36-39. Reakcje benzenu i jego pochodnych „Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2019/2020 1

36-39. Reakcje benzenu i jego pochodnych

1. Elektrofilowe podstawienie aromatyczne (S

_E

Ar)

sp³ sp²

aromatyczny produkt podstawienia protonu (H⁺)

elektrofil

reagent, z którego zostaje wygenerowany elektrofil

protonu (H⁺)

• jest trwalszy termodynamiczne

hipotetyczny produkt addycji – niearomatyczny,

• mniej trwały termodynamicznie nukleofil pełni rolę zasady –

odrywa proton od at. C(sp³)

1.1. S

_E

Ar – mechanizm reakcji

Energia potencjalna

4 2

2 1

E H

kompleks p

Energia potencjalna

1.2. Powszechnie stosowane reakcje S

_E

Ar

Fluorowanie w reakcji S_EAr zachodzi gwałtownie – trudna kontrola reakcji

• Uwaga: at. F wstawia się w reakcji soli diazoniowych (Ar-N₂⁺) (uwaga: to nie jest reakcja S_EAr)

1.3. S

_E

Ar – halogenowanie

wytworzenie elektrofila (X = Cl, Br)

podstawienie

wytworzenie elektrofila podczas jodowania

w praktyce stosuje się Fe, ze względu na higroskopijność FeX₃ 2 Fe + 3 X₂  2 FeX₃

1.4. S

_E

Ar – nitrowanie

wytworzenie elektrofila – kationu nitroniowego (NO₂⁺) W praktyce:

mieszanina stęż. HNO₃ i stęż. H₂SO₄– tzw. mieszanina nitrująca

• HNO₃ (słabszy kwas) pełni rolę zasady (formalnie)

• protonowanie HNO₃ sprzyja wytworzeniu NO₂⁺

• bez dodatku H₂SO₄nitrowanie zachodzi wolno

podstawienie

kation nitroniowy

1.5. S

_E

Ar – sulfonowanie

wytworzenie elektrofila

podstawienie

1.5.1. S

_E

Ar – sulfonowanie, odwracalność reakcji

sulfonowanie

de-sulfonowanie

sulfonowanie jest stosowane w praktyce jako zabezpieczenie sulfonowanie jest stosowane w praktyce jako zabezpieczenie określonej pozycji w pierścieniu benzenowym

1.6. S

_E

Ar – acylowanie Friedela-Craftsa

wytworzenie kationu acyliowego (elektrofila w wiekszości zbadanych reakcjach acylowania)

podstawienie podstawienie

występowanie produktu w postaci kompleksu z AlCl₃ ma konsekwencje w praktyce

1.6.1. S

_E

Ar – acylowanie Friedela-Craftsa, praktyka

konieczność użycia R(O)Cl i AlCl₃ w odpowiedniej proporcji molowej Konsekwencje w praktyce tworzenia kompleksów R(O)Cl-AlCl₃i keton-AlCl₃:

1.

konieczność rozkładu kompleksu keton-AlCl₃ w celu wydzielenia produktu reakcji (ketonu) 2.

wytworzenie kationu acyliowego

podstawienie (jak w przypadku użycia chlorku kwasowego)

bezwodniki kwasowe –

• mniej reaktywne niż chlorki kwasowe

• cykliczne bezwodniki kwasowe są stosowane do syntezy kwasów oksokarboksylowych

1.6.2. S

_E

Ar – acylowanie Friedela-Craftsa, stosowanie bezwodników kwasowych

podstawienie (jak w przypadku użycia chlorku kwasowego)

konsekwencje w praktyce użycia (RCO)₂O:

1. 2.

1.7. 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)

przyczyna niepowodzenia

1.8. S

_E

Ar – rada na przegrupowanie karbokationu w alkilowaniu Friedela-Craftsa

produkt

spodziewany

produkt

główny (lub jedyny)

sposób na otrzymanie spodziewanego związku

warunki redukcji

• redukcja Wolffa-Kiżnera NH₂NH₂/OH¯/DT

lub

• redukcja Clemmensena Zn(Hg)/HCl/DT

1.8.1. Dobór warunków redukcji ketonu alkilowo-arylowego

grupy funkcyjne wrażliwe na warunki redukujące też mogą ulegać przemianie

• CO₂R, CHO, NO₂, C=C

• modyfikacja Huanga-Minlona:

NH₂NH₂/OH-(CH₂)₂-OH/DT

• t-BuOK/DMSO/temp. pok.

1.9. Reakcja Gattermana-Kocha - formylowanie pierścienia benzenowego

równomolowa mieszanina

metoda ograniczona do benzenu i alkilobenzenów

2. Wpływ podstawnika na reaktywność pochodnych benzenu w S

_E

Ar

Podstawnik wpływa na reaktywność związku, oddziałując efektem indukcyjnym (I) lub mezomerycznym (M).

Efekt indukcyjny (I) = wynika z różnicy elektroujemności atomów związanych wiązaniem chemicznym, przenoszony przez wiązania sigma lub przez przestrzeń.

+I = dodatni efekt indukcyjny (atom o mniejszej ektroujemności od atomu wodoru).

-I = ujemny efekt indukcyjny (atom o większej ektroujemności od atomu wodoru).

Efekt mezomeryczny (rezonansowy) = wynika z możliwości przemieszczania się elektronów p lub elektronów z wolnej pary elektronowej i powoduje zmianę gęstości elektronowej.

+M = dodatni efekt mezomeryczny (podstawnik powoduje zwiększenie gęstości elektronowej).

związek reaguje szybciej, Y kiedy podstawnik jest aktywujący (Z)

związek reaguje wolniej,

kiedy podstawnik jest deaktywujący (Y) +M = dodatni efekt mezomeryczny (podstawnik powoduje zwiększenie gęstości elektronowej).

-M = ujemny efekt mezomeryczny (podstawnik powoduje zmniejszenie gęstości elektronowej).

Efekty indukcyjny i mezomeryczy mogą mieć zgodny lub przeciwstawny wpływ na reaktywność związku.

Jeśli efekty podstawnika są przeciwstawne, to jeden z nich przeważa. W zależności od globalnego wpływu podstawnika, związek może reagować szybciej (być aktywniejszy w danej reakcji) lub wolniej (być mniej aktywny, zdeaktywowany w danej reakcji) niż związek odniesienia.

2.1. Reaktywność pochodnych benzenu w S

_E

Ar, przykłady

efekt indykcyjny (I) efekt mezomeryczny reaktywność związku w reakcji S_EAr względem benzenu

H₂N

( I)

H₂N (+M) H₂N H₂N

przeważa efekt +M

Cl

( I)

Cl Cl

(+M) Cl

przeważa efekt I

( I) O ( M) O

O₂N

+I = dodatni efekt indukcyjny (atom o mniejszej ektroujemności od atomu wodoru).

-I = ujemny efekt indukcyjny (atom o większej ektroujemności od atomu wodoru).

+M = dodatni efekt mezomeryczny (podstawnik powoduje zwiększenie gęstości elektronowej).

-M = ujemny efekt mezomeryczny (podstawnik powoduje zmniejszenie gęstości elektronowej).

O₂N N N

O O

O₂N

sumowanie efektu ( I) i ( M)

H₃C

( I) H₃C

Uwaga: przeważa efekt hiperkoniugacji

H H

H

podstawnik

aktywacja

silna średnia słaba

podstawniki aktywujące na S_EAr

2.2. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w S

_E

Ar, zestawienie

(benzen)

silna średnia słaba

efekt kierujący orto, para

podstawnik

deaktywacja

słaba średnia silna

efekt kierujący orto, para meta

podstawniki deaktywujące na S_EAr

orto

3. Efekt kierujący podstawnika w S

_E

Ar, grupa alkoksylowa

rozkład ładunków

dodatni efekt mezomeryczny (+M) podstawienie:

para

3.1. Efekt kierujący podstawnika w S

_E

Ar, grupa nitrowa

podstawienie:

meta rozkład ładunków

ujemny efekt mezomeryczny (-M)

orto

3.2. Efekt kierujący podstawnika w S

_E

Ar, różne podstawniki kierujące

3.3. Efekt kierujący podstawnika w S

_E

Ar, różne pierścienie

O

O HNO₃

H₂SO₄

O +

O NO₂

O O

NO₂

O HNO O

aktywniejszy pierścień

HNO₃ H₂SO₄

H₃C O

OCH₃

O OCH₃ H₃C

O₂N

Br_2,Fe H C

O

H C Br NO₂

O

NO₂

3.4. Efekt kierujący podstawnika w S

_E

Ar, proporcja molowa produktów

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

HNO₃ H₂SO₄

+ NO₂

NO₂

61% 39%

HNO₃ H₂SO₄

+ NO₂

NO₂

50% 50%

HNO₃ H₂SO₄

+ NO₂

18% 82%

NO₂

4. Efekt kierujący podstawnika w S

_E

Ar, synteza trójpodstawionych benzenów

** **

CH₃ CH₃

HNO₃ H₂SO₄

podstawniki tego samego rodzaju (tj. takie, które kierują w takie same pozycje) efekt kierujący - zgodny efekt kierujący - niezgodny Dwa podstawniki

aktywujące  kieruje podstawnik o silniejszych właściwościach

aktywujących (slajd 21)

Podstwnik aktywujący i deaktywujący  kieruje podstawnik aktywuący

Nie zachodzi podstawienie w pozycji

pomiędzy podstawnikami znajdującymi się w położeniu meta względem siebie, jeśli inne pozycje są wolne.

** CH₃ CH₃

NO₂

** **

CH₃ CH₃

HNO₃

H₂SO₄ NO₂

podstawniki różnego rodzaju (tj. takie, które nie kierują w takie same pozycje)

efekt kierujący - zgodny efekt kierujący - niezgodny

5. Nukleofilowe podstawienie aromatyczne (S

_N

Ar) – wymiana halogenu

• Podstawienie halogenu (ale nie tylko) wiązanego z aromatycznym at. C(sp²) umożliwia obecność podstawnika silnie elektronoakceptorowego (co najmniej jednego) w pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej

5.1. 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

reakcja eliminacji-addycji (w pierścieniu nie posiadającym podstawnika elektronoakceptorowego)

addycja eliminacja

eliminacja addycja

• Podstawienie halogenu wiązanego

z aromatycznym at. C(sp²) w nieobecności podstawnika silnie elektronoakceptorowego w pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej

6. Reakcje pochodnych benzenu, zachodzące w łańcuchu bocznym

każdy łańcuch alkilowy z 1º lub 2º benzylowym at. C

Materiały uzupełniające,

przypomnienia

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

Nazewnictwo di- i polipodstawionych pochodnych benzenu

dipodstawienie

• o-, m-, p- tylko (!) w piśmie

polipodstawienie poli → liczba R = 3-6

Br CH

R = R′ numeracja i kolejność zgodna z alfabetem

nazwa zwyczajowa zw. monopodst.

podstawą nazwy

pochodne toluenu, to podstawione metylobenzeny R¹

2

3 4

3

orto (o) 2 orto (o) meta (m) meta (m)

para (p) R'

ale

dipodstawienie

21Br Br 1,2-dibromobenzen orto-dibromobenzen

12

CH₃ Br

1-bromometylobenzen orto-bromometylobenzen

polipodstawienie jak najniższe lokanty, kolejność nazw podstawników - alfabetyczna

S

_E

Ar – reagenty i elektrofile, podsumowanie

Reakcja S_EAr Reagenty Elektrofil

halogenowanie

• chlorowanie Cl₂, Fe Cl⁺

• bromowanie Br₂, Fe Br⁺

• jodowanie I₂, HNO₃ lub I₂, H₂O₂/H₂SO₄ I⁺

nitrowanie HNO₃ st., H₂SO₄ st. NO₂⁺ (kation

nitroniowy)

sulfonowanie H₂SO₄ st. lub oleum SO₃

acylowanie Friedela-Craftsa RC(O)Cl, AlCl₃ lub (RCO)₂O), AlCl₃ kation acyliowy alkilowanie Friedela-Craftsa RX, AlCl₃ R⁺ (karbokation) formylowanie Gattermana- Kocha CO/HCl, AlCl₃ kation formylowy

Alkilowanie i acylowanie Friedela-Craftsa, zestawienie wad i zalet Alkilowanie

Friedela-Craftsa

Wady

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

Acylowanie

Friedela-Craftsa

1.

Stosowanie kwasu Lewisa w ilości ponadstechiometrycznej

Wady

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)

Zalety

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)

• 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.

Wpływ podstawnika w pierścieniu benzenowym na kwasowość kwasów

karboksylowych

Wpływ podstawnika w pierścieniu benzenowym na kwasowość fenoli

• 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.

Wpływ podstawnika w pierścieniu benzenowym na zasadowość amin aromatycznych

• 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.

Efekt kierujący podstawnika reakcji S_EAr - przykłady podstawniki tego samego rodzaju (efekt zgodny)

podstawniki tego samego rodzaju (efekt zgodny)

podstawniki tego samego rodzaju (efekt niezgodny)

podstawniki tego samego rodzaju (efekt niezgodny)

podstawniki różnego rodzaju (efekt zgodny)

podstawniki różnego rodzaju (efekt niezgodny)

E – podstawnik, który można wprowadzić w reakcji S_EAr, uwzględniając reaktywność substratu w danej reakcji

Efekt kierujący podstawnika reakcji S

_E

Ar - przykłady

Efekt kierujący podstawnika reakcji S

_E

Ar - przykłady

podstawniki tego samego rodzaju (efekt zgodny)

Efekt kierujący podstawnika reakcji S

_E

Ar - przykłady

podstawniki tego samego rodzaju (efekt niezgodny)

Efekt kierujący podstawnika reakcji S

_E

Ar - zadania

Zaproponować schemat syntezy.

Zwrócić uwagę na efekt kierujący podstawników, który determinuje kolejność wprowadzania podstawników do pierścienia.