1

RJC

Aromatyczne

Aromatyczne

Substytucje Elektrofilowe

Substytucje Elektrofilowe

Aromatyczne

Aromatyczne

Substytucje Elektrofilowe

Substytucje Elektrofilowe

Slides 1 to 41

E

H

E

+

E

-H

2

RJC

Aromatyczne

Aromatyczne

Addycje Elektrofilowe

Addycje Elektrofilowe

...do pierścienia aromatycznego

...do pierścienia aromatycznego

przerywa sprzężenie elektronów

przerywa sprzężenie elektronów





i

i

powoduje utratę stabilizacji poprzez

powoduje utratę stabilizacji poprzez

rezonans.

rezonans.

E

X

+

X

E

3

RJC

Aromatyczna Substytucja

Aromatyczna Substytucja

Eltrofilowa

Eltrofilowa

...nie zakłóca aromatycznego

...nie zakłóca aromatycznego

charakteru cząsteczki (jej

charakteru cząsteczki (jej

aromatyczności).

aromatyczności).

E

+

E

-H

4

RJC

E

H

Mechanizm Substytucji

Mechanizm Substytucji

Elektrofilowej

Elektrofilowej

Addycja cząsteczki elektrofila (E

Addycja cząsteczki elektrofila (E

+

+

)

)

prowadzi do powstania karbokationu,

prowadzi do powstania karbokationu,

który następnie eliminuje H

który następnie eliminuje H

+

+

co

co

powoduje, że główny pierścień

powoduje, że główny pierścień

odzyskuje charakter aromatyczny.

odzyskuje charakter aromatyczny.

E

+

E

-H

5

RJC

Diagram Energetyczny Reakcji

Diagram Energetyczny Reakcji

Aromatyczna substytucja elektrofilowa

Aromatyczna substytucja elektrofilowa

jest procesem dwuetapowym; na profilu

jest procesem dwuetapowym; na profilu

energii występuje więc minimum.

energii występuje więc minimum.

Energia

Postęp reakcji

E

E

H

6

RJC

Diagram Energetyczny Reakcji

Diagram Energetyczny Reakcji

Szybkość całej reakcji jest określona

Szybkość całej reakcji jest określona

przez energię swobodną

przez energię swobodną





G

G

‡

‡

pierwszego (first step).

pierwszego (first step).

Energia

Postęp reakcji

G

‡

7

RJC

Odczynniki Elektrofilowe

Odczynniki Elektrofilowe

(Elektrofile)

(Elektrofile)

Pierścienie aromatyczne są mniej

Pierścienie aromatyczne są mniej

podatne na reakcje z elektrofilami niż

podatne na reakcje z elektrofilami niż

alkeny i dlatego wymagana jest

alkeny i dlatego wymagana jest

‘aktywacja’ elektrofila.

‘aktywacja’ elektrofila.

CH

2

=CH

2

Br

2

Br

2

Br

CH

2

CH

2

Br

8

RJC

Słaby odczynnik elektrofilowy jakim jest brom Br

Słaby odczynnik elektrofilowy jakim jest brom Br

2

2

jest

jest

aktywowany przez kwas Lewisa, np. chlorek żelaza (III) FeBr

aktywowany przez kwas Lewisa, np. chlorek żelaza (III) FeBr

3

3

.

.

Br

2

+

FeBr

3

Br

+ (FeBr

4

)

Bromowanie

Bromowanie

Br

+

Br

-H

9

RJC

Chlorowanie

Chlorowanie

W podobny sposób następuje aktywacja

W podobny sposób następuje aktywacja

elektrofilowej cząsteczki chloru Cl

elektrofilowej cząsteczki chloru Cl

2

2

(dodatek FeCl

(dodatek FeCl

3

3

).

).

Cl

2

+

FeCl

3



Cl

+ (FeCl

4

)

Cl

+

Cl

-H

10

RJC

Jodowanie

Jodowanie

Bardzo słaby elektrofil jakim jest

Bardzo słaby elektrofil jakim jest

cząsteczka jodu I

cząsteczka jodu I

2

2

jest aktywowany

jest aktywowany

przez dodatek soli Cu

przez dodatek soli Cu

2+

2+

.

.

I

2

+ 2Cu

2+

2

I

+ 2Cu

+

I

+

I

-H

11

RJC

Nitrowanie

Nitrowanie

Kation nitroniowy NO

Kation nitroniowy NO

2

2

+

+

jest

jest

reaktywnym odczynnikiem

reaktywnym odczynnikiem

elektrofilowym.

elektrofilowym.

HNO

3

+ H

2

SO

4



NO

2

+ HSO

4

+

H

2

O

NO

2

+

NO

2

-H

12

RJC

Sulfonowanie

Sulfonowanie

Dymiący kwas siarkowy (VI) jest

Dymiący kwas siarkowy (VI) jest

źródłem reaktywnego odczynnika (SO

źródłem reaktywnego odczynnika (SO

3

3

lub HSO

lub HSO

3

3

+

+

).

).

HSO

3

+

+

HO

3

S

-H

SO

3

+ H

2

SO

4



HSO

3

+ HSO

4

13

RJC

Alkilowanie Friedla-Craftsa

Alkilowanie Friedla-Craftsa

Aktywacja halogenków alkilowych przy

Aktywacja halogenków alkilowych przy

użyciu chlorku glinu AlCl

użyciu chlorku glinu AlCl

3

3

prowadzi do

prowadzi do

powstawania reaktywnego elektrofila w

powstawania reaktywnego elektrofila w

postaci karbokationu (R

postaci karbokationu (R

+

+

).

).

R-Cl

+

AlCl

3



R

+

(AlCl

4

)

R

+

R

-H

-H

14

RJC

Ograniczenia i utrudnienia w reakcji

Ograniczenia i utrudnienia w reakcji

alkilowania;

alkilowania;

Nie nadają się halogenki arylowe oraz

allilowe.

Polialkilowanie

Przegrupowania karbokationów

Ograniczenia w Reakcji

Ograniczenia w Reakcji

Alkilowania Metodą Friedla-

Alkilowania Metodą Friedla-

Craftsa

Craftsa

15

RJC

Halogenki Allilowe oraz Arylowe

Halogenki Allilowe oraz Arylowe

...karbokationy pochodzące od

...karbokationy pochodzące od

halogenków arylowych oraz allilowych

halogenków arylowych oraz allilowych

są stabilizowane rezonansem

są stabilizowane rezonansem

elektronowym i dlatego są b. mało

elektronowym i dlatego są b. mało

reaktywnymi elektrofilami.

reaktywnymi elektrofilami.

karbokation allilowy

karbokation allilowy

karbokation

arylowy

karbokation

arylowy

16

RJC

Polialkilowania

Polialkilowania

W reakcjach Friedla-Craftsa możliwe są

W reakcjach Friedla-Craftsa możliwe są

poli-alkilowania, ponieważ powstający

poli-alkilowania, ponieważ powstający

produkt jest bardziej reaktywny od nie

produkt jest bardziej reaktywny od nie

podstawionego substratu.

podstawionego substratu.

R

+

-H

R

etc...

etc...

R

R

R

R

R

17

RJC

Przegrupowania Karbokationów

Przegrupowania Karbokationów

Pierwszorzędowy karbokation ulega

Pierwszorzędowy karbokation ulega

przegrupowaniu do innego

przegrupowaniu do innego

karbokationu o wyższej rzędowości

karbokationu o wyższej rzędowości

(migracja protonu).

(migracja protonu).

CH

3

CH

2

CH

2

Cl

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CHCH

3

18

RJC

Acylowanie Friedla-Craftsa

Acylowanie Friedla-Craftsa

Aktywacja chlorku kwasowego przy

Aktywacja chlorku kwasowego przy

użyciu AlCl

użyciu AlCl

3

3

prowadzi do powstawania

prowadzi do powstawania

jonu acyliowego, który jest aktywnym

jonu acyliowego, który jest aktywnym

elektrofilem.

elektrofilem.

RCOCl

+

AlCl

3



RCO

+

(AlCl

4

)

RC

RC

-H

-H

O

O

+

+

19

RJC

Wpływ Podstawników na

Wpływ Podstawników na

Aromatyczne Substytucje

Aromatyczne Substytucje

Elektrofilowe

Elektrofilowe

Podstawniki obecne w pierścieniu

Podstawniki obecne w pierścieniu

aromatycznym działają jako grupy

aromatycznym działają jako grupy

elektrono-donorowe lub elektrono-

elektrono-donorowe lub elektrono-

akceptorowe.

akceptorowe.

G

G

G

G

wpływ elektrono-

donorowy

wpływ elektrono-

donorowy

wpływ elektrono-

akceptorowy

wpływ elektrono-

akceptorowy

20

RJC

Podstawniki (Grupy) Elektrono-

Podstawniki (Grupy) Elektrono-

Donorowe

Donorowe

Zwiększają gęstość elektronową, czyli

Zwiększają gęstość elektronową, czyli

aktywują pierścień aromatyczny

aktywują pierścień aromatyczny

G



+



-



-



-

wzrost gęstości elektronowej

wzrost gęstości elektronowej

21

RJC

Diagram Energetyczny

Diagram Energetyczny

Reakcji

Reakcji

Obniżenie wartości

Obniżenie wartości





G

G

‡

‡

oznacza wzrost

oznacza wzrost

szybkości reakcji.

szybkości reakcji.

energia

postęp reakcji

G



+



-



-



-

G

‡

22

RJC

Struktury Rezonansowe

Struktury Rezonansowe

... ilustrują fakt delokalizacji

... ilustrują fakt delokalizacji

zwiększonej gęstości elektronowej w

zwiększonej gęstości elektronowej w

obrębie pierścienia aromatycznego.

obrębie pierścienia aromatycznego.

G

G

G

G

23

RJC

Wpływ Kierujący Orto & Para

Wpływ Kierujący Orto & Para

Zwiększona gęstość elektronowa w

Zwiększona gęstość elektronowa w

pozycjach orto i para wpływa na

pozycjach orto i para wpływa na

dominujący kierunek substytucji.

dominujący kierunek substytucji.

G



+



-



-



-

E

E

E

24

RJC

Podstawniki Aktywujące i

Podstawniki Aktywujące i

Kierujące w Pozycje orto & para

Kierujące w Pozycje orto & para

anilina

anilina

fenol

fenol

metoksybenzen (anizol)

metoksybenzen (anizol)

toluen

(metylobenzen)

toluen

(metylobenzen)

25

RJC

Dystrybucja Produktów Nitowania

Dystrybucja Produktów Nitowania

Benzenu

Benzenu

Podstawnik (G) Orto Meta Para

CH

3

63

3

34

OH

50

0

50

NHAc(NHCOMe) 19

2

79

G

H

NO

3

/H

2

SO

4

G

G

G

NO

2

NO

2

NO

2

26

RJC

Podstawniki Elektrono-

Podstawniki Elektrono-

Akceptorowe

Akceptorowe

Powodują obniżenie gęstości

Powodują obniżenie gęstości

elektronowej, czyli dezaktywację,

elektronowej, czyli dezaktywację,

pierścienia aromatycznego.

pierścienia aromatycznego.

obniżenie gęstości elektronowej

obniżenie gęstości elektronowej

G



-



+



+



+

27

RJC

Diagram Energetyczny Reakcji

Diagram Energetyczny Reakcji

Wzrost wartości

Wzrost wartości





G

G

‡

‡

oznacza

oznacza

zmniejszenie szybkości reakcji.

zmniejszenie szybkości reakcji.

energia

postęp reakcji

G

‡

G



+



-



+



+

28

RJC

Struktury Rezonansowe

Struktury Rezonansowe

...ilustrują delokalizację obniżonej

...ilustrują delokalizację obniżonej

gęstości elektronowej w pierścieniu

gęstości elektronowej w pierścieniu

aromatycznym.

aromatycznym.

G

G

G

G

29

RJC

Wpływ Kierujący Meta

Wpływ Kierujący Meta

Obniżenie gęstości elektronowej w

Obniżenie gęstości elektronowej w

pozycjach orto i para powoduje, że

pozycjach orto i para powoduje, że

podstawienie elektrofilowe zachodzi

podstawienie elektrofilowe zachodzi

głównie w pozycji meta.

głównie w pozycji meta.

E

G



+



-



+



+

E

30

RJC

Podstawniki Kierujące w Pozycję

Podstawniki Kierujące w Pozycję

meta; Podstawniki

meta; Podstawniki

Dezaktywujące

Dezaktywujące

nitrobenzen

nitrobenzen

kwas benzenosulfonowy

kwas benzenosulfonowy

kwas benzoesowy

kwas benzoesowy

acetofenon

acetofenon

31

RJC

Podstawnik (G)

Orto Meta Para

Dystrybucja Produktów

Dystrybucja Produktów

Nitrowania

Nitrowania

NO

2

7

91

2

CO

2

H

22

77

1

CN

17

81

2

COCH

3

26

72

3

CHO

19

72

9

G

H

NO

3

/H

2

SO

4

G

G

G

NO

2

NO

2

NO

2

32

RJC

Atomy Fluorowców : Przypadek

Atomy Fluorowców : Przypadek

Szczególny

Szczególny

...atomy X (F, Cl, Br, I), które są

...atomy X (F, Cl, Br, I), które są

elektrono-akceptorowe i dezaktywujące,

elektrono-akceptorowe i dezaktywujące,

kierują nowe grupy w pozycje orto &

kierują nowe grupy w pozycje orto &

para. W tym przypadku konkurują dwa,

para. W tym przypadku konkurują dwa,

przeciwstawne efekty;

przeciwstawne efekty;

dodatni efekt rezonansowy

ujemny efekt indukcyjny

33

RJC

(+) Efekt Rezonansowy

(+) Efekt Rezonansowy

(wpływ kierujący orto & para)

(wpływ kierujący orto & para)

...powoduje on korzystne ulokowanie

...powoduje on korzystne ulokowanie

(wzrost) gęstości elektronowej w

(wzrost) gęstości elektronowej w

pozycjach orto & para.

pozycjach orto & para.

Cl



+



-



-



-

E

E

E

••

••

•

•

•

•

•

•

•

•

34

RJC

(-) Efekt Indukcyjny

(-) Efekt Indukcyjny

(dezaktywujący)

(dezaktywujący)

Duża elektroujemność atomów typu X

Duża elektroujemność atomów typu X

(F, Cl, Br, I) powoduje sumarycznie

(F, Cl, Br, I) powoduje sumarycznie

obniżenie gęstości elektronowej w

obniżenie gęstości elektronowej w

pierścieniu aromatycznym.

pierścieniu aromatycznym.



+



-

Cl

35

RJC

Dystrybucja Produktów

Dystrybucja Produktów

Nitrowania

Nitrowania

Podstawnik (G)

Orto Meta

Para

F

13

1

86

Cl

35

1

64

Br

43

1

56

I

45

1

54

G

G

G

NO

2

NO

2

NO

2

G

H

NO

3

/H

2

SO

4

36

RJC

Planowanie Syntezy...Przykład # 1

Planowanie Syntezy...Przykład # 1

...odpowiedni dobór podstawników

...odpowiedni dobór podstawników

umożliwia kontrolę reaktywności oraz

umożliwia kontrolę reaktywności oraz

regiochemii reakcji podstawienia...

regiochemii reakcji podstawienia...

NH

2

NH

Ac

NH

Ac

NO

2

NH

2

NO

2

Ac

2

O

HNO

3

H

2

SO

4

H

2

SO

4

37

RJC

Planowanie Syntezy...Przykład #

Planowanie Syntezy...Przykład #

3

3

Synteza kwasu p-aminobenzoesowego

Synteza kwasu p-aminobenzoesowego

CH

3

CH

3

CO

2

H

NO

2

CO

2

H

NH

2

O

2

HNO

3

H

2

SO

4

Zn/HCl

NO

2

38

RJC

Planowanie Syntezy...Przykład #

Planowanie Syntezy...Przykład #

3

3

Synteza anastetyków (benzokaina &

Synteza anastetyków (benzokaina &

novokaina)

novokaina)

CO

2

H

NH

2

CO

2

Et

NH

2

NH

2

EtOH

benzokaina

N(Et)

2

OH

O

O

N(Et)

2

. HCl

HCl

novokaina

39

RJC

Planowanie Syntezy...Przykład #

Planowanie Syntezy...Przykład #

4

4

Synteza analgestyku (paracetamol)

Synteza analgestyku (paracetamol)

OH

OAc

OAc

NH

2

OAc

NH

Ac

1. Ac

2

O

2. HNO

3

/H

2

SO

4

Zn/HCl

NO

2

AcOH/H

2

O

40

RJC

Podsumowanie

Podsumowanie

Aromatyczna substytucja elektrofilowa

Stabilizacja rezonansowa

Elektrofilowe bromowanie, chlorowanie,

jodowanie, nitrowanie oraz sulfonowanie

Alkilowanie i acylowanie Friedla-Craftsa

Podstawniki elektrono-donorowe i

elektrono-akceptorowe

Wpływ kierujący o & p, podstawniki

aktywujące i dezaktywujące

Wpływ kierujący m, podstawniki

dezaktywujące

Planowanie syntezy organicznej

Aromatyczna substytucja elektrofilowa

Stabilizacja rezonansowa

Elektrofilowe bromowanie, chlorowanie,

jodowanie, nitrowanie oraz sulfonowanie

Alkilowanie i acylowanie Friedla-Craftsa

Podstawniki elektrono-donorowe i

elektrono-akceptorowe

Wpływ kierujący o & p, podstawniki

aktywujące i dezaktywujące

Wpływ kierujący m, podstawniki

dezaktywujące

Planowanie syntezy organicznej