RJC E + E H. Slides 1 to 41

Transkrypt

1 Aromatyczne Substytucje Elektrofilowe E + E H -H E Slides 1 to 41

2 Aromatyczne Addycje Elektrofilowe...do pierścienia aromatycznego przerywa sprzęŝenie elektronów π i powoduje utratę stabilizacji poprzez rezonans. EX + X E

3 Aromatyczna Substytucja Eltrofilowa...nie zakłóca aromatycznego charakteru cząsteczki (jej aromatyczności). E + -H E

4 Mechanizm Substytucji Elektrofilowej Addycja cząsteczki elektrofila (E + ) prowadzi do powstania karbokationu, który następnie eliminuje H + co powoduje, Ŝe główny pierścień odzyskuje charakter aromatyczny. E + E H -H E

5 Diagram Energetyczny Reakcji Aromatyczna substytucja elektrofilowa jest procesem dwuetapowym; na profilu energii występuje więc minimum. Energia E H E Postęp reakcji

6 Diagram Energetyczny Reakcji Szybkość całej reakcji jest określona przez energię swobodną G pierwszego etapu (first step). Energia G Postęp reakcji

7 Odczynniki Elektrofilowe (Elektrofile) Pierścienie aromatyczne są mniej podatne na reakcje z elektrofilami niŝ alkeny i dlatego wymagana jest aktywacja elektrofila. CH 2 =CH 2 Br 2 BrCH 2 CH 2 Br Br 2

8 Bromowanie Słaby odczynnik elektrofilowy jakim jest brom Br 2 jest aktywowany przez kwas Lewisa, np. chlorek Ŝelaza (III) FeBr 3. Br 2 + FeBr 3 Br + (FeBr 4 ) Br + -H Br

9 Chlorowanie W podobny sposób następuje aktywacja elektrofilowej cząsteczki chloru Cl 2 (dodatek FeCl 3 ). Cl 2 + FeCl 3 Cl + (FeCl 4 ) Cl + -H Cl

10 Jodowanie Bardzo słaby elektrofil, jakim jest cząsteczka jodu I 2 jest aktywowany przez dodatek soli Cu 2+. I 2 + 2Cu 2+ 2I + 2Cu + I + -H I

11 Nitrowanie Kation nitroniowy NO 2+ jest reaktywnym odczynnikiem elektrofilowym. HNO 3 + H 2 SO 4 NO 2 + HSO 4 + H 2 O NO 2 + -H NO 2

12 Sulfonowanie Dymiący kwas siarkowy (VI) jest źródłem reaktywnego odczynnika (SO 3 lub HSO 3+ ). SO 3 + H 2 SO 4 HSO 3 + HSO 4 HSO 3 + -H HO 3 S

13 Alkilowanie Friedla-Craftsa Aktywacja halogenków alkilowych przy uŝyciu chlorku glinu AlCl 3 prowadzi do powstawania reaktywnego elektrofila w postaci karbokationu (R + ). R-Cl + AlCl 3 R + (AlCl 4 ) R + -H R

14 Ograniczenia w Reakcji Alkilowania Metodą Friedla-Craftsa Ograniczenia i utrudnienia w reakcji alkilowania; Nie nadają się halogenki arylowe oraz allilowe. Polialkilowanie Przegrupowania karbokationów

15 Halogenki Allilowe oraz Arylowe...karbokationy pochodzące od halogenków arylowych oraz allilowych są stabilizowane rezonansem elektronowym i dlatego są b. mało reaktywnymi elektrofilami. karbokation allilowy karbokation arylowy

16 Polialkilowania W reakcjach Friedla-Craftsa moŝliwe są poli- alkilowania, poniewaŝ powstający produkt jest bardziej reaktywny od niepodstawionego substratu. R + -H R R R R R R etc...

17 Przegrupowania Karbokationów Pierwszorzędowy karbokation ulega przegrupowaniu do innego karbokationu o wyŝszej rzędowości (migracja protonu). CH 3 CH 2 CH 2 Cl CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CHCH 3

18 Acylowanie Friedla-Craftsa Aktywacja chlorku kwasowego przy uŝyciu AlCl 3 prowadzi do powstawania jonu acyliowego, który jest aktywnym elektrofilem. RCOCl + AlCl 3 RCO + (AlCl 4 ) O RC + -H O RC

19 Wpływ Podstawników na Aromatyczne Substytucje Elektrofilowe Podstawniki obecne w pierścieniu aromatycznym działają jako grupy elektrono-donorowe lub elektrono-akceptorowe. G G wpływ elektrono-donorowy wpływ elektrono-akceptorowy

20 Podstawniki (Grupy) Elektrono-Donorowe Zwiększają gęstość elektronową, czyli aktywują pierścień aromatyczny wzrost gęstości elektronowej δ - δ + G δ+ δ - δ -

21 Diagram Energetyczny Reakcji ObniŜenie wartości G oznacza wzrost szybkości reakcji. δ - G δ+ δ - energia δ - G postęp reakcji

22 Struktury Rezonansowe... ilustrują fakt delokalizacji zwiększonej gęstości elektronowej w obrębie pierścienia aromatycznego. G G G G

23 Wpływ Kierujący Orto & Para Zwiększona gęstość elektronowa w pozycjach orto i para wpływa na dominujący kierunek substytucji. E δ - δ + G δ δ - E δ - E

24 Podstawniki Aktywujące i Kierujące w Pozycje orto & para anilina fenol metoksybenzen (anizol) toluen (metylobenzen)

25 Dystrybucja Produktów Nitowania Benzenu G HNO 3 /H 2 SO 4 G G G NO 2 NO 2 NO 2 Podstawnik (G) Orto Meta Para CH OH NHAc(NHCOMe)

26 Podstawniki Elektrono-Akceptorowe Powodują obniŝenie gęstości elektronowej, czyli dezaktywację pierścienia aromatycznego. δ - δ + G δ- δ + δ + obniŝenie gęstości elektronowej

27 Diagram Energetyczny Reakcji Wzrost wartości G oznacza zmniejszenie szybkości reakcji. δ + δ - G δ + energia δ + G postęp reakcji

28 Struktury Rezonansowe...ilustrują delokalizację obniŝonej gęstości elektronowej w pierścieniu aromatycznym. G G G G

29 Wpływ Kierujący Meta ObniŜenie gęstości elektronowej w pozycjach orto i para powoduje, Ŝe podstawienie elektrofilowe zachodzi głównie w pozycji meta. δ + δ - G δ + E δ + E

30 Podstawniki Kierujące w Pozycję meta; Podstawniki Dezaktywujące nitrobenzen kwas benzenosulfonowy acetofenon kwas benzoesowy

31 Dystrybucja Produktów Nitrowania G HNO 3 /H 2 SO 4 G G G NO 2 NO 2 NO 2 Podstawnik (G) Orto Meta Para NO CO 2 H CN COCH CHO

32 Atomy Fluorowców : Przypadek Szczególny...atomy X (F, Cl, Br, I), które są elektrono- akceptorowe i dezaktywujące, kierują nowe grupy w pozycje orto & para. W tym przypadku konkurują dwa przeciwstawne efekty; dodatni efekt rezonansowy ujemny efekt indukcyjny

33 (+) Efekt Rezonansowy (wpływ kierujący orto & para)...powoduje on korzystne ulokowanie (wzrost) gęstości elektronowej w pozycjach orto & para. E δ - δ + Cl δ - E δ - E

34 (-) Efekt Indukcyjny (dezaktywujący) DuŜa elektroujemność atomów typu X (F, Cl, Br, I) powoduje sumarycznie obniŝenie gęstości elektronowej w pierścieniu aromatycznym. Cl δ - δ +

35 Dystrybucja Produktów Nitrowania G HNO 3 /H 2 SO 4 G G G NO 2 NO 2 NO 2 Podstawnik (G) Orto Meta Para F Cl Br I

36 Planowanie Syntezy... Przykład # 1...odpowiedni dobór podstawników umoŝliwia kontrolę reaktywności oraz regiochemii reakcji podstawienia... NH 2 NHAc NHAc NH 2 Ac 2 O HNO 3 H 2 SO 4 H 2 SO 4 NO 2 NO 2

37 Planowanie Syntezy... Przykład # 2 Synteza kwasu p-aminobenzoesowego CH 3 CH 3 CO 2 H HNO 3 H 2 SO 4 O 2 Zn/HCl CO 2 H NO 2 NO 2 NH 2

38 Planowanie Syntezy... Przykład # 3 Synteza anastetyków (benzokaina & novokaina) N(Et) 2. HCl 2 O O N(Et) 2 OH CO 2 H EtOH CO 2 Et HCl NH 2 NH 2 NH 2 novokaina benzokaina

39 Planowanie Syntezy... Przykład # 4 Synteza analgestyku (paracetamol) OH OAc OAc 1. Ac 2 O Zn/HCl AcOH/H 2 O OAc 2. HNO 3 /H 2 SO 4 NO 2 NH 2 NHAc

40 Podsumowanie Aromatyczna substytucja elektrofilowa Stabilizacja rezonansowa Elektrofilowe bromowanie, chlorowanie, jodowanie, nitrowanie oraz sulfonowanie Alkilowanie i acylowanie Friedla-Craftsa Podstawniki elektrono-donorowe i elektronoakceptorowe Wpływ kierujący o & p, podstawniki aktywujące i dezaktywujące Wpływ kierujący m, podstawniki dezaktywujące Planowanie syntezy organicznej