13. R E A K T Y W N O Ś Ć A R E N Ó W

Aleksander Kołodziejczyk 2009 wrzesień

13.1 Substytucja elektrofilowa S_E

Charakterystyczną reakcją związków aromatycznych jest substytucja elektrofilowa (S_E), zwana również reakcją aromatycznej substytucji elektrofilowej. Polega ona najczęściej na tym, że elektrofil (E⁺) podstawia proton związany z pierścieniem aromatycznym. Elektrofil może podstawić także inny atom lub grupę związaną z pierścieniem aromatycznym.

W pierwszym etapie S_E dochodzi do addycji elektrofila E⁺ do pierścienia aromatycznego, w wyniku czego powstaje stabilizowany mezomerycznie karbokation (sigma kompleks), który pozbawiony jest aromatyczności. Jednak po odszczepieniu protonu odtwarza się układ aromatyczny i powstaje pochodna zawierająca elektrofil w miejscu protonu. Odtworzenie aromatyczności może nastąpić również w wyniku odszczepienia protonu.

W ten sposób zachodzą reakcje typu halogenowania, alkilowania, acylowania, nitrowania, sulfonowania, diazowania i inne.

Rys. 10.1 Przykłady głównych reakcji aromatycznej substytucji elektrofilowej

13.1.1 Halogenowanie

W arenach, pod wpływem halogenów (Cl₂ i Br₂), w obecności kwasów Lewisa (np. FeX₃) dochodzi do wymiany atomu wodoru na atom halogenu. Pomimo dużego stopnia nienasycenia pierścienia benzenowego (3 C=C) dochodzi do reakcji substytucji, a nie addycji! Obie te reakcje łatwo rozróżnić po zewnętrznych efektach - w obu zanika barwa bromu, jednak w trakcie substytucji wydziela się gazowy bromowodór (jest to widoczną oznaką reakcji), a w addycji cały brom zostaje przyłączony do wielokrotnego wiązania.

Reakcja biegnie wg mechanizmu S_E. Cząsteczka bromu w kontakcie z kwasem Lewisa ulega polaryzacji i dodatnio naładowany atom bromu staje się silnym elektrofilem. Kation Br⁺ przyłącza się do pierścienia benzenu i powstaje mezomerycznie stabilizowany karbokation, który odszczepiając proton przekształca się w bromobenzen (bromek fenylu).

brom - słaby elektrofil brom spolaryzowany, atom z ładunkiem dodatnim

staje się silnym elektrofilem

Duża energia sprzężenia 6 elektronów  (energia rezonansu) jest siłą napędową powrotu produktu addycji kationu bromkowego do układu aromatycznego poprzez odszczepienie protonu.

Podobnie jak bromowanie biegnie reakcja chlorowania arenów. Jodowanie w takich samych warunkach jest reakcją odwracalną i do przesunięcia równowagi na prawo potrzebny jest utleniacz utleniający wydzielający się jodowodór. Do tego celu stosuje się nadtlenek wodoru, kwas azotowy (V) lub sole miedzi (II).

13.1.2 Nitrowanie

Grupę nitrową do pierścienia aromatycznego wprowadza się najczęściej za pomocą mieszaniny nitrującej, czyli kwasu azotowego i siarkowego o różnych stężeniach, zależnych od reaktywności arenu. W mieszaninie tych kwasów wytwarza się kation nitroniowy ⁺NO₂, który jako silny elektrofil wchodzi na miejsce jednego z aromatycznych atomów wodoru.

Kwas siarkowy pełni rolę kwasu (dawcy protonu), czynnika wiążącego wodę oraz ułatwia rozpuszczanie arenów. Dwie pierwsze funkcje kwasu siarkowego sprzyjają powstawaniu kationu nitroniowego, który jako elektrofil reaguje z arenem tworząc addukt, po czym następuje jego stabilizacja przez odszczepienie protonu. Jest to typowy mechanizm reakcji S_E.

Nitrowanie arenów jest reakcją wysoko egzotermiczną.

Zadanie: napisz mechanizm nitrowania benzenu z uwzględnieniem wszystkich stanów mezomerycznych adduktu po przyłączniu kationu nitroniowego.

Przykład

Toluen jest bardziej podatny na reakcje S_E niż benzen; jego nitrowanie biegnie około 25 razy szybciej niż benzenu. To grupa metylowa obecna w cząsteczce toluenu uaktywnia ją na reakcję S_E.

Stężony kwas azotowy w 94% kwasie siarkowym jest prawie całkowicie zdysocjowany na jony ⁺NO₂. W roztworze wodnym HNO₃ i w rozcieńczonym kwasie siarkowym przeważają utleniające jony NO₃^-. W samym bezwodnym kwasie azotowym stężenie jonów ⁺NO₂ dochodzi do 1%. Taki kwas też jest czynnikiem nitrującym, ale działa efektywnie w wyższej temperaturze niż mieszanina nitrująca, a poza tym związki organiczne w wysokiej temperaturze mogą eksplodować pod wpływem silnego utleniacza, jakim jest stężony kwas azotowy.

Kation nitroniowy nie jest tworem wymyślonym. Tworzy on trwałe sole, np. znany jest nadchloran nitroniowy - NO₂ClO₄ czy fluoroboran - NO₂BF₄. Te sole też mają właściwości nitrujące. Areny wrażliwe na działanie kwasów nitruje się kwasem azotowym w obecności P₂O₅, w mieszaninie kwasu azotowego z kwasem octowym lub bezwodnikiem octowym.

Aromatyczne nitrozwiązki mają duże znacznie praktyczne, dlatego też wiele arenów jest poddawane nitrowaniu na skalę przemysłową, w tym benzen, toluen, fenol, chlorobenzen, anilina, naftalen, antrachinon i inne. Otrzymuje się z nich mono-, di- i polinitrozwiązki. Sam nitrobenzen jest cennym, wysokowrzącym, nie mieszającym się z wodą rozpuszczalnikiem (tw. 210^oC); służy też do produkcji aniliny i izocyjanianów. Nitrozwiązki stanowią ważne substraty w produkcji amin, barwników, leków, substancji zapachowych, materiałów wybuchowych (trotyl, ksylit, heksanitrobenzen, kwas pikrynowy, tetryl czy heksyl), tworzyw syntetycznych i wielu innych produktów. 3,5-dinitrobenzamid (Nitromid) jest związkiem o silnych właściwościach przeciwbakteryjnych, a 5-nitro-2-propoksyanilina (Ultrasuss) należy do najbardziej słodkich substancji, jest ponad 4 000 słodszy od cukrozy (sacharozy).

13.1.3 Sulfonowanie

Utworzenie wiązania pomiędzy atomem węgla związku organicznego a atomem siarki grupy sulfonowej - -SO₃H lub jej odpowiednikiem chlorosulfonowym - -SO₂Cl nazywa się sulfonowaniem. Sulfonowanie arenów biegnie wg mechanizmu S_E. Prowadzi się je za pomocą SO₃, jego kompleksów, np. z pirydyną oraz stężonego kwasu siarkowego lub dymiącego kwasu siarkowego (oleum). Podczas sulfonowania kwasem siarkowym powstają duże ilości, trudnych do zagospodarowania kwaśnych odpadów. Sulfonowanie tritlenkiem siarki jest w zasadzie bezodpadowe. Trójtlenek siarki jest jednak substancją stałą, co utrudnia prowadzenie reakcji, gdyż łatwo dochodzi do zestalenia całej mieszaniny reagującej. Często stosuje się procedurę mieszaną - sulfonowanie rozpoczyna się w niewielkiej ilości kwasu siarkowego i w miarę postępu reakcji dodaje się SO₃. Ten sposób postępowania zapewnia nie tylko utrzymywanie stałego stężenia środka sulfonującego, ale i wiązanie wody powstającej w reakcji; ponadto kwas siarkowy dodatkowo pełni rolę rozpuszczalnika. Wiązanie lub usuwanie wody ze środowiska reakcji jest koniecznie, gdyż reakcja sulfonowania jest odwracalna i tylko odpowiednie stężenie kwasu (zależne od aktywności arenu) zapewnia przesunięcie równowagi na korzyść produktów. Wodę powstającą w reakcji sulfonowania można usuwać azeotropowo. Tak często postępuje się podczas sulfonowania benzenu lub toluenu.

Czynnikiem sulfonującym jest SO₃ lub tworzący się z kwasu siarkowego i SO₃ kation ⁺SO₃H.

H₂SO₄ + SO₃ _→ HSO₄^- + ⁺SO₃H

Mechanizm reakcji z SO₃

Mechanizm reakcji z kationem ⁺SO₃H

Zadanie: przedstaw mechanizm sulfonowania benzenu, w którym udział bierze kation ⁺SO₃H, uwzględniając wszystkie stany mezomeryczne adduktu po przyłączeniu się kationu sulfoniowego.

Areny zawierające grupy sulfonowe są zwykle rozpuszczalne w wodzie, wykazują także powinowactwo do wielu materiałów (szczególnie wełny), stąd często barwniki wełny zawierają grypy sulfonowe. Sole kwasów alkiloarenosulfonowych wykorzystywane były jako detergenty, obecnie ich stosowanie bądź ograniczono, bądź wręcz zakazano z uwagi na to, że są to związki trudno biodegradowalne.

Aromatyczne kwasy sulfonowe znalazły szerokie zastosowanie w syntezie związków organicznych, ponieważ grupę sulfonową można wprowadzać do cząsteczki arenu czasowo, tak żeby podczas kolejnej operacji następny podstawnik zajął oczekiwaną pozycję, po czym funkcję -SO₃H usuwa się lub wymienia na inną grupę.

Kwas benzenosulfonowy jest dobrze rozpuszczalny w wodzie i w uwodnionym kwasie siarkowym, dlatego w celu jego wyodrębnienia z mieszaniny reakcyjnej przeprowadza się go w trudniej rozpuszczalną sól wapniową (proces wapniowania).

Łatwiejszy do wyodrębniania jest kwas p-toluenosulfonowy, bowiem krystalizuje on w postaci monohydratu. Kwas ten ma moc zbliżoną do kwasu siarkowego, a że jest dobrze rozpuszczalny w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych służy jako katalizator kwasowy w wielu reakcjach.

Sole sodowe sulfonowanych alklilobenzenów, zawierających 10-14 węglowy łańcuch alifatyczny służyły jako środki powierzchniowo czynne. Do ich otrzymywania stosowano SO₃. Obecnie tego typu surfaktanty zastępowane są przez lepiej biodegradowalne sole kwasów alkanosulfonowych.

Sulfonowanie kopolimeru styrenu sieciowanego diwinylobenzenem prowadzi do nierozpuszczalnego w wodzie kwasu polisulfonowego. Służy on wyrobu żywic jonowymiennych - silnych kationitów.

Chlorosulfonowanie przeprowadza się za pomocą kwasu chlorosulfonowego. Reakcja biegnie dwuetapowo. W pierwszym etapie powstaje kwas arenosulfonowy i wydziela się chlorowodór. Dopiero w drugim etapie kwas arenosulfonowy pod wpływem kwasu chlorosulfonowego zostaje przekształcony w chlorek arenosulfonylowy. Pierwszy etap reakcji jest nieodwracalny, ponieważ gazowy chlorowodór opuszcza środowisko reakcji. Drugi odwracalny etap wymaga nadmiaru kwasu chlorosulfonowego, żeby przesunąć równowagę reakcji w stronę produktu. Trzykrotny nadmiar kwasu chlorosulfonowego zapewnia dobrą wydajność. Konieczność stosowania nadmiaru kwasu chlorosulfonowego nie tylko podnosi koszt reakcji, ale i zwiększa ilość kłopotliwych kwaśnych ścieków.

Chlorosulfonowanie jest wykorzystywane do produkcji sulfonoamidów - ważnych leków, a także do produkcji sacharyny, znanego słodzika.

Surowcem w produkcji sacharyny jest toluen, z którego w reakcji chlorosulfonowania w niskiej temperaturze powstają dwa izomery chlorku toluenosulfonylu, z przewagą izomeru orto-. Izomer para- usuwa się przez krystalizację.

Następnie chlorek o-toluenosulfonylu przeprowadza się w amid w reakcji z węglanem amonu. Z amidu po utlenieniu do soli kwasu o-sulfamoilobennzoesowego i zakwaszeniu powstaje sacharyna.

chlorek o-toluenosulfonylu o-toluenosulfamid sól kwasu o-sulfamoilobenzoesowego sacharyna

13.1.4 Reakcje Friedela-Craftsa

Katalizowane chlorkiem glinu tworzenie nowego wiązania C-C pomiędzy pierścieniem aromatycznym, a inną resztą organiczną, nazywa się reakcją Friedela-Crafstsa (F-C); może to być alkilowanie lub acylowanie F-C.

Charles Friedel (1832-1899); ur. w Strasburgu, Francja; studia na Sorbonie, prof. w École des Mines i w Paryżu.

James M. Crafts (1876-1917); ur. w Bostonie, USA; doktorat z prawa w Harvardzie (1898); prof. w Cornell University i w Massachusetts Institute of Technology.

Reakcje alkilowania F-C

W reakcji alkilowania F-C elektrofilem jest karbokation Alk⁺ powstający w reakcji halogenków alkilowych z AlCl₃, lub z protonowanych alkenów albo też z alkoholi uaktywnionych BF₃. Reakcja alkilowania zaczyna się od wytworzenia karbokationu.

chlorek etylu karbokation

Karbokation reaguje z arenem tworząc mezomerycznie stabilizowany kompleks, po czym układ odzyskuje aromatyczność poprzez oderwaniu protonu pod wpływem zasady (w tym przypadku zasadą jest anion halogenkowy -Cl^-).

Przykłady:

Problemy alkilowania reakcji F-C

Polialkilowanie

Wprowadzenie reszty alkilowej do pierścienia aromatycznego zwiększa jego podatność na reakcje S_E do tego stopnia, że di- i trialkiloareny tworzą się łatwiej niż monoalkiloareny, tak więc powstający produkt jest mieszaniną mono-, di-, tri-, a nawet polialkilowych pochodnych.

Jeżeli celem reakcji jest związek monopodstawiony należy użyć nadmiaru alkilowanego arenu, w tym przypadku benzenu. Takie postępowanie zapewnia wysoką wydajność i zadawalającą czystość oczekiwanego produktu.

Odzyskanie nadmiaru benzenu lub zawrócenie go do reakcji pozwala na lepsze wykorzystanie surowca.

Przegupowanie karbokationu

W reakcjach z udziałem karbokationu dochodzi do jego przegrupowania, np. podczas alkilowania benzenu chlorkiem n-butylu otrzymuje się mieszaninę obu butylobenzenów.

W reakcji chlorku n-butylu z chlorkiem glinu tworzy się karbokation 1^o, który przegrupowuje się do trwalszego 2^o karbokationu. Oba karbokationy biorą udział w alkilowaniu benzenu.

Najtrwalsze są karbokationy 3^o, dlatego też w reakcji alkilowania benzenu 1-chloro-2,2-dimetylopropanem tworzy się jeden związek, którym jest (1,1-dimetylopropylo)benzen; produkt powstały w reakcji przegrupowania karbokationu 1^o.

Problem, jaki stwarza niepożądane przegrupowanie karbokationów podczas alkilowania arenów metodą F-C można rozwiązać pośrednio zastępując alkilowanie reakcją acylowania i następnie redukcją otrzymanego ketonu alkilowo-arylowego do n-alkiloarenu.

Halogenki winylowe i arylowe są niereaktywne w reakcja F-C, wobec czego areny nie ulegają winylowaniu ani arylowaniu.

Reakcje acylowania F-C

Acylowanie arenów metodą Friedela-Craftsa polega na reakcji arenów z odczynnikami acylującymi (halogenkami kwasowymi lub bezwodnikami) w obecności AlCl₃. Elektrofilem w tych reakcjach są kationy acyliowe tworzące się z odczynnika acylującego i AlCl₃.

Podobnie biegną reakcje z użyciem bezwodnika octowego.

Problemy reakcji acylowania F-C

Wprowadzenie reszty acylowej do pierścienia aromatycznego zmniejsza podatność produktu na podstawienie elektrofilowe (S_E), wobec czego w trakcie reakcji acylowania F-C nie dochodzi do diacylowania, co było obserwowane podczas alkilowania F-C.

Acylowaniu nie ulegają areny zawierające podstawniki wyciągające elektrony (EWG), takie jak grupę nitrową lub amoniową. Acylowanie acyloarenów jest bardzo utrudnione.

Również aminy w warunkach w reakcji F-C są nieaktywne, ponieważ dezaktywuje je katalizator.

13.2 Efekt podstawnikowy w reakcjach S_E

Reaktywność podstawionych arenów w reakcjach S_E zależy od właściwości podstawnika (podstawników) związanego z pierścieniem aromatycznym. Może on ułatwiać reakcję S_E (zwiększać szybkość reakcji poprzez uaktywnienie pierścienia aromatycznego) lub ją utrudniać (obniżać szybkość reakcji poprzez dezaktywację układu aromatycznego). Dodatkowo podstawnik obecny w pierścieniu wpływa na miejsce przyłączenia elektrofila.

Podstawniki związane z pierścieniem aromatycznym z uwagi na wpływ, jaki wywierają na reakcje S_E dzielą się na trzy grupy:

I: aktywujące; zwiększają one szybkość reakcji S_E i kierują nowy podstawnik w położenie orto- lub para-. Należą do nich grupy elektronodonorowe (EDG), a więc -OH, -OR, -NH₂, -NHR, NR₂, -alkil.

II: dezaktywujące; zmniejszają one szybkość reakcji i kierują nowy podstawnik w położenie meta-. Należą do nich grupy elektroakceptowowe wykazujące równocześnie efekt -M i -I: -NO₂, -COOH, -COOR, -CONR₂, -CN, -COR, -COH i ⁺-NR₃ (R: H, alkil lub aryl).

III: dezaktywujące; zmniejszają one szybkość reakcji i kierują nowy podstawnik w położenie orto- lub para-. Należą do nich grupy wykazujące efekt +M i -I; są to halogeny.

Jak silne jest takie oddziaływania świadczy fakt, że benzen jest 1000 razy mniej podatny na reakcję nitrowania niż fenol (wpływ grupy -OH), a z kolei 2^.10⁷ bardziej aktywny na nitrowanie niż nitrobenzen.

Efekt oddziaływania poszczególnych podstawników można zilustrować Tabela 13.1

na przykładzie nitrowania podstawionego benzenu.

Y - podstawnik grupy I	produkt - izomery [%]
		orto-	meta-	para-	Razem o- i p-
-OH	50	0	50	100
-NHCOCH3	19	2	79	98
-CH3	63	3	34	97

Y - podstawnik grupy II	produkt - izomery [%]
		orto-	meta-	para-
-NO2	7	91	2
^+-N(CH3)3	2	87	11
-CN	17	81	2
-COOH	22	76	2
-COCH3	26	72	2
-CHO	19	72	9
-COOEt	28	66	6

Y - podstawnik grupy III	produkt - izomery [%]
		orto-	meta-	para-	Razem o- i p-
-F	13	1	86	99
-Cl	35	1	64	99
-Br	43	1	56	99
-I	45	1	54	99

Jak widać z powyższej tabeli efekt skierowujący niektórych podstawników w określone pozycje jest bardzo wyraźny, wynosi 99 a nawet 100% dla grupy -OH i halogenów), natomiast dla innych podstawników jest mniej zdecydowany, np. 66% dla estru etylowego. Efekt skierowujący wynika z rozkładu ładunków w substracie i stabilności adduktu, jaki powstaje po przyłączeniu elektrofila - w arenie zawierającym podstawnik typu EDG, dochodzi do zagęszczenia ładunku ujemnego w pozycjach orto i para i zatem te miejsca stają się bardziej podatne na atak elektrofila, niż pozycja meta.

Ponadto addukt po przyłączeniu elektrofila jest stabilizowany mezomerycznie i im więcej uprzywilejowanych struktur granicznych można wyszczególnić po przyłączeniu elektrofila w danej pozycji, tym bardziej prawdopodobne jest utworzenie takiej struktury, jako powstała po przyłączeniu elektrofila, a co za tym idzie powstanie odpowiedniego produktu.

Rozpatrzmy stabilizację adduktu podstawionego arenu zawierającego podstawnik Y o właściwościach elektrodonorowych (EDG) z elektrofilem.

Jeżeli atak elektrofila nastąpił w pozycję orto-, to w powstałym addukcie można zapisać za pomocą czterech struktur granicznych, przy czym jedna z nich jest szczególnie uprzywilejowana (najtrwalsza) - ta, w której podstawnik elektrodonorowy ma deficyt elektronów.

Podobnie jest w przypadku, kiedy atak elektrofila nastąpi w pozycję para-.

Najtrwalszą strukturą graniczną jest ta, w której ładunek dodatni znajduje się na elektroujemnym atomie Y. Co prawda wydaje się, że zlokalizowanie ładunku dodatniego na atomie bardziej elektroujemnym niż atom węgla jest energetycznie niekorzystne, jednak zapewnienie oktetu elektronowego dla obu atomów (na poniższym przykładzie O i C) zwiększa stabilizację adduktu.

Natomiast po ataku w pozycje meta- jedynie trzy graniczne struktury mezomeryczne da się wyróżnić (słabsza delokalizacja niż w ataku na pozycję o- lub p-).

Z analizy powyżej przedstawionych struktur mezomerycznych wynika, że najsilniej stabilizowane addukty tworzą się po przyłączeniu elektrofila w pozycję orto- i para-.

Dodatkowo należy uwzględnić fakt, iż w obecności podstawnika elektrodonorowego pozycje orto- i para- są bardziej podatne na atak nukleofila, ponieważ w tych miejscach jest zlokalizowany większy ładunek ujemny. Wzrost ładunku ujemnego w pozycji orto- i para- uaktywnia pierścień aromatyczny na reakcje S_E, co objawia się zwiększeniem szybkości reakcji.

Inna jest sytuacja, kiedy w reakcję S_E wchodzi aren zawierający podstawnik elektroakceptorowy (EWG). Podstawnik taki poprzez wyciąganie elektronów dezaktywuje pozycje orto- i para-.

W addukcie powstałym po ataku elektrofila na pozycje orto- do podstawnika o właściwościach EWG można wyodrębnić trzy graniczne struktury mezomeryczne, przy czym jedna ma charakter destabilizujący, jako że ładunek + jest zlokalizowany w sąsiedztwie podstawnika elektroakceptorowego. Dwa ładunki + na sąsiadujących atomach destabilizują układ.

Podobnie jest w przypadku ataku elektrofila na pozycję para-.

W jednej z trzech struktur granicznych dochodzi do destabilizacji.

Natomiast po ataku elektrofila w pozycję meta- w żadnej ze struktur granicznych nie obserwuje się destabilizacji.

Addycja elektrofila w pozycję meta- w stosunku do podstawnika o właściwościach EWG nie prowadzi do destabilizacji układu. Jednak jego obecność dezaktywuje aren na reakcję S_E na skutek wyciągania elektronów z pierścienia. Podobnie jak podstawniki EDG najsilniej aktywują pierścień w pozycji orto- i para, tak też podstawniki EWG w tych samych pozycjach najsilniej dezaktywują pierścień na reakcje S_E.

Podstawniki należące do grupy III - halogeny kierują elektrofil w położenie orto- lub para-. Jest to wynik efektu +M, który zwiększa ładunek ujemny w tych pozycjach, czyniąc je bardziej podatne na atak odczynnika elektrofilowego.

Jednocześnie efekt indukcyjny halogenów -I powoduje obniżenie szybkości reakcji S_E halogenoarenów, tzn. że halogeny dezaktywują pierścień na podstawienie elektrofilowe. Warto zwrócić uwagę (Tabela 10.1), iż największy dezaktywujący wpływ ma fluor i że ten wpływ słabnie wraz z odległością - silniejszy jest w pozycji orto- niż w para-. Efekt indukcyjny wywołuje zmianę gęstości elektronowej wiązań σ, a mezomeria powoduje przesunięcie elektronów , wobec czego atom halogenu jest σEWG i równocześnie EDG.

Podstawniki elektronodonorowe (EDG): Podstawniki elektronoakceptorowe (EWG):

Zadanie: przypisz efekty poszczególnym podstawnikom

Podstawniki elektrodonorowo-elektroakceptorowe (EDG/EAG):

13.3 Substytucja elektrofilowa dipodstawionego benzenu - sumowanie efektów kierujących

Efekty kierujące dwóch podstawników związanych z pierścieniem aromatycznym sumują się lub odejmują w zależności od ich kierunku i wzajemnego położenia.

1. Efekty kierujące podstawników grupy I i II znajdujących się względem siebie w położeniach orto- lub para- sumują się. Przykładem może być nitrowanie 4-nitrotoluenu - obie grupy kierują drugą grupę nitrową w położenie 2.

2. Efekty kierujące podstawników grupy I znajdujących się względem siebie w położeniach orto- lub para- mają działanie przeciwne. O podstawieniu decyduje grupa o silniejszym efekcie.

Zadanie: wyjaśnij, co zadecydowało o powstaniu 2-bromo-4-metylofenolu podczas bromowania p-krezolu .

3. Trzeci, nowo wchodzący podstawnik rzadko zajmuje położenie 2- pomiędzy podstawnikami ulokowanymi w pozycjach 1- i 3-.

13.4 Reakcje S_E naftalenu

Naftalen jest bardziej podatny na reakcje substytucji S_E niż benzen. W jego cząsteczce znajdują się dwie nierównocenne pozycje, w których atom H1 lub H2 ( lub ) może być podstawiony przez elektrofil.

W reakcjach S_E łatwiej wymianie ulega atom H1.

Większą reaktywność naftalenu w pozycji 1 tłumaczy się większą trwałością adduktu powstającego po przyłączeniu elektrofila właśnie w pozycję 1 a nie 2 (silniejsza delokalizacja niż pozycj1).

Po przyłączenie elektrofila w pozycję 1 w strukturach rezonansowych 1, 2 i 6 w pierścieniu B zostaje zachowana aromatyczność (pełny sekstet elektronów ), co jest energetycznie korzystne.

Natomiast po przyłączeniu elektrofila w pozycje 2 mniej jest mezomerycznych struktur granicznych i tylko w dwóch zachowana zostaje pełna aromatyczność - w 1 i 5.

13.4.1 Sulfonowanie naftalenu

Kierunek reakcji sulfonowania naftalenu zależy od temperatury procesu; w niskich temperaturach w produktach przeważa kwas 1-naftaleno sulfonowy, a wraz ze wzrostem temperatury rośnie udział kwasu 2-naftalenosulfonowego. Ponadto reakcja jest równowagowa - podczas ogrzewania izomeru 1- dochodzi do przekształcania go w izomer 2-. Wytłumaczenie tego zjawiska jest proste. W niskich temperaturach powstaje więcej tego produktu, który tworzy się z większą szybkością; mówimy wówczas o kinetycznej kontroli reakcji. W przypadku naftalenu pozycja 1- jest aktywniejsza. W miarę podwyższania temperatury zaczyna przeważać izomer termodynamicznie trwalszy, w tym przypadku kwas 2-naftalenosulfonowy. W podwyższonej temperaturze dominuje termodynamiczna kontrola reakcji.

Przemiana kwasu 1-naftalenosulfonowego w 2-naftalenosulfonowy jest możliwa dzięki temu, że reakcja sulfonowania jest reakcją odwracalną.

13.4.2 Reakcje substytucji elektrofilowej podstawionego naftalenu

W cząsteczce naftalenu drugi podstawnik elektrofilowy zajmuje pozycję zgodnie z regułami reakcji S_E. Podstawnik grupy I aktywuje „swój” pierścień i kieruje nowy podstawnik w położenie 2 lub/i 4.

Warto zwrócić uwagę, że bromowanie naftalenu nie wymaga katalizatora, ponieważ jest on bardziej podatny na reakcję S_E niż benzen.

Podstawnik elektroakceptorowy (EWG) dezaktywuje „swój” pierścień, dlatego do substytucji dochodzi w drugim pierścieniu.

13.4.3 Polisulfonowanie naftalenu

Naftalen w zależności od warunków sulfonowania, głównie temperatury i stężenia kwasu siarkowego, można przeprowadzić z kwasy naftalenopolisulfonowe, aż do tetrasulfonowego. Polisulfonowanie biegnie wg określonych reguł.

Reguła 1

Druga grupa sulfonowa zostaje wprowadzona do drugiego pierścienia, ponieważ pierwszy jest dezaktywowany obecnością grupy -SO₃H - podstawnik II grupy, dezaktywuje i kieruje nowy podstawnik w położenie meta-.

Reguła 2

Grupa -SO₃H nie zajmuje pozycję peri-, tzn. 1,8 lub 4,5. W tych sąsiadujących z sobą pozycjach jest za mało miejsca na dwie grupy sulfonowe obok siebie.

Reguła 3

Kolejna (trzecia) grupa sulfonowa zajmie pozycję meta- w stosunku do już obecnej, nie można, więc wprowadzić drugiej grupę -SO₃H do pierścienia, w którym znajduje się grupa sulfonowa w pozycji 2.

Możliwe produkty sulfonowania naftalenu

Zadanie: nazwij poszczególne kwasy naftalenosulfonowe

13.5 Reakcje substytucji nukleofilowej arenów - S_N

Charakterystyczną reakcją związków aromatycznych jest substytucja elektrofilowa S_E. Zdarza się jednak, że związki te ulegają substytucji nukleofilowej S_N; jest to jednak sytuacja nietypowa. Reakcji S_N ulegają głównie halogenki alkilowe i inne pochodne o podobnych właściwościach, np. estry - siarczany, fosforany czy tosylany.

S_N

Alk-X + Nu __→ Alk-Nu + X^-

HOH

bromek etylu CH₃CH₂-Br + NaCN __→ CH₃CH₂-CN + Na⁺ Br^- cyjanek etylu



Takiej reakcji nie ulegają halogenki winylowe, podobnie jak i arylowe.

Hydroliza halogenku fenylowego jest możliwa, ale dopiero w bardzo drastycznych warunkach.

chlorek fenylu fenol

Reakcje S_N halogenków arylowych biegną w łagodniejszych warunkach pod wpływem silniejszych zasad,

albo kiedy halogen „aromatyczny” jest uaktywniony grupą elektoakceptorową.

Im więcej grup uaktywniających substytucję nukleofilowa, tym łatwiej reakcja biegnie.

2,4-Dinitrochlorobenzen hydrolizuje już pod wpływem wrzącego roztworu węglanu sodu, a z wodorotlenkiem sodu reakcja jest wydajna w temperaturze 80^oC.

Jeszcze łatwiej hydrolizuje 2,4,6-trinitrochlorobenzen.

Spośród halogenoarenów najłatwiej wymianie ulega fluor.

Te właściwości mogą dziwić, ponieważ chlorki alkilowe są zwykle znacznie bardziej reaktywne w reakcjach S_N niż odpowiednie fluorki.

Szereg szybkości w reakcjach S_N halogenków alkilowych wygląda następująco:

Natomiast reaktywność halogenków aryeowych przedstawia się odwrotnie - w reakcjach S_N najaktywniejsze są fluorki arylowe:

Ta odmienna podatność obu grup związków na działanie nukleofili świadczy o odmiennym mechanizmie reakcji. Za innym mechanizmem reakcji przemawia również to, że w warunkach reakcji S_N1 i S_N2 halogenki arylowe są nieaktywne. Brak reakcji biegnących wg mechanizmu S_N1 łatwo wytłumaczyć tym, że halogenki arylowe nie dysocjują na jony Ar⁺ i X^-, co jest warunkiem koniecznym dla typu reakcji. Niemożliwy jest również atak nukleofila na atom węgla z przeciwnej strony do halogenu, co jest wymagane w reakcjach biegnących wg mechanizmu S_N2, ponieważ dostępu od tej strony broni pierścień aromatyczny.

13.5.1 Mechanizm reakcji S_N - addycja/eliminacja

Halogenki arylowe uaktywnione obecnością elektroakceptorowych podstawników reagują z nukleofilami wg mechanizmu adycja/eliminacja, co oznacza, że pierwszym etapem reakcji jest addycja nukleofila do atomu węgla związanego z halogenem, zmiana hybrydyzacji na tym atomie z sp² na sp³, po czym następuje odtworzenie aromatyczności poprzez odszczepienie anionu halogenkowego (eliminacja). Atak nukleofila na atom węgla związany z halogenem jest ułatwiony, ponieważ w tym miejscu występuje deficyt elektronów δ+.

Addukt nukleofila z halogenkiem arylowym nazywany kompleksem Meisenheimera, jest stabilizowany mezomerycznie.

Jacob Meisenheimer (1876-1934); ur. w Greisheim, Niemcy; doktorat w monachium; prof. w Berlinie, Greifswaldzie i Tybindze.

Zadanie: przedstaw graniczne wzory mezomeryczne kompleksu Meisenheimera.

Reakcjom S_E związków aromatycznych sprzyjają podstawniki typu EDG ulokowane w pozycjach orto- i para-, natomiast reakcje S_N uaktywniają podstawniki EWG w położeniach orto- i para- w stosunku do grupy odchodzącej.

13.5.2 Mechanizm reakcji S_N - eliminacja/addycja

Inny jest mechanizm reakcji S_N nieuaktywnionych halogenków arylowych, które jak zostało pokazane powyżej też ulegają pewnym reakcjom, np. hydrolizie. Reakcje te wymagające bardzo drastycznych warunków biegną wg mechanizmu nazwanego eliminacja/addycja. Wysoka temperatura i silna zasada powodują oderwanie (eliminację) protonu, w wyniku czego tworzy się benzyn - węglowodór cykliczny zawierający jedno potrójne i dwa wiązania podwójne. W następnej kolejności do benzynu przyłącza się odczynnik nukleofilowy (addycja).

13.6 Benzyn

Benzyn jest nietrwałym, bardzo reaktywnym produktem, który powstaje w wysokiej temperaturze z odpowiednio podstawionych arenów pod wpływem silnych zasad. Tworzenie się benzynu stanowi pierwszy etap reakcji S_N arenów (eliminację), w drugim następuje addycja, np. cząsteczki HOH.

Benzyn powstaje w znacznie łagodniejszych warunkach w reakcji z bardzo silnymi zasadami, np. amidkami.

Temperatura reakcji -33^oC jest determinowana temperaturą wrzenia amoniaku.

Reakcja addycji wody czy amoniaku do benzynu też zachodzi etapowo.

Zadanie: przedstaw etapy addycji cząsteczki wody do benzynu.

Benzynu nie udało się wyizolować, jednak jego istnienie potwierdzono dowodami pośrednimi. Jednym z nich jest reakcja amonolizy bromku fenylu zawierającego izotop ¹⁴C w pierścieniu benzenu w miejscu przyłączenia bromu.

Gdyby reakcja biegła mechanizmem S_N1 lub S_N2, a nawet addycji/eliminacji powstawałby produkt zawierający grupę aminową wyłącznie przy C*.

Zadanie: przedstaw powyższą reakcję biegnąca hipotetycznie mechanizm S_N1 lub addycji/eliminacji.

Innym pośrednim dowodem na istnienie benzynu jest jego reakcja z furanem. Jeżeli w warunkach tworzenia się benzynu do środowiska reakcji zostanie dodany furan to izoluje się produkt, który mógł powstać jedynie w reakcji Dielsa-Adlera i tylko furanu z benzynem.

13.7 Halogenowanie alkiloarenów w łańcuchu bocznym

W alkiloarenach, pod wpływem chloru lub bromu w warunkach reakcji rodnikowej albo w wyniku działania N-bromoimidu kwasu bursztynowego (NBS) dochodzi do substytucji atomów wodoru .

Atom wodoru w położeniu  do pierścienia aromatycznego ma takie same właściwości jak allilowy atom wodoru, łatwo więc ulega halogenowaniu pod wpływem chloru czy bromu na świetle lub znanego odczynnika bromującego jakim jest NBS. Reakcja biegnie wg mechanizmu rodnikowego. Karborodnik allilowy (-arenowy) tworzy się łatwo, ponieważ jest stabilizowany mezomerycznie.

Pierwszym etapem reakcji jest utworzenie rodnika halogenkowego.

Następnie rodnik halogenkowy odrywa rodnik wodorowy z pozycji  alkiloarenu i powstaje stabilizowany mezomerycznie rodnik benzylowy. On z kolei w reakcji z cząsteczką halogenu przekształca się odpowiednią pochodną, przy czy generuje się nowy rodnik halogenkowy. Reakcja biegnie mechanizmem łańcuchowym.

13.8 Reakcje addycji do pierścienia aromatycznego - chlorowanie benzenu

Areny jak wiadomo trudno ulegają reakcji addycji, ponieważ powoduje ona utratę aromatyczności; jest więc niekorzystna energetycznie. W pewnych warunkach można ją jednak wymusić. Benzen w reakcji z chlorem pod wysokim ciśnieniem w podwyższonej temperaturze, lub naświetlany światłem ultrafioletowym przyłącza 3 mole chloru przekształcając się w 1,2,3,4,5,6-heksachloroheksan, dawniej zwany sześciochlorkiem benzenu (BHC).

W reakcji tej powstaje mieszanina wielu stereoizomerów, pośród których znajduje się izomer owodobójczy γ, zwany lindanem - 1(a),2(a),3(a),4(e),5(e)6(e)-heksachlorocykloheksen. Handlowy lindan (znany również jako gammeksan) nie powinien zawierać izomeru δ, który jest szkodliwy dla roślin.

Niestety lindan wykazuje nie tylko działanie owadobójcze, jest również szkodliwy dla zwierząt i ludzi. Z tego powodu jego stosowanie w krajach rozwiniętych jest zakazane. Nadal stosuje się go w wielu innych krajach, szczególnie w ubogich krajach afrykańskich i w konsekwencji poprzez ruchy powietrza oraz jako składnik eksportowanych produktów żywnościowych dociera do wszystkich zakątków globu.

13.9 Utlenianie alkiloarenów

Utlenianie monoalkiloarenów, niezależnie od długości łańcucha alkilowego, prowadzi do kwasu benzoesowego. Niepodatne na utlenienie są reszty alkilowe przyłączone do pierścienia poprzez 3^o atom węgla, np. t-butylobenzen jest odporny na działanie utleniaczy.

W ten sposób otrzymuje się wiele podstawionych kwasów aromatycznych.

Utlenianie p-ksylenu jest przemysłową metodą otrzymywania kwasu tereftalowego. Jego światowa produkcja sięga milionów ton rocznie; służy głównie do wyrobu włókien syntetycznych.

Alkilobenzeny ulegają też utlenieniu do wodoronadtlenków. Z kumenu powstaje wodoronadtlenek, półprodukt do otrzymywania fenolu i acetonu.

13.10 Redukcja arenów

Katalityczna redukcja benzenu jest możliwa tylko w drastycznych warunkach - w podwyższonej temperaturze, pod wysokim ciśnieniu, wobec takich katalizatorów jak Pt, Pd, Ni, Ru czy Rh. Przyłączenie pierwszego mola wodoru niszczy układ aromatyczny i redukcja biegnie dalej łatwiej.

Proces ten jest wykorzystywany w przemysłowej metodzie otrzymywania czystego cykloheksanu, bowiem wyodrębnianie go poprzez destylację frakcyjną z ropy naftowej nie daje jednorodnego produktu.

Podczas redukcji dipodstawionego benzenu powstaje mieszanina steroizomerów (cis- i trans-).

Zadanie: napisz wzory obu izomerów 1,3-dimetylocykloheksanu.

Katalityczne uwodornienie izolowanego pierścienia aromatycznego stosowane jest w przemyśle do otrzymywania, np. cykloheksanolu z fenolu.

Platyna jako katalizator pozwala na obniżenie ciśnienia i temperatury reakcji uwodornienia.

Jeszcze łatwiej związki aromatyczne redukuje się wodorem w obecności katalizatora rodowego.

13.10.1 Uwodornienie selektywne

Pierścień aromatyczny ulega trudno redukcji katalitycznej, bowiem jego uwodornienie powoduje zanik aromatyczności, a tym samym utratę energii rezonansu. Z tego powodu można selektywnie przeprowadzić redukcję łańcuchów bocznych arenów. W 4-fenylobut-3-en-2-onie najłatwiej, redukuje się wiązanie podwójne za pomocą wodoru w obecności palladu. Nienaruszona zostaje grupa karbonylowa i układ aromatyczny, zaś za pomocą wodorku udaje się przekształcić nienasycony keton aromatyczny w nienasycony alkohol aromatyczny.

W naftalenie łatwiej jest uwodornić jeden pierścień niż oba równocześnie. Jest to przemysłowa metoda otrzymywania tetraliny.

13.10.2 Redukcja metalami

Areny podobnie jak alkiny reagują w amoniaku z metalami alkalicznymi, a produktami tej reakcji są dihydroareny, tzn. związki częściowo zredukowane. Tego efektu nie da się osiągnąć za pomocą redukcji wodorem wobec katalizatorów, ponieważ w pierwszym etapie takiego uwodornienia tworzy się sprzężony dien, który uwodornia się łatwiej niż aren, wobec czego redukcja biegnie aż do całkowitego wysycenia pierścienia wodorem.

Natomiast redukcja benzenu litem lub sodem w amoniaku zatrzymuje się na etapie dihydropochodnej. Reakcja ta nosi nazwę jej odkrywcy - redukcji Bircha (1944 r.). Alkohol pełni rolę donora protonów.

Mechanizm tej redukcji jest identyczny jak dla reakcji alkinów sodem lub litem w amoniaku. Zaczyna się od przeniesienia elektronu (SET) z atomu metalu do pierścienia aromatycznego i utworzenia anionorodnika, który po pobraniu protonu z rozpuszczalnika przekształca się w rodnik.

benzen anionorodnik rodnik

Następnie rodnik po kolejnym przeniesieniu elektronu staje się anionem, który stabilizuje się w wyniku protonowania. Reakcja zatrzymuje się na tym etapie, ponieważ utworzony dien nie wykazuje powinowactwa do przyjęcia następnego elektronu.

rodnik karboanion cykloheksa-1,4-dien

Podczas redukcji Bircha przejściowo powstają karboaniony, wobec tego podstawniki przy pierścieniu aromatycznym będą miały wpływ zarówno na szybkość reakcji, jak i jej kierunek. Podstawniki typu EDG utrudniają reakcję (poprzez destabilizację karboanionu), a podstawniki EWG sprzyjają tworzeniu karboanionu. Jak widać ich wpływ jest przeciwny do obserwowanego w reakcjach aromatycznej substytucji elektrofilowej.

benzaldehyd 3-formylocyklohesa-1,4-dien metoksybenzen 1-metoksycykloheksa-1,4-dien

Lit i t-butanol używane są do redukcji związków zawierających silnie dezaktywujące podstawniki (EWG), a więc arenów mniej podatnych na redukcję Bircha.

1

---