Aromatyczne Substytucje Elektrofilowe E + E H -H E Slides 1 to 41
Aromatyczne Addycje Elektrofilowe...do pierścienia aromatycznego przerywa sprzęŝenie elektronów π i powoduje utratę stabilizacji poprzez rezonans. EX + X E
Aromatyczna Substytucja Eltrofilowa...nie zakłóca aromatycznego charakteru cząsteczki (jej aromatyczności). E + -H E
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
Diagram Energetyczny Reakcji Aromatyczna substytucja elektrofilowa jest procesem dwuetapowym; na profilu energii występuje więc minimum. Energia E H E Postęp reakcji
Diagram Energetyczny Reakcji Szybkość całej reakcji jest określona przez energię swobodną G pierwszego etapu (first step). Energia G Postęp reakcji
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
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
Chlorowanie W podobny sposób następuje aktywacja elektrofilowej cząsteczki chloru Cl 2 (dodatek FeCl 3 ). Cl 2 + FeCl 3 Cl + (FeCl 4 ) Cl + -H Cl
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
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
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
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
Ograniczenia w Reakcji Alkilowania Metodą Friedla-Craftsa Ograniczenia i utrudnienia w reakcji alkilowania; Nie nadają się halogenki arylowe oraz allilowe. Polialkilowanie Przegrupowania karbokationów
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
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...
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
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
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
Podstawniki (Grupy) Elektrono-Donorowe Zwiększają gęstość elektronową, czyli aktywują pierścień aromatyczny wzrost gęstości elektronowej δ - δ + G δ+ δ - δ -
Diagram Energetyczny Reakcji ObniŜenie wartości G oznacza wzrost szybkości reakcji. δ - G δ+ δ - energia δ - G postęp reakcji
Struktury Rezonansowe... ilustrują fakt delokalizacji zwiększonej gęstości elektronowej w obrębie pierścienia aromatycznego. G G G G
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
Podstawniki Aktywujące i Kierujące w Pozycje orto & para anilina fenol metoksybenzen (anizol) toluen (metylobenzen)
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 3 63 3 34 OH 50 0 50 NHAc(NHCOMe) 19 2 79
Podstawniki Elektrono-Akceptorowe Powodują obniŝenie gęstości elektronowej, czyli dezaktywację pierścienia aromatycznego. δ - δ + G δ- δ + δ + obniŝenie gęstości elektronowej
Diagram Energetyczny Reakcji Wzrost wartości G oznacza zmniejszenie szybkości reakcji. δ + δ - G δ + energia δ + G postęp reakcji
Struktury Rezonansowe...ilustrują delokalizację obniŝonej gęstości elektronowej w pierścieniu aromatycznym. G G G G
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
Podstawniki Kierujące w Pozycję meta; Podstawniki Dezaktywujące nitrobenzen kwas benzenosulfonowy acetofenon kwas benzoesowy
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 2 7 91 2 CO 2 H 22 77 1 CN 17 81 2 COCH 3 26 72 3 CHO 19 72 9
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
(+) 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
(-) Efekt Indukcyjny (dezaktywujący) DuŜa elektroujemność atomów typu X (F, Cl, Br, I) powoduje sumarycznie obniŝenie gęstości elektronowej w pierścieniu aromatycznym. Cl δ - δ +
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 13 1 86 Cl 35 1 64 Br 43 1 56 I 45 1 54
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
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
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
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
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