Ε. Μαλαμίδου-Ξενικάκη

Transcript

1 Ε. Μαλαμίδου-Ξενικάκη Θεσσαλονίκη 2015

2 Ηλεκτρονιόφιλη προσβολή σε παράγωγα του βενζολίου Ασπιρίνη Η ασπιρίνη παρασκευάζεται βιομηχανικά με εκλεκτική ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση της φαινόλης. Ο ενεργός μεταβολίτης της, το 2-υδροξυβενζοϊκό οξύ (σαλικυλικό οξύ) παραλαμβάνεται από τον φλοιό της λευκής ιτιάς Ιβουπροφέν Ακεταμινοφέν Ναπροξέν

3 Ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση σε υποκατεστημένους αρωματικούς δακτυλίους Οι υποκαταστάτες επηρεάζουν τη δραστικότητα του αρωματικού δακτυλίου Οι υποκαταστάτες ελέγχουν και την τοποεκλεκτικότητα της αντίδρασης

4 Ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση σε υποκατεστημένους αρωματικούς δακτυλίους Η τοποεκλεκτικότητα ελέγχεται από τους υποκαταστάτες Οι υποκαταστάτες του βενζολίου διακρίνονται σε: ενεργοποιητές (δότες ηλεκτρονίων) που κατευθύνουν μία νέα ηλεκτρονιόφιλη προσβολή σε ορθο- και παρα-θέσεις και απενεργοποιητές (δέκτες ηλεκτρονίων) που γενικά κατευθύνουν τα ηλεκτρονιόφιλα σε μετα-θέσεις

5 Ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση του βενζολικού δακτυλίου από τους υποκαταστάτες Η ηλεκτρονική επίδραση κάθε υποκαταστάτη καθορίζεται από τη δράση δύο φαινομένων τα οποία μπορούν να λειτουργούν ταυτοχρόνως: το επαγωγικό φαινόμενο και το φαινόμενο συντονισμού Το επαγωγικό φαινόμενο εκδηλώνεται μέσω του σ σκελετού του μορίου, ελαττώνεται ταχέως με την απόσταση και εξαρτάται κυρίως από τη σχετική ηλεκτραρνητικότητα των ατόμων και την επακόλουθη πόλωση των δεσμών. Το φαινόμενο συντονισμού εκδηλώνεται μέσω των π δεσμών, δρα σε μεγαλύτερη απόσταση και είναι ιδιαίτερα ισχυρό σε συστήματα με φορτίο

6 Επίδραση επαγωγικών φαινομένων και φαινομένων συντονισμού των υποκαταστατών Επαγωγικά φαινόμενα υποκαταστατών Οι επαγωγικοί δέκτες έλκουν ηλεκτρόνια λόγω της πολικότητας των δεσμών τους Χ = F, Cl, Br, I Οι αλκυλομάδες προσφέρουν ηλεκτρόνια επαγωγικώς

7 Επίδραση επαγωγικών φαινομένων και φαινομένων συντονισμού των υποκαταστατών Συζυγιακά φαινόμενα υποκαταστατών Οι συζυγιακοί δότες προσφέρουν ηλεκτρόνια στον αρωματικό δακτύλιο μέσω συντονισμού Προσφορά ηλεκτρονίων στον βενζολικό δακτύλιο μέσω συντονισμού Δομές συντονισμού του χλωροβενζολίου Επαγωγικώς όμως, ομάδες όπως οι -NR, -OR και τα αλογόνα είναι δέκτες ηλεκτρονίων. Τα δύο φαινόμενα, επαγωγικό και συντονισμού, είναι στις περιπτώσεις αυτές ανταγωνιστικά

8 Επίδραση επαγωγικών φαινομένων και φαινομένων συντονισμού των υποκαταστατών Συζυγιακά φαινόμενα υποκαταστατών Οι συζυγιακοί δέκτες έλκουν ηλεκτρόνια από τον αρωματικό δακτύλιο μέσω συντονισμού Απομάκρυνση ηλεκτρονίων από τον βενζολικό δακτύλιο μέσω συντονισμού Δομές συντονισμού βενζαλδεΰδης

9

10 Ταξινόμηση της επίδρασης των υποκαταστατών στην ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση

11 Ερμηνεία της επίδρασης των υποκαταστατών Ενεργοποίηση και απενεργοποίηση αρωματικών δακτυλίων

12 Επαγωγικά φαινόμενα προσανατολισμού των αλκυλομάδων Ομάδες επαγωγικοί δότες ηλεκτρονίων : Ορθο- και παρα-κατευθυντήριοι ενεργοποιητές Τα ορθο- και παρα- ενδιάμεσα καρβοκατιόντα είναι σταθερότερα από το μετα-. Για στερεοχημικούς λόγους, επικρατεί το προϊόν από την παρα-θέση.

13 Επαγωγικά φαινόμενα προσανατολισμού των αλκυλομάδων Ομάδες επαγωγικοί δότες ηλεκτρονίων : Ορθο- και παρα-κατευθυντήριοι ενεργοποιητές Βρωμίωση του τολουολίου Μια πράσινη ακετυλίωση ενός αλκυλοβενζολίου

14 Επαγωγικά φαινόμενα προσανατολισμού των αλκυλομάδων Ομάδες επαγωγικοί δέκτες ηλεκτρονίων : Μετα-κατευθυντήριοι και απενεργοποιητές Ηλεκτρονιόφιλη προσβολή στο (τριφθορομεθυλο)βενζόλιο Ορθο-προσβολή Μετα-προσβολή Παρα-προσβολή

15 Επαγωγικά φαινόμενα προσανατολισμού των αλκυλομάδων Ομάδες επαγωγικοί δέκτες ηλεκτρονίων : Μετα-κατευθυντήριοι και απενεργοποιητές Ηλεκτρονιόφιλη νίτρωση του (τριφθορομεθυλο)βενζολίου

16 Κατευθυντικά φαινόμενα υποκαταστατών που βρίσκονται σε συζυγία με τον βενζολικό δακτύλιο Ομάδες δότες ηλεκτρονίων μέσω συντονισμού: Ορθο- και παρα-κατευθυντήριοι ενεργοποιητές Ορθο-προσβολή Μετα-προσβολή Παρα-προσβολή

17 Κατευθυντικά φαινόμενα υποκαταστατών που βρίσκονται σε συζυγία με τον βενζολικό δακτύλιο -ΟΗ και -ΝΗ 2 : Ορθο- και παρα-κατευθυντήριοι ενεργοποιητές Νίτρωση φαινόλης: Τα ορθο και παρα- ενδιάμεσα καρβοκατιόντα είναι σταθερότερα από το μετα- λόγω προσφοράς ηλεκτρονίων από το οξυγόνο μέσω συντονισμού.

18 Κατευθυντικά φαινόμενα υποκαταστατών που βρίσκονται σε συζυγία με τον βενζολικό δακτύλιο Ομάδες δότες ηλεκτρονίων μέσω συντονισμού: Ορθο- και παρα-κατευθυντήριοι ενεργοποιητές -ΟΗ και ΝΗ 2 : Ορθο- και παρα-κατευθυντήριοι πολύ ισχυροί ενεργοποιητές

19 Κατευθυντικά φαινόμενα υποκαταστατών που βρίσκονται σε συζυγία με τον βενζολικό δακτύλιο Ομάδες δότες ηλεκτρονίων μέσω συντονισμού: Ορθο- και παρα-κατευθυντήριοι ενεργοποιητές Με τροποποιημένους αμινο- και υδροξυ-υποκαταστάτες (όπως -NHCOR, - OR) επιτυγχάνεται καλύτερος έλεγχος της μονοϋποκατάστασης Ηλεκτρονιόφιλη νίτρωση του ακετανιλιδίου

20 Κατευθυντικά φαινόμενα υποκαταστατών που βρίσκονται σε συζυγία με τον βενζολικό δακτύλιο Ομάδες δέκτες ηλεκτρονίων μέσω συντονισμού: Μετα-κατευθυντήριοι απενεργοποιητές Χλωρίωση βενζαλδεΰδης: Το μετα- ενδιάμεσο καρβοκατιόν είναι σταθερότερο από τα ορθο- και παρα-.

21 Κατευθυντικά φαινόμενα υποκαταστατών που βρίσκονται σε συζυγία με τον βενζολικό δακτύλιο Ομάδες δέκτες ηλεκτρονίων μέσω συντονισμού: Μετα-κατευθυντήριοι απενεργοποιητές Ηλεκτρονιόφιλη νίτρωση του βενζοϊκού οξέος

22 Κατευθυντικά φαινόμενα υποκαταστατών που βρίσκονται σε συζυγία με τον βενζολικό δακτύλιο Αλογόνα: αν και είναι απενεργοποιητές προκαλούν ορθο- και παρα-προσανατολισμό Νίτρωση χλωροβενζολίου: Τα ορθο και παρα- ενδιάμεσα καρβοκατιόντα είναι σταθερότερα από το μεταλόγω προσφοράς ηλεκτρονίων από το μονήρες ηλεκτρονικό ζεύγος του χλωρίου.

23 Κατευθυντικά φαινόμενα υποκαταστατών που βρίσκονται σε συζυγία με τον βενζολικό δακτύλιο Αλογόνα: Ορθο- και παρα-κατευθυντήριοι απενεργοποιητές Ηλεκτρονιόφιλη βρωμίωση του βρωμοβενζολίου

24

25

26

27 Ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση σε διυποκατεστημένα βενζόλια Επικρατεί το προσανατολιστικό φαινόμενο του ισχυρότερου ενεργοποιητή Ορθο- και παρα-κατευθυντήριοι υποκαταστάτες: ενεργοποιητές, επιταχύνουν την προσβολή του ηλεκτρονιοφίλου σε ορθο- και παρα-θέσεις. Μετα-κατευθυντήριοι υποκαταστάτες: απενεργοποιητές, ελέγχουν την τοποεκλεκτικότητα επιβραδύνοντας την ορθο- και παρα-υποκατάσταση περισσότερο απ ό,τι τη μετα-. Πειραματικά, οι υποκαταστάτες κατατάσσονται ως προς την κατευθυντήρια ισχύ τους σε τρεις ομάδες: Τα μέλη των ομάδων σε υψηλότερη σειρά υπερνικούν την επίδραση των μελών χαμηλότερης σειράς. Οι υποκαταστάτες μέσα σε κάθε ομάδα ανταγωνίζονται και δίνουν μίγματα ισομερών.

28 Ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση σε διυποκατεστημένα βενζόλια Όταν οι κατευθυντήριες επιδράσεις των δύο υποκαταστατών ταυτίζονται, προκύπτει ένα προϊόν.

29 Ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση σε διυποκατεστημένα βενζόλια Όταν οι κατευθυντήριες επιδράσεις των δύο υποκαταστατών ταυτίζονται, προκύπτει ένα προϊόν.

30 Ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση σε διυποκατεστημένα βενζόλια Όταν οι κατευθυντήριες επιδράσεις των δύο υποκαταστατών αντιτίθενται, η κυρίαρχη επίδραση ασκείται από την ισχυρότερη ενεργοποιό ομάδα. Συχνά προκύπτουν μίγματα προϊόντων.

31 Ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση σε διυποκατεστημένα βενζόλια Η θέση μεταξύ των δύο υποκαταστατών σε ένα μετα-διυποκατεστημένο παράγωγο είναι πολύ παρεμποδισμένη. Η υποκατάσταση στη θέση αυτή εκδηλώνεται σπανίως.

32 Ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση σε διυποκατεστημένα βενζόλια Η υποκατάσταση με ορθο-προσβολή σε ογκώδεις ομάδες ή με προσβολή μεταξύ δύο υποκαταστατών είναι παρεμποδισμένη και συνήθως δεν συμβαίνει.

33 Στρατηγικές για τη σύνθεση υποκατεστημένων βενζολίων Αλλαγή της φοράς της κατευθυντήριας ισχύος των υποκαταστατών Αλληλομετατροπή της νιτρομάδας (μετα-κατευθυντήρια) με την αμινομάδα (ορθο-, παρα-κατευθυντήρια) Εφαρμογή στη σύνθεση της 3-βρωμοβενζολαμίνης

34 Στρατηγικές για τη σύνθεση υποκατεστημένων βενζολίων Αλλαγή της φοράς της κατευθυντήριας ισχύος των υποκαταστατών Αλληλομετατροπή ακυλίου (μετα-κατευθυντήριο) με αλκύλιο (ορθο-, παρα-κατευθυντήριο) Εφαρμογή στην παρασκευή του 1-χλωρο-3-αιθυλοβενζολίου από βενζόλιο Η εύκολη αναγωγή των ακυλοαρενίων προς αλκυλοαρένια εφαρμόζεται στη σύνθεση αλκυλοβενζολίων χωρίς την περιπλοκή της αναδιάταξης των αλκυλομάδων και την υπεραλκυλίωση.

35 Στρατηγικές για τη σύνθεση υποκατεστημένων βενζολίων Τα ηλεκτρονιόφιλα αντιδραστήρια Friedel-Crafts δεν προσβάλλουν τους ισχυρά απενεργοποιημένους βενζολικούς δακτυλίους Αλκυλιώσεις και ακυλιώσεις Friedel-Crafts δεν λαμβάνουν χώρα με παράγωγα του βενζολίου που είναι ισχυρά απενεργοποιημένα από μετα-κατευθυντήριες ομάδες. Η παρασκευή της νιτροακετοφαινόνης επιτυγχάνεται με νίτρωση της φαινυλοαιθανόνης και όχι με ακετυλίωση Friedel-Crafts του νιτροβενζολίου.

36 Στρατηγικές για τη σύνθεση υποκατεστημένων βενζολίων Η σύνθεση των ορθο-διυποκατεστημένων βενζολίων μπορεί να επιτευχθεί μέσω αντιστρεπτής σουλφονίωσης Μη αποδοτική σύνθεση του ο-( tert-βουτυλο)νιτροβενζολίου (επικράτηση του προϊόντος π-υποκατάστασης) Η αντιστρεπτή σουλφονίωση ως μία διαδικασία παρεμπόδισης

37 Στρατηγικές για τη σύνθεση υποκατεστημένων βενζολίων Στρατηγικές προστασίας λειτουργικών ομάδων Προστασία υδροξυ-ομάδας με μεθυλίωση: Προστασία αμινομάδας με ακετυλίωση : Εφαρμογή της προστασίας αμινομάδας στη σύνθεση της ο-νιτρανιλίνης

38 Δραστικότητα των πολυκυκλικών βενζενοειδών υδρογονανθράκων Ναφθαλίνιο: Ενεργοποιημένο στην ηλεκτρονιόφιλη υποκατάσταση. Αντιδράσεις εκλεκτικές στον C1. Βρωμίωση του ναφθαλινίου Νίτρωση του ναφθαλινίου

39 Δραστικότητα των πολυκυκλικών βενζενοειδών υδρογονανθράκων Ναφθαλίνιο: Η ευκολία προσβολής από ηλεκτρονιόφιλα οφείλεται στον μεγάλο βαθμό απεντοπισμού Απεντοπισμός κατά την προσβολή στη θέση-1: Δύο δομές συντονισμού με ακέραιο τον βενζολικό δακτύλιο Απεντοπισμός κατά την προσβολή στη θέση-2: Μία δομή συντονισμού με ακέραιο τον βενζολικό δακτύλιο. Κατιόν λιγότερο σταθερό

40 Τοποεκλεκτικότητα στις αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης υποκατάστασης των υποκατεστημένων ναφθαλινίων Επηρεάζεται περισσότερο ο δακτύλιος που φέρει τον υποκαταστάτη: Μία ομάδα που ενεργοποιεί, κατευθύνει το εισερχόμενο ηλεκτρονιόφιλο αντιδραστήριο στον ίδιο δακτύλιο. Νίτρωση του 1-μεθοξυναφθαλινίου

41 Τοποεκλεκτικότητα στις αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης υποκατάστασης των υποκατεστημένων ναφθαλινίων Επηρεάζεται περισσότερο ο δακτύλιος που φέρει τον υποκαταστάτη: Μία ομάδα που απενεργοποιεί, το κατευθύνει μακριά. Νίτρωση του 1-νιτροναφθαλινίου

42 Δραστικότητα των πολυκυκλικών βενζενοειδών υδρογονανθράκων Οι δομές συντονισμού βοηθούν στην πρόβλεψη της τοποεκλεκτικότητας των μεγαλυτέρων πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων Φαινανθρένιο: Η ηλεκτρονιόφιλη προσβολή γίνεται στον C-9 (ή στον C-10). Στο κατιόν που προκύπτει από την προσβολή στη θέση αυτή διατηρούνται ανέπαφοι δύο βενζολικοί δακτύλιοι.

43 Πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες και καρκίνος Καρκινογόνοι βενζενοειδείς υδρογονάνθρακες Το βενζο[α]πυρένιο παράγεται κατά την καύση οργανικών υλών, όπως τα καύσιμα των αυτοκινήτων και το πετρέλαιο, κατά την αποτέφρωση απορριμμάτων, κατά το άναμμα τσιγάρων και πούρων, ακόμη και κατά το ψήσιμο των κρεάτων.

44 Πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες και καρκίνος Καρκινογόνος δράση του βενζο[α]πυρενίου Το άζωτο της αμίνης στη γουανίνη, μία από τις βάσεις στο DNA, προσβάλλει ως πυρηνόφιλο το οξακυκλοπροπάνιο. Η τροποποιημένη γουανίνη διαταράσσει τη δομή της διπλής έλικας του DNA, εμποδίζοντας το ζευγάρωμα των βάσεων κατά την αντιγραφή του DNA.