Węglowodory Aromatyczne

Transkrypt

1 Węglowodory Aromatyczne Benzen Rezonans & Aromatyczność Nazewnictwo (nomenklatura) Slides 1 to 38

2 Węglowodory Aromatyczne W pierwotnym znaczeniu słowo aroma nawiązywało do pachnących składników roślin; obecnie, związki aromatyczne są definiowane jako klasa węglowodorów oraz ich pochodnych, dla których najprostszym przedstawicielem jest benzen o wzorze sumarycznym C 6 H 6.

3 Benzen... Właściwości Fizyczne Wzór sumaryczny C 6 H 6 Bezbarwna ciecz Łatwopalny Charakterystyczny zapach

4 Benzen... Wybrane Zastosowania farmaceutyki barwniki środki czyszczące rozpuszczalniki farb i lakierów

5 Benzen... ZagroŜenia PodraŜnienie błon śluzowych PodraŜnienie, konwulsje Depresje, leukemia Przypadki śmiertelne zatrucia!

6 Benzen... Źródła Pozyskiwania...kraking termiczny węgla oraz surowej ropy naftowej. Benzen stanowi cenny surowiec dla przemysłu chemicznego jest jednak zaliczany do grupy niebezpiecznych chemikaliów.

7 Pierwsze, Historyczne Struktury Zaproponowane dla Benzenu W połowie XIX wieku zaproponowano trzy struktury dla benzenu (C 6 H 6 ) Dewar Ladenburg Kekule

8 Symetria Cząsteczki Benzenu PoniewaŜ stwierdzono, Ŝe cząsteczka benzenu jest symetryczna, struktura Dewara została wyeliminowana. Dewar Ladenburg Kekule

9 Reaktywność Benzen jest związkiem reaktywnym; takiej właściwości nie zapewniała struktura Ladenburga. Dewar Ladenburg Kekule

10 Sen Kekulego a Struktura Benzenu

11 Reakcje Addycji Wiadomo dobrze, Ŝe cząsteczka Br 2 łatwo ulega przyłączeniu do wiązania podwójnego C=C (reaktywność alkenów). Br 2 Br Br R R R R

12 Dalsze, Wybrane Izomery C 6 H 6 ; Łącznie 217 Struktur!

13 Reakcje Podstawienia (Substytucji) W wyniku reakcji z bromem Br 2, benzen ulega reakcji substytucji dając bromobenzen. Br 2 Br

14 Dibromobenzeny Bromobenzen moŝe dalej ulegać reakcji z Br 2 dając trzy izomeryczne dibromobenzeny (trzy izomery strukturalne C 6 H 4 Br 2 ). Br Br Br Br Br Br

15 Izomery orto vs meta vs para (o, m, p) Te trzy izomery określają sposób podstawienia w dipodstawionych pochodnych benzenu... R R R R R R ortho meta para

16 A co z Czwartym Izomerem? Na pierwszy rzut oka wydaje się, Ŝe moŝliwe są dwa o-dibromobenzeny? Br Br Br Br

17 Rezonans Trzy wiązania podwójne w benzenie są sprzęŝone i znajdują się w stanie rezonansu (są sprzęŝone ze sobą).

18 Struktura Rezonansowa Cząsteczki Benzenu Strzałka rezonansowa (z dwoma grotami) jest stosowana w celu zapisania struktur rezonansowych. WAśNE : zjawisko rezonansu dotyczy wyłącznie ruchu (przemieszczenia) elektronów! Atomy nie zmieniają swoich pozycji!

19 Substytucja vs Addycja Z powodu stabilizacji rezonansowej, benzen jest znacznie mniej reaktywny niŝ typowe alkeny (alkatrieny). Br Br add n subs n Br

20 Uwodornienie Cykloheksenu Addycja cząsteczki H 2 do cycloheksenu prowadzi do bardziej trwałego cykloheksanu. add n G -ve reakcja egzotermiczna (28.6 kcal/mol)

21 Uwodornienie Cykloheksa-1,3-dienu Addycja dwóch moli H 2 do cyclohexa-1,3-dienu prowadzi do bardziej trwałego cykloheksanu. add n G reakcja egzotermiczna ( kcal/mol)

22 Uwodornienie Benzenu Addycja 3 moli H 2 do benzenu prowadzi do otrzymania cykloheksanu. add n G -ve reakcja egzotermiczna (49.8 kcal/mol)

23 Stabilizacja Rezonansowa Cząsteczka benzenu jest o 36 kcal/mol bardziej trwała dzięki stabilizacji rezonansowej. (3 x 28.6) = 36 kcal/mol KaŜdy proces, który zakłóca stabilizację rezonansową (addycja) jest niekorzystny wobec takiego, który nie zakłóca stabilizacji (substytucja)

24 Aromatyczność Wszystkie sprzęŝone wiązania podwójne są stabilizowane energią rezonansu, lecz układy aromatyczne posiadają jeszcze większą, specjalną stabilizację takie określenie stanowi w części, definicję związku aromatycznego.

25 Reguła Huckela [Reguła (4n + 2)] Cząsteczka związku aromatycznego posiada charakter aromatyczny, jeŝeli...posiada planarny, cykliczny układ sprzęŝonych orbitali p posiadających (4n + 2) elektronów, (gdzie n jest liczbą naturalną)...

26 Cyklopropen sprzęŝony planarny monocykliczny 4n + 2 aromatyczny Click on picture to play movie

27 Cyclobutadien sprzęŝony planarny monocykliczny 4n + 2 aromatyczny Click on picture to play movie

28 Cyclopentadien sprzęŝony planarny monocykliczny 4n + 2 aromatyczny Click on picture to play movie

29 Benzen sprzęŝony planarny monocykliczny 4n + 2 aromatyczny Click on picture to play movie

30 Cyklohepta-1,3,5-trien sprzęŝony planarny monocykliczny 4n + 2 aromatyczny Click on picture to play movie

31 Cyklooktatetraen sprzęŝony planarny monocykliczny 4n + 2 aromatyczny Click on picture to play movie

32 Pirydyna N sprzęŝony planarny monocykliczny 4n + 2 aromatyczny Click on picture to play movie

33 Pirol N H sprzęŝony planarny monocykliczny 4n + 2 aromatyczny Click on picture to play movie

34 Nazewnictwo Pochodnych Benzenu: nazwy zwyczajowe OH OCH 3 CH 2 OH fenol anizol alkohol benzylowy CHO O CH 3 CO 2 H benzaldehyd acetofenon kwas benzoesowy

35 Nazewnictwo Pochodnych Benzenu: nazwy zwyczajowe NH 2 CN anilina benzonitryl styren CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 toluen kumen o-ksylen

36 Nazewnictwo IUPAC...dla struktur związków nie pochodzących od nazw zwyczajowych Monopodstawione pochodne benzenu są identyfikowane poprzez przyrostek benzen... (np. bromobenzen) Dipodstawione pochodne benzenu są opisywane odpowiednio jako izomery o, m, p... (np.. o-dibromobenzen) Pochodne benzenu z liczbą > 2 podstawników mają przypisane do nich lokanty w taki sposób, aby uzyskać najniŝszą moŝliwą numerację; podstawniki występujące jako przedrostki są ułoŝone alfabetycznie.

37 Nazewnictwo IUPAC...dla nazw związków opartych na nazwach zwyczajowych... Wiele nazw zwyczajowych jest akceptowanych przez nazewnictwo systematyczne. Dipodstawione pochodne benzenu są opisywane jako o, m, p... (np. o-bromofenol). Pochodne benzenu z większą liczbą podstawników ( > 2) są: (a) numerowane z uwzględnieniem zwyczajowej jednostki podstawowej (b) w taki sposób, aby otrzymać jak najniŝszą liczbę (c) z podstawnikami wymienionymi alfabetycznie.

38 Na Przykład... Dipodstawione Pochodne Benzenu CN CO 2 H OH NO 2 Br NO 2 m-bromobenzonitryl kwas m-nitrobenzoesowy o-nitrofenol NO 2 NO Br NO NO o-dinitrobenzen m-bromonitrobenzen p-jodonitrobenzen I

39 Na Przykład... Tripodstawione Pochodne Benzenu OH NO 2 NO 2 CH 3 NO 2 Br 2,4-dinitrofenol 3-bromo-4-nitrotoluen NO 2 NO 2 Br 2-bromo-1,4-dinitrobenzen I Br 2-bromo-4-etylo-1-jodobenzen

40 Podsumowanie Pojęcie aromatyczności Struktury benzenu (Ladenburg, Dewar, Kekule) Reakcje addycji vs reakcje substytucji Dipodstawione pochodne benzenu (o,m,p) Stabilizacja rezonansowa Aromatyczność Reguła Huckela [Reguła (4n+2)] Nazewnictwo