1
Acylowanie i benzoilowanie
1. Acylowanie katalityczne i bezkatalityczne:
a. Zabezpieczanie grup –NH2 i –OH
i. Ochrona grupy aminowej przez acylowanie
Silna aktywacja aromatycznego pierścienia przez grupę aminową nie pozwala w pełni
kontrolowad przebiegu substytucji elektrofilowej. Dla przykładu: nitrowanie aniliny jest
utrudnione z powodu wrażliwości amin na utlenianie przez kwas azotowy a bromowanie
biegnie aż do wprowadzenia trzech atomów bromu. Reaktywnośd aromatycznych amin
maleje w wyniku acylowania. Acetanilid ulega nitrowaniu i bromowaniu bez niepożądanych
produktów.
Wykorzystanie ochronnego działania grupy acylowej wymaga jednak dodatkowych
reakcji; dla przykładu: synteza p–nitroaniliny z aniliny wymaga trzech etapów.
Zabezpieczenie grupy aminowej przy syntezie p–nitroaniliny z aniliny:
O
C
CH
3
N
H
C
H
3
C
O
O
C
O
C
H
3
NH
2
O
C
CH
3
N
H
NO
2
NH
2
NO
2
HNO
3
H
2
SO
4
H
2
O
+
ii. Ochrona grupy –OH
Etery t–butylowe i trietylowe są stosowane do ochrony grupy –OH, jeśli jej obecnośd
przeszkadza w przeprowadzeniu zamierzonej reakcji. Poprzez przekształcenie alkoholu w
eter możliwe jest przeprowadzenie reakcji i następnie regeneracje grupy –OH.
Przykładem jest substytucja deuterem bromu w 3–bromopropan–1–olu. Do
wprowadzenia deuteru wykorzystano reakcję związku magnezoorganicznego z ciężką wodą.
Zabezpieczenie grupy –OH jest w tym przypadku konieczne, ponieważ związku
magnezoorganicznego nie można otrzymad, gdy substratem jest alkohol.
O
Br-CH
2
-CH
2
-CH
2
C CH
3
CH
3
CH
3
Mg
H
+
CH
2
C
C
H
3
C
H
3
Br-CH
2
-CH
2
-CH
2
-OH
O
Mg-Br-CH
2
-CH
2
-CH
2
C CH
3
CH
3
CH
3
O
D-CH
2
-CH
2
-CH
2
C CH
3
CH
3
CH
3
OH
D-CH
2
-CH
2
-CH
2
eteryfikacja
D
2
O
+
2
b. Wprowadzenie grupy acylowej do pierścienia aromatycznego.
Reakcja acylowania polega na wprowadzeniu grupy acylowej do pierścienia
aromatycznego, a produktem substytucji jest keton arylowy. W reakcji czynnikami
arylującymi są halogenki kwasowe lub bezwodniki kwasowe. Katalizatorem jest zwykle
chlorek glinu, a jego zadanie polega na wytworzeniu aktywnego czynnika podstawiającego
/kation acyliowy/.
C
O
X
R
C
R
O
+
R
C
O
X
R
C
+
O
AlX
3
[AlX
4
]
-
+
+
R
C
+
O
R
C
+
O
C
R
O
H
O
C
R
-H
+
+
+
Acylowanie prowadzi się zwykle w rozpuszczalniku, najczęściej zastosowanie ma
dwusiarczek węgla lub nitrobenzen. Ponadto Acylowanie wymaga użycia większej ilości
katalizatora niż alkilowanie, ze względu na usuwanie ze środowiska reakcji katalizatora
wskutek tworzenia kompleksu z powstającym ketonem.
O
C
R
AlCl
3
O
C
R
AlCl
3
kompleks 1:1
+
Reakcję acylowania można łatwo zatrzymad na etapie monopodstawienia, ponieważ
po wprowadzeniu jednej grupy acylowej do pierścienia aromatycznego nie jest już możliwe
wprowadzenie drugiej grupy acylowej do tego samego pierścienia.
2. Środki acylujące i ich synteza.
Kwasy i ich pochodne jako środki arylujące:
C
O
R
X
Gdzie X: - fluorowiec => halogenki kwasowe; -O-CO-R’ =>bezwodniki kwasowe; -OH => kwasy
karboksylowe; -OR’ => estry kwasów karboksylowych.
Przyłączenie reagenta do węgla karbonylowego będzie przebiegało tym szybciej, im
większy będzie ładunek dodatni na atomie węgla:
3
C
O
R
X
Przy zachowaniu stałego podstawnika R wielkośd ładunku dodatniego zależy jedynie
od charakteru podstawnika Z; wraz ze wzrostem elektroujemności podstawnika wzrasta
wielkośd ładunku dodatniego przy karbonylowym atomie węgla.
Wnioski dotyczące elektroujemności poszczególnych podstawników Z wyciągnięto
rozpatrując ich połączenia z wodorem typu Z-H. Im bardziej elektroujemny podstawnik, tym
silniej przyciąga parę elektronową wiązania z wodorem, co ułatwia hetero lityczne
rozerwanie wiązania prowadzące do odczepienia protonu.
H
X
H
+
X
+
Ponieważ w rozpatrywanych związkach kwasowośd rośnie w szeregu: alkohol < woda
< kwas karboksylowy < chlorowodór, więc elektroujemnośd podstawników występujących w
tych związkach powinna wzrastad w szeregu:
Stąd zdolnośd acylująca wzrasta w kolejności: ester < kwas karboksylowy < bezwodnik kwasu
karboksylowego < chlorek kwasu karboksylowego.
Otrzymywanie środków arylujących
a) Kwasy karboksylowe:
Metoda syntezy
Reakcja
Utlenianie alkoholi 1
o
C
OH
O
R
OH
R
KMnO
4
Utlenianie aldehydów
C
OH
O
R
C
H
O
R
[O]
Hydroliza
trichloropochodnych
alkanów
R
CCl
3
C
OH
O
R
H
2
O/H
+
Hydroliza nitryli
R C N
C
NH
2
O
R
C
OH
O
R
H
2
O
H
2
O
Kwasowa hydroliza
amidów
N
R2
R3
C
O
R1
C
OH
O
R1
NH
2
+
R2
R3
H
3
O
+
+
4
Zasadowa
hydroliza amidów
N
R2
R3
C
O
R1
C
O
O
R1
NH
R2
R3
OH
+
Hydroliza estrów
R2
OH
C
O
O
R1
R2
C
OH
O
R1
H
2
O/H
+
+
Karboksylowanie związków
Grignarda
C
R
O
Mg-X
O
R X
R Mg-X
C
OH
O
R
CO
2
eter
HX
Mg
-MgX
2
Karboksylowanie związków
litoorganicznych
C
R
O
Li
O
R X
R Li
C
OH
O
R
-LiX
2Li
-LiX
CO
2
HX
Metoda przemysłowa
C
H
CH
OH
C
2
H
5
C
R
H
O
C
OH
O
R
-H
2
H
2
O/Hg
2+
Cu/D
O
2
/Mn
2+
b) Estry kwasów karboksylowych:
Metoda syntezy
Reakcja
Reakcja estryfikacji
R2 OH
O
C
O
R1
R2
C
OH
O
R1
H
+
+
Alkoholiza halogenków
kwasowych
R2 OH
O
C
O
R1
R2
C
X
O
R1
-HX
+
Alkoholiza bezwodników
kwasowych
R2 OH
O
C
O
R1
R2
C
O
O
R1
C
R1
O
-R1COOH
+
Z ketenów
R2 OH
O
C
O
R2
R
1
-CH
2
C O
C
R1
H
+
Metoda estrów
aktywowanych
Patrz. 1.2.6.
Metoda transestryfikacji
C
O
O
R1
R2
R3
OH
C
O
O
R1
R3
R2
OH
+
+
C
O
O
R1
R2
C
O
O
R1
R3
C
O
OH
R3
C
O
OH
R2
+
+
5
c) Bezwodniki kwasów karboksylowych:
Metoda syntezy
Reakcja
Dehydratacja kwasów
karboksylowych
C
OH
O
R1
C
O
O
R1
C
O
R2
C
O
R2
O
H
- H
2
O
+
Acylowanie soli kw.
karboksylowych
C
ONa
O
R1
C
O
O
R1
C
O
R2
C
O
R2
Cl
- NaCl
+
Z ketenu
O
C
O
C
H
3
O CH
3
C O
C
H
H
O
C
O
CH
3
C
H
3
+
Za pomocą DCC
1
Odwodnienie kwasów za pomocą DCC:
O
C
N
N
H
C
O
CH
3
C
H
3
C
O
OH
N
C
N
H
H
H
H
+
C
H
3
C
O
OH
O
C
N
N
C
O
CH
3
H
O
C
O
CH
3
C
O
C
CH
3
O
N
N
H
H
H
H
H
H
+
C
N
N
O
H
H
C
O
O
C
O
CH
3
CH
3
O
C
O
CH
3
C
O
C
CH
3
O
N
H
N
H
H
T
H
H
H
+
d) chlorki kwasów karboksylowych:
Chlorki kwasów karboksylowych otrzymuje się z kwasów karboksylowych w wyniku
działania jednego z n/w. odczynników:
1
reakcja odwodnienia kwasów za pomocą dicykloheksylokarbodiimidu (DCC).
6
Metoda syntezy
reakcja
z PBr
5
(PCl
5
)
C
O
O
R
C
Br
O
R
HBr
PBr
5
POBr
3
+
+
z PBr
3
(PCl
3
)
C
O
O
R
C
Br
O
R
HBr
PBr
3
POBr
+
+
z SOCl
2
C
O
O
R
C
Cl
O
R
SOCl
2
SO
2
Cl
H
+
+
z COCl
2
C
O
O
R
C
Cl
O
R
HCl
COCl
2
CO
2
+
+
3. Acylowanie pierścieni aromatycznych – przykłady i mechanizm.
W reakcji Friedla – Craftsa można otrzymad acetofenon:
C
O
R
C
X
O
R
AlX
3
+
Mechanizm otrzymywania acetofenonu oparty jest na substytucji elektrofilowe katalizowanej
kwasami Lewisa – substancjami posiadającymi deficyt elektronów.
R
C
O
X
C
+
O
R
AlX
3
[AlX
4
]
-
+
+
C
O
R
C
+
O
R
R
C
+
O
- kompleks
C
C
R
O
H
- kompleks
+
-H
+
+
4. Wpływ skierowujący grupy acylowej i acetaminowej w związkach aromatycznych
G
RUPA ACYLOWA
Podstawnik II rodzaju
Grupa
dezaktywująca
pierścieo
aromatyczny; kieruje w pozycje meta
poprzez efekt indukcyjny
Zdolnośd
wyciągania
gęstości
elektronowej z pierścienia; zmniejszenie
reaktywności
wobec
czynników
elektrofilowych
.
G
RUPA ACETAMINOWA
Podstawnik I rodzaju
Grupa
aktywująca
pierścieo
aromatyczny; kieruje w pozycje orto i
para poprzez efekt rezonansowy.
W amidach działanie aktywujące słabsze
niż w aminach (pozycja para)
7
5. Porównanie wpływu skierowującego grupy aminowej i acetaminowej w reakcjach
podstawienia.
G
RUPA AMINOWA
Podstawnik I rodzaju
Grupa
aktywująca
pierścieo
aromatyczny; kieruje w pozycje orto i
para poprzez efekt rezonansowy
G
RUPA ACETAMINOWA
Podstawnik I rodzaju
Grupa
aktywująca
pierścieo
aromatyczny; kieruje w pozycje i para
poprzez efekt rezonansowy; działanie
aktywujące słabsze niż w aminach.
6. Acylowanie alkoholi, amoniaku, amin, kwasów karboksylowych, związków
metaloorganicznych. Przykłady i mechanizm
W zależności od atomu atakującego grupę acylową wyróżnid można:
O – acylowanie prowadzące do powstania estrów lub bezwodników kwasowych:
C
X
O
R1
R2
OH
C
O
R2
O
R1
X H
+
+
O
C
O
+
H
R
R
X
C
O
R
O
R
R
C
X
O
O R
H
-HX
a) Acylowanie alkoholi i fenoli – otrzymywanie kwasu acetylosalicylowego:
C
X
O
CH
3
C
O
OH
OH
O
C
O
C
OH
O
CH
3
+
b) Acylowanie soli kwasów karboksylowych – otrzymywanie bezwodnika octowego:
C
O
Na
O
CH
3
C
X
O
CH
3
C
H
3
C
O
O
C
O
C
H
3
-NaX
+
2
8
N –acylowanie prowadzące do powstania amidów:
R
C
X
O
N
R
H
H
O
C
N
+
H
R
H
R
X
C
N
R
H
O
R
-HX
c) Acylowanie amin aromatycznych – otrzymywanie acetanilidu:
C
H
3
C
O
O
C
O
C
H
3
NH
2
N
H
C
O
CH
3
+
d) Acylowanie amoniaku – otrzymywanie amidów:
NH
3
C
O
X
CH
3
C
NH
2
O
CH
3
-HX
+
C – acylowanie prowadzące do powstania ketonów:
e) Acylowanie benzenu – otrzymywanie acetofenonu:
C
O
CH
3
C
X
O
C
H
3
AlX
3
+
Acylowanie związków metaloorganicznych – otrzymywanie ketonów:
C
X
O
R1
R2
Mg X
X C
R1
R2
O Mg X
C
O
R2
R1
MgX
2
+
+
7. Reakcje benzoilowania Schottena – Baumana.
Alkoholizę chlorków kwasowych w wodzie, w obecności NaOH nazywa się reakcją
Schottena-Baumanna. Wymaga ona silnego mieszania lub wytrząsania, ponieważ chlorki
kwasowe, podobnie jak bezwodniki są nierozpuszczalne w wodzie.
Reakcja Schottena-Baumanna wykorzystywana jest zarówno laboratoryjne jak
i w przemyśle. Przykładem praktycznego zastosowania amonolizy chlorku kwasowego może
byd synteza benzanilidu.
9
8. Acetanilid – właściwości kwasowe i zasadowe.
Amidy kwasowe reagują zarówno z kwasami jak i z zasadami, są więc amfolitami.
Ich charakter amfolityczny jest spowodowany występowaniem tautomerii amidowo –
imidowej, polegającej na wędrówce protonu między grupą aminową i karbonylową. Forma
amidowa tworzy połączenia z kwasami dzięki obecności wolnej pary elektronowej na atomie
azotu grupy NH
2
, forma imidowa może reagowad z zasadami odszczepiając proton z grupy
hydroksylowej.
forma amidowa
forma imidowa
Acetanilid, będący II – rzędowym amidem kwasu octowego wykazuje wspomnianą wyżej
tautomerię:
C
N
OH
R
C
N
H
O
R
forma amidowa
forma imidowa
C
O
Na
O
C
H
3
C
N
H
O
CH
3
NH
2
NaOH
+
+
C
O
Na
O
C
H
3
C
N
H
O
CH
3
NH
3
+
Cl
HCl/H
2
O
+
+