‹#›

RJC

Aromatyczne

Aromatyczne

Substytucje Elektrofilowe

Substytucje Elektrofilowe

Aromatyczne

Aromatyczne

Substytucje Elektrofilowe

Substytucje Elektrofilowe

Slides 1 to 41

E

H

E

+

E

-H

‹#›

RJC

Aromatyczne

Aromatyczne

Addycje Elektrofilowe

Addycje Elektrofilowe

...do pierścienia aromatycznego przerywa

...do pierścienia aromatycznego przerywa

sprzężenie elektronów

sprzężenie elektronów

ππ

i powoduje utratę

i powoduje utratę

stabilizacji poprzez rezonans.

stabilizacji poprzez rezonans.

E

X

+

X

E

‹#›

RJC

Aromatyczna Substytucja Eltrofilowa

Aromatyczna Substytucja Eltrofilowa

...nie zakłóca aromatycznego charakteru cząsteczki

...nie zakłóca aromatycznego charakteru cząsteczki

(jej aromatyczności).

(jej aromatyczności).

E

+

E

-H

‹#›

RJC

Mechanizm Substytucji Elektrofilowej

Mechanizm Substytucji Elektrofilowej

Addycja cząsteczki elektrofila (E

Addycja cząsteczki elektrofila (E

+

+

) prowadzi do

) prowadzi do

powstania karbokationu, który następnie eliminuje

powstania karbokationu, który następnie eliminuje

H

H

+

+

co powoduje, że główny pierścień odzyskuje

co powoduje, że główny pierścień odzyskuje

charakter aromatyczny.

charakter aromatyczny.

E

H

E

+

E

-H

‹#›

RJC

Diagram Energetyczny Reakcji

Diagram 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 Reakcji

Diagram Energetyczny Reakcji

Szybkość całej reakcji jest określona przez energię

Szybkość całej reakcji jest określona przez energię

swobodną

swobodną

∆∆

G

G

‡

‡

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 niż alkeny i dlatego

reakcje z elektrofilami niż alkeny i dlatego

wymagana jest ‘aktywacja’ elektrofila.

wymagana jest ‘aktywacja’ elektrofila.

Br

CH

2

=CH

2

Br

2

Br

2

Br

CH

2

CH

2

Br

‹#›

RJC

Słaby odczynnik elektrofilowy jakim jest brom Br

Słaby odczynnik elektrofilowy jakim jest brom Br

2

2

jest aktywowany przez kwas Lewisa, np. chlorek

jest aktywowany przez kwas Lewisa, np. chlorek

ż

elaza (III) FeBr

ż

elaza (III) FeBr

3

3

..

Br

+ FeBr

Br

+ (FeBr )

Bromowanie

Bromowanie

Br

2

+ FeBr

3

Br

+ (FeBr

4

)

Br

+

Br

-H

‹#›

RJC

Chlorowanie

Chlorowanie

W podobny sposób następuje aktywacja

W podobny sposób następuje aktywacja

elektrofilowej cząsteczki chloru Cl

elektrofilowej cząsteczki chloru Cl

2

2

(dodatek

(dodatek

FeCl

FeCl

3

3

).

).

Cl

+ FeCl

→

Cl

+ (FeCl )

Cl

2

+ FeCl

3

→

Cl

+ (FeCl

4

)

Cl

+

Cl

-H

‹#›

RJC

Jodowanie

Jodowanie

Bardzo słaby elektrofil, jakim jest cząsteczka jodu

Bardzo słaby elektrofil, jakim jest cząsteczka jodu

II

2

2

jest aktywowany przez dodatek soli Cu

jest aktywowany przez dodatek soli Cu

2+

2+

..

I

2

+ 2Cu

2+

2

I

+ 2Cu

+

I

2

+ 2Cu

2+

2

I

+ 2Cu

+

I

+

I

-H

‹#›

RJC

Nitrowanie

Nitrowanie

Kation nitroniowy NO

Kation nitroniowy NO

2

2

+

+

jest reaktywnym

jest reaktywnym

odczynnikiem elektrofilowym.

odczynnikiem elektrofilowym.

HNO + H SO

→

NO

+ HSO + H O

HNO

3

+ H

2

SO

4

→

NO

2

+ HSO

4

+ H

2

O

NO

2

+

NO

2

-H

‹#›

RJC

Sulfonowanie

Sulfonowanie

Dymiący kwas siarkowy (VI) jest źródłem

Dymiący kwas siarkowy (VI) jest źródłem

reaktywnego odczynnika (SO

reaktywnego odczynnika (SO

3

3

lub HSO

lub HSO

3

3

+

+

).

).

SO + H SO

→

HSO

+ HSO

HSO

3

+

+

HO

3

S

-H

SO

3

+ H

2

SO

4

→

HSO

3

+ HSO

4

‹#›

RJC

Alkilowanie Friedla

Alkilowanie Friedla--Craftsa

Craftsa

Aktywacja halogenków alkilowych przy użyciu chlorku

Aktywacja halogenków alkilowych przy użyciu chlorku

glinu AlCl

glinu AlCl

3

3

prowadzi do powstawania reaktywnego

prowadzi do powstawania reaktywnego

elektrofila w postaci karbokationu (R

elektrofila w postaci karbokationu (R

+

+

).

).

R-Cl + AlCl

3

R

+ (AlCl

4

)

R-Cl + AlCl

3

R

+ (AlCl

4

)

R

+

R

--H

H

‹#›

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 Friedla

Metodą Friedla--Craftsa

Craftsa

allilowe.

Polialkilowanie

Przegrupowania karbokationów

‹#›

RJC

Halogenki Allilowe oraz Arylowe

Halogenki 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

Polialkilowania

Polialkilowania

W reakcjach Friedla

W reakcjach Friedla--Craftsa możliwe są poli

Craftsa możliwe są poli--

alkilowania, ponieważ powstający produkt jest

alkilowania, ponieważ powstający produkt jest

bardziej reaktywny od niepodstawionego

bardziej reaktywny od niepodstawionego

substratu.

substratu.

R

+

-H

R

etc...

etc...

R

R

R

R

R

‹#›

RJC

Przegrupowania Karbokationów

Przegrupowania Karbokationów

Pierwszorzędowy karbokation ulega

Pierwszorzędowy karbokation ulega

przegrupowaniu do innego karbokationu o wyższej

przegrupowaniu do innego karbokationu o wyższej

rzędowości (migracja protonu).

rzędowości (migracja protonu).

CH

3

CH

2

CH

2

Cl

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CHCH

3

‹#›

RJC

Acylowanie Friedla

Acylowanie Friedla--Craftsa

Craftsa

Aktywacja chlorku kwasowego przy użyciu AlCl

Aktywacja chlorku kwasowego przy użyciu AlCl

3

3

prowadzi do powstawania jonu acyliowego, który

prowadzi do powstawania jonu acyliowego, który

jest aktywnym elektrofilem.

jest aktywnym elektrofilem.

RCOCl + AlCl

3

→

RCO

+ (AlCl

4

)

RCOCl + AlCl

3

→

RCO

+ (AlCl

4

)

RC

RC

--H

H

O

O

+

+

‹#›

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 elektrono

działają jako grupy elektrono--donorowe lub

donorowe lub

elektrono

elektrono--akceptorowe.

akceptorowe.

G

G

G

G

G

G

G

G

wpływ elektrono-donorowy

wpływ elektrono-akceptorowy

‹#›

RJC

Podstawniki (Grupy) Elektrono

Podstawniki (Grupy) Elektrono--Donorowe

Donorowe

Zwiększają gęstość elektronową, czyli aktywują

Zwiększają gęstość elektronową, czyli aktywują

pierścień aromatyczny

pierścień aromatyczny

δ

+

G

δ

+

δ

-

δ

-

δ

-

wzrost gęstości elektronowej

‹#›

RJC

Diagram Energetyczny Reakcji

Diagram Energetyczny Reakcji

Obniżenie wartości

Obniżenie wartości

∆∆

G

G

‡

‡

oznacza wzrost szybkości

oznacza wzrost szybkości

reakcji.

reakcji.

G

δ

+

-

-

energia

postęp reakcji

δ

-

δ

-

δ

-

∆

G

‡

‹#›

RJC

Struktury Rezonansowe

Struktury 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 Kierujący Orto & Para

Wpływ Kierujący 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

+

E

E

G

δ

δ

-

δ

-

δ

-

E

E

E

‹#›

RJC

Podstawniki Aktywujące i Kierujące w

Podstawniki Aktywujące i Kierujące w

Pozycje orto & para

Pozycje orto & para

anilina

fenol

metoksybenzen (anizol)

toluen (metylobenzen)

‹#›

RJC

Dystrybucja Produktów Nitowania Benzenu

Dystrybucja Produktów Nitowania Benzenu

G

H

NO

3

/H

2

SO

4

G

G

G

NO

2

NO

2

NO

2

Podstawnik (G)

Orto

Meta

Para

CH

3

63

3

34

OH

50

0

50

NHAc(NHCOMe)

19

2

79

‹#›

RJC

Podstawniki Elektrono

Podstawniki Elektrono--Akceptorowe

Akceptorowe

Powodują obniżenie gęstości elektronowej, czyli

Powodują obniżenie gęstości elektronowej, czyli

dezaktywację pierścienia aromatycznego.

dezaktywację pierścienia aromatycznego.

δ

-

obniżenie gęstości elektronowej

G

δ

-

δ

+

δ

+

δ

+

‹#›

RJC

Diagram Energetyczny Reakcji

Diagram Energetyczny Reakcji

Wzrost wartości

Wzrost wartości

∆∆

G

G

‡

‡

oznacza zmniejszenie

oznacza zmniejszenie

szybkości reakcji.

szybkości reakcji.

G

δ

+

δ

-

δ

+

energia

postęp reakcji

∆

G

‡

δ

δ

δ

+

‹#›

RJC

Struktury Rezonansowe

Struktury Rezonansowe

...ilustrują delokalizację obniżonej gęstości

...ilustrują delokalizację obniżonej gęstości

elektronowej w pierścieniu aromatycznym.

elektronowej w pierścieniu aromatycznym.

G

G

G

G

‹#›

RJC

Wpływ Kierujący Meta

Wpływ Kierujący Meta

Obniżenie gęstości elektronowej w pozycjach orto

Obniżenie gęstości elektronowej w pozycjach orto

i para powoduje, że podstawienie elektrofilowe

i para powoduje, że podstawienie elektrofilowe

zachodzi głównie w pozycji meta.

zachodzi głównie w pozycji meta.

δ

-

E

G

δ

+

δ

-

δ

+

δ

+

E

‹#›

RJC

Podstawniki Kierujące w Pozycję meta;

Podstawniki Kierujące w Pozycję meta;

Podstawniki Dezaktywujące

Podstawniki Dezaktywujące

nitrobenzen

kwas benzenosulfonowy

kwas benzoesowy

acetofenon

‹#›

RJC

Dystrybucja Produktów Nitrowania

Dystrybucja Produktów Nitrowania

G

H

NO

3

/H

2

SO

4

G

G

G

NO

2

NO

2

NO

2

Podstawnik (G)

Orto

Meta

Para

NO

2

7

91

2

CO

2

H

22

77

1

CN

17

81

2

COCH

3

26

72

3

CHO

19

72

9

‹#›

RJC

Atomy Fluorowców : Przypadek Szczególny

Atomy 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 kierujący orto & para)

(wpływ kierujący 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

+

E

E

••

••

Cl

δ

-

δ

-

δ

-

E

E

E

••

••

•

•

•

•

•

•

•

•

‹#›

RJC

((--) Efekt Indukcyjny (dezaktywujący)

) Efekt Indukcyjny (dezaktywujący)

Duża elektroujemność atomów typu X (F, Cl, Br,

Duża elektroujemność atomów typu X (F, Cl, Br,

I) powoduje sumarycznie obniżenie gęstości

I) powoduje sumarycznie obniżenie gęstości

elektronowej w pierścieniu aromatycznym.

elektronowej w pierścieniu aromatycznym.

δ

+

δ

-

Cl

‹#›

RJC

Dystrybucja Produktów Nitrowania

Dystrybucja Produktów Nitrowania

G

G

G

NO

2

NO

2

NO

2

G

H

NO

3

/H

2

SO

4

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 # 1

Planowanie Syntezy... Przykład # 1

...odpowiedni dobór podstawników umożliwia kontrolę

...odpowiedni dobór podstawników umożliwia kontrolę

reaktywności oraz regiochemii reakcji podstawienia...

reaktywności oraz 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

‹#›

RJC

Planowanie Syntezy... Przykład # 2

Planowanie Syntezy... Przykład # 2

Synteza kwasu p

Synteza kwasu p--aminobenzoesowego

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

‹#›

RJC

Planowanie Syntezy... Przykład # 3

Planowanie Syntezy... Przykład # 3

Synteza anastetyków (benzokaina & novokaina)

Synteza anastetyków (benzokaina & novokaina)

N(Et)

2

. HCl

CO

2

H

NH

2

CO

2

Et

NH

2

NH

2

EtOH

benzokaina

N(Et)

2

OH

O

O

2

HCl

novokaina

‹#›

RJC

Planowanie Syntezy... Przykład # 4

Planowanie Syntezy... Przykład # 4

Synteza analgestyku (paracetamol)

Synteza analgestyku (paracetamol)

OH

OAc

OAc

OAc

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

‹#›

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-

Podstawniki elektrono-donorowe i elektrono-

akceptorowe

Wpływ kierujący o & p, podstawniki aktywujące i

dezaktywujące

Wpływ kierujący m, podstawniki dezaktywujące

Planowanie syntezy organicznej