2017 39-42 Reakcje benzenu i jego pochodnychzcho.ch.pw.edu.pl/dyd_mks18.pdf · „Chemia...
Transcript of 2017 39-42 Reakcje benzenu i jego pochodnychzcho.ch.pw.edu.pl/dyd_mks18.pdf · „Chemia...
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
1
39-42. Reakcje benzenu i jego pochodnych
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
2
18.1. Nazewnictwo mono-podstawionych benzenów
nazwa podstawnika - przedrostek przed słowem „benzen”
wiele nazw zwyczajowych(pokazane wybrane związki)
benzyloaminabenzyl
NH2
pierścień benzenowyw roli podstawnika
metylenofenyl w roli podstawnika
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
3
18.2. Elektrofilowe podstawienie aromatyczne (SEAr) – wymiana protonu (H+)
sp3sp2
aromatyczny produkt podstawienia protonu (H+)
• jest trwalszy termodynamiczne
hipotetyczny produkt addycji– niearomatyczny,
• mniej trwały termodynamicznie
elektrofil
nukleofil pełni rolę zasady –odrywa proton od at. C(sp3)
reagent, z którego zostaje wygenerowany elektrofil
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
4
18.2.1. SEAr – mechanizm reakcjiE
nerg
ia p
oten
cjal
na4 2
12E
H
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
5
18.2.2. Powszechnie stosowane reakcje SEAr
Fluorowanie w reakcji SEAr zachodzi gwałtownie – trudna kontrola reakcji• at. F wstawia się w reakcji soli diazoniowych (Ar-N2
+)(uwaga: to nie jest reakcja SEAr)
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
6
18.3. SEAr – halogenowanie
H XX
H
X
H
X
HX FeX3X X FeX3 + HX
+ FeX3
wytworzenie elektrofila (X = Cl, Br)
podstawienie
wytworzenie elektrofila podczas jodowania
w praktyce stosuje się Fe, ze względu na higroskopijność FeX32 Fe + 3 X2 2 FeX3
w praktyce stosuje się Fe, ze względu na higroskopijność FeX32 Fe + 3 X2 2 FeX3
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
7
18.4. SEAr – nitrowanie
wytworzenie elektrofila – kationu nitroniowego (NO2+)
podstawienie
kation nitroniowy
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 H2SO4 nitrowanie zachodzi wolno
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
8
18.5. SEAr – sulfonowanie
wytworzenie elektrofila
podstawienie
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
9
18.5.1. SEAr – sulfonowanie, odwracalność reakcji
sulfonowanie
de-sulfonowanie
sulfonowanie jest stosowane w praktyce jako zabezpieczenie określonej pozycji w pierścieniu benzenowym
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
10
18.6. SEAr – acylowanie Friedela-Craftsa
wytworzenie kationu acyliowego (elektrofila w wiekszości zbadanych reakcjach acylowania)
podstawienie
występowanie produktu w postaci kompleksu z AlCl3ma konsekwencje w praktyce
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
11
18.6.1. SEAr – acylowanie Friedela-Craftsa, praktyka
konieczność rozkładu kompleksu keton-AlCl3 w celu wydzielenia produktu reakcji (ketonu)
konieczność użycia R(O)Cl i AlCl3 w odpowiedniej proporcji molowej
Konsekwencje w praktyce tworzenia kompleksów R(O)Cl-AlCl3 i keton-AlCl3:
1.
2.
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
12
wytworzenie kationu acyliowego
podstawienie (jak w przypadku użycia chlorku kwasowego)
konsekwencje w praktyce użycia (RCO)2O:
1. 2.
bezwodniki kwasowe –• mniej reaktywne niż chlorki kwasowe• cykliczne bezwodniki kwasowe są
stosowane do syntezy kwasów oksokarboksylowych
18.6.2. SEAr – acylowanie Friedela-Craftsa, stosowanie bezwodników kwasowych
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
13
18.7. SEAr – alkilowanie Friedela-Craftsa
wytworzenie elektrofila (karbokationu alkilowego)
podstawienie
• karbokation może ulec przegrupowaniu(jak w innych poznanych reakcjach) –najpoważniejsza (nie jedyna) wada metody
• odtwarza się katalizator• nie jest wiązany przez produkt (jak w acylowaniu)• może być stosowany w ilości katalitycznej (zaleta metody)
Cl AlCl3
1 mol 0.1-0.2 mol (zwykle)
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
14
1. AlCl32. H2O
+ ClO
O [H]H
H
acylowanie F.-C. redukcja ketonu
przyczynaniepowodzenia
sposób na otrzymanie spodziewanego związku
warunki redukcji• redukcja Wolffa-Kiżnera
NH2NH2/OH¯/Tlub• redukcja Clemmensena
Zn(Hg)/HCl/T
18.8. SEAr – rada na przegrupowanie karbokationu w alkilowaniu Friedela-Craftsa
produktspodziewany
produktgłówny (lub jedyny)
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
15
18.8.1. Dobór warunków redukcji ketonu alkilowo-arylowego
grupy funkcyjne wrażliwe na warunki redukujące też mogąulegać przemianie
• CO2R, CHO, NO2, C=C
•modyfikacja Huanga-Minlona:NH2NH2/OH-(CH2)2-OH/T
• t-BuOK/DMSO/temp. pok.
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
16
18.9. Alkilowanie i acylowanie Friedela-Craftsa, zestawienie wad i zaletAlkilowanie 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
Wady
1. Stosowanie kwasu Lewisa w ilości ponadstechiometrycznej2. 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)
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
17
18.10. Reakcja Gattermana-Kocha - formylowanie pierścienia benzenowego
metoda ograniczona do benzenu i alkilobenzenów
równomolowa mieszanina
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
18
18.11. Nazewnictwo di- i polipodstawionych pochodnych benzenu
dipodstawienie• o-, m-, p- tylko (!) w piśmie
polipodstawieniepoli → liczba R = 3-6
21
Br
Br1,2-dibromobenzenorto-dibromobenzen
21
NH2
Br2-bromoanilinaorto-bromoanilina
12
CH3
Br1-bromometylobenzenorto-bromometylobenzen
R = R′ numeracja i kolejnośćzgodna z alfabetem
nazwa zwyczajowa zw. monopodst.podstawą nazwy
pochodne toluenu,to podstawionemetylobenzeny
R1
2
34
3
2orto (o) orto (o)
meta (m)meta (m)
para (p)R'
ale
4
12
NO2
Br1-bromo-4-chloro-2-nitrobenzene
Cl
dipodstawienie
polipodstawienie jak najniższe lokanty, kolejność nazw podstawników - alfabetyczna
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
19
benzen
18.12. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w SEAr
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
20
18.12.1. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w SEAr, przykłady
elektroujemność atomubezpośrednio związanego z C(sp2)względem elektroujemości at. C(sp2)
wpływ podstawnikana pierścień benzenowy
reaktywność związkuw reakcji SEArwzględem benzenu
H3C mniejsza H3C
wzbogaca pierścień w elektronydodatnim efektem indukcyjnym (+I)
H2N większa H2N H2N H2N
zubaża pierścień w elektronyujemnym efektem indukcyjnym (-I)
wzbogaca pierścień w elektronydodatnim efektem mezomerycznym (+M) przeważa efekt +M
Cl większa Cl Cl Cl
zubaża pierścień w elektronyujemnym efektem indukcyjnym (-I)
wzbogaca pierścień w elektronydodatnim efektem mezomerycznym (+M) przeważa efekt -I
O2N większa N NO
O
O
OO2N
zubaża pierścień w elektronyujemnym efektem indukcyjnym (-I)
zubaża pierścień w elektronyujemnym efektem mezomerycznym (-M)
sumowanie efektu (-I) i (-M)
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
podstawnik
deaktywacjasłaba średnia silna
efekt kierujący orto, para meta
21
podstawniki aktywujące na SEAr
podstawniki deaktywujące na SEAr
18.12.2. Względna reaktywność benzenu i jego pochodnych w SEAr, zestawienie
podstawnik
aktywacjasilna średnia słaba
efekt kierujący orto, para
benzen
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
22
orto
18.13. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, grupa alkoksylowa
rozkład ładunków
podstawienie:
para
meta
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
23
18.14. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, grupa nitrowa
rozkład ładunków
podstawienie:
meta
orto
para
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
24
18.15.1. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, przykłady
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
18.15.2. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, przykłady
25
O
O HNO3H2SO4
+O
ONO2
O
O
NO2
O HNO3H2SO4
O
H3CO
OCH3
O
OCH3
H3C
O2N
Br2, Fe
H3C
O
H3C
Br
NO2
O
NO2
aktywniejszy pierścień
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
26
18.16. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, 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
HNO3H2SO4
+NO2
NO261% 39%
HNO3H2SO4
+NO2
NO250% 50%
HNO3H2SO4
+NO2
18% 82%NO2
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
27
18.17. Efekt kierujący podstawnika w SEAr, synteza trójpodstawionych benzenów
**
**
**
CH3 CH3HNO3H2SO4
CH3 CH3NO2
**
**
CH3 CH3HNO3H2SO4
CH3 CH3
NO2
CH3CH3
NO2
+
** **
CH3 CH3HNO3H2SO4
NO2NO2
NO2
podstawniki tego samego rodzaju (tj. takie, które kierują w takie same pozycje)
efekt kierujący - zgodny efekt kierujący - niezgodny
podstawniki różnego rodzaju (tj. takie, które nie kierują w takie same pozycje)
efekt kierujący - zgodny efekt kierujący - niezgodny
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
28
18.18. Nukleofilowe podstawienie aromatyczne (SNAr) – wymiana halogenu
Cl
NO2
HN
NO2
H2NNO2 NO2
•Podstawienie halogenu (ale nie tylko) wiązanegoz aromatycznym at. C(sp2) umożliwia obecnośćpodstawnika silnie elektronoakceptorowego(co najmniej jednego) w pozycji orto i/lub parado grupy odchodzącej
•Podstawienie halogenu (ale nie tylko) wiązanegoz aromatycznym at. C(sp2) umożliwia obecnośćpodstawnika silnie elektronoakceptorowego(co najmniej jednego) w pozycji orto i/lub parado grupy odchodzącej
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
29
18.18.1. SNAr – reakcja addycji-eliminacji, a reakcja eliminacji-addycjireakcja addycji-eliminacji (w obecności podstawnika silnie elektronoakceptorowego w pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej
reakcja eliminacji-addycji
addycjaeliminacja
eliminacja addycja
•Podstawienie halogenu wiązanegoz aromatycznym at. C(sp2) w nieobecności podstawnika silnie elektronoakceptorowegow pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej
•Podstawienie halogenu wiązanegoz aromatycznym at. C(sp2) w nieobecności podstawnika silnie elektronoakceptorowegow pozycji orto i/lub para do grupy odchodzącej
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
30
18.19. Reakcje pochodnych benzenu, zachodzące w łańcuchu bocznym
Br2, h
lubNBS, ROOR, T
Br
Br NaOH/H2O OH
NaCN, DMF CN
NaN3, DMF N3 H2,Pd NH2
H2, Ni-Ra NH2
HPCC
O
t-BuOK/t-BuOH1. BH3/THF
2. H2O2, OH-/H2OOH
Br NaNO2/H2O NO2H2,Pd
KMnO4
CO2H
KMnO4
- CO2
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
Materiały uzupełniające,przypomnienia
31
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
32
SEAr – reagenty i elektrofile, podsumowanie
Reakcja SEAr 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
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
33
Sposoby otrzymania alkilobenzenów, alternatywne do alkilowania F.-C.
przypomnienie
reakcja Suzuki
reakcja z udziałem R2CuLi
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
34
•Podstawniki elektronoakceptorowe w pozycjach orto i para w stosunku do grupy karboksylowej zwiększająkwasowość aromatycznych kwasów karboksylowych.
•Podstawniki elektronodonorowe w pozycjach orto i para w stosunku do grupy karboksylowej zmniejszająkwasowość aromatycznych kwasów karboksylowych.
•Prawie wszystkie podstawniki w położeniu orto wywierają taki sam wpływ (wyjątkowo duży) - zwiększająkwasowość, niezależnie od skłonności do przyciągania lub uwalniania elektronów.
Wpływ podstawnika w pierścieniu benzenowym na kwasowość zw. organicznych, kwasy karboksylowe
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
35
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 zmniejszająkwasowość fenoli. Ta prawidłowość jest nie zawsze spełniona w przypadku podstawników elektronodonorowych w pozycji meta.
„Chemia Organiczna”, dr hab. inż. Mariola Koszytkowska-Stawińska, WChem PW; 2017/2018
36
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.