstituirani benzen

• Katalitička hidrogenizacija benzena

benzen cikloheksanC6H6 C6H12

3 H2

Pd

• Fotohemijsko hloriranje benzena H

UV

3 Cl2

Cl

Cl

Cl

Cl

ClH

H

H

HH Cl

benzen 1,2,3,4,5,6-heksahlorcikloheksan

(heksahloran)

benzen cikloheksanC6H6 C6H12

3 H2

Pd

benzen cikloheksanC6H6 C6H12

3 H2

Pd

• Oksidacija benzilnog položaja

CH3 COOH CH CH3H3C

Toluen Benzojeva Kumen

kiselina

[O] [O]

UVCH3 COOH CH CH3H3C

p-Ksilen 1,4-Benzen- p-Metilizopropilbenzen dikarboksilna kiselina (4-Izopropiltoluen)

[O] [O]

CH3 CH3COOH

(Tereftalna kiselina)

Oksidacija alkilnog supstituenta može se vršiti sa KMnO4 ili

Na2Cr2O7/H+; benzen je stabilan i neće se oksidirati:

• Oksidacija benzilnog položaja

Toluen Benzojeva kiselina

m-butilizopropilbenzen

m-benzendikarboksilna kiselina

Bez obzira na dužinu lanca alkilnog supstituenta, on će

se oksidirati do COOH grupe, ako ima hidrogen vezan

za benzilni karbon

Butilbenzen Benzojeva kiselina

terc-Butilbenzen

Nema reakcije

Nema benzilni

hidrogen

• Oksidacija benzilnog položaja

• Oksidacija policikličkih karbohidrogena

O2(u višku) /V2O3, 350°C

Naftalen 1,2-Benzendikarboksilna kiselina (Ftalna kiselina)

COOH[O]

COOH

+ 3 O3

O3

O3

O3 3 H C C H + 3 H2O2

O O

• Ozonoliza

Benzen Benzentriozonid Glioksal (Etandial)

Br2

Toluen Benzilbromid

CH2BrCH3

svjetlost + HBr

• Halogeniranje benzilnog položaja

Toluen Benzil hlorid (Dihlormetil)benzen (Trihlormetil)benzen

(Benzal hlorid) (Benzotrihlorid)

EFEKAT SUPSTITUENATA NA BENZENU NA

REAKTIVNOST U REAKCIJAMA ELEKTROFILNE

SUPSTITUCIJE

> >

X Y

p-

o- o-

m-m-

X je elektrondonor; Y je elektronakceptor;

prsten postaje bogat prsten je osiromašen

elektronima i elektronima i

veoma reaktivan manje reaktivan

EFEKAT

SUPSTITUENATA

NA BENZENU NA

REAKTIVNOST U

REAKCIJAMA

ELEKTROFILNE

SUPSTITUCIJE

Sve aktivirajuće grupe su orto- i para-dirigujuće, a sve

deaktivirajuće grupe, osim halogena, su meta-dirigujuće.

Halogeni su jedinstveni kao orto- i para-dirigujući

deaktivatori .

CH3

+ Br2FeBr3

CH3 CH3

Br

Br

+

Br

OCH3

FeBr3+ 3 Br2

OCH3

Br

Br

• Aktivatori sa o- i p-direkcionim uticajem:

toluen o-bromtoluen p-bromtoluen

metoksibenzen 2,4,6-tribrommetoksibenzen

Toluen

o-Toluensulfonska kiselina p-Toluensulfonska kiselina Toluen

• Aktivatori sa o- i p-direkcionim uticajem:

o-Nitrotoluen

p-Nitrotoluen

Anilin

Fenol

Nema katalizatora!

• Aktivatori sa o- i p-direkcionim uticajem:

+

Br

Cl

Br

AlCl3+ Cl2

Br

Cl

Brombenzen o-Bromhlorbenzen p-Bromhlorbenzen

1. Deaktivatori sa o- i p- direkcionim uticajem:

Brombenzen o-Dibrombenzen p-Dibrombenzen

2. Deaktivatori sa m-direkcionim uticajem:

Br

FeBr3+ Br2

NO2 NO2

Nitrobenzen m-Bromnitrobenzen

Benzojeva kiselina m-Nitrobenzojeva kiselina

Kako sintetizirati sva tri izomera hlornitrobenzena polazeći

od benzena?

• Sinteza disupstituiranih benzena:

NO2

+ CH3CCl

O CCH3

O

AlCl3 HNO3

H2SO4

O

CCH3

• Sinteza disupstituiranih benzena:

m-nitroacetofenon

NO2

+ CH3CCl

O CCH3

O

AlCl3 HNO3

H2SO4

O

CCH3

Kako sintetizirati m-nitroacetofenon polazeći od benzena?

NO2

+ CH3CCl

O CCH3

O

AlCl3 HNO3

H2SO4

O

CCH3

NO2

+ CH3CCl

O CCH3

O

AlCl3 HNO3

H2SO4

O

CCH3

NO2

+ CH3CCl

O CCH3

O

AlCl3 HNO3

H2SO4

O

CCH3

NO2

+ CH3CCl

O CCH3

O

AlCl3 HNO3

H2SO4

O

CCH3 NO2

+ CH3CCl

O CCH3

O

AlCl3 HNO3

H2SO4

O

CCH3

X

Iako oba supstituenta, NO2 i CH3C=O, diriguju istu, meta poziciju,

zbog ograničenja Friedel-Craftsove reakcije, nitrobenzen se ne

može acilirati!

• Sinteza disupstituiranih benzena:

Ograničenja Friedel-Craftsovih reakcija.

Reakcija izostaje ako je supstituent na benzenu

elektronakceptor ili neka bazna grupa koja se može

protonirati:

Nema reakcije

kada je

Jači aktivator, OH, diriguje

poziciju novog supstituenta

Oba supstituenta

diriguju isti položaj

• Sinteza trisupstituiranih benzena:

orto

orto

• Sinteza trisupstituiranih benzena:

Oba supstituenta

diriguju isti položaj

p-Metilbenzojeva kiselina 3-Brom-4-metilbenzojeva kiselina

• Sinteza trisupstituiranih benzena:

suviše otežano

m-Hlortoluen 3,4-Dihlortoluen 2,5-Dihlortoluen

o-Nitrotoluen 2-Hlor-6-nitrotoluen 4-Hlor-2-nitrotoluen

Ne nastaje

• Sinteza polisupstituiranih benzena:

Kako sintetizirati 4-brom-2-nitrotoluen polazeći od benzena?

Nacrtati strukturu tražene molekule, identificirati supstituente i

podsjetiti se kako se svaka grupa može pojedinačno uvesti.

Tri supstituenta na prstenu su brom, metilna grupa i nitro

grupa.

Brom se može uvesti bromiranjem sa Br2/FeBr3.

Metilna grupa može se uvesti Friedel-Craftsovim alkiliranjem

sa CH3Cl/AlCl3.

Nitro grupa se može uvesti nitriranjem sa HNO3/H2SO4

4-brom-2-nitrotoluen

Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati

traženi 4-brom-2-nitrotoluen?

Tri su mogućnosti:

o-Nitrotoluen

Ovaj prsten bromiranjem će

dati smjesu izomera

m-Bromnitrobenzen

Ovaj deaktivirani prsten ne podliježe

Friedel-Craftsovoj reakciji

p-Bromtoluen

Ovaj prsten nitriranjem će

dati samo željeni izomer

4-brom-2-nitrotoluen

Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati

p-bromtoluen?

Moguća su dva rješenja, bromiranjem toluena ili Friedel-

Craftsovim alkiliranjem brombenzena iako nastaje

smjesa dva izomera koji se moraju razdvojiti:

Toluen p-Bromtoluen Brombenzen

(+ orto izomer)

Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati

toluen? Metiliranjem benzena u Friedel-Craftsovoj

reakciji.

Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati

brombenzen? Bromiranjem benzena.

Retrosintetska analiza pokazala je dva moguća puta od

benzena do 4-brom-2-nitrobenzena:

Benzen

Toluen

Brombenzen

p-Bromtoluen 4-Brom-2-nitrotoluen

Kako sintetizirati 4-hlor-2-propilbenzensulfonsku kiselinu iz

benzena?

Nacrtati strukturu tražene molekule, identificirati supstituente i

podsjetiti se kako se svaka grupa može pojedinačno uvesti.

Tri supstituenta na prstenu su hlor, sulfonska grupa i

propilna grupa.

Hlor se može uvesti hloriranjem sa Cl2/FeCl3.

Sulfonska grupa može su uvesti sulfonovanjem sa

SO3/H2SO4

• Sinteza polisupstituiranih benzena:

4-hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina

Propilna grupa može se uvesti Friedel-Craftsovim

aciliranjem sa CH3CH2COCl/AlCl3, koje prati redukcija

sa H2/Pd. Direktno Friedel-Craftsovo alkiliranje sa

CH3CH2CH2Cl/AlCl3 nije metoda izbora, zbog

mogućnosti premještanja primarnog propil karbkationa,

1°, u stabilniji sekundarni izopropil karbkation, 2°,

pomakom hidrogenovog atoma sa svojim elektronskim

parom (hidridni ion H:-), sa C1 na C2, pa bi nastala

smjesa dva izomera, sa propilnom, ali i sa izopropilnom

grupom.

Hidridni

pomak

1° 2°

Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati

tražena 4-hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina?

Tri su mogućnosti:

o-Propilbenzensulfonska

kiselina

Ovaj prsten hloriranjem će

dati pogrešan izomer

4-hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina?

p-Hlorbenzensulfonska kiselina

Ovaj deaktivirani prsten ne podliježe

Friedel-Craftsovoj reakciji

m-Hlorpropilbenzen

Ovaj prsten sulfonovanjem

će dati smjesu izomera koji

se dalje moraju razdvojiti

Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati

m-hlorpropilbenzen?

Pošto dva supstituenta imaju meta orijentaciju, prvi

supstituent uveden na prsten mora biti meta dirigujući kako

bi se sljedeća supstitucija odigrala na odgovarajućoj poziciji.

Pored toga, pošto se primarne alkil grupe kao što je propilna

ne mogu direktno uvesti Friedel-Craftsovim alkiliranjem,

predhodni spoj iz kojeg se može dobiti m-hlorpropilbenzen

je m-hlorpropiofenon, koji se može katalitički reducirati.

m-hlorpropiofenon m-hlorpropilbenzen

Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati

m-hlorpropiofenon? Propiofenon koji se može hlorirati u

meta poziciji.

Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati

propiofenon? Benzen, koji podliježe Friedel-Craftsovom

aciliranju sa propanoil hloridom i AlCl3.

Propiofenon m-Hlorpropiofenon

Propiofenon Benzen

Finalna sinteza polazeći od benzena odvija se u četiri

koraka:

Benzen Propiofenon m-Hlorpropiofenon

4-Hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina m-Hlorpropiilbenzen