Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση

Transcript

1 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση Νικόλαος Αργυρόπουλος Θεσσαλονίκη 2007

2 Τυπικές αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης αρωµατικής υποκατάστασης

3 Ηλεκτρονιόφιλη προσθήκη στα αλκένια Μηχανισµός C C C C C C Το ηλεκτρονικό ζεύγος του διπλού δεσµού προσβάλει το ηλεκτρονιόφιλο όξινο υδρογόνο. Το σχηµατιζόµενο καρβοκατιόν προσβάλλεται από το πυρηνόφιλο χλωριούχο ανιόν.

4 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση Βρωµίωση Br Br Ένα ηλεκτρονικό ζεύγος του βενζολικού δακτυλίου προσβάλει το Br 2 και σχηµατίζεται το ενδιάµεσο καρβοκατιόν Αργά Br Γρήγορα Br + Br Το ενδιάµεσο καρβοκατιόν χάνει ένα πρωτόνιο και σχηµατίζεται το ουδέτερο προϊόν υποκατάστασης µε ανάκτηση της αρωµατικότητας

5 Αρωµατικότητα-17 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση Μηχανισµός: + slow = fast + Βραδύ στάδιο: Προσβολή ηλεκτρονιόφιλου από το π νέφος του αρωµατικού συστήµατος. Σχηµατισµός αλλυλικού τύπου καρβοκατιόντος (Σύµπλοκο Wheland). Ενδόθερµο στάδιο µε καταστροφή της αρωµατικότητας. Μικρή σταθεροποίηση λόγω διασποράς του θετικού φορτίου. Ταχύ στάδιο: :Απόσπαση πρωτονίου. Εξώθερµο στάδιο. Επανάκτηση αρωµατικότητας

6 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση Απουσία ισοτοπικού φαινοµένου + slow fast D + slow D fast D Οι ταχύτητες δεν αλλάζουν από την παρουσία ή όχι βαρέος ισοτόπου. Η λύση του δρσµού C-D είναι θεωρητικά βραδύτερη από τη λύση του δεσµού C-. Αρα προηγείται βραδύ στάδιο που είναι ο σχηµατισµός του π-συµπλόκου

7 Αρωµατικότητα-18 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση Ενεργειακό διάγραµµα Br Br a Br Br G 0 Reaction coordinates

8 Αρωµατικότητα-19 Οµοιότητες κα διαφορές ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε διπλούς δεσµούς και Ηλεκτρονιόφιλης αρωµατικής υποκατάστασης Br Τυπικό καρβοκατιόν a Αλλυλικό καρβοκατιόν Br Br G 0 Br Br a Br G 0 Br Reaction coordinates

9 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Ενεργειακό προφίλ ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης σε διπλό δεσµό και σε αρωµατικό σύστήµα G # Αλκενίου Ενέργεια G # Βενζολίου G # Αλκενίου<< G # Βενζολίου Πρόοδος αντίδρασης

10 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα Υποκατάσταση µη ισοτίµων υδρογόνων X X X X o- m- p- ipso X o 2 1 ipso o 2 ο = ορθο- m= µετα- p=παρα- m 3 4 p 3 m

11 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-2 Κατηγορίες υποκαταστατών: νεργοποιοί υποκαταστάτες: Αύξηση της ταχύτητας σε σχέση µε το βενζόλιο. ο-και π- προσανατολισµός του νεοεισερχόµενου υποκαταστάτη Ανενεργοποιοί υποκαταστάτες: Μείωση της ταχύτητας σε σχέση µε το βενζόλιο. ο-και π- Προσανατολισµός του νεοεισερχόµενου υποκαταστάτη. Ανενεργοποιοί υποκαταστάτες: υσκολία και µικρή ταχύτητα των αντιδράσεων. µ- προσανατολισµός του νεοεισερχόµενου υποκαταστάτη. Ηδράση του προϋπάρχοντος υποκαταστάτη στην δραστικότητα και τον προσανατολισµό της προσθήκης εξηγείται µε βάση τη επίδραση που έχει στο σχηµατισµό του ενδιάµεσου σ-συµπλόκου, κατά πόσο δηλ. σταθεροποιείται ή όχι από τα ηλεκτρονικά του φαινόµενα (Επαγωγικό η και συζυγιακό).

12 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-3 Επαγωγική δράση υποκαταστατών -Ι Επαγωγικό φαινόµενο: Ελάττωση ηλεκτρονικής πυκνότητας αρωµατικού συστήµατος δ δ δ δ N X δ δ C N δ δ +Ι Επαγωγικό φαινόµενο: Αύξηση ηλεκτρονικής πυκότητας αρωµατικού συστήµατος δ C 3 δ

13 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-4 Συζυγιακή δράση υποκαταστατών Συζυγιακοί δέκτες: Ελκουν ηλεκτρόνια από το συζυγιακό σύστηµα. Συζυγιακοί δότες: Προσφέρουν ηλεκτρόνια στο συζυγιακό σύστηµα. X X X X

14 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-4 ραστικότητα υποκατεστηµένων αρωµατικών ενώσεων N x10-8 ραστικότητα

15 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-5 ραστικότητα υποκατεστηµένων αρωµατικών ενώσεων Y Y Επαγωγικό φαινόµενο: Y Y (α) Υ=δότης: Το ενδιάµεσο καρβοκατιόν σταθεροποιείται και το αρωµατικό σύστηµα είναι δραστικότερο ραστικότητα (β) Υ=δέκτης:Το ενδιάµσο καρβοκατιόν αποσταθεροποιείται και το αρωµατικό σύστηµα είναι λιγότερο δραστικό

16 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-5 οµές συντονισµού ενδιαµέσων σ-συµπλόκων X X X X X X X X X

17 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-6 οµές συντονισµού ενδιαµέσων σ-συµπλόκων. Επαγωγικοί δότες C 3 C 3 C 3 N 2 N 2 N 2 C 3 C 3 C 3 C 3 N 2 C 3 C 3 C 3 Ενδιάµεσα καρβοκατιόντα:τα ο- και π- είναι σταθερότερα από τα µ-.

18 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-7 οµές συντονισµού ενδιαµέσων σ-συµπλόκων. Συζυγιακοί δότες-ενεργοποιοί Ενδιάµεσα καρβοκατιόντα:τα ο- και π- είναι σταθερότερα από τα µ- λόγω συµµετοχής του µονήρους ηλεκτρονικού ζεύγους του οξυγόνου στο συντονισµό.

19 Ενδιάµεσα καρβοκατιόντα:τα ο- και π- είναι σταθερότερα από τα µ- λόγω συµµετοχής του µονήρους ηλεκτρονικού ζεύγους του χλωρίου στο συντονισµό Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-8 οµές συντονισµού ενδιαµέσων σ-συµπλόκων. Αλογόνα (+R, -I)

20 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-9 οµές συντονισµού ενδιαµέσων σ-συµπλόκων. έκτες I, -R.

21 Συνοπτικός πίνακας επιδράσεων υποκαταστατών

22 Κλίµακα δραστικότητας υποκαταστατών

23 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-12 Πολυυποκατεστηµένα παράγωγα C NR NR C 3 Ο νεοεισερχόµενος υποκαταστάτης µπαίνει σε θέσεις που καθορίζονται από τους πλέον ενεργοποιούς προϋπάχοντες υποκαταστάτες

24 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-13 Πολυυποκατεστηµένα παράγωγα C NR NR C 3 Όχι στη θέση αυτή N 2 C 3 Συνεργασία υποκαταστατών Ισοδυναµία υποκαταστατών

25 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-14 Πολυυποκατεστηµένα παράγωγα Ανταγωνισµός υποκαταστατών Κυρίως N 2 Ελάχιστα Όχι στη θέση αυτή Ο νεοεισερχόµενος υποκαταστάτης µπείνει σε π-θέση ως προς τον ενεργοποιό υποκαταστάτη και καθόλου σε ο-θέση (o-effect)

26 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-15. Ipso-Υποκατάσταση C 3 C 3 C 3 N 2 C 3 N 2 (C 3 C) 2 N 2 3 C C 3 N 2 3 C C 3 3 C C 3 ipso-προϊόν (10 %) κανονικά προϊόντα 82 % και 10 % αντίστοιχα ipso-αποχωρούσες οµάδες N CR C I SiMe 3

27 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλογόνωση -1 Σχηµατισµός ηλεκτρονιόφιλου αντιδραστηρίου X 2 + FeX 3 X + FeX 4 X + FeX 4 X + X + FeX 3 X X X =, Br

28 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Φθορίωση Φθορίωση; Mε µοριακό φθόριο γίνεται κατά µη ελεγχόµενο τρόπο Αντιδραστήρια φθορίωσης είναι η ένωση XeF 2 και ο µικτός ακετυλουποφθοριώδης ανυδρίτης :C 3 CF που προκύπτει από αντίδραση F 2 µε C 3 CNa Ελεγχόµενη φθορίωση µε αέριο φθόριο σε αραιό µίγµα µε αέριο ήλιο σε χαµηλή θερµοκρασία Εισαγωγή φθορίου σε αρωµατικό πυρήνα µέσω αντιδράσεων µε διαζωνιακά άλατα. Ar N N BF 4 ArF + N 2 + BF 3 Αντίδραση Shiemann

29 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλογόνωση 2. Ιωδίωση: Απευθείας γίνεται µόνο σε ενεργοποιηµένα συστήµατα π.χ αµίνες και φαινόλες Σχηµατισµός ηλεκτρονιόφιλου αντιδραστηρίου (i) I χλωριούχο ιώδιο (ii) I 2 + 4N 3 2 I N N 3 2 I + 2

30 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλογόνωση αµινών και φαινολών Επίδραση αραιού υδατικού διαλύµατος αλογόνου + Ακολουθεί υποκατάσταση όλων των υδρογόνων ο και π θέσεως. Το ίδιο ισχύει και µε αρωµατικό υπόστρωµα αµίνες

31 Νίτρωση αρωµατικών ενώσεων-1 Σχηµατισµός ηλεκτρονιόφιλου αντιδραστηρίου N + 2 S 4 N + S 4 N 2 = 2 N + 2 Οξύ νιτρώσεως: Μίγµα πυκνού 2 S 4 και πυκνού ΗΝΟ 3 (ίσες ποσότητες) κατάλληλο για νιτρώσεις βενζολίου και αλκυλοβενζολίων

32 Νίτρωση αρωµατικών ενώσεων-2 Μηχανισµός 2 + N 2 N 2 N 2 Νιτροβενζόλιο

33 Νίτρωση αρωµατικών ενώσεων-3 Νίτρωση ενεργοποιηµένων δακτυλίων N 3 + N N N Νίτρωση υπό άνυδρες συνθήκες N 2 5 = N2 N 3 (Σε διάλυµα C 4 παρουσία Ρ 2 Ο 5 ) Άλλα αντιδραστήρια νίτρωσης Άλατα νιτρωνίου (Εµπορικά διαθέσιµα) N 2 BF 4 N 2 CF 3 S 3

34 Σουλφονίωση αρωµατικών ενώσεων-1 Μηχανισµός + S 2 S 4 S + S 4 S S 3 S

35 Σουλφονίωση αρωµατικών ενώσεων-2 1. Na, C 3 C S , 3 C Σύντηξη µε πυκνά αλκάλια / 2 3 C Αποµάκρυνση σουλφονικής οµάδας)

36 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλκυλίωση Friedel Crafts -1 Το ηλεκτρονιόφιλο είναι ένα καρβοκατιόν και σχηµατίζεται από ένα αλκυλαλογονίδιο µε την επίδραση Al 3 Ένα ηλεκτρονικό ζεύγος από τον αρωµατικό δακτύλιο προσβάλει το καρβοκατιόν και προκύπτει ένα καινούργιο καρβοκατιόν C 3 C C 3 + Al 3 3 C C C 3 Al C C C 3 Al 4 + C 3 C C 3 C 3 C C 3 Ηαπόσπαση ένός πρωτονίου από το ενδιάµεσο σχηµατίζεται το τελικό αλκυλοβενζόλιο

37 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλκυλίωση Friedel Crafts -1 C 3 C 2 C C 3 C C 3 C 2 Al 3 3 C 3 C 3 C C 3 C 2 3 C C 3 3 C C 2 3 C C C 3 C 2 C 3 Μετάθεση ενός πρωτοταγούς καρβοκατιόντος προς τριτοταγές κατά την αντίδραση Friedel Crafts

38 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλκυλίωση Friedel Crafts -1 Μεταθέσεις καρβοκατιόντων + C 3 C 2 C 2 Al 3 C 3 C C 3 C 3 κύριο προϊόν ίχνη C 3 + C 3 C 2 C 2 C 2 Al 3 C 2 C 2 C 2 C 3 C 3 35 % 65 %

39 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλκυλίωση Friedel Crafts -1 Μεταθέσεις καρβοκατιόντων C 3 C 3 C C3 Al + C 3 CC 2 3 C 3 ισοβουτυλοχλωρίδιο Μοναδικό προϊόν C 3 + C 3 CC 2 C 3 νεοπεντυλοχλωρίδιο C 3 CC BF 2 C 3 3 C 3 Μοναδικό προϊόν

40 Άλλες πηγές καρβοκατιόντων R + R + 2 +

41 Μειονεκτήµατα αλκυλίωσης Friedel Crafts υσκολία σχηµατισµού µονοπαραγώγων. Μεταθέσεις καρβοκατιόντων. ιαφορική κατανοµή αλκυλοοµάδων : ισοµεριώσεις ο- και π- διπαραγώγων στα σταθερότερα µ- παράγωγα. εν αλκυλιώνονται ανενεργοποιηµένοι δακτύλιοι, π.χ. το νιτροβενζόλιο (επόµενη διαφάνεια). Αν και οι φαινόλες αλκυλιώνονται κανονικά οι υποκαταστάτες, -N 2, -R, δεν διευκολύνουν την αντίδραση και συµπλέκονται µε τον καταλύτη

42 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλκυλίωση Friedel Crafts -1 Περιορισµοί κατά την αλκυλίωση Y + R Al 3 ΕΝ ΑΝΤΙ ΡΑ Όταν Υ =-NR 3, -N 2, -CN, -S 3, -C -CC 3, -C, -CC 3, (-N 2, -NR, -NR 2 ) εν λαµβάνει χώρα αντίδραση εάν το υπόστρωµα περιέχει ως υποκαταστάτη οποιονδήποτε από τους παραπάνω δέκτες ηλεκτρονίων

43 Ακυλίωση αρωµατικών ενώσεων Friedel Crafts R Al 3 R C R C Al 4 C Ακύλο κατιόν + R C R R + Μηχανισµός ακυλίωσης Friedel Crafts: Το ηλεκτρονιόφιλο αντιδραστήριο είναι το κατιόν ακύλιο

44 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Ακυλίωση αρωµατικών ενώσεων Friedel Crafts -3 Πηγές ακυλίου κατιόντος R Al 3 R Al 3 Χλωρίδια οξέων R R R R Al 3 + Al 3 Ανυδρίτες οξέων R R 2 R 2 + Καρβονικά οξέα

45 Χαρακτηριστικά ακυλίωσης: Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Ακυλίωση αρωµατικών ενώσεων Friedel Crafts -3 (α) Στοιχειοµετρική αναλογία καταλύτη λόγω σχηµατισµού συµπλόκου µε το τελικό προϊόν Al 3 R (β) Ανενεργοποίηση αρωµατικού συστήµατος (µ-προσανατολισµός). (γ) υσχέρεια στην εισαγωγή νέου υποκαταστάτη.

46 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Ακυλίωση αρωµατικών ενώσεων Friedel Crafts -4 Σύνθεση κετονών Συνθετικές εφαρµογές Ενδοµοριακές αλκυλιώσεις ακυλιώσεις Αλκυλιώσεις χωρίς παραπροϊόντα (Αναγωγή κετονών προς υδρογονάνθρακες) Al 3 αναγωγή (Aναγωγή Wolf Kishner [ 2 NN 2 /K]) (Aναγωγή emensen [αµάλγαµα Zn/ ])

47 Άλλες ηλεκτρονιόφιλες αρωµατικές υποκαταστάσεις D 2 S 4 D D + ευτερίωση: Ισοτοπική ανταλλαγή N + 2 N 2 + N R 2 N + N R 2 N N Νιτρώδωση: Η αντίδραση γίνεται µόνο σε ενεργοποιηµένα συστήµατα + S S 2 Χλωροσουλφονίωση Επίδραση χλωροσουλφονικού οξέος. Συνθήκες ανάλογες µε τηνσουλφονίωση + S R Σουλφονυλίωση : Al S 2 R 3 Εισαγωγή της οµάδας -S 2 R Επίδραση σουλφονυλοχλωριδίου παρουσία Al 3. Συνθήκες ανάλογες µε την ακυλίωση Friedel Crafts

48 Άλλες ηλεκτρονιόφιλες αρωµατικές υποκαταστάσεις + C + Al 3 C Al 4 Ar + C Ar C Φορµυλίωση: Εισαγωγή της οµάδας -C= Αντίδραση Gattermann Coch C 2 = + C 2 = C 2 - Zn Ph- + C 2-2 PhC 2 PhC 2 - Χλωροµεθυλίωση:Εισαγωγή της οµάδας -C 2 Αντίδραση Blanc