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

+

+