KAPITL 16. KJMI TIL BZ: LKTRFIL ARMATISK SUBSTITUSJ.
1. BRMRIG AV ARMATISK RIGR T127 Kjennetegn ved elektrofile aromatiske substitusjonsreaksjoner. π-elektronene er årsak til at aromatiske ringer er nukleofiler. Aromatiske ringer er mindre reaktive mot elektrofiler enn alkener. n katalysator er nødvendig for å gjøre det reagerende molekylet mer elektrofilt. Mekanisme for bromering. 2 danner et kompleks med Fe 3. Den polariserte elektrofilen angripes av π-elektroner i ringen i et langsomt hastighetsbestemmende trinn. Kationet som er intermediat er dobbelt allylisk, men mye mindre stabilt enn aromaten som er utgangsstoff. Karbokationintermediat taper fra det karbonatomet som er bundet til brom for å gjendanne den aromatiske ringen. ppgave 16.1 Monobromering av toluen gir en blanding av tre bromtoluen produkt. Tegn de og gi de navn. Fe 3 2 2-bromtoluen 3-bromtoluen 4-bromtoluen 2. ADR ARMATISK SUBSTITUSJR Aromatisk klorering og jodering Klor reagerer ved tilstedeværelse av Fe 3 og gir klorinerte ringer. Jodering skjer ved tilstedeværelse av et oksidasjonsmiddel. Fluor er for reaktiv til at den er nytting. Aromatisk nitrering. n blanding av 3 og 2S 4 benyttes for nitrering. Den reaktive elektrofilen er 2. Produktene fra nitrering kan reduseres med Fe eller Sn 2 og gi arylaminer. Aromatisk sulfonering Ringer kan sulfoneres med en blanding av S 3 og 2S 4 for å gi sulfonsyrer. Den reaktive elektrofilen er enten S 3 eller S 3 Sulfonering er en reversibel reaksjon. Sulfonsyrer kan varmes med a for å gi fenoler. ppgave 16.2 vor mange produkt forventer du ved klorering av o-xylen (dimetylbenzen), m-xylen og p-xylen? a b b a Fe 3, 2 Klorering i posisjon a gir 1-klor-2,3-dimetylbenzen, klorering i posisjon b gir 1-klor-3,4- dimetylbenzen 2
a c Fe 3, 2 b a A B C Ved klorering av m-dimetylbenzen kunne man forvente tre forskjellige produkt. Det er lite sannsynlig at det dannes noe særlig av C. Substitusjon skjer sjelden mellom to substituenter som står i meta posisjon. Det danne også lite av B fordi en metylgruppe er orto, para dirigerende. Fe 3, 2 Kun et produkt dannes ved monoklorering av 1,4-dimetylbenzen fordi alle seter for substitusjon er ekvivalente. ppgave 16.3 vordan vil du forklare det faktum at deuterium vil erstatte alle seks hydrogen i den aromatiske ringen når benzen behandles med D 2S 4. D D D Benzen kan protoneres med en sterk syre. Det resulterende intermediat kan enten miste et deuterium eller et hydrogen. Dersom tapes er benzen med deuterium produktet. Angrep av D kan skje i alle posisjoner i ringen og leder eventuelt til at alle hydrogen i ringen erstattes med deuterium. 3. ALKYLRIG AV ARMATISK RIGR: FRIDL-CRAFT RAKSJ Friedel-Craft reaksjonen introduserer en alkylgruppe inn i en aromatisk ring. t alkylklorid pluss Al 3 danner et elektrofilt karbokation. Det er flere begrensninger på Friedel-Craft reaksjoner. Kun haloalkaner, ikke aryliske eller vinyliske halogenider kan ikke benyttes i Friedel-Crafts reaksjoner. Fridel-Craft reaksjoner kan ikke utføres på ringer som har aminosubstituenter eller deaktiverende grupper. Polyalkylering vil ofte observeres. mleiring av alkyl karbokation skjer ofte. mleiring skjer ved hydridshift eller ved alkylshift. ppgave 16.4 vilke av følgende haloalkaner vil du forvente at undergå Friedel-Craft reaksjon uten omleiring? Forklar. mleiring av karbokation kan skje dersom karbokation er primært eller sekundært og dersom det er mulig for karbokationet å omleires til et mer stabilt sekundært eller tertiært karbokation. a. C 3C 2 3
Selv om C 3C 2 er et primært karbokation kan det ikke omleires til et mer stabilt karbokation. b. C 3C 2CC 3 Molekylet danner et sekundært karbokation som ikke omleires. a. C 3C 2C 2 C 3C 2C 2 er et primært karbokation kan omleires til et mer stabilt sekundært karbokation. C 3C C 3 b. (C 3) 3CC 2 (C 3) 3CC 2 undergår alkylshift for å gi (C 3) 2C C 2C 3 c. Klorsykloheksan. Sykloheksyl karbokationet omleires ikke. ppgave 16.5 va er hovedproduktet ved monosubstitusjon i Friedel-Craft reaksjonen mellom benzen og 1- klor-2-metylpropan i nærvær av Al 3? C 3 C 3 C C 2 2-metyl-1-klorpropan 3 C C 3 C C 2 Al 4 3 C C 3 C C 3 C 3 3 C C Al 4 C(C 3 ) 3 C 3 C(C 3 ) 3 tert- butyl karbokation (tertiært) Isobutyl karbokationet dannes initielt når 1-klor-2-metylpropan og Al 3 reagerer. Dette karbokationet omleires via et hydridshift for å gi det mer stabile tert-butyl karbokationet som deretter kan alkyleres for å danne tert-butyl benzen. 4. ACYLRIG AV ARMATISK RIGR Friedel-Crafts acylering skjer når en aromatisk ring reagerer med et syreklorid. Den reaktive elektrofilen er et acylkation som ikke omleires. Polyacylering skjer ikke i acyleringsreaksjoner. ppgave 16.6 Identifiser syrekloridet som kan benyttes i en Friedel-Craft acylering for å fremstille hver av følgende acylbenzener. 4
Al 3 Al 3 5. SUBSTITUTFFKTR I SUBSTITURT ARMATISK RIGR. T128, T129, T130 Typer av substituenteffekter. Substituenter påvirker reaktiviteten av en aromatisk ring. Substituenter påvirker hvor i ringen videre substitusjon vil foregå. Substitusjoner kan grupperes i tre grupper. rto/para dirigerende aktiverende. rto/para dirigerende deaktiverende. Meta dirigerende deaktiverende. To effekter er ansvarlig for reaktivitet og orientering. Induktive effekter skyldes forskjeller i polaritet av bindinger. Resonanseffekter skyldes overlapp mellom et p-orbital på en substituent og et p-orbital på en aromatisk ring.! Karbonyl, cyano, og nitrogrupper trekker elektroner! alogen-, hydroksyl-, alkoksy- og aminosubstituenter donerer elektroner.! Resonanseffekter er størst i orto og para posisjon. Resonans og induktive effekter virker ikke alltid i samme retning. ppgave 16.7 Forutsi hovedproduktene av følgende reaksjoner. a. Mononitrering av brombenzen. 2 3 2 S 4 2 5
b. Monobromering av nitrobenzen. 2 2 2 Fe 3 c. Monoklorering av fenol. 2 d. Monobromering av anilin. 2 2 2 2 ppgave 16.8 Skriv resonansstrukturer for nitrobenzen for å vise elektrontiltrekkende effekt av nitrogruppen - - - - - - - - ppgave 16.9 Skriv resonansstrukturer for klorbenzen for å vise elektrondonerende effekt av klor. - - - 6. FRKLARIG PÅ SUBSTITUT FFKTR. T131, T132, T133, T134 Aktivering og deaktivering av aromatiske ringer. Alle aktiverende grupper donerer elektroner til den aromatiske ringen. Alle deaktiverende grupper trekker elektroner fra ringen. rto og para dirigerende og aktiverende: Alkylgrupper. Alkylgrupper donerer elektroner induktivt til ringen. Alkylgrupper er orto, para dirigerende fordi karbokationet som dannes som intermediat ved angrep stabiliseres best når angrep skjer i orto eller para posisjon. rto og para dirigerende og aktiverende: og 2 og 2 donerer elektroner ved resonans som involverer ringen og gruppen. Intermediatet fra orto og para angrep stabiliseres mer ved resonans enn det karbokationet som dannes ved meta angrep. rto og para dirigerende og deaktiverende halogener. Den elektrontiltrekkende induktive effekten av halogen er større enn den elektrondonerende 6
resonanseffekten. Resonanseffekten orienterer substitusjon i orto, para posisjon. Induktiv effekt deaktiverer ringen. Meta dirigerende og deaktiverende. Meta dirigerende deaktiverende substituenter virker både via induktiv effekt og resonanseffekt Resonanseffekter destabiliserer orto og para posisjonene mest, derfor skjer substitusjon i meta posisjoner. ppgave 16.10 Ranger forbindelsene i hver gruppe etter reaktivitet i elektrofile substitusjoner. a. Fenol > toluen > benzen > nitrobenzen b Fenol > benzen > klorbenzen > benzosyre c anilin > benzen > brombenzen > benzaldehyd ppgave 16.11 uk figur 16.12 for å forklare hvorfor Friedel-Craft alkyleringer ofte gir polysubstitusjonsprodukt, mens Friedels-Craft acyleringer ikke gjør det. n acylsubstituent er deaktiverende. år en aromatisk ring er acylert er den mye mindre reaktiv mot videre substitusjon. n alkylsubstituent er aktiverende slik at alkylsubstitusjon gjør ringen mer reaktiv enn en ikke-substituert ring og polysubstitusjon skjer lett. ppgave 16.12 vilken av forbindelsene toluen og trifluorometylbenzen forventer du er mest reaktiv i en elektrofil substitusjonsreaksjon? Toluen er mer reaktiv enn trifluormetylbenzen. Fluoratomene er elektronegative og er årsak til at trifluormetylgruppen er elektrontiltrekkende og deaktiverer ringen mot elektrofil substitusjon. ppgave 16.13 Acetanilid er mindre reaktiv enn anilin mot elektrofil substitusjon. Forklar dette. δ δ δ δ δ δ δ δ _ Mindre favorisert δ δ - Mer favorisert For acetanilid er resonansdelokalisering av ledige elektronpar på nitrogen inn i den aromatiske 7
ringen mindre gunstig fordi nitrogen sitter ved siden av en polarisert karbonylgruppe. Resonansdelokalisering til karbonyloksygen favoriseres pga oksygens elektronegativitet. Da ledige elektronpar er mindre tilgjengelig for ringen vil ringens reaktivitet i elektrofile substitusjonsreaksjoner avta og acetanilid er mindre reaktiv enn anilin. ppgave 16.14 Tegn resonansstrukturer for intermediatene fra angrep av en elektrofil i orto, meta og para posisjoner i nitrobenzen. vilke intermediater er mest favorisert? 7. TRISUBSTITURT BZ ADDITIVITT AV FFKTR Dersom effekten av begge grupper er additiv er det lett å forutsi produktet Dersom de dirigerende effekter av gruppene er motsatt vil den sterkest aktiverende gruppe bestemme produktet, selv om blandinger noen ganger er resultatet. Substitusjon skjer sjelden mellom to grupper som står meta til hverandre p.g.a. sterisk hindring. ppgave 16.17 vor forventer du at elektrofil substitusjon finner sted i hver av følgende substanser? C 3 C 3 C 3 a. Begge grupper er orto, para dirigerende og dirigerer substitusjon til samme posisjon. Angrep skjer ikke mellom de to gruppene av steriske årsaker. 2 2 2 8
b. Begge grupper er orto, para dirigerende og men dirigerer substitusjon til forskjellig posisjon. 2 er den som er sterkest aktiverende og substitusjon skjer orto og para til aminogruppen. 2 2 2 c. Begge grupper er deaktiverende, men de orienterer substituenter i samme posisjon. 8. UKLFIL ARMATISK SUBSTITUSJR. T135 t acylhalogenid med elektrontiltrekkende grupper kan reagere i en nukleofil aromatisk substitusjon. Denne reaksjon skjer via en addisjons/eliminasjons mekanisme. Addisjon av nukleofiler skjer via et intermediat Meisenheimer kompleks som stabiliseres ved orto, para elektrontiltrekkende substituenter på ringen. alogen elimineres for å gi produktet. ppgave 16.16 Forslå en mekanisme for reaksjon mellom 1-klorantaquinon med metoksidionet for å gi substitusjonsproduktet 1-metoksyantraquinon. uk krumme piler for å vise elektronflyten i hver trinn. C 3 C 3 C 3 Addisjon av - C 3 Meisenheimer kompleks liminasjon av - 9. BZY Ved høy temperatur og med en sterk base kan arylhalogenider uten elektrontiltrekkende substituenter omdannes til fenoler. Denne reaksjon skjer ved en eliminasjons/addisjons reaksjon som involverer et benzyn intermediat. Sterke baser forårsaker eliminasjon av X fra halogenidet og genererer benzyn. n nukleofil adderes til benzyn for å gi produktet. Benzyn intermediatet kan fanges i en Diels-Alder reaksjon. 9
Benzyn har elektronisk struktur som et dreid alkyn og har en meget svak π- binding ppgave 16.17 Behandling av 4-bromtoluen med a ved 300 ºC gir en blanding av to produkter. Behandling av 3-bromtoluen med a gir en blanding av tre produkter. Forklar dette. - 2-4-metylfenol 3-metylfenol - 2 2-metylfenol 3-metylfenol - 4-metylfenol Behandling av 3-bromtoluen med a gir to benzynintermediat som reagerer med vann og gir tre metylfenolprodukt 10. KSIDASJ AV ARMATISK FRBIDLSR. T136 ksidasjon av alkylbenzen sidegreiner. Sterke oksidasjonsmidler forårsaker oksidasjon av alkyl sidegreiner med benzylisk hydrogen. Produktene av oksidasjon av sidegreiner er benzosyrer. Reaksjonen går via en kompleks radikal mekanisme. omering av alkylbenzen sidegreiner. BS bromerer alkylbenzen sidegreiner i benzylisk posisjon omering skjer ved mekanismen beskrevet for allylisk bromering og krever en radikal initiator. Intermediatet er et benzylisk radikal som stabiliseres ved resonans. ppgave 16.18 vilke aromatiske produkter forventer du når følgende forbindelser oksideres av KMn 4? 2 KMn 4 2 2 C 3-nitrobenzosyre 10
KMn 4 C 2 4-(2,2-dimetyletyl)-benzosyre ppgave 16.19 Styren er det enkleste alkenylbenzen og lages kommersielt for bruk i plastikk ved katalytisk dehydrogenering av etylbenzen. vordan kan du fremstille styren ved de reaksjoner vi har studert til nå? C 3 C 3 Al 3 BS (PhC 2 ) 2 K C 3 C 2 ppgave 16.20 Tabell 5.3 gir en kvantitativ følelse av stabiliteten av benzylradikaler. vor mye mer stabilt (kj/mol) er benzylradikalet enn et primært alkylradikal? vordan er stabiliteten av benzylradikalet sammenlignet med stabiliteten av allylradikalet? Dissosiasjonsenergi for en binding er et mål på mengden energi som må tilføres for å bryte en binding og danne radikal fragement. t radikal er høyere i energi og mindre stabilt enn forbindelsen det ble dannet fra. Siden C- bindingsenergien er 420 kj/mol for etan og 368 kj/mol for C- i metylgruppen på toluen kreves det mindre energi å danne et benzylradikal enn et etylradikal. t benzylradikal er altså mer stabilt enn et primært alkylradikal med 52 kj/mol. Dissosiasjonsenergien i allyl C- bindinger er 361 kj/mol. Dette indikerer at et benzylradikal er nesten like stabilt som et allylradikal. 11. RDUKSJ AV ARMATISK FRBIDLSR. Katalytisk hydrogenering av aromatiske ringer. Det er mulig å selektivt redusere alken bindinger i nærvær av en aromatisk ring fordi ringer er relativt inerte til katalytisk hydrogenering. Med en sterkere katalysator kan aromatiske ringer reduseres. Da kreves en Pt katalysator og flere hundre atmosfæres trykk. Reduksjon av aryl alkyl ketoner. Aryl alkyl ketoner kan hydrogeneres katalytisk og danne alkylbensen. Acylering etterfulgt av reduksjon er en syntesevei til arylsubstitusjon uten omleiringer. Denne reaksjonen kan kun skje med aryl alkyl ketoner og reduserer nitrogrupper til aminogrupper. ppgave 16.21 vordan vil du fremstille difenylmetan fra benzen og et passende syreklorid? Al 3 2 Pd 11
12. SYTS AV TRISUBSTITURT BZ For å syntetisere substituerte benzener er det viktig å introdusere gruppene slik at de har de riktige orienteringseffekter. Det er best å bruke retrosyntetisk analyse for å planlegge en syntese. ppgave 16.22 Foreslå en syntesevei for følgende substanser fra benzen a. m-klor-nitrobenzen 3 2 2 2, Fe 3 2 S 4 b. m-kloretylbenzen C 3 C 2, Fe 3 2, Pd Al 3 c. p-klorpropylbenzen 2, Pd C 3 C Al 3 2, Fe 3 2, Fe 3 C3 C Al 3 2, Pd ppgave 16.23 (a) Friedel-Craft acylering, vil i likhet med Friedel-Craft alkylering ikke skje på aromatiske ringer som har en meta dirigerende substituent. (b) p-klorpropylbenzen kan syntetiseres, men introduksjon av den neste substituenten skje orto til alkylgruppen. 12