39-42. Reakcje benzenu i jego pochodnych 1
18.1. Nazewnictwo mono-podstawionych benzenów nazwa podstawnika - przedrostek przed słowem benzen wiele nazw zwyczajowych (pokazane wybrane związki) pierścień benzenowy w roli podstawnika metylenofenyl w roli podstawnika NH 2 benzyl benzyloamina 2
18.2. Elektrofilowe podstawienie aromatyczne (S E Ar) wymiana protonu (H + ) reagent, z którego zostaje wygenerowany elektrofil elektrofil sp 2 sp 3 aromatyczny produkt podstawienia protonu (H + ) jest trwalszy termodynamiczne nukleofil pełni rolę zasady odrywa proton od at. C(sp 3 ) hipotetyczny produkt addycji niearomatyczny, mniej trwały termodynamicznie 3
18.2.1. S E Ar mechanizm reakcji 2 E 1 4 2 H Energia potencjalna 4
18.2.2. Powszechnie stosowane reakcje S E Ar Fluorowanie w reakcji S E Ar zachodzi gwałtownie trudna kontrola reakcji at. F wstawia się w reakcji soli diazoniowych (Ar-N 2+ ) (uwaga: to nie jest reakcja S E Ar) 5
18.3. S E Ar halogenowanie wytworzenie elektrofila (X = Cl, Br) podstawienie w praktyce stosuje się Fe, ze względu na higroskopijność FeX 3 2 Fe + 3 X 2 2 FeX 3 H X X FeX 3 X X X H H H X FeX 3 X +HX +FeX 3 wytworzenie elektrofila podczas jodowania 6
18.4. S E Ar nitrowanie W praktyce: mieszanina stęż. HNO 3 i stęż. H 2 SO 4 tzw. mieszanina nitrująca wytworzenie elektrofila kationu nitroniowego (NO 2+ ) HNO 3 (słabszy kwas) pełni rolę zasady (formalnie) protonowanie HNO 3 sprzyja wytworzeniu NO 2 + bez dodatku H 2 SO 4 nitrowanie zachodzi wolno kation nitroniowy podstawienie 7
18.5. S E Ar sulfonowanie wytworzenie elektrofila podstawienie 8
18.5.1. S E Ar sulfonowanie, odwracalność reakcji sulfonowanie de-sulfonowanie sulfonowanie jest stosowane w praktyce jako zabezpieczenie określonej pozycji w pierścieniu benzenowym 9
18.6. S E Ar acylowanie Friedela-Craftsa wytworzenie kationu acyliowego (elektrofila w wiekszości zbadanych reakcjach acylowania) podstawienie występowanie produktu w postaci kompleksu z AlCl 3 ma konsekwencje w praktyce 10
18.6.1. S E Ar acylowanie Friedela-Craftsa, praktyka Konsekwencje w praktyce tworzenia kompleksów R(O)Cl-AlCl 3 i keton-alcl 3 : 1. konieczność użycia R(O)Cl i AlCl 3 w odpowiedniej proporcji molowej 2. konieczność rozkładu kompleksu keton-alcl 3 w celu wydzielenia produktu reakcji (ketonu) 11
18.6.2. S E Ar acylowanie Friedela-Craftsa, stosowanie bezwodników kwasowych wytworzenie kationu acyliowego bezwodniki kwasowe mniej reaktywne niż chlorki kwasowe cykliczne bezwodniki kwasowe są stosowane do syntezy kwasów oksokarboksylowych podstawienie (jak w przypadku użycia chlorku kwasowego) konsekwencje w praktyce użycia (RCO) 2 O: 1. 2. 12
18.7. S E Ar alkilowanie Friedela-Craftsa wytworzenie elektrofila (karbokationu alkilowego) karbokation może ulec przegrupowaniu (jak w innych poznanych reakcjach) najpoważniejsza (nie jedyna) wada metody podstawienie odtwarza się katalizator nie jest wiązany przez produkt (jak w acylowaniu) może być stosowany w ilości katalitycznej (zaleta metody) Cl AlCl 3 1 mol 0.1-0.2 mol (zwykle) 13
18.8. S E Ar rada na przegrupowanie karbokationu w alkilowaniu Friedela-Craftsa produkt spodziewany produkt główny (lub jedyny) przyczyna niepowodzenia sposób na otrzymanie spodziewanego związku + Cl O 1. AlCl 3 2. H 2 O acylowanie F.-C. O [H] redukcja ketonu H H warunki redukcji redukcja Wolffa-Kiżnera NH 2 NH 2 /OH / T lub redukcja Clemmensena Zn(Hg)/HCl/ T 14
18.8.1. Dobór warunków redukcji ketonu alkilowo-arylowego grupy funkcyjne wrażliwe na warunki redukujące też mogą ulegać przemianie CO 2 R, CHO, NO 2, C=C modyfikacja Huanga-Minlona: NH 2 NH 2 /OH-(CH 2 ) 2 -OH/ T t-buok/dmso/temp. pok. 15
Wady 18.9. Alkilowanie i acylowanie Friedela-Craftsa, zestawienie wad i zalet Alkilowanie Friedela-Craftsa 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 Wady Zalety Acylowanie Friedela-Craftsa 1. Stosowanie kwasu Lewisa w ilości ponadstechiometrycznej 2. 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) 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) 16
18.10. Reakcja Gattermana-Kocha - formylowanie pierścienia benzenowego równomolowa mieszanina metoda ograniczona do benzenu i alkilobenzenów 17
18.11. Nazewnictwo di- i polipodstawionych pochodnych benzenu dipodstawienie o-, m-, p- tylko (!) w piśmie orto (o) 2 R 1 2 orto (o) polipodstawienie poli liczba R = 3-6 dipodstawienie meta (m) 3 R' 4 3 meta (m) para (p) R = R numeracja i kolejność zgodna z alfabetem nazwa zwyczajowa zw. monopodst. podstawą nazwy ale pochodne toluenu, to podstawione metylobenzeny Br 1 2 Br 1,2-dibromobenzen orto-dibromobenzen NH 2 1 2 Br 2-bromoanilina orto-bromoanilina CH 3 2 1 Br 1-bromometylobenzen orto-bromometylobenzen polipodstawienie jak najniższe lokanty, kolejność nazw podstawników - alfabetyczna Cl 4 NO 2 2 1 Br 1-bromo-4-chloro-2-nitrobenzene 18
18.12. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w S E Ar benzen 19
18.12.1. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w S E Ar, przykłady elektroujemność atomu bezpośrednio związanego z C(sp 2 ) względem elektroujemości at. C(sp 2 ) wpływ podstawnika na pierścień benzenowy reaktywność związku wreakcjis E Ar względem benzenu H 3 C mniejsza H 3 C wzbogaca pierścień w elektrony dodatnim efektem indukcyjnym (+I) H 2 N większa H 2 N H 2 N H 2 N zubaża pierścień w elektrony ujemnym efektem indukcyjnym (-I) wzbogaca pierścień w elektrony dodatnim efektem mezomerycznym (+M) przeważa efekt+m Cl większa Cl Cl Cl zubaża pierścień w elektrony ujemnym efektem indukcyjnym (-I) wzbogaca pierścień w elektrony dodatnim efektem mezomerycznym (+M) O O O 2 N większa N N O O zubaża pierścień w elektrony ujemnym efektem indukcyjnym (-I) zubaża pierścień welektrony ujemnym efektem mezomerycznym (-M) O 2 N przeważa efekt-i sumowanie efektu (-I) i (-M) 20
18.12.2. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w S E Ar, zestawienie podstawniki aktywujące na S E Ar benzen podstawnik aktywacja efekt kierujący silna średnia słaba orto, para podstawniki deaktywujące na S E Ar podstawnik deaktywacja słaba średnia silna efekt kierujący orto, para meta 21
18.13. Efekt kierujący podstawnika w S E Ar, grupa alkoksylowa rozkład ładunków podstawienie: orto para meta 22
18.14. Efekt kierujący podstawnika w S E Ar, grupa nitrowa rozkład ładunków podstawienie: meta orto para 23
18.15.1. Efekt kierujący podstawnika w S E Ar, przykłady 24
18.15.2. Efekt kierujący podstawnika w S E Ar, przykłady aktywniejszy pierścień O O NO 2 O HNO 3 H 2 SO 4 O + O O NO 2 O HNO 3 H 2 SO 4 O 2 N O H 3 C O H 3 C O OCH 3 OCH 3 NO 2 NO 2 O Br 2, Fe Br O H 3 C H 3 C 25
18.16. Efekt kierujący podstawnika w S E Ar, proporcja molowa produktów HNO 3 H 2 SO NO 2 4 + NO 2 61% 39% 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 HNO 3 H 2 SO NO 2 4 + NO 2 50% 50% HNO 3 H 2 SO NO 2 4 + NO 2 18% 82% 26
18.17. Efekt kierujący podstawnika w S E Ar, synteza trójpodstawionych benzenów podstawniki tego samego rodzaju (tj. takie, które kierują w takie same pozycje) efekt kierujący - zgodny efekt kierujący - niezgodny ** CH 3 CH HNO 3 3 ** H 2 SO 4 ** CH 3 CH 3 NO 2 * * CH 3 CH HNO 3 3 CH 3 H 2 SO CH 4 3 * * NO 2 + CH 3 CH 3 NO 2 podstawniki różnego rodzaju (tj. takie, które nie kierują w takie same pozycje) efekt kierujący - zgodny efekt kierujący - niezgodny CH 3 CH HNO 3 3 H ** ** 2 SO 4 NO 2 NO 2 NO 2 27
18.18. Nukleofilowe podstawienie aromatyczne (S N Ar) wymiana halogenu Podstawienie halogenu (ale nie tylko) wiązanego z aromatycznym at. C(sp 2 ) umożliwia obecność podstawnika silnie elektronoakceptorowego (co najmniej jednego) w pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej Cl HN NO 2 NO H 2 N 2 NO 2 NO 2 28
18.18.1. S N Ar reakcja addycji-eliminacji, a reakcja eliminacji-addycji reakcja addycji-eliminacji (w obecności podstawnika silnie elektronoakceptorowego w pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej eliminacja addycja reakcja eliminacji-addycji Podstawienie halogenu wiązanego z aromatycznym at. C(sp 2 ) w nieobecności podstawnika silnie elektronoakceptorowego w pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej eliminacja addycja 29
18.19. Reakcje pochodnych benzenu, zachodzące w łańcuchu bocznym Br 2, h lub NBS, ROOR, T Br t-buok/t-buoh O 1. BH 3 /THF 2. H 2 O 2, OH - /H 2 O OH Br NaOH/H 2 O OH PCC H NaCN, DMF CN H 2,Ni-Ra NH 2 NaN 3, DMF N 3 H 2,Pd NH 2 Br NaNO 2 /H 2 O NO 2 H 2,Pd CO 2 H KMnO 4 KMnO 4 -CO 2 30
Materiały uzupełniające, przypomnienia 31
S E Ar reagenty i elektrofile, podsumowanie Reakcja S E Ar Reagenty Elektrofil halogenowanie chlorowanie Cl 2, Fe Cl + bromowanie Br 2, Fe Br + jodowanie I 2, HNO 3 lub I 2, H 2 O 2 /H 2 SO 4 I + nitrowanie HNO 3 st., H 2 SO 4 st. NO 2+ (kation nitroniowy) sulfonowanie H 2 SO 4 st. lub oleum SO 3 acylowanie Friedela-Craftsa RC(O)Cl, AlCl 3 lub (RCO) 2 O), AlCl 3 kation acyliowy alkilowanie Friedela-Craftsa RX, AlCl 3 R + (karbokation) formylowanie Gattermana- Kocha CO/HCl, AlCl 3 kation formylowy 32
Sposoby otrzymania alkilobenzenów, alternatywne do alkilowania F.-C. przypomnienie reakcja Suzuki reakcja z udziałem R 2 CuLi 33
Wpływ podstawnika w pierścieniu benzenowym na kwasowość zw. organicznych, kwasy karboksylowe Podstawniki elektronoakceptorowe w pozycjach orto i para w stosunku do grupy karboksylowej zwiększają kwasowość aromatycznych kwasów karboksylowych. Podstawniki elektronodonorowe w pozycjach orto i para w stosunku do grupy karboksylowej zmniejszają kwasowość aromatycznych kwasów karboksylowych. Prawie wszystkie podstawniki w położeniu orto wywierają taki sam wpływ (wyjątkowo duży) - zwiększają kwasowość, niezależnie od skłonności do przyciągania lub uwalniania elektronów. 34
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 zmniejszają kwasowość fenoli. Ta prawidłowość jest nie zawsze spełniona w przypadku podstawników elektronodonorowych w pozycji meta. 35
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. 36