2017 39-42 Reakcje benzenu i jego pochodnychzcho.ch.pw.edu.pl/dyd_mks18.pdf · „Chemia Organiczna”, dr hab. in ... Powszechnie stosowane reakcje S EAr Fluorowanie w reakcji S

„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018

1

39-42. Reakcje benzenu i jego pochodnych


2

18.1. Nazewnictwo mono-podstawionych benzenów

nazwa podstawnika - przedrostek przed słowem „benzen”

wiele nazw zwyczajowych(pokazane wybrane związki)

benzyloaminabenzyl

NH2

pierścień benzenowyw roli podstawnika

metylenofenyl w roli podstawnika


3

18.2. Elektrofilowe podstawienie aromatyczne (SEAr) – wymiana protonu (H+)

sp3sp2

aromatyczny produkt podstawienia protonu (H+)

• jest trwalszy termodynamiczne

hipotetyczny produkt addycji– niearomatyczny,

• mniej trwały termodynamicznie

elektrofil

nukleofil pełni rolę zasady –odrywa proton od at. C(sp3)

reagent, z którego zostaje wygenerowany elektrofil


4

18.2.1. SEAr – mechanizm reakcjiE

nerg

ia p

oten

cjal

na4 2

12E

H


5

18.2.2. Powszechnie stosowane reakcje SEAr

Fluorowanie w reakcji SEAr zachodzi gwałtownie – trudna kontrola reakcji• at. F wstawia się w reakcji soli diazoniowych (Ar-N2

+)(uwaga: to nie jest reakcja SEAr)


6

18.3. SEAr – halogenowanie

H XX

H

X

H

X

HX FeX3X X FeX3 + HX

+ FeX3

wytworzenie elektrofila (X = Cl, Br)

podstawienie

wytworzenie elektrofila podczas jodowania

w praktyce stosuje się Fe, ze względu na higroskopijność FeX32 Fe + 3 X2 2 FeX3

w praktyce stosuje się Fe, ze względu na higroskopijność FeX32 Fe + 3 X2 2 FeX3


7

18.4. SEAr – nitrowanie

wytworzenie elektrofila – kationu nitroniowego (NO2+)

podstawienie

kation nitroniowy

W praktyce:mieszanina stęż. HNO3 i stęż. H2SO4 – tzw. mieszanina nitrująca

• HNO3 (słabszy kwas) pełni rolę zasady (formalnie)• protonowanie HNO3 sprzyja wytworzeniu NO2

+

• bez dodatku H2SO4 nitrowanie zachodzi wolno


8

18.5. SEAr – sulfonowanie

wytworzenie elektrofila

podstawienie


9

18.5.1. SEAr – sulfonowanie, odwracalność reakcji

sulfonowanie

de-sulfonowanie

sulfonowanie jest stosowane w praktyce jako zabezpieczenie określonej pozycji w pierścieniu benzenowym


10

18.6. SEAr – acylowanie Friedela-Craftsa

wytworzenie kationu acyliowego (elektrofila w wiekszości zbadanych reakcjach acylowania)

podstawienie

występowanie produktu w postaci kompleksu z AlCl3ma konsekwencje w praktyce


11

18.6.1. SEAr – acylowanie Friedela-Craftsa, praktyka

konieczność rozkładu kompleksu keton-AlCl3 w celu wydzielenia produktu reakcji (ketonu)

konieczność użycia R(O)Cl i AlCl3 w odpowiedniej proporcji molowej

Konsekwencje w praktyce tworzenia kompleksów R(O)Cl-AlCl3 i keton-AlCl3:

1.

2.


12

wytworzenie kationu acyliowego

podstawienie (jak w przypadku użycia chlorku kwasowego)

konsekwencje w praktyce użycia (RCO)2O:

1. 2.

bezwodniki kwasowe –• mniej reaktywne niż chlorki kwasowe• cykliczne bezwodniki kwasowe są

stosowane do syntezy kwasów oksokarboksylowych

18.6.2. SEAr – acylowanie Friedela-Craftsa, stosowanie bezwodników kwasowych


13

18.7. SEAr – alkilowanie Friedela-Craftsa

wytworzenie elektrofila (karbokationu alkilowego)

podstawienie

• karbokation może ulec przegrupowaniu(jak w innych poznanych reakcjach) –najpoważniejsza (nie jedyna) wada metody

• odtwarza się katalizator• nie jest wiązany przez produkt (jak w acylowaniu)• może być stosowany w ilości katalitycznej (zaleta metody)

Cl AlCl3

1 mol 0.1-0.2 mol (zwykle)


14

1. AlCl32. H2O

+ ClO

O [H]H

H

acylowanie F.-C. redukcja ketonu

przyczynaniepowodzenia

sposób na otrzymanie spodziewanego związku

warunki redukcji• redukcja Wolffa-Kiżnera

NH2NH2/OH¯/Tlub• redukcja Clemmensena

Zn(Hg)/HCl/T

18.8. SEAr – rada na przegrupowanie karbokationu w alkilowaniu Friedela-Craftsa

produktspodziewany

produktgłówny (lub jedyny)


15

18.8.1. Dobór warunków redukcji ketonu alkilowo-arylowego

grupy funkcyjne wrażliwe na warunki redukujące też mogąulegać przemianie

• CO2R, CHO, NO2, C=C

•modyfikacja Huanga-Minlona:NH2NH2/OH-(CH2)2-OH/T

• t-BuOK/DMSO/temp. pok.


16

18.9. Alkilowanie i acylowanie Friedela-Craftsa, zestawienie wad i zaletAlkilowanie Friedela-Craftsa

Wady

1. Przegrupowanie karbokationu alkilowego (elektrofila) 2. Polialkilowanie - grupa alkilowa ma charakter elektronodonorowy - wprowadzenie pierwszej grupy

alkilowej zwiększa podatność pierścienia benzenowego na dalsze podstawienie elektrofilowe; polialkilowanie ogranicza stosowanie dużego nadmiaru benzenu w stosunku do RCl

3. Reakcji ulegają tylko pochodne benzenu z podstawnikami:• -R – alkil; • -OR – alkoksyl• X – halogen (-Cl, -Br, -F)

Zalety 1. Stosowanie kwasu Lewisa w małej ilości

Acylowanie Friedela-Craftsa

Wady

1. Stosowanie kwasu Lewisa w ilości ponadstechiometrycznej2. Niemożność syntezy aldehydu benzoesowego (chlorek formylu nie istnieje), syntezę trzeba

wykonać w innych warunkach (patrz pkt 18.10)3. Reakcji ulegają tylko pochodne benzenu z podstawnikami:• -R – alkil• -OR – alkoksyl• X – halogen (-Cl, -Br, -F)

Zalety

1. Brak przegrupowania kationu acyliowego (elektrofila)2. Brak poliacylowania - grupa acylowy ma charakter elektronoakceptorowy - wprowadzenie

pierwszej grupy acylowej zmniejsza podatność pierścienia benzenowego na dalsze podstawienie elektrofilowe

3. Możliwość redukcji ketonów alkilowo-arylowych do odpowiednich alkilobenzenów (niedostępnych przez alkilowanie F.-C. z powodu przegrupowania karbokationu)(pokazana w pkt 18.8 i 18.1, ale patrz też pkt 18.11)


17

18.10. Reakcja Gattermana-Kocha - formylowanie pierścienia benzenowego

metoda ograniczona do benzenu i alkilobenzenów

równomolowa mieszanina


18

18.11. Nazewnictwo di- i polipodstawionych pochodnych benzenu

dipodstawienie• o-, m-, p- tylko (!) w piśmie

polipodstawieniepoli → liczba R = 3-6

21

Br

Br1,2-dibromobenzenorto-dibromobenzen

21

NH2

Br2-bromoanilinaorto-bromoanilina

12

CH3

Br1-bromometylobenzenorto-bromometylobenzen

R = R′ numeracja i kolejnośćzgodna z alfabetem

nazwa zwyczajowa zw. monopodst.podstawą nazwy

pochodne toluenu,to podstawionemetylobenzeny

R1

2

34

3

2orto (o) orto (o)

meta (m)meta (m)

para (p)R'

ale

4

12

NO2

Br1-bromo-4-chloro-2-nitrobenzene

Cl

dipodstawienie

polipodstawienie jak najniższe lokanty, kolejność nazw podstawników - alfabetyczna


19

benzen

18.12. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w SEAr


20

18.12.1. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w SEAr, przykłady

elektroujemność atomubezpośrednio związanego z C(sp2)względem elektroujemości at. C(sp2)

wpływ podstawnikana pierścień benzenowy

reaktywność związkuw reakcji SEArwzględem benzenu

H3C mniejsza H3C

wzbogaca pierścień w elektronydodatnim efektem indukcyjnym (+I)

H2N większa H2N H2N H2N

zubaża pierścień w elektronyujemnym efektem indukcyjnym (-I)

wzbogaca pierścień w elektronydodatnim efektem mezomerycznym (+M) przeważa efekt +M

Cl większa Cl Cl Cl


wzbogaca pierścień w elektronydodatnim efektem mezomerycznym (+M) przeważa efekt -I

O2N większa N NO

O

O

OO2N


zubaża pierścień w elektronyujemnym efektem mezomerycznym (-M)

sumowanie efektu (-I) i (-M)


podstawnik

deaktywacjasłaba średnia silna

efekt kierujący orto, para meta

21

podstawniki aktywujące na SEAr

podstawniki deaktywujące na SEAr

18.12.2. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w SEAr, zestawienie

podstawnik

aktywacjasilna średnia słaba

efekt kierujący orto, para

benzen


22

orto

18.13. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, grupa alkoksylowa

rozkład ładunków

podstawienie:

para

meta


23

18.14. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, grupa nitrowa

rozkład ładunków

podstawienie:

meta

orto

para


24

18.15.1. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, przykłady


18.15.2. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, przykłady

25

O

O HNO3H2SO4

+O

ONO2

O

O

NO2

O HNO3H2SO4

O

H3CO

OCH3

O

OCH3

H3C

O2N

Br2, Fe

H3C

O

H3C

Br

NO2

O

NO2

aktywniejszy pierścień


26

18.16. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, proporcja molowa produktów

podstawniki kierujące pozycję orto i para• im podstawnik bardziej rozbudowany przestrzennie,

tym większe zatłoczenie steryczne w pozycji orto

tym większa skłonność podstawnika do kierowania w pozycję para

HNO3H2SO4

+NO2

NO261% 39%

HNO3H2SO4

+NO2

NO250% 50%

HNO3H2SO4

+NO2

18% 82%NO2


27

18.17. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, synteza trójpodstawionych benzenów

**

**

**

CH3 CH3HNO3H2SO4

CH3 CH3NO2

**

**

CH3 CH3HNO3H2SO4

CH3 CH3

NO2

CH3CH3

NO2

+

** **

CH3 CH3HNO3H2SO4

NO2NO2

NO2

podstawniki tego samego rodzaju (tj. takie, które kierują w takie same pozycje)

efekt kierujący - zgodny efekt kierujący - niezgodny

podstawniki różnego rodzaju (tj. takie, które nie kierują w takie same pozycje)

efekt kierujący - zgodny efekt kierujący - niezgodny


28

18.18. Nukleofilowe podstawienie aromatyczne (SNAr) – wymiana halogenu

Cl

NO2

HN

NO2

H2NNO2 NO2

•Podstawienie halogenu (ale nie tylko) wiązanegoz aromatycznym at. C(sp2) umożliwia obecnośćpodstawnika silnie elektronoakceptorowego(co najmniej jednego) w pozycji orto i/lub parado grupy odchodzącej

•Podstawienie halogenu (ale nie tylko) wiązanegoz aromatycznym at. C(sp2) umożliwia obecnośćpodstawnika silnie elektronoakceptorowego(co najmniej jednego) w pozycji orto i/lub parado grupy odchodzącej


29

18.18.1. SNAr – reakcja addycji-eliminacji, a reakcja eliminacji-addycjireakcja addycji-eliminacji (w obecności podstawnika silnie elektronoakceptorowego w pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej

reakcja eliminacji-addycji

addycjaeliminacja

eliminacja addycja

•Podstawienie halogenu wiązanegoz aromatycznym at. C(sp2) w nieobecności podstawnika silnie elektronoakceptorowegow pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej

•Podstawienie halogenu wiązanegoz aromatycznym at. C(sp2) w nieobecności podstawnika silnie elektronoakceptorowegow pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej


30

18.19. Reakcje pochodnych benzenu, zachodzące w łańcuchu bocznym

Br2, h

lubNBS, ROOR, T

Br

Br NaOH/H2O OH

NaCN, DMF CN

NaN3, DMF N3 H2,Pd NH2

H2, Ni-Ra NH2

HPCC

O

t-BuOK/t-BuOH1. BH3/THF

2. H2O2, OH-/H2OOH

Br NaNO2/H2O NO2H2,Pd

KMnO4

CO2H

KMnO4

- CO2


Materiały uzupełniające,przypomnienia

31


32

SEAr – reagenty i elektrofile, podsumowanie

Reakcja SEAr Reagenty Elektrofil

halogenowanie

• chlorowanie Cl2, Fe Cl+

• bromowanie Br2, Fe Br+

• jodowanie I2, HNO3 lub I2, H2O2/H2SO4 I+

nitrowanie HNO3 st., H2SO4 st. NO2+ (kation nitroniowy)

sulfonowanie H2SO4 st. lub oleum SO3

acylowanie Friedela-Craftsa RC(O)Cl, AlCl3 lub (RCO)2O), AlCl3 kation acyliowy

alkilowanie Friedela-Craftsa RX, AlCl3 R+ (karbokation)

formylowanie Gattermana- Kocha CO/HCl, AlCl3 kation formylowy


33

Sposoby otrzymania alkilobenzenów, alternatywne do alkilowania F.-C.

przypomnienie

reakcja Suzuki

reakcja z udziałem R2CuLi


34

•Podstawniki elektronoakceptorowe w pozycjach orto i para w stosunku do grupy karboksylowej zwiększająkwasowość aromatycznych kwasów karboksylowych.

•Podstawniki elektronodonorowe w pozycjach orto i para w stosunku do grupy karboksylowej zmniejszająkwasowość aromatycznych kwasów karboksylowych.

•Prawie wszystkie podstawniki w położeniu orto wywierają taki sam wpływ (wyjątkowo duży) - zwiększająkwasowość, niezależnie od skłonności do przyciągania lub uwalniania elektronów.

Wpływ podstawnika w pierścieniu benzenowym na kwasowość zw. organicznych, kwasy karboksylowe


35

Wpływ podstawnika w pierścieniu benzenowym na kwasowość zw. organicznych, fenole

• Podstawniki elektronoakceptorowe w pozycjach orto i para w stosunku do grupy hydroksylowej zwiększają kwasowość fenoli.

• Podstawniki elektronodonorowe w pozycjach orto i para w stosunku do grupy hydroksylowej zmniejszająkwasowość fenoli. Ta prawidłowość jest nie zawsze spełniona w przypadku podstawników elektronodonorowych w pozycji meta.


36

Wpływ podstawnika w pierścieniu benzenowym na kwasowość zw. organicznych, aminy aromatyczne

• Aminy aromatyczne są słabszymi zasadami od amin alifatycznych tej samej rzędowości.• Podstawniki elektronoakceptorowe w pozycjach orto i para względem grupy aminowej obniżają

zasadowość amin aromatycznych.• Podstawniki elektronodonorowe w pozycjach orto i para względem grupy aminowej zwiększają

zasadowość amin aromatycznych.

Documents

2017 39-42 Reakcje benzenu i jego pochodnychzcho.ch.pw.edu.pl/dyd_mks18.pdf · „Chemia Organiczna”, dr hab. in ... Powszechnie stosowane reakcje S EAr Fluorowanie w reakcji S