Aromatski spojevi

Be ze i aro atič ost

Aromatski spojevi • Zbog jakog mirisa , benzen i mnogi derivati benzena, se nazvani aromatski spojevi . Stoga, benzen se

smatra roditeljem svih aromata.

• Aromatski prstenovi su prisutni u mnogim iološki aktivnim supstancama. Mnogi lijekovi su aromatske supstance .

• Postoji spojevi koji nisu benzoidi ali se mogu klasificirati kao aromatski spojevi.

Oestron (estronol)

Diazepam (valium)

Mokrać a kiseli a Nikotin

Aro atič ost-historijat • Faradej 1825 prvi dobio-otkrio benzen, bezbojnu tečnost, tt 5,5°C i tk 80,1°C iz komprimiranog gasa za

osvjetljenje, dobijenog pirolizom kitovog ulja (nazvao ga “bikarburet hodrogena” zbog istog broja C i H atoma ) • Mitscherlich 1834, sintetizira benzen zagrijavanjem benzojeve kiseline sa kalcium oksidom • Kekulé je 1865, prvi primjetio da svi tada poznati aromatski spojevi sadrže šestočlanu karbonsku

jedinicu koja je opstajala kroz skoro sve hemijske transformacije i degradacije pa je predložio strukturu benzena kao zbir dva brzo oscilirajuća cikloheksatrienska izomera.

• Prema Kekuleu u benzenu (a) svih šest atoma karbona su u prstenu (b) svi atomi karbona su spojeni međusobno naizmenično jednom

jednostrukom i dvostrukom vezom; (c) jedan atom vodika se veže na svaki atom karbona; (d) svi atoma vodika su ekvivalentni.

• Međutim Kekuleov prijedlog strukture je limitiran jer predviđa

postojanje dva različita 1,2-dibromderivata a u stvarnosti postoji samo jedan. Kekule je smatrao da su ove dvije forme u ravnoteži , koja se uspostavlja tako brzo da je nemoguće odvojiti ih ponaosob. Kasnije se ispostavili da je to netačno jer ne postoji takva

ravnoteža. Nijedna pojedinačna Kekuleova struktura nije predstavljala benzen precizno, jer struktura benzena ne osbilira napred i nazad između ove dvije.

• Preciznije pojašnjenje aromatskih spojeva-strukture koja sadrzi ciklični oblak π-elektrona iznad i ispod ravni molekule prvi je dao je Erich Hückel 1931 .

Aro atič ost- Hückel-ovo pravilo

• Hückelovo pravilo za aromatična stanja kaže da je aromatičan sistem onaj čiji je broj π elektrona jednak 4n + 2 gdje je n jednako

nuli ili cijelom broju.

• Pravilo se primjenjuje na sve karbon–monocikle u kojima je svaki atom karbona u sp2 hibridizaciji i gdje p orbitale učestvuju u π vezi, kao i na nezasićena heterociklična jedinjenja i kondenzovano prstenasta jedinjenja.

• Svi atomi koji učestvuju u π vezi moraju se crtati u istoj ravni.

• Sistem može biti i ion.

• Broj π elektrona prema Hückelovom pravilu su 2 (n=0), 6 (n=1), 10 (n =2), 14 (n=3 ), 18 ( n=4 ), itd.

• Benzen ima 6 π elektrona ( 4x1 +2 = 6)

General svojstva aro atič ih jedinjenja

Aro atič i spojevi imaju sljedeće opća svojstva.

(a) imaju visok stepen ezasiće osti, ali ne daju

adicione reakcije. (b) podliježu reakcijama elektrofilne supstitucije. (c) eo ič o su stabilni. (d) imaju niske toplote hidrogenacije i niske toplote

sagorijevanja. (e) iklički su spojevi. (f) ravni su i planarne su geometrije.

Klasifikacija aromatskih spojeva

• Be ze i jegovi o o iklič i derivati

• Poli iklič i e ze oidi

• Nonbenzenoidi

• Makrocikli (anuleni)

• Heterocikli

Imenovanje derivata benzena

• Opći termin za aromate koji su derivati benzena je : Areni

• Kao supstituenti aromati se nazivaju aril grupe, skraćeno Ar-

• Najjednostavnija aril grupa je fenil, C6H5 , skraćeno Ph-.

• Osnovno ime: benzen, benzol

• Derivate IUPAC- tretira kao supstituirane benzene, ali su neki poznatiji po uobičajenim nazivima

• Monosupstituiorani benzeni imenuju se dodavanjem imena supstituenta kao prefiksa riječi benzen

• Disupstituirani benzeni imaju tri moguća rasporeda

Imenovanje derivata benzena • Tri i više supstituirani derivati , numerišu se tako da supstituenti imaju

najmanje moguće brojeve, kao kod imenovanje polisupstituiranih cikloheksana

Imenovanje derivata benzena • Neki aro atski zači i

• Pre a preporu i Che i al A stra ta, uo ičaje a i e a za tolue , fe ol, e zaldehid i benzojevu kiselinu koriste se umjesto njihovih sistematskih imena.

Imenovanje

• Benzenov presten se tretira kao fenil- supstituent

kada je veza a la a sa više od šest C-atoma

• C6H5-CH2- kao substitutent se naziva benzil- (Bn-)

Benzen: C6H

6

Benzen nije konjugovani trien “cikloheksatrien” • Svi atomi karbona u benzenu su sp2-hibridizirani • Benzen je planaran–svi atomi karbona leže u jednoj ravni • Sve C-C veze su iste dužine (1.39 Å) (kraće od jednostruke C-C veze, 1.47 Å, a duže od

dvostruke C=C veze, 1.34 Å) • Nehibridizirane atomske p-orbitale se bočno preklapaju i elektroni u π-vezama su

delokalizirani • Delokalizacija 6π-elektrona preko čitavog prstena čini molekulu benzena vrlo stabilnom

Simetrična struktura benzena posljedica je uzajamnog dejstva σ i π elektrona u molekuli,

simetrični σ-skelet sa delokaliziranim π-oblakom čini pracilan šestougao.

Molekulska struktura Orbitalni prikaz veza benzena π-elektronski oblak (od 6 p orbitala) raspodjela elektronske iznad i ispod ravni molekule benzena gustine preko 6 atoma C

Stabilnost benzena

• Stabilnost benzena se (kao i kod alkena) može utvrditi poređenjem toplota hidrogenacije

• Hidrogenacijom u cikloheksan, oslobađa se 124 kJ/mol (29,6 kcal/mol) manje energije nego što bi se očekivalo na osnovu nearomatičnih sistena tipa “1,3,5-cikloheksatrien”.

• Ova razlika se naziva rezonanciona energija benzena ili jednostavno aromatičnost benzena . • Osnovno značenje riječi aromatičan- miris, vremenom se promjenilo i odnosi se na

termodinamička svojstva.

Rezonancija benzena • Rezonantne forme su imaginarne,

• Rezonantne strukture se razlikuju samo po raspodjeli elektrona

• Prelaze jedna u drugu premještanjem slobodnih ili π -elektronskih parova

• Različite rezonantne forme ne moraju biti ekvivalentne

• Što više rezonantnih struktura postoji, molekula je stabilnija

• Nijedana od struktura pojedinačno, bilo da postoji dvije ili više rezonancijskeh struktura, nije u potpunosti u relaciji sa hemijskim i fizičkiim osobina spoja-hibrida

• Stvarna molekula ili ion bolje je predstavljena hibridom od pojedinačnih rezonantnih struktura

• Molekula (ili hibrid) stabilnije je od svake ekvivalentne rezonantne strukture, kada bi mogle egzistirati pojedinačno.

• Stvarna struktura je hibrid između graničnih (rezonantnih) struktura

Fizičke osobine benzena

• Benzen je bezbojna tečnost specifičnog mirisa. • Zapaljiv je i gori čađavim plamenom, što je karakteristika svih aromatičnih

jedinjenja (veliki procenat ugljenika).

• Benzen i njegovi homolozi su slabo polarni spojevi nerastvorljivi u vodi, rastvorljivi u nepolarnim rastvaračima kao što su eter, ugljentetrahlorid, itd.

• Benzen je izuzetno toksičan –kancerogen.

• Sam benzen je dobar rastvarač za masti, smole, sumpor, jod, itd.; koristi se za suho čišćenje.

• Gustoća skoro svih aromatičnih jedinjenja je manja od vode.

• Tačka ključanja raste sa povećanjem molekulske mase (za 20 - 30° za svaki C-atom).

• Tačka topljenja ne zavisi samo od molekulske mase, već i od oblika molekula.

što je jedinjenje simetričnije, ima višu tačku topljenja i manju rastvorljivost.

• izomer t.t. o-ksilen -25°C; m-ksilen -48°C; p-ksilen +13°C

Hemijske osobine

• Karakteristič a reakcija aro atič ih jedinjenja je elektrofilna supstitucija.

• Prva faza elektrofilne supstitucije podsjeća na elektrofilnu adiciju kod alkena.

• Supstituenti koji povećavaju reaktivnost benzenovog prstena nazivaju se aktivirajući (donori),

• a supstituenti koji ga či e manje reaktivnim dezaktivirajući (akceptori) supstituenti.

• Aktivirajući supstituenti usmijeravaju dalju supstituciju u orto i para položaj.

• Dezaktivirajući supstituenti usmijeravaju dalju supstituciju u meta položaj.

• Halogeni-dezaktiviraju prsten, ali usmjeravaju supstituciju u orto i para položaj umjesto u meta.

Primjer: aktivirajuće grupe: metil grupa (i sve ostale alkil grupe).

Pri nitrovanju, npr. toluen reaguje dva puta rže nego benzen.

Tom prilikom se nitro-grupa vezuje u o- i p- položaj.

Aktivirajuće grupe: orto, para us jeravajuće

Jako aktivirajuće

• - NH2 (- NHR, - NR2)

• - OH

Srednje aktivirajuće

• - OCH3 (- OC2H5, itd.)

• - NHCOCH3

Slabo aktivirajuće

• - C6H5

• - CH3 (- C2H5, itd.)

Dezaktivirajuće grupe ( u odnosu na benzenovo jezgro)

Dezaktivirajuće grupe (akceptori): meta us eravajuće:

• - NO2

• - N(CH3)3+

• - CN

• - COOH (- COOR)

• - SO3H

• - CHO, - COR

• Dezaktivirajuće grupe: orto, para us jeravajuće;

• –F2

• –Cl2

• –Br2

Elekrtonski uticaj supstituenta

• Aktivirajuće grupe (donori) povećavaju elektro sku gustoću u aro atsko prste u (-).

• Dezaktivirajuće grupe (akceptori) smanjuju elektronsku gustoću u aromatskom prstenu (+).

• Grupe to či e svojim induktivnim i/ili rezonancionim efektima. Elektronski uticaj bilo kog supatituenta određe je eđuso i dejstvo ovih efekata.

• Induktivni i rezonancioni efekti jedne grupe mogu biti aditivni (dijeluju u istom pravcu, kao kod NO2 grupe) ili suprotni, kao u slučaju OH ili NH2 grupe.

Uticaj supstituenata na reakcije

Induktivni efekat

• Induktivni efekat - pomijeranje elektronskih parova veza pod utjcajem

supstituenata.

• Može biti:

• – pozitivan (oznaka +l, elektron donorski efekat) i

• – negativan (-l, elektron akceptorski efekat)

• Opada sa rastojanjem, pa je poslije 3 veze praktič o zanemarljiv.

Rezonancioni efekat

• Funkcionalne grupe koje povećavaju elektronsku gustoću u ostatku

molekula imaju pozitivan rezonancioni (elektron donorski) efekat, +R.

• Funkcionalne grupe koje smanjuju elektronsku gustoću u ostatku molekula

imaju negativan (elektron akceptorski) rezonancioni efekat, -R

Sinteza derivata benzena – elektrofilna aromatska supstitucija

• Benzen je relativno nereaktivan, pa se hemijske transformacije benzena vrše pod posebnim reakcionim uvjetima i novim mehanizmima.

Elektrofilna aromatska supstitucija

• Mehanizam elektrofilne aromatske supstitucije sastoji se iz dvije faze

Vezanje elektronima siro aš og

reagensa (elektrofila, E+) na elektronima

bogati prsten benzena

Nastali međuprodukt otpušta H+, a vezni elektronski par se pridružuje

π-elektronskom sistemu benzena

Elektrofilna supstitucija

• Zbog svojih π-elektrona benzenova molekula ima nukleofilna svojstva i zato uglavnom reagira s elektrofilima.

• To je stup jevita reak ija, koja se zas iva a tež ji reagensa sa smanjenom elektronskom gustinom da reaguje sa π-elektronima benzena.

• Nastaje karbokatjon-fe ilkatjo , slič o adi iji elektrofila na alkene), ali nadalje je sve sasvim različito.

• U jesto da veže eki ukleofil, što i dalo proizvod adi ije, ali i arušilo aro atič ost e ze ovog prstena, fenilkatjon radije predaje proton (H-atom)

ukleohilu, dajući kraj ji produkat reak ije.

Ektrofilna aromatska supstitucija

• Reakcije sinteza derivata benzena, nisu spontene.

Halogeniranje , Ph-X

• Alke i sa hloro i ro o i u raku reaguju dajući dihalogenalkane.

• Benzen je pod normalnim uslovima nereaktivan u

prisustvu X, jer ovi nisu dovoljno elektrofilni da

aruše aro atsku strukturu. • Potrebani su katalizatori, Lewis-ove kiseline (AlX3,

FX3 , da i se aktivirao haloge , pri če u astaje jači elektrofil-halonijum jon.

• Lewis-ove kiseline su sposobne da prihvate

elektroneske parove, pa kada djeluju na halogen

dolazi do kiselinsko-bazne reakcije Lewis-ovog tipa.

Mehanizam elektrofilne aromatske supstitucije halogeniranja Br-om.

Iz eđu Br i katalizatora asteje ko pleks u ko e je Br-Br veza polarizira a, što daje elektrofil i karakter jed o od Br-atoma i to ter i al o preko koga se vrši elektrofil i apad a e ze .

Ako se ova reakcija posmatra sa gledišta prijenosa elektrona, onda se može smatrati SN2 reakcijom, reakcijon nukleofilne supstitucije kompleksa [Br2FeBr3] dvostrukom vezom benzena.

Promjena potencijalne energije za reakcije benzena sa elektrofilima.

• Prvi korak je ter odi a ički nepovoljan , jer je prekinuta je ciklilna konjugacija C-E sp3 hibridiziran i time izgubljen aro atič i karakter prste a. Prvi korak je spor i o određuje ukupnu brzinu reakcije.

• Energetski povoljnija je reakcija regeneriranja aro atič og prstena relativno brzim gubitkom protona, pri če u nastaje supstitucioni produkt (u egzotermnoj fazi)

Nitriranje

• Dejstvo s ješe itrat e i sulfat e kiseli e do ija se itro e ze . • Elektrofil je nitronijum-jon +NO2 koji se dobija protonovanjem nitratne kiseline

po oću sulfat e kis. i odvaja je olekula vode iz tako astalog katjo a. • Nitronjum jonja jak elektrolit kod koga je pozitivan naboj skoncentriran na atomu

itroge a što se vidi a api elektrostatičkog pote ijala.

Mehanizam aromatskog nitriranja

Sulfoniranje • Reak ijo e ze a i pušljive sulfat e kiseli e – oleum-kis. o ogaće a SO do ija se

benzensulfonska kiselina, (cc sulfatna kis. ne reagira sa benzenom na sobnoj temp.)

• Iako eutrala SO je z og jakog elektro privlač og dejstva tri O-atoma i S- koji je za

dvije od tri S-O veze dao svoja oba elektrona dovoljno elektrofilan da direktno napadne

benzen (S je izrazito elektrodeficitaran)

• U drugom koraku eliminacijom protona nastaje supstitucioni probukt.

reverzibilna reakc.

Reakcija SO3 sa vodom kada nastaje H2SO4, je izrazito egzotrmna.

)agrijava je e ze sulfo ske kis. raz laže o kiseli o ije ja se tok sulfo ova ja u atrag. Na ovaj ači se lokira C-atom za koji je vezan supstituent pa elektrofili napadaju druga mjesta na prstenu.

)ato se sulfo ska grupa koristi kao dirigirajuća zaštit a grupa, koja se lako ukla ja sesulfo ovaj e

Sulfoniranje • Be ze sulfo ske kiseli e se koriste u si tezi deterdže ata kao Na soli alkil e zsulfo ske kis ,

u proizvod ji oja sulfo ska grupa o ogućava rastvorljivost o oje ih org. olekula u vodi. • Za sintezu benzensulfonil-hlorida prevode OH u do ru odlazeću grupu ko verzijo alkohola

u 4-metilbenzensulfonat.

• Sulfonil- hloridi su pekursori sulfonamidia, hemoterapeutskih agenasa- sulfa lijekovi, koji nastaju

reakcijom sulfonil-hlorida sa aminom.

• Sulfa- lijekovi sadrže sulfanilamidnu funkciju, i djeluju tako da reaguju sa bakterijskim enzimima.

Friedel-Crafts-ove reakcije- alkiliranje i aciliranje • Friedel i Crafts su orkrili ači stvara ja veze C-C elektrofilnom supstitucijom na

benzan u prisustvu karbonovog elektrofila dovoljne elektrofilnosti: U prisustvu reagensa, Lewis-ovih kis. (AlCl3, BF3, SbCl5, FeCl3, AlBr3) halogenalkani napadom na benzen daju alkilbenzene. Reaktivnost halogenalkana se smanjuje prema polarnosti C-X veze u smjeru RF> RCl> RBr> RI.

C-atom u vezi C-X, pozitivan je kraj polarne kovalentne veze, ali nije dovoljno elektrofilan da bi reagovao sa benzenom. Lewis-ove kis. sa halogenalkanima grade komplekse u kojima se elektrofilnost C-ato a veza og za X jako povećava . Napad a e ze ov prste , praće je gubitkom protona i nastankom produkta (3)

Friedel-Crafts-ove reakcije- alkiliranje i aciliranje

• U slučaju ° i 3° halogenida, nastaju slobodni karbokatjoni kao intermedijeri, koji apadaju e ze ov prste a isti ači kao NO2

+

• Alkilira je se ože odvijati i sa drugi kar okatjo ski prekurseri a, alkoholima ili alkenima

Friedel-Crafts-ove reakcije- alkiliranje i aciliranje

• Friedel-Crafts-ovo alkiliranja prate i dvije sporedne reakcije, polialkilovanje i

per ješta je, što s a juje pri os reak ije i daje s jese koje je teško razdvojiti.

• F-C alkanoilovanje, tj reakcija alkanoil-halogenida ili anhidrida karboksilnih

kiselina uz Lewisove kis. Nastali alicium-katjoni stabilizirani rezonancijom,

stupaju u elektrofilnu aromatsku supstituciju i daju Aril-Alkil-ketone.

Friedel-Crafts-ove reakcije- alkiliranje i aciliranje

• Kada se umjesto alkanoilhalogenida za aciliranje koriste anhidridi karboksilnih kiselina, nastali acilium ion je dovoljno elektrofilan i napada

e ze uo ičaje i eha iz o aro atske supstitu ije

Uticaj supstituenata • Elektronski uticaj bilo kog supstituenta na benzenovo jezgro

određe je eđuso i dejstvo dva efekta, i duktiv og i rezonantnog

• Induktivni efekat se prostire kroz kroz sigma skelet i brzo se smanjuje sa rastojanjem , rezonantni....

Do ori zahvaljujući hiperkonjugacijskom efektu

Ak eptori zahvaljujući prisustvu elektro egativ ijeg F, CF3

grupa je elektron donorska, kao i direktno vezani heteroatomi

I parcijalno pozitivni atoni ispoljavju induktivno elektron

privlač o dejsrvo

Uticaj supstituenata • Rezonantni efekat se prostire kroz pi veze , pa se njegovo dejstvo prisutno na većem

rastojanju od supstituenta koji ga izaziva i posebno je jak u naelektrisanim sistemima

Rezonanantni induktivni

Rez. donori imaju bar jedan elektronski par koji se može delokalizovati u prestenu takođe pokazuji i elektron privlačeći induktivni efekt .. uticaj će imati elektronegativnost heteroatoma

Uticaj supstituenata • Supstituenti koji su svojom polarizovanom dvostrukom ili trostrukom

vezom, vezani pozitivnim () krajem za benzenov prsten , rezonantno su elektro privlač i. Ak eptori.

Uticaj supstituenata

• Na api gustoće aelektrisa ja e ze ov prsten je crven u prisustvu elektron-donorskih supstituenata i plavo u prisustvu elektron-privlač ih supstituenata

Uticaj supstituenata na vezivanje drudog supstituenta

• Grupe koje odaju elektrone- do or i duktiv i efekto , su aktivirajuće i usmjeravaju supstituciju u o i p položaje. Orje ta iju određuje alkil grupa a ne elektrofil.

• Bro ira je etil e ze a je regioselektiv a p i o i rže od ro ira ja e ze a

Uticaj supstituenata na vezivanje drudog supstituenta

• Grupe koje i duktiv o privlaće elektro e- akceptor induktivnim

efekto , su deaktivirajuće i us jeravaju supstitu iju u m-položaje

Uticaj supstituenata na vezivanje drudog supstituenta

• Grupe koje odaju elektro e rezo a ijo su aktivirajuće i o i p us jeravajuće.

Uticaj supstituenata na vezivanje drudog supstituenta

• Grupe koje privlače elektro e rezo a ijo su dezaktivirajuće i m us erivači

Uticaj supstituenata na vezivanje drudog supstituenta

- Izuzetak:iako su dezaktivirajući, haloge i su o i p us jerivači

Arini

• Ugljovodonici izvedeni formalno od arena apstrakcijom- izdvajanjem dva atoma vodonika iz susjednih C-atoma, pr: 1,2-didehidroarin

• Arini su o ič o predstavljeni sa formalnim trostrukim vezama, poznati su kao: benzini, dehidroarini

• Pr: 1,2-didehidroarin (benzin)

Kao arini se tretiraju i heteroarini

Heteroarini

• Spojevi izvedeni iz (derivati) heteroarena zamjenom formalnih carbon-carbon dvostrukih veza trostrukom vezom (gubitkom dva atoma hidrogena ).

• Poznati kao: hetarini i 1,2-didehidroheteroarini.

(H. J. den Hertog and H. C. van der Plas, in Advances in Heterocyclic Chemistry, Ed. A. R.

Katritzky, Vol. 4, Academic Press, 1965, p. 121.)