Substytucja elektrofilowa

‹#›

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