Związki aromatyczne CH 3 NH 2 OH CN. toluen anilina fenol benzonitryl O CHO CCH 3 COOH CH CH 2. kwas benzoesowy. acetofenon. benzaldehyd.

Transkrypt

1 Związki aromatyczne Cl NO 2 C 2 C 3 benzen chlorobenzen nitrobenzen etylobenzen C 3 N 2 O CN toluen anilina fenol benzonitryl O CO CC 3 COO C C 2 benzaldehyd acetofenon kwas benzoesowy styren 1

2 C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 orto-ksylen meta-ksylen para-ksylen 1,2-dimetylobenzen 1,3-dimetylobenzen 1,4-dimetylobenzen C 3 3 C C 3 mezytylen bifenyl naftalen 2

3 C 6 5 fenyl C 6 5, Ph, Φ, Ar C 2 benzyl C benzyliden 3

4 1 C 3 CC 2 C 2 C 2 C 2 C fenyloheptan C 2 Br bromek benzylu 4

5 orto meta X orto meta para Cl Cl orto-dichlorobenzen o-dichlorobenzen 1,2-dichlorobenzen C 3 Br para-bromotoluen p-bromotoluen 5

6 NO 2Cl 2-chloro-1,4-dinitrobenzen x NO 2 Br O Br 2,6-dibromofenol x O 2 N C 3NO2 2,4,6-trinitrotoluen ( TNT ) x NO 2 6

7 Struktura benzenu 7

8 W benzenie C orbitali p tworzy 3 zdelokalizowane orbitale wiążące, przy czym każdy z nich jest zajęty przez 1 parę elektronową. Sumaryczny rozkład gęstości elektronowej przypomina podwójny obwarzanek: 8

9 Struktura benzenu Uwodornienie wiązania C=C jest reakcją egzotermiczną 2 Pt o = - 28,6 kcal / mol 2 Pt obl. o =2*( -28,6) = - 57,2 kcal / mol znal. o = - 55,4 kcal / mol 2 Pt obl. o =3*( -28,6) = - 85,8 kcal / mol znal. o = - 49,8 kcal / mol Benzen jest mniej podatny na uwodornienie niż proste alkeny oraz ciepło wydzielone jest o wiele mniejsze od oczekiwanego. 9

10 Rzeczywista cząsteczka benzenu jest bardziej stabilna niż graniczne struktury rezonansowe (hipotetyczna cząsteczka 1,3,5-cykloheksatrienu) o ~ 36 kcal / mol Ta różnica to energia stabilizacji (energia rezonansu, energia delokalizacji) Jest to różnica między faktyczną energią rzeczywistej cząsteczki a wyliczoną energią najbardziej stabilnej struktury granicznej. [ -49,8 (-85,8)] Benzen i inne związki aromatyczne reagują zwykle w taki sposób, żeby nie utracić aromatycznego charakteru i zachować energię rezonansu. 10

11 dy układ jest aromatyczny energia cząsteczki jest niższa, niż ynikałoby to z sumowania energii wiązań. orównuje się energię sprzężonego układu wiązań podwójnych iniowego z cyklicznym. eżeli pierścień ma niższą energię πelektronów jest aromatyczny eżeli pierścień ma taką samą energię πelektronów jest niearomatyczny eżeli pierścień ma wyższą energięπelektronów jest antyaromatyczny (zawierają 4n elektronów π np cyklobutadien) 11

12 Aromatyczność Cząsteczka jest wtedy aromatyczna, gdy spełnia następujące warunki: 1. Jest płaskim, cyklicznym układem wiązań skoniugowanych z orbitalem p na każdym z atomów tego układu (wszystkie atomy mają hybrydyzację sp 2 ), 2. Układ zawiera 4n + 2 elektronów na orbitalach p, gdzie n jest liczbą całkowitą ( n = 0, 1, 2, 3,...) reguła ückla (1930) 12

13 n = 0 kation cyklopropenylowy płaski, 4n+2 =2 n = 1 anion cyklopentadienylowy kation cykloheptatrienylowy x 13

14 Aromatyczne związki heterocykliczne n = 1 N N O S N pirol furan tiofen imidazol N N N N N N N pirydyna pirymidyna puryna n=2 14

15 Aromatyczne związki policykliczne n = 2 naftalen n = 3 antracen fenantren x n = 4 piren 15

16 Reakcje związków aromatycznych reakcje aromatycznej substytucji elektrofilowej S E Ar + E E + 16

17 S E Ar + E E kompleks π E E E E + x kompleks σ 17

18 1. Reakcja halogenowania : Cl Cl 2 AlCl 3 chlorobenzen Br Br 2 FeBr 3 bromobenzen F 2 jest zbyt reaktywny powstają produkty polifluorowane I 2 jest za mało reaktywny 18

19 Aby zaszła reakcja chlorowania lub bromowania benzenu, należy użyć kwasu Lewisa takiego jak AlCl 3, AlBr 3, FeCl 3, itp. Cl Cl Cl + AlCl 3 Cl Cl Al Cl Cl Cl Cl Cl Αl Cl Cl Kwas Lewisa powoduje, że cząsteczka Cl 2 czy Br 2 staje się bardziej elektrofilowa. W wyniku utworzenia kompleksu np.: FeBr 4- Br + reaguje tak, jakby reagował Br + czy FeCl 4- Cl + tak, jakby reagował Cl + 19

20 2. Reakcja nitrowania: NO 3 stęż 2 SO 4 stęż NO 2 nitrobenzen elektrofil NO 2 kation nitroniowy 20

21 3. Reakcja sulfonowania: SO 3 2 SO 4 SO 3 kwas benzenosulfonowy Reaktywnym elektrofilem jest SO 3+ lub SO 3 w zależności od warunków reakcji 21

22 4. Reakcja alkilowania Friedela - Craftsa RCl R AlCl 3 R = C 3 -lub C 3 C 2 - Elektrofilem jest karbokation R + RCl + AlCl 3 R [AlCl 4 ] 22

23 Reakcja alkilowania: + C 2 C 2 2 SO 4 C 2 C 3 + C 3 C C 2 2 SO 4 lub AlCl 3 C 3 C C 3 kumen 23

24 5. Reakcja acylowania Friedela - Craftsa O RCOCl C R AlCl 3 Elektrofilem jest kation acyliowy RC O R O C Cl + AlCl 3 RC O RC O + AlCl 4 kation acyliowy 24

25 Wpływ podstawnika. Podstawnik już przyłączony do pierścienia wykazuje 2 efekty: 1. Wpływa na reaktywność pierścienia aromatycznego w reakcji substytucji elektrofilowej. Niektóre podstawniki aktywują pierścień, czyniąc go bardziej reaktywnym niż benzen, a niektóre dezaktywują pierścień czyniąc go mniej reaktywnym niż benzen. 2. Ma wpływ na orientację (kierunek) reakcji. miejsce podstawienia drugiego podstawnika Trzy możliwe produkty dwupodstawione: orto-, meta- i para-, nie tworzą się w równych ilościach. Charakter podstawnika już obecnego w pierścieniu benzenowym określa położenie drugiego podstawnika. Niektóre grupy kierują następny podstawnik przede wszystkim w położenie orto- i para-, podczas gdy inne grupy kierują w położenie meta-. 25

26 Grupy kierujące w położenia orto- i parasilnie aktywujące: N 2, NR, NR 2, O, O, średnio aktywujące: NCOR, OR, słabo aktywujące: R, C 6 5, słabo dezaktywujące F, Cl, Br, I, 26

27 Grupy kierujące w położenie metazawsze dezaktywujące silnie dezaktywujące: NO 2, NR 3, CF 3, CCl 3, średnio dezaktywujące: COR, CO, CN, SO 3, COO, COOR, 27

28 Szybkość reakcji S E Ar : O OC 3 C 3 Cl CO NO 2 > > > > > > 28

29 Reakcje łańcucha bocznego 1. alogenowanie wolnorodnikowe: C 2 C 3 Cl 2 Cl CC 3 hν 2. Utlenianie łańcucha bocznego: C 2 R COO KMnO 4 2 O, t 29

30 Ze względu na ograniczenia alkilowania Friedela- Crtaftsa, aby wprowadzić grupę alkilową stosuje się najpierw acylowanie a następnie redukcję ketonu O RCOCl C R Zn (g) Cl C 2 R AlCl 3 redukcja Clemmensena 2 NN 2, NaO t lub redukcja Wolffa-Kiżnera 30

31 Planowanie syntezy Otrzymywanie kwasu meta-bromobenzoesowego COO kieruje meta -Br kieruje orto, para Najpierw trzeba wprowadzić COO a następnie -Br C 3 Cl C 3 KMnO 4 COO AlCl 3 2 O, t COO Br 2 FeBr 3 COO Br kwas meta-bromobenzoesowy 31

32 Planowanie syntezy Otrzymywanie kwasu orto-i para-bromobenzoesowego C 3 Cl AlCl 3 C 3 C 3Br C 3 Br 2 + FeBr 3 Br rozdział C 3Br KMnO 4 COO Br C 3 KMnO 4 COO 2 O, t 2 O, t Br Br 32

33 C 3 Cl C 3 Br 2 AlCl 3 FeBr 3 C 3Br C 3 + Br 2 Br C 3 Cl Br FeBr 3 AlCl 3 rozdział i dalsze utlenianie do odpowiedniego kwasu 33

34 Otrzymywanie kwasu sulfanilowego: -SO 3 kieruje meta -N 2 kieruje orto, para Najpierw wprowadzamy N 2 SO 3 N 2 NO 3 st 2 SO 4 st NO 2 Sn Cl N 2 2 SO 4 st O 3 S N 2 34

35 Otrzymywanie kwasu p-aminobenzoesowego: PABA COO N 2 C 3 Cl AlCl 3 C 3 NO 3 st 2 SO 4 st C 3 NO 2 C 3 + NO 2 rozdział C 3 COO COO KMnO 4 Sn Cl NO 2 NO 2 N 2 35

36 Sulfonamidy jako leki to amidy kwasu sulfanilowego, są stosowane w medycynie, jako środki bakteriostatyczne. kwas sulfanilowy 2 N SO 3 sulfonamid 2 N O S O NR Dla aktywności przeciwbakteryjnej niezbędna jest wolna, niepodstawiona grupa aminowa w pozycji para względem grupy sulfonamidowej. W normalnych warunkach, w komórce bakteryjnej dochodzi do syntezy kwasu dihydrofoliowego (DF) z użyciem PABA i kwasu foliowego. PABA kwas para-aminobenzoesowy: 2 N CO 2 Dostanie się sulfonamidu do komórki powoduje włączenie w tę syntezę sulfonamidu zamiast PABA i w konsekwencji zahamowanie procesu. W wyniku niedoboru DF komórka bakteryjna nie może rozmnażać się. 36

37 Szkielet kwasu p-aminobenzoesowego PABA jest obecny w kwasie foliowym. Kwas foliowy witamina z grupy B nazwa kwasu pochodzi od łacińskiego folium -liść. O O O PABA kwas glutaminowy O O N N O N N 2 N N N pteryna 37

38 Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne WWA Polycyclic aromatic hydrocarbons PA Powstają podczas niecałkowitego spalania wszystkich węglowodorów z wyjątkiem metanu. Wydzielają się także w trakcie spalania drewna iglastego, palenia papierosów, są obecne w spalinach samochodowych, w dymie z kadzideł, powstają również podczas obróbki żywności w wysokiej temperaturze (np. przy grillowaniu, paleniu kawy). 38

39 Zostało stwierdzone, że 16 WWA jest szczególnie niebezpiecznych, a na pierwszym miejscu wymienia się benzo-α-piren Związki te wykazują stosunkowo niską toksyczność ostrą, ale bardzo wyraźną toksyczność przewlekłą. Są to związki bardzo niebezpieczne, ponieważ wywołują zmiany nowotworowe w różnych tkankach wbudowując się (interkalacja) w helisy DNA. Niektóre związki policykliczne są z tego samego powodu stosowane w leczeniu nowotworów. 39