substytucja elektrofilowa
TRANSCRIPT
‹#›
RJC
Aromatyczne Aromatyczne
Substytucje ElektrofiloweSubstytucje Elektrofilowe
Aromatyczne Aromatyczne
Substytucje ElektrofiloweSubstytucje Elektrofilowe
Slides 1 to 41
E
H
E +E
-H
‹#›
RJC AromatyczneAromatyczne
Addycje ElektrofiloweAddycje Elektrofilowe
...do pierścienia aromatycznego przerywa ...do pierścienia aromatycznego przerywa sprzęŜenie elektronów sprzęŜenie elektronów ππ i powoduje utratę i powoduje utratę
stabilizacji poprzez rezonans. stabilizacji poprzez rezonans.
EX +X
E
‹#›
RJC
Aromatyczna Substytucja EltrofilowaAromatyczna Substytucja Eltrofilowa
...nie zakłóca aromatycznego charakteru cząsteczki ...nie zakłóca aromatycznego charakteru cząsteczki (jej aromatyczności).(jej aromatyczności).
E +E
-H
‹#›
RJC
Mechanizm Substytucji ElektrofilowejMechanizm Substytucji Elektrofilowej
Addycja cząsteczki elektrofila (EAddycja cząsteczki elektrofila (E++) prowadzi do ) prowadzi do powstania karbokationu, który następnie eliminuje powstania karbokationu, który następnie eliminuje HH++ co powoduje, Ŝe główny pierścień odzyskuje co powoduje, Ŝe główny pierścień odzyskuje
charakter aromatyczny.charakter aromatyczny.
E
H
E +E
-H
‹#›
RJC
Diagram Energetyczny ReakcjiDiagram Energetyczny Reakcji
Aromatyczna substytucja elektrofilowa jest Aromatyczna substytucja elektrofilowa jest procesem dwuetapowym; na profilu energii procesem dwuetapowym; na profilu energii
występuje więc minimum. występuje więc minimum.
Energia
Postęp reakcji
E
E
H
‹#›
RJC Diagram Energetyczny ReakcjiDiagram Energetyczny Reakcji
Szybkość całej reakcji jest określona przez energię Szybkość całej reakcji jest określona przez energię swobodną swobodną ∆∆GG‡ ‡ pierwszego etapu (first step). pierwszego etapu (first step).
Energia
Postęp reakcji
∆G‡
‹#›
RJC
Odczynniki Elektrofilowe (Elektrofile)Odczynniki Elektrofilowe (Elektrofile)
Pierścienie aromatyczne są mniej podatne na Pierścienie aromatyczne są mniej podatne na reakcje z elektrofilami niŜ alkeny i dlatego reakcje z elektrofilami niŜ alkeny i dlatego
wymagana jest ‘aktywacja’ elektrofila.wymagana jest ‘aktywacja’ elektrofila.
Br
CH2=CH2
Br2
Br2
BrCH2CH2Br
‹#›
RJC
Słaby odczynnik elektrofilowy jakim jest brom BrSłaby odczynnik elektrofilowy jakim jest brom Br22
jest aktywowany przez kwas Lewisa, np. chlorek jest aktywowany przez kwas Lewisa, np. chlorek Ŝelaza (III) FeBrŜelaza (III) FeBr33..
Br + FeBr Br + (FeBr)
BromowanieBromowanie
Br2 + FeBr3 Br + (FeBr4)
Br +Br
-H
‹#›
RJC
ChlorowanieChlorowanie
W podobny sposób następuje aktywacja W podobny sposób następuje aktywacja elektrofilowej cząsteczki chloru Clelektrofilowej cząsteczki chloru Cl22 (dodatek (dodatek
FeClFeCl33).).
Cl + FeCl → Cl + (FeCl)Cl2 + FeCl3 → Cl + (FeCl4)
Cl +Cl
-H
‹#›
RJC
JodowanieJodowanie
Bardzo słaby elektrofil, jakim jest cząsteczka jodu Bardzo słaby elektrofil, jakim jest cząsteczka jodu II22 jest aktywowany przez dodatek soli Cujest aktywowany przez dodatek soli Cu2+2+..
I2 + 2Cu2+ 2I + 2Cu+I2 + 2Cu2+ 2I + 2Cu+
I +I
-H
‹#›
RJC
NitrowanieNitrowanie
Kation nitroniowy NOKation nitroniowy NO22++ jest reaktywnym jest reaktywnym
odczynnikiem elektrofilowym.odczynnikiem elektrofilowym.
HNO + H SO → NO + HSO + H OHNO3 + H2SO4 → NO2 + HSO4 + H2O
NO2 +NO2
-H
‹#›
RJC SulfonowanieSulfonowanie
Dymiący kwas siarkowy (VI) jest źródłem Dymiący kwas siarkowy (VI) jest źródłem reaktywnego odczynnika (SOreaktywnego odczynnika (SO33 lub HSOlub HSO33
++).).
SO + H SO → HSO + HSO
HSO3 ++HO3S
-H
SO3 + H2SO4 → HSO3 + HSO4
‹#›
RJC
Alkilowanie FriedlaAlkilowanie Friedla--CraftsaCraftsa
Aktywacja halogenków alkilowych przy uŜyciu chlorku Aktywacja halogenków alkilowych przy uŜyciu chlorku glinu AlClglinu AlCl33 prowadzi do powstawania reaktywnego prowadzi do powstawania reaktywnego
elektrofila w postaci karbokationu (Relektrofila w postaci karbokationu (R++).).
R-Cl + AlCl3 R + (AlCl4)R-Cl + AlCl3 R + (AlCl4)
R +R
--HH
‹#›
RJC
Ograniczenia i utrudnienia w reakcji alkilowania;Ograniczenia i utrudnienia w reakcji alkilowania;
Nie nadają się halogenki arylowe oraz allilowe.
Ograniczenia w Reakcji Alkilowania Ograniczenia w Reakcji Alkilowania Metodą FriedlaMetodą Friedla--CraftsaCraftsa
allilowe.
Polialkilowanie
Przegrupowania karbokationów
‹#›
RJC Halogenki Allilowe oraz AryloweHalogenki Allilowe oraz Arylowe
...karbokationy pochodzące od halogenków ...karbokationy pochodzące od halogenków arylowych oraz allilowych są stabilizowane arylowych oraz allilowych są stabilizowane
rezonansem elektronowym i dlatego są b. mało rezonansem elektronowym i dlatego są b. mało reaktywnymi elektrofilami.reaktywnymi elektrofilami.reaktywnymi elektrofilami.reaktywnymi elektrofilami.
karbokation allilowy karbokation arylowy
‹#›
RJC
PolialkilowaniaPolialkilowania
W reakcjach FriedlaW reakcjach Friedla--Craftsa moŜliwe są poliCraftsa moŜliwe są poli--alkilowania, poniewaŜ powstający produkt jest alkilowania, poniewaŜ powstający produkt jest
bardziej reaktywny od niepodstawionego bardziej reaktywny od niepodstawionego substratu.substratu.
R +-H
Retc...etc...
R R
R
R
R
‹#›
RJC
Przegrupowania KarbokationówPrzegrupowania Karbokationów
Pierwszorzędowy karbokation ulega Pierwszorzędowy karbokation ulega przegrupowaniu do innego karbokationu o wyŜszej przegrupowaniu do innego karbokationu o wyŜszej
rzędowości (migracja protonu).rzędowości (migracja protonu).
CH3CH2CH2Cl CH3CH2CH2
CH3CHCH3
‹#›
RJC Acylowanie FriedlaAcylowanie Friedla--CraftsaCraftsa
Aktywacja chlorku kwasowego przy uŜyciu AlClAktywacja chlorku kwasowego przy uŜyciu AlCl33prowadzi do powstawania jonu acyliowego, który prowadzi do powstawania jonu acyliowego, który
jest aktywnym elektrofilem.jest aktywnym elektrofilem.
RCOCl + AlCl3 → RCO + (AlCl4)RCOCl + AlCl3 → RCO + (AlCl4)
RC RC
--HH OO
++
‹#›
RJC Wpływ Podstawników na Aromatyczne Wpływ Podstawników na Aromatyczne Substytucje Elektrofilowe Substytucje Elektrofilowe
Podstawniki obecne w pierścieniu aromatycznym Podstawniki obecne w pierścieniu aromatycznym działają jako grupy elektronodziałają jako grupy elektrono--donorowe lub donorowe lub
elektronoelektrono--akceptorowe.akceptorowe.
GG GGGG GG
wpływ elektrono-donorowy wpływ elektrono-akceptorowy
‹#›
RJC Podstawniki (Grupy) ElektronoPodstawniki (Grupy) Elektrono--DonoroweDonorowe
Zwiększają gęstość elektronową, czyli aktywują Zwiększają gęstość elektronową, czyli aktywują pierścień aromatyczny pierścień aromatyczny
δ+
Gδ+
δ-
δ-
δ-
wzrost gęstości elektronowej
‹#›
RJC
Diagram Energetyczny ReakcjiDiagram Energetyczny Reakcji
ObniŜenie wartości ObniŜenie wartości ∆∆GG‡‡ oznacza wzrost szybkości oznacza wzrost szybkości reakcji.reakcji.
Gδ+
--
energia
postęp reakcji
δ-
δ-
δ-
∆G‡
‹#›
RJC
Struktury RezonansoweStruktury Rezonansowe
... ilustrują fakt delokalizacji zwiększonej gęstości ... ilustrują fakt delokalizacji zwiększonej gęstości elektronowej w obrębie pierścienia elektronowej w obrębie pierścienia
aromatycznego.aromatycznego.
G G G G
‹#›
RJC
Wpływ Kieruj ący Orto & Para Wpływ Kieruj ący Orto & Para
Zwiększona gęstość elektronowa w pozycjach orto Zwiększona gęstość elektronowa w pozycjach orto i para wpływa na dominujący kierunek substytucji.i para wpływa na dominujący kierunek substytucji.
δ+
EE Gδ
δ-
δ-
δ-
EE
E
‹#›
RJC
Podstawniki Aktywuj ące i Kierujące w Podstawniki Aktywuj ące i Kierujące w Pozycje orto & paraPozycje orto & para
anilina fenol
metoksybenzen (anizol) toluen (metylobenzen)
‹#›
RJC
Dystrybucja Produktów Nitowania BenzenuDystrybucja Produktów Nitowania Benzenu
GHNO3/H2SO4
G G GNO2
NO2NO2
Podstawnik (G) Orto Meta Para
CH3 63 3 34
OH 50 0 50
NHAc(NHCOMe) 19 2 79
‹#›
RJC
Podstawniki ElektronoPodstawniki Elektrono--AkceptoroweAkceptorowe
Powodują obniŜenie gęstości elektronowej, czyli Powodują obniŜenie gęstości elektronowej, czyli dezaktywację pierścienia aromatycznego.dezaktywację pierścienia aromatycznego.
δ-
obniŜenie gęstości elektronowej
Gδ-
δ+
δ+
δ+
‹#›
RJC
Diagram Energetyczny ReakcjiDiagram Energetyczny Reakcji
Wzrost wartości Wzrost wartości ∆∆GG‡ ‡ oznacza zmniejszenie oznacza zmniejszenie szybkości reakcji.szybkości reakcji.
G
δ+
δ-
δ+
energia
postęp reakcji
∆G‡
δδ
δ+
‹#›
RJC
Struktury RezonansoweStruktury Rezonansowe
...ilustrują delokalizację obniŜonej gęstości ...ilustrują delokalizację obniŜonej gęstości elektronowej w pierścieniu aromatycznym.elektronowej w pierścieniu aromatycznym.
G G G G
‹#›
RJC
Wpływ Kieruj ący MetaWpływ Kieruj ący Meta
ObniŜenie gęstości elektronowej w pozycjach orto ObniŜenie gęstości elektronowej w pozycjach orto i para powoduje, Ŝe podstawienie elektrofilowe i para powoduje, Ŝe podstawienie elektrofilowe
zachodzi głównie w pozycji meta.zachodzi głównie w pozycji meta.
δ-
E
G
δ+
δ-
δ+
δ+E
‹#›
RJC Podstawniki Kieruj ące w Pozycję meta; Podstawniki Kieruj ące w Pozycję meta; Podstawniki DezaktywującePodstawniki Dezaktywujące
nitrobenzen kwas benzenosulfonowy
kwas benzoesowyacetofenon
‹#›
RJC
Dystrybucja Produktów NitrowaniaDystrybucja Produktów Nitrowania
GHNO3/H2SO4
G G GNO2
NO2NO2
Podstawnik (G) Orto Meta Para
NO2 7 91 2
CO2H 22 77 1
CN 17 81 2
COCH3 26 72 3
CHO 19 72 9
‹#›
RJC
Atomy Fluorowców : Przypadek SzczególnyAtomy Fluorowców : Przypadek Szczególny
...atomy X (F, Cl, Br, I), które są elektrono...atomy X (F, Cl, Br, I), które są elektrono--akceptorowe i dezaktywujące, kierują nowe grupy akceptorowe i dezaktywujące, kierują nowe grupy
w pozycje orto & para. W tym przypadku w pozycje orto & para. W tym przypadku konkurują dwa przeciwstawne efekty;konkurują dwa przeciwstawne efekty;
dodatni efekt rezonansowy
ujemny efekt indukcyjny
‹#›
RJC (+) Efekt Rezonansowy (+) Efekt Rezonansowy (wpływ kieruj ący orto & para)(wpływ kieruj ący orto & para)
...powoduje on korzystne ulokowanie (wzrost) ...powoduje on korzystne ulokowanie (wzrost) gęstości elektronowej w pozycjach orto & para.gęstości elektronowej w pozycjach orto & para.
δ+
EE••••
Cl
δ-
δ-
δ-
EE
E
••••••••
••••
‹#›
RJC
((--) Efekt Indukcyjny (dezaktywuj ący)) Efekt Indukcyjny (dezaktywuj ący)
DuŜa elektroujemność atomów typu X (F, Cl, Br, DuŜa elektroujemność atomów typu X (F, Cl, Br, I) powoduje sumarycznie obniŜenie gęstości I) powoduje sumarycznie obniŜenie gęstości elektronowej w pierścieniu aromatycznym.elektronowej w pierścieniu aromatycznym.
δ+
δ-Cl
‹#›
RJC
Dystrybucja Produktów NitrowaniaDystrybucja Produktów Nitrowania
G G GNO2
NO2NO2
GHNO3/H2SO4
Podstawnik (G) Orto Meta Para
F 13 1 86
Cl 35 1 64
Br 43 1 56
I 45 1 54
‹#›
RJC Planowanie Syntezy... Przykład # 1Planowanie Syntezy... Przykład # 1
...odpowiedni dobór podstawników umoŜliwia kontrolę ...odpowiedni dobór podstawników umoŜliwia kontrolę reaktywności oraz regiochemii reakcji podstawienia...reaktywności oraz regiochemii reakcji podstawienia...
NH2 NHAc NHAc
NO2
NH2
NO2
Ac2O HNO3
H2SO4
H2SO4
‹#›
RJC
Planowanie Syntezy... Przykład # 2Planowanie Syntezy... Przykład # 2
Synteza kwasu pSynteza kwasu p--aminobenzoesowegoaminobenzoesowego
CH3 CH3 CO2H
NO2
CO2H
NH2
O2HNO3
H2SO4
Zn/HCl
NO2
‹#›
RJC
Planowanie Syntezy... Przykład # 3Planowanie Syntezy... Przykład # 3
Synteza anastetyków (benzokaina & novokaina)Synteza anastetyków (benzokaina & novokaina)
N(Et)2 . HCl
CO2H
NH2
CO2Et
NH2NH2
EtOH
benzokaina
N(Et)2OH
OO2
HCl
novokaina
‹#›
RJC
Planowanie Syntezy... Przykład # 4Planowanie Syntezy... Przykład # 4
Synteza analgestyku (paracetamol)Synteza analgestyku (paracetamol)
OH OAc OAc OAcOH OAc OAc
NH2
OAc
NHAc
1. Ac2O
2. HNO3/H2SO4
Zn/HCl
NO2
AcOH/H2O
‹#›
RJC
PodsumowaniePodsumowanie
Aromatyczna substytucja elektrofilowaStabilizacja rezonansowa
Elektrofilowe bromowanie, chlorowanie, jodowanie, nitrowanie oraz sulfonowanieAlkilowanie i acylowanie Friedla-Craftsa
Podstawniki elektrono-donorowe i elektrono-Podstawniki elektrono-donorowe i elektrono-akceptorowe
Wpływ kierujący o & p, podstawniki aktywujące i dezaktywujące
Wpływ kierujący m, podstawniki dezaktywującePlanowanie syntezy organicznej